«М.В. Бренчугина А.И. Сечин ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие Северск 2006 Рецензенты: Бахматова Г.В. - ведущий эколог комитета охраны окружающей среды и природопользования администрации ЗАТО Северск Федорчук Ю.М. - ...»

Федеральное агентство по атомной энергии

Северская государственная технологическая академия

М.В. Бренчугина

А.И. Сечин

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Учебное пособие

Северск 2006

Рецензенты:

Бахматова Г.В. - ведущий эколог комитета охраны окружающей среды

и природопользования администрации ЗАТО Северск Федорчук Ю.М. - профессор Томского политехнического университета, доктор технических наук УДК 502/504 ББК 28.08 Б - 877 Бренчугина М.В., Сечин А.И. Промышленная экология: Учебное пособие. - Северск: СГТА, 2006.- 163 с.

ISBN 3 9Y S ?

В данном пособии изложены основные понятия промышленной эко­ логии, состояние окружающей среды на сегодняшний день, экологические последствия антропогенной деятельности человека. Подробно описаны способы и средства защиты атмосферы, гидросферы и литосферы от про­ мышленных загрязнений. Освещены вопросы воздействия техногенных факторов на человека, отдельное внимание уделено нормированию вред­ ных веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере, а также нормированито физических загрязнений. Приведен технико-экономический ш а л ю ущерба окружающей среды, рассмотрена процедура проведения экологической экспертизы и вопросы экологического мониторинга.

Учебное пособие подготовлено на кафедре “Химии и технологии ма­ териалов современной энергетики” СГТА и предназначено для студентов дневного обучения по специальности «Машины и аппараты химических производств».

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Северской государственной технологической академии.

УДК 502/ ББК 28. ISBN Темплан 2006, поз. © Северская государственная технологическая академия,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Понятие промышленной экологии

2 Основные понятия промышленной экологии

2.1 Понятие производственного процесса

2.2 Проблема комплексного использования сырья и отходов

2.3 Основные загрязнители окружающей среды в процессе производственной деятельности

3 Современное состояние и охрана атмосферы

3.1 Структура, состав и функции атмосферы

3.2 Классификация источников выбросов загрязняющих веществ

3.3 Характеристика загрязняющих веществ атмосферы

3.4 Последствия загрязнения атмосферы................

3.4.1 Кислотные дожди

3.4.2 Парниковый эффект

3.4.3 Озоновый экран Земли

3.4.4 Смог

3.5 Нормирование атмосферных загрязняющих веществ

3.6 Мероприятия по уменьшению загрязнения атмосферы от промышленных предприятий

3.6.1 Очистка отходящих газообразных выбросов на действующих предприятиях

3.6.2 Рассеивание вредных веществ отведением выбросов на большую высоту и устройство санитарных зон

3.6.3 Зеленые насаждения

3.6.4 Уменьшение загрязнения внутренней производственной среды

4 Современное состояние и охрана гидросферы

4.1 Водные ресурсы

4.1.1 Гидросфера. Фундаментальные свойства гидросферы

4.2 Потребности человека в воде

4.3 Потери воды. Основные причины потерь воды

4.4 Источники загрязнения водоемов

4.5 Классификация сточных вод по загрязняющим веществам

4.6 Экологические последствия загрязнения воды в водоемах

4.7 Нормирование загрязняющих веществ в сточных водах

4.8 Методы очистки сточных вод

4.8.1 Классификация методов очистки

4.8.2 Удаление взвешенных частиц

4.8.3 Физико-химические методы очистки

4.8.4 Электрохимические методы

4.8.5 Химические методы очистки

4.8.6 Биохимические методы

4.8.7 Термические метода

4.9 Замкнутые (оборотные) системы водоснабжения

5 Современное состояние и охрана почв

5.1 Почва. Функции почвы

5.2 Основные виды нарушений почвы

5.3 Контролируемые показатели и методы почвенно-химического мониторинга

5.4 Повышение эффективности использования земель

5.5 Рекультивация земель

6 Проблемы твердых бытовых отходов

6.1 Классификация твердых отходов

6.2 Методы переработки и обезвреживания твердых отходов

6.2.1 Классификация методов

6.2.2 Полигоны для твердых отходов

6.2.3 Термические методы обезвреживания и утилизации ТБО

6.2.4 Переработка твёрдых отходов на компост

6.2.5 Рециклизация

6.2.6 Обработка осадка сточных вод

6.3 Хранение и нейтрализация токсичных промышленных отходов................ 7 Безотходное и малоотходное производства

8 Физическое загрязнение окружающей среды

8.1 Классификация физических загрязнений

8.2 Ионизирующее излучение (радиационное загрязнение)

8.2.1 Понятие ионизирующего излучения

8.2.2 Источники ионизирующих излучений

8.2.3 Экологические последствия действия ионизирующих излучений............. 8.2.4 Нормирование и защита окружающей среды от ионизирующих излучений

8.3 Электромагнитные п оля

8.3.1 Понятие электромагнитного поля

8.3.2 Источники электромагнитных полей

8.3.3 Воздействие электромагнитных полей на живые организмы

8.3.4 Нормирование электромагнитных полей

8.3.5 Защита от электромагнитных полей

8.4 Виброакустические факторы: шум, вибрация

8.4.1 Понятие и физические характеристики шума, вибрации

8.4.2 Источники шумов, вибраций

8.4.3 Действие виброакустических факторов на организм

8.4.4 Нормирование виброакустических факторов

8.4.5 Защита от воздействия шума, вибраций

9 Технико-экономический анализ ущерба окружающей среды............... 9.1 Экологический и экономический ущербы

9.2 Затраты на предотвращение воздействия загрязненной окружающей среды

9.3 Нормативы платы за загрязнение природной среды

10 Оценка воздействия на окружающую природную среду и экологическая экспертиза

10.1 Процедура оценки воздействия на окружающую природную среду........... 10.2 Процедура проведения экологической экспертизы

11 Экологический мониторинг.........

11.1 Понятие экологического мониторинга

11.2 Экологический мониторинг атмосферного воздуха

11.3 Экологический мониторинг водных объектов

11.4 Экологический мониторинг земель и почв

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Каждый момент в своей жизни мы связаны с окружающим миром. Но в связи с развитием научно-технического прогресса негативное вмешательство человека в при­ родные процессы резко усилилось, стало более разнообразным и, как следствие, более опасным. Численность населения Земли неуклонно растет, возрастает роль техники, объемы производства и потребления увеличиваются, а социальное неблагополучие в мире не исчезает. Более того, до сих пор человек сознательно ухудшает состояние ок­ ружающей среды. И сейчас, в нашей повседневной жизни, мы все чаще употребляем термин не «природа», а понятие «окружающая среда». В результате производственной деятельности человека возникли сложные структуры взаимодействия технических и природных комплексов, которые влияют на состояние природных комплексов, на про­ цессы распределения вещества и энергии, баланс между атмосферой, литосферой и гид­ росферой. И если 20...30 лет назад экологические проблемы обсуждались специалиста­ ми, то сейчас о критическом состоянии нашей планеты известно всем и каждому.

Поэтому в учебные планы вузов обязательно вводятся различные экологические дисциплины. Курс «Промышленная экология» является одной из важных частей эколо­ гии. Цель данного курса заключается в осмыслении и понимании существующих про­ блем, связанных с воздействием производства на биосферу, в изучении основ производ­ ственной деятельности человека, изучении взаимосвязей в системе «промышленное предприятие - окружающая среда» и основных методов и средств защиты биосферы от техногенного влияния общества. Курс предполагает рассмотрение вопросов нормирова­ ния загрязнителей в биосфере, нормирование ионизирующих излучений, электромаг­ нитных полей, виброакустических факторов, ряд технико-экономических вопросов, а также темы экологической экспертизы и мониторинга.

Полученные знания позволят будущим инженерам принимать не только проект­ ные и управленческие решения, но и адекватные решения в кризисных, да и не только, ситуациях, которые охватывают все сферы нашей жизни.

1ПОНЯТИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ экологии Термин «экология» (от греч. oikos - жилище, дом, logos - учение) ввел в научный обиход немецкий биолог Эрнст Геккель более 130 лет назад в 1866 году, когда в своей двухтомной монографии «Общая морфология организма» он назвал экологией один из разделов биологии. В его понимании экология- это наука об отношении отдельных организмов между собой и окружающей средой или наука о взаимодействии живой (биоценоза) и неживой природы. Это определение характеризует науку экологию в уз­ ком смысле понимания этого слова как биологическую науку.

С 60 - х годов 20 столетия узкое понятие экологии вышло за пределы биологии.

Толчком этого явилось развитие научно-технического прогресса, интенсивное изъятие природных ресурсов и техногенное загрязнение окружающей среды. В современном понимании экология - это наука о функционировании и развитии экологических сис­ тем различных иерархических уровней в природе и обществе в га взаимосвязи. Эта такая наука, в согласовании с которой должна строиться вся жизнедеятельность человека.

Предметом изучения экологии являются экосистемы.

Экосистема - это сложная природная система, взаимосвязанная единая функ­ циональная совокупность живых организмов с неживыми компонентами. Самой боль­ шой системой является биосфера Земли. Биосфера - это внешняя живая оболочка на­ шей планеты, находящаяся на границах атмосферы, литосферы, гидросферы.

Как любая наука, экология имеет свои основные и фундаментальные законы. Ос­ новной закон экологии гласит, что развиваются не только организмы, но и экосисте­ мы. Законы развития природы - это объективные законы более высокого порядка для человека, чем законы развития общества. По словам Гете, природа не признает ошибок, она всегда права, она всегда правдива, всегда серьезна; ошибки и заблуждения исходят от людей.

Существуют фундаментальные законы экологии или так называемые «экологи­ ческие поговорки», формулировка которых в образной форме дана английским ученым Барри Коммонером:

1 закон. Все связано во всем. Другими словами в природе все взаимосвязано и каждая ее часть уникальна.

2 закон. Все должно куда-то деваться. Какая бы ни была заводская труба, а за­ грязнители попадут в воздух, воду и почву. Это закон сохранения массы веществ.

3 закон. Природа знает лучше. О том, что необходимо учитывать законы приро­ ды. О главном критерии эволюционного отбора. Сейчас планету населяет лишь тысяч­ ная часть испытанных эволюцией животных и растений, которые находятся в гармонии с природой.

4 закон. Ничто не дается даром. Все имеет свою цену, за все надо платить, как, например, нет бесплатных природных ресурсов.

Закон ограниченности ресурсов. Иначе - природные ресурсы Земли конечны.

Это источник всех форм конкуренции, антагонизма в природе и обществе. Внутри по­ пуляций - борьба за пищу, пространство, партнерство и т.д., в человеческом обществе классовая борьба, расизм, межрелигиозные и межнациональные конфликты.

Изучение биосферы как системы началось с развитием науки и промышленно­ сти. Биосфера состоит из живой природы (биоты), окружающей среды, антропогенного фактора. В настоящее время биосфера является не только источником ресурсов для че­ ловека, но и приемником отходов его производства. И если раньше, до середины XX века, говорили: природа и человек, то сейчас правильнее использовать термин: окру­ жающая среда и человек. Окружающая среда - это природная среда и то, что создано человеческой цивилизацией. Окружающая среда характеризуется взаимодействием не­ живой природы и живых организмов. Она включает совокупность природной среды, искусственно созданной и социально-экономической среды [1]. Таким образом, природа тогда превратилась в окружающую среду, когда воздействие человечества на нее стало соизмеримым с возможностями природы к самосохранению.

Вообще организм и окружающую среду можно представить в виде некоторой системы [2] (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Пути взаимодействия организма и предприятия с окружающей средой Из схемы видны пути взаимодействия организма с окружающей средой. Это взаимодействие описывается экологией. Заменим организм на другой объект, например, на промышленное предприятие. Тогда мы будем иметь дело с промышленной экологи­ ей. Ведь важнейшим рычагом воздействия на природу, оказываемого человеком, явля­ ется его производственная деятельность.

Важно следующее. Проявление различных вредных факторов (сбросы, излуче­ ние, отходы, магнитные поля) в рабочей зоне и на промышленной площадке предпри­ ятия является сферой охраны труда. Наличие этих же факторов за промышленной зоной в природной среде - сфера интересов промышленной экологии. Если стереть границу между природной средой и промышленной зоной, то это приведет к тому, что многие методы, разработанные в сфере охраны труда, будут эффективны и при решении задач промышленной экологии [2].

Таким образом, наука промышленная экология изучает экологический аспект производственной деятельности человека Промышленная экология -это:

- инженерная дисциплина, изучающая взаимодействие живых существ с окру­ жающей средой в условиях антропогенного воздействия. Антропогенный фактор свя­ зывают, прежде всего, с энергетикой, промышленностью, сельским и городским хозяй­ ством;

- система инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного комплекса.

Предметом изучения промышленной экологии является изучение закономерно­ стей формирования взаимосвязей в системе «окружающая среда - предприятие». Это система типа «вход-выход», представленная на рисунке 1.2 [2].

сплошная линия - организованные потоки; пунктирная линия - неорганизованные потоки (выбросы, по­ тери, сбросы); ТБ - технологический блок; ЦП - целевой продукт; ЭС - экологическая система;

А - рабочее помещение (рабочая зона); Б - промышленная площадка; территория предприятия;

зона В - окружающая природная среда (ОПС); природный территориальный комплекс Главными задачами промышленной экологии являются поиск и реализация на­ дежных способов и средств обеспечения условий выживания природы и человека при функционировании природно-промышленного комплекса.

Природно-промышленный комплекс - это структура, возникающая за счет взаимодействия предприятия с природной окружающей средой, включающей как био­ тическую (живую природу), так и абиотическую (неживую природу - солнечную радиа­ цию, климат, почвенно-грунтовые условия) составные части. В качестве примера при­ родно-промышленного комплекса можно привести нефтеперерабатывающий завод, ко­ торый газообразными, жидкими и твердыми загрязняющими веществами воздействует на атмосферу, гидросферу, литосферу, флору и фауну (биоту). Он территориально ого­ рожен забором. Условно, часть биосферы внутри забора - предмет рассмотрения промышленной экологии; область биосферы вдали от забора, когда влиянием нефтеперера­ батывающего завода можно пренебречь, - предмет изучения экологии.

2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ

2.1 Понятие производственного процесса Важным понятием промышленной экологии является производственное пред­ приятие. Производственное предприятие - организация, осуществляющая производ­ ственный процесс, в результате которого получается определенная продукция. Произ­ водственное предприятие занимает определенную территорию, находится в определен­ ном здании, включает в себя вспомогательные службы, имеет различные коммуникации и за счет своей производственной деятельности оказывает влияние на природную окру­ жающую среду.

В основе деятельности любого предприятия лежит производственный процесс совокупность операций по добыче и переработке исходных материалов (в общем слу­ чае сырья) в определенную продукцию (она может быть конечной продукцией, а мо­ жет быть и полуфабрикатом, т.е. служить основой для получения другой продукции).

По характеру протекания производственные процессы бывают 3-х видов:

- непрерывные процессы. В систему непрерывно подаются исходные компонен­ ты и непрерывно удаляются готовые продукты. Например, доменный процесс - в домну непрерывно подают руду и шихту, а из домны извлекают расплавленный чугун; процесс может длиться от запуска домны до остановки на ремонт;

- периодические. Протекают в 3 стадии: загрузка, протекание технологического процесса и выгрузка. Например, варка стали в мартеновских печах, растворение отрабо­ тавших урановых блоков и т.д;

- комбинированные - производственный процесс включает в себя стадии, кото­ рые реализуются по непрерывному и периодическому, характеру.

Так, рассматривая производственный процесс варки стали из природных желез­ ных руд (а не из передельного чугуна) можно видеть, что получение чугуна осуществ­ ляется непрерывно, а варка стали в конверторах (или других аппаратах) осуществляется периодически.

По характеру циклов производственные процессы делятся на три группы:

1) процессы с разомкнутой или открытой схемой. Например, конверторный спо­ соб варки стали;

2) процессы с замкнутой схемой. Например, система охлаждения резца токарно­ го станка при скоростном резании (охлаждающая эмульсия циркулирует между бачком, резцом и сборником жидкости);

3) процессы со смешанной схемой, примером которых является получение ам­ миака синтезом из азота и водорода (непрерывное поступление в колонну синтеза ам­ миака азота и водорода, выделение из колонны синтеза готового аммиака, а не всту­ пившие в реакцию азот и водород вновь возвращаются в колонну синтеза) [1].

С экологической точки зрения наилучпгами являются процессы с замкнутым циклом, когда в процессе производства вещества используются многократно и «обслу­ живающие вещества» (вода, обогревающие газы и т.д.) не выделяются в окружающую среду, а вновь применяются в производственном процессе, а из производственной сфе­ ры выделяется только продукция данного процесса.

2.2 Проблема комплексного использования сырья и отходов Основой любого производства является сырье, без которого ни одно производст­ во не может функционировать. Сырье - это природные или другие материалы, которые экономически выгодно перерабатывать в готовую продукцию. Сырье получают либо из природных ресурсов, либо в качестве сырья используют отработанные в процессе экс­ плуатации изделия, пригодные для дальнейшего использования.

Природные ресурсы - это то, что не создано самим человеком, а используются им для поддержания своего существования, для обеспечения развития общества. Они обладают полезными для человека свойствами. Природные ресурсы, с одной стороны, это вид материи, с другой, - силы природы. Их называют элементами природы (матери­ альные и энергетические), которые используются человеком в производственной дея­ тельности для получения готовой продукции. К материальным ресурсам относят зе­ мельные, водные ресурсы, растения, животных, полезные ископаемые. К энергетиче­ ским ресурсам - энергию солнца, ветра, воды, тепловую энергию недр (гейзеры, теплоту нижних слоев земной коры и др.) [1].

Особенностью природных ресурсов является то, что они входят в природную среду, как неотъемлемый компонент, и социальную среду, как вещественный элемент производства. По характеру возобновляемости природные ресурсы делят на группы [3] (рисунок 1.3).

Ресурсы полезных ископаемых возобновимы в процессе эволюции литосферы, но время их возобновления, измеряемое сотнями тысяч и миллионами лет, несопоста­ вимо со временем разработки месторождений и расходованием минеральных богатств.

Такая интенсивная разработка месторождений приведет к истощению земных недр.

Человечество не может существовать, не используя природные ресурсы. Приро­ допользование - процесс эксплуатации природных ресурсов (извлечение полезных свойств природы) для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Природопользование предполагает вовлечение природных ресурсов в хозяйст­ венную деятельность человека.

ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ

ИСЧЕРПАЕМЫЕ

ПРАКТИЧЕСКИ

НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ

Оно может быть рациональным (оптимальным, разумным) и нерациональным. К сожалению, современное состояние природопользования в нашей стране можно охарак­ теризовать как нерациональное, т.е. такое, которое вызывает истощение природных ре­ сурсов, нарушение экологического равновесия природных систем, загрязнение окру­ жающей среды. Основным видом энергоресурсов остается пока минеральное топливо нефть, газ, уголь. Эти источники невозобновимы, и при нынешних темпах роста их до­ бычи они могут быть исчерпаны через 80...140 лет. В качестве топлива также исполь­ зуются невозобновимые уран и торий [4].

Таким образом, важной составной частью природных ресурсов являются полез­ ные ископаемые (минеральные ресурсы) - горные породы, которые добываются из недр Земли. Минеральные ресурсы являются основой для развития важнейших отраслей промышленного производства, таких как энергетика, черная и цветная промышлен­ ность, строительство и др.

В зависимости от области промышленного использования выделяют следующие группы минеральных ресурсов:

- топливно-энергетические (нефть, газ, уголь, торф, урановые руды);

- рудные ресурсы (железная и марганцевая руда, бокситы, медные, свинцово­ цинковые, никелевые, вольфрамовые, молибденовые, оловянные руды, руды благородных металлов);

- горно-химическое сырье (апатиты, фосфориты, поваренная и калийная соль, сера, бром и йод содержащие);

-нерудные полезные ископаемые и драгоценные камни (известняк, доломит, глина, песок, мрамор, гранит, яшма, агат, алмазы);

- гидроминеральные ресурсы (подземные пресные и минерализованные воды).

Следует отметить, что полезные ископаемые являются составной частью при­ родных ресурсов, образуя материальные ресурсы, из которых можно или извлекать энергию (природный и попутный газ, каменный уголь, частично нефть), или получать сырье для производства различной продукции. Нужно помнить, что полезное ископае­ мое становится сырьем только после добычи и частичной переработки полезного ис­ копаемого [1], т.к., например, многие руды требуют обогащения; добытое полезное ис­ копаемое необходимо доставить к месту производства, размельчить и т.д.

Существует также несколько классификаций сырья. По составу сырье делят на минеральное, образованное неорганическими веществами, иногда с примесью органи­ ческих, например, каменный уголь и органическое, которое состоит из органических веществ, но может включать как примеси и неорганические вещества. Органическое сырье разделяют на растительное (семена злаковых и масличных растений и др.) и жи­ вотное (мясо и шкуры животных, шерсть и др.). К органическому сырью можно отнести нефть, природные и попутные газы, но эти соединения и их смеси добывают из недр и они могут образовываться как из растительных, так и из животных организмов или иметь неорганическое происхождение (по одной из теорий происхождения нефти).

По характеру источника сырья его делят на первичное и вторичное. Первичным сырьем называют такие вещества, которые впервые используются в производственном цикле (кокс, руда в доменном процессе). Вторичным сырьем называются вещества, ко­ торые содержатся в отработанных изделиях, используемые для получения новой про­ дукции. В зависимости от источника образования они делятся на две группы: отходы производства и отходы потребления. Например, использованная бумага (газеты, книги и др. макулатура) является сырьем для получения новой бумаги специального назначения и добавляется к целлюлозе, применяемой впервые. Макулатура при производстве одной тонны бумаги и картона позволяет экономить древесину, воду и в два раза снизить за­ траты электроэнергии. Отсюда себестоимость продукции снижается в два-три раза. Же­ лезный лом добавляется к передельному чугуну при варке стали. Из сала (обрезки, от­ ходы) животных готовят мыло. Большую экономическую выгоду дает использование отходов цветных металлов. Например, для получения одной тонны меди из руды необ­ ходимо добыть из недр и переработать 700.:.800 т рудоносных пород.

Следовательно, вторичное сырье является дополнительным источником, позво­ ляющим экономить полезные ископаемые и другие источники первичного сырья.

В реализации производственной деятельности большую роль играют и энергети­ ческие ресурсы, которые, как и материальные, делят на первичные и вторичные.

Первичные энергетические ресурсы делят на;

- традиционные, к которым относят атомную (ядерную) энергетику; тепловую энергетику и гидроэнергетику;

- нетрадиционные. Часть энергии получают, используя нетрадиционные источ­ ники, к которым относится гелиоэнергетика, где станции вырабатывают электроэнер­ гию за счет солнечной радиации; энергия морских течений и приливов, в десятки раз превышающая мощность существующих ГЭС; геотермальная энергетика, где исполь­ зуется энергия горячих подземных вод; ветровая энергетика, которая является самым экономичным способом получения энергии, но небольшой мощности - до 1МВт на ка­ ждую установку.

К вторичным энергетическим ресурсам относят:

- использование энергии в виде тепла отходящих газов. Так, смесь азота, водоро­ да и аммиака, выходящая из колонны синтеза нагревает смесь азота и водорода, посту­ пающую в колонну синтеза;

- использование тепла горячей воды, полученной в производственном процессе за счет охлаждения оборудования, в бытовых и других целях;

- энергию, полученную за счет сжигания отходов производства. Например, улав­ ливаемые из домны отходящие газы можно использовать как сырье для получения энер­ гии, так как эти газы содержат СО, при сжигании которого выделяется энергия.

Исходя из рассмотренных вопросов, связанных с использованием ресурсов в производстве, важно понимать, что роль оптимального их использования велика как с экономической, так и с экологической точек зрения. Поэтому возникает проблема ком­ плексного использования сырья, энергетических ресурсов, побочных веществ и отходов так, чтобы нанести минимальный вред природной окружающей среде.

2.3 Основные загрязнители окружающей среды в процессе производственной деятельности Вещества, ухудшающие качество окружающей среды, называются загрязните­ лями. Это любые инородные поступления (материальные, энергетические), не свойст­ венные данной среде. Это могут быть различные вещества, тепловая энергия, электро­ магнитные колебания, энергия вибраций, звука, радиации, которые поступают в среду в количествах, достаточных для того, чтобы оказать вредное воздействие на живую при­ роду. Таким образом, загрязнители бывают материальные и энергетические.

Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физиче­ ских или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговоро­ та и обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной экосистемы [5].

Различают природные загрязнения, вызванные природными, зачастую катастро­ фическими причинами, и антропогенные, ведь любая деятельность человека сопровождается большим или меньшим загрязнением окружающей среды. Глобальными источ­ никами загрязнений окружающей природной среды являются производственная дея­ тельность человека, бытовая деятельность человека, а также природные явления, при­ водящие к возникновению чрезвычайных ситуаций.

Вещества-загрязнители имеют несколько классификаций по разным признакам.

Важнейшими материальными загрязнителями среды являются отходы производства и побочные продукты (если последние поступают в среду обитания). В предыдущем раз­ деле отходы производства и потребления рассматривались как источники вторичного сырья, но, к сожалению, эти отходы далеко не всегда утилизируются как вторичное сы­ рье. Следовательно, отходы производства и побочные продукты являются основным источником загрязнения среды различными химическими соединениями. Кроме того, к материальным загрязнителям относятся механические загрязнения (пыль, аэрозоли, твердые частицы в почве) и биологические (все виды организмов, появляющиеся при участии человека (сине-зеленые водоросли, грибы, бактерии) [5].

По агрегатному состоянию загрязнители делятся на газообразные (угарный, уг­ лекислый, сернистый газы и т.д.), жидкие (сточные воды, содержащие в растворенном состоянии соли тяжелых металлов, фенол, бензол и т.д.) и твердые (пустая порода по­ сле добычи каменного угля, зола после сжигания твердого топлива при работе ТЭЦ, хлорид кальция при производстве соды и т.д.).

Большое значение для экологии имеет классификация загрязнителей по токсич­ ности или по степени потенциальной опасности. Согласно ГОСТ 12.1.007 - 76 различа­ ют 4 класса веществ-загрязнителей:

I класс - чрезвычайно опасные (среднесменная концентрация в воздухе 0,1мг/м3).

К этому классу относят ртуть, ее соединения, гексахлоран, бензапирен, диоксины, со­ единения серебра и хрома, бериллий, озон. При воздействии этих веществ на организм человека возникают раковые заболевания, нарушается нервная деятельность и возника­ ют другие заболевания, возможен летальный (смертельный) исход;

II класс - высокоопасные загрязнители (среднесменная концентрация в воздухе 0,1...1,0мг/м3). К ним относят сероводород, бензол, оксиды азота, анилин, кислородные соединения хлора, соединения меди и никеля. Это сильные яды, провоцирующие рако­ вые заболевания, вызывающие общие отравления, экзему, нервный паралич;

1,0...10мг/м3). Это уксусная кислота, фенол, диоксид свинца, уксусный и муравьиный альдегид. При их воздействии на организм нарушается работа отдельных органов, осо­ бенно опасны эти вещества в больших количествах;

IV класс - малоопасные (среднесменная концентрация в воздухе более 10,0мг/м ).

К ним относят аммиак, угарный и углекислый газы, хлориды цинка, алюминия, марган­ ца (II) и др. В больших количествах вызывают отравление организма.

Энергетические загрязнения сейчас привлекают к себе такое же внимание, как и материальные загрязнители. Они относятся к физическому загрязнению, которое связа­ но с изменением физических параметров окружающей среды, с их отклонением от есте­ ственного фона. Под энергетическими загрязнениями подразумевают электромагнит­ ные, виброакустические, радиационные и световые загрязнения окружающей среды.

3 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОХРАНА АТМОСФЕРЫ

Все мы прекрасно понимаем, что на Земле есть жизнь, пока существует земная атмосфера, газовая оболочка Земли, масса которой составляет около 5,9-10 15т [6]. В за­ висимости от температуры в газовой оболочке различают несколько зон, располагаю­ щихся на различных высотах от Земли.

В тропосфере, простирающейся до 7... 18км над уровнем моря происходит ин­ тенсивное вертикальное перемещение воздуха и здесь находится основная его масса (до 80%). Именно здесь формируется погода - осадки, облака, грозы, штормы. С увеличе­ нием высоты температура в тропосфере понижается до -50°С (рисунок 3.1). Выше тро­ Ьабс» К** Рисунок 3.1 - Изменение температуры по высоте в атмосфере ей молекул газа. Этот слой, высотой до 1300км оберегает все живое от вредного воздей­ ствия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. Выше, до 10000км расположена термосфера (экзосфера), где температура повышается от 200...1500°С, и плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к раз­ реженности вещества [5,6].

Каждая сфера отделяется от другой небольшой прослойкой-паузой и характери­ зуется определенным уровнем температур и давления и специфическими особенностя­ ми химических и физических явлений. Атмосферное давление с высотой уменьшается.

Газовый состав атмосферы представлен в таблице 3.1 [7]. Из таблицы видно, что в основном атмосфера состоит из азота и кислорода. Этот состав сохраняется до высоты 400...600км. На высоте 110... 120км кислород практически весь является атомарным.

Выше 600км в атмосфере начинает преобладать гелий, выше 20 0 0...3000км - водород.

Таблица 3.1 - Газовый состав атмосферы Каковы же функции атмосферы в экосистеме Земли?

1 Атмосфера Земли защищает живые организмы от вредного воздействия косми­ ческих ультрафиолетовых лучей, от метеоритного воздействия и резких колебаний тем­ ператур.

2 Атмосфера обеспечивает человека, животных и растительность мира земли жизненно необходимыми газовыми элементами, в частности, кислородом. Когда хотят подчеркнуть значение чего-нибудь, то говорят, «необходим как воздух». Да, человек может жить без пищи несколько недель, без воды - несколько суток, но смерть от уду­ шья наступает через 5...8 минут.

3 Велико значение атмосферы в распределении света. Воздух атмосферы разби­ вает солнечные лучи на миллион мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому мы привыкли. Наличие воздушной Ободочки придает нашему небу голубой цвет, так как молекулы основных элементов воздуха рассеивают лучи с короткой длиной волны, т.е. фиолетовые, синие и голубые. По мере удаления от Земли, а следовательно, уменьшения плотности и засоренности воздуха цвет неба становится темнее, воздушная оболочка приобретает густо-синюю, а далее и черно-фиолетовую окраску.

4 Атмосфера является средой, в которой распространяются звуки. Без воздуха на Земле царила бы тишина, невозможна была бы человеческая речь [1,5].

Ресурс атмосферного кислорода велик и возобновим. Но поскольку живые орга­ низмы очень восприимчивы даже к небольшим изменениям состава воздуха в результа­ те его загрязнения, то загрязнение атмосферы - это существенное сокращение важней­ шего природного ресурса.

3.2 Классификация источников выбросов загрязняющих веществ Проблема загрязнения воздушной среды существует много веков. Она возникла с первых поселений людей и до середины 19 века не наносила ущерба окружающей сре­ де. В течение длительного времени дым и копоть почти полностью рассеивались в ат­ мосфере. Природа сама обладала способностью к самоочищению.

Загрязнение и очищение атмосферы - это два взаимопротивоположных процесса.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на нейтра­ лизацию. Этой способностью природы человек долгое время бездумно злоупотребляет.

Отходы производства долгое время выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут переработаны самой природой. Но способность атмосферы к самоочищению имеет оп­ ределенный предел и если он будет превышен, то самоочищение в атмосфере не приве­ дет к полному рассеиванию и разложению примесей. В настоящее время загрязнение атмосферы - самый острый вопрос современной экологической ситуации планеты. Ис­ точниками загрязнения атмосферы являются практически все виды деятельности чело­ века. Практически все предприятия загрязняют атмосферу какими-то загрязнителями, но в большей или меньшей степени. Рассмотрим основные источники загрязнения [8] (рисунок 3.2).

- неорганическое (выветривание, вулканизм); г) отходы ТЭЦ Влиять на природные загрязнения атмосферы человек не может. Внеземное за­ грязнение - это космическая пыль из сгоревших остатков метеоритов, которой ежегодно выпадает на Землю несколько миллионов тонн. Природная пыль - составная часть зем­ ной коры, которая образуется при выветривании почвы и горных пород, вулканических извержениях, лесных, степных, торфяных пожарах, испарениях с поверхности морей и океанов. Естественное загрязнение обычно не приводит к отрицательным последствиям для экосистем.

Регулировать величину загрязнения в результате антропогенной деятельности человечество не только может, но и должно. Установлено, что наибольший вклад в за­ грязнение атмосферы вносят автотранспорт и предприятия металлургического комплек­ са, энергетического (теплоэнергетика и предприятия ЯТЦ), топливной и химической промышленности. Оборудование и технологии, применяемые для улавливания и обез­ вреживания выбросов вредных веществ в атмосферу, совершенствуются крайне мед­ ленно, в связи с чем продолжает оставаться низким уровень утилизации уловленных вредных веществ (лишь половина из них используется в производстве повторно), а ос­ новная доля улова приходится на менее опасные для здоровья населения твердые веще­ ства, в то время как газообразные и жидкие улавливаются лишь на 25%.

По данным Росгидромета, уровень улавливания вредных веществ на промыш­ ленных предприятиях составляет [9]:

а) строительных материалов - 91,6%;

б) химической и нефтехимической - 91,1%;

в) электроэнергетики - 84%;

г) цветной металлургии - 82,9%;

д) нефтедобывающей - 3,1% и газовой промышленности - 1,2 %.

Существуют различные классификации источников загрязняющих веществ (ЗВ) [10]. По виду источники выбросов ЗВ разделяются на точечные (дымовые и выхлопные трубы, факелы) и линейные (трубопроводы, газо-, нефтепроводы).

По подвижности источники выбросов разделяют на стационарные (промышлен­ ные предприятия, теплоэлектростанции и т.д.) и передвижные (автомобили, самолеты, физические лица, курящие табак).

Загрязнение атмосферы от промышленных и транспортных источников опреде­ ляется следующими факторами:

1) величиной выброса (чем больше выброс в единицу времени, тем больше за­ грязненность воздуха);

2) направлением и скоростью ветра (чем больше скорость ветра, тем быстрее происходит рассеяние и тем меньше концентрация загрязнителей в воздухе);

3) градиентом температур - разностью температуры на 1 единицу высоты (чем выше градиент, тем сильнее вертикальные потоки воздуха, тем больше угол раскрытия дымового факела и больше перемешивание загрязнения с воздухом);

4) влажностью воздуха (существует прямая зависимость между концентрацией дыма и относительной влажностью, т.к. частицы загрязнения - это ядра конденсации для водяных паров, спускающиеся к низу);

5) расстоянием от источника выброса;

6) высотой выброса (чем выше труба, тем меньше концентрация золы и сажи в воздухе у земли).

3.3 Характеристика загрязняющих веществ атмосферы Загрязнения в атмосферу могут поступать из источников непрерывно или перио­ дически, залпами или мгновенно [11]. В случае залповых выбросов за короткий проме­ жуток времени в воздух выделяется большое количество вредных веществ. Залповые выбросы возможны при авариях, при сжигании бысторогорящих отходов производства на специальных площадках уничтожения. При мгновенных выбросах загрязнения вы­ брасываются в доли секунды иногда на значительную высоту. Они происходят при взрывных работах и авариях.

В атмосферу попадают материальные загрязнители (вещества различных агре­ гатных состояний - газы, жидкости и твердые вещества) и энергетические загрязнители (звуковые шумы, вибрация, излучения тепловой и электромагнитной энергии, различ­ ные виды радиации).

Различают два типа загрязнения атмосферы материальными загрязнителями - загазовывание и запыление. Загазовывание связано с поступлением в атмосферу газооб­ разных загрязнителей. В атмосферном воздухе присутствуют тысячи газообразных за­ грязняющих веществ, которые оказывают негативное влияние на окружающую природ­ ную среду и человека. Запыление связано с поступлением в атмосферу мелкодисперс­ ных частиц твердых веществ. Запыление вызывается извержениями вулканов, пылевы­ ми бурями, попаданием пылевых частиц, образующихся при производстве цемента, му­ ки, кормовых дрожжей и т.д. Запыление приводит к понижению уровня поступления тепловой энергии и солнечной радиации, вызывает появление заболеваний верхних ды­ хательных путей и т.д.

Наиболее распространенные, «многотоннажные» (поступающие в атмосферу в количестве около Юмлн.тонн в год) загрязнители сравнительно немногочисленны. Но на их долю приходится 90...98% всех атмосферных выбросов в городах и промышлен­ ных центрах. Выделяют пять наиболее распространенных групп ЗВ, которые выделяют­ ся при сгорании топлива [5]:

- твердые частицы (пыль, дым, сажа), взвеси, которые представляют собой кро­ шечные частицы и капли, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Они спо­ собствуют снижению солнечного освещения и видимости, увеличению облачности и туманности. Их опасность заключается также в том, что эти частицы адсорбируют на себя множество других вредных веществ, т.к. имеют пористую поверхность. Мы на­ блюдаем их в виде смога или дымки;

- оксиды серы (SO2, SO3) и H2S. Образуют кислотные осадки, следовательно, по­ ражают растения и снижают урожайность в сельском хозяйстве, раздражают слизистые легких у человека, повышают процент заболеваемости легочными заболеваниями;

- оксиды азота (N 0 и NO2), выделяющиеся при окислении атмосферного азота и азота топлива при высокой температуре. Диоксид азота NO2 поглощает солнечный свет, образует фотохимические туманы - смоги. Кроме того, разрушает различные материа­ лы, растительность, так как участвует в образовании кислотных осадков. У человека способствует снижению уровня гемоглобина в крови;

- оксиды углерода (СО, СОг), влияющие на содержание гемоглобина в крови;

- углеводороды (СНХ и их продукты. Эта группа включает в себя бензин, рас­ творители для красок и растворы органических чистящих веществ, переходящие в воз­ дух в виде паров.

Также одними из известнейших загрязнителями являются свинец, тяжелые ме­ таллы, озон и другие фотохимические окислители. Озон в верхних слоях атмосферы важно беречь как экран, защищающий нас от ультрафиолетового излучения. Однако в то же время это высокотоксичный для растений и животных газ. Поэтому озон в при­ земной атмосфере - опасный загрязнитель. Прекрасный пример формулы “загрязнитель - это вещество, оказавшееся не на месте”.

Состав и концентрация смеси, воздействию которой мы подвергаемся, меняются изо дня в день, каждый час и от места к месту. Это означает, что последствия, наблю­ даемые нами, практически никогда не вызываются единственным загрязнителем. Все они - результат комбинированного, часто синергетического воздействия целой смеси загрязнителей. Этот процесс называют суммацией.

3.4 Последствия загрязнения атмосферы 3.4.1 Кислотные дожди Одной из первостепенных экологических проблем является процесс повышение кислотности окружающей среды в результате выпадения кислотных осадков. Термин «кислые дожди» был введен английским химиком А.Смитом в начале 70-х годов XX века. Кислотные осадки - подкисленный дождь или снег с p H ниже 5. б, образующийся при взаимодействии атмосферной влаги с промышленными выбросами (SO2, NOx, НС1 и др.), что приводит к образованию серной и азотной кислот.

pH в дождевой воде в ряде случаев снижается до кислотности сока лимона вме­ сто нормальных 5,6...5,7. Максимальная кислотность осадков, зарегистрированная в Западной Европе (Шотландия) в 1974г., составила pH - 2,3.

Опасность кислотных осадков заключается в том, что они наносят значительный экологический, экономический и эстетический ущерб.

С экологической точки зрения немаловажное значение имеет pH (кислотность) атмосферных осадков. От его значения зависит жизнедеятельность всех организмов, особенно в водной среде. В пресноводных бассейнах (озерах, ручьях) pH воды равно 6...7. Все «нормальные» формы жизни прекращаются при pH в воде меньше 5. Кроме того, многие пищевые цепи, охватывающие диких животных, начинаются в водоемах.

Сначала гибнет рыба и личинки для ее питания, далее сокращаются популяции птиц и животных. В воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бески­ слородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

На больших пространствах наблюдается деградация хвойных лесов. Опадает хвоя, загнивает древесина. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты нарушают за­ щитный восковой покров, делая деревья уязвимыми для насекомых - вредителей и бо­ лезней. Кислотные осадки разрушают хлорофилл в листьях растений. Кроме того, ки­ слотные дожди, взаимодействуя с алюминием и различными тяжелыми металлами в почве, образуют достаточно токсичные соединения, которые разрушают корневую сис­ тему растений.

Выпадению кислотных дождей подвергнуты Северо-запад России, Урал, район Норильска, где громадные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за сернистых выбросов Норильского комбината.

Экономический и эстетический ущерб от кислотных дождей проявляется в сле­ дующем: кислотные осадки медленно, но верно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Это памятники Греции, Рима, Санкт-Петербурга (Мраморный дворец). Су­ ществует опасность утраты этих произведений искусства в ближайшие 15...20 лет.

3.4.2 Парниковый эффект Главной причиной этого естественного природного процесса служит содержание в атмосфере паров воды, углекислого газа, оксидов азота, метана и т.д., молекулы кото­ рых поглощают тепловое излучение. Их называют парниковыми газами.

Сущность парникового эффекта заключается в следующем (рисунок 3.3): слой воздуха, обогащенный парниковыми газами, хорошо пропускает солнечную радиацию, но задерживает длинноволновое излучение Земли; отраженный земной поверхностью солнечный свет в инфракрасной области поглощается в тропосфере и нижних слоях стратосферы, приводя к повышению их температуры; чистая атмосфера прозрачна для ИФ лучей, загрязненная - поглощает их. Аналогичное явление возникает в автомобиле, оставленном на Солнце.

С конца 19 века по настоящее время наблюдается стремительное изменение кли­ мата планеты - отчетливая тенденция повышения средней глобальной температуры ат­ мосферы, т.е. согревание атмосферы. Из 15 последних лет (1981 - 95гг.) девять оказа­ лись самыми теплыми за всю историю метеорологических наблюдений, начиная с сере­ дины 17 века. А 1999 год - самый теплый за 100 лет наблюдений.

Происходит ли климатическая аномалия под действием естественных причин или является следствием антропогенной деятельности? Это одна из крупнейших науч­ ных загадок.

А пока климат богат на природные катаклизмы. Тихая спокойная Европа (Венг­ рия, Словакия, Северная Румыния, Германия, Франция, Испания) вспомнила, что такое ураганы, наводнения, пожары и связанные с ними сели, оползни, прорывы плотин и т.д.

Многие ученые связывают такое «плохое поведение» планеты с глобальным потеплени­ ем климата. Тенденции глобального потепления придается в мире очень большое зна­ чение. В последние годы вопрос о парниковых газах и потеплении стал предметом рас­ смотрения на многих международных форумах. В Рио-де-Жанейро в 1992 году на кон­ ференции по окружающей среде и развитию была принята международная конвенция, которая предполагает введение квот на выброс парниковых газов и налог на превыше­ ние квот. Кроме того, были предложены такие мероприятия по снижению выбросов парниковых газов как использование альтернативной энергетики, снижение общей мощности хозяйства человека, необходима также поддержка тем странам, которые со­ храняют ненарушенные естественные леса, служащие стоком (наряду с океаном) для углекислого газа.

В настоящее время среди ученых существует две точки зрения по прогнозу поте­ пления климата на планете.

Сторонники первой точки зрения утверждают, что при существующем уровне выбросов парниковых газов (а за последние 100 лет углекислого газа в атмосфере стало на 10... 15% больше) - средняя глобальная температура к концу 21 века может увели­ читься на 1,5...3,0 градуса. Максимальный же предел, после которого начнутся необра­ тимые изменения климата на планете, - 1 градус. Накопление парниковых газов в атмо­ сфере свидетельствует о том, что нарушен естественный механизм регуляции окру­ жающей среды и, следовательно, начался глобальный экологический кризис.

Самый стремительный рост среднегодовой температуры на Земле за последние 50 лет наблюдается в районе Антарктиды. Здесь потеплело.на 2,5 градуса, что вызвало обрушение ледников площадью в несколько тысяч квадратных километров и повыше­ ние уровня мирового океана. Уровень воды в морях и океанах поднялся на 10...15см. За счет таяния льдов он может повыситься к 2050г. на 30...40 см. Это создаст угрозу зато­ пления значительных прибрежных территорий и необходимость эвакуировать населе­ ние. Высохнет также река Нил, пострадают леса в России, Канаде, бассейне Амазонки.

Штормы и ураганы станут еще разрушительнее, пожары приведут к сокращению лесов, низменности превратятся в болота, а площади пустынь увеличатся. Повышение темпе­ ратуры в зоне вечной мерзлоты на 2-3 градуса приведет к изменению физико­ механических свойств грунтов, что поставит под угрозу различные здания и сооруже­ ния. Увеличение температуры воздуха может привести к увеличению смертности лиц старше 65 лет.

Но существует и противоположная точка зрения на тепличный эффект атмосфе­ ры Земли Олега Сорохтина, В.В. Клименко, и экспрезидента Национальной академии наук США Фредерика Зейтца. Они утверждают и обосновывают на основе построенной регрессивно-аналитической модели: «Глобального потепления не будет».

Сценарий «парникового» потепления описан слишком классически, чтобы соот­ ветствовать действительности, считает Сорохтин. Тепло в космос не столько излучает­ ся, сколько переносится потоками воздушных масс. Очень меняет ситуацию и наличие в атмосфере облаков. Тенденция к потеплению, обнаружившаяся в конце 19 века и раз­ вившаяся в 20 веке, продлится и в 21 столетии. Однако эти результаты не дают основа­ ния для катастрофических климатических прогнозов. Среднегодовая температура Земли будет возрастать в результате накопления парниковых газов в атмосфере. Но естествен­ ные факторы, действуя в течение ближайшего столетия в сторону похолодания, будут значительно уменьшать антропогенное потепление. Реально ожидаемое повышение температуры к 2100 году в пределах 0,3°С. Это соответствует пределу межгодовой есте­ ственной изменчивости климата.

3.4.3 Озоновый экран Земли Третьей глобальной экологической проблемой считается нарушение озонового слоя. Озоновые дыры были обнаружены спутниковыми наблюдениями осенью 1985 го­ да над Антарктидой площадью более 10 млн. кв. км, где содержание озона за 80-е годы уменьшилось на 50 %. Наблюдения показали, что ее размеры меняются. Озоновая дыра возникает в середине октября, а к середине ноября исчезает. Позднее «блуждающие»

озоновые дыры стали наблюдаться в зонах стойких антициклонов - над Гренландией, Северной Канадой, Якутией и даже Западной Сибирью.

Озон (от греческого слова ozon - «пахнущий») - это газ, молекулы которого со­ стоят из трех атомов кислорода Оз. Он имеет синий цвет и резкий запах свежести или «запах электричества». Озоновый слой - слой атмосферы между примерно 10 и 50 км, отличающийся повышенной концентрацией озона. Он практически совпадает со стратосферой атмосферы. Нижняя граница озонового слоя на полюсах опускается до 7...8км. Его количество составляет 2-10‘6% от общего объема атмосферы.

Каково значение озонового слоя в тропосфере? Озоновым слоем сильно погло­ щается ультрафиолетовое излучение. Озоновый слой - это защита всего живого на Зем­ ле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Он не пропускает излучение с длиной волны меньше, чем 0,2мкм. Вместе с тем, озон не пропускает около 20% земно­ го излучения - это препятствует охлаждению планеты.

Ослабление озонового экрана опасно для всех живых существ. Истощение тол­ щины озонового слоя вызывает резкий рост заболеваемости раком кожи и болезни глаз, сокращает количество планктона и ракообразных в океане, неблагоприятно сказывается на сельскохозяйственных культурах.

Каковы причины нарушения озонового слоя? Существует несколько гипотез,о причинах формирования озоновых дыр. Большинство специалистов склоняются к мне­ нию о техногенном происхождении озоновых дыр. Это попадание в верхние слои атмо­ сферы техногенного хлора и фтора и других активных галогенов в виде летучих хлорфторуглеводородов (ХФУ) типа фреонов. В обычных условиях это инертные и в малых количествах нетоксичные газы. Их основными источниками являются ядерные взрывы в атмосфере, выбросы высотных сверхзвуковых самолетов и при запусках ракет и кос­ мических кораблей, кондиционеры и холодильные установки.

Действие ХФУ на стратосферный озон было открыто в 1974г. американскими учеными - специалистами в области химии атмосферы Ш.Роулендом и М.Молина. Суть действия ХФУ на молекулы озоны заключается в следующем: под действием ультра­ фиолетовых лучей в стратосфере ХФУ распадаются, в результате чего выделяются сво­ бодные атомы хлора; каждый атом хлора способен разрушить или помешать образова­ нию множеству молекул озона; хлор выступает как катализатор (т.е. ускоряет реакцию, а сам не расходуется) и «живет» 70... 100 лет. Каждый атом хлора способен уничтожить до ста тысяч молекул озона.

В 1996 году за открытия в этой области Ш.Роуленду и М.Молина была присуж­ дена Нобелевская премия. В этом же году в Копенгагене принято решение прекратить производство фреонов.

Чтобы защитить озоновый слой, используются другие хладагенты, но они в 5...20 раз дороже и имеют неблагоприятный показатель по токсичности (ПДК - от 10 до 100мг/м3). Заменители на 40% состоят из фтора, так что переход на новые хладагенты может вызвать дефицит фтористого сырья во всем мире.

Озоновый слой имеет для нашей жизни большое значение. Что же влияет на его существование? Общепринято мнение, что фреон разрушает озоновый слой. Однако многие страны до сих пор применяют фреон. И сейчас наряду с локальными кратковре­ менными снижениями концентрации озона происходит глобальное уменьшение страто­ сферного озона, как это было замечено в 80-е годы.

Сейчас выдвигаются новые гипотезы относительно уменьшения озона. Ранее упор делался на то, что поскольку фреон в своем составе имеет хлор, то он и разрушает озон. Однако все не так просто. Казалось бы, тогда озоновые дыры должны сосредото­ читься в местах большего скопления технического фреона, т.е. в Северном полушарии, так как там находятся промышленно развитые страны и там выделяется наибольшее ко­ личество фреона. Между тем самые большие озоновые дыры наблюдаются над Антарк­ тидой. Конечно, можно сослаться на воздухообмен, но практические замеры скоростей воздухообмена не дают оснований для таких утверждений.

Выдвигаются гипотезы (В. Сывороткин, МГУ) [10], согласно которым причины уменьшения озонового слоя имеют естественную природу, поскольку фреон может иметь природное происхождение — как продукт выбросов из вулканов. В Антарктиде действует вулкан Эребус, с которым связывают существование крупнейшего в мире гейзера Маунт-Бэрд и лавового озера. Эребус — источник мощных газовых выбросов в атмосферу, что и объясняет большое содержание фреона над Антарктидой.

В.Сывороткин считает, что есть еще одна причина разрушения озонового слоя [12]. Не только хлор разрушает озон. Известны также азотный и водородный циклы его разру­ шения. Как же это происходит? Водород - основной газ Земли. Вся Солнечная система погружена в крайне разряженное облако межзвездного водорода — около 100 атомов на 1л. Этого хватает на то, чтобы удерживать вредные потоки ультрафиолетовых лучей, что в конце концов обеспечивает жизнь на Земле. Вместе с тем основные запасы водо­ рода содержатся в «жидком ядре» Земли, и через глубинные разломы газ проникает в атмосферу. По некоторым приблизительным подсчетам, количество выделяемого водо­ рода в тысячи раз превышает количество хлора, получаемого из фреона, который по­ ступает в атмосферу через различные технические процессы. Поскольку «водородные продувки атмосферы» существенно связаны с рифами, то это позволяет прогнозировать места появления озоновых дыр. Например, над Таймырским п-овом (г. Тикси) весной 1997 г. наблюдалась мощная озоновая аномалия, там же где она и была два года тому назад. А озоновая дыра над экваториальной зоной восточной части Тихого океана в ян­ варе 1998 г. была предсказана В.Сывороткиным еще в 1996 г. С помощью водородной гипотезы ученый также объяснил феномен Эль-Ниньо, когда периодически в Тихом океане возникает теплое течение. Оно образуется на Рождество (отсюда и название Эль-Ниньо, что по-испански значит младенец) у берегов Перу и Чили и сопровождается массовой гибелью рыбы. Этот феномен был открыт в 1997-98 годах.

Водородная теория увязывает и такие факты, как солнечная активность, глобаль­ ное изменение климата, периодичность катастроф. Увеличение дегазации Земли и мас­ штабов стихийных бедствий совпадает с 1 1 -летним циклом солнечной активности.

Наибольшая загрязненность атмосферы наблюдается в индустриальных регио­ нах. Особенно сильно загрязняется воздушный бассейн крупных промышленных горо­ дов, расположенных в неблагоприятных климатических условиях. Для них характерно явление смога (смесь дыма и тумана).

Согласно ГОСТ 17.2.1.01 - 77, смог (от англ. smoke - дым) - газообразные и твердые примеси в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образующиеся в р е ­ зультате их преобразования и вызывающие интенсивное загрязнение атмосферы.

Представляет собой образованную из дыма и газообразных отходов (особенно диоксида серы в концентрации 5...10г/м ) туманную завесу над промышленными районами и большими городами.

Причина образования смога заключается в следующем: при обычных условиях температура воздуха над воздушным бассейном города значительно ниже температуры воздуха в околоземном пространстве, поэтому даже при отсутствии ветра происходит вентилирование воздушного бассейна. Теплый, более легкий загрязненный воздух под­ нимается вверх, а чистый, холодный воздух большей массы опускается вниз. В некото­ рых местах Земли (Лондон, Лос-Анджелес, Кемерово, Алматы) часто возникает темпе­ ратурная инверсия воздуха - образование слоя теплого воздуха над населенным пунк­ том, который не может опуститься вниз и вентилировать воздушный бассейн. Ситуация усугубляется тихой безветренной погодой. Горизонтальный и вертикальный обмен воз­ духа затруднен.

Смог может быть трех типов:

1) влажный (восстановительный, лондонский) смог —ядовитый, густой, грязно­ желтый туман. Он представляет собой смесь тумана, отходящих газов, в частности, ди­ оксида серы и дыма, когда на частицах воды адсорбируются продукты отходов химиче­ ского производства. Влажный смог опасен для здоровья людей. В 1952 году за две не­ дели в Лондоне умерло около 5000 человек от сильного воздействия смога на дыхатель­ ные пути. А сейчас этот город относится к наиболее чистым городам Европы;

2) сухой (фотохимический) смог - синеватая или буроватая дымка, а не туман.

Он характерен для городов внутри континентов. Образуется в солнечные дни в городах с интенсивным автомобильным движением. Это результат в основном фотохимических реакций между оксидами азота и углеводородами под действием солнечного света;

3) ледяной (аляскинский) смог, представляет собой сочетание газообразных за­ грязнителей, пыли и кристалликов льда.

Одним из вредных компонентов смога является и озон. В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация повышается в 10 и более раз.

Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергиче­ ские заболевания, нарушает работу органов зрения, вызывает повреждение раститель­ ности, различных зданий, сооружений и скульптур.

Все рассмотренное выше делает необходимым разработку и проведение меро­ приятий по защите атмосферы от загрязнения. Единственное средство борьбы со смо­ гом - сокращение выбросов загрязнителей в атмосферу.

3.5 Нормирование атмосферных загрязняющих веществ Совершенно очевидно, что из-за поступления в природную окружающую среду различных загрязнителей ее качество ухудшается. Для оценки качества атмосферного воздуха разработаны определенные стандарты. Почти для каждого вещества атмосфер­ ного воздуха устанавливается предел или норма, в которых может меняться его состав.

Человек на современном этапе развития производства мирится с компромиссным, соци­ ально приемлемым загрязнением окружающей среды, в том числе и воздушной.

Стандарты качества устанавливаются для атмосферного воздуха, стандарты вы­ бросов - для источников загрязнения. К стандартам качества атмосферного воздуха от­ носятся ПДК - нормативы предельно допустимых концентраций.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) - такое максимальное содержа­ ние вредного вещества в единице объема газа (м3 которое за определенный период не оказывает прямого или косвенного вредного воздействия на человека, мг/м3.

ПДК для одного и того же загрязняющего вещества имеют разные значения в за­ висимости от места определения и действия вещества на организм человека и окру­ жающую среду. В населенном пункте для атмосферного воздуха различают два вида ПДК: максимально разовую (ПДКМ) и среднесуточную (ПДКС ).

Максимальная разовая доза ПДК (ПДК м.р) - максимальная концентрация вредного вещества, при кратковременном воздействии которого (до 20мин) не наблю­ дается вредного действия этого вещества на организм человека.

Среднесуточная ПДК (ПДК с. с) - максимальная концентрация вредного веще­ ства, которая не оказывает отрицательного действия на организм человека при по­ стоянном воздействии в течение суток и неопределенно долгого времени (год и более).

В рабочей зоне используют величину - ПДКР Согласно ГОСТ ССБТ 12.1.005ПДК рабочей зоны (ПДКР3 - такая концентрация вредного вещества, которая при ежедневной (41 час) рабочей неделе в течение всего рабочего стажа не вызывает за­ болеваний или отклонений в состоянии здоровья, при этом такие отклонения не долж­ ны проявляться в жизни последующих поколений.

Рабочая зона - это пространство высотой 2 м над уровнем пола и площадь пола, на которой находятся места постоянного или периодического пребывания работающих.

В каждом государстве свои уровни ПДК. Согласно ГН 2.2.5.1313-03 и ГН 2.1.6.1338-03 в таблице 3.2 приведены значения ПДК, установленные в Российской Федерации для некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Предположим, что в воздухе в результате антропогенного загрязнения появилось i -о е загрязняющее вещество, которое атмосфера не содержит. Тогда концентрация Q находится в пределах допустимой нормы, если индекс загрязненности атмосферного воздуха (ИЗА;) этого вещества, рассчитанный по формуле окажется не больше 1.

Но зачастую воздух содержит не одно, а несколько вредных веществ, которые воздействуют на организм в одном направлении, т.е. могут оказывать сходное неблаго­ приятное воздействие на организм. В этом случае имеет место эффект суммации. То есть отношение концентрации данных веществ к величине их ПДК в сумме не должно превышать единицы:

- по признакам очистки - выбрасываемые без очистки (организованные и неор­ ганизованные) и после очистки (организованные).

Выбор метода очистки зависит от природы загрязняющего вещества, концентра­ ции извлекаемого компонента в отходящих газах, экономической целесообразности и требований к степени очистки.

Классификация методов и аппаратов для обезвреживания газовых выбросов при­ ведена на рисунке 3.4 [11]. Классификация достаточно приблизительная, т.к. всех мето­ дов и тем более аппаратов для газоочистки она не охватывает.

Механические методы газоочистки (сухие и мокрые методы). Механические методы газоочистки заключаются в удалении твердых примесей на основе механиче­ ских сил, вызывающих расслоение системы «газ - твердое вещество» или на неспособ­ ности загрязняющих веществ проходить через поры в фильтрах.

Как правило, аппараты для механической очистки используются для предвари­ тельной очистки отходящих газов. Выбор типа аппаратуры определяется в первую оче­ редь гранулометрическим составом пыли и их природой (например, плотность, слипаемость, смачиваемость, способность к самовозгоранию и образованию взрывоопасных смесей с воздухом).

Сухие методы газоочистки. Простейшими аппаратами являются пылеосадителъные камеры, например, многополочная камера (рисунок 3.5). Запыленный газ поступает в корпус камеры, где установлены горизонтальные полки, расстояние между которыми 100...300 мм. Газ проходит по каналам между полками, на них оседает пыль. Пройдя полки, газ огибает вертикальную отражающую перегородку и удаляется из камеры. Ос­ новное назначение перегородки - обеспечить равномерное распределение газа между полками, кроме того, при огибании полок газом удаляется часть пыли. Осаждающаяся на полки пыль удаляется скребками или смывается водой.

Максимальное содержание пыли 0,02кг/м3, размер улавливаемых частиц Фильтры:

волокнистые, тканевые, зернистые, керамические Рисунок 3.4 - Классификация методов и аппаратов для обезвреживания газовых выбросов 50...500мкм, механизм осаждения - гравитационный, эффективность 30...40%, достоинства простота изготовления и эксплуатации, недостатки - громоздкость, низкая эффективность.

Более высокую степень очистки газов обеспечивает жалюзийный инерционный пылеуловитель (рисунок 3.6).

Рисунок 3.5 - Многополочная пылеосадительная Рисунок 3.6 - Жалюзийный инерционный пылеуловитель Такие аппараты имеют жалюзийную решетку, состоящую из пластин или колец. Очищаемый газ делает резкие повороты. При резком изменении направления движения газового потока час­ тицы пыли будут стремиться двигаться в прежнем направлении. Частицы пыли ударяются о кольца жалюзи и отбрасываются к оси конуса, а освобожденный газ (в основном от крупных частиц пыли) проходит через зазоры в конусе и удаляется. Другой поток запыленного газа на­ правляется в циклон, где его очищают от пыли и вновь возвращают в жалюзийный пылеулови­ тель. Чтобы достигнуть инерционного эффекта, скорость потока должна быть достаточно высо­ кой - до 15м/с.

Максимальное содержание пыли 0,02кг/м, размер улавливаемых частиц 20...50мкм, мео и е н йга 1 - входной патрубок; 2 - цилиндриче­ ный газ поднимается вверх и удаляется.

- пылеосадительная камера; 5 - вы­ пользуются в цементной, угольной, химической, металлургической промышленности, на ас­ фальтобетонных заводах. Достоинства - простота изготовления, отсутствие движущихся частей, надежность работы при температуре газов до 500°С (при более высоких температурах используют другие материалы для изготовления), работа при высоких давлениях. Недостатки высокое гидравлическое сопротивление (до 1500Па), большие энергозатраты, невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений, недостаточная очистка газа от мелко­ дисперсной пыли, быстрое истирание стенок пылью.

Циклоны делят на высокоэффективные, требующие больших затрат на очистку (цилинд­ рические аппараты) и высокопроизводительные, с небольшим гидравлическим сопротивлени­ ем, но хуже улавливающие мелкие частицы (конические аппараты).

При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов, в этом случае аппараты называются мультициклонами (батарейными циклонами) (рисунок 3.8).

Запыленный газ поступает внутрь в коллектор, а затем распределяется между циклонными эле­ ментами, которые придают газовому потоку вращение. Пыль отбрасывается к стенкам, движет­ 1 - корпус; 2 - распределительная камера;

3 - решетки; 4 - циклонный элемент от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока (с помощью лопаток или сопел). В отличие от рассмотренного циклона в вихревых пылеуловителях газовый поток подается снизу вверх и закручивается с помощью лопаток. Дополнительно подается еще вторичный поток воздуха сверху сбоку, направленный вниз.

Одним из наиболее совершенных способов очистки газов от пыли является их фильтра­ ция. Этот способ обеспечивает более высокую степень очистки, чем сухое или мокрое пыле­ улавливание, и стабильную работу в широком диапазоне температур, физико-химических свойств улавливаемых частиц и расхода газа.

Фильтрующие перегородки весьма разнообразны по своей структуре, но в основном они состоят из волокнистых или зернистых элементов и условно подразделяются на следующие ти­ пы:

гибкие пористые перегородки - тканевые материалы из природных, синтетических или минеральных волокон; нетканые волокнистые материалы (войлоки, клееные материалы, бумага, картон); ячеистые листы (губчатая резина, мембранные фильтры, пенополиуретан);

2) полужесткие пористые перегородки - слои волокон, стружка, вязаные сетки, которые располагаются на опорных устройствах или зажаты между ними;

3) жесткие пористые перегородки - зернистые материалы (пористая керамика или пла­ стмасса, спеченные или спрессованные порошки металлов, пористые стекла, и т.д.), металличе­ ские сетки и перфорированные листы.

В основе работы пористых фильтров всех видов лежит процесс фильтрации газа через пористую перегородку, в ходе которого твердые частицы задерживаются, а газ проходит сквозь нее. В процессе очистки запыленного газа частицы приближаются к волокнам или к поверхно­ сти зерен материала, сталкиваются с ними и осаждаются главным образом в результате дейст­ вия сил диффузии, инерции и электростатического притяжения. Уловленные частицы накапли­ ваются в объеме фильтрующего материала и образуют пылевой слой на его поверхности, что является для вновь поступающих частиц дополнительным фильтрующим материалом и повы­ шает эффективность очистки. Но газопроницаемость фильтра постепенно снижается и перио­ дически необходима его регенерация.

В зависимости от назначения и величины входной и выходной концентрации фильтры условно разделяют на три класса:

1) фильтры тонкой очистки (высокоэффективные или абсолютные фильтры) - предна­ значены для улавливания с очень высокой эффективностью (более 99%) в основном субмикронных частиц из промышленных газов с низкой входной концентрацией (менее 1мг/м ) и ско­ ростью фильтрования менее 10см/с. Такие фильтры применяют для улавливания особо токсич­ ных частиц, а также для ультратонкой очистки воздуха при проведении некоторых технологи­ ческих процессов. Они не подвергаются регенерации. К такому типу фильтров относятся фильтры Петрянова, где используются ультратонкие полимерные волокна;

2) воздушные фильтры - используют в системах приточной вентиляции и кондициониа рования воздуха. Работают при концентрации пыли менее 50мг/м, при высокой скорости фильтрации - до 2,5...3,0м/с. Фильтры могут быть как регенерируемые, так и нерегенерируемые. Обычно это фильтры с полужесткими перегородками, состоящие из ячеек-кассет;

3) Промышленные фильтры (тканевые, зернистые, грубоволокнистые) для очистки про­ мышленных газов концентрацией до 60г/м3. Фильтры регенерируются.

Наибольшее распространение в промышленной газоочистке получили применение тка­ невые рукавные фильтры (рисунок 3.9). Фильтр представляет собой корпус, внутри которого находятся тканевые мешки (рукава). Нижние открытые концы рукавов закреплены на патруб­ ках трубной решетки. Верхние закрытые концы рукавов подвешены на общей раме. Запылен­ ный газ вводится в аппарат через штуцер и попадает внутрь рукавов. Проходя через ткань, газ очищается от пыли и выходит из аппарата через верхний штуцер. Пыль оседает на внутренней поверхности и в порах ткани. Рукава очищают встряхиванием, продувая затем их воздухом.

Пыль оседает в бункер и удаляется из аппарата шнеком. Как правило, в качестве материалов фильтров используются хлопчатобумажные (обладают хорошими фильтрующими свойствами и Другой тип фильтров - волокнистые фильтры. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц по всей глубине слоя. Для таких 0,01...100мкм. Толщина фильтрующего слоя может составлять десятые доли миллиметра (бу­ мага), а может быть и 2м (многослойные насадочные фильтры долговременного использова­ ния). Различают сухие - тонковолокнистые, электростатические фильтры предварительной очистки и мокрые - сеточные самоочищающиеся с орошением.

Например, сухой волокнистый фильтр марки Д-КЛ (рисунок 3.10), представляющий со­ бой набор гофрированных рамок разделителей из винипластовой пленки, между которыми ук­ ладывается фильтрующий материал. Рамки имеют форму клиньев и установлены с чередовани­ ем открытых и закрытых сторон в противоположных направлениях.

Ш ------------- " Ч Рисунок 3.10 - Волокнистый фильтр тонкой очистки с сепараторами генерируемость, недостаточная изученность теории фильтрования в таких фильтрах, так как при накоплении частиц в волокнах фильтра все время изменяются эффективность и сопротив­ ление фильтра.

Зернистые фильтры применяются для очистки газов реже, чем волокнистые. Они делят­ ся на:

1) насадочные (насыпные) фильтры, где улавливающие элементы не связаны друг с дру­ гом. Это статические (неподвижные) слоевые фильтры, динамические (подвижные) фильтры и фильтры с псевдоожиженным слоем. В качестве насадок используются такие материалы, как песок, галька, шлак, дробленые горные породы, опилки, кокс, крошка резины, пластмассы, гра­ фит и др. Выбор материала зависит от термической и химической стойкости, механической прочности и доступности. Регенерируют фильтры путем ворошения или встряски слоя внутри аппарата или промывкой;

2) зернистые жесткие фильтры. Здесь частицы прочно связаны друг с другом в результа­ те спекания, прессования или склеивания, образуя прочную неподвижную систему. К ним от­ носятся: пористая керамика, пористые металлы, пористые пластмассы. Регенерацию проводят продувкой воздухом в обратном направлении, пропусканием растворов в обратном направле­ нии, пропусканием горячего пара, простукиванием или вибрацией трубной решетки.

Достоинствами таких фильтров являются невысокая стоимость и доступность материала, возможность работы при высоких температурах и в условиях агрессивной среды, выдерживают большие механические нагрузки и перепады давлений, перепады температуры. Недостатками необходимость частой регенерации, которая зачастую протекает медленно (из-за проникнове­ ния мелкодисперсных частиц в поры материала), большое гидравлическое сопротивление.

Мокрые (гидравлические) способы очистки отходящих газов. Мокрый способ очень эффективен и требует значительно меньше затрат, чем сухая чистка. Наряду с пылями можно улавливать газообразные и парообразные компоненты, и т.д. Мокрая очистка сопровождается охлаждением, увлажнением и иногда окислением газа.

Иногда мокрые пылеуловители по затратам энергии подразделяют на:

- низконапорные (гидравлическое сопротивление не более 1,5кПа). Это форсуночные скрубберы, барботеры, мокрые центробежные аппараты и др.;

- средненапорные (гидравлическое сопротивление 1,5...3000кПа) - динамические скруб­ беры, газопромыватели ударно-инерционного действия (ротоклоны), эжекторные скрубберы;

- высоконапорные (гидравлическое сопротивление более ЗОООкПа) - скрубберы Вентури, с подвижной насадкой.

Наиболее распространены полые форсуночные скрубберы (рисунок 3.11). По направле­ нию движения газа и жидкости полые скрубберы делят на прямоточные, противоточные, с по­ перечным подводом жидкости. Принцип действия состоит в следующем. Запыленные газы про­ пускаются через поток распыляемой, разбрызгиваемой или стекающей по насадке жидкости.

Частицы пыли захватываются потоками промывной жидкости и осаждаются в аппарате, а очи­ щенные газы сбрасываются в атмосферу. Размер улавливаемых частиц - более Юмкм, эффек­ тивность 60...75%. Достоинства - высокая эффективность, небольшая стоимость, возможность очистки газов при высокой температуре и повышенной влажности, а также при опасности возгораний и взрывов, возможность очистки как от пыли, так и от 1 - корпус; 2 - форсунки Тарельчатые газопромыватели (барботажные, пенные) (рисунок 3.12). Наиболее рас­ пространены пенные аппараты с провальными тарелками или тарелками с переливом.

На первой стадии происходит улавливание больших частиц в пенном слое «механизмом 1 - приемная коробка; 2 - тарелка; 3 - корпус; 4 - порог; 5 - сливная коробка; 6 - ороситель удара» и инерционное осаждение частиц пыли в подрешеточном пространстве. На второй ста­ дии в пенном слое улавливаются более мелкие частицы, происходит инерционно-турбулентное осаждение частиц на поверхности пены, когда частицы ударяются о поверхность пленки. Жид­ кость, взаимодействующая с газом, приводится в состояние пены, что обеспечивает большую поверхность контакта между жидкостью и газом. Проходя через отверстия в решетке, газ вспе­ нивает жидкость так, что по решетке движется слой пены, что и обеспечивает очистку газа.

В газопромывателях ударно-инерционного действия (рисунок 3.13) контакт газов с жид­ 1 - сопло; 2 - входной патрубок;

3 - резервуар с жидкостью ток закручивается при помощи центрального лопастного Рисунок 3.13 - Газопромыватель ударно-инерционного действия по внутренней поверхности стенки аппарата, образует пленку.

Большинство отечественных центробежных скрубберов имеют тангенциальный подвод газов и пленочное орошение. Например, классический скруббер Вентури (рисунок 3.14). Запы­ ленный газ вводится через конфузор в трубу Вентури. Через отверстие в стенке горловины 1 - труба-распылитель; 2 - циклон- газопромыватель Рисунок 3.14 - Скруббер Вентури эффективность 99%. Применяется для очистки любых видов цементирующейся пыли. Главный дефект скруббера Вентури - большой расход энергии для преодоления высокого гидравличе­ ского сопротивления, которое в зависимости от скорости газа в горловине может составлять 0,002...0,013МПа. Помимо того, аппарат не отличается надежностью в эксплуатации, управлять им достаточно сложно.

Электрические методы очистки. Улавливание туманов. Одним из наиболее эффективных и совершенных способов очистки промышленных газов от пыли является их очистка на электрофильтрах под действием электрических сил. Принцип действия электрофильтра заключается в том, что пылевидным частицам сообщается заряд (на поверхность частиц адсорбируются ионы). Под воздействием электрического поля заряженные частицы двигаются к осадительным электродам. Зарядка частиц происходит по двум механизмам:

- воздействие электрического поля (частицы бомбардируются ионами), для частиц более 0,5мкм;

- диффузия ионов, для частиц менее 0,2мкм.

Для частиц 0,2...0,5 мкм эффективны оба механизма.

Таким образом, электроочистка включает в себя процессы образования ионов, зарядки пылевых частиц, транспортирование их к осадительным электродам и периодическое разруше­ ние слоя накопившейся пыли на электродах и сброс ее в пылесборный бункер.

По конструктивным признакам электрофильтры различают:

1) по направлению хода газов - на вертикальные и горизонтальные;

2) по форме осадительных электродов - с пластинчатыми, С-образными, трубчатыми и шестигранными электродами;

3) по форме коронирующих электродов - игольчатые, круглого или штыкового сечения;

4) по числу последовательно расположенных электрических полей - на одно- и много­ польные;

5) по расположению зон зарядки и осаждения - на одно и двухзонные;

руюпий электрод; 3 - рама; 4 - встряхи- Лтжегся по вертикальным трубам диаметром Рисунок3.15-Трубчатыйэлектрофильтр бункер. Размер улавливаемых частиц - 0,01...100мкм, эффективность до 99,9%. С помощью электрофильтров очищают большие объемы газов от пыли при достаточно высоких температу­ рах - до 450°С в агрессивных средах.

При улавливании туманов используются мокрые электрофильтры, волокнистые и сеточ­ ные. Туманы образуются при производстве серной кислоты, фосфорной кислоты, при концен­ трировании различных кислот и солей, при испарении масел и т.д. вследствие термической конденсации паров или в результате химического взаимодействия веществ, находящихся в аэродисперсной системе.

Принцип действия волокнистых фильтров-туманоуловителей основан на захвате частиц жидкости волокнами при пропускании туманов через волокнистый слой. При контакте с по­ верхностью волокна происходит коалесценция (слияние) уловленных частиц и образование пленки жидкости, которая движется внутри слоя волокон и затем распадается на отдельные ка­ пли, которые удаляют с фильтра.

Очень часто применяют двухступенчатые установки (с различными по конструкции фильтрами), которые могут быть двух типов:

- в установках первого типа головной фильтр предназначен для улавливания крупных частиц и снижения концентрации тумана. Второй фильтр служит для очистки высокодисперс­ ных частиц;

- в установках второго типа первый тип служит агломератором, в котором осаждаются частицы всех размеров, а уловленная жидкость уносится потоком газов в виде крупных капель, поступающих во второй фильтр - брызгоуловитель.

Волокнистые филътры-туманоуловители в основном применяют для очистки воздуха от частиц туманов кислот, для улавливания масла. Для улавливания тумана кислот применяют также мокрые электрофильтры, конструкция которых аналогична сухим электрофильтрам.

Достоинствами этих фильтров являются высокая эффективность улавливания, надеж­ ность в работе, простота конструкции, монтажа и обслуживания. К недостаткам относят воз­ можность быстрого зарастания при большом содержании в тумане твердых частиц или при об­ разовании нерастворимых солей (при взаимодействии солей жесткости воды с такими газами как, например, диоксид углерода СОг, оксиды серы, фтороводород HF и т.д.).

Для очистки от грубодисперсных примесей брызг используются каплеуловители, со­ стоящие из пакетов вязаных металлических сеток из легированных сталей, сплавов на основе титана, фторопласта и др. коррозионностойких материалов. Сетки гофрируют и укладывают в пакеты. Пакеты устанавливают в колонне. Здесь также предусмотрены две ступени очистки.

Сепараторы эффективно работают при концентрации пара в газах не более 100... 120 мг/м3.

Физико-химические методы очистки. Абсорбционные методы служат для технологи­ ческой и санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной растворимости газо- и па­ рообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция). Аб­ сорбционная очистка - непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки. При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процес­ сах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрирование.

Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диок­ сида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (соляной НС1, фтороводородной HF, серной H2SO4), диоксида и оксида углерода, органических соедине­ ний (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).

Абсорбенты, применяемые в промышленности, оцениваются по следующим показате­ лям:

1) абсорбционная емкость, т.е. растворимость извлекаемого компонента в поглотителе в зависимости от температуры и давления;

2) селективность, характеризуемая соотношением растворимостей разделяемых газов и скоростей их абсорбции;

3) минимальное давление паров во избежание загрязнения очищаемого газа парами аб­ сорбента;

5) отсутствие коррозирующего действия на аппаратуру.

В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едкие и карбонатные щело­ чи, соли марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др.

Очистная аппаратура аналогична уже рассмотренной аппаратуре мокрого улавливания аэрозолей. Наиболее распространен насадочный скруббер, применяемый для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, хлороводорода, хлора, оксида и диоксида углерода, фенолов и т.

д. Но в аппаратах данного типа скорость массообменных процессов мала из-за малоинтенсив­ ного гидродинамического режима этих реакторов при скоростях газа до 0,7 м/с, объемы аппара­ тов велики и установки громоздки.

Для очистки выбросов от газообразных и парообразных примесей применяют и интен­ сивную массообменную аппаратуру - пенные аппараты, безнасадочный форсуночный абсорбер, скруббер Вентури, работающие при более высоких скоростях газа. При достаточном числе сту­ пеней очистки (многополочный пенный аппарат) достигаются высокие показатели глубины очистки: для некоторых процессов до 99,9%. Особенно перспективны для очистки газов от аэ­ розолей и вредных газообразных примесей пенные аппараты со стабилизатором пенного слоя.

Они сравнительно просты по конструкции и работают в режиме высокой турбулентности при линейной скорости газа до 4...5 м/с.

Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процес­ са, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недос­ таток абсорбционного метода в том, что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные аппараты обеспечивают достаточно высокую степень извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию поглотителей только при большом числе ступеней очистки. Поэтому тех­ нологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны, многоступенчаты и очистные реак­ торы (особенно скрубберы) имеют большие объемы.

Любой процесс мокрой абсорбционной очистки выхлопных газов от газо- и парообраз­ ных примесей целесообразен только в случае его цикличности и безотходности. Но и цикличе­ ские системы мокрой очистки конкурентоспособны только тогда, когда они совмещены с пылеочисткой и охлаждением газа.

Адсорбционные методы применяют для разделения парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушки газов и для санитарной очистки газовых выхлопов. Адсорбци­ онные методы являются надежным средством защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ, они обеспечивают возможность концентрирования и утилизации этих веществ.

В адсорбентных камерах очищаемый поток пронизывает слой адсорбента. При прохож­ дении через сорбционный слой вредные газы и пары связываются адсорбентом. После насыще­ ния улавливаемым веществом адсорбент меняют или регенерируют (проводят десорбцию).

Адсорбенты - твердые высокопористые материалы, обладающие развитой удельной по­ верхностью. К основным типам промышленных адсорбентов относятся активированный уголь, силикагель, алюмогель (окись алюминия), цеолиты, иониты. Основные требования, предъяв­ ляемые к промышленным сорбентам, - высокая поглотительная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительная служба без изменения струк­ туры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации.

Суть процесса заключается в следующем: очищаемый газ проходит адсорбер со скоро­ стью 0,05...0,3 м/с; после очистки адсорбер переключается на регенерацию; адсорбционная ус­ тановка, состоящая из нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как одновре­ менно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие - на стадиях регенерации, охлаж­ дения.

Регенерацию проводят нагреванием, например, выжиганием органических веществ, про­ пусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смолой), полностью заменяют.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на порядок выше, чем в периодических реакторах), вы­ сокой производительностью по газу и интенсивностью работы.

Достоинствами адсорбционных методов очистки газов являются глубокая очистка газов от токсичных примесей; сравнительная легкость регенерации этих примесей с превращением их в товарный продукт или возвратом в производство. Таким образом осуществляется принцип безотходной технологии. Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсиче­ ских примесей (разнообразных органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, как завершающий этап санитарнои очистки отходящих газов.

В качестве недостатков большинства адсорбционных установок можно выделить перио­ дичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость пе­ риодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движу­ щемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопроч­ ных промышленных сорбентов.

Среди современных способов удаления газообразных загрязнителей из газовых выбро­ сов становятся очень популярными каталитические установки. Каталитические методы очистки отходящих газов основаны на каталитическом окислении или восстановлении компо­ нентов газообразной смеси, где органические вещества окисляются до углекислого газа и воды, сероводород до серы, SO2 до SO3 (с последующим получением серной кислоты), СО до СОг и т.д. Катализатор обеспечивает превращения взаимодействующих веществ, но сам участия в хи­ мических реакциях не принимает. В большинстве случаев токсичные вещества попросту под­ вергают деструктивной очистке на катализаторе, т.е. разрушают.

Обычно катализатор представляет собой носитель, на который нанесен слой активного компонента, благодаря которому и происходит превращение веществ. Такой тип катализаторов дешевле, более износостоек, термостабилен. Материалом носителя обычно служит керамика, оксид алюминия, кордерит (природный материал, состоящий из SiCb и переменного со­ става), реже - металл. Активный компонент - платина, палладий (самые активные, но и самые дорогие металлы), оксиды переходных металлов (оксиды циркония, ванадия, хрома, марганца и т.д.), оксиды железа, меди и др.

Каталитические установки бывают двух типов [13] (рисунок 3.16): установки со стацио­ нарным слоем катализатора и установки с кипящим слоем катализатора.

1 - топочная установка; 2 - свечи зажигания; 3 - топочные газы; 4 воздух из помещения; 5 - труба катализатора; 6 - кассета катализатора;

7 - воздух из атмосферы; 8 - смесь очищенных топочных газов с воз­ Рисунок 3.16 - Каталитические реакторы Достоинствами каталитического метода являются глубокое обезвреживание отходящих газов. Процессы каталитического окисления, как правило, экзотермичны, и выделяющееся теп­ ло можно использовать. Одним из серьезных недостатков данного метода является возмож­ ность необратимого отравления катализаторов серой и щелочными металлами.

Аппараты со стационарным слоем катализатора просты и сравнительно недороги, но при их эксплуатации существует возможность локального перегрева катализатора и его разруше­ ние. В каталитических реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора, которые обычно бывают меньших размеров, наблюдается равномерность распределения температуры по всему слою.

Но в процессе эксплуатации происходит истирание частиц катализатора и их унос, а также эрозия стенок аппарата.

Для обезвреживания газов от легкоокисляемых токсичных, а также от дурнопахнущих примесей используют методы прямого сжигания, или высокотемпературное обезвреживание газов. Их преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, так как при сжигании практически не важен состав обезвре­ живаемой смеси.

Простейший метод - факельное сжигание (рисунок 3.17) возможен, когда концентрация горючих загрязнителей близка к нижнему пределу воспламенения. В этом случае примеси слу­ жат топливом, температура процесса 750...900°С и теплоту горения примесей можно утилизи­ ровать.

Рисунок 3.17 - Термические нейтрализаторы промышленных газовых отходов Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего предела воспламенения, то не­ обходимо подводить некоторое количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят добав­ кой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе. Горючие газы проходят систему утили­ зации теплоты и выбрасываются в атмосферу. Такие схемы применяют при достаточно высо­ ком содержании горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого горючего газа.

Итак, важно помнить, что очистка газов от загрязнителей является обязательной состав­ ной частью технологического процесса, а не его дополнением. Если очистка газовых выбросов невозможна одним из вышеперечисленных методов, то проводят рассеивание выбросов в атмо­ сферу через дымовые трубы. Обязательное условие при этом - концентрация загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы не должна превышать ПДК.