Методы управления отходами горного производства

В России Вайсманом Я.И. и др. разработан метод оценки сценариев движения отходов с учетом всего жизненного цикла ТБО на основе ресурсно-эколого-экономического критерия. Принципы обращения с ТБО были классифицированны по 4 основным группам: экономия природных ресурсов; экологически безопасное обращение с отходами; экономия финансовых ресурсов; исключение экспорта отходов во времени. С учетом этих принципов выделяют 4 соответствующие группы показателей, позволяющих провести сравнительную оценку сценариев утилизации ТБО К ресурсной группе показателей отнесены: экономия вторичных ресурсов ТБО; экономия земельных ресурсов; энергосбережение. К экологической группе отнесены: загрязнение атмосферы; загрязнение гидросферы. К экономической - удельная стоимость обращения с 1т ТБО. Исключение экспорта отходов во времени характеризуется показателем «Вечное захоронение». Разработанный метод был верифицирован на примере г. Перми, с оценкой 19 различных сценариев санитарной очистки бытовых отходов. Выбран оптимальный сценарий движения ТБО, включающий компостирование отходов с применением раздельного сбора, вывозом через МПС, сортировкой на компостном заводе с получением вторичного сырья. Предложенный метод и полученные на его основе результаты могут быть использованы для выбора стратегии и тактики развития схем санитарной очистки для любой территории [62]. В условиях ограниченного количества исследований по оценке жизненного цикла систем управления отходами в России практический интерес представляет собой научная работа Притужаловой О.А. [30]. В работе были изучены методологические основы оценки жизненного цикла и особенности их развития в России, а также была доказана практическая применимость метода в российских условиях путем проведения сравнительной экологической оценки упаковки напитков из комбинированных материалов, производящейся в России и Германии. При сравнении жизненных циклов упаковки были смоделированы 3 сценария: Федеративная республика Германия (сценарий 1), Московская область (сценарий 2) и Тюменская область (сценарий 3). Результаты исследования показали существенно меньший потенциал воздействия на окружающую среду упаковки напитков, производимой и потребляемой в Германии. Сравнение сценариев для Московской и Тюменской областей показало, что меньшим потенциалом экологического воздействия обладает упаковка, производимая и используемая в Московской области, что во многом обусловлено удаленностью Тюменской области от центров производства используемого сырья и упаковочных веществ.

Таким образом, Оценка жизненного цикла является эффективным аналитическим методом для сравнения различных сценариев и технологий утилизации отходов и находит широкое практическое применение в области управления отходами.

2.3 Перспективы применения ОЖЦ в управлении отходами в России

Первые познания и практический опыт в области ОЖЦ появился в Российской Федерации во второй половине 90-х гг. Несмотря на наличие нормативной базы (ГОСТы Р ИСО 14040-14043), ОЖЦ в России до сих пор не получила заметного развития и практического применения. Опубликованы результаты отдельных российских исследований по применению ОЖЦ в промышленности для оценки продукции - в области автомобильного и авиационного транспорта, строительных работ, производства упаковочных материалов [30]. В области управления отходами можно выделить работу Вайсмана Я.И. и др. [62].

Специфика ОЖЦ заключается в необходимости работы с большим массивом данных, что приводит к значительным время - и трудозатратам. По причине отсутствия в России баз качественных статистических данных о воздействиях наиболее широко применяемых технологий, отвечающих требованиям исследования, а также отечественных программных продуктов по ОЖЦ, проведение подобных исследований крайне затруднено. Среди проблем сбора сведений о входных и выходных потоках в продукционные системы возможно выделить:

- отсутствие доступа к эколого-релевантной информации, имеющейся в распоряжении компетентных государственных служб или доступ к этой информации крайне затруднен;

- нежелание предприятий и организаций раскрывать сведения о воздействии на окружающую среду;

- недостаточно высокая репрезентативность информации из-за возможного приукрашивания или сокрытия реальных данных о воздействии на окружающую среду на промышленных предприятиях;

- недостаточно высокая степень дифференциации и детальности имеющихся сведений об экологических воздействиях отдельных процессов [30].

Кроме этого, распространение исследований по оценке жизненного цикла в России затруднено недостаточным вниманием к природоохранной деятельности со стороны государства, так и промышленных предприятий, у которых из-за несовершенства законодательной базы в сфере охраны окружающей среды, отсутствует мотивация по снижению негативного воздействия на природные объекты, а следовательно и интерес к его оценке и анализу.

С точки зрения особенностей, характерных для российских условий, связанных с низким уровнем развития экологического обращения с отходами, с отсутствием практического применения различных технологий утилизации отходов, следует отметить проблему доступности и отсутствия исчерпывающих и достоверных данных для составления инвентаризационного анализа. Данная проблема решается только применением зарубежных данных инвентаризационного анализа, которые не всегда будут соответствовать российской действительности из-за специфичных местных условий и стандартов.

Все же следует отметить, что несмотря на определенные ограничения, количество проведенных зарубежом исследований ОЖЦ управления отходами растет с каждым годом. Это означает, что данный метод является важным аналитическим средством для обоснования выбора между разными технологиями, сценариями, обладающим надежностью, достоверностью получаемых результатов. Поэтому можно говорить об огромном потенциале для развития и применения ОЖЦ в России, в связи с обостряющимися проблемами управления отходами и наметившимися тенденциями к их решению.

2.4 Ограничения применения метода

Несмотря на широкое применение оценки жизненного цикла, в качестве метода полной оценки технологий и процессов, а также для поддержки принятия решений, ОЖЦ, как и любой другой метод имеет определенные ограничения [64]:

1. Охват всех аспектов продукционной системы. Основная характеристика оценки жизненного цикла, ее целостность, то есть охват всех стадий жизненного цикла и всех потенциальных воздействий на окружающую среду, является одновременно как преимуществом, так и ограничением метода. Широкий охват для анализирования полного жизненного цикла продукции возможен только за счет упрощения других аспектов.

2. Линейность моделирования. ОЖЦ рассматривает все процессы (и экономические и экологические), как линейные, не изменяющиеся во времени. За последнее время достигнут определенный прогресс по преодолению этого недостатка, однако, ОЖЦ является в корне методом, основанном на линейном моделировании [49].

3. Невозможность оценки всех категорий воздействия. ОЖЦ оценивает только критерии, которые заявлены в методологии исследования, поэтому она не является полной оценкой всех экологических аспектов исследуемой продукционной системы. Выбор категории воздействия, показателей категорий и характеристических моделей зависит от целей исследования и проводящего оценку. Все принятые решения должны соответствовать требованиям стандартов ISO и быть прозрачными [66].

4. Доступность данных. Несмотря на то, что базы данных были созданы во многих развитых странах и формат баз данных был стандартизирован, на практике многие сведения часто оказываются устаревшими, неточными, несравнимыми. Как правило, данные доступны для комбинаций процессов, как производство электричества, производство алюминия, чем для отдельных процессов.

5. Оценка воздействия на окружающую среду. Общепринятых методологий последовательной и точной увязки инвентарных данных со специфическими потенциальными воздействиями на окружающую среду не существует. Модели категорий воздействия находятся на различных этапах разработки.

6. Наконец, последнее ограничение, касается природы ОЖЦ, как аналитического метода, который выдает информацию для обоснования принятия решения. ОЖЦ не может заменить сам процесс принятия решения. Нельзя сказать: «Исследование Оценки жизненного цикла показало, что данное решение должно быть принято», но можно «На основе исследования Оценки жизненного цикла и других доказательствах данное решение было принято» [49].

2.5 Информационные технологии и программные продукты для проведения ОЖЦ

При проведении оценки жизненного цикла приходится иметь дело с большими объемами данных, учитывать сложные взаимосвязи между характеризуемыми параметрами, что превращает данные исследования в очень трудоемкий процесс. Программные продукты разрабатывались с целью облегчения процесса проведения ОЖЦ, как на стадии инвентаризационного анализа, так и при проведении оценки воздействий. Первые шаги были предприняты около 20 лет назад для оценки производственных процессов. Но с течением времени программы начали применяться в области управления отходами [59].

Различные методологии и программные продукты проведения OЖЦ систем управления отходами, как LCA - IWM, СMLCA, EASEWASTE, GaBi, SimaPro, UMBERTO были разработаны европейскими научными институтами и доступны в настоящее время для проведения оценки экологического воздействия систем управления отходами. Все эти методы обладают различными аналитическими возможностями и применимостью для определения экологической нагрузки процессов утилизации твердых отходов.

LCA - IWM - программный продукт, направленный на оценку экологической, экономической и социальной устойчивости смоделированных систем управления отходами на протяжении всего жизненного цикла отходов. Программа позволяет смоделировать цепь сложных процессов, работать быстро без выдачи ошибок, связанных с программным обеспечением. Интерфейс программы хорошо структурирован и позволяет вернуться к предыдущим стадиям, чтобы найти ошибку, внести изменения.

СMLCA представляет собой программный инструмент, который поддерживает технические этапы оценки жизненного цикла. Включает в себя проведение оценки социальных аспектов исследуемой системы, оценку степени устойчивости системы. Основное внимание в программе уделяется передовым вычислительным аспектам проведения расчетов. Программа не обладает простым интерфейсом, графическое представление расчетов только линейное. СMLCA бесплатный инструмент, инвентаризационные данные для проведения расчетов и проведения оценки категорий воздействия в программе отсутствуют.

EASETECH (EASEWASTE) - это модель, разработанная для проведения оценки жизненного цикла систем управления твердыми бытовыми отходами. Программа моделирует процессы вторичного использования и утилизации гетерогенных материальных потоков отходов, а также поведение эмиссии, сопровождающих эти процессы в контексте жизненного цикла отходов. Программа позволяет вносить изменения в существующие базы данных, изменять показатели технологии и процессов, а также создавать собственные модули с последующей их оценкой.

GaBi является инструментом оценки жизненного цикла и инжиниринга жизненного цикла, который включает в себя множество данных из промышленности и литературных источников. Пользователь может связать набор данных, предоставленный базой данных GaBi, с собственными данными, чтобы рассчитать как инвентаризационную ведомость жизненного цикла, так и произвести оценку воздействия. Программный продукт также производит анализ слабых сторон инвентаризации и оценки воздействия. Структура программного продукта позволяет вносить изменения и дополнения.

SimaPro ? это программный продукт, обладающий всеми функциями для проведения ОЖЦ. В рамках программы могут быть проанализированы любые сложные системы управления отходами. Базы данных процессов, также как и базы данных оценки воздействия могут быть редактированы и расширены без ограничений. SimaPro может проследить происхождение (причину возникновения) любых полученных результатов. Специальные свойства программы: многочисленные методы оценки воздействия, многочисленные базы данных процессов, автоматический перевод единиц и др. SimaPro использует ряд хорошо известных методов оценки воздействия, например CML 1992 и 1996, Eco-points и Eco-indicator 95. Данные оценки воздействия могут быть редактированы и расширены.

Umberto - это инструмент оценки жизненного цикла, использующий графически интерфейс для моделирования дерева жизненного цикла таким образом, чтобы можно было вводить и отслеживать материальные и энергетические потоки. Umberto также имеет редактор оценки воздействия для облегчения проведения данной стадии ОЖЦ.

Программа для проведения оценки жизненного цикла систем управления отходами должна обладать гибким программным обеспечением, которое позволяет смоделировать типичные, наиболее часто применяемые сценарии, как и сценарии, которые отличаются от стандартных. Исходные данные, заложенные в программе должны быть высокого качества, достоверными, из надежного источника. Программа должна предоставлять возможность вносить свою базу данных, свои коррективы и изменения исходных существующих данных, параметров.

Для проведения оценки жизненного цикла в настоящей научной работе была использована программа LCA-IWM, разработанная при реализации исследовательского проекта ЕС «The Use of LCA (Life Cycle Assessment) Tools for the Development of Integrated Waste Management (IWM) in rapid growing economies» ведущими университетами Европы для оценки систем управления отходами в странах с быстроразвивающейся экономикой.

Программа оценки LCA-IWM - это инструмент, помогающий принять решение при планировании системы управления отходами. Программа моделирует сценарии утилизации отходами на уровне муниципалитетов, позволяя служащему, ответственному за планирование системы управления отходами оценить изнутри потенциальное влияние, которое может иметь его решения. Для этой цели были разработаны модули, представляющие собой отдельные процессы управления отходами, такие как:

? временное хранение;

? сбор;

? транспортировка и утилизация.

С помощью этих модулей пользователь разрабатывает сценарии, которые он хочет рассмотреть для своего муниципалитета. Оценочная составляющая программы состоит из экономической, экологической и социальной систем оценки. Основа для оценки - критерии устойчивости и количественные показатели, рассчитываются программой. Таким образом, оценочная составляющая содержит алгоритмы, позволяющие рассчитать экономические, экологические, социальные аспекты данного сценария. Необходимыми входными параметрами для расчета значений показателей являются данные инвентаризации, например, количество выбросов для оценки экологичности или издержки для оценки экономичности. Эти входные параметры извлекаются из модулей процессов управления отходами [10].

2.6 Возможные направления использования отходов производства

Принципиально возможно использование промышленных отходов в следующих основных направлениях:

1. Рекультивация ландшафтов, планировка территорий, отсыпка дорог, дамб и т.п., для чего используют скальные породы, галечник, гравий, песок, доменные шлаки и другие виды твердых промышленных отходов.

Реализация этого экономически выгодного направления утилизации отходов тем не менее незначительная - всего в этих целях используется примерно 10% объема имеющихся отходов.

2. Использование отходов в качестве сырья при производстве строительных материалов: как пористые заполнители бетона, строительной керамики, кладочных растворов (пустая горная порода, галечник, песок); как сырье для производства белого цемента, строительной извести и стекла (породы, содержащие мел СаСО₃ ), портландцемента (глинистые сланцы), керамзита (пластичные глины), силикатного и строительного кирпича (золошлаковые отходы ТЭС…) и т.д.

Промышленность строительных материалов - единственная отрасль, в значительных масштабах использующая многотоннажные отходы производства.

3. Вторичное использование отходов в качестве исходного сырья, поскольку некоторые отходы по своим свойствам близки к природному сырью для получения определенного вещества или сырья для получения новых видов продукции.

В первом случае реализуется принцип малоотходной или безотходной технологии производства (рис. 1), например производство графита из графитовых руд и образующейся при этом графитовой копоти.

Во втором случае таким образом можно, например, получать серную кислоту: при обогащении угля с целью снижения в нем содержания серы образуется серный колчедан FeS₂ (например, в «хвостах» обогащения Подмосковного угольного бассейна его запасы достигают 60 млн т); термическая обработка серного колчедана совместно с другим крупнотоннажным отходом - сульфатом железа FeSO₄ - позволяет получить диоксид серы:

FeSO₄ + 3FeS₂ + 8О₂ = 7SO₂ + 2Fe2O₃,

и в дальнейшем - серную кислоту.

Это направление использования отходов применимо при переработке таких промышленных отходов потребления, как черный и цветной металлолом. При переработке черного металлолома можно сэкономить до 75% электроэнергии, необходимой для получения стали из железной руды. Повторное получение алюминия из лома экономит до 90% электроэнергии, необходимой для его выплавки из руды. Попутно уменьшается загрязнение атмосферы и количество добываемого первичного сырья, а следовательно, и количество пустой рудной породы.

4. Использование отходов в сельском хозяйстве в качестве удобрения или средства мелиорации.

Например, разработаны технологические процессы получения из фосфогипса ценного химического удобрения - сульфата аммония (NH₄ )₂SО₄, а также извести для химической мелиорации солонцовых почв. Известковые мелиоранты (поглотители) кислых почв получают также из золошлаковых отходов металлургии, отходов бумажной, кожевенной и других отраслей производства.

Применение отходов промышленности в сельском хозяйстве имеет свои сложности. Это связано с тем, что в них в зависимости от исходного сырья могут находиться тяжелые металлы, мышьяк, фтор, селен и другие вредные элементы.

5. Использование в качестве топлива в промышленности и быту отходов лесной и деревообрабатывающей отраслей промышленности, некоторых отходов сельского хозяйства.

Утилизация промышленных отходов

Отходы, которые не используются (или не подлежат использованию), направляются на захоронение на полигоны-свалки.

Полигон для хранения твердых промышленных отходов представляет собой обычно заглубленный примерно на 10 м и огражденный насыпью во избежание попадания ливневых и талых вод земельный участок площадью от нескольких до десятков гектаров. Для предотвращения загрязнения грунтовых вод дно хранилища покрывают противофильтрационным экраном (несколько слоев полимерной пленки). Для контроля работы этого экрана и качества грунтовых вод в районе полигона бурят скважины с целью отбора проб воды на химический анализ. Полигон, как правило, огораживают полосами из деревьев и кустарников. Твердые отходы после их обезвоживания на заводских очистных сооружениях засыпают в хранилище самосвалами со специальной эстакады или с гребня ограждающей насыпи. После заполнения хранилища на выровненной поверхности устанавливают противофильтрационный экран и засыпают его слоем песчаного и почвенно-растительного местного грунта. На этом в основном заканчивается рекультивация хранилища твердых нетоксичных промышленных отходов.

В России из учтенных статистикой (в 1997 г.) 1112 мест организованного захоронения промышленных отходов, занимающих территорию в 14,5 тыс. га, 935 мест (84%) отвечало действующим нормативам захоронения отходов.

Особое внимание мониторинг окружающей среды уделяет токсичным отходам производства.

В докладе «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1997 году» Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды отмечается, что на начало 1997 г. на предприятиях различных отраслей промышленности накоплено 1431,7 млн. т токсичных отходов. За 1997 г. на промышленных предприятиях РФ образовалось 89,4 млн т токсичных отходов, из них использовано в собственном производстве 39,1 млн т, полностью обезврежено 9,2 млн т, т.е. соответственно около 44 и 10% общего количества образовавшихся за год отходов.

Токсичные промышленные отходы должны помещать в герметичные металлические контейнеры (особо вредные - в кубы из отвердевшего жидкого стекла) и захоранивать в толще глины. Иногда в качестве полигонов для хранения таких отходов используют пустые геологические выработки (брошенные угольные шахты, соляные копи или специально созданные полости).

По-прежнему существует практика вывоза промышленных отходов, в том числе токсичных, в места неорганизованного складирования, что представляет особую опасность для окружающей среды. Количество отходов на несанкционированных свалках постоянно растет. Главные причины этого - переполненность существующих полигонов захоронения токсичных отходов и отсутствие финансирования нового строительства. Кроме того, при строительстве новых объектов обезвреживания и захоронения отходов возникает серьезная проблема - нахождение баланса между интересами граждан, проживающих вблизи территории предполагаемого строительства данного объекта, и решением экологических проблем региона в целом.

Переработка промышленных отходов должна предшествовать их захоронению на полигонах-свалках для обеспечения экологической безопасности при их хранении, уменьшения первоначальных объемов.

Одновременно в процессе переработки из отходов можно извлечь ценные компоненты или получить новые материалы.

Несмотря на существующие технологии переработки (термические, физико-химические, биотехнологии), ей подвергается в нашей стране не более 20% общего количества промышленных отходов, при этом официальные данные показывают непрерывный рост неперерабатываемых промышленных отходов, не говоря уже о неучтенных свалках, старых захоронениях, инвентаризация которых даже не начиналась и где содержится около 100 млрд т отходов (из них около 2 млрд т - токсичные).

На сегодняшний день не существует промышленных отходов, которые нельзя было бы переработать тем или иным способом. Правда, при этом велики расходы энергии и себестоимость единицы массы переработанных отходов. Именно это сдерживает применение способов переработки и одновременно стимулирует разработку новых экологически и экономически эффективных технологий. Прогнозируется, что решение этой задачи при колоссальном количестве отходов и при все ужесточающемся законодательстве во всех странах в области охраны окружающей среды приведет к созданию не только новой отрасли индустрии, но и к ее бурному развитию - своего рода «экопромышленному буму».

Суть термической технологии заключается в обработке отходов высокотемпературным теплоносителем, в частности продуктами сгорания топлива, СВЧ-нагревом и др. Высокотемпературная обработка происходит в окислительном или восстановительном режиме с подачей воздуха, кислорода, водорода или других газов. Этот способ обладает определенной универсальностью, позволяя обезвреживать неорганические и органические соединения. Главный недостаток термической технологии - большая энергоемкость на единицу перерабатываемых отходов.

Разновидностью термического метода является плазменный, при котором высокие температуры (выше 3000 К) позволяют обезвреживать широкий спектр токсичных и особотоксичных веществ, среди них различные отравляющие вещества (в том числе боевые), пестициды, диоксины и др.

Еще одним перспективным направлением термической технологии является пиролиз - разложение отходов под действием высокой температуры без доступа воздуха. Преимущества этой технологии - возможность получения газа для технологических и бытовых целей, а в ряде случаев новых продуктов (масла, смолы), пригодных к использованию; резкое сокращение затрат на систему очистки отходящих газов за счет снижения их объемов (в 3-4 раза); достаточная экологическая чистота и безопасность; низкое энергопотребление на единицу объема перерабатываемого вещества, особенно в случае применения СВЧ-нагрева.

В результате физико-химической технологии переработки некоторые отходы используются как сырье для получения полезного продукта.

В промышленно развитых странах эту технологию применяют для переработки:

- отходов резинотехнической промышленности (автомобильные покрышки, резиновые шланги и рукава и др.) в резиновую крошку, используемую в дорожном строительстве (например, шумопоглощающий «шепчущий асфальт», которым покрыты многие автомагистрали Австрии);

- широко используемых полимерных материалов (новая отрасль промышленности по переработке такого вида отходов обеспечивает их 100%-ю переработку в сырье для повторного использования);

- определенных видов промышленных отходов в удобрения, строительные материалы.

При переработке каждого вида отходов этим методом приходится разрабатывать индивидуальную технологию. В связи с этим с точки зрения экологизации промышленного производства при создании нового материала, находящего широкое применение, желательно одновременно разрабатывать и технологию его утилизации.

Теоретически самой перспективной технологией переработки промышленных отходов является биотехнология. Живое вещество планеты в ходе эволюции переработало косную литосферу, гидросферу и атмосферу, превратив их в биосферу. Энергетический потенциал биоты не сравним ни с какой технической установкой, выполняющей ту же функцию, правда, скорость протекания биологических процессов невелика. В лабораторных условиях осуществляются технологии извлечения из отходов Fe, Сu, Zn, Сd, Рb, Нg, Со, Аg и других металлов, в том числе радиоактивных изотопов, некоторыми бактериями и грибами. В промышленных условиях биотехнологию уже используют для производства белковых продуктов из отходов лесной отрасли промышленности.

Размещено на Allbest.ru