Основы промышленной экологии

38

1. Предмет промышленной экологии, основные задачи

Предметом промышленной экологии является то, как снизить загрязнение среды в процессе производства. Причем это не обязательно загрязнение веществами, в том числе и токсичными. Промышленность загрязняет среду теплом, шумом, электромагнитным излучением и пр., которые крайне угнетающе воздействуют как на человека, так и на природу в целом. Так например, воздействие шума является одной из главных причин стрессов и в человеческом обществе и в природе. Не достаточно изучено влияние электромагнитного излучения, особенно слабого. Тепловое загрязнение становится сейчас самым распространенным случаем хронического стресса. Особенно это заметно вблизи тепловых электростанций, высвобождающих в воздух и воду огромное количества тепла. Последствия повышения температуры в окрестных прудах и озерах различны.

Одной из наибольших опасностей считается загрязнение грунтовых вод и глубоких водоносных горизонтов. В отличие от поверхностных вод эту воду практически невозможно очистить. Поэтому она еще долго будут отравлять все живое в окрестности. Но основную нагрузку несут на себе, конечно же, атмосфера и открытые водоемы

К числу основных направлений развития промышленной экологии можно отнести следующее: 1. Очистка выбросов. Разрабатываются и внедряются все новые системы очистных сооружений, препятствующих попаданию вредных веществ в атмосферу и в водоемы. Однако проблема этим не решается - куда девать эти вещества после того, как они выделены в концентрированном виде из промышленных стоков или дыма. 2. Совершенствование технологии производства путем повторного использования отходов.

3. Совершенствование добывающих и промысловых отраслей промышленности. Здесь происходят практически неконтролируемые процессы разрушения ландшафтов, гибели пригодных для земледелия земель, загрязнения среды, непосредственное уничтожение растительного и животного мира планеты и т.п. 4. Переход на экологически более чистые источники энергии. 5. Снижение вредности транспорта. Это одна из важнейших проблем современных городов, которая напрямую связана с энергетической проблемой. Сейчас эту проблему пытаются решать с помощью соответствующих фильтров и оптимизацией конструкцией моторов, но рост численности автомобилей перекрывает все успехи в этом направлении. В природных экосистемах около 90% энергии расходуется на разложение и возвращение веществ в биогеохимический кругооборот. В социально-экономических системах около 90% материальных ресурсов переходит в отходы, а основное количество энергии используется в производстве и потреблении. Поэтому главной задачей промышленной экологии является нахождение путей для рационального использования природных ресурсов, предотвращения их исчерпания, деградации и загрязнения окружающей среды, а в конечном итоге - совмещение техногенного и биогеохимического кругооборотов веществ.

2. Классификационные структуры основополагающих понятий: экологическая система, биогеоценоз, эффективность и тд.

Экологическая система закрытая, функционально единая совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих общую территорию и способных к длительному существованию при полностью замкнутом круговороте веществ (т. е. при отсутствии материального обмена через её границы). Принцип экологической системы используется при разработке биологических систем жизнеобеспечения человека в условиях изоляции от биосферы Земли, например в космических или подводных аппаратах. Основу такой искусственно создаваемой экологической системы составляют растения, которые за счёт энергии света в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, т. е. осуществляют регенерацию атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и др. гетеротрофными организмами, которые, в свою очередь, могут входить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и других компонентов биокомплекса разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. За счёт регенерации в таких экологических системах полностью обеспечивалась потребность человека в кислороде, воде и до 20% в пище. Биогеоценоз (от греч. koinos -- общий), взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии; одна из наиболее сложных природных систем. К живым компонентам биогеоценоза относятся автотрофные организмы (фотосинтезирующие зелёные растения и хемосинтезирующие микроорганизмы) и гетеротрофные организмы (животные, грибы, многие бактерии, вирусы), к косным -- приземный слой атмосферы с её газовыми и тепловыми ресурсами, солнечная энергия, почва с её водоминеральными ресурсами и отчасти кора выветривания. В каждом биогеоценозе сохраняется как однородность состава и строения компонентов, так и характер материально-энергетического обмена между ними. Особенно важную роль в биогеоценозе играют зеленые растения (высшие и низшие), дающие основную массу живого вещества. Они производят первичные органические материалы, вещество и энергия которых используются самими растениями и по цепям питания передаются всем гетеротрофным организмам. Зелёные растения через процессы фотосинтеза, дыхания поддерживают баланс кислорода и углекислого газа в воздухе, а через транспирацию участвуют в круговороте воды. В результате отмирания организмов или их частей происходит биогенная миграция и перераспределение в почве элементов питания (N, P, К, Ca и др.). Наконец, зелёные растения прямо или косвенно определяют состав и пространственное размещение в биогеоценозе животных и микроорганизмов. Роль в биогеоценозе хемотрофных микроорганизмов менее значительна. Гетеротрофы по специфике своей деятельности в биогеоценозе могут быть разделены на потребителей, трансформирующих и отчасти разлагающих органические вещества живых организмов, и разрушителей, или деструкторов (грибы, бактерии), разлагающих сложные органические вещества в отмерших организмах или их частях до простых минеральных соединений. В функционировании биогеоценоза велика роль почвенных животных -- сапрофагов, питающихся органическими остатками отмерших растений, и почвенных микроорганизмов (грибов, бактерий), разлагающих и минерализующих эти остатки. От их деятельности в значительной мере зависят структура почвы, образование гумуса, содержание в почве азота, превращение ряда минеральных веществ и многие другие свойства почвы. Без гетеротрофов невозможно было бы ни завершение биологического круговорота веществ, ни существование автотрофов, ни самого биогеоценоза. Косные компоненты биогеоценоза служат источником энергии и первичных материалов (газов, воды, минеральных веществ). Биогеоценоз -- динамичная система. Он непрерывно изменяется и развивается в результате внутренних противоречивых тенденций его компонентов. Изменения биогеоценоза могут быть кратковременными, обусловливающими легко обратимые реакции компонентов биогеоценоза (суточные, погодные, сезонные), и глубокими, ведущими к необратимым сменам в состоянии. Они могут быть медленными и быстрыми. Наряду с динамичностью, биогеоценозу присуща и устойчивость во времени, которая обусловлена тем, что современные природные биогеоценозы -- результат длительной и глубокой адаптации живых компонентов друг к другу и к компонентам косной среды. Качество - это совокупность характеристик объекта, имеющая отношение к его способности удовлетворить установленные и предполагаемые требования потребителя. При этом, что важно, под объектом качества может пониматься как собственно продукция, процесс ее производства, так и производитель.

3. Основополагающие понятия промышленной экологии: устойчивость, равновесие, живучесть, безопасность

Устойчивость -- свойство, внутренне присущее экосистеме, характеризующее способность: * выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями (например, техногенные воздействия на природный ландшафт); * оказывать сопротивление внешним (техногенным) воздействиям; * обнаруживать способность к восстановлению или самовосстановлению экосистемы. В ряде случаев рост нагрузок на фунты (статических, динамических, термодинамических) приводит к нежелательным явлениям и процессам -- просадкам, оползням, заводнению, что угрожает устойчивости возводимого объекта и нарушает баланс в геотехнической системе. Равновесие -- свойство экосистемы сохранять устойчивость в пределах регламентированных границ при антропогенных изменениях природного ландшафта. Безопасность -- свойство, определяющее риск потерь устойчивости, равновесия и живучести экосистемы. БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ: 1) совокупность действий, состояний и процессов, прямо или косвенно не приводящих к жизненно важным ущербам (или угрозам таких ущербов), наносимым природной среде, отдельным людям и человечеству; 2) комплекс состояний, явлений и действий, обеспечивающий экологический баланс на Земле и в любых ее регионах на уровне, к которому физически, социально-экономически, технологически и политически готово (может без серьезных ущербов адаптироваться) человечество. Живучесть- способный долго жить, существовать; длительный.

4. Признаки и показатели антропогенного изменения природного ландшафта в регионе освоения

ЛАНДШАФТ НАРУШЕННЫЙ -- тип антропогенного ландшафта, возникший в результате нерационального использование природных ресурсов.

ЛАНДШАФТ ТЕХНОГЕННЫЙ -- разновидность антропогенного ландшафта, особенности формирования и структуры которого обусловлены производственной деятельностью человека, связанной и с использованием мощных технических средств.

Формирование антропогенного ландшафта в регионе строительства. Реальные техногенные нагрузки на компоненты геосфер при сооружении объектов промышленного или гражданского назначения формируют потенциальные уровни антропогенного изменения биогеоценозов регионального ландшафта. С этой точки зрения исключительно важное 1)научно-методологическое значение приобретает задача оптимизации структурно-рациональных ограничений на строительный процесс с точки зрения минимального воздействия на природный ландшафт и далее обеспечения необходимых исходных контрольно-технологических предпосылок по сохранению экологического баланса в регионе. 2) определение принципиальных условий создания экологически чистого строительного комплекса по критериям качественно-количественной минимизации техногенных нагрузок на компоненты природного ландшафта. Математическая модель формирования антропогенного ландшафта предусматривает структурно-функциональные преобразования геосфер Вернадского, которые приводят к разнохарактерным конечным результатам, дающим возможность ставить и решать важные инженерно-экологические задачи. Важным обстоятельством в выработке экологически рациональных норм строительства является дифференцированный подход к оценке геологических, геокриологических, гидрологических и других условий строительства, причем как с точки зрения минимальных нагрузок на природные ландшафты. Реальные техногенные нагрузки на компоненты природы при сооружении объектов промышленного или гражданского назначения формируют потенциальные уровни антропогенного изменения биогеоценозов регионального ландшафта. Управление рациональным природопользованием ставит задачу оптимизации структурно-рациональных ограничений на строительный процесс с точки зрения минимального воздействия на природный ландшафт и обеспечения необходимых исходных конструктивно-технологических предпосылок по сохранению экологического баланса в регионе. Решение указанной задачи развивается по двум инженерно-техническим направлениям: * определение области оптимизации качества строительства по заданным экологическим критериям; * определение принципиальных условий создания экологически чистого строительного комплекса по критериям качественно-количественной минимизации техногенных нагрузок на компоненты природного ландшафта. Экологическая защищенность природных ландшафтов в регионе строительства в существенной мере достигается за счет повышения качества и надежности сооружаемых объектов, эффективных технических, технологических и организационных решений и методов. Устойчивость -- свойство, внутренне присущее экосистеме, характеризующее способность: * выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями (например, техногенные воздействия на природный ландшафт); * оказывать сопротивление внешним (техногенным) воздействиям; * обнаруживать способность к восстановлению или самовосстановлению экосистемы. Равновесие -- свойство экосистемы сохранять устойчивость в пределах регламентированных границ при антропогенных изменениях природного ландшафта. Неадекватность расчетных моделей реальной экологической обстановке в зоне промышленного освоения территорий приводит к невосполнимым потерям биогеоценозов природного ландшафта.

Так как зона антропогенного изменения природного ландшафта зависит от характера взаимодействия естественных свойств окружающей среды и искусственно созданных (принудительных) форм техногенного воздействия. Сохранность прир. ландшафтов должна обеспечиваться инженерным обустройством и биологической мелиорацией; постоянным восстановлением растительных сообществ; локализацией очагов повышенной нагрузки на почвенно-растительный покров, регулярным уходом за насаждениями.

Цель биологической рекультивации -- снижение или предотвращение последствий техногенных нарушений, предупреждение или ликвидация развития криогенных процессов, закрепления грунтов от ветровой и водной эрозий, создание зеленых ландшафтов, необходимых для жизни людей и животного мира. Категория экологической опасности (уязвимости) природных ландшафтов по степени компенсационных возможностей объектов природы к самовосстановлению: I -- высшая категория опасности (практическое отсутствие компенсационных свойств объектов природы); II --средняя категория опасности (слабо выраженные компенсационные свойства); III--низшая категория опасности (сильно выраженные компенсационные свойства объектов природы).

Формирование антропогенного ландшафта характеризуется количественными и качественными изменениями в зоне сооружаемого (и действующего) промышленного объекта. По времени формирования и развития антропогенного ландшафта следует выделить в самостоятельные группы факторы, сопровождающие собственно процесс сооружения, и факторы экологического воздействия в процессе эксплуатации промышленного объекта. 1 -- предельный антропогенный уровень; 2 -- стадия формирования промышленного объекта; 3 -- стадия эксплуатации промышленного объекта; сохранности природного слоя почвы; сохранности растительного покрова; 4 -- сохранности гидрогеологического состояния рельефа; 5-- сохранности естественного вида ландшафта.

5. Градация критериев промышленного техногенеза

С позиций ограничений техногенеза указанный критерий обеспечивается при следующих условиях: * минимизации срока строительства промышленных объектов; это условие обеспечивает минимальные экономические потери, вызванные нестационарной составляющей строительного техногенеза. Важное требование, предъявляемое к формированию и функционированию замкнутых промышленных экосистем, состоит в том, чтобы закономерная тенденция возрастания энтропии системы была строго регламентирована жестким диапазоном количественных норм на все параметры промышленного техногенеза. Экологически безопасное функционирование ПТГ обеспечивается путем своевременной предупредительной защиты объектов природы от тотального отрицательного воздействия на них со стороны объектов строительного и промышленного техногенеза. Наряду с возможным глобальным экологическим скачком современный техногенез обусловливает закономерный процесс развития негативных антропогенных изменений по всей номенклатуре объектов гео- и биосферы Экологические эквиваленты промышленного техногенеза:1. каждый вид промышленного техногенеза обладает свойственной ему спецификой воздействия на объекты природы, заключающейся в определенном распределении антропогенных изменений по качественному и количественному составу (состав атмосферного воздуха, наличие в воде примесей определенного вида и количества, характер и масштабы нарушения целостности). Вторым этапом исследования состояния ПТГ по видам промышленного техногенеза является количественная оценка суммарных потерь по всем объектам окружающей природной среды. Необходимой основой для разработки специальных шкал по видам промышленного техногенеза: строительство промышленных объектов с разнохарактерной спецификой взаимодействия с окружающей средой (подземные, надземные, подводные, надводные, комбинированные, стационарные и нестационарные.

Примерами специальных шкал по видам промышленного техногенеза могут быть: экологический ущерб (в локальном, региональном и планетарном выражении); степень экологической защиты в заданных границах; мера экологического риска (степень опасности по различным экологическим последствиям) и др. Поэтому исследование физических величин и их метрологических свойств в рамках номенклатурного состава промышленного техногенеза составляет важную самостоятельную задачу, решение которой позволит определить:* диапазоны изменчивости размеров физических величин, составляющих конкретную техногенную структуру;* количественную сопоставимость физических величин по искусственным объектам и природным аналогам;* возможность измерений физических величин имеющимися способами и средствами;* коррелируемость разнохарактерных величин и возможность их комплексного представления и др.

6. Загрязнение окружающей среды в РФ

Все неиспользованное сырье, а это его основная часть (до 90%) поступает в окружающую среду в виде различных отходов. Следует отметить, что эти вещества в природе прежде всего были в наименее растворимой и, следовательно, наименее токсичной форме. Например, металлы - в виде малорастворимых оксидов или сульфидов, фтор - в виде фторида кальция или фосфатов (последние всегда содержат фтор). И даже несмотря на это месторождения фторида кальция или фосфоритов являются зонами эндемического (природного) флюороза. При получении металлов, фосфорных удобрений и ряда других продуктов образуется большое количество твердых, жидких и газообразных отходов, в которых так называемые тяжелые металлы и фтор находятся в активной форме, губительно воздействующей на все живое. За последние пятнадцать лет промышленность и транспорт выбросили в окружающую среду свинца больше, чем за весь предшествующий период. Всего в результате промышленной деятельности от всех антропогенных источников в биосферу поступило около 20 млн. т свинца, 14 млн. т цинка, более 2 млн. т меди и т.д. Масштабы выбросов соединений кадмия, цинка, меди и других тяжелых металлов всеми вулканами нашей планеты далеко уступают их количеству, поступающему только от мусоросжигательных печей. При этом следует отметить, что антропогенные источники выделения тяжелых металлов распределены очень неравномерно и сконцентрированы преимущественно в густонаселённых промышленных регионах. Особую опасность вызывает непрерывное повышение регионального и глобального фона - средней концентрации (например, тяжёлых металлов в почве, воде и воздухе), сложившейся в регионе. Повышенное внимание к тяжелым металлам уделяется потому, что по общетоксическому воздействию на живые организмы они уже вышли на первое место, далеко опередив радиоактивные вещества и пестициды, и вызывают целый букет тягчайших человеческих недугов: сердечно-сосудистые заболевания, умственную неполноценность, паралич, рак, наследственные болезни. В последнее десятилетие особую тревогу вызывает ежегодное поступление в атмосферу от антропогенных источников до 25 млрд. т диоксида углерода (около 10% от общего природного поступления), вызывающего потепление за счет парникового эффекта, около 190 млн. т монооксида углерода - угарного газа (10%), около 110 млн. т диоксида серы - одного из основных источников кислых дождей (75-90% в зависимости от полушария), около 70 млн. т оксидов азота, свыше 50 млн. т различных углеводородов, около 50 млн. т первичных аэрозолей (4%). Кроме того, образуется еще порядка 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей сульфатов, нитратов, углеводородов (20%) и т.д. Доля ОСЙР в общем объеме выбросов составляла около 10%. В 1988 г. в нашей стране в окружающую среду поступило 12-15 млрд. т твердых отходов, 160 млрд. т жидких и 107 млн. т газообразных выбросов, аэрозолей и пыли. В Государственном докладе «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1996 году» сказано, что загрязнения атмосферного воздуха в 262 городах и промышленных центрах России свидетельствуют о том, что за пятилетний период (1992-1996 гг.) средние за год концентрации пыли, диоксида серы и формальдегида снизились на 11-13%, бензопирена - на 39%. За тот же период средние концентрации сероводорода, оксида углерода, оксида и диоксида азота возросли на 3-8%. ... За год концентрации загрязняющих веществ превышали установленные санитарно-гигиенические нормативы в воздухе 205 городов с населением 65,4 млн. чел. (44% населения страны). Случаи превышения максимальных концентраций 10 ПДК имели место в 70 городах.» Таково состояние атмосферы в нашей стране в настоящее время.

7. Какова динамика роста промыш. производства, потребления сырья и энергии и кол-ва отходов?

Анализ развития производств и динамики потребления сырья и образования отходов привели выводу о том, что дальнейшее развитие производств не может осуществляться на базе сложившихся традиционных экстенсивных технологических процессов без учёта экологических ограничений и требует принципиально нового подхода. Этот подход, получивший название «безотходная технология», а позднее «чистая технология», основой которого является цикличность материальных потоков, подсказан самой природой. Академик И. В. Петрянов-Соколов провел кропотливое и тщательное исследование развития промышленности и объемов использования природных ресурсов. Как показал анализ этого огромного статистического материала (с 1909 г.), объем мирового промышленного производства увеличивается по экспоненциальному закону. Количество перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов также возрастает экспоненциально. А это означает, что человечество все больше и больше работает на производство отходов. На тот период только около 1-2% сырьевых материалов переходило в конечную продукцию, а остальные 98-99% превращались в отходы, зачастую весьма токсичные. Никогда раньше человек не добывал из Земли так много сырья, как в наше время. Подсчитано, что на каждого жителя развитых стран уже приходится не менее 20 т/год добываемого минерального сырья. Еще более примечательно то, что расходы на обезвреживание и переработку отходов уже теперь, когда деятельность людей в этом направлении практически только начинается, также возрастают экспоненциально и уже сейчас составляют 8-10% стоимости производимой продукции. С некоторым приближением можно принять, что все три процесса могут быть описаны уравнением

А = Вni

где А - объем производства или используемого сырья, количество образующихся отходов либо затраты на их обезвреживание и переработку, В - постоянная величина, ni = 1,2,3 - показатели трех упомянутых экспонент, причем n3>n2>n1.

Идея многократного, цикличного, экономного использовать материальных ресурсов уже не только широко обсуждается во всем мире, но в большинстве стран нашла широкое практическое применение. Так, в развитых капиталистических странах степень повторного использования свинца составляет не менее 65%, железа - 60, меди - более 40, никеля - 40, алюминия - 33, цинка - 32% и т.д. В нашей стране эти цифры значительно скромнее. За счет использования вторичного сырья производится 30% стали и 20% цветных металлов. Необходимо также отметить, что энергоемкость производства алюминия из вторичного сырья в 20 раз, а стали в 10 раз ниже, чем энергоемкость их производства из первичного сырья. Можно подсчитать, что если запасы возрастут в 10 раз, то обеспеченность сырьем производства увеличится всего в 2,5-3 раза. В случае рециркуляции 50% металлов из сферы потребления в сферу производства обеспеченность важнейшими металлами возрастает в 3-3,5 раза, а при 95-98%-ной степени рециркуляции - в 5-7 раз. В конечном итоге основным для промышленного производства должно стать вторичное сырьё. Такая тенденция уже существует. Так, в нашей стране 25-30 лет назад в готовую продукцию переходило всего 1-2% используемых сырьевых материалов, 15-20 лет назад - от 5 до 10%.

8. Место техногенного кругооборота веществ в биогеохимическом кругообороте

Управление рациональным природопользованием в рамках отраслевой структуры, влияющей на окружающую среду, начинается с оценки прямых и косвенных затрат ОС. Это выражено при наличии экологического контроля и мониторингов ПТГ, возможности проведения ЭЭЭ проектов, паспортизации производственных и соответствующих проектов обезвреживания и утилизации отходов при достижении эффективности природоохранных и ресурсосберегающих технологий. С этой целью мы остановимся на ряде проблем, необходимых к срочному разрешению. В природных экосистемах производство и разложение сбалансированы, в них нет отходов: отходы одних организмов служат средой обитания для других и таким образом осуществляется практически замкнутый кругооборот веществ в природе. В природных экосистемах около 90% энергии расходуется на разложение и возвращение веществ в биогеохимический кругооборот. В социально-экономических системах около 90% материальных ресурсов переходит в отходы, а основное количество энергии используется в производстве и потреблении. Поэтому главной задачей промышленной экологии является нахождение путей для рационального использования природных ресурсов, предотвращения их исчерпания, деградации и загрязнения окружающей среды, а в конечном итоге - совмещение техногенного и биогеохимического кругооборотов веществ.

9. Как изменяется энтропия при сжигании угля и при фотосинтезе?

При наличии вращения устанавливается стационарное состояние, далекое от равновесия с солнечным излучением. Температура в этом состоянии в течение суток совершает небольшие колебания вокруг значения, меньшего единицы. Таким образом, вращение обеспечивает прерывание процесса нагрева и дополнительное охлаждение планеты, что и приводит к уходу неизолированной системы от равновесного состояния с излучением.

Соответственно энтропия планеты без биосферы при отсутствии вращения стремится к максимуму, соответствующему термодинамическому равновесию с излучением. При наличии же вращения энтропия стремится к меньшему стационарному значению.

При наличии вращения энтропия планеты с биосферой возрастает только в первые моменты времени, пока температура возрастает. Как только температура выходит на постоянный уровень, энтропия, совершая суточные колебания, уменьшается линейно со временем. Это происходит благодаря реакции фотосинтеза, осуществляемой биосферой.

Изменение энтропии измеряется в единицах максимально возможного ее изменения при отсутствии вращения и реакции фотосинтеза, время - в десятках суток.

Линейный закон уменьшения энтропии в данной модели обязан лишь сделанному допущению о линейности роста массы глюкозы. Если рост массы биосферы прекращается из-за конечности ресурсов планеты, то энтропия биосферы также выйдет на стационарный уровень. Вывод о возможности уменьшения энтропии в неизолированной системе с потоками тепла через границу под действием двух регулярных факторов : вращения и реакции фотосинтеза, - сделан в следующих упрощающих предположениях : независимость теплоемкости от температуры, постоянство давления; равенство температур реагирующих компонент; заданная постоянная скорость химической реакции вместо учета химической кинетики; применение уравнения состояния идеального газа к воде и глюкозе. Учет отличия уравнения состояния для воды и глюкозы от уравнения состояния идеального газа лишь улучшит ситуацию, т.к. энтропия жидкостей меньше энтропии газов. Детальным учетом кинетики реакции фотосинтеза можно пренебречь, т.к. нас интересует только изменение энтропии системы, а ни одно из вспомогательных веществ не расходуется и не вносит вклад в это изменение. Модель работает, когда ресурсы системы можно считать неограниченными, т.е. на начальной стадии процесса формирования биосферы.

10. В чем суть концепции безотходных или чистых производств?

Безотходная технология - это такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования». Под малоотходным понимается такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами; при этом по техническим, организационным, экономическим или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение. Термин чистое производство был введен на заседании рабочей группы ЮНЕП/ИЕО в 1989 г. Было дано следующее определение чистого производства: «это производство, которое характеризуется непрерывным и полным применением к процессам и продуктам природоохранной стратегии, предотвращающей загрязнение окружающей среды таким образом, чтобы понизить риск для человечества и окружающей среды.

Основные принципы организации малоотходных и безотходных или чистых производств:

-разработка принципиально новых процессов, при внедрении которых существенно снижается или практически исключается образование отходов и отрицательное воздействие на окружающую среду;

- комплексное использование всех компонентов сырья и максимально возможное использование потенциала энергоресурсов. Комплексный подход, имеющий не только экологическое, но и важное экономическое значение, обеспечивает эффективность таких производств, что в значительной степени ускоряет их разработку и внедрение. В качестве примера можно привести комплексную переработку полиметаллических руд, апатитового и нефелинового концентратов, руд, содержащих редкие металлы.

- внедрение геотехнологических методов разработки месторождений полезных ископаемых (например, подземное выщелачивание);

- применение безводных методов обогащения и переработки сырья на месте его добычи;

- использование гидрометаллургических методов переработки руд и отходов;

- применение методов порошковой металлургии;

- внедрение окислительно-восстановительных технологий с применением кислорода, водорода, озона, свободных радикалов, электрического тока и т.д.;

- использование в технологии сверхвысоких давлений и температур, эффекта сверхпроводимости;

- разработка плазменных процессов;

- замена химических процессов с использованием кислот и щелочей механическими методами, например, при очистке поверхностей;

- замена прямоточных процессов противоточными;

- внедрение перспективных высокоэффективных мембранных, ионообменных, экстракционных и других методов для разделения и выделения ряда высокоценных и токсичных веществ;

- максимальная замена первичных сырьевых и энергетических ресурсов вторичными;

- создание энерготехнологических процессов. - внедрение непрерывных процессов;

- интенсификация и автоматизация процессов и т. д.

Организация производства:

- ключевым является принцип системности. Принцип системности, учитывает взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов. В качестве примера можно привести создание в различных отраслях народного хозяйства замкнутых водооборотных систем,являющихся составной частью безотходною производства.

- цикличность потоков веществ, например создание замкнутых водооборотных и газооборотных циклов. Важнейшие из них - замкнутые водооборотные циклы, которые формируют производственную систему по аналогии с природным круговоротом воды.

- возможность комбинирования производств на основе комплексного использования сырья и энергоресурсов;

- возможность отраслевой кооперации производств на основе переработки и утилизации вторичных ресурсов.

- обоснованность района и площадки строительства с учетом фонового загрязнения окружающей среды, перспектив развития данного производства и других производств в регионе;

- создание малоотходных и безотходных территориально-производственных комплексов или эколого-промышленных парков.

- рациональная организация производства.

- создание региональных систем по переработке и обезвреживанию отходов, прежде всего токсичных. Это полигоны, заводы по производству строительных материалов, использующие и обезвреживающие некоторые токсичные материалы в силу особенностей своей технологии (обжиг и спекание при высоких температурах).

Конечной целью безотходного или чистого производства, является максимально возможное удовлетворение потребностей людей (в пище, одежде, жилье и т.д.) без ухудшения (а иногда и с улучшением) среды обитания.

11. Что препятствует созданию безотходного производства?

Основные принципы организации малоотходных и безотходных или чистых производств: Создание малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов, производств и территориально-производственных комплексов является сложной, комплексной, многостадийной и многоуровневой задачей. Каждый этап и каждая стадия ее решения выдвигают свои требования.

а) Технологический процесс:

-разработка принципиально новых процессов, при внедрении которых существенно снижается или практически исключается образование отходов и отрицательное воздействие на окружающую среду;

- комплексное использование всех компонентов сырья и максимально возможное использование потенциала энергоресурсов. Практически все сырьевые источники являются многокомпонентными и в среднем более трети его стоимости приходится на сопутствующие элементы, которые могут быть извлечены только при комплексной переработке.

- внедрение геотехнологических методов разработки месторождений полезных ископаемых (например, подземное выщелачивание);

- применение безводных методов обогащения и переработки сырья на месте его добычи;

- использование гидрометаллургических методов переработки руд и отходов;

- применение методов порошковой металлургии;

- внедрение окислительно-восстановительных технологий с применением кислорода, водорода, озона, свободных радикалов, электрического тока и т.д.;

- использование в технологии сверхвысоких давлений и температур, эффекта сверхпроводимости;

- разработка плазменных процессов;

- замена химических процессов с использованием кислот и щелочей механическими методами, например, при очистке поверхностей;

- замена прямоточных процессов противоточными;

- внедрение перспективных высокоэффективных мембранных, ионообменных, экстракционных и других методов для разделения и выделения ряда высокоценных и токсичных веществ;

- максимальная замена первичных сырьевых и энергетических ресурсов вторичными;

- создание энерготехнологических процессов. Комбинирование технологических энерготехнологических процессов позволяет увеличивать производительность агрегатов, экономить энергоресурсы, сырье и материалы.

- внедрение непрерывных процессов;

- интенсификация и автоматизация процессов и т. д.

б) Аппаратурное оформление:

- разработка принципиально новых аппаратов;

- оптимизация размеров и производительности;

- герметизация;

- использование новых конструкционных материалов, позволяющих увеличить долговечность аппаратов, уменьшить их вес и т.д.

в) сырье, материалы, энергоресурсы:

- обоснованность их качества (в частности, использование сырья и материалов, например технической воды, не более высокого, а строго определенного качества);

- предварительная подготовка сырья и топлива (извлечение из него наиболее токсичных компонентов, например, серы из топлива и т.п.);

- замена высокотоксичных материалов, например ртути, кадмия, свинца и т.д., на менее токсичные вещества при производстве красителей, катализаторов, батареек и других изделий и материалов;

- возможность замены сырья и энергоресурсов на нетрадиционные, местные, попутно добываемые и т.д.

г) Готовая продукции, включая побочную и попутно образующуюся:

- безопасность;

- длительность использования;

- обеспечение возможности и условий для возвращения продукции в производственный цикл после физического и морального износа.

- биоразлагаемость при попадании в окружающую природную среду, например биоразлагаемые пакеты;

- удобство использования, починки, разборки и т.д.

д) Организация производства:

- ключевым является принцип системности. В соответствии с этим принципом каждый отдельный процесс рассматривается как элемент более сложной производственной системы, а на более высоком иерархическом уровне - как элемент всей эколого-экономической системы. В основе создания безотходных или чистых производств, особенно эколого-промышленных парков, лежит принцип системности, который учитывает взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов.

- цикличность потоков веществ, например создание замкнутых водооборотных и газооборотных циклов. Важнейшие из них - замкнутые водооборотные циклы, которые формируют производственную систему по аналогии с природным круговоротом воды.

- возможность комбинирования производств на основе комплексного использования сырья и энергоресурсов;

- возможность отраслевой кооперации производств на основе переработки и утилизации вторичных ресурсов. При организации малоотходных и безотходных или чистых производств большое значение имеет комбинирование и межотраслевое кооперирование на базе комплексной переработки сырья и утилизации отходов.

- обоснованность района и площадки строительства с учетом фонового загрязнения окружающей среды, перспектив развития данного производства и других производств в регионе;

- создание малоотходных и безотходных территориально-производственных комплексов или эколого-промышленных парков.

- рациональная организация производства. При этом подразумевается, что увеличение объема производства и расширение номенклатуры выпускаемой продукции не приводят к невосполнимым потерям природных ресурсов в регионе.

- создание региональных систем (или центров) по переработке и обезвреживанию отходов, прежде всего токсичных. Это полигоны, заводы по производству строительных материалов, использующие и обезвреживающие некоторые токсичные материалы в силу особенностей своей технологии (обжиг и спекание при высоких температурах).

Конечной целью безотходного или чистого производства, является максимально возможное удовлетворение потребностей людей (в пище, одежде, жилье и т.д.) без ухудшения (а иногда и с улучшением) среды обитания.

12. Как используется энергия в безотходном производстве каковы ограничения второго закона термодинамики?

В соответствии с фундаментальными законами сохранения и вторым началом термодинамики («всё должно куда-то деваться») полностью безотходные технологии, как и полностью безотходные предприятия, существовать не могут. Тем более, что любая продукция также является отложенным отходом. Когда говорят о локальных успехах очистки на какой-то территории или в какой-то стране, часто забывают, что при этом сильнее загрязняется другая территория или другая страна, где добывалось сырье и производились полуфабрикаты для «чистого» производства или куда импортируются его отходы, в том числе и в виде импортной продукции. Хорошо известно, например, что состав бытовых отходов в городах России за последние годы заметно изменился за счет огромной массы упаковочных материалов импортных товаров. А ведь это не только бумага и картон, но и

синтетические материалы, металлы, красители. «Экологически чистый» продукт может быть так упакован, что общий эффект его утилизации окажется загрязняющим. Второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода Н. Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе. Позже, в 1850 году немецкий физик-теоретик Рудольф Клаузиус (1822-1888) дал второму началу термодинамики следующую формулировку: «не возможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым». Независимо от Р. Клаузиуса в несколько иной форме этот принцип высказал выдающийся английский физик сэр Уильям Томсон лорд Кельвин (1824-1907) в 1851 году: «не возможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара». После рождения в 1905 году специальной теории относительности, названные законы подверглись коренному пересмотру. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и её движение. Понятие энергии также подверглось изменению: энергия E оказалась пропорциональной массе m и скорости света c, сформировав суть нового понятия - «общая или полная внутренняя энергия» Es: Es = mc2. В безотходном производстве используется сырье, материалы, энергоресурсы:

- обоснованность их качества (в частности, использование сырья и материалов, например технической воды, не более высокого, а строго определенного качества);

- предварительная подготовка сырья и топлива (извлечение из него наиболее токсичных компонентов, например, серы из топлива и т.п.);

- замена высокотоксичных материалов, например ртути, кадмия, свинца и т.д., на менее токсичные вещества при производстве красителей, катализаторов, батареек и других изделий и материалов;

- возможность замены сырья и энергоресурсов на нетрадиционные, местные, попутно добываемые и т.д.

13. Возможно ли безотходное производство?

Ответ составлен на примере г.Нижнего Новгорода.

ТБО -- эти три буквы знает каждый коммунальщик, да и жильцам они не дают покоя. Накапливается этих ТБО ежедневно очень большое количество, а девать некуда. В цивилизованных странах давно из ТБО извлекают выгоду. Мы же только начинаем это делать, только учимся экономить. Твердые бытовые отходы. Ежегодно их образуется в Нижнем Новгороде около 2 млн куб. м (а также приравненных к ним по токсичности промышленных отходов). Если верить прогнозам специалистов, в 2005 г. ежегодное накопление отходов возрастет до 3 млн куб. м. И что с ними делать? Все сваливать на полигон? Пока так и делается. И ТБО являются источником загрязнения почв, грунтовых вод и атмосферы. На полигоне безвозвратно теряется огромная масса ценных веществ и компонентов, содержащихся в ТБО, -- бумаги, стекла, черных и цветных металлов, полимеров, текстильных материалов. Что же предпринимается в Нижнем Новгороде для переработки и утилизации ТБО? Из множества существующих технологий у них внедрены две: переработка отходов на специализированном заводе и сортировка с последующим брикетированием. Последним занимается частная фирма ООО “Промкомплект НН” по личной инициативе. На двух рынках города -- Центральном и Сормовском -- созданы участки для отделения на стадии сортировки отходов макулатуры, полимеров, деревянной тары и пищевых отходов. Все это суммарно составляет 50 проц. общего количества поступающих отходов и после соответствующей обработки сдается заготовительным организациям. Оставшиеся неутилизируемые фракции брикетируются и вывозятся на полигон (их объем, с учетом прессования, составляет 9 проц. от общего объема отходов, поступающих на сортировку). Этот метод показал свою эффективность на практике и, может быть, в скором будущем будет внедрен на всех рынках и крупных торговых предприятиях города. Переработка отходов производится также на специализированном заводе № 1 мощностью 150000 куб. м в год. В мае-июне в городе проходил конкурс инвестиционных проектов по утилизации ТБО. Была выбрана биотермальная система очистки отходов, запатентованная во многих странах мира, которая совмещает механическую предварительную очистку, анаэробную переработку и процесс горения в кипящем слое. Конечным продуктом переработки ТБО становится биогумус, пригодный для использования в сельском хозяйстве и садоводстве, планирования ландшафтов и в восстановительных экологических мероприятиях. Другим продуктом утилизации отходов по этой технологии является электро- или теплоэнергия. Несмотря на то, что ТБО из жилого фонда -- крупный источник вторичного сырья, практическая реализация селективного сбора полезных компонентов отходов представляет собой сложную проблему, связанную с организацией сбора и уровнем цен на вторичное сырье низкого качества. В настоящее время эту проблему в России решил только небольшой город Новочебоксарск в Чувашии. Для всех существующих промышленных свалок имеются технические решения по их переработке. Но пока внедрена только переработка отходов металлургического производства на АО “Нижегородский машиностроительный завод”, на свалке которого было накоплено 2,5 млн т отходов. С начала переработки (ноябрь 1996 г.) освоено около 1 млн т. Однако в последнее время возникли проблемы с реализацией одного из видов продукции: щебеночно-песчаной смеси. На складах скопилось около 300000 т этой продукции, которая может быть использована в дорожном строительстве или в планировочных целях, причем ее цена в 1,5--2 раза ниже применяемого чаще всего песка. Для города и близлежащих районов решен вопрос утилизации отходов загрязненной садоводческой и сельскохозяйственной пленки. ЗАО “Ника плюс” организует прием пленки с выездом за ней на место сдачи и ее дальнейшую переработку. Сбор и прием использованных полиэтиленовых отходов ведет также и ЗАО “ГИНД НН”, которое планирует в октябре 1998 г. пуск производства полимерпесчаной черепицы и тротуарной плитки с применением указанных отходов, а сбор и переработку макулатуры ведут в нашем городе ЗАО “Зареченское” и АО “Нижегородкровля”. В настоящий момент их комитет приступил к созданию единой системы управления отходами лечебно-профилактических учреждений с перспективой образования в городе центра по переработке медицинских отходов.

14. Методы стимулирования природоохранной деятельности

В настоящее время большинство ученых и предпринимателей развитых стран пришли к пониманию того бесспорного факта, что дешевле и эффективнее предотвращать нерациональное использование природных ресурсов и образование отходов, чем бороться с последствиями неразумного промышленного производства, т.е. необходимо бороться не со следствием, а устранять причины образования отходов, оскуднения природных ресурсов и загрязнения окружающей среды путем широкого внедрения малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов и производств. Можно выделить три основные причины, препятствующие предотвращению загрязнений в промышленности: политические, экономические и технические. По экспертным оценкам в США на первую - политическую - приходится 60%, вторую - экономическую - 30%, а на долю технической остается всего 10%. У нас ситуация примерно следующая: 50, 35 и 15 %. Последняя величина больше из-за сложности приобретения оборудования, систем автоматизации и контроля. С финансами у нас также больше проблем, чем у американцев. Ну, а главная причина интернациональна - вопрос приоритетов в обществе и у руководителей промышленностью - предпринимателей. Многие руководители считают, что природоохранная деятельность требует больших средств, является второстепенной и уводит от основной цели предпринимательства. Поэтому во всех странах уделяется исключительно большое внимание стимулированию природоохранной деятельности. И ключевым здесь является природоохранительное законодательство. Еще древнегреческий ученый Платон в книге «Законы» писал, предвосхищая современный принцип «кто загрязняет, тот и платит»: «Применение любых снадобий легко загрязняет воду. Поэтому вода нуждается в защите согласно следующему принципу, тот, кто сознательно загрязняет воду, обязан, помимо уплаты штрафа, очистить ручей или водоем предписанным методом». На законодательную базу России особое влияние оказал Судебник 1497 г. Его суть - это зашита государства и всего состояния на его территории, защита личности человека. И в основе - принципы нравственности и справедливости. В Законе РФ «Об охране окружающей природной среды» раздел посвящен экономическому механизму охраны окружающей природной среды, а статья «Экономическое стимулирование охраны окружающей природной среды» гласит: «В Российской Федерации осуществляется стимулирование рационального природопользования и охраны окружающей природной среды путем:

- установления налоговых и других льгот, предоставляемых государственным и другим предприятиям, учреждениям и организациям, в том числе природоохранительным, при внедрении малоотходных и безотходных технологий и производств, использовании вторичных ресурсов, осуществлении другой деятельности, обеспечивающей природоохранительный эффект ...;

- введения специального налогообложения экологически вредной продукции, выпускаемой с применением экологически опасных технологий ... ».

В целях повышения экологической культуры общества и профессиональной подготовки специалистов этим же Законом предусматривается установление системы всеобщего, комплексного и непрерывного экологического воспитания и образования, охватывающей весь процесс дошкольного и школьного воспитания и образования, профессиональной подготовки специалистов в средних и высших учебных заведениях, повышение их квалификации с использованием средств массовой информации. Как известно, образование, особенно с раннего возраста, имеет исключительно большое воздействие на человека, так как формирует отношение к окружающей среде и природе в целом, а это является ключевым моментом в экологическом воспитании человека.

15. Суть принципа «не повреди природе и себе» и методы внедрения в сознание людей этого принципа