Конспект лекций Москва 2006 г. Лекция № Основные источники техногенного загрязнения окружающей среды

Вид материала

Конспект

Содержание В – вода. воздух В+c = [(в+с) –д - е]+д+е 4. Принципы реорганизации индустриального производства в малоотходное экологически чистое производство 1. Виды промышленных газообразных выбросов Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих веществ в результате деятельности человека. Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дым.

Подобный материал:

• «Формы загрязнения природной среды. Загрязнители атмосферы, гидросферы, литосферы., 361.41kb.
• «Химическое загрязнение почв» Общая трудоемкость дисциплины составляет, 25.84kb.
• Тема : «Загрязнение и охрана окружающей среды», 38.66kb.
• Нормативно правовые документы по вопросам формирования государственных информационных, 281.26kb.
• Решение 10 сентября 2007 года №36 город Актау, 22.02kb.
• Загрязнение окружающей среды, 24.54kb.
• Глобальные последствия загрязнения окружающей среды, 130.02kb.
• В. Ф. Панин Конспект лекций по учебной дисциплине "Теоретические основы защиты окружающей, 1559.17kb.
• «Источники загрязнения окружающей среды с. Кюсюр Булунского улуса и их влияние на здоровье, 459.8kb.
• Б. К. Калдыбаев определение загрязнения окружающей среды г. Каракол методами биоиндикации, 68.02kb.

(В+С) –

загрязненный

поток

Уравнение материального баланса: А+В=(А-С)+ (В+С)

Из уравнения видно, что чем больше величина С, тем больший вред наносится окружающей среде и тем менее эффективно работает производство.

2. Схема незамкнутого производственного процесса с очисткой отходов до ПДК.
   

(А+Д) – С



А + Д


производство

В – вода. воздух

А – сырье, энергия





В+С

Д


очистка

В+(С-Д)




Д – часть отходов С, выделенных из потока, прошедших очистку и являющихся вторичным сырьем, входящим в общий поток А;

(А+Д)-С – готовая продукция; С-Д – количество загрязнений, поступающих с потоком В в окружающую среду.


Тогда материальный баланс потоков имеет следующий вид:

(А+Д) +В=(А+Д)-С+(В+С) (производство)

(В+С)=В+(С-Д)+Д (очистка)

Условие очистки:

3. Схема замкнутого производственного процесса с полной очисткой отходов.
   

(А+Д) – С



А + Д


производство

В – вода. воздух


А – сырье, энергия

В+С

Д

В


очистка



В этом случае уравнение материально-энергетических потоков имеет следующий вид:

(А+Д)+В=(А+Д)-С+(В+С) (производство)

(В+С)=В+Д (очистка)

В идеальном варианте безотходное производство предполагает полную очистку потока (В+С) от загрязнений С, т.е. при этом Д =С (но смысл Д и С –различный) и цикл замыкается по потоку В. Тогда поток В пополняется только в самом начале производственного цикла, а затем количество подпиточной воды становится равным нулю.

Главное требование экологизации производства – рециркуляция, что сокращает потребности в потоке В (вода и воздух). Однако нереально полностью очистить поток В, поэтому часть потока В, идущего после стадии очистки вновь в производство обозначим как Е. Тогда доля потока чистой воды и воздуха становится на Е меньше, то есть равен (В-Е), а поток Е смешиваясь с первоначальным потоком (В-Е) компенсирует потери.

Рассмотрим четвертый случай организации производственного процесса.

4. Схема производственного процесса с частичной рециркуляцией очищенного потока Е.


(А+Д) – С



А + Д

А

(В-Е)+Е

В-Е


производство




Е

В+С

Д


очистка






(В+С) –Д - Е

Введем понятие доли очищенного потока λ: и степени расхода α потока В для переноса Е: .

Тогда

Чем больше доля очищенного потока λ, тем меньше степень расхода потока α В, тем меньшее количество потока В расходуется в пустую (т.е. уменьшается поток В+С). Тогда в отходы попадает только часть потока (В+С) за вычетом (Д+Е). Баланс материальных потоков будет выглядеть следующим образом:

(А+Д)+[(В-Е)+Е] = [(А+Д) - С]+[(В+C)] (производство)

В+C = [(В+С) –Д - Е]+Д+Е (очистка)


3. Кинетическое равновесие в системе промышленно-природных превращений

Технократическая деятельность людей всегда была источником дополнительной нагрузки на объекты гео- и биосферы. Как и искусственный объект, любой объект природы обладает определенным запасом экологической прочности, определяющим меру его сопротивления внешним, привходящим воздействиям и нагрузкам. Превышение этих нагрузок в локальном масштабе само по себе уже создает эффект «экологически точечного прокола» в защитной функции объекта биосферы.

По мере разрастания масштаба таких локальных перегрузок все большее количество объектов биосферы вовлекается в процесс антагонистически связанного развития в границах создаваемых природно-технических геосистем. Это обстоятельство обуславливает первую фазу качественно-количественных превращений (сдвига) в глобальной экосистеме «человек – продукт трудовой деятельности – природа». Величина такого сдвига пропорциональна уровню техногенных нагрузок, их составу и интенсивности действия. Нарушение экологического равновесия носит двусторонний характер, поскольку обусловлен взаимосвязанностью действия (со стороны внешних факторов) и противодействия (со стороны внутренних факторов самокомпенсации объектов природы).

Эффект такого противодействия может быть выражен в случае аппроксимации процессов ₁ (развития техногенного потока нагрузок), как функции действия, и R₁ (развития ответной реакции со стороны объекта природы), как функции противодействия, соответственно монотонно изменяющимися зависимостями. Для простоты воспользуемся линейной аппроксимацией, т.е. зададим ₁ = t ; Rt =R₀ -t . Таким образом для фиксированного момента времени имеем взаимосвязь в виде


R_t=R₀- ₁ (7.1)

где , - соответственно скорости изменения потоков. Rt, _1.

Из уравнения (1) очевидны позитивная роль начального защитного потенциала объекта природы R₀ и негативная роль уровня техногенных нагрузок ₁. В том случае, когда уровни Rt и ₁ становятся экологически эквивалентными (или тождественно равными), экосистема переходит в свое неравновесное состояние (фаза деградационного развития), характеризующееся нарушением устойчивости. Время наступления этого события определяется выражением

t*= (7.2)

откуда с очевидностью следует сильная зависимость момента наступления деградационного процесса от суммарной интенсивности развития потоков_1. (возрастания техногенных нагрузок) и Rt (убывания защитных свойств природных объектов).

Функциональная аппроксимация исходных потоков ₁ и Rt может иметь сколь угодно сложный вид, однако принципиальный характер их антагонистического развития будет иметь последствия, аналогичные рассмотренным, а зависимости (1) и (2) в этом смысле (в качественном отношении) являются достаточно универсальными.

В свете вышесказанного рассмотрим условия существования кинетического равновесия в системе промышленно-природных превращений, которое является одним из основных принципов организации безотходных производств. В природных условиях скорость переработки загрязнений может быть выражена следующим уравнением:

(7.3)

В производственных условиях:

(7.4),

где - активность вещества в производственных условиях; -активность вещества в природных условиях; m – концентрация вещества в исходном сырье; - степень превышения активности вещества в промышленных условиях над его активностью в окружающей среде. Поскольку концентрация вещества в промышленной среде пропорциональна концентрации в природной среде и зависит от степени превышения его активности, то. М=nּm и, следовательно, скорость промышленного процесса (7.5).

Таким образом, скорость реакции промышленного процесса может быть равна скорости природного процесса, если концентрация вещества в производственной среде М в n-раз больше природной концентрации m, а n в свою очередь зависит от активности вещества Реально в промышленном процессе за счет повышения температуры, давления и присутствия катализаторов скорости реакций существенно выше, чем в природных условиях. Поэтому вещества, выделяемые в окружающую среду, накапливаются в природе и нарушают экологическое равновесие.


4. Принципы реорганизации индустриального производства в малоотходное экологически чистое производство


Для того, чтобы реорганизовать индустриальное производство в экологически чистое (замкнутое) производство необходимо соблюдение следующих принципов:

1. Объединение отдельных специализированных производств в систему комплексных производств – ТПК.
   
2. Объединение разнотипных производств с целью повышения КПД использования материалов, сырья и энергии.
   
3. Достижение безотходности производства за счет:
   

• передачи отходов от одного производства к другому и образования производственных цепей П₁ П₂ … П_n (отходы равны нулю);
  
• минерализации отходов до простых химических соединений (СО₂, соли металлов, оксиды и др.), которые снова могуь стать сырьем;
  
• создания внутрикомплексного производства (биогеоценоза) особых подсистем, собирающих отходы и перерабатывающих их в гумус, почву, морской и речной ил и др.);
  
• захоронения (депонирования) в глубинах земли отходов и образование в дальнейшем за счет начального защитного природного потенциала природных систем и их самовосстановительной способности аналогов торфа, каменного угля, известняка.
  

4. Включение всех видов БП (биогеноценозов) в биосферу, обеспечивающую глобальное равновесие геохимических превращений.
   
5. Строгий количественный баланс мощностей всех производств и потребителей готовой продукции.
   

Лекция № 8

Загрязнение окружающей среды газообразными и аэрозольными выбросами промышленных предприятий.

Виды промышленных газообразных выбросов. Санитарно-защитные зоны (СЗЗ). Классификация экозащитных процессов и аппаратов, используемых для очистки газовоздушных, аэрозольных и парообразных выбросов, их краткая характеристика. Очистка и переработка технологических газов, дымовых отходов и вентиляционных выбросов. Замкнутые газооборотные циклы. Абсорбция, адсорбция, конденсация, каталитическая нейтрализация, дожигание. Улавливание аэрозолей в скруберах, фильтрах, электрофильтрах. Очистка от пыли. Устройство и принцип действия циклона.


1. Виды промышленных газообразных выбросов


Под атмосферным воздухом понимают жизненно важный компонент ОС, представляющий собой естественную смесь газов и находящийся за пределами жилых, производственных и других помещений (Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» от 02.04.99 г.). Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления ОС. Атмосферный воздух выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного космоса и потока солнечного ультрафиолетового и ионизирующего излучения. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании осадками аэрозолей, турбулентном перемещении приземного слоя воздуха, оседании загрязненных веществ. Но на сегодняшний момент атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие функции из-за различных видов загрязнений.

Как уже говорилось ранее (лекция № 2), в зависимости от источника загрязнения можно подразделить загрязнение атмосферы на естественное и антропогенное. Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся: вулканическая деятельность, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих веществ в результате деятельности человека. По масштабам антропогенное загрязнение значительно превосходит природное.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются как [10]:

• газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и т.д.;
  
• жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
  
• твердые (канцерогенные вещества, свинец, его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др.)
  

Помимо указанных полютантов, в атмосфере городов наблюдается загрязнение еще 70 видами вредных веществ.

Наиболее опасное загрязнение атмосферы – радиоактивное, обусловленное в основном долгоживущими радиоактивными изотопами – продуктами испытаний ядерного оружия и действующих АЭС, аварийных выбросов.

Кроме указанных видов загрязнений атмосферы, наблюдается еще тепловое загрязнение («острова теплоты» над большими городами).

Основные источники загрязнений и вредных воздействий на атмосферу – энергетические устройства, сжигающие твердое, жидкое и газообразное топливо, транспорт, предприятия черной и цветной металлургии, химическая, горнодобывающая и перерабатывающая промышленность, целлюлозно-бумажная и нефтеперерабатывающая промышленность [13].

Состав промышленных выбросов в атмосферу чрезвычайно разнообразен: в них содержатся сотни химических соединений в виде газов, аэрозолей или паров. Сжигание топлива и многие промышленные процессы поглощают из атмосферы содержащийся в ней кислород. Выбросы в атмосферу и извлечение из нее кислорода приводят к глобальным и локальным изменениям воздушной среды, таким как, закисление атмосферы, парниковый эффект.

Выделение аэрозолей от предприятий и транспорта создает над современными промышленными городами и районами шапки мглы, препятствующие проникновению солнечных лучей. Высокая концентрация загрязнителей в воздухе над многими крупными городами опасна для здоровья людей, зеленых насаждений, а также служит причиной разрушения зданий.

Газопылевые промышленные выбросы часто мигрируют, распространяясь на большие расстояния; общеизвестен факт выпадения кислотных дождей от выброса SO₂ и тумана H₂SO₄ предприятиями одной страны на территории другой.

В таблице 8.1 представлены приближенные сведения о количестве газопылевых выбросов в атмосферу по отраслям мировой промышленности.

Таблица 8.1

Отрасль	Количество выбросов, %
Энергетика (тепловые электростанции)	43,0
Черная и цветная металлургия	23,1
Нефтеперерабатывающая промышленность	10,8
Прочие отрасли	23,1

В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы: аэрозоли - твердые взвешенные частицы (ТВЧ) и жидкие выбросы в виде паров или туманов и газообразные вещества (см. табл. 1.3).

К твердым взвешенным частицам относятся твердые частицы пылей или дымов неорганического и органического происхождения.

Пыль – это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дым. Счетная концентрация (число частиц в 1 см³) мала по сравнению с тем же показателем дыма или тумана. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ. Промышленная пыль органического происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и т.д.

К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработке, а также в результате химических реакций, например в результате взаимодействия аммиака и хлороводорода, окислении паров металлов в электрической дуге и т.д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах и составляют от 0,5 мкм до субмикронных размеров, т.е. менее 0,1 мкм.

Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются в основном из кислоты: серной, фосфорной и др.

К газообразным и парообразным веществам, содержащимся в промышленных газовых выхлопах, относятся: кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты. Эта группа вредных примесей наиболее многочисленна.

В настоящее время безотходная технология находится в стадии становления. Полностью безотходных предприятий просто не существует, поэтому основной задачей газоочистки является снижение содержания токсичных веществ в газовых выбросах до уровня ПДК. При содержании в воздухе нескольких токсичных веществ их суммарная концентрация не должна превышать 1, т.е.:



где С₁,… , С_n – фактическая концентрация загрязнителей в воздухе, мг/м³, ПДК₁,…ПДК_n – предельно допустимые концентрации соответствующих загрязнителей, мг/м³.

При невозможности достигнуть ПДК очисткой, иногда применяют выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы. Теоретическое определение примесей в нижних слоях атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов связано с законами турбулентной диффузии. При этом можно рассчитать предельно допустимый выброс (ПДВ), г/сек, вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК.

Однако достижение ПДК с помощью «высоких труб» не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие.