20. Малоотходное и безотходные производство: основные положения и принципы. Ресурсосберегающие технологии. Нанотехнологии. Биотехнологии.

Безотходное производство – способ производства продукции (в рамках процесса, предприятия, производственного комплекса – ТПК), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле "сырьевые ресурсы – производство – вторичные сырьевые ресурсы", т.е. таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.

В качестве промежуточного этапа рассматривается малоотходное производство, под которым понимается такой способ производства (в тех же рамках), 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.

Рассматривая концепцию безотходного производства, необходимо обратить внимание на три основных положения:

1. Необходимость использования сырьевых ресурсов в цикле, включающем и сферу потребления, означает, что замкнутый цикл может быть реализован только на уровне ТПК. В этой концепции заложены принцип кооперации производства и региональный подход. Безотходное производство – это замкнутая система, организованная по аналогии с природными экологическими системами. Его основу составляет сознательно организованный человеком круговорот сырья, продукции и отходов.

2. Обязательно включение в производство всех компонентов сырья. Должно быть обеспечено максимально возможное использование потенциала энергетических ресурсов, естественно, ограниченное вторым законом термодинамики. На полное использование энергии безотходное производство и не претендует, речь идет только о максимально возможном рациональном ее использовании. Термин "безотходное производство" точнее относить к территориально-производственным комплексам, а прогрессивные экологически чистые технологии называть малоотходными и ресурсосберегающими.

3. Необходимо сохранение нормального функционирования окружающей среды, сложившегося экологического равновесия.

Безотходное производство не должно оказывать неблагоприятного воздействия в первую очередь на здоровье человека. Критериями качества окружающей среды в настоящее время являются ПДК или рассчитанные на их основе ПДВ и ПДС.

Создание безотходного производства – длительный процесс, требующий решения ряда взаимосвязанных технологических, экономических, организационных, психологических и др. задач, которое должно базироваться на определенных принципах, указанных ниже применительно к разным сферам. Необходимо исследовать и проработать следующие технические процессы:

Технологические процессы: разработка новых процессов, снижающих или практически исключающих образование отходов и отрицательное воздействие на окружающую среду; комплексное использование всех компонентов сырья и максимально возможное использование потенциальных энергоресурсов; геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых; безводные методы обогащения и переработки месторождений; замена химических процессов с использованием агрессивных сред на механические; замена, при возможности, первичных сырьевых и энергетических ресурсов вторичными: разработка и внедрение перспективных высокоэффективных методов очистки промышленных выбросов и сточных вод; создание энерготехнологических процессов; разработка и внедрение непрерывных процессов; интенсификация и автоматизация процессов.

Сырье, материалы и энергоресурсы: обоснованность их качества, использование для технологических нужд сырья и материалов не более высокого (например, питьевой воды) , а строго определенного качества; предварительная подготовка сырья и топлива, извлечение наиболее токсичных компонентов (например, серы из угля); замена высокотоксичных веществ (например, ртути, кадмия, свинца и др.) менее токсичными; замена, при возможности, сырья и энергоресурсов нетрадиционными, местными, попутно добываемыми и перерабатываемыми.

Аппаратное оформление: разработка принципиально новых аппаратов, совмещающих в себе ряд процессов; оптимизация размеров и производительности; герметизация; использование новых конструктивных материалов, позволяющих увеличить долговечность аппаратов, уменьшить их массу и т.п.

Готовая продукция: безвредность; длительность использования; обеспечение возможности рециклизации после физического или морального износа; быстрая биоразлагаемость при попадании в окружающую среду (например, широко распространенной тары, упаковочных материалов); удобство эксплуатации.

Организация безотходного производства: принцип системности (ключевой); цикличность потоков веществ и материалов; возможность комбинирования производства на основе комплексного использования сырья и энергоресурсов; возможность кооперации производств на основе переработки и утилизации отходов; обоснованность района и площадки строительства с учетом фонового загрязнения окружающей среды, перспектив развития данного производства и других видов хозяйственной деятельности в регионе; создание территориально-производственного комплекса; рациональная организация производства; создание региональных центров (или систем) по обезвреживанию и переработке отходов, прежде всего токсичных.

При организации современного производства необходимо наряду с обеспечением цикличности в использовании природных ресурсов особое внимание уделить снижению количества отходов, особенно токсичных, образующихся в ходе производственных процессов.

Создание замкнутых технологических систем проще всего проанализировать на примере бессточных систем водообеспечения. Оптимальный вариант замкнутой системы водоснабжения должен быть основан на следующих принципах:

• на предприятиях должна быть создана единая система водного хозяйства, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод как подготовку их для повторного использования;

• свежая вода должна использоваться только для особых целей и восполнения потерь в системах;

• очистка должна сводится к регенерации отработанных технологических растворов и воды с целью их повторного использования в производстве;

• при этом необходимо создание локальных замкнутых систем технического водоснабжения (они служат основными звеньями замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий);

• методы, применяемые для регенерации технологических растворов и воды, должны обеспечивать одновременное извлечение ценных компонентов и доведение образующихся отходов до товарного продукта или вторичного сырья.

Экологически замкнутый комплекс – не вспомогательная, а как основная завершающая операция производства товарного продукта. Необходимо отметить, что экологически замкнутые ТПК лучше создавать на стадии проектирования. Системный подход к их созданию с полной утилизацией отходов – одно из наиболее конструктивных направлений в решении экологических проблем. Основой для создания экологически замкнутых комплексов служит анализ энерго- и массообмена существующего или проектируемого промышленного комплекса с окружающей средой в рамках определенной территории.

Большие перспективы в области охраны окружающей среды и рационального использования имеют достижения биотехнологии.

Биотехнология – методы и приемы получения полезных для человека продуктов, явлений, и эффектов с помощью живых организмов (в первую очередь микроорганизмов).Достижения биотехнологии позволяют разрабатывать и создавать микробные препараты для регулирования круговорота веществ в экосистемах, что позволяет решить ряд вопросов:

• биологическая очистка природных и сточных вод от органических и неорганических загрязняющих веществ;

• утилизация твердой фазы сточнчных вод и твердых бытовых отходов путем их сбраживания;

• микробное восстановление почв, загрязненных, в первую очередь, органическими веществами;

• использование микроорганизмов для нейтрализации тяжелых металлов в осадках сточных вод и загрязненных почвах;

• компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев);

• создание биологически активного сорбирующего материала для отчистки загрязненного воздуха.

Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами.

Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Энергетика. Альтернативой использованию ископаемого топлива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фотоэлектрических элементов.Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кристаллов и является задачей нанотехнологии. Другая альтернатива использования энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, – создание новых топливных элементов, например углеродных нанотрубок, обладающих высокой адсорбционной способностью к водороду.

Авиация и космонавтика. В авиации нанотехнологии, в первую очередь, влияют на такой фактор развития авиационного транспорта, как создание новых конструкционных материалов.

Экология.  Нанотехнологии предоставляют возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью:

• поиска альтернативных источников энергии,

• совершенствования солнечных батарей,

• уменьшения содержания оксида углерода(IV) в выхлопных газах.

С помощью нанотехнологий синтезируются новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создаются биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; производятся нанопорошки для борьбы с загрязнениями окружающей среды, и, в первую очередь, с разливами нефти; конструируются нанофильтры, позволяющие предотвращать поступления диоксина и других отходов в окружающую среду, в том числе и выбросы в нее оксидов серы и азота транспортными и промышленными установками.