Все техногенные ресурсы можно разделить на две группы:
– техногенные материалы, т.ч.:
– техногенные месторождения горных, металлургических, энергетических, химических и других индустриальных комплексов;
– техногенное сырье. Техногенное сырье – это такой вид техногенных месторождений, переработка которого технологически обеспечена и экономически приемлема. Техногенное сырье является аналогом извлекаемого из недр сырья месторождений категории А + В;
– вторичные материалы. В основном представлены готовой продукцией, вышедшей из употребления. Являются аналогом полуфабрикатов промышленной продукции. Типичным представителем вторичных материалов является лом черных, цветных, редких и драгоценных металлов:
– твердые бытовые отходы (ТБО);
– осадки сточных вод;
– перемещенные грунты;
– вскрышные породы.
– техногенные энергоносители, или вторичные энергоресурсы (ВЭР).
– широкий спектр энергетических промышленных газов, газообразных и жидких агентов, покидающих промышленные агрегаты с избыточным давлением,
– скрытое тепло полупродуктов и продуктов термических производств и т.п.
Особенностью использования подавляющего большинства ВЭР является необходимость их утилизации сразу же в процессе их образования, поскольку аккумулирование, например, тепла или избыточного давления продуктов процесса будет приводить к большим потерям энергии.
Ранее остальных техногенных ресурсов человек начал использовать в своей деятельности вторичные материалы.
Вторичные материалы и металлы представляют собой продукты техногенной деятельности человека, которые в ходе эксплуатации в незначительной степени утрачивают свои потребительские качественные характеристики и могут быть восстановлены в форме товарного продукта или преобразованы в новую форму товарного продукта в результате применения простых экономически целесообразных и экологически чистых технологий.
К вторичным металлам можно отнести практически все утратившие в какой-то момент времени свои эксплуатационные свойства драгоценные (золото, серебро, платиноиды), многие редкие и рассеянные металлы. Необходимо отметить, что для некоторых редких металлов, применяемых, например, в медицине, приборостроении, точном машиностроении и т.п., изначально разрабатываются технологии восстановления потребительских свойств. В результате возникает техногенный кругооборот металла или материала, «подпитываемый» за счет природных ресурсов лишь в незначительной степени.
Другими примерами вторичных материалов могут служить:
– жидкости и газы, используемые в качестве рабочих тел в системах давления, напорных и хладоагрегатах и т.п.;
– аккумуляторные жидкости и электролиты;
– травильные растворы;
– некоторые виды пластмасс (особенно жидкие термопласты);
– некоторые многократно используемые (после соответствующей восстановительной обработки) отделочные и декоративные материалы и т.п.
Оценка некоторых видов
техногенных ресурсов [9])
Металлолом. Металлический лом является одним из важнейших техногенных ресурсов современной цивилизации. Лом благородных и редких металлов рассматривается в индустриально развитых странах мира в качестве национального стратегического резерва. Из лома в настоящее время производится почти 30% всего получаемого в мире свинца и до 25% – алюминия. Особое значение имеет стальной металлолом. Уровень рециклинга стального лома достиг в 1995-1999 гг. в среднем 40-43%, а в отдельных странах (Япония, США) превысил 50% общего объема производимой из железа продукции. Металлолом принято подразделять на:
– оборотный,
– лом металлообработки и
– амортизационный.
Оборотный лом (скрап) образуется на металлургических предприятиях в ходе производства стального проката и других видов стальных полупродуктов в виде отходов. Оборотный лом практически полностью утилизируется в рамках производственного рециклинга, его количество непрерывно снижается за счет внедрения новых способов производства стали.
Лом металлообработки образуется в процессах переработки стального проката в продукт (потребительский товар). Объем образования этого вида лома также непрерывно снижается за счет совершенствования процессов металлообработки.
Амортизационный лом состоит из стальных, чугунных, железных продуктов, выработавших срок их использования (списанных после окончания срока службы). Спектр амортизационного лома чрезвычайно широк, он включает в себя металлические приборы, автомобили, металлическую тару, электроприборы и т.д. Средний срок службы стальных конструкций в развитых индустриальных странах оценивается в 15 лет, а автомобилей и электрооборудования – в 3-5 лет. Поэтому количество амортизационного лома непрерывно возрастает. Структура потребления ресурсов лома по состоянию на 1995-1998 гг. приведена в табл. 2.9.
Таблица 2.9
Структура потребления ресурсов лома в некоторых странах на 1995 г., % [9]
| Вид металлолома | США | Япония | Германия | Россия |
| Оборотный | ||||
| Металлообработки | ||||
| Амортизационный |
В настоящий момент мощности по переработке лома оцениваются примерно в 420 млн. т/год и сконцентрированы в основном в странах ЕЭС, США и Японии, которые в последние годы стабилизировали производство продукции из железа и имеют в связи с этим в черной металлургии значительный запас незадействованных мощностей.
Металлофонд и техногенные ресурсы железа. Под металлофондом понимается общее количество конкретного металла, накопленного на территории государства в виде изделий, машин, устройств, зданий, сооружений, коммуникаций и т.п. Совместно с металлом, накопленным в техногенных грунтах горно-металлургических регионов, металлофонд представляет собой техногенные ресурсы металла.
Техногенные ресурсы железа можно подразделить на активную часть, которая может быть использована и используется с минимальными затратами на подготовку, и потенциальные ресурсы, использовать которые будет возможно только в будущем с применением новых технологий извлечения железа.
К активной части техногенных ресурсов железа следует относить
– собственно металлолом, накопленный в хранилищах и на полигонах;
– машины, агрегаты, бытовые приборы и т.п.;
– легко демонтируемые железные строительные конструкции.
Потенциальные ресурсы железа включают:
– железные составляющие специальных строительных конструкций (например, железо в железобетонных конструкциях);
– техногенные железосодержащие грунты в горно-металлургических регионах, содержание железа в которых находится ниже уровня, позволяющего в настоящее время производить его экономически целесообразное извлечение.
Твердые бытовые отходы. Ежегодно в мире на каждого человека образуется около 300 кг твердых бытовых отходов. По различным странам и населенным пунктам этот показатель колеблется от 150 до 650 кг/год. По состоянию на 1996 г. образование ТБО (млн. т/год) и структура их утилизации в некоторых странах Европы, США, Канаде и Японии приведены в табл. 2.11.
Таблица 2.11
Образование ТБО и структура их утилизации в некоторых странах мира (данные на 1996 г.) [9]
| Страна | Образование ТБО, Млн. т/год | Способы утилизации, масс. 7 | |||
| складирование на полигонах | сжигание | компостирование | утилизация в промышленности | ||
| Австрия | 5,0 | ||||
| Бельгия | 6,6 | ||||
| Болгария | 2,1 | ||||
| Великобритания | 20,2 | ||||
| Венгрия | 5,1 | ||||
| Германия | 28,5 | ||||
| Дания | 3,8 | ||||
| Испания | 17,1 | ||||
| Италия | 19,7 | ||||
| Канада | 8,2 | ||||
| Нидерланды | 7,4 | ||||
| Россия | 46,9 | ||||
| США | 305,5 | ||||
| Финляндия | 1,5 | ||||
| Франция | 20,8 | ||||
| Швейцария | 1,6 | ||||
| Швеция | 2,4 | ||||
| Япония | 45,5 |
В индустриально развитых странах наиболее быстро повсеместно увеличивается количество отходов упаковочных материалов, прежде всего растет доля крупных упаковочных материалов – главным образом бумага, пластмассы и дерево. Она уже превысила по объему 50%, а по массе 30% общего уровня образования ТБО. Среди отходов мелких упаковочных материалов по-прежнему высока доля черных металлов (жести), однако быстро увеличивается количество пластмасс (табл. 2.12),
Таблица 2.12
Характерный состав мелких упаковочных отходов
Германии
| Составляющие отходов | Массовая доля |
| Жесть | 25,1 |
| Алюминий | 2,3 |
| Картон и бумага | 8,3 |
| Полимеры | 36,0 |
| Текстиль | 28,3 |
По данным немецких исследователей, 1 т ТБО, собираемых в городах Германии, содержит в среднем до 7 кг хлора и фтора, 5 кг серы, до 3 кг цветных металлов (в том числе свыше 0,7 кг свинца, более 1,5 кг цинка, до 600 г меди, около 100 г хрома, 50 г никеля, 20 г кадмия).
По данным фирмы «Гаррет», из 1 т ТБО США можно извлечь до 63,5 кг черных металлов, 9,1 кг цветных металлов, около 54,4 кг стекла. В общей сложности металлы, извлеченные из ТБО США, могут обеспечить национальную потребность в железе на 7%, алюминии на 8%, олове на 19%. После извлечения стекла и металла низшая теплота сгорания ТБО достигает 16,5 МДж/кг при зольности 20-30 масс. %.
Главным источником ТБО являются крупные промышленные города с большим количеством жителей. Несмотря на развитые системы сбора и утилизации ТБО, большая их часть по-прежнему складируется на полигонах и свалках.
Даже в странах ЕЭС этот показатель в среднем превышает 60%. Технология захоронения отходов на полигонах и санкционированных свалках сводится к засыпке карьеров, оврагов и других понижений рельефа, имеющих водоупорный замок, в качестве которого обычно выступает естественный глиняный слой. Складируемый мусор пересыпается слоями песка или глины. При закрытии полигонов толщина запирающего грунта обычно составляет около 1 м, а мощность свалочных отложений может достигать десятков метров. Органических компонентов в таких объектах содержится до 50-60 масс. %. Из-за этого закрытые свалки и полигоны функционируют как анаэробные реакторы геологического масштаба, образуя биологический газ, состоящий из метана и углекислоты. Образование метана и диоксида углерода на объектах захоронения бытовых отходов настолько велико, что они считаются в настоящее время одними из основных антропогенных источников парниковых газов.
Медицинские отходы. Особым видом ТБО являются отходы медицинских учреждений. Они относятся к отходам риска, представляющим инфекционную опасность для пациентов, обслуживающего персонала лечебно-профилактических учреждений и окружающей среды. Отходы отличаются от твердых бытовых отходов большим разнообразием морфологического состава (табл. 2.15).
Таблица 2.15
Пример морфологического и элементарного состава медицинских отходов отечественной больницы, рассчитанной на одновременное обслуживание 1000 больных [9]
| Компоненты | Количество, т/год | % от общей массы | Элементарный состав на рабочую массу, % | ||
| зольность отходов | влажность отходов | удельная теплота сгорания | |||
| Бумага, картон | 484,6 | 30,32 | 8,65 | 1,15 | 8,82 |
| Пищевые отходы | 103,4 | 6,47 | 0,81 | 0,12 | 0,52 |
| Текстиль | 885,6 | 55,41 | 8,21 | 0,99 | 4,72 |
| Полимерные материалы | 100,6 | 6,29 | 3,02 | 0,35 | 0,01 |
| Стекло | 12,43 | 0,78 | |||
| Операционные отходы | 3,84 | 0,24 | 0,05 | 0,02 | 0,02 |
| Резина | 2,58 | 0,16 | 0,12 | 0,01 | 0,01 |
| Дезакционные агенты | 1,88 | 0,12 | 0,03 | 0,01 | 0,03 |
| Отработанные лекарства: | |||||
| Металл | 1,8 | 0,11 | |||
| Гипс | 1,6 | 0,10 | |||
| Общее содержание | 1598,33 | 20,89 | 2,65 | 14,13 |
Отходы пластических материалов. В настоящее время пластические материалы являются лидером по уровню ежегодного прироста производства продукции. Он составляет от 5 до 20% для различных стран. В 1995 г. мировое производство пластмассы превысило 170 млн. т/год (в том числе около 9 млн. т природного каучука). Из этого количества около 40% идет на производство упаковочных материалов, почти 30% – на изготовление различных пленок, 5% – в мебельную промышленность, 3% – в техническую. Остальные 22% используются в качестве конструкционных материалов, в составе многослойных покрытий и для отделочных работ.
По типу полимерного компонента большую часть производимых пластмасс составляют термопласты – 87 масс. %, на долю реактопластов приходится 13 масс. %.
Производство пластмасс в странах ЕЭС в 1998 г. превысило 40 млн. т. Крупнейшими производителями являются: Германия (около 35%), Италия (18%), Франция (14%), Англия (13%). В России в настоящее время ежегодно производится лишь около 6 млн. т пластмасс.
Быстрый рост индустрии пластических материалов существенно опережает развитие инфраструктуры переработки пластмассовых отходов. В настоящее время в промышленно развитых странах Западной Европы и в Японии ежегодно на каждого жителя образуется от 30 до 40 кг отходов пластмасс. В США это количество превысило 50 кг на душу населения.
Основными источниками отходов пластмасс в настоящее время являются:
– бытовые отходы – 66,8%;
– торговля и промышленность – 16,3%;
– транспорт – 5,2%;
– строительство – 4,6%;
– сельское хозяйство – 3,9%;
– электротехника и электроника – 3,2%.
Важнейшей характеристикой отходов пластмасс (как, впрочем, и самих пластмассовых изделий) является их энергетическая ценность. И по химическому составу, и по полноте сгорания пластмассы подобны основным ископаемым топливам - природному газу, нефти, углям. Однако прямая утилизация отходов пластмасс путем сжигания в энергетических установках, как правило, невозможна из-за присутствия примесей, приводящих к образованию при сжигании токсичных соединений.
Вскрышные породы. На многих угольных и рудных месторождениях вскрышные породы верхних горизонтов представлены рыхлыми отложениями, к которым относятся, в частности, различные глины, пески, меловые и мергельные породы. Объем образования вскрышных пород на открытых рудных разработках колеблется от 0,3-0,5 т/т руды для богатых железорудных месторождений Австралии и Южной Америки до 20 т/т руды для богатых месторождений цветных металлов.
Глинистое сырье вскрышных пород часто бывает представлено глинами девонского и юрского периодов и четвертичными суглинками. Эти материалы могут использоваться для изготовления цемента, красного строительного кирпича, керамзита, дренажных труб, минеральной ваты и минеральных пигментов, а также аглопорита.
Пески могут применяться для производства силикатных стеновых материалов, строительных растворов, железнодорожных и автодорожных балластов, формовочных смесей и т.п.
Карбонатные породы, сложенные различными известняками и доломитами, пригодны для получения сухих минеральных красок, цемента, извести, различных сортов мела. В свою очередь, технический мел является сырьем для производства лакокрасочных, резинотехнических, электрических изделий, бумаги, соды, минеральных кормов и удобрений.
Важнейшим ресурсом для огнеупорной промышленности и строительной индустрии является мергель – плотный материал зеленовато-серого цвета во влажном и светло-серого в сухом состоянии. Мергели представляют собой своеобразный конгломерат обломков фауны (конкометафоритов), порошкового кальция, кварца и глинистых гидрослюд. Перспективно использование мергелей в качестве связующих компонентов при подготовке железорудных материалов к доменному переделу.
При открытой разработке рудных месторождений в добычу часто вовлекаются также сопутствующие нерудные скальные породы, являющиеся потенциальным ресурсом строительных материалов – щебня и песка.
В целом уровень использования вскрышных пород повсеместно остается очень низким и, как правило, не превышает 3-6% общего количества их добычи.
Золошлаковые отходы сжигания органических топлив. Энергетически полезные ископаемые – угли и нефти, как правило, содержат в значимых количествах подавляющее большинство известных в природе элементов. В результате процессов сжигания в остающихся золе и шлаке концентрация многих химических элементов оказывается существенно выше кларковой, поэтому золошлаковые отходы (ЗШО) сжигания углей и нефтепродуктов можно рассматривать в качестве комплексного техногенного сырья для извлечения многих металлов, в том числе (и прежде всего) редких и рассеянных (табл. 2.17).
В золошлаковых отходах ТЭС, использующих мазут, содержание ванадия может достигать 27,5 масс. %, никеля – 5,5 масс. %. Кроме того, ЗШО содержат большие количества магния, железа и серы. Известны случаи повышенных содержаний в ЗШО молибдена, кобальта и титана.
Таблица 2.17
Пределы содержания в ЗШО ТЭС, работающих на мазуте,
основных химических элементов [9]
| Химический элемент | Предельное количество, масс. % |
| Алюминий | 0,006-0,008 |
| Ванадий | 14,00-27,5 |
| Железо | 1,31-1,68 |
| Калий | 0,072-0,21 |
| Кальций | 0,75-0,88 |
| Кобальт | 0,005-0,006 |
| Кремний | 0,09-0,11 |
| Магний | 2,31-8,05 |
| Марганец | 0,004-0,005 |
| Молибден | 0,072-0,088 |
| Натрий | 0,054-0,27 |
| Никель | 0,83-5,5 |
| Сера | 18,7-20,5 |
| Стронций | 0,063-0,077 |
| Титан | 0,19-0,23 |
| Углерод | 1,10-3,29 |
| Фосфор | 0,001-0,002 |
| Хлор | 0,003-0,005 |
| Цирконий | 0,004-0,005 |
Учитывая дефицит природных источников ванадия и никеля, а также несомненную ценность и незаменимость этих металлов для ряда отраслей промышленности, ванадий и никельсодержащие ЗШО уже сейчас можно отнести к важнейшим техногенным ресурсам цивилизации. Однако отметим при этом, что эффективность переработки ЗШО связана с комплексным извлечением из них, помимо ванадия и никеля, также серы, магния, железа и некоторых примесных металлов.
Задание
В порядке добровольного исполнения:
Провести поиск и обновить данные табл. 2.9, 2.10 а также дополнить лекцию интересным с вашей точки зрения фактологическим иллюстративными материалом.