Развитие технического прогресса, увеличение численности населения и нерациональное использование природных ресурсов земли, привело к появлению серьезных проблем в области экологии. Нарушение природного равновесия проявляется на локальном и глобальном уровне в виде ухудшения экологической обстановки, климатических и иных изменений на планете. Тема экологической безопасности является довольно актуальной в современном мире.
Отходы — это одна из основных современных экологических проблем, которая несет в себе потенциальную опасность для здоровья людей, а также опасность для окружающей природной среды. Во многих странах до сих пор существует недопонимание всей серьезности ситуации, связанной с твердыми бытовыми отходами, в связи с чем, нет строго регламента, а также необходимых нормативно-правовых актов, регулирующих вопросы, связанные с отходами и мусором. Отходы — вещества (или смеси веществ), признанные непригодными для дальнейшего использования в рамках имеющихся технологий, или после бытового использования продукции.
С точки зрения естественных наук, любое вещество теоретически может быть использовано тем или иным образом. Естественным ограничением использования является экономическая целесообразность использования.
Природа до определенного времени справлялась с переработкой отходов сама, но технический прогресс человечества сыграл важную роль в этом моменте. Появились новые материалы, разложение или переработка, которых естественным путем может длиться не одну сотню лет, а такие антропогенные нагрузки природе уже не под силу. Да, и немало важный фактор — это современный объем, производимого мусора. Он просто огромен. Но сегодня отходы и мусор можно рассматривать, как сырье. Их можно перерабатывать и повторно использовать. На каждого городского жителя, примерно, приходится от 500 до 800 кг отходов за год. По имеющимся у ученых сведениям, на каждого из жителей Земли приходится примерно по 1 тонне мусора в год. И если бы весь накопившийся за один год мусор не уничтожался, а сваливался в одну кучу, то тогда из него образовалась бы гора с высотой примерно как Эльбрус (5642 м). И это число все время растет. Планету буквально заполонили мусором. Твердые бытовые отходы разнообразны: древесина, картон и бумага, текстиль, кожа и кости, резина и металлы, камни, стекло и пластмассы. Гниющий мусор является благоприятной средой для множества микроорганизмов, которые могут вызывать инфекции и заболевания.
Радиохимические заводы, атомные электростанции, научные исследовательские центры, производят один из самых опасных видов отходов — радиоактивные. Данный вид отходов представляет собой не только серьезную экологическую проблему, но и может создать экологическую катастрофу. Радиоактивные отходы могут быть жидкими (большая их часть) и твердыми. Неправильное обращение с радиоактивными отходами может серьезно усугубить экологическую ситуацию. Данный вид загрязнения является глобальным.
Радиоактивные отходы (РАО) — отходы, содержащие радиоактивные изотопы химических элементов и не имеющие практической ценности. Радиоактивные отходы являются детищем ХХ века, который вполне справедливо называют веком атома. В наших домах горят лампочки и работают бытовые приборы, электричество для которых поступает с атомных электростанций. Невозможно себе представить современные больницы без источников радиоактивного излучения, служащих как для диагностики, так и для лечения целого ряда заболеваний. Ну и наука, как и производство, не обходятся без разнообразных устройств, в которых широко используются радиоактивные элементы. Вот почему проблема утилизации подобных отходов в последние десятилетия стала одной из наиболее злободневных в плане безопасности окружающей среды. Ведь сегодня объемы радиоактивных отходов насчитывают многие тысячи тонн в год. И все они требуют соответствующего обращения с собой.
Часто путают и считают синонимами радиоактивные отходы и отработавшее ядерное топливо. Следует различать эти понятия. Радиоактивные отходы, это материалы, использование которых не предусматривается. Отработавшее ядерное топливо представляет собой тепловыделяющие элементы, содержащие остатки ядерного топлива и множество продуктов деления, в основном 137Cs и 90Sr, широко применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научной деятельности. Поэтому оно является ценным ресурсом, в результате переработки которого получают свежее ядерное топливо и изотопные источники.
Радиоактивные элементы, содержащиеся в ядерных отходах, излучают ионизирующую радиацию. Ионизация означает, что в результате излучения происходит перераспределение электрического заряда в клетках. Такое перераспределение вызывает ряд химических реакций в органических тканях, что может привести как к массовой гибели клеток, так и мутагенезу. Определенные дозы ионизирующей радиации оказывают интенсивное пагубное воздействие на организм человека, который спустя время не в состоянии с ней справится.
Наиболее опасными последствиями являются канцерогенные и мутагенные заболевания, которые отрицательно сказываются на будущем поколении. Также радиоактивное воздействие может привести к нарушению обмена веществ в организме и ослаблению иммунной системы. Вероятность возникновения болезни зависит от уровня радиоактивности и от продолжительности радиационного воздействия на человека. Таким образом, все виды радиоактивных отходов — от низкорадиоактивных до высокорадиоактивных — могут нанести вред здоровью человека. Однако риск увеличивается в ситуации с отходами высокого уровня. Можно назвать три ситуации, когда радиация будет опасна для человеческого организма:
- непосредственная близость человека к ядерным отходам приводит к прямому облучению (излучение γ-частиц или нейтронное излучение);
- нахождение внутри сооружений, где хранятся радиоактивные отходы, или рядом с ними приводит к тому, что человек напрямую вдыхает радионуклиды с воздухом или косвенно поглощает их с пищей (например, после попадания их в воду);
- контакт человека с радиоактивными отходами или с контейнерами, где они содержаться, может оказать пагубное действие на кожу.
Переработка ТБО является самой настоящей необходимостью для жителей земли. Современные мусоросжигающие и мусороперерабатывающие заводы со всем своим арсеналом — это своего рода целая индустрия переработки и утилизации твердых бытовых отходов городского населения.
Утилизация твердых бытовых отходов по состоянию на сегодняшний день является острейшей проблемой современности, требующей применения новых способов и технологий. Это объясняется тем, что применяемые ранее методы утилизации отходов –сжигание и захоронение на свалках — показали свою нежизнеспособность и, более того, успели привести ряд стран на грань самой настоящей экологической катастрофы.
Это объясняется тем, что такие составляющие компоненты мусора как пластик и резина разлагаются естественным путем довольно долго, а при их сжигании образуется множество вредных веществ, которые попадают в атмосферу, нанося тем самым серьезную опасность здоровью человека.
По-своему опасны пластмассы. Они не подвергаются разрушению в течение продолжительного периода времени. Пластмассы могут пролежать в земле десятки, а некоторые виды и сотни лет. Более миллиона тонн полиэтилена тратится на одноразовую упаковку. Каждый год в Европе миллионы тонн пластмассовых отходов оказывается в мусоре. Существуют инновационные методы получения из отходов пластмассовых изделий и материалов получать дизельное топливо и бензин. Этот метод разработан японскими учеными. Данная технология позволяет получать из 10 кг пластмассовых отходов до 5 литров дизельного топлива или бензина. Подобными методами можно приобрести не только экономическую выгоду, но снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Сегодня завод по переработке мусора, цена которого достаточно невысока, способен производить следующие основные типы ценного сырья: цветные и черные металлы, стекло, бумага, полимерные отходы, пригодные к переработке, топливо, тепло и электроэнергия, вещества, используемые в химической промышленности,
Каждый завод по переработке твердых бытовых отходов работает по определенной схеме, позволяющей максимально эффективно получать синтез-газ и твердое сырье из твердых бытовых отходов. Рассмотрим данные этапы.
Перед тем как мусор будет переработан, его необходимо отсортировать, поскольку выход полезных продуктов пиролиза из несортированного мусора значительно ниже. Для этого из мусора отбираются все крупногабаритные предметы и удаляются цветные и черные металлы. Также из мусора удаляется стекло и пластик. Сегодня процесс сортировки происходит достаточно просто, благодаря тому, что на современных заводах внедрены новые сортировочные линии:
- переработка подготовленных твердых бытовых отходов в газификаторе для получения из них синтез-газа, пиролизного масла и побочных химических соединений;
- очистка синтез газа и иных продуктов пиролиза от соединений хлора, фтора и серы;
- сжигание предварительно очищенного от примесей синтез-газа в специальных котлах-утилизаторах для получения водяного пара, горячей воды либо электроэнергии;
- реализация продуктов пиролиза конечным потребителям.
Как правило, сортировка ТБО предшествует дальнейшей утилизации мусора, и поскольку данная процедура имеет поистине наиважнейшее значение, сегодня практически на каждой свалке имеется свой завод по переработке мусора (ТБО). Подобный завод занимается непосредственно выделением из мусора фракций различных полезных веществ: металлов, стекла, пластмасс, бумаги и иных материалов с целью их дальнейшей раздельной вторичной переработки.
Сжигание ТБО является наиболее распространенным способом уничтожения твердых бытовых отходов, который применяется на практике более ста лет. Сжигание бытового мусора позволяет добиться существенного снижения объема и массы мусора и позволяет получать в процессе утилизации дополнительные энергетические ресурсы, которые могут быть использованы для производства электроэнергии. Естественно, данный способ имеет множество пюсов, но он также не обделен и недостатками.
К числу недостатков подобного способа относится то, что в процессе сжигания в атмосферу выделяются вредные вещества, и происходит уничтожение ценных органических компонентов, которые содержатся в составе бытового мусора.
И сегодня, когда требования к нормам выброса газовой составляющей мусоросжигательных заводов резко ужесточились, подобные предприятия стали нерентабельными. В этой связи более актуальными стали такие технологии переработки твердых бытовых отходов, которые позволяют не только утилизировать мусор, но и вторично использовать полезные компоненты, содержащиеся в нем.
Компостирование мусора этот способ утилизации ТБО, основанный на естественных реакциях трансформации мусора. В процессе переработки ТБО превращаются в компост. Однако для реализации подобной технологической схемы исходный мусор обязательно должен быть очищен от крупных предметов, а также металлов, керамики, пластмассы, стекла и резины, поскольку содержание подобных веществ в компосте просто недопустимо. Однако, даже не смотря на это, современные технологии компостирования не позволяют полностью освободиться от солей тяжелых металлов, и поэтому компост из ТБО на практике малопригоден для применения в сельском хозяйстве, зато он может использоваться для получения биогаза.
Санитарная земляная засыпка представляет собой такой подход к обезвреживанию ТБО, который неразрывно связан с получением биогаза и дальнейшим использованием его в качестве экологически чистого топлива. При данной методике бытовой мусор засыпают слоем грунта толщиной примерно 0,6–0,8 метров. Полигоны утилизации мусора данного типа снабжены вентиляционными трубами, газодувами и емкостями, предназначенными для сбора биогаза.
Присутствие в толщах мусора органических компонентов и наличие пор создает предпосылки для развития микробиологических процессов, в результате чего образуется биогаз. Таким образом, свалки являются наиболее крупными системами по производству биогаза. Можно смело предположить, что в ближайшем будущем число мусорных свалок будет только расти, поэтому извлечение из мусора биогаза с целью его дальнейшего использования будет оставаться актуальным еще долго.
Теперь перейдем к более современным методикам переработки ТБО. Термическая переработка мусора это процесс, при котором предварительно размельченный мусор подвергается термическому разложению. Преимущество, которым обладает данная технология переработки ТБО по сравнению с традиционным сжиганием отходов, заключается, в первую очередь в том, что данная технология более эффективна с точки зрения предотвращения загрязнений окружающей среды.
С помощью термической переработки можно перерабатывать любые составляющие отходов, поскольку при данном способе в мусоре не остается биологически активных веществ, и последующее подземное складирование отходов не наносит вреда окружающей среде. Также при данном способе образуется много тепловой энергии, которую можно использовать для самых различных целей.
Плазменная переработка мусора (ТБО) это самый новый способ утилизации ТБО, который по существу, представляет собой газификацию мусора. Данный способ является наиболее перспективным, поскольку технологическая схема подобного производства не предъявляет каких-либо жестких требований к исходному сырью, и позволяет получить вторичную энергию в виде нагретого водяного пара или горячей воды с подачей их конечному потребителю, и также вторичной продукции в виде гранулированного шлака или керамической плитки.
По сути, это и есть оптимальный вариант комплексной переработки мусора, представляющий собой полную экологически чистую утилизацию отходов с получением тепловой энергии и различных полезных продуктов из самого «бросового» сырья — бытового мусора.
Как решат проблему радиоактивных отходов? Это зависит от категории, класса подобных отходов — низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные. Наиболее простой является утилизация первых двух классов. Стоит отметить, что в зависимости от своего химического состава радиоактивные отходы делятся на короткоживущие (с малым периодом полураспада) и долгоживущие (с большим периодом полураспада). В первом случае самым простым способом будет временное хранение радиоактивных материалов на специальных площадках в герметических контейнерах. После определенного промежутка времени, когда происходит распад опасных веществ, оставшиеся материалы уже не представляют опасности и могут быть утилизированы как обычный мусор. Именно так поступают с большей частью технических и медицинских источников радиоактивного излучения, которые содержат только короткоживущие изотопы с периодом полураспада максимум несколько лет. В качестве контейнеров для временного хранения в этом случае обычно используют стандартные металлические бочки объемом 200 литров. При этом низко и среднеактивные отходы заливают цементом или битумом для предотвращения их попадания за пределы емкости.
Процедура утилизации отходов атомных электростанций гораздо более сложная и требует повышенного внимания. Поэтому такая процедура производится только на специальных заводах, которых сегодня в мире совсем немного. Здесь при помощи специальных технологий химической обработки производится извлечение большей части радиоактивных веществ для их повторного применения. Наиболее современные способы с использованием ионообменных мембран позволяют вновь использовать до 95 % всех радиоактивных материалов. При этом радиоактивные отходы значительно уменьшаются в объеме. Однако, полностью их дезактивировать пока невозможно. Вот почему на следующей стадии утилизации производится подготовка отходов к длительному хранению. А учитывая, что отходы АЭС имеют длительный период полураспада, практически такое хранение можно назвать вечным.
Долговременное хранение РАО требует консервации отходов в форме, которая не будет вступать в реакции и разрушаться на протяжении долгого времени. Одним из способов достижения подобного состояния является витрификация (или остеклование). В настоящее время в Селлафилде (Великобритания) высокоактивные РАО (очищенные продукты первой стадии пурекс-процесса) смешивают с сахаром и затем кальцинируют. Кальцинирование подразумевает прохождение отходов через нагретую вращающуюся трубу и ставит целью испарение воды и деазотирование продуктов деления, чтобы повысить стабильность получаемой стекловидной массы. В полученное вещество, находящееся в индукционной печи, постоянно добавляют измельченное стекло. В результате получается новая субстанция, в которой при затвердении отходы связываются со стеклянной матрицей. Это вещество в расплавленном состоянии вливается в цилиндры из легированной стали. Охлаждаясь, жидкость затвердевает, превращаясь в стекло, которое является крайне устойчивым к воздействию воды. По данным международного технологического общества, потребуется около миллиона лет, чтобы 10 % такого стекла растворилось в воде. После заполнения цилиндр заваривают, затем моют. После обследования на предмет внешнего загрязнения стальные цилиндры отправляют в подземные хранилища. Такое состояние отходов остаётся неизменным в течение многих тысяч лет.
Более сложным методом нейтрализации высокоактивных РАО является использование материалов типа СИНРОК (synthetic rock — синтетическая порода). СИНРОК был разработан профессором Тедом Рингвудом в Австралийском национальном университете. Изначально СИНРОК разрабатывался для утилизации военных высокоактивных РАО США, но в будущем возможно его использование для гражданских нужд. СИНРОК состоит из таких минералов, как пирохлор и криптомелан. Первоначальный вариант СИНРОК (СИНРОК С) был разработан для жидких РАО (рафинатов пьюрекс-процесса) — отходов деятельности реакторов на легкой воде. Главными составляющими этого вещества являются голландит (BaAl2Ti6O16), цирконолит (CaZrTi2O7) и перовскит (CaTiO3). Цирконолит и перовскит связывают актиноиды, перовскит нейтрализует стронций и барий, голландит — цезий.
Поиск место для глубокое геологическое захоронение отходов в настоящее время ведутся в нескольких странах. Ожидалось, что первые подобные хранилища вступят в эксплуатацию после 2010 года. Международная исследовательская лаборатория в швейцарском Гримзеле занимается проблемами захоронения РАО. Швеция говорит о своих планах по прямому захоронению использованного ядерного топлива с использованием технологии KBS-3, после того, как шведский парламент счёл её достаточно безопасной. Власти США выбрали местом захоронения Юкка-Маунтин (штат Невада), однако данный проект встретил сильное противодействие и стал темой жарких дебатов. В Финляндии началось строительство глубокого геологического захоронения Onkalo.
Существуют разработки реакторов, потребляющих в качестве топлива РАО, превращая их в менее вредные отходы, в частности, интегральный ядерный реактор на быстрых нейтронах, не производящий трансурановые отходы, а, по сути, потребляющий их. Проект был заморожен правительством США на стадии крупномасштабных испытаний. Другим предложением, более безопасным, но требующим дополнительных исследований, является переработка подкритическими реакторами трансурановых РАО.
Существуют также теоретические исследования, посвящённые использованию термоядерных реакторов в качестве «актиноидных печей». В таком комбинированном реакторе быстрые нейтроны термоядерной реакции делят тяжелые элементы (с выработкой энергии) или поглощаются долгоживущими изотопами с образованием короткоживущих. В результате исследований, недавно проведённых Массачусетским технологическим институтом, было обнаружено, что всего 2–3 термоядерных реактора, схожих по параметрам с международным экспериментальным термоядерным реактором ИТЭР, способны переработать количество актиноидов, вырабатываемое всеми ядерными реакторами на легкой воде. Кроме этого, каждый такой термоядерный реактор будет вырабатывать порядка 1 гигаватт энергии.
Но все перечисленные выше способы утилизации и хранения ядерных отходов не могут считаться ни окончательно надежными, ни абсолютно безопасными, ведь и металл, используемый в качестве «панциря» для смертоносного «мусора», подвергается коррозийному воздействию, бетон и стекло, которыми его укутывают, не вечны, в то время как распад радиоактивных элементов занимает сотни тысяч лет, а объемы накопленных отходов продолжают расти. Предполагается, что в 2030 году в результате работы АЭС по всему миру их накопится более 500 000 тонн.
В 1998 году П. Т. Анастас и Дж.С. Уорнер в своей книге «Зеленая химия: теория и практика» сформулировали двенадцать принципов «Зеленой химии», которыми следует руководствоваться исследователям, работающим в данной области:
1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
5. Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.
Специалисты всего мира ищут пути выхода из этой критической ситуации. Экологи яростно выступают в поддержку полной ликвидации всех АЭС и запрещения использования энергии атома, медики с тревогой отмечают растущее число заболеваний и генетических изменений в человеческом организме вследствие возрастающего воздействия радиации. И всех их можно понять, ведь от того, насколько ответственно и серьезно нынешние жители Земли отнесутся к проблеме защиты нашей планеты от возможных аварий, утечек, разгерметизации захораниваемых ядерных отходов, зависит не только наша жизнь и жизнь наши детей, но и всех тех, кто станет нашими далекими потомками.
Литература:
1. Василенко О. И., Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Селиверстова Ж. М., Шумаков А. В. 6.3. Внешнее облучение от радионуклидов земного происхождения // Радиация. — Web — версия учебного пособия. — М.: Издательство Московского университета, — 1996.
2. Вольфганг Нойман. «Утилизация Ядерных отходов в Европейском союзе: Рост объемов и никакого решения». — Воронеж. — 2011 г. — 68 с.
3. Кошелев Феликс, Каратаев Владимир. Радиация вокруг нас — 3: Почему угольные станции «фонят» сильнее, чем атомные // Томский вестник: Ежедневная газета. — Томск: ЗАО «Издательский дом „Томский вестник»», — 2008. — В. 22 апреля.
5. Онищенко Г.Г.; Роспотребнадзор. СП 2.6.1.1292–2003. Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счёт природных источников ионизирующего излучения. Санитарные правила. Эко-Технология+ (18 апреля 2003). Проверено 28 августа 2010. Архивировано из первоисточника 12 февраля 2012.
6. Anastas P. T., Warner J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998, — p. 30.
7. Principles of Radioactive Waste Management: A Safety Fundamental (Series 111-F)
8. Ryoji Noyori. Pursuing practical elegance in chemical synthesis. Chemical Communications, 2005, (14), 1807–1811.
9. Scanlan, John A. On garbage. — London: Reaktion Books, 2005. — P. 196. — ISBN 1–86189–222–5.
10. www.ecologyproblems.ru
11. www.e-reading.link
12. www.greenevolution.ru
13. www.ztbo.ru
