Рост городов и улучшение благосостояния населения, привели к обострению проблемы утилизации бытовых отходов. Крупнейшие мегаполисы мира уже столкнулись с проблемой переполненности городских свалок, и необходимостью вывоза мусора во все более отдаленные районы. А это, как следствие, приводит к увеличению пробега машин, а значит их выхлопа, а также к необходимости закупок нового транспорта для этих целей.
В то же время бытовые отходы - это ценнейшее сырье, на переработку которого требуется значительно меньше энергии и затрат, чем на первичное производство.
По мере того, как экономика требует все больше и больше металлов и других материалов, растет и размер ущерба, причиняемого природе. Таким образом, использование вторичного сырья поможет снизить не только расходы по вывозу и уничтожению мусора, но и вред, наносимый экосистеме.
Рассмотрим динамику изменения структуры твердых бытовых отходов:
Таблица 2. Изменение морфологического состава ТБО г. Москва [3]
(% по массе, с учетом содержания влаги и загрязнения)
| Компонент (за год) | |||||
| Бумага, картон | |||||
| Пищевые отходы | |||||
| Дерево | |||||
| Металл | |||||
| Текстиль | |||||
| Кости | |||||
| Стекло | |||||
| Кожа, резина | - | ||||
| Камни | |||||
| Полимерные материалы | - | - | - | ||
| Уголь, шлак | - | - | - | ||
| Отсев размера менее 16мм |
Проведенные исследования структуры отходов с 1996 по 1998г. показали следующие тенденции [3]:
1. Сокращается масса и объем пищевых отходов.
2. Возрастает процент полимерных материалов.
3. Увеличивается содержание бумаги и картона (за счет общего увеличения объема упаковочных материалов).
4. Прослеживается тенденция к уменьшению количества металла в составе ТБО.
5. Процент содержания и объем остальных ТБО изменяется незначительно.
Как видно из рассмотренных данных, в структуре ТБО основную долю составляют отходы бумаги и картона. Несмотря на повсеместное внедрение безбумажных технологий документооборота, эти отходы имеют тенденцию к увеличению, в основном за счет роста использования бумажной упаковки.
Проанализируем основные технологии утилизации отходов:
Повторное использование
Значительная доля потребительских товаров может быть повторно использована, - это одежда, морально устаревшая техника, мебель, предметы интерьера, а также оборотная стеклянная тара. Для их повторного использования необходимо внедрить программу сбора и распределения. Такая программа может финансироваться самими производителями продукции, как например происходит с оборотом стеклянных бутылок. Хотя такие бутылки в 1,5 раза тяжелее пластиковых, они предназначены для 30-кратного использования.
Переработка стекольного боя
Еще до энергетического кризиса 1973 года 15-20% мощностей на стекольных заводах работали на переработку стекольного боя, но, используя новые технологии, особенно в развивающихся странах, стекольные заводы работают только на вторсырье. Каждая переработанная тонна стеклянного боя сберегает 1,2 т первичного сырья. И так же 2-5% энергии. Недавнее ужесточение норм выбросов в Японии, Швеции, США и Западной Германии привело к большому спросу на стеклянный бой у стеклопроизводителей из-за того, что его использование в производстве стекла снижает уровень загрязнений.
Переработка макулатуры
Сортов переработанной бумаги несколько: от высококачественной компьютерной до картона. Девять программ по переработке бумажных отходов в 11 крупнейших странах-потребителях бумаги в 1984 году помогли сохранить около 400000 га лесов, и одновременно сократив количество потребляемой энергии и воды, значительно снизив уровень загрязнений. А переработка воскресного издания New York Times может предотвратить вырубку 75000 деревьев.
Постройка фабрики по переработке бумаги стоит лишь 50-80% от стоимости обычной бумажной фабрики. Только в США около 200 фабрик работает на таком сырье. А развивающимся странам, перерабатывающим бумагу, удается благодаря этому не только сохранить питьевую воду, но и сократить - за счет импорта сырья и оборудования - свои долги. С повышением уровня грамотности увеличивается рынок потребления бумаги, в том числе в бедных сырьем странах, что создает новые рынки сбыта для богатых бумагой стран. Крупнейшими импортерами бумаги являются Канада, Италия, Южная Корея и Германия. В Индии бумажная промышленность защищалась до 1985 г. высокими пошлинами на импортируемую древесину и бумагу, почти никаких пошлин не взималось с импортируемых бумажных отходов, так как практически все фабрики были способны их перерабатывать. Финские бумагопроизводители тоже импортируют много бумажных отходов. Чтобы заменить импорт такого сырья использованием собственных отходов, муниципалитетам было предоставлено право запретить выбрасывать бумагу. Бумажные отходы составляют четвертую часть массы всех грузов, отгружаемых из Нью-йоркского порта.
Например, бумага бывает разного качества - в зависимости от состава волокон и цвета. После многих циклов переработки волокна изнашиваются, и из них нельзя получить бумагу высокого качества, но они остаются по-прежнему ценным сырьем для бумажной промышленности. Во многих развивающихся странах в целях экономии материала делают бумагу более низкого качества, чем предусмотрено мировым стандартом. Чем лучше бумага используется, чем чище она поступает на переработку, тем большее число раз ее можно перерабатывать в дальнейшем.
Переработка металлов
Сталь, алюминий и медь требуют более тщательного отбора при переработке, но зато спектр их применения гораздо более широк. Количество энергии и сырья, сберегаемые в процессе переработки, огромно.
Алюминий - наиболее энергоемкий из всех материалов, находящихся в эксплуатации, и зачастую энергия есть решающий фактор для размещения его производства и важнейшая статья затрат на его производство. Производство алюминия из лома потребляет лишь 5% энергии требуемой на его производство из бокситов и поэтому переработка одной банки из-под напитков сберегает полбанки бензина. А одна тонна переработанного алюминия сберегает 4 т бокситов, 700 кг кокса и снижает вредные выбросы на 35 кг. При двукратном увеличении переработки алюминия объем загрязнений сократится на 1 млн. тонн.
Переработка полимеров
Большинство термопластичных полимеров легко подвергаются вторичной переработке. Среди термопластов, для которых сейчас существуют мощности по рециклированию, находятся полиэтилентерефталат (PET), поливинилхлорид (PVC), полистирол (PS), полиэтилен (PE), полипропилен (PP). За счет высокой стоимости этих материалов, и низкой стоимости переработки, ее экономический эффект определяется стоимостью сборки и сортировки. Для удобства определения состава пластмассы, на его поверхность обычно наносится знак ISO.
Переработка пищевых отходов
Во всем мире минимум пятую часть всех городских отходов составляют органические отходы домашних хозяйств. Осенью, когда опадают листья, количество отходов в развитых странах удваивается. В развивающихся же странах пищевые отходы домашних хозяйств и рынков составляют 40-80 % всех городских отходов. Эти отходы содержат большое количество воды, а значит, тяжелы, что и затрудняет их транспортировку и сжигание.
Все чаще органические отходы используют для получения ценных органических удобрений. Но для такого применения органических отходов их необходимо отделять от неорганических. Удаление неорганики на ранних стадиях переработка органических отходов позволяет улучшить качество удобрений и, следовательно, повысить их рыночную стоимость, уменьшить износ оборудования и понизить производственные затраты. Эти отходы сначала измельчают, а потом помещают в специальные цистерны или иную емкость для отстоя, куда специальными насосами и вентиляторами подается воздух. После дополнительной обработки и отфильтровки перегной можно использовать в качестве удобрения.
Эта технология наиболее распространена в Европе. Франция имеет около 100 фабрик по производству перегноя производительностью около 800000 т в год. Как сообщили владельцы 60 % виноградников на юге Франции, использующие перегной, урожайность при его использовании повышается на 13-14 %. А на севере, в Нормандии перегной применяется на артишоковых плантациях. Австрия, Италия, Голландия и Германия также имеют обширные программы в этом направлении, в Швеции же четвертая часть всех твердых отходов используется для производства перегноя.
Сжигание
Долгое время сжигание отходов считалось самым эффективным способом их утилизации. При этом методе отходы требуют минимальной сортировки, а высокая температура сжигания исключает попадание в атмосферу продуктов неполного сгорания. Мусоросжигательные заводы стали активно возводится по всему миру. Однако впоследствии ученые обнаружили, что диоксины, выделяющиеся при сжигании мусора являются сильнейшими канцерогенными веществами. Были отмечены случаи ухудшения здоровья людей по причине повышенного содержания диоксинов в воздухе. По этой причине строительство многих новых заводов было приостановлено, а некоторые были закрыты.
Захоронение
Захоронение отходов на открытых полигонах - самый простой способ утилизации. Он требует минимальных инвестиций, но в конечном итоге обходится дороже всех остальных как в экологическом, так и в экономическом плане, поскольку требует значительных территорий и влечет за собой значительные затраты транспортировку.
При вторичной переработке бытовых отходов, главную проблему составляет их сортировка, поэтому во многих странах введена ответственность производителя за утилизацию их продукции. Частично перекладывая бремя по утилизации отходов на плечи производителей, государство поощряет тех из них, кто внедряет технологии повторной переработки как самой продукции, так и упаковки. Внедрение технологии конструирования для переработки (Design for recycling, DfR) [5], позволяет значительно упростить промышленную переработку отслуживших свой век изделий.
Цены на перерабатываемые материалы также сильно влияют на целесообразность переработки. Низкие и нестабильные цены на рынке вторсырья - просто бич для тех, кто его перерабатывает. Финансирование дальнейшей переработки позволяет держать высокими цены на вторсырье, вовлекая частный капитал в работу на этом рынке.
Автотранспорт
На сегодняшний день, автотранспорт вносит самую значительную долю в загрязнение атмосферы. Количество автомашин продолжает неуклонно расти, и не смотря на принимаемые многими странами меры по ужесточению стандартов выхлопа двигателей внутреннего сгорания, общий вклад автомобилей в загрязнение воздуха продолжает расти. Если в 70-х годах доля загрязнений, вносимых автотранспортом в атмосферу, составляла менее 13%, то в настоящее время она достигла 60% и продолжает расти.
Доступность личного автомобиля, и низкая цена топлива, играют с обществом злую шутку: рост количества автомобилей значительно опережает ассимиляционные возможности природы, вызывая постепенное отравление городов. А возникающие транспортные пробки дополнительно усугубляют положение, значительно увеличивая выбросы.
Для решения этой проблемы одних экологических норм выхлопа недостаточно. Необходимо признать, что право эксплуатации автомобиля - есть право доступа к природным ресурсам, а именно к ассимиляционному потенциалу воздушной среды и к праву пользования землей, отводимой под дороги.
Распределение таких прав должно быть строго лимитировано, и проводиться аналогично распределению правам доступа на другие природные ресурсы. Наиболее простым методом регулирования видится метод регулирования стоимости автомобильного топлива для достижения оптимальной численности автомобилей. При этом стоимость топлива должна быть пропорциональна экологическому вреду, наносимому при его сжигании.
Подобное регулирование позволит добиться:
- справедливого регулирования доступа к ограниченному ресурсу
- финансирования развития транспортной инфраструктуры
- скачка в развитии общественного транспорта
- стимулирование разработки альтернативных источников топлива
В то же время, необходимо отметить, что у подобные меры могут вызвать определенные недовольства в обществе, и их внедрение следует проводить аккуратно, с проведением масштабной разъяснительной работы.
Энергетика, сжигание топлива
Энергия - это движущая сила производства, единственный значительный его фактор. Без этого ресурса невозможно представить современную цивилизацию. Являясь самой важной отраслью экономики любой страны, энергетика наносит и самый большой ущерб окружающей среде.
По данным за 1999 год процентная доля предприятий промышленности ряда отраслей России в общем выбросе в атмосферу составила [3]:
- энергетическая 26.3
- цветная металлургия 17.1
- черная металлургия 14.2
- нефтедобывающая 8.6
- машиностроение 5.7
- нефтеперерабатывающая 5.6
- строительных материалов 4.9
- химическая и нефтехимическая 3.3
- деревообрабатывающая 2.9
- газовая 1.7
- пищевая 1.3
- оборонная 1.2
- легкая 0.6
- микробиологическая 0.3
При этом основными загрязнителями атмосферного воздуха являются:
Таблица 3. Основные загрязнители атмосферы [2].
| Загрязнитель, его среднегодовая концентрация (мг/м 3) | Источник |
| Твердые частицы (пыль, зола), 0.04-0.4 | Сжигание топлива |
| Сернистый ангидрид, 0.5-1.0 | Сжигание топлива |
| Оксиды азота, 0.05-0.2 | Окисление азота топлива |
| Оксид углерода, 1-50 | Неполное сгорание топлива |
| Летучие углеводороды, до 3 | Неполное сгорание топлива |
Таким образом, загрязнение воздуха происходит в основном за счет сжигания топлива, выбросов газов, пыли и пепла, разложения органических веществ. Поэтому наиболее актуальным является вопрос об эффективном и качественном сжигании топлива в котельных, промышленных печах, агрегатах, двигателях внутреннего сгорания на основе оптимального соотношения топливо-воздух.
Поскольку основными источниками энергии являются ископаемые ресурсы, и они же являются основными источниками загрязнения, контроль за их использованием есть ключ к защите окружающей среды. Эти источники энергии имеют невозобновляемую природу, поэтому рациональное потребление поможет сберечь их и для будущих поколений.
Рецепт снижения зависимости промышленности от сжигания сероводородов известен:
- Уменьшение энергопотребления
- Разработка альтернативных возобновляемых источников энергии.
Общество давно пытается найти решение этих проблем, но решение здесь может быть только одно: увеличение стоимости сероводородов. Даже если не предпринимать никаких шагов, такое повышение стоимости неминуемо. Оно будет происходить по мере исчерпания их природных запасов и повышения стоимости их добычи. Ждать этого момента, нанося невосполнимый ущерб экологии - преступно.
Альтернативная энергетика
Развитие альтернативной энергетики на сегодняшний день ограничивается лишь одним фактором: стоимостью традиционных ее источников - нефти, газа и угля. В последнее время наметилась тенденция к росту их стоимости, что привело к скачку в развитии альтернативной энергетике.
Таблица 4. Использование энергии, вырабатываемой из разных источников, 1990-2000гг [2].
| Вид или источник энергии | Ежегодные темпы роста (в %) |
| Энергия ветра | |
| Солнечные элементы | |
| Геотермальная энергия | |
| Гидроэнергия | |
| Природный газ | |
| Нефть | |
| Ядерная энергия | 0.8 |
| Уголь | -1 |
Рассмотрим подробнее два наиболее перспективных альтернативных возобновляемых источника энергии: солнце и ветер.
Солнечная энергия
Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0.0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.
Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м 2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км 2! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1км 2, требует примерно 10 4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10 9 тонн.
Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1*10 6 до 3*10 6 км 2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10 6 км 2.Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии.
Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт*год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.
Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.
После изобретения в 1852 году полупроводникового фотогальванического элемента, неуклонно растет объем производства солнечных батарей. Они уже заменили традиционные элементы питания во многих мобильных приложениях, и сейчас претендуют на роль полноправного альтернативного источника энергии. Объем производства фотоэлементов в мире в 2000 году составил 288 мегаватт. Соответственно, снижается их стоимость, если в 70-х годах она составляла более 70 долл. за 1 ватт произведенной мощности, то сегодня - менее 3.5 долл. за 1 ватт [2].
Энергия ветра
Потенциал атмосферы можно вычислить, зная ее массу и скорость рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 метров в секунду. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то эффективный ветроагрегат можно ставить практически везде. Если взять только нижний 100-метровый слой и поставить одну установку на 100 квадратных километров, то при установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за год 5 триллионов киловатт-часов, что в 2 раза больше гидроэнергетического потенциала стран СНГ.
Рисунок 2. Генерирующие мощности мировой ветроэнергетики в 1980-2000 гг. (МВт)
Ветроэнергетика развивается семимильными шагами. Из-за сокращения затрат на производство электричества с помощью энергии ветра, его объемы растут на глазах. С появлением новых ветряных турбин усовершенствованной конструкции расходы на производство электроэнергии за 10 лет снизились с 18 центов за 1 кВт*ч до 4 центов в местах, богатых ветроэнергетическими ресурсами [2] В некоторых регионах электроэнергия, создаваемая силой ветра, уже сегодня стоит меньше, чем при сжигании нефти и газа. Сейчас, когда в эту сферу направляют свои ресурсы крупнейшие мировые корпорации, ожидается еще большее удешевление этой энергии.