Создание замкнутых производственных циклов

Вопросы практического тура для 11 класса:

Известно, что в основе пирамиды биомассы Мирового океана лежат не растения, а животные, общий вес которых в 20 раз превышает вес растений. Почему?

С целью выяснения способа регуляции роста численности популяции проделали следующий опыт. В два одинаковых по объёму аквариума поместили разное количество головастиков. В первом аквариуме, где головастиков насчитывалось в два раза больше, они росли медленнее. Из первого сосуда немного воды перелили во второй, не меняя в нём количество головастиков. В результате их рост и развитие, ранее интенсивное, явно замедлилось. Сделайте вывод по этому опыту.

В тропических открытых районах океана, где много тепла и света, жизнь очень бедна. Эти районы называют «океаническими пустынями». С чем это связано?

В 30-х – 60-х годах нашего столетия в сельскохозяйственной практике в качестве инсектицида широко применялся ДДТ. Одним из последствий применения этого инсектицида стала гибель хищников. Объясните причины этого явления.

Составьте экологическую цепочку – мышь – сыр.

Почему естественное загрязнение атмосферы не нарушает происходящих в ней процессов?

В чём заключается положительные последствия «парникового эффекта»?

Какие вещества наиболее опасны при загрязнении водоемов и почему?

Поясните, в чём преимущество использования замкнутых производственных циклов перед строительством очистных сооружений?

Почему тепловые электростанции вносят большой вклад в процесс потепления климата? Объясните, что такое парниковый эффект.

Даже в пределах одного распространённого вида, птицы, живущие в более высоких широтах, производят больше потомков, чем живущие в низких широтах. Как вы считаете, чем это вызвано?

Хищники – кошка и собака – питаются по-разному. Кошка отвергает несвежую пищу, ест основательно и не спеша, редко переедает. Собака же, наоборот, не брезгует падалью, ест, торопясь, почти не разжёвывая и, как говорится, не знает меры. Есть ли этому какое-либо биологическое и экологическое объяснение?

Участок степного травостоя, который способен прокормить лишь 10 овец – животных скромных размеров, обеспечивает питание 19 громадин – верблюдов общим весом в 8,5 тонны. Объясните почему?

Близкородственные виды живут бок о бок, хотя, согласно бытующему среди дарвинистов мнению, между ними существует наиболее сильная конкуренция. Почему же один из видов не вытесняет другой?

Как можно объяснить различия зависимости размеров сердца и активности у млекопитающих и насекомых, если у последних размеры сердца (спинного сосуда) не зависит от их активности?

Ответы практического тура для 11 класса:

Основу растительной биомассы мирового океана составляют одноклеточные водоросли, продолжительность жизни которых мала. Но одновременно эти водоросли обладают высокой скоростью размножения и воспроизводства. Вследствие этого биомасса планктонных животных, питающихся фитопланктоном и имеющая большую продолжительность жизни, оказывается гораздо выше, чем биомасса фитопланктона. Кроме того, зоопланктон сам служит пищевой базой для различных плактонофагов (моллюсков, рыб, млекопитающих), что ещё более увеличивает указанную выше разницу.

Особи перенаселённой популяции головастиков (в первом аквариуме) выделили в воду особые вещества, замедляющие рост и развитие особей внутри популяции.

Недостаток элементов минерального питания, в основном азота и фосфора, необходимых для развития фитопланктона, от которого в свою очередь зависят животные. Из-за больших глубин соли азота и фосфора концентрируясь в илах на дне, не достигают поверхностных слоёв океана.

ДДТ является кумулятивным ядом, и, передаваясь по трофическим цепям, он накапливается в хищниках – конечных звеньях таких цепей. Это и стало причиной их повышенной смертности.

Мышь – шмели – клевер – овцы – молоко – сыр.

Вещества, поступающие в атмосферу, при естественном загрязнении всегда были и есть в природе, они быстро включаются в естественные круговороты, промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу вещества, которые обычно не встречаются в природе: фреоны, пыль тяжёлых металлов, радиоактивные вещества. Эти вещества могут нарушить естественные природные процессы.

Повышение температуры приведёт к сокращению полярных областей и продвижению в них теплолюбивых видов растительности, повышение влажности приведёт к сокращению площади пустынь, повышение концентрации углекислоты приведёт к повышению продуктивности растений.

Соли тяжёлых металлов, фосфорорганические и хлорорганические соединения – эти вещества накапливаются в организме и передаются по звеньям пищевой цепи, приводя к возникновению кумулятивных токсикозов. Также опасны вещества – детергенты, входящие в состав современных моющих средств (стиральных порошков). Они образуют на поверхности воды тонкую плёнку, препятствующую обогащению воды кислородом. Подобную плёнку они образуют и на жабрах водных обитателей, вызывая их гибель. Аналогичное воздействие вызывают и нефтепродукты, попадающие в воду.

Замкнутые производственные циклы позволяют более рационально использовать сырьё, что делает их более экономичными; это безотходные производства, не загрязняющие природную среду. Очистные сооружения не дают возможности полной очистки отходов, так как при повышении степени очистки многократно возрастает стоимость этого процесса, и производство основного продукта становится нерентабельным. Таким образом, очистные сооружения способны лишь уменьшить загрязнение окружающей среды, но не предотвратить его.

Рост концентрации углекислого газа в атмосфере является одной из причин начавшегося потепления климата на Земле. Это связано, прежде всего, с нарушением природного равновесия между количеством углекислого газа, выделяемого в атмосферу в результате разложения органических веществ и поглощаемого в процессе фотосинтеза. Концентрация углекислого газа наряду с другими элементами – метаном, фреонами – приводит к образованию так называемого парникового эффекта. Суть этого явления заключается в том, что происходит накопление углекислого газа и других веществ, увеличиваются температура и влажность (тот же эффект можно наблюдать в теплице, покрытой плёнкой или стеклом).

Гипотеза продолжительности светового дня – в весеннее и летнее время в высоких широтах продолжительность светового дня больше и птицы имеют больше времени для сбора пищи и способны больше прокормить птенцов. Гипотеза весеннего изобилия – весной в средних широтах наблюдается резкое увеличение первичной продукции и быстрое возрастание численности насекомых. Численность же популяций самих птиц весной очень не велика из-за массовой гибели в зимний период. Поэтому прилетающие весной особи оказываются в условиях изобилия пищи и сравнительно слабой конкуренции. Таким образом, птицы высоких широт могут в единицу времени собрать больше корма и способны прокормить больше потомков. Гипотеза влияния хищников – в тропиках больше хищников и они уничтожают чаще крупные кладки, так как родители вынуждены чаще покидать их для поиска корма, чем мелкие.

Кошка – хищник-одиночка. Поэтому, поймав добычу и уединившись, она спокойно поглощает её, не беспокоясь – у неё нет конкурентов. Собака – хищник стайный. Пойманной добычи едва хватает на всех членов группы. При разделе пищи, не церемонятся, времени на выбор более лакомых кусков просто нет.

Овцы поедают в основном полынь и сочные побеги травянистых растений, избегая колючие растения и сухие стебли злаков. Кроме того, небольшие по площади и заострённые копытца овец сильно разрушают почву, что приводит к быстрой деградации пастбищ и резкому снижению биомассы вегетирующих растений. Верблюды же имеют более широкий пищевой спектр, поедая и сухие, и колючие растения. Кроме того, верблюды, относясь к мозоленогим животным, имеют очень широкую стопу и оказывают, несмотря на свой большой вес, на поверхность почвы лишь незначительное давление. Благодаря этому растительные сообщества на верблюжьих пастбищах не подвергаются деградации.

Близкородственные виды, обитающие рядом, обычно занимают разные экологические ниши и поэтому обладают различным пищевым спектром, что исключает конкуренцию за жизненные ресурсы.

У насекомых в функцию кровеносной системы не входит обеспечение органов и тканей кислородом, вследствие чего у них и отсутствует зависимость между активностью и размерами сердца. У млекопитающих активность напрямую зависит от притока крови, гемоглобин которой является носителем кислорода, а сердце – тем органом, который отвечает за перемещение крови по кровеносным сосудам.

Вконтакте

Что с этим делать? Внедрять и развивать в городах экономику замкнутых циклов, уверены исследователи из Технологического института Блекинге в шведском городе Карлскроне. Они выпустили отчет «Циклическая экономика: опыт городов по всему миру» , в котором проанализировали различные городские проекты, связанные с циклической экономической моделью. В поле зрения экспертов попал 21 город в США, Англии, Нидерландах, Швеции и других странах. Исследователи описали проекты, которые были финансово поддержаны муниципалитетами, и то, какие выгоды эти инициативы принесли городу.

Экономика замкнутых циклов — это подход, при котором в производство возвращается все то, что раньше считалось ненужным и отправлялось на захоронение в рамках следования линейной экономической модели «произвел — потребил — выбросил». Специалисты Технологического института Блекинге отметили, какие департаменты городской администрации были задействованы в реализации инициатив, и какую пользу, в конечном счете, подобные проекты приносят городам и их жителям.

Из отходов — в нужные вещи

Городские власти способны регулировать ситуацию с отходами в городе и использовать рынок для их полезного применения. Так, например, исследователи отметили в отчете успешный проект торгового центра ReTuna в Швеции, где вся продукция в магазинах — это использованные вещи и остаточные материалы. Жители оставляют в торговом центре различные предметы, бывшие в употреблении. Сотрудники центра по необходимости их ремонтируют и сортируют по отделам. Каждый магазин принадлежит независимым предпринимателям. В 2016 году ReTuna обеспечил работой 47 жителей Эскильстун.

Технологии — всему голова

Примером внедрения новых технологических решений для перехода с линейных экономических моделей к замкнутым циклам может послужить проект по извлечению из органических отходов биогаза и удобрений в Осло. Для этого муниципалитет инвестировал средства в строительство городского биогазового завода. Выработанный газ применяется для заправки мусоровозов и общественных автобусов. А побочные продукты производства муниципалитет передает местным фермерам в качестве биоудобрений.

Вдохновить устойчивостью

В качестве примера взаимодействия городских властей и бизнеса в отчете приведен бизнес-парк «20|20» в Харлеммермере — на западе Нидерландов. Парк построен в соответствии со стандартами Cradle to Cradle (C2C), что в переводе с английского означает «От колыбели до колыбели». Эта концепция основана на идее циклических безотходных систем производства, которые не наносят вред окружающей среде. Парк занимает 92 тысячи квадратных метров площади, на которой расположены офисы, супермаркеты, фитнес-центр и несколько ресторанов. Все проекты реализованы с акцентом на снижение выбросов CO2 и внедрения принципов циклической экономики.

Поделись сырьем своим

Авторы исследования отмечают, что муниципалитеты способны играть роль помощников в экологических взаимодействиях между городскими компаниями. Так, например, городской совет Питерборо профинансировал создание онлайн-платформы Share Peterborough, где фирмы могут торговать и обмениваться различными ресурсами между собой. Причем не только материалами, но также помещениями для конференций и даже навыками. Главное условие — максимально все использовать, чтобы слово «ненужный мусор» пропадало из обихода ведения бизнеса в городе. В основе такой инициативы — продвижение идей «business to business» или B2B, что означает «бизнес для бизнеса». B2B подразумевает, что компания работает не только на конечного рядового потребителя, но также на другие компании.

В российской действительности инициативы в сторону замкнутых циклов производства зачастую продвигаются снизу вверх — от бизнес-инициатив к муниципалитетам. Например, чтобы содействовать развитию циклической экономики в России, компания-поставщик упаковки, канцтоваров и хозтоваров для бизнеса «ОптиКом» запустила проект по вывозу бумажных отходов «Бумаговорот». В центре проекта — столичные офисы, где бумага чаще всего превращается в бесполезный мусор. Однако сбор макулатуры — это и забота о лесах (переработка одной тонны бумаги сохраняет 24 дерева), и сокращение выбросов в атмосферу СО2, а также существенная экономия воды и энергии. Идея «ОптиКома» в чем-то пересекается с инициативой в городе Питерборо, преследуя принципы максимально эффективного использования ресурсов и принципов услуги B2B.

«„Бумаговорот“ соответствует нашей миссии способствовать построению циклической экономики в России. Мы собираем макулатуру, из которой затем производят бумажную упаковку, таким образом, мы замыкаем цикл. Это не только предотвращает рост свалок, но и позволяет сохранять природные ресурсы», — рассказывает генеральный директор компании Максим Рогожко. Пока проект реализуется только в Москве и предполагает закупку компанией-партнером расходных материалов у «ОптиКом».

При этом «зеленым» офисам компания предлагает линейку экологичных товаров: от бумажно-гигиенической продукции из вторичного волокна до биоразлагаемых моющих средств. Чтобы сотрудники офисов быстрее приноровились к сбору макулатуры, компания бесплатно проводит тренинги для персонала компаний-участников проекта. Во время инструктажа работники получают информацию о том, как и зачем собирать макулатуру отдельно от бытового мусора, какие виды бумаги «ОптиКом» принимает на переработку и почему картонные стаканчики в контейнер для макулатуры помещать нельзя (подсказка: такие стаканчики в России пока не перерабатываются).

Главаx. Экологизация производства

10.1.Принципы и технологии экологизации производства

Основные направления. Начиная с 60-х годов экологическая ситуация и возрастание (в основном через экономику и законодательство) экологических требований к ведению хозяйства привели в разных странах к ряду изменений в промышленном производстве, энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных функций. Прежде часто беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства, не подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось более организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных полигонов и хранилищ. Во многих случаях эта деятельность носила стихийный характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения. Примером может служить домпинг - «утопление» в водоемах, морях вредных химических и радиоактивных отходов в емкостях или просто «навалом».

По существу концентрированно и перемещение вредных веществ в пространстве или, наоборот, их разбавление в больших объемах транспортирующих сред - воздуха и воды - до сих пор остаются главными способами «охраны окружающей среды», хотя с экологической точки зрения представляют собой «заметание сора под лавку». В последние десятилетия это направление дополнилось довольно циничной «экологической геополитикой», при которой опасные агенты экспортируются в слаборазвитые страны - как в виде строительства там высокоотходных предприятий, так и в форме натурных загрязнителей.

Более прогрессивное направление - очистка выбросов и стоков от загрязнителей - по мере совершенствования соответствующих технологий постепенно переходит к улавливанию отходов уже в виде вторичного сырья, полезных материалов. Циклы реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание органических отходов с получением полезной энергии, переработку мусора в компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий и др. Переориентация различных производств на малоотходные циклы основана на создании совершенного очистного и средозащитного оборудования, «экологизированной» техники, мусороперерабатывающих агрегатов и предприятий. В ряде развитых стран такая «экологическая промышленность» оказывается в ряду лидирующих производств, заметно расширяет сферу занятости и приносит немалую прибыль. Возникает ситуация, при которой экологические требования не противоречат экономическим интересам, когда капитал приобретается не за счет ухудшения состояния среды, а благодаря решению экологических проблем. Другими словами, происходит экологическая конверсия производства.

Экологизация промышленного производства нацелена на одновременное повышение эффективности и снижение его природоемкости. Она предполагает формирование прогрессивной структуры общественного производства, ориентированной на увеличение доли продукции конечного потребления при снижении ресурсоемкости и отходности производственных процессов. Существует несколько принципиальных направлений снижения природоемкости:

изменение отраслевой структуры производства с уменьшением относительного и абсолютного количества природоемких высокоотходных производств и исключением выпуска антиэкологичной продукции;

кооперирование разных производств с целью максимального использования отходов в качестве вторичных ресурсов; создание производственных объединений с высокой замкнутостью материальных потоков сырья, продукции и отходов;

смена производственных технологий и применение новых, более совершенных ресурсосберегающих и малоотходных технологий;

создание и выпуск новых видов продукции с длительным сроком жизни, пригодных для возвращения в производственный цикл после физического и морального износа; сокращение выпуска расходных материалов;

совершенствование очистки производственных эмиссии и транспортирующих сред от техногенных примесей с одновременной детоксикацией и иммобилизацией конечных отходов; разработка и внедрение эффективных систем улавливания и утилизации отходов.

Каждое из этих направлений в отдельности способно решить лишь локальную задачу. Для снижения природоемкости производства в целом необходимо объединение всех этих способов. При этом центральное место занимают проблемы технологического перевооружения, внедрения малоотходных технологий, экономического и технического контроля экологизации.

Экологизация энергетики помимо требований, относящихся к промышленному производству, предполагает осуществление разнообразных мер, которые направлены на:

постепенное сокращение всех способов получения энергии на основе химических источников, т.е. с помощью экзотермических химических реакций, в том числе окислительных и электрохимических, и в первую очередь - сжигания любого топлива;

максимальную замену химических источников природными возобновимыми источниками энергии, среди которых ведущая роль должна принадлежать солнечной энергии.

О соответствующих ресурсах и технических возможностях уже говорилось (гл.5). В идеале единственным действительно экологичным химическим топливом может стать только водород, полученный на основе ге-лиоэнергетического фотолиза воды. Что касается ядерной, в том числе и будущей термоядерной энергетики (на основе того же водорода, но в существенно меньшем количестве), то даже при абсолютном устранении всех форм радиационного загрязнения (что весьма проблематично) ocraeft ся неустранимое тепловое загрязнение экосферы.

Экологизация энергетики в рамках преобразования ее топливных ресурсов содержит множество резервов и принципиальных технических решений - от общего сокращения объема энергетики на основе всех форм экономии энергии до изменения структуры использования топлив и технологий преобразования энергии. Сейчас уже и энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации энергетики является не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько требования глобальной экологии.

Экологизация транспорта предполагает:

включение экологических требований в организацию транспортных потоков с целью уменьшения транспортного загрязнения за счет сокращения холостых пробегов и рационализации маршрутов;

подавление тенденции индивидуализации транспортных средств и содействие развитию комфортного и экономичного общественного транспорта с целью уменьшения общего числа транспортных единиц:

создание новых транспортных средств и замена одних средств транспорта другими, более экологичными, а также создание новых, более экологичных двигателей для имеющихся транспортных средств;

разработка и применение более безопасных топлив или других энергоисточников; замена вредных топливных присадок каталитическими средствами оптимизации сжигания; дожигание и очистка выхлопов двигателей внутреннего сгорания;

пассивная и активная защита от шума.

Все эти меры очень важны, так как без них общая природоемкость транспорта в скором времени может превзойти природоемкость стационарной энергетики и промышленного производства.

Экологизация сельского хозяйства еще в недавнем прошлом казалась бы излишним требованием, так как неиндустриализированное земледелие и животноводство были по существу самой экологичной областью хозяйственной деятельности человека. Однако в XX веке произошло быстрое превращение сельского хозяйства в агропромышленное производство со всеми последствиями механизации и химизации. Индустриализация агрокомплексов и ферм, широкое применение минеральных удобрений и ядохимикатов повысили удельную продуктивность агроценозов, но снизили их экологичность и экологические качества сельскохозяйственной продукции. Для преодоления этой тенденции необходим комплекс мер, который помимо требований экологизации, характерных для промышленности, включает также:

ограничение использования солевых форм минеральных удобрений и замена их специально трансформированными органическими удобрениями и колловдированными органоминеральными смесями (эту технологию иногда обозначают как «биологическое» или «органическое» земледелие);

минимизацию применения пестицидов и максимальную замену их биологическими средствами борьбы с вредителями;

исключение гормональных стимуляторов и химических добавок при кормлении животных;

предельную осторожность в использовании трансгенных форм сельскохозяйственных растений и других продуктов генной инженерии;

применение наиболее щадящих методов обработки земли. Дальнейшее изложение касается в основном средств экологизации промышленного производства.

Модели производственных процессов с точки зрения экологии. Любой производственный процесс представляет собой некоторую систему, органически связанную с внешней средой. Такая производственная система получает из окружающей среды исходное сырье, материалы, энергию, а отдает в нее готовую продукцию и всевозможные отходы. Функционирование системы осуществляется благодаря потоку энергии, подводимой извне (электрической, солнечной и т.п.) либо генерируемой внутри системы за счет физико-химических процессов. К отходам относятся все вещества и материалы, тепловые выбросы, физические и биологические агенты, которые попадают во внешнюю среду и в дальнейшем уже не участвуют в получении продукции или энергии.

Рис. 10.1. Принципиальные модели технологических процессов:

А - незамкнутый; Б - замкнутый; В - изолированный

Если пользоваться представлениями термодинамики, то, как и все системы, технологические процессы в принципе подразделяются на три категории: незамкнутые (открытые), замкнутые и изолированные. Они представлены на рис. 10.1 в виде блоковых моделей. Абсолютное большинство реальных технологических процессов относятся к категории незамкнутых (рис. 10.1, А). Замкнутыми считаются такие системы, у которых отсутствует обмен с внешней средой веществом, но возможен обмен

энергией. Технологическим аналогом замкнутой системы может служить такой процесс, в котором полностью отсутствуют отходы химических веществ - твердые, жидкие и газообразные выбросы (рис. 10.1, Б). Например, конечная сборка изделия из готовых деталей. При этом обмен с внешней средой исходным сырьем и готовой продукцией во внимание не принимается, хотя продукцию также можно рассматривать как отложенный отход. Теоретически возможны и изолированные процессы, которые не дают ни материальных, ни энергетических отходов (рис. 10.1, В).

В общем случае все технологические процессы можно рассматривать с точки зрения их экологического соответствия. Относительно экологичными можно считать такие технологические процессы и производства, воздействие которых на окружающую среду в рамках определенных количественных соотношений не нарушает нормального функционирования природных экосистем. Неэкологичные техпроцессы создают повышенную техногенную нагрузку и оказывает негативное воздействие на состояние окружающей природной среды.

Неэкологичным может быть любой технологический процесс. Так, замкнутый техпроцесс, не имеющий отвода химических веществ в окружающую среду, нельзя считать экологичным, если он сопровождается вредными физическими воздействиями: тепловыми выбросами, шумами, электромагнитными полями и т.п.

Экологичность производственных процессов можно оценить с помощью метода сырьевых балансов, который основан на законах сохранения: масса всех используемых ресурсов (сырья, топлива, воды и т.п.) в конечном итоге равна массе готовых продуктов и промышленных отходов. Рассмотрим схемы материальных потоков в производствах разной степени замкнутости (рис. 10.2). Приняты следующие обозначения:

R - поток ресурсов (исходное сырье, основные и вспомогательные материалы, полуфабрикаты);

W - поток отходов (химические вещества и энергия), загрязняющий среду и уносящий определенную часть полезных ресурсов;

W y - поток уловленных отходов;

Р - поток готовой продукции.

Незамкнутому производственному процессу (рис. 10.2, А) соответствует следующее уравнение материально-технического баланса:

R = Р + W = (R – W y) + W. (10.1)

Скобки в уравнении указывают на единство потока (ресурсов и отходов). «Отходность производства» можно оценить по коэффициенту К отх = W/R. Соответственно коэффициент безотходности К б = Р/ R. Производственный процесс, предусматривающий очистку загрязняющих потоков, представлен схемой 10.2, Б, а при использовании уловленных веществ W y в качестве вторичного сырья - схемой 10.2, В. В последнем случае материально-технический баланс описывается системой уравнений:

(R + W y) = (R + W y - W)+W;

W = (W - W y) + W y .

В замкнутом производственном цикле (рис. 10.2, Г) происходит полная переработка и утилизация потока отходов W y , который вновь возвращается в сферу производства. Здесь потоки W и W y количественно равны, а поток готовой продукции Р соответствует потоку R.

В ряде работ рассматриваются математические модели экологичности техпроцессов с различными схемами входных, промежуточных и выходных потоков. В качестве характеристик потоков принимаются не только массовые расходы вещества, но и его концентрации, температура, давление, расход тепла и другие физические параметры, связанные между собой балансовыми уравнениями. Методы моделирования производственных процессов оказываются полезными при решении задач оптимизации технологий по экологическим критериям.

Рис. 10.2. Материальные потоки в производственных процессах различной степени замкнутости

Проведен системный анализ возможностей и границ повторного использования материалов в рамках промышленной экологии. Дана классификация невозобновляемых материалов. Отражены направления использования отдельных классов невозобновляемых материалов. Рассмотрены критерии эффективности повторного использования материалов. Приведены структурные признаки замкнутого цикла. Охарактеризованы возможные формы замкнутого цикла. Показано значение замкнутого цикла для обеспечения устойчивого развития. Рассмотрена роль энергии в обеспечении замкнутого цикла. Исследовано сжигание как возможный процесс утилизации отходов. Показана двойственная (позитивная и негативная) роль технологий для обеспечения устойчивого развития. Определено значение инновационных технологий для успешного перехода к промышленной экологии. Сделан вывод о необходимости расширенного использования существующей и испытанной устойчивой техники; инноваций и разработки новой устойчивой техники.

промышленная экология

устойчивое развитие

замкнутый цикл

1. Дорохина Е.Ю., Огольцов К.Ю. К вопросу о концептуальном понимании промышленной экологии // Путеводитель предпринимателя. – 2012. – № 16. – С. 95–103.

2. Дорохина Е.Ю., Огольцов К.Ю. О возможных стратегиях устойчивого развития и промышленной экологии // Путеводитель предпринимателя. – 2013. – № 17. – С. 100–108.

3. Дорохина Е.Ю., Пантелеев С.С. К вопросу о трех столпах устойчивого развития // Научные труды SWorld. – 2012. – Т. 33, № 4. – С. 16–21.

4. Allen D.T. An Industrial Ecology: Material flows and engineering design. Department of Chemical Engineering, Universitiy of Texas – Discussion Paper Austin, 2003.

5. Cohen-Rosenthal E. Making sense out of industrial ecology: a framework for analysis and action// Journal of Cleaner Production, 12. Jg. (2004), H. 8-10, P. 1111–1123.

Закрытие оборота материалов путем возврата в производство или потребления остатков производственных процессов или отслуживших срок старых продуктов и утильсырья называется замкнутым циклом. Замкнутый цикл как экономическая деятельность имеет длительные исторические традиции.

Цель нашего исследования - системный взгляд на возможности и границы возвращения материалов в рамках перехода к промышленной экологии (ПрЭ). Это - значимая и пока не решенная по ряду причин проблема. Процессы замкнутого цикла сложно охватить одним взглядом, в частности, трудно разграничить замкнутый цикл и управление отходами. Хотя известны основные структурные признаки замкнутого цикла, понятие это настолько многогранно, что даже в ПрЭ оно определяется разными способами. Для ПрЭ важны все формы замкнутого цикла - повторное использование, другое применение - во всех их проявлениях, причем переходы между названными формами часто размыты. Собственно говоря, возможность повторного использования материалов в хозяйственном обороте является одной из основных необходимых предпосылок функционирования ПрЭ. Подсмотренное у природы свойство - способность разбирать сложные материалы на их исходные компоненты для нового использования последних . При этом необходимо выяснить, какие формы замкнутого цикла играют существенную роль, и какие встречаются приложения. Различают 3 класса невозобновляемых материалов (см. таблица).

Классификация невозобновляемых материалов

Эта классификация относительна, так как технические возможности и экономические условия постоянно меняются, и участникам процессов не всегда известно, к какому классу относится материал.

Переход к ПрЭ требует, во-первых, увеличения использования в промышленных производственных процессах материалов из классов I и II, во-вторых, избегания материалов из класса III, в-третьих, нахождения путей компенсации незаменимых материалов из класса III с помощью инноваций в классах I и II. Разумеется, в классе III речь идет, прежде всего, о сильно диссипативных материалах, которые при применении рассеиваются в окружающей среде. Границы их повторного использования определяются лишь законами термодинамики, но с увеличением их применения необходимые издержки стремятся к бесконечности.

Экономическую границу замкнутого цикла разных материалов обуславливает отношение доли привлекательного сырья в природных материалах к его доле во вторичных материалах. Чем меньше эта величина, тем выгоднее обратное получение. При отношении существенно большем единицы замкнутый цикл представляет собой экономически невыгодную форму получения сырья . В конечном счете, все зависит от плотности сырья в первоначальном материале, которая имеет тенденцию к сокращению. С другой стороны, считается, что с уменьшением концентрации вновь обретаемого сырья во вторичных материалах экспоненциально растут затраты энергии для обратного получения.

Эмпирически доказано, что еще не израсходован экономический потенциал повторного использования тяжелых металлов, представляющих собой опасные отходы (hazardous waste). Однако ему противостоят диссипативные потери экотоксических субстанций, концентрация которых в экосфере во многих случаях повышается. Так как использование тяжелых металлов в ходе индустриализации непрерывно росло, то диссипативные потери постепенно приобретали все большее значение. Хотя не все экотоксические последствия и критические концентрации известны, но, начиная с их определенных уровней, можно ожидать значительных нарушений в окружающей среде.

Мы видим большой потенциал в освещении приложений ПрЭ, так как недостаток информации и правовых норм ограничивают инициативы даже по их экономически выгодному применению. Против использования невозобновляемых материалов III класса есть две причины: безвозвратное использование и истощение соответствующих материалов; токсические последствия для экосистем.

Вместе с тем может быть только один путь, реализуемый последовательно всеми заинтересованными лицами. Это путь, ведущий в направлении ПрЭ, т. е. к тому, чтобы все высоко диссипативные материалы соответствовали бы критерию непротиворечивости окружающей среде . Ждать до тех пор, когда технический прогресс позволит замкнуть оборот материалов, когда ресурсы станут настолько дорогими, что не будет никакого иного пути, было бы выражением неуместной инертности имеющихся промышленных систем. Каждая ступень и каждый элемент ПрЭ требует активного подхода. Можно выделить следующие ступени замкнутого цикла:

Непосредственный замкнутый цикл (в пределах того же самого производственного процесса);

Опосредованный замкнутый цикл (в пределах того же самого производственного процесса при временнoм или пространственном переносе);

Интегрированный замкнутый цикл (комбинация из обоих вышеназванных образований при дополнительном включении конструктивных элементов или блоков производственного процесса);

Системно-интегрированный замкнутый цикл (комбинация интегрированных в процесс внутренних положений замкнутого цикла с внешними, реализуемыми на другом предприятии производственными процессами).

При этом необходимо обеспечить, чтобы вторичные продукты использовались как можно раньше и в ближайшем регионе. Это даст экономические преимущества, связанные с уменьшением транспортных расходов и расходов по хранению. Чем выше стоимость вновь используемых благ, тем сильнее становится последний аспект.

Для ПрЭ требуется концепция, которая обобщает все формы замкнутого цикла в холархическую систему. Кроме того, нужны новые технологии возвращения материалов, продолжающие дело надежных и давно известных замкнутых циклов металлов, стекла и бумаги. При этом речь идет о материалах, для которых, вследствие их относительно простой химической и механической разделимости, уже теоретически возможен замкнутый цикл. Разумеется, даже в уже реализуемых кругооборотах материалов еще имеются нерешенные проблемы с примесями и недостаточной чистотой вторичных материалов, препятствующие более полному повторному использованию материалов. Например, в случае металлов, приобретающих специфические свойства при легировании, смешивание в ходе замкнутого цикла приводит к регулярному снижению качества вторичных материалов. Заметим, что металлы, как раз, характеризуются хорошей приспособляемостью к замкнутому циклу. Регулярно появляющиеся примеси при каждом кругообороте накапливаются во вторичном сырье и уменьшают его чистоту, что фактически соответствует даунциклингу. В рамках ПрЭ можно расширить границы управления циркуляцией, так как постепенно разрабатываются новые технические и организационные процессы очистки для тех циркуляций материалов, в которых этот феномен раньше не встречался. В перспективе это станет возможным в существенно большем объеме, так как и природное сырье характеризуется смесями материалов, которые затем разделяются посредством технологических процессов. Тем не менее, для функционирования ПрЭ неизбежна ориентация на замыкание циклов используемых в производстве материалов. При этом будет играть существенную роль «проектирование окружающей среды» (Design for Environment). При ПрЭ доля замкнутого цикла в производстве стремится к 1, так как это - целевое значение, устанавливаемое природой как «образцом». В любом случае это значение может быть достигнуто только в долгосрочной перспективе, так как многие материалы при нынешних замкнутых циклах теряют в качестве, и применимое сырье можно получить только при добавлении новых материалов.

Замкнутый цикл и энергия

Значение замкнутого цикла для устойчивой экономики можно оценить, анализируя следующие основные принципы, предлагаемые экологией:

а) все применимые невозобновляемые ресурсы должны повторно использоваться, пока это возможно;

б) отношение энергии, используемой для производства и потребления продуктов, и энергии, расходуемой для повторного предоставления сырья, должно быть изменено в пользу замкнутого цикла (т.е. доля энергии в замкнутом цикле в общеэкономическом потреблении энергии существенно увеличится);

в) невозобновляемые ресурсы могут быть введены в циркуляцию только в таком объеме, в каком для этого имеется регенеративная энергия, непригодная для других форм использования;

г) экономика потребления должна признаваться экономически равноценной экономике производства, так как создание там добавленной стоимости представляет собой существенную основу для производства.

Предпосылкой выполнения этих правил является то, что в долгосрочном периоде в распоряжении будут находиться исключительно возобновляемые энергоносители и в единицу времени - лишь ограниченное количество энергии. Вытекающие отсюда ограничения по использованию энергии в индустриальном обществе должны быть операционализированы с помощью критериев устойчивости . Пункты б) и в) показывают, что это вызывает проблему распределения. Если ограниченный ресурс «энергия» не теряется, как это было до сих пор, при нежелательной диссипации веществ в процессах производства и потребления, а направляется на возвращение сырья, то становится очевидным, что прежние способы производства эксплуатировали основы своего собственного существования с двух сторон: сырьевой и энергетической. Если обе стороны теперь рассматривать с энергетической точки зрения и их использование подчинить естественным ограничениям, то доступность энергии станет в конечном итоге самым узким местом промышленных процессов. Если привлекаться в хозяйственный оборот или связываться в продуктах должно большее количество материалов, то должно использоваться больше дефицитной энергии. Как утверждает экология, с возрастанием использования биомассы увеличивается расход энергии по техническому обслуживанию и ремонту. То есть, переход к ПрЭ не может пройти безрезультатно для объема и качества, как промышленного производства, так и массового потребления. Хотя эффективность и состоятельность (непротиворечивость) необходимы для жизнеспособной экономики, но без выполнения условий существования они не являются целевыми характеристиками. Технология, порождающая материальные и энергетические потоки, будет играть решающую роль при переходе к устойчивому развитию. Таким образом, неизбежно, что уже при планировании и конструировании продуктов следует принимать во внимание способность применяемых материалов к замкнутому циклу, и, кроме того, возможность применения бoльшего количества вторичных материалов. Это означает не что иное, как полное обновление способов производства при постоянном учете требований ПрЭ. Если речь идет о возвращения материалов в экономическую циркуляцию, то необходимо решение многокритериальной задачи, учитывающей, с одной стороны, соотношение между экономическими издержками и экологическими последствиями, а, с другой стороны, качество вновь обретаемых материалов и их экономическую эффективность. Термодинамика указывает на то, что энергетические затраты (и соответственно издержки) растут с уменьшением доли обратного получения и снижением качества вторичного сырья. Связь выражается следующим образом. Чем меньше плотность материала, предназначенного для повторного использования, тем дороже его концентрирование до приемлемой меры, поскольку это влечет за собой непропорциональное использование энергии. Тем не менее, этот процесс требует подробного анализа. Если на экологическом уровне рассматривать условия повторного и дальнейшего применения материалов, то на 5 ступенях трофики от первоначального производителя к первичному, вторичному и третичному потребителям, а также деструентам, можно видеть относительно возрастающую потерю энергии в форме излучаемого, т.е. неполезного тепла. Для перехода к ПрЭ потери энергии от одной до другой ступени потребления нужно описывать нормативными методами, учитывающими природно-экологические принципы. Сейчас сложно определить, какие именно процессы замкнутого цикла из-за чрезмерного использования энергии будут оказывать отрицательное влияние на устойчивое развитие, т.е. на «прочность» экосистемы. В обозримом будущем энергия солнца все-таки будет излучаться в экосистему Земли, поэтому узкими местами будут сохранение невозобновляемых материалов и устранение из природного кругооборота веществ, чуждых природе. Отрицательная экологическая «стоимость» потери материала не может превосходить стоимости экологических последствий предоставления энергии. Или, иначе выражаясь, в отношении устойчивости оптимальными являются такие антропогенные процессы замкнутых циклов, при которых предотвращенная отрицательная стоимость (окончательной) потери материала сопоставима со стоимостью предоставления необходимой для процесса (регенеративной) энергии. Проблема «оценки» на основе этого простого правила еще не решена.

Сжигание как стратегия утилизации отходов

Сжигание материалов, неинтегрируемых более в хозяйственный оборот, некоторыми специалистами называется «тепловым применением» и также считается формой замкнутого цикла. С точки зрения термодинамики, этого не может быть, так как сожженные материалы содержат негэнтропию (отрицательную энтропию), но при сгорании или производят энтропию в форме диссипации или, в лучшем случае, полезное тепло . Полученная тепловая энергия (которая, с точки зрения энтропии, представляет собой обесцененный вид энергии) сопоставляется с энергией, заключенной в сожженных (и диссипируемых) материалах. Последняя по своей значимости многократно превышает извлеченное тепло. Сжигание ранее применяемых, но по разным причинам утративших свою полезность, материалов согласно термодинамике является убыточным делом, поэтому не может относиться к методам замкнутого цикла и в рамках ПрЭ должно быть исключением. Оно представляет собой вынужденную меру при отсутствии фантазии и творческого подхода. Только в единичных случаях, которые следует тщательно проверять, сжигание может стать устойчивым решением, оставаясь в целом исключением. Процессы замкнутого цикла требуют адекватной технологии, учитывающей экономические, экологические и социальные интересы. В частности, при нынешних условиях экономические и экологические оптимумы технологических процессов находятся далеко друг от друга и, несомненно, требуют сближения. Известно, что создание мощностей по сжиганию требует высоких капитальных вложений, поэтому некоторые слои общества могут быть заинтересованы в их строительстве. При этом многие зависимости (экологические, социальные) недооцениваются. Отвергаются пути использования, которые могли бы составить конкуренцию сжиганию.

Значение инновационных технологий для обеспечения устойчивого развития

Технология как продукт культурной эволюции человечества при переходе к ПрЭ приобретает большое, если не решающее, значение. Технология играет ключевую роль для преобразования социально-экономических процессов в рамках ПрЭ. Технические инновации явились ядром индустриализации и следующего за ней экономического развития. При этом роль их двояка. Каждая новая технология только тогда становится успешной, когда присоединяемая к ней человеческая составляющая положительно корреспондирует с техникой, т. е. они способны к соединению. В этом случае новая технология может широко распространиться. Такой процесс называется диффузией технологии.

Технология, напротив, может стать и препятствием для перехода к ПрЭ, так как при высоких инвестициях возникают теневые зависимости.

Исторически культурную и технологическую эволюцию можно разделить на 3 крупных фазы: общество охотников и собирателей, аграрное общество и индустриальное общество. В ходе культурно-технологической эволюции из-за использования новых технологий непрерывно увеличивалось антропогенно вызванное потребление энергии и сырья. Идеализированное мнение многих экологов состоит в том, что устойчивой опцией будущего является отказ от технологии (в общем смысле), так как технология представляет собой главное звено, обусловливающее экологический кризис.

Заключение

На наш взгляд, динамика технологического развития является решающим элементом при переходе к ПрЭ. Антропогенное преобразование природных систем уже настолько продвинулось, что технологии и их действие на окружающую среду стали неотъемлемой частью планеты Земля. Жизнь как феномен возникла и поддерживается путем интеграции материи и энергии. Антропогенно-культурное развитие неотъемлемо связано с экологическим развитием. Первое возможно только путем преобразования материи на основе использования энергии. И окончательное решение этой задачи взяла на себя технология, которая должна приспосабливаться к вновь возникающим требованиям устойчивого развития. Вид и форма использование старой и, прежде всего, новой техники зависит от креативности участвующих лиц и общих экономических условий. В конечном счете, внедрение технических изобретений определяется экономическим эффектом, который они обеспечивают инвесторам. Инвесторы опять-таки зависят от системы стимулирования. Новая культурная организация материи всегда будет связана с технологией, так как только технология запускает феноменальные материальные и энергетические потоки. Таким образом, технологии соответствуют две стратегических опции: возрастающее использование существующей и испытанной устойчивой техники; инновации и разработка новой устойчивой техники.

Библиографическая ссылка

Создание замкнутых производственных циклов связано с со­вершенствованием методов очистки техногенных выбросов и воз­можностью их повторного использования.

Разработка эффективных методов очистки газов решается по нескольким направлениям, основные из которых следующие:

совершенствование и разработка новых технологий и методов очистки;

применение современных коррозионно- и термостойких ма­териалов и агрегатов в системах газоочистки.

Пыль является одним из токсичных компонентов, присутству­ющих в газовых выбросах. Для тонкой очистки газов от пыли в различных отраслях промышленности применяют электрофильт­ры, которые характеризуются высоким потреблением электриче­ской энергии.

В настоящее время разрабатываются и внедряются экономич­ные тканевые фильтры. В них используют современные тканевые материалы на коррозионно- и термостойкой основе. Такие аппа­раты могут заменить электрофильтры и работать при температуре до 750 °С. Новые конструкции тканевых рукавных фильтров на­шли применение в цветной металлургии.

В различных отраслях промышленности широко используется абсорбционная очистка газов, но при этом образуется большое количество шламов, которые не находят применения и транс­портируются на промышленные свалки или в шламонакопители.

В качестве альтернативы в настоящее время разрабатывают ме­тоды адсорбционной очистки с применением твердых сорбирую­щих материалов и последующей регенерацией адсорбента, что позволяет значительно сократить количество шламов.

Разрабатываются и применяются технологические процессы с замкнутым циклом рециркуляции газов. По этой технологии отходя­щие газы промышленных производств проходят очистку, осво­бождаются от пыли и токсичных примесей, а затем их вновь пода­ют на технологическую стадию.

Таким образом, уже сейчас имеются достаточно эффективные методы газоочистки и технологические процессы, позволяющие значительно снизить или ликвидировать выброс токсичных газов в атмосферу.

Вопросы уменьшения жидких техногенных выбросов решаются путем совершенствования методов очистки промышленных сточных вод и организации замкнутых водооборотных циклов.

Состав сточных вод весьма различен, что делает невозможным подбор универсальных методов очистки. Одним из наиболее рас­пространенных и эффективных способов является биологическая очистка. Использование уникальных свойств микробных клеток позволяет значительно ускорить процессы самоочищения загряз­ненной воды за счет создания искусственных условий, благопри­ятных для роста микробов.

Наиболее признанным и эффективным технологическим при­емом является организация замкнутых водооборотных циклов. При этом сокращается водопотребление и уменьшается сброс промыш­ленных вод в природные водоемы благодаря многократному ис­пользованию воды.

Реализация водооборотных схем зависит от технологий очист­ки загрязненной воды, обеспечивающих возможность ее возврата в цикл. Обычно устанавливают локальные устройства для очистки сточных вод до норм, позволяющих использовать воды повторно. В этом случае свежая вода расходуется только для восполнения потерь.

Замкнутые водооборотные циклы реализованы на многих про­изводствах. Например, в химической промышленности при произ­водстве экстракционной фосфорной кислоты, при получении сер­ной кислоты и аммиака. В сочетании с реализацией новых аппаратурно-технических решений при производстве фосфорной кисло­ты это дало возможность уменьшить потребление воды в 20 раз.