Федора Максимовича Черномурова отличали глубокая преданность нау ке, творческая энергия, завидная работоспособность. Он был крупным специа листом в области теплофизики и металлургической теплотехники. Особый вклад внес в решение
 Скачать 4.01 Mb.
|
|
7.2. Взаимодействие производства и окружающей среды Обмен веществ между производственной и природными сферами в про- цессе взаимодействия производства и окружающей среды называется антропо- генным метаболизмом. Он складывается из двух составляющих: суммы инди- видуальных обменов веществ всех людей на Земле (биологическая часть) и суммы техногенных обменов веществ от технологических процессов (техноло- 104 гическая часть). Технологический обмен трактуется как обмен веществ и энер- гии между техносферой и биосферой и порождает немало проблем и противоре- чий в системе «общество – природа» (рис. 13). Любой технологический процесс начинается вводом исходных веществ (сырья) и завершается в конечном итоге выводом разнообразных готовых изде- лий и отходов. Иными словами, система антропогенного обмена в целом вклю- чает ввод природных ресурсов, их переработку с использованием энергии и вы- вод в окружающую среду отработанных веществ (производственных и бытовых отходов) и отслуживших свой срок готовых изделий. Процесс этот носит ли- нейный, незамкнутый и, следовательно, конечный характер, поскольку возвра- щение отходов и отработанных изделий в качестве исходного сырья все еще скорее исключение, чем правило. Обмен веществ в биосфере основан на других принципах. Суммарный процесс движения веществ в биосфере носит замкнутый, цикличный характер, т. е. теоретически бесконечный при постоянном потоке энергии от Солнца. Современный объем и скорости антропогенного обмена (особенно в его технологической части) достигли уровня, при котором все отчетливее проявля- ется напряженность и на вводе (сырьевые ресурсы), и на выводе из системы (отходы). В результате к настоящему времени со всей очевидностью выявились Рис. 13. Относительные расстояния в распространении отходов производства 105 четыре острейшие проблемы глобального характера: охрана окружающей сре- ды от загрязнения, обеспечение растущего населения продуктами питания, обеспечение промышленности минеральным сырьем и проблемы энергетики. Масштабы воздействия человека на окружающую среду огромны. Интен- сивному воздействию подвергаются все компоненты окружающей среды, из которых наиболее важны для человека атмосферный воздух, пресная вода и почва. Загрязнение окружающей среды – вывод из системы антропогенного об- мена в природу всевозможных отходов, отбросов и использованных (амортизи- рованных) изделий. Виды, источники и пути загрязнения окружающей среды различны и многообразны: выбросы в атмосферу химических соединений и смесей; слив в водную среду (реки, подземные воды) всевозможных производ- ственных отходов и сточных вод, попадание в нее нефтяных продуктов; засоре- ние почвы твердыми отходами; повышение уровня ионизирующей радиации, шума, вибрации, а также тепловые выбросы в атмосферу и водный бассейн. Основное загрязнение атмосферы в нашей стране создают шесть отраслей промышленности и автотранспорт. Их относительное участие в загрязнении атмосферы (%): теплоэнергетика – 27,0; черная металлургия – 24,3; цветная ме- таллургия – 16,5; нефтедобыча и нефтехимия – 15,5; автотранспорт – 13,3; предприятия стройматериалов – 8,1; химическая промышленность – 1,3. Как видно, теплоэнергетика и предприятия черной металлургии постав- ляют более половины всех выбросов в атмосферу. Выбросы от химических производств меньше по общему количеству, но их разнообразие и высокая ток- сичность ставят химическую промышленность в ряд основных загрязнителей атмосферы. Для химических и нефтехимических предприятий характерно на- личие технологических и вентиляционных, организованных и неорганизован- ных выбросов вредных веществ в атмосферу. К технологическим относят хвостовые выбросы технологических процес- сов, выбросы при продувке оборудования, постоянно действующие вентиляци- онные трубы, периодически действующие предохранительные клапаны, дымо- 106 вые трубы технологических печей. Эти выбросы характеризуются высокой концентрацией вредных веществ в небольшом объеме газовоздушной смеси. К вентиляционным относят выбросы общеобменной и местной вытяжной вентиляции. С учетом объема вентиляционного воздуха валовое количество вредных веществ, содержащихся в вентиляционных выбросах, часто превышает таковое в технологических выбросах. К организованным относят выбросы, отводимые от мест выделения сис- темой газоотводов, что позволяет улавливать вредные вещества в соответст- вующих установках. Неорганизованные выбросы возникают за счет негерметичности оборудо- вания, коммуникаций, пробоотводников, канализационных колодцев и др. К самым распространенным веществам, загрязняющим атмосферу, отно- сят оксид углерода, диоксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводо- роды, летучие растворители (ароматические углеводороды, спирты, эфиры, ке- тоны, галоген производные углеводороды и др.), а также пыль. Известно более 200 веществ, загрязняющих атмосферу, причем по мере освоения новых техно- логических процессов их число возрастает. В некоторых случаях отрицательное влияние на окружающую среду усиливается в результате образования в атмо- сфере под воздействием солнечного света новых веществ из соединений, со- держащихся в выбросах. Серьезные опасения вызывает загрязнение пресных вод, являющихся и природным ресурсом деятельности человека, и одновременно жизненно необ- ходимым благом. В нашей стране возобновляемый речной сток составляет око- ло 4700 км 3 в год. Наиболее устойчивая величина стока, которая может быть использована для водопотребления, составляет 1600 км 3 в год, или 34 % сум- марных водных ресурсов. Водосток имеет неравномерное распределение по территории страны. Около 80 % стока рек приходится на Сибирь и Дальний Восток, в то время как почти 80 % промышленного производства размещено на Европейской части континента. 107 Промышленные предприятия, сельское хозяйство, транспорт загрязняют водоемы всевозможными поверхностно-активными веществами, солями, мине- ралами, углеводородами, взвесями, удобрениями и ядохимикатами. Одним из опасных видов органического загрязнения воды является загрязнение нефтью участка поверхности более 20 км 2 . Такая пленка сокращает проникновение све- та, препятствует фотосинтезу, снижая перенос кислорода и углекислого газа. Со временем нефтяная пленка разлагается под действием солнечного излуче- ния, образуя высокотоксичные вещества. Исключительно важной современной проблемой является сохранение почвы. Ежегодно в мире приходит в негодность примерно 6–7 млн га почвы. Немалые потери происходят из-за отчуждения пахотных и других пригодных для сельскохозяйственного использования земель под городскую застройку, прокладку дорог, промышленные площадки, свалки отходов и т. д. В настоящее время для добычи 1 м 3 полезных ископаемых отчуждается 8,6 га земли, при строительстве 1 км трубопроводов – 4 га, 1 км автодорог – 2 га. Таким образом, экологические последствия деятельности человека сво- дятся к нарушению естественно протекающих процессов в отдельных компо- нентах окружающей среды и во всем их комплексе. Человек, его деятельность, непосредственно влияющая на компоненты окружающей нас природы и руко- творные объекты, образуют в тесной взаимосвязи эколого-экономическую сис- тему (ЭЭС), жизнедеятельность которой невозможно рассматривать по отдель- ным компонентам в силу теснейших взаимосвязей. 7.3. Контроль состояния окружающей среды. Предельно допустимые концентрации примесей в атмосфере Основной физической характеристикой примесей в атмосфере служит концентрация – количество вещества в единице объема воздуха при нормаль- ных условиях (обычно в мг/м 3 ). Концентрация примесей определяет физиче- ское, химическое и другие виды воздействия их на окружающую среду и явля- ется основным параметром при нормировании допустимого содержания приме- си в атмосфере и водных объектах. 108 Предельно допустимая концентрация (ПДК) – это максимальная концен- трация примесей в атмосфере, осредненная за определенное время, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказы- вает на него и на окружающую среду в целом вредного действия, включая от- даленные последствия. Если вещество оказывает на окружающую природу вредное воздействие в меньших концентрациях, чем на организм человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на окружающую природу. Выделяют два типа ПДК – максимально-разовые (ПДК раз ) и среднесуточ- ные (ПДК сут ). Первые относятся в основном к 20–30-минутному интервалу вре- мени и определяют степень кратковременного воздействия примеси на орга- низм человека; вторые – допустимую степень загрязнения воздуха в течение длительного периода без строгого фиксирования его продолжительности. В нашей стране установлены ПДК для 411 загрязняющих веществ в воз- духе. В табл. 5. приведены значения для некоторых из наиболее распростра- ненных примесей. В зависимости от токсичности выделяют четыре класса опасности примесей. 109 Таблица 5 Значения ПДК некоторых веществ в атмосферном воздухе Вещество ПДК, мг/м э Класс опасности максимально- разовая средне- суточная Диоксид азота 0,085 0,04 2 Аммиак 0,2 0,04 4 Диоксид серы 0,5 0,05 2 3,4-Бенз(а)пирен – 10 -6 I Взвешенные вещества (пыль) 0,5 0,05 3 Кислота серная 0,3 0,1 2 Метилмеркаптан 9*10 -6 – 2 Ртуть металлическая – 3*10 -4 1 Сероуглерод 0,03 0,005 2 Оксид углерода 5,0 3,0 4 Фенол 0,01 0,003 2 Фтористые газообразные со- единения 0,02 0,005 2 Хлор 0,1 0,03 2 ПДК загрязняющих веществ регламентированы Министерством здраво- охранения России. Наибольшая концентрация каждого вредного вещества в приземном слое не должна превышать максимально-разовой предельно допус- тимой концентрации, т. е. С < ПДК раз . При одновременном присутствии в атмо- сфере нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действи- ем, их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять условию 1 2 2 1 1 разN N раз раз ПДК C ПДК C ПДК C , (1) где С 1 , С 2 , … С N – концентрации вредных веществ в атмосфере в одной и той же точке местности, мг/м 3 ; ПДК раз1 , ПДК раз2 , …ПДК разN – максимально-разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, мг/м 3 110 Эффектом однонаправленного действия обладает ряд вредных веществ, например, диоксиды серы и азота; диоксид серы и сероводород; этилен и про- пилен, бутилен и амилен; озон, диоксид серы, формальдегид и др. 7.4. Предельно допустимые выбросы в атмосферу Для каждого источника загрязнений атмосферы устанавливается пре- дельно допустимый выброс вредных веществ (ПДВ) из условия, что выбросы вредных веществ от данного источника не создадут приземной концентрации, превышающей ПДК для населения, растительного и животного мира. При установлении ПДВ для источника загрязнения атмосферы необходи- мо учитывать значения фоновых концентраций вредных веществ в воздухе от остальных источников загрязнения, действующих в данной местности. Уста- навливают ПДВ на основании расчета рассеивания примесей в атмосфере. В случае нагретых выбросов из N расположенных близко друг к другу труб ПДВ можно рассчитать по формуле: N T V ArFmn Н С ПДК ПДВ ф 2 ) ( , (2) где С ф – фоновая концентрация в данном населенном пункте или городе; Н – высота труб; V – объем дымовых газов, выбрасываемых в единицу времени; ΔТ – перегрев газов относительно окружающего воздуха; А и r – коэффициен- ты, характеризующие соответственно неблагоприятные климатические условия и влияние рельефа (для ровной местности r = 1); F – коэффициент, опреде- ляющий влияние осаждения примеси (для газов F = 1); m и n – вспомогатель- ные параметры. Установление ПДВ защищает население от возможного неблагоприятно- го воздействия атмосферных загрязнений, поступающих в приземный слой ат- мосферы от конкретного предприятия. При этом основным нормативом остает- ся ПДК, а величина ПДВ имеет вспомогательное значение, существенно облег- чая контроль над выбросами предприятия. Системы контроля на предприятиях отслеживают источники выбросов и соблюдение ПДВ. 111 ПДК веществ в водных объектах – это концентрации веществ в воде, вы- ше которых вода становится непригодной для использования. При поступлении в водные объекты нескольких веществ и с учетом при- месей, поступающих в водные объекты от вышерасположенных предприятий, как и в случае загрязнения атмосферы, должно выдерживаться условие: 1 2 2 1 1 N N ПДК C ПДК C ПДК C , (3) В настоящее время органами санитарной службы установлены ПДК в во- де водоемов для более 400 различных веществ. Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами запрещено сбрасывать в водные объекты сточные воды, содержащие вещества, для которых не установлены ПДК. 7.5. Мониторинг окружающей среды Мониторингом называется система наблюдений, оценки и прогноза со- стояния окружающей природной среды. Цель мониторинга – выявление антро- погенных загрязнений. Мониторинг охватывает наблюдения за источниками и факторами антро- погенных воздействий – химическими, физическими (излучение, тепловое за- грязнение) и за эффектами, вызываемыми этими воздействиями в окружающей среде, прежде всего, за реакцией биологических систем. Система мониторинга может охватывать как локальные районы, так и земной шар (глобальный мониторинг для оценки состояния биосферы). В СНГ разработана система мониторинга на разных уровнях: глобальном, региональ- ном и местном. Сеть станций контроля загрязнения атмосферного воздуха включает 1500 станций, загрязнения внутренних водоемов – 3343 станции, морского загрязнения – 1500 станций; организовано 2000 постов для контроля загрязнения почвы. 112 7.6. Экономические последствия загрязнения окружающей среды Загрязнение окружающей среды обусловливает два вида затрат в народ- ном хозяйстве: затраты на предупреждение воздействия (ущерба) загрязненной среды на отдельные объекты и затраты, вызываемые самим воздействием (ущербом, причиняемым окружающей среде соответствующими выбросами). Сумма этих затрат выражает экономический ущерб, причиняемый народному хозяйству загрязнением окружающей среды. Укрупненную экономическую оценку годового ущерба от выбросов за- грязнений в атмосферу для любого источника можно определить по формуле: (4) где У а – ущерб, руб./год; γ – удельный ущерб от выбросов единицы условной массы загрязняющих веществ, руб./усл. т; σ – безразмерный показатель, харак- теризующий относительную опасность загрязнения атмосферного воздуха над территориями различного типа; f – безразмерная поправка, учитывающая ха- рактер рассеивания загрязнений в атмосфере; М – приведенная условная масса выброса загрязнения из источника, усл. т/год. Все величины зависят от различ- ных факторов, включая и токсичность веществ. Ущерб, причиняемый выбросами загрязнений в определенный водоем, для любого источника (предприятия, населенного пункта) определяется по ана- логичному уравнению: (5) где У в – ущерб, руб./год; γ – удельный ущерб от сброса в водоем единицы ус- ловной массы загрязняющего вещества, руб./усл. т; σ – безразмерный показа- тель, характеризующий относительную опасность загрязнения различных водо- хозяйственных участков (например, для устья Северного Донца – 3,70, а для устья Енисея – 0,11), М – приведенная условная масса сброса загрязнений дан- ным источником, усл. т/год. 113 Может быть рассчитан также экономический ущерб от загрязнения и от- чуждения, наносимого земельным ресурсам. В большинстве промышленно развитых стран экономический ущерб от загрязнения окружающей среды составляет 3–5 % валового национального продукта, при этом расходы на мероприятия по сокращению загрязнения дос- тигли 1–3 %. Капитальные затраты на охрану окружающей среды в различных отраслях промышленности достигают 5–20 % от общих капитальных вложений. 114 8. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ БЕЗОТХОДНЫХ ПРОИЗВОДСТВ 8.1. Классификация отходов Любое производство, в том числе и химическое, имеет отходы. Даже при полном использовании сырья и энергетически замкнутом производстве в нем имеют место необратимые потери. Отходы производства – невостребованная в получении продукта часть компонентов производства. По виду отходы подразделяются на материальные и тепловые. По источнику образования отходы бывают: технологические – образуются в основных технологических процессах; отходы вспомогательных материалов; тепловые – образуются из-за неполноты использования тепловых и энергетических ресурсов; потери, связанные с несовершенством оборудования и нарушениями режима (утечки через неплотности, дополнительные расходы при работе в неоптимальном режиме, при пуске и остановке агрегатов, в аварийных си- туациях). По периодичности появления отходы могут быть: постоянные, образующиеся равномерно во времени; «залповые», когда происходит кратковременный выброс в аварийных ситуациях, при переключении режима, при пуске и остановке агрегатов. В любом случае в ХТС должна быть предусмотрена защита окружающей среды и обслуживающего персонала от вредных воздействий отходов. 8.2. Концепция минимизации отходов Концепция минимизации отходов направлена на защиту окружающей среды. Она связана с экологической обстановкой в регионе, где расположено производство, и с санитарно-гигиеническими условиями для обслуживающего персонала. Реализация этой концепции, в первую очередь, связана с улучшени- 115 ем использования сырьевых и энергетических ресурсов (соответствующие приемы были рассмотрены выше), а также включает в себя следующие специ- альные мероприятия. 1. Санитарная очистка и обезвреживание выбросов предполагает уста- новку подсистем ХТС, в которых вредные (токсичные) примеси удаляются из выбрасываемых потоков (санитарная очистка) или переводятся в нетоксичное состояние (обезвреживание). В этих случаях содержание примесей становится меньше допустимой нормы по вредному воздействию их на окружающую сре- ду, и такие отходы можно сбрасывать. Системы санитарной очистки и обезвре- живания могут представлять собой самостоятельные участки производства или подразделение предприятия, куда направляются отходы с отдельных произ- водств. 2. Уменьшение и замена вспомогательных потоков. Например, при ох- лаждении потоков до температуры окружающей среды используют водяные холодильники. Они подвержены коррозии (вода может разрушать аппаратуру из-за наличия растворенных в ней солей и кислорода воздуха), что приводит к возникновению аварийных ситуаций. Кроме того, для охлаждающего агента – воды – требуется сложная система очистки и отвода тепла от нее (утилизиро- вать теплоту чуть теплой воды нерационально). Замена водяных холодильников на воздушные значительно упрощает систему охлаждения и уменьшает вред- ные выбросы. 3. Замкнутый водооборот. Вода в довольно большом количестве исполь- зуется как вспомогательный материал в химических производствах. Проходя через технологическую аппаратуру, трубопроводы, она загрязняется и требует дорогостоящей очистки. Используя замкнутый водооборот, исключают отходы загрязненной воды. 4. Повышение надежности оборудования и элементов ХТС, позволяю- щее исключить потери в виде утечек и выбросов любых компонентов. Основ- ные источники такого рода потерь и плохо контролируемых отходов: 116 разрушение конструктивных элементов оборудования из-за силовых воздействий (давления, трения, весовых нагрузок, воздействия внешней среды); коррозионное разрушение элементов оборудования; нарушение целостности соединительных деталей (фланцы, разъемы) и уплотнительных устройств (сальники). Мероприятия по их предотвращению: использование совершенных конструкций; подбор соответствующих конструкционных материалов, устойчивых к имеющимся воздействиям (механическим, химическим); соблюдение технологической дисциплины ведения процесса; регулярный профилактический осмотр (диагностика) состояния обо- рудования и его ремонт; прогнозирование возможных нарушений на основе диагностики со- стояния и теории надежности систем. Кардинальным методом претворения в жизнь концепции минимизации отходов было бы создание безотходного производства. Этот термин прочно обосновался в литературе (особенно популярной) для характеристики произ- водств. Но «безотходное производство» не есть «производство без отходов», ибо, как было показано выше, последнее противоречит второму закону термо- динамики: в необратимых процессах всегда имеет место диссипация энергии, да и другие потери практически неизбежны. Понятие «безотходное производство» связано с понятием экологической безопасности, т. е. безвредности производства для окружающей среды, или, точнее, для экосферы определенного региона, где это производство расположе- но. Надо иметь в виду, что производство воздействует на окружающую среду не только выбросами, но и самим своим присутствием, т. к. для его строитель- ства отчуждается территория, и этим уже нарушается состояние экосферы в ре- гионе. Далее, для обеспечения производства создается инфраструктура – жилые 117 комплексы с их обеспечением, дороги, что вносит еще большие возмущения в экосферу. Если эти возмущения малы, т. е. не имеют заметного распространения за пределы территории и не влекут за собой долговременных жизненно важных последствий (например, генетических изменений), то такое производство мож- но считать безотходным или малоотходным (четкую границу между этими ви- дами производства провести, конечно, трудно, и она условна). |