В Докладе о глобальных рисках, представленном на 54-м Всемирном экономическом форуме (World Economic Forum), прошедшем 15–19 января 2024 г. в г. Давосе, было отмечено, что среди краткосрочных рисков упоминается загрязнение окружающей среды, а список долгосрочных рисков, которые могут реализоваться в течение десяти лет, возглавили экологические риски; при этом эксперты опасаются коллапса экосистемы. Поэтому ученые многих стран мира изучают проблемы, связанные с ростом объемов отходов, загрязняющих среду обитания всего живого и сокращающих ее размеры [1–6].

Согласно данным, приведенным в Стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 г., свыше 30 млрд т отходов производства и потребления накоплено в результате прошлой хозяйственной и иной деятельности. Ежегодно образуется примерно 4 млрд т отходов. Увеличивается количество отходов, которые не вовлекаются во вторичный хозяйственный оборот, а размещаются на полигонах и свалках, что приводит к выводу из оборота продуктивных сельскохозяйственных угодий [7].

В настоящее время в России не сформирован научно-технический и производственный отраслевой потенциал, отсутствует научно-производственная инфраструктура в сфере обработки, утилизации и обезвреживания отходов, практически не разрабатываются технологии реализации вторичных ресурсов.

Различные научно-исследовательские учреждения и организации, высшие учебные заведения в необходимой и достаточной мере не способны внедрить в отрасль промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов современные инновационные разработки, позволяющие повысить экологическую безопасность и обеспечить ресурсосбережение в процессе производства. Необходимо реализовать устойчивое эффективное функционирование отрасли и импортозамещение по основным видам оборудования, техники, машин, технологий, достигнуть высокого уровня технико-эксплуатационных характеристик, качества, экологичности и конкурентоспособности продукции из вторичного сырья.

Актуальность исследований

Несмотря на наличие достаточно широкого спектра эффективных методов и современных доступных технологий обезвреживания и утилизации основных групп отходов I–II классов опасности, успешно используемых в мировой практике, масштабы их использования на российских промышленных предприятиях крайне низкие.

Опасные отходы и связанные с ними риски

В плане ведения бизнеса регенерация ряда жидких отходов II класса опасности, например, отработанных растворителей – спиртов, эфиров, ароматических углеводородов, иных растворителей, содержащих органические высокоопасные соединения, как правило, экономически нерентабельна и зачастую убыточна [8].

В 1979 г. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) отнесла отходы медицинской сферы к группе особо опасных и указала на необходимость создания специализированных служб по их уничтожению и переработке. Базельская конвенция 1992 г. выделила 45 видов опасных отходов, список которых открывается клиническими отходами.

Российская Академия медицинских наук отмечает, что важной составляющей профилактики внутрибольничных инфекций является эпидемиологически безопасное обращение с отходами лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ), которые ежегодно в России образуются в количестве 0,6–1 млн т [9].

Отходы ЛПУ содержат потенциально опасные микроорганизмы, которые могут инфицировать пациентов больниц, медработников и посетителей. Другие потенциальные риски инфекции могут включать распространение лекарственно устойчивых микроорганизмов из ЛПУ в окружающую среду. Места захоронения отходов, если они неправильно сконструированы и построены, могут загрязнять питьевую воду. В учреждениях по утилизации отходов, если они неправильно сконструированы, эксплуатируются или поддерживаются, существуют профессиональные риски. По некоторым оценкам, в мире ежегодно выполняют 16 млрд инъекций. Не все иглы и шприцы надлежащим образом удаляют, что создает риск травм и инфекций, а также возможность их повторного использования. Число инъекций контаминированными иглами и шприцами в странах с низким и средним уровнем дохода в последние годы значительно сократилось, отчасти в результате предпринимаемых усилий по сокращению повторного использования инъекционных устройств. Несмотря на это, в 2010 г. небезопасные инъекции продолжали быть причиной возникновения 33800 новых инфекций ВИЧ, 1,7 млн инфекций гепатита В и 315000 инфекций гепатита С₁ [10].

Медицинские отходы – отходы ЛПУ составляют около 2 % от общего объема твердых бытовых отходов в России, причем из них около 20 % составляют опасные материалы [11]. Согласно работе [12], к опасным отходам относят 15 %, которые могут представлять угрозу для жизни и здоровья человека и окружающей среды. По оценкам, в 2020 г. в России объем медотходов составлял 2 млн т [13], т. е. уже в два раза больше, чем в 2003 г. [9]

Способы уничтожения опасных отходов

Сжигание опасных отходов

Медотходы представляют большую опасность для населения, поэтому перед утилизацией их обеззараживают или вовсе уничтожают, так как некоторые из них могли контактировать с больными, имеющими опасные вирусные и инфекционные заболевания.

К медотходам относят биологические, образующиеся во время медицинской и ветеринарной практики, а также по причине гибели скота, и отходы ЛПУ. Сегодня наиболее эффективным и надежным с медицинской точки зрения способом утилизации отходов является сжигание, что отражено во многих национальных и международных документах, в том числе в Директиве 2000/76/ЕС [14]. Значения температуры, при которой уничтожают опасные отходы, в том числе медицинские (например, возбудители опасных болезней), сжиганием, согласно данным открытых источников, представлены в табл 1.

Согласно экспериментальным данным Института проблем химической физики РАН, для уничтожения твердых отходов, преимущественно больничных, достаточно температуры горения 900–1000 °C [17].

Биологические отходы, особенно трупы животных, содержащие большое количество влаги и жира, требуют больших затрат тепловой энергии для своего уничтожения. При этом для обеспечения эффективного разложения большого числа опасных химических соединений и возбудителей особо опасных болезней, в том числе прионов, требуется температура не менее 1500 °C [18].

Многие специалисты Великобритании – страны, которая преуспела в разработке систем мусоросжигания, считают сжигание медицинских отходов наилучшим способом их уничтожения, поскольку исключается (при температуре сжигания 1000 °C и более) возможность образования токсических выбросов и распространение инфекции [9].

Таблица 1. Данные по утилизации опасных отходов

Температура горения, °C	Уничтожаемые сжиганием опасные отходы	Источник (год)
400–900	Отходы производства органических веществ	SU911091 (1982) [15]
1100–1400	Токсичные органические вещества, в том числе полихлорированные бифенилы и непригодные пестициды	RU2079052 (1994) [16]
900–1000	Твердые отходы, преимущественно больничные	RU2089787 (1994) [17]
Не менее 1500	Медицинские, химические и биологические отходы, в том числе трупы животных	RU2157951 (2000) [18
1100	Опасные отходы	Directive 2000/76/ЕС (2000) [14]
800–1500	Галоген-, серо-, фосфорсодержащие органические отходы	RU2180950 (2002) [19]
1000–1250	Отходы учреждений здравоохранения, в том числе биологические	И. Г. Техова и др. (2003) [9]
1450–1600	Твердые бытовые и промышленные отходы	RU2349654 (2009) [20]
500–850	Твердые бытовые и промышленные отходы	RU2478169 (2013) [21]
Не менее 1200	Токсичные органические отходы	RU2480260 (2013) [22]
850–1100	Опасные медицинские отходы	Информационный бюллетень № 253 2013) [10]
1300–1700	Опасные медицинские отходы	А. П. Пирожникова (2014) [11]
850–900	Спирты, кислоты, альдегиды, кетоны	ИТС 9–2015 (2015) [23]
1000–1300	Циклические, хлорорганические соединения, полимеры	ИТС 9–2015 (2015) [23]

Согласно Директивы 2000/76/ЕС Европейского парламента и Совета от 4 декабря 2000 г., отдельные виды опасных отходов следует сжигать при температуре 1100 °C [14].

Физические факторы взрывного воздействия

При использовании традиционных, особенно полевых, полигонных способов сжигания отходов, наблюдается загрязнение окружающей среды продуктами сгорания и выжигание гумуса, т. е. уничтожение почвенного слоя. Процесс сжигания достаточно длительный, требует большого количества топлива (затратный), во многих случаях необходимы сложное оборудование, заводские технологии, а также отчуждение территорий.

Температура детонации промышленных и других конденсированных ВВ в основном гораздо выше значений температуры, необходимой для эффективного сжигания, уничтожения опасных отходов (см. табл. 1). При этом дополнительно к температурному воздействию на отходы и всё, что оказывается рядом с детонирующими ВВ, имеет место влияние ударной волны, давление которой, согласно положениям физики взрыва [24], примерно в два раза ниже давления детонационной волны.

Кроме того, детонационная волна и продукты детонации не только формируют газодинамическое поле, но и излучают энергию в окружающее пространство. При этом могут возникать импульсные магнитные и электрические поля радиотехнического диапазона и оптического излучения [24], т. е. возможно образование УФ-излучения, которое эффективно уничтожает микробы. УФ-излучение с целью обеззараживания уже давно применяют в ЛПУ, но и сегодня его возможности продолжают исследовать ученые [25].

Температура продуктов детонации, образующихся в зоне химической реакции за фронтом детонационной волны, для типовых концентрированных ВВ составляет в плоскости Чепмена-Жуге 3000–4000 K при давлении порядка 10 ГПа; после чего показатели уменьшаются в процессе расширения продуктов детонации до предельного объема. Детонационное давление индивидуальных бризантных ВВ и составов на их основе, имеющих большую плотность, составляет 17,7–39,5 ГПа, а экспериментальные значения температуры взрыва – 2950–4200 K [24].

Согласно данным работы [26], детонационное давление большинства промышленных ВВ изменяется в пределах 5–26 ГПа, а температура взрыва – от 2000 до 4500 K.

В Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН измерена яркостная температура продуктов взрыва эмульсионных ВВ (ЭВВ) в широком диапазоне давления детонации от 0,7 до 11 ГПа, которая составила 1880–2370 K [27]. При этом исследовали далеко не лучшую с энергетической точки зрения рецептуру ЭВВ, так как в составе были использованы инертные материалы – микробаллоны из стекла.

Расчетные значения температуры взрыва известных порошкообразных и гранулированных промышленных ВВ, согласно ГОСТ, представлены в табл. 2.

Учитывая представленные выше данные, характеризующие возможности взрывного воздействия на отходы, расположенные в непосредственном контакте с ВВ или внутри него, следует ожидать, что они распадаются на составляющие их молекулы, а возможно, атомы, ионы, т. е. будут уничтожены, обеззаражены.

И действительно, некоторые исследователи уже предлагали свои решения по использованию взрывных технологий для уничтожения отходов различного происхождения [28–33]. Однако их предложения не лишены недостатков не только по причине недостижения необходимых физических параметров – температуры и/или давления в реакторе, но и из-за многочисленных ограничений, которые можно реализовать только в условиях опасного производственного объекта [34]. Видимо, именно поэтому они практически не были внедрены до сих пор.

Изобретение, на которое получен патент Российской Федерации № 2815668 [35], позволяет расширить арсенал технических средств в области уничтожения отходов, в том числе опасных, медицинских и других, обеспечить снижение расходов на их обеззараживание, уничтожение, а также улучшить экологическую обстановку за счет отсутствия необходимости размещения, захоронения отходов и создании специального оборудования, а также производств по переработке отходов.

Размещение отходов во взрывном заряде

Отходы, собранные в надежно закрывающийся контейнер (капсулу или капсулы, емкость, сосуд и т. п.) располагают в зарядной полости, например в вертикальной скважине (наиболее распространенный вариант в горной промышленности) или в шпуре с забойкой так, чтобы диаметр скважины был не менее суммы предельного диаметра детонации, используемого в зарядной полости ВВ Dпр плюс наибольший размер опущенного в скважину контейнера (оболочки с отходами) в поперечном, например горизонтальном, сечении. Если сечение контейнера круглое, то это величина диаметра, а если сечение контейнера квадратное или прямоугольное, то это размер диагонали квадрата или прямоугольника. Соблюдение данных условий необходимо для того, чтобы точно обеспечить режим нормальной детонации ВВ в заряде. В этом случае термодинамическое воздействие на отходы будет максимально жестким, эффективным, что гарантирует уничтожение отходов, в том числе опасных медицинских.

Наиболее эффективное разрушение, уничтожение, дезактивация опасных отходов происходит при их размещении внутри ВВ или снаружи ВВ в контакте с ним, в ближней зоне действия взрыва (до 10–15 радиусов заряда концентрированного ВВ), где присутствуют процессы частичной ионизации и диссоциации [24]. При этом для обеспечения процесса нормальной детонации и высокой гарантии уничтожения опасных отходов рекомендуется, чтобы контейнеры с отходами были небольшими, т. е. имели размеры не более Dпр, а расстояние между контейнерами должно быть не менее Dпр.

Контейнеры, располагаемые в зарядной полости, например в вертикальной скважине, могут быть подвешены на шнуре (веревке, шпагате и т. п.) последовательно, например в виде гирлянды так, чтобы они оказались полностью внутри заряда ВВ или в контакте со стенкой скважины с одной стороны. Возможно размещение нескольких гирлянд при условии обеспечения нормальной детонации ВВ во всех участках заряда, где расположены оболочки с отходами. Располагать контейнеры в зоне инициирующей ударной волны [36] и в зоне дефлаграции не следует, так как здесь давление может быть значительно меньше, чем в области нормальной детонации ВВ. Для того, чтобы контейнеры не всплыли (поскольку плотность некоторых ВВ, например эмульсионных или жидких взрывчатых растворов [37] обычно более 1 г/см , а в контейнерах может оказаться воздух), в нижней части гирлянды следует привязывать груз из любого подручного материала, химически совместимого с применяемым ВВ, например кусок дробимой добываемой горной породы, руды или металлолом.

Контейнеры (капсулы, емкости, сосуды, оболочки и др.) следует надежно герметично закрывать сразу после размещения в них твердых или жидких отходов. В этом случае их предварительная дезинфекция, дезактивация, нейтрализация перед транспортированием на объект уничтожения (карьер, разрез и др.) не потребуются. Контейнеры изготавливают из материалов, которые обеспечат сохранность отходов и безопасность персонала при выполнении всех необходимых технологических операций и в процессе транспортирования в течение требуемого времени до момента их уничтожения взрывом Размеры контейнеров (оболочек для отходов) должны быть такими, чтобы в них гарантированно взрывом были уничтожены все отходы, в том числе опасные, или отходы теряли свои токсичные свойства, переходя в разряд неопасных.

В качестве материалов для контейнеров с крышками могут быть использованы недорогие пластики, металлопластики, резины, металлы и др., в том числе из вторичного сырья, при условии, что они химически совместимы с уничтожаемыми отходами, ВВ и окружающей средой, например скважинными водами, которые бывают агрессивными (кислыми, щелочными).

Доля отходов, добавляемых к заряду ВВ, должна быть такой, чтобы после взрыва образовывался минимум вредных токсичных веществ, т. е. были соблюдены допустимые нормы. Для этого заранее рассчитывают кислородный баланс (КБ) всех входящих компонентов и определяют рецептуру, при которой будет нулевой КБ или близкий к нулевому (не более 10 % от него). Если это не представляется возможным, то рецептуру уточняют экспериментальным путем по результатам замера вредных (токсичных) веществ, образующихся после взрыва заряда ВВ в бронеяме или бронекамере, либо в испытательном штреке (изолированной герметичной горной выработке).

Вместо контейнера под отходы можно использовать герметичный рукав (пластиковый резиновый, тканевый или из другого материала), размещаемый в зарядной выработке в той части заряда, где ВВ имеет нормальную скорость детонации, т. е. вне зон инициирующей ударной волны и дефлаграции ВВ. Для повышения температуры и давления в контейнер или другую оболочку с отходами дополнительно к отходам можно добавить химически совместимые с ними горючие компоненты, например жидкие нефтепродукты, спирты и др. или порошки металлов (алюминия, магния, ферросилиция или др.), либо окислители, например селитру или совместно окислитель и горючее.

Применение метода на горных предприятиях

Отходы, содержащие металлы, редкоземельные элементы и другие полезные вещества, рекомендуется нейтрализовать и перерабатывать именно на тех горных предприятиях, где добывают минералы, руды этих металлов, элементы или другие полезные вещества, которые сосредоточены в отходах. К этим веществам относятся любые материалы, которые получают после добычи и переработки полезных ископаемых, извлечение которых сегодня из отходов другими способами может быть затруднено или нерентабельно. Предлагается переработать, обезвредить опасные отходы при попутном извлечении из них металлов и других веществ, которые после обогащения и другой переработки могут быть вовлечены во вторичный хозяйственный оборот.

Например, на крупных предприятиях КМА – Лебединском, Михайловском и Стойленском ГОКах выполняют взрывы с суммарной массой ВВ за один взрыв порядка 2–3 тыс. т [38]. При этом применяют скважины большого диаметра – до 311 мм, и это не предел, так как в мире совершенствование карьерных буровых станков идет, в том числе, и в направлении увеличения диаметра бурения взрывных скважин. Например, буровой станок TAMROCK D90KS способен бурить скважины диаметром 349 мм; CAT MD6640 – до 406 мм; Atlas Copco PV351 – до 410 мм; Busyrus International 59R – до 444 мм; P&H 120А – до 559 мм.

При размещении опасных отходов в скважине (всего 1 % от общей массы заряда ВВ) на кислородный баланс ВВ это практически не повлияет, а качество взрывных работ при этом практически не ухудшится. Вместе с тем за один массовый взрыв только на одном ГОКе можно уничтожить около 30 т опасных отходов. Следовательно, на трех ГОКах – до 100 т, а за год – свыше 1000 т. Карьеров в стране немало (порядка 3 тыс.), поэтому в районах их расположения вопрос о ликвидации опасных отходов может быть эффективно решен.

Наиболее крупные карьеры в стране добывают железную руду, поэтому использованные иглы шприцов и другой металлический медицинский инструмент имеют возможность вернуться в оборот в виде новых изделий.

Разумеется, для разрушения некоторых видов отходов, в том числе опасных медицинских, можно и не обеспечивать режим нормальной детонации. Однако при режимах взрывчатого превращения более низких порядков – детонационно подобные взрывы, дефлаграция, взрывное горение и др. – не только наблюдаются более низкая температура и давление, воздействующие на опасные отходы, но и происходит увеличение выбросов токсичных продуктов взрыва, что оказывает негативное влияние на экологическую обстановку в районе ведения взрывных работ.

Жесткое воздействие, высокие давление и температура, возникающие в результате детонации ВВ, позволяют уничтожать практически любые опасные отходы. Однако что касается 5-го класса Д (радиоактивные отходы) [39], то здесь в каждом конкретном случае необходимо проведение дополнительных исследований и наблюдений. Хотя в экстренных случаях, при небольшой радиоактивности и незначительных объемах, такие отходы скорее всего могут быть переработаны взрывным способом с получением в районе взрыва радиационного фона, который не будет превышать допустимого уровня, установленного нормами радиационной безопасности, за счет уноса пылегазового облака в нужную сторону и его рассеивания в допустимой области.

Заключение

Горные предприятия нередко упрекают в том, что они загрязняют территории во многих регионах России. Однако если воспользоваться идеями, изложенными в предлагаемом изобретении (RU2815668), то горные предприятия вполне могут участвовать в процессе уничтожения, дезактивации и утилизации различных видов отходов, в том числе весьма опасных, что позволит улучшить экологическую обстановку и снизить затраты за счет отсутствия необходимости размещения, захоронения опасных отходов, создания специального оборудования и производств по их дезактивации и переработке.

Остались вопросы?

Заполните заявку — мы перезвоним и расскажем все детально