Технология защиты окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лекция 1. Введение. Общие сведения по химии и инженерингу окружающей среды

Экологическая химия - это химия окружающей среды, наука, о химических процессах и взаимодействиях в окружающей среде, а так же о последствиях таких воздействий. Эти процессы определяют состав и свойства объектов окружающей среды.

Задачи ХОС:

Разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий, сведение к минимуму выбросов в атмосферу и гидросферу. Это достигается комплексным использованием сырья, внедрением малоотходных технологий, водооборотных схем, заменой отдельных стадий процессов экологически более чистыми…

Повышение эффективности очистки выбрасываемых в атмосферу газов и сбрасываемых в водоем сточных вод наиболее вредных веществ.

Оценка воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ и прогнозирование их дальнейшего поведения, распространение и превращение в другие вещества под влиянием факторов середы.

Биохимическая эволюция геосфер

Возникновение жизни на Земле тесно связано с эволюцией планет. Набор химических элементов на Земле включает практически всю периодическую систему, причем самый распространенный элемент -- кислород. В земной коре много металлов, в частности железа, различных минералов, карбонатов, вода и температурный режим на ее поверхности таков, что вода здесь находится во всех трех агрегатных состояния.

Возраст Земли сейчас насчитывает 4,6 млрд. лет.

В ранний период на земле была активна вулканическая деятельность. Формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли происходило за счет паров и газов, выделяющихся в результате дегазаций мантии вследствие саморазогрева и частичного расплавления материала планеты и выделения газообразных веществ, существовавших в протопланетном газопылевом облаке в виде льда. Газы, извергавшиеся вулканами в течение первых 500 млн. лет существования нашей планеты, состояли главным образом из водорода, водяного пара, метана и оксидов углерода с примесью соединений серы. Конденсация водяного пара, приведшая к образованию Мирового Океана, произошла 4 млрд. лет назад.

Процессы испарения воды, выпадения ее на сушу в виде мокрых осадков и стенания вновь в Океан (гидрологический цикл) привели к растворению в воде множества минеральных солей. Растворение атмосферного углекислого газа в воде с образованием нерастворимых карбонатов привело к образованию осадочных парод. Другие атмосферные газы также растворялись в воде, а наиболее легкие (водород, гелий) со временем диссипировали в открытый космос.

Важной отличительной особенностью атмосферы ранней Земли являлось отсутствие в ней свободного кислорода. Жесткий солнечный ультрафиолет почти беспрепятственно достигал поверхности Земли. В результате атмосферных электрических разрядов и вулканической деятельности в зоне высоких температур (900--1000° С) осуществлялось множество химических реакций. Под влиянием всех этих факторов эффективно протекали абиотические процессы синтеза, в том числе и органических соединений, включая углеводороды и аминокислоты. В результате химической эволюции материи, круговорота органических соединений образовывались все более и более сложные структуры. Предпосылкой усложнения структуры явилось отсутствие деструкции молекул органических соединений до углекислого газа и воды, это происходит в современной атмосфере при участии кислорода, под действием УФ. При этом происходил своего рода абиотический "естественный отбор" химических молекул в направлении усложнения молекулярных структур и накопления в Океане наиболее устойчивых из них.

По мнению Фолсома (1982), самопроизвольное зарождение химическим путем макромолекул, воспроизводящих себе подобных, несущих передающих "наследственную" информацию, произошло 3,8 млрд. или более лет назад; такой возраст имеют породы, сохранившие остатки примитивных микроорганизмов. Земле, по Кэлдэру, исполнилось тогда всего 8 "лет". В осадочных породах свазилендской системы (Южная Африка), возраст которых составляет 3,4 млрд. лет, обнаружены остатки уже сформировавшихся микроорганизмов.

Бурному развитию жизни в Океане способствовала высокая концентрация в воде различных растворенных веществ. Под воздействием солнечной радиации, мощного фактора радиационного мутагенного воздействия, началась эволюция жизни на Земле. Поначалу жизнь брала из окружающей среды все готовое, получала энергию путем ассимиляции органического вещества, образовавшегося в ходе абиотического синтеза. Это были гетеротрофные, нефотосинтезируюшие организмы, преимушественно бактерии. Появились и автотрофные, фотосинтезирующие бактерии, использовавшие энергию солнечного света для окисления растворенных в воде газов. В качестве окислителей эти бактерии использовали СО2, N2, SО2-4 , NО-3) и другие богатые энергией неорганические молекулы. Донорами электрона (водорода) служили СН4, NH3, H2S растворенные в воде органические вещества.

Примерно 3,5 млрд. лет назад появились автотрофные фотосинтезирующие организмы, продуцирующих во внешнюю среду молекулярный кислород. До этого момента свободный кислород появлялся в атмосфере лишь за счет ультрафиолетовой радиации паров воды.

В результате деятельности таких фотосинтезирующих микроорганизмов началась перестройка химического состава атмосферы Земли: цианобактерии (или сине-зеленые водоросли начали извлекать из атмосферы СО2 и выделять О2. Кислород постепенно окислял восстановительные эквиваленты в воде и воздухе.

Процесс окисления восстановительной атмосферы продолжался около 2 млрд. лет. Очевидно, формирование собственно аэробной атмосферы Земли началось, когда были окислены все содержащиеся в воде запасы веществ-восстановителей и скорость поступления в окружающую среду свободного кислорода превысила скорость восстановления ионов железа или других переходных металлов - катализаторов процессов окисления молекулярным кислородом. Произошло это около 2 млрд. лет назад, когда Земле исполнилось 26 "лет".

Содержание свободного кислорода в атмосфере постепенно нарастало. На протяжении 1,5 млрд. лет обитатели Земли приспосабливались к существованию в аэробной среде. Появление свободного кислорода в атмосфере Земли явилось фактором, способствующим появлению многоклеточных организмов. Обнаруженные в отложениях верхнего докембрия многие виды многоклеточных организмов, часть из которых существует и поныне, указывают, что произошло это около 700 млн. лет назад.

Рост содержания О2 в атмосфере привел к возникновению озонового слоя, защищающего поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Это дало новое направление эволюции жизни: 400 млн. лет назад жизнь вышла на сушу, поверхность Земли в ее 42 "года" покрылась пышной растительностью, появились животные. Появление растительности ускорило процесс фотосинтеза, состав атмосферы вскоре достиг стационарного, современного уровня.

В результате процессов жизнедеятельности состав атмосферы оставался постоянным на протяжении многих миллионов лет. Тем самым в ходе эволюции на Земли возникла саморегулирующаяся химико-биологическая система (гомеостаз), способная поддерживать благоприятные для существования жизни условия внешней среды.

Согласно учению о биосфере В.И. Вернадского, "жизнь создает в окружающей ее среде условия, благоприятные для своего существования". Живое вещество оказывает непрерывное воздействие на неживую; природу, преобразуя и формируя облик планеты и создавая целостную динамическую систему.

Гипотеза о существовании глобального гомеостаза предполагает; наличие в биосфере замкнутых механизмов биологического круговорота; веществ и механизмов обратной связи, ответственных за достижение состояния устойчивого равновесия при изменении внешних условий. Выяснение этих механизмов позволило бы определить пределы устойчивости как всей биосферы в целом, так и отдельных экосистем.

Лекция 2. Экозащитная техника и технология

Современная экология не ограничивается только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она превращается в междисциплинарную науку, изучающую сложнейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вызванной обострением экологической обстановки в масштабах всей планеты, привела к кологизаци многих естественных, технических и гуманитарных наук. Современная экология тесно связана с политикой, экономикой, правом (включая международное право), психологией и педагогикой, так как только в союзе с ними, возможно, преодолеть технократическую парадигму мышления, свойственную XX в., и выработать новый тип экологического сознания, коренным образом меняющий поведение людей по отношению к природе. Под инженерной экологией понимают систему инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства. Под промышленной экологией понимают раздел "большой" экологии, рассматривающий воздействие промышленности (иногда - всњего хозяйства) - от отдельных предприятий до техносферы - на природу и, наоборот, - влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов. Фактически, существуют две группы задач экологические и инженерные, причем первые могут решаться с помощью вторых. Речь идет не о каких-то новых направлениях экологии - биологической науки, а об инженерной защите окружающей среды. Отсюда понятно, что решение экологических задач (поддержание высокого качества среды) инженерными методами возможно лишь при владении специалистом производства знаниями в области экологии, позволяющими ему оценивать свое производство с экологических позиций, т. е. обладать экологическим мышлением. В конечном счете, это знание и это мышление образуют своего рода "сдерживающий комплекс" природопользователя? владея ими, специалист определяет не только (и не столько), что и как делать, но чего и почему делать нельзя. Понятие "природа" имеет следующее определение "Природа - это окружающий нас мир во всњем бесконечном многообразии своих проявлений Другое определение гласит, что "природа - это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной (универсум Вселенной)".Очевидно, что, согласно этим определениям, к природе относятся все живые организмы (включая человека), все неживые компоненты окружающей нас среды, включая космические факторы, литосферу, гидросферу, атмосферу, а также человеческое общество с его производством как естественный и закономерный этап эволюции живой материи.Известно также понятие "вторая природа", под которой понимают совокупность вещей и явлений, не существующих в природе в готовом виде, а создаваемых в процессе общественного производства. Имеется в виду, что всње созданное руками человека - от каравая хлеба и авторучки до радиоприемника и космического корабля - это также природа или, точнее, природные ресурсы, преобразованные человеком сообразно его нуждам. Как же сочетаются все эти понятия со словом "охрана"? Охрана - это защита? предотвращение разрушения или расхищения чего-либо. Охрана природы исторически развивалась как система ограничительно-запретных мероприятий, направленных на сохранение преимущественно отдельных объектов (ландшафтов, памятников природы, редких растений и животных и т. п.), сокращение использования отдельных ресурсов. Понятно, что в современных условиях такое направление имеет весьма ограниченное значение, поскольку всю планету в заповедник превратить нельзя. Существование общества без природопользования невозможно, и принцип невмешательства в природную среду со стороны общества нереален. По этой причине в словосочетание "охрана природы" вкладывается сейчас более широкий, причем двоякий смысл.

В первую очередь, охрана природы - комплексная научная дисциплина, разрабатывающая общие принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов, включая охрану земель, вод, атмосферы, природных комплексов, растительного и животного мира. Во-вторых, охрана природы - это система мер, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной средой, обеспечивающая сохранение и восстановление природных ресурсов, предупреждающая прямое или косвенное влияние результатов деятельности общества на природную среду и здоровье человека (ГОСТ 17.00.01-76).Очевидно, что в последнем определњении определяющая часть шире, чем определяемая? в нем фигурируют слова "окружающая природная среда". Слово "природа" относится более к естественному миру, в то время как "окружающая среда" подразумевает не только естественный, но и созданный или преобразованный человеком мир? к ней относятся рукотворные ландшафты, селитебные территории, промышленные комплексы. По этой причине наряду с понятием "охрана природы" чаще употребляется теперь другое - "охрана окружающей среды". Окружающая среда - совокупность биотической, абиотической и социальной сред, совместно оказывающих влияние на людей и их хозяйство, или, в более широком смысле, - природный и созданный человеком материальный мир, который окружает человеческое общество, воздействует на него и в котором человек как общественное существо удовлетворяет свои потребности, в свою очередь воздействуя на него и преобразуя его. Соответственно этому словосочетание "охрана окружающей среды" определяется как охрана природной среды, окружающей человека, т. е. комплекс международных, государственных и региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий по обеспечению физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем в пределах, необходимых с точки зрения здоровья и благосостояния человека. Практически же в настоящее время охрана окружающей среды направлена на обеспечение указанных параметров только в непосредственно окружающей человека среде, т. е. в местах его пребывания (к примеру, в воздухе - на территории предприятия, в цехах, в населњенных пунктах, а в воде - в местах водопользования). Это достигается нормированием содержания загрязняющих веществ или физических условий. Только на базе рационализации производственных процессов и экологически корректного пользования природными системами можно одновременно обеспечить в историческом будущем неисчерпаемость природных ресурсов и сохранить возможность экологически безопасного развития дальнейших поколений людей". На базе грамотного управления природопользованием и ресурсосбережением (нижний левый блок) можно решать одновременно две задачи? ресурсную (обеспечение их неисчерпаемости) и экологическую (сохранение качества среды). Очевидно, что эти задачи решаются в основном инженерно-техническими и организационными методами.

Задачи специалиста любого производства с точки зрения экологии бывают сформулированы следующим образом?

1. Оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений исходя из минимизации ущерба окружающей среде и здоровью человека.

2. Прогнозирование и оценка возможных негативных последствий для окружающей среды, человека, других животных, растительного мира со стороны любых акций в области природопользования.

3. Выявление, корректирование и предотвращение любых действий, технологий заготовки, транспорта? переработки ресурсов, которые могут нанести ущерб окружающей среде и здоровью (принцип "чего не делать, чтобы не причинить вреда").

Итак, окончательный вывод состоит в том, что охранять природу -- значит правильно ею пользоваться, т. е. не доводить до крайне важно сти охраны.

Лекция 3. Основные проблемы охраны природной среды, общие сведения об экосистемах, влияние биосферы на человека, состояние окружающей среды, здоровья населения, нормирование качества и методы защиты окружающей среды

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности. Живые организмы, взаимно дополняя и обеспечивая жизнедеятельность друг друга, образуют устойчивые сообщества, а в комплексе со средой обитания - устойчивую систему, которая получила название экосистема1 (oikos - жилище,местопребывание). Итак, Экосистемма или экологимческая системма -- биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Океан, море, река, тундра, тайга, пустыня, лес, лужа, гнилое дерево - все это экосистемы.

В комлексе все экосистемы Земли составляют единую глобальную экосистему - биосферу2(bios - жизнь и sphaira - шар) .

Экосистемы образовались в процессе длительной эволюции. Это сложный и устойчивый природный механизм, способный путем саморегуляции противостоять изменениям среды и численности.

В процессе эволюции в природных экосистемах сформировалось большое разнообразие видов. Структурная единица вида - популяция3 (populus - население) - сохраняет определенные численность и пространство, а также воспроизводит себя в течение многих поколений.

Экосистема - понятие очень широкое и применимое как к естественным (например,тундра,океан), так и к искусственным комплексам (например,аквариум). Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи также используют термин "биогеоценоз 4".

Биогеоценоз - исторически сложившаяся совокупность живых организмов(биоценоз5) и абиотической среды (Абиотическая среда - неживое физическое и химическое окружение живых организмов. Абиотическую среду составляют природные условия, происхождение которых непосредственно не связано с жизнедеятельностью живущих организмов. )

Люди с момента своего появления оказывают непосредственное воздействие на окружающую их среду. Этот период длится уже порядка 30-40 тысяч лет. Влияние человека на биосферу Земли является антропогенным фактором. Началом его проявления послужил каменный век, который совпал с периодом оледенения. Для того чтобы выжить, людям приходилось охотиться на таких крупных животных, как северный и благородный олень, шерстистый носорог, мамонт, тур и т. д. Подтверждение этого факта - кости диких зверей, найденные учеными на древних стоянках. Влияние человека на эволюцию биосферы в каменном веке выразилось в массовом истреблении крупных травоядных. Последствием охоты стало снижение количества особей многих популяций, а также исчезновение некоторых видов. 10-13 тысяч лет назад ледниковый период сменило резкое потепление. По всей Европе распространились леса, произошло вымирание крупных животных. В этот период влияние биосферы на человека было весьма значительным. Изменение природных условий изменило жизнь и людей. При этом разрушилась уже сложившаяся экономическая база человеческого общества. Люди перешли к иному периоду своего развития, оставив позади чисто потребительские отношения к окружающей среде. Под методом защиты понимаю комплекс технологических, технических мероприятий, направленных на снижение или полное исключение загрязнения биосферы.

Все методы делятся:

Активное - непосредственно воздействуют на источники загрязнения.

Пассивные - носят защитный характер, эти методы не связаны с источником загрязнения, это методы борьбы с образовавшимся загрязнением.

Технические методы делятся:

Прямые методы позволяют оценить массу, объем, концентрацию и уровень загрязнений непосредственно в источниках их образования.

Косвенные методы позволяют свести к минимуму или исключить образование вредных веществ в последующих экологических ситуациях.

Направления этих методов:

Замена токсических отходов нетоксическими.

Замена неутилизируемых отходов утилизируемыми.

Пути создания малоотходных технологий.

Пути создания малоотходных технологий:

Создание компактных систем, позволяющих максимально использовать все ингредиенты сырья и обеспечивающий ПДК выбросов в атмосферу и гидросферу.

Создание схем с полным кругооборотом воды, позволяющей сократить потребность предприятия в чистой природной воде.

Создание энерготехнологических схем с утилизацией тепла, в результате которых некоторые предприятия превращаются в энергопроизводителей.

Выбор технологических режимов, обеспечивающ. Выбор продукции, которую можно использовать в более длительный срок.

Пассивные методы, направленные на уменьшение концентрации и уровней загрязнения на пути их распространения в биосферу. К пассивным методам относятся организационно-технологические предприятия:

Рациональное размещение источников загрязнения.

Локализация источников загрязнения.

Очистка выбросов в биосферу.

Рациональное размещение источников загрязнения реализуется следующим образом:

Оптимальным выбором места под строительство промышленных объектов.

Рациональное размещение производств на территории предприятия.

Устройство высоких труб в целях рассеивания вредных веществ в атмосферу.

Установление границ санитарно-защитных зон.

Источники загрязнения размещают на землях, непригодных для использования с/х с учетом преимущества ветра или розы ветров и возможные возникновения инверсий.

Место для выпуска сточных вод может быть расположено ниже по течению реки ниже жилой зоны, с учетом обратного течения при напорных ветрах.

Устройство высокой трубы - вынужденное мероприятие, которое позволяет снизить загрязнение вблизи предприятия (локально), но загрязняющие вещества, но загрязняющие вещества аккумулируются в атмосфере, переносятся на более длинные расстояния, и в итоге попадают в приземный слой.

Локализация источника загрязнения включает изоляцию и локализацию и герметизацию источника материальных загрязнений, экранирование и поглощение энергетических загрязнений, захоронение отходов производства.

Технические методы:

выбор экологически чистого материала для изготовления оборудования, приборов и т. д.;

Использование оборудования, работающего на экологически чистых видах энергии;

Очистка выбросов и сбросов.

Лекция 4. Защита атмосферы от промышленных выбросов, методы очистки и обезвреживания нефтегазовых выбросов. Представление о безотходной (малоотходной ) технологии

Экологическое равновесие в природе с сохранением естественных экологических систем существовало миллионы лет и после появления человека на Земле. Так продолжалось до конца XIX в. Двадцатый век вошел в историю как век небывалого технического прогресса, бурного развития науки, промышленности, энергетики, сельского хозяйства. Одновременно как сопровождающий фактор росло и продолжает расти вредное воздействие индустриальной деятельности человека на окружающую среду. В результате происходит в значительной мере непредсказуемое изменение экосистем и всего облика планеты Земля. В настоящее время с ростом и бурным развитием промышленности большое внимание уделяется ее экологической обоснованности, а именно проблеме очистке и утилизации отходов. В данной работе рассматривается один из видов отходов промышленности - газовые выбросы предприятий. Впервые как проблему газовые выбросы можно рассматривать на примере лондонского «смога» (от англ. smoke - дым), под которым первоначально понимали смесь сильного тумана и дыма. Такого типа смог наблюдался уже в Лондоне уже более 100 лет назад. В настоящее время это уже более широкий термин - над всеми большими и индустриально развитыми мегаполисами помимо дымотуманного смога выделяют и фотохимический смог. Если причиной смога первого типа является в основном сжигание угля и мазута, то причиной второго - выбросы автотранспорта. Конечно же, все это усугубляется некоторым кумулятивным действием большого количества примесей. Zb, при дымотуманном смоге сернистый газ дает аэрозоль серной кислоты (из ряда кислотных дождей) который, естественно, намного реактивней по своему действию.Неудивительно, что в настоящее время пристальное внимание уделяется проблеме удаления первопричин возникновения таких нежелательных явлений, как выбросы в атмосферу. В данной работе тематика проблемы сознательно ограничена рамками промышленных газовых выбросов, так как именно промышленность является источником опасных и крайне опасных примесей и составляющих явлений типа «смога». В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы:а) взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ -- пыль, дым; жидкостей -- туман б) газообразные и парообразные вещества.

К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (тумана). Пыль - это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Счетная концентрация (число частиц в 1 см3) мала по сравнению с дымами и туманами. 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 др. 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 при взаимодействии аммиака и хлороводорода, при окислении паров металлов в электрической дуге и т.д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 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 главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др. Вторая группа - газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выхлопах, гораздо более многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов.

В настоящее время, когда безотходная технология находится в периоде становления и полностью безотходных предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами. В данной таблице выборочно приведены ПДК некоторых атмосферных загрязнителей. ВЕЩЕСТВАПДК, мг/м3 макс. разовая среднесуточная Аммиак0,20,2Ацетальдегид0, 10,1Ацетон0,350,35Бензол1,51,5Гексахлоран0,030,03 Ксилолы0,20,2Марганец и его соединения--0,01Мышьяк и его соединения--0,003Метанол1,00,5Нитробензол0, 0080,008Оксид углерода (СО)3,01,0Оксиды азота (в пересчете на N2O5)0,0850,085Оксиды фосфора (в пересчете на P2O5)0,150,05Ртуть0,00030,0003Свинец--0,0007Сероводо род0,0080,008Сероуглерод0,030,005Серы диоксид SO20,50,05Фенол0,010,01Формальдегид0,0350,012Фтороводород0,050,005Хлор0,10,03Хлороводород0,20,2Те трахлорид углерода4,02,0При содержании в воздухе нескольких токсичных соединений их суммарная концентрация не должна превышать 1, т.е.с1/ПДК1 с2/ПДК2 + ... + сn/ПДКn = 1где c1, с2, ..., сn - фактическая концентрация загрязнителей в воздухе, мг/м3;ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn - предельно допустимая концентрация, мг/м3.При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы. Теоретическое определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов связано с законами турбулентной диффузии в атмосфере и пока разработано не полностью. Высоту трубы, необходимую, чтобы обеспечить ПДК токсичных веществ в нижних слоях атмосферы, на уровне дыхания, определяют по приближенным формулам, например:где ПДВ - предельно допустимый выброс вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, г/с; Н -- высота трубы, м; V - объем газового выброса, м3/с; t -разность между температурами газового выброса и окружающего воздуха, °С; A - коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе, с2/3- (ОС)1/3 (например, для района Урала А = 160); F-- безразмерный коэффициент, учитывающий скорость седиментации вредных веществ в атмосфере (для Cl2, HCl, HF F = 1); т -- коэффициент, учитывающий условия выхода газа из устья трубы, его определяют графически или приближенно по формуле где wг - средняя скорость на выходе из трубы, м/с; DT -- Диаметр трубы, м.

Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб» служит лишь паллиативом, так как не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие.

Лекция 5. Значение химии и инженеринга для оценки последствий профессиональной деятельности и принятия оптимальных решений в условиях экологического кризиса

Экологический кризис - это напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе, ресурсно-экономическим возможностям биосферы. Экологический кризис можно рассматривать и как конфликт во взаимодействии биовида или рода с природой. Кризисом природа как бы напоминает о нерушимости своих законов, а нарушившие эти законы погибают. Так происходило качественное обновление живых существ на Земле. В более широком смысле экологический кризис понимается как фаза развития биосферы, на которой происходит качественное обновление живого вещества (вымирание одних видов и возникновение других). Современный экологический кризис называют «кризисом редуцентов», т.е. определяющим его признаком является опасное загрязнение биосферы, вследствие антропогенной деятельности, и связанное с этим нарушение природного равновесия. Понятие «экологический кризис» впервые появилось в научной литературе в середине 70-х г.г. По своей структуре экологический кризис принято делить на две части: естественную и социальную. Естественная часть свидетельствует о наступлении деградации, разрушении окружающей природной среды. Социальная сторонаэкологического кризиса заключается в неспособности государственных и общественных структур остановить деградацию окружающей среды и оздоровить ее. Обе стороны экологического кризиса тесно взаимосвязаны. Наступление экологического кризиса может быть остановлено только при рациональной государственной политике, наличии государственных программ и отвечающих за их выполнение государственных структур.

Признаками современного экологического кризиса являются: 1. Опасное загрязнение биосферы 2. Истощение энергетических запасов 3. Сокращение видового биоразнообразия

Опасное загрязнение биосферы связано с развитием промышленности, сельского хозяйства, развитием транспорта, урбанизацией. В биосферу поступает огромное количество токсичных и вредных выбросов хозяйственной деятельности. Особенностью этих выбросов является то, что эти соединения не включаются в естественные обменные процессы и накапливаются в биосфере. Например, при сжигании древесного топлива происходит выделение углекислого газа, который усваивается растениями в процессе фотосинтеза, и в результате чего вырабатывается кислород. При сжигании нефти выделяется сернистый газ, который в естественные процессы обмена не включается, а накапливается в нижних слоях атмосферы, взаимодействует с водой и выпадает на землю в виде кислотных дождей. В сельском хозяйстве используется большое количество ядохимикатов и пестицидов, которые накапливаются в почве, растениях, в тканях животных. Опасное загрязнение биосферы выражается в том, что содержание вредных и токсичных веществ в отдельных ее составных частях превышает предельно допустимые нормативы. Например, во многих регионах России содержание целого ряда вредных веществ (пестицидов, тяжелых металлов, фенолов, диоксинов) в воде, воздухе, почве превышает предельно допустимые нормы в 5-20 раз. Согласно статистике, среди всех источников загрязнения на первом месте - выхлопные газы автотранспорта (до 70% всех болезней в городах вызвано ими), на втором - выбросы тепловых электростанций, на третьем - химическая промышленность.

Истощение энергетических ресурсов. К основным источникам энергии, используемым человеком, относятся: тепловая энергия, гидроэнергия, атомная энергия. Тепловую энергию получают при сжигании древесины, торфа, угля, нефти и газа. Предприятия, вырабатывающие электроэнергию на базе химического топлива, называют тепловыми электростанциями. Нефть, уголь и газ являются невозобновляемыми природными ресурсами и запасы их ограничены. Теплотворная способность угля ниже, чем нефти и газа, а его добыча значительно дороже. Во многих странах, в том числе и в России, угольные шахты закрываются, ибо уголь в них слишком дорого и трудно добывать. Несмотря на то, что прогнозы запасов энергетических ресурсов пессимистичны, в настоящее время успешно разрабатываются новые подходы к решению проблемы энергетического кризиса. Во-первых, переориентация на другие виды энергии. В настоящее время в структуре мирового производства электроэнергии 62 % приходится на тепловые электростанции (ТЭС), 20% - на гидроэлектростанции (ГЭС), 17% - на атомные электростанции (АЭС) и 1 % - на использование альтернативных источников энергии. Это означает, что ведущая роль принадлежит тепловой энергетике. В то время как гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, не нуждаются в использовании горючих полезных ископаемых, а мировой гидропотенциал пока использован всего на 15%. Возобновляемые источники энергии - солнечную энергию, энергию воды, ветра и т.д. - использовать на Земле нецелесообразно (в космических аппаратах солнечная энергия незаменима). «Экологически чистые» энергоустановки слишком дороги и они производят слишком мало энергии. Расчет на энергию ветра не оправдан, в перспективе возможно делать ставку на энергию морских течений. Единственный реальный сегодня и в обозримом будущем источник энергии - атомная энергетика. Запасы урана достаточно велики. При правильном использовании и серьезном отношении атомная энергетика оказывается вне конкуренции и с экологической точки зрения, значительно меньше загрязняя окружающую среду, чем сжигание углеводородов. В частности суммарная радиоактивность золы каменного угля гораздо выше, чем радиоактивность отработавшего топлива всех атомных электростанций. Во-вторых, добыча полезных ископаемых на континентальном шельфе. Разработка месторождений континентального шельфа является сейчас актуальной проблемой для многих стран. Некоторые страны уже успешно разрабатывают морские месторождения горючих ископаемых, Например, в Японии производится разработка угольных месторождений на континентальном шельфе, за счет которых страна обеспечивает 20% своих потребностей в этом топливе.

Сокращение видового биоразнообразия. В общей сложности с 1600 г. исчезли 226 видов и подвидов позвоночных животных, причем за последние 60 лет - 76 видов, и около 1000 видов находится под угрозой исчезновения. Если сохранится современная тенденция истребления живой природы, то через 20 лет планета лишится 1/5 части описанных видов растительного и животного мира, что угрожает устойчивости биосферы - важного условия жизнеобеспечения человечества. Там, где условия неблагоприятны биологическое разнообразие невелико. В тропическом лесу обитает до 1000 видов растений, в лиственном лесу умеренной зоны - 30-40 видов, на пастбище - 20-30 видов. Видовое разнообразие является важным фактором, который обеспечивает устойчивость экосистемы к неблагоприятным внешним воздействиям. Сокращение видового разнообразия может вызвать необратимые и непредсказуемые изменения в глобальном масштабе, поэтому эта проблема решается всем мировым сообществом. Одним из способов решения этой проблемы является создание заповедников. В нашей стране в настоящее время функционирует 95 заповедников.

Лекция 6. Общие принципы создания мало - и безотходных процессов и производств. Количественные оценки безотходности производства

По мере развития современного производства с его масштабностью и темпами роста все большую актуальность приобретают проблемы разработки и внедрения мало- и безотходных технологий. Скорейшее их решение в ряде стран рассматривается как стратегическое направление рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

«Безотходная технология представляет собой такой метод производства продукции, при котором все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы -- производство -- потребление -- вторичные ресурсы, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования». Эта формулировка не должна восприниматься абсолютно, т. е. не надо думать, что производство возможно без отходов. Представить себе абсолютно безотходное производство просто невозможно, такого и в природе нет. Однако отходы не должны нарушать нормальное функционирование природных систем. Другими словами, мы должны выработать критерии ненарушенного состояния природы. Создание безотходных производств относится к весьма сложному и длительному процессу, промежуточным этапом которого является малоотходное производство. Подмалоотходным производством следует понимать такое производство, результаты которого при воздействии их на окружающую среду не превышают уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, т. е. ПДК. При этом по техническим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов может переходить в отходы и направляться на длительноехранение или захоронение.

Безотходная технология -- это идеальная модель производства, которая в большинстве случаев в настоящее время реализуется не в полной мере, а лишь частично (отсюда становится ясным и термин «малоотходная технология»). Однакоуже сейчас имеются примеры полностью безотходных производств. Так, в течение многих лет Волховский и Пикалевский глиноземные заводы перерабатывают нефелин на глинозем, соду, поташ и цемент по практически безотходным технологическим схемам. Причем эксплуатационные затраты на производство глинозема, соды, поташа и цемента, получаемых из нефелинового сырья, на 10-15% ниже затрат при получении этих продуктов другими промышленными способами.

Принципы безотходных технологий. При создании безотходных производств приходится решать ряд сложнейших организационных, технических, технологических, экономических, психологических и других задач. Для разработки и внедрения безотходных производств можно выделить ряд взаимосвязанных принципов. Основным является принцип системности. В соответствии с ним каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы -- всего промышленного производства в регионе (ТПК) и на более высоком уровне как элемент эколого-экономической системы в целом, включающей кроме материального производства и другой хозяйственно-экономической деятельности человека, природную среду (популяции живых организмов, атмосферу, гидросферу, литосферу, биогеоценозы, ландшафты), а также человека и среду его обитания. Таким образом, принцип системности, лежащий в основе создания безотходных производств, должен учитывать существующую и усиливающуюся взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов. Другим важнейшим принципом создания безотходного производства является комплексность использования ресурсов. Этот принцип требует максимального использования всех компонентов сырья и потенциала энергоресурсов. Как известно, практически все сырье является комплексным, и в среднем более трети его количества составляют сопутствующие элементы, которые могут быть извлечены только при комплексной его переработке. Так, уже в настоящее время почти все серебро, висмут, платина и платиноиды, а также более 20% золота получают попутно при переработке комплексных руд. Принцип комплексного экономного использования сырья в России возведен в ранг государственной задачи и четко сформулирован в ряде постановлений правительства. Конкретные формы его реализации в первую очередь будут зависеть от уровня организации безотходного производства на стадии процесса, отдельного производства, производственного комплекса и эколого-экономической системы. Одним из общих принципов создания безотходного производства является цикличность материальных потоков. К простейшим примерам цикличных материальных потоков можно отнести замкнутые водо- и газооборотные циклы. В конечном итоге последовательное применение этого принципа должно привести к формированию сначала в отдельных регионах, а впоследствии и во всей техносфере сознательно организованного и регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним превращений энергии. В качестве эффективных путей формированияцикличных материальных потоков и рационального использования энергии можно указать на комбинирование и кооперацию производств, создание ТПК, а также разработку и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования. К не менее важным принципам создания безотходного производства необходимо отнести требование ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с учетом планомерного и целенаправленного роста его объемов и экологического совершенства. Этот принцип в первую очередь связан с сохранением таких природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода, поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения. Следует подчеркнуть, что реализация этого принципа осуществима лишь в сочетании с эффективным мониторингом, развитымэкологическим нормированием и многозвенным управлением природопользованием. Общим принципом создания безотходного производства является также рациональность его организации. Определяющими здесь являются требование разумного использования всех компонентов сырья, максимального уменьшения энерго-, материале- и трудоемкости производства и поиск новых экологически обоснованных сырьевых и энергетических технологий, с чем во многом связано снижение отрицательного воздействия на окружающую среду и нанесение ей ущерба, включая смежные отрасли народного хозяйства. Конечной целью в данном случае следует считать оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Основным путем достижения этой цели являются разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств. Одним из примеров такого подхода к организации безотходного производства является утилизация пиритных огарков -- отхода производства серной кислоты. В настоящее время пиритные огарки полностью идут на производство цемента. Однако ценнейшие компоненты пиритных огарков -- медь, серебро, золото, не говоря уже о железе, не используются. В то же время уже предложена экономически выгодная технология переработки пиритных огарков (например, хлоридная) с получением меди, благородных металлов и последующим использованием железа. Во всей совокупности работ, связанных с охраной окружающей среды и рациональным освоением природных ресурсов, необходимо выделить главные направления создания мало- и безотходных производств.

Лекция 7. Организация замкнутых систем водопользования предприятий

Раздельная система водоотведения с полным оборотом всех категорий сточных вод называется бессточной системой водопользования, или замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия. В зависимости от конкретных условий на предприятиях возможно создание нескольких систем очистки с вариантами объединения различных видов сточных вод. В общем виде замкнутая система водопользования промышленного предприятия включает:

локальные оборотные системы;

централизованные замкнутые системы;

охлаждающие локальные оборотные системы, а также системы последовательного использования воды в двух или нескольких технологических операциях.

При очистке и использовании дождевых вод необходимо их усреднять по расходу. Поверхностный сток и бытовые сточные воды в ближайшие годы могут удовлетворить более 50% потребности промышленности в воде.

При оценке систем водоотведения промышленных предприятий необходимо учитывать следующие коэффициенты использования воды:

оборотной: Kоб = qоб/(qоб + qсв);

свежей: Kсв = (qсв - qсб)/qсв,

где qоб и qсв - расход соответственно оборотной и свежей воды, забираемой из источника,

qоб + qсв - общее количество расходуемой воды,

qсб - расход сточных вод, сбрасываемых в водоем.

Коэффициент использования оборотной воды, например, на предприятиях черной и цветной металлургии составляет 0,8.

Схемы комплексного водоотведения жилой застройки и промышленных предприятий

При разработке систем комплексного водоотведения районов и промышленных комплексов одновременно рассматриваются системы водоотведения нескольких городов и промышленных предприятий, расположенных на сравнительно близком расстоянии друг от друга или связанных между собой географическими, административными или иными связями. Такие системы аналогичны системам промышленных предприятий и тоже бывают общесплавными и раздельными.

При разработке систем чаще всего рассматривают следующие варианты комплексного использования воды:

сточных вод одного предприятия в качестве источников водоснабжения других предприятий;

концентрированных сточных вод одних предприятий в качестве сырья для производства товарного продукта на других предприятиях;

очищенных городских сточных вод на промышленных предприятиях в системах технического водоснабжения, для полива, обводнения водоемов и др. целей.

При проектировании систем водоотведения районов и промышленных комплексов появляются следующие возможности:

повышения уровня комплексного решения водохозяйственных вопросов городов и промышленных объектов;

комплексного использования природных водоемов, ограничения их числа для сброса сточных вод и уменьшения уровня их загрязнения;

повышения пропускной способности очистных сооружений, на создание которых сокращаются удельные капитальные вложения;

снижения удельных эксплуатационных затрат на очистку воды;

повышения уровня эксплуатации очистных сооружений.

Выбор вариантов систем водоотведения должен производиться на основании технико-экономического сравнения вариантов, равноценных в санитарном отношении.

Лекция 8. Комплексное использование сырья в нефтехимической промышленности

Химическая и нефтехимическая промышленность играет существенную роль в мировой экономике, оказывая значительное влияние на ключевые отрасли промышленности, строительство и сельское хозяйство. С учетом развития современного материаловедения и тенденции к переходу на композиционные материалы, развитие отраслей, использующих технологичные компоненты, не представляется возможным без наличия современной химической и нефтехимической промышленности. Химические технологии как основа для производства большинства современных материалов играют важнейшую роль в вопросах технологического развития, экономического роста и обеспечения национальной безопасности страны.

Крупнейшие страны мира поддерживают и развивают производство химической и нефтехимической продукции как одного из перспективных направлений развития экономики. Химическая и нефтехимическая промышленность характеризуется высоким уровнем автоматизации труда и технологического развития, что выделяет ее среди прочих отраслей промышленности.

Опережающее развитие отрасли связано с повышением использования химической и нефтехимической продукции во всех секторах экономики. Страны, обладающие дешевыми углеводородными ресурсами, динамично развивают производство крупнотоннажной химической и нефтехимической продукции, обеспечивая себе лидерство в цене. Развитые страны вынуждены все больше производить высокотехнологичную и наукоемкую продукцию, чтобы сохранить конкурентные преимущества на мировом рынке, в частности развивать направления производства продукции из возобновляемого сырья и продукции с повышенными требованиями экологической безопасности.

Согласно мировому опыту, подобное развитие химического комплекса возможно благодаря эффективной государственной поддержке, основными инструментами которой являются государственное финансирование инфраструктурных проектов и государственно-частное партнерство в части реализации промышленных и инфраструктурных проектов.

Объем выпуска продукции мирового химического комплекса в 2012 году составил свыше 3,7 трлн долл. или более 112 трлн руб. При этом на химическую промышленность приходится около 53% (59 трлн руб.) от общего объема производства химического комплекса. Продукция химической и нефтехимической промышленности используется во всех сферах мировой экономики, включая строительство, производство электроники, упаковочных материалов, потребительских товаров, сельское хозяйство, автомобилестроение и прочие отрасли.

Более 60% мирового производства химической промышленности составляет производство основных химических веществ (кроме продукции нефтехимии), в первую очередь, сегмент минеральных удобрений, а также производство пластмассовых изделий

Доля четырех крупнейших стран в общемировом производстве химической продукции превышает 50%. По объему выпуска лидирует Китай, его доля в 2012 году составила около 20% от общемирового производства. За ним следует США (16%), Япония (11%) и Германия (7%).

Химический комплекс характеризуется высокими темпами роста, опережающими развитие мировой экономики. В прогнозном периоде до 2030 года среднегодовой темп роста химического комплекса составит более 4,4%, при этом среднегодовой темп роста мирового ВВП за указанный период ожидается на уровне 3%. Таким образом, к 2030 году суммарный рост химического комплекса на 28% превысит рост мирового ВВП.

Среди отраслей обрабатывающей промышленности химический комплекс имеет один из самых высоких показателей производительности труда. Например, в Европе производительность труда в химическом комплексе превышает аналогичные показатели машиностроения, автомобилестроения и сферы телекоммуникационных услуг, уступая лишь производству фармацевтической продукции.

Также химический комплекс характеризуется высокой капиталоемкостью. По уровню инвестиций на одного работника химический комплекс занимает первое место, опережая такие отрасли, как фармацевтика, металлургическое производство, автомобилестроение и целлюлозно-бумажное производство.