Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор и выбор направления исследований 12
Анализ негативных воздействий и загрязнений урбанизированных территорий 12
Оценка топливно-энергетического комплекса, как основного антропогенного фактора загрязнения
городской среды 18
Экологические подходы к оценке воздействия техногенных процессов на среду жизнедеятельности
человека 23
Анализ критериев оценки экологической безопасности при функционировании и строительстве городских
технических систем 29
Выводы по главе 1 32
Постановка цели и задач исследования 33
Объекты и методы исследования 34
Технологические и техногенные процессы городского
хозяйства и строительства как объекты
исследования 34
Технологические особенности процессов городского хозяйства и строительства с точки зрения экологической безопасности 35
Методология и методы исследования 39
Термодинамические методы исследования 39
Методика многокритериальной оптимизации с использованием обобщенной функцией желательности Харрингтона 2.3.3
ГЛАВА 3. Методы оценки технологических и техногенных процессов с точки зрения экологической безопасности 44
Выводы по главе 2 52
Научное обоснование количественной оценки технологических и техногенных процессов по воздействию на городскую среду 54
Анализ категорий идеальных явлений в технических системах 54
Критерий экологической идеальности технологических процессов в городских природно-технических системах 55
Допороговые показатели оценки техногенных процессов на основе критерия экологической идеальности 57
Методология оценки отклонения от экологической идеальности для естественных и технических систем 60
Выводы по главе 3 64
Опенка экологической безопасности урбанизированных территорий с учетом допороговых показателей 65
Оценка качества атмосферного воздуха городской среды.. 65
Оценка экологической безопасности тепловых процессов горения топлива 65
Оценка экологической неидеальности процессов горения полимерных материалов 79
Оценка экологической безопасности процессов измельчения в строительной промышленности 84
4.1.4. Оценка экологической неидеальности массообменного процессов адсорбции газов (паров винилхлорида, диоксина и бенз(а)пирена из абгазов) 91
4.2 Оценка экологической безопасности при утилизации отходов на урбанизированных территориях 97
4.3 Оценка техногенного воздействия на качество и биоразнообразие водной среды
4.3.1 Ионообменный процесс очистки охлаждающей воды реакторов АЭС от радиоактивных изотопов стронция и цезия 100
4.3.2 Экологическая оценка гидродинамического процесса на примере функционирования ГЭС в зависимости от типа плотины и режима эксплуатации 102
4.4 Выводы по главе 4 110
ГЛАВА 5. Практическая реализация результатов исследований 112
5.1 Методика количественной оценки экологической безопасности технических систем с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия 112
5.2 Эколого-экономические аспекты идеального технологического процесса и расчет предотвращенного экологического ущерба при переходе с традиционных на альтернативные источники 114
5.3. Выводы по главе 5 118
Заключение 120
Список литературы 123
- Оценка топливно-энергетического комплекса, как основного антропогенного фактора загрязнения
- Технологические особенности процессов городского хозяйства и строительства с точки зрения экологической безопасности
- Критерий экологической идеальности технологических процессов в городских природно-технических системах
- Оценка экологической безопасности процессов измельчения в строительной промышленности
Оценка топливно-энергетического комплекса, как основного антропогенного фактора загрязнения
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК), являясь основой экономики страны, обеспечивает не только комфорт и жизнедеятельность населения; в то же время он является крупным загрязнителем окружающей среды. ТЭК России является одним из крупнейших в мире. За прошедшие три десятилетия структура энергопотребления на глобальном и национальном уровнях претерпела значительные изменения, однако по-прежнему исключительно важное значение имеют ископаемые виды топлива - нефть, уголь, природный газ и сланцевый газ [28,118].
Вместе с тем, на долю ТЭК приходится свыше 15% сброса загрязнений сточных вод в водоемы и на рельеф, около 48% выбросов вредных веществ в атмосферу от стационарных источников загрязнения, свыше 30% твердых отходов (только на объектах энергетики скопилось около 1,2 млрд.тонн золошлаковых отходов). На объектах ТЭК образуется до 7% парниковых газов. Указанное влияние обусловлено технологическими особенностями электроэнергетического производства и не может быть полностью исключено, однако уменьшение негативного влияния энергообъектов на окружающую среду является задачей инженеров, ученых и специалистов, работающих в этой отрасли [83, 144].
В разработанной «Энергетической стратегии России на период до 2020г.» развитие электроэнергетики России ориентировано на сценарий экономического развития страны, который предполагает форсированное проведение социально-экономических реформ с темпами роста производства валового внутреннего продукта на 5-6 % в год и соответствующим устойчивым ростом электропотребления порядка 3% в год. В результате такого подхода потребление электроэнергии достигло в 2011 году 1021,1 млрд. кВт ч, что на 1,2 % больше, чем в 2010 году [144, 108].
Наибольшее производство электроэнергии (около 70% всей производимой электроэнергии в России) происходит на теплоэлектростанциях (ТЭЦ). И основная масса загрязнителей атмосферы образуется при сжигании топлива на ТЭЦ, заводах, использующих жидкое или твердое топливо для получения энергии или тепла, химических и биологических производствах, газотурбинном, дизельном и карбюраторном транспорте. Выбросы этих источников содержат опасные и вредные вещества: СО, S02, НС1, HF, а также ароматические углеводороды типа бензапирена, соединения свинца, диоксины и ряд других веществ, обладающих канцерогенным действием [18, 41].
Атомная энергетика обладает принципиальными особенностями по сравнению с другими энерготехнологиями: ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и неисчерпаемые ресурсы в случае применения реакторов на быстрых нейтронах; отходы атомной энергетики имеют относительно малые объемы и могут быть надежно локализованы, а наиболее опасные из них можно перерабатывать в ядерных реакторах [144]. Однако, несмотря на преимущества атомной энергетики, имеются особые основания для обостренного внимания к ней: потенциальная опасность аварий с большим экологическим ущербом (реальность этой опасности подтверждена рядом аварий); накопление высокоактивных и долгоживущих отходов; связь атомной энергетики с опасностью распространения ядерного оружия и ряд других [144, 94].
В условиях неравномерного размещения топливных ресурсов большое значение имеет программа развития гидроэнергетики. Основным преимуществом гидроэнергетической отрасли является то, что производимая на гидроэлектростанциях электроэнергия вырабатывается на возобновляемом и экологически чистом источнике энергии - воде. Существующие недостатки связывают с затоплением земель, разрушением берегов, снижением рыбных ресурсов [67, 144].
Все современное состояние ТЭК указывает на необходимость разработки новой энергетической политики России, основывающейся на принципах энергетической безопасности [144]:
Принцип постепенного роста доли возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе страны: ископаемое топливо необходимо по мере возможности замещать на неисчерпаемые источники энергии. 2. Принцип экологической приемлемости энергетики: развитие ТЭК не должно сопровождаться увеличением его воздействия на окружающую среду [144].
Топливный баланс Волгоградской области построен на использовании преимущественно природного газа [118]. На его долю приходится 78% от общего объема потребляемых энергоресурсов, на долю нефтепродуктов -21% и каменного угля -1%. Существенно возросло влияние на окружающую среду продуктов сгорания моторных топлив, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания и другими подвижными машинами и механизмами. Всего по области потребляется около 1, 35 млн. тонн моторных топлив (бензин, дизельное топливо), в том числе 0,6 млн. тонн бензинов. Доля моторных топлив в энергобалансе области составляет 11,9%, в том числе 5,62% бензинов. Основу электроэнергетики Волгоградской области составляют гидро- и тепловые электростанции. По степени техногенного воздействия электроэнергетика области носит достаточно активный характер, при этом 72% вырабатываемой в Волгоградской области электроэнергии поступает с Волжской ГЭС [118].
Более чем 50-летний опыт эксплуатации каскада Волжских ГЭС приводит экологов к факту обнаружения возможных экологических минусов от воздействия этих крупных гидроэнергетических объектов на окружающую среду и заставляет искать различные способы оценки возможного экологического ущерба [12, 68]. Несмотря на очевидные плюсы ГЭС, связанные, в первую очередь, с использованием возобновляемых водных ресурсов, есть и существенные недостатки, присущие ГЭС на равнинных реках: затопление сельскохозяйственных угодий и поселений, разрушение и водная эрозия берегов, выбросы парниковых газов, особенно с равнинных водохранилищ, увеличение уровня подземных вод, резкое снижение рыбных ресурсов вплоть до исчезновения ценных пород (осетровых, белорыбицы) [12, 68].
Технологические особенности процессов городского хозяйства и строительства с точки зрения экологической безопасности
относительно среднего арифметического количественно оценивался с помощью В методах многокритериальной оптимизации показателей использовались как статистические приемы обработки данных, так и методы математической статистики [6, 51]. Обработка результатов в работе проводилась вычислением следующих значений: среднее арифметическое, дисперсия воспроизводимости, среднеквадратичное отклонение, доверительные интервалы для среднего, а также нижний и верхний предел для дисперсии. Разброс показателей коэффициента вариации V, вычисляемого как отношение среднего квадратического отклонения St к среднему арифметическому Ycpj:
При этом коэффициент вариации можно выражать в процентах по отношению к среднему значению и тогда по его величине можно сопоставить между собой погрешности определения показателей различной физической природы, чего нельзя сделать с помощью среднего квадратического отклонения, которое является размерной характеристикой [51].
При обработке экспериментальных данных часто представляется необходимым создание единого признака, количественно отражающего все многообразие свойств материала или процесса. Связано это с необходимостью объединения величин с разными размерностями и физическим смыслом [6, 51]. Один из наиболее удачных подходов к решению этой задачи - преобразование измеренных значений свойств в безразмерную психофизическую шкалу желательности. Для решения задач оптимизации в предлагаемой работе при оценке тепловых процессов горения и гидромеханических процессах функционирования ГЭС применялся обобщенный показатель - функция желательности Харрингтона. Для построения шкалы желательности использовался метод количественных оценок с интервалом значений желательности от 0 до 1. Желательность для отдельного свойства обозначают d, для набора свойств - D. Желательность d=0 (D=0) соответствует неприемлемому уровню данного свойства, a d=\(D=\) - лучшему значению качества. Дальнейшее увеличение D либо невозможно, либо не имеет смысла. С обобщенным показателем D можно производить все вычислительные операции, которые вправе проделывать со значениями свойств, и его можно использовать в роли критерия оптимизации [6, 51].
Для систем, являющихся смесями двух и более различных компонентов, используется построение регрессионных моделей на основе симплекс-метода. Переменные ХІ таких систем являются пропорциями (относительным содержанием) нескольких (например, трех) компонентов в смеси и удовлетворяют условию [51]: yLXt = X1 + X2 + X3 = l (2.7)
Геометрическое место точек, удовлетворяющих условию нормированности сумм переменных, представляет собой двумерный симплекс (треугольник). Каждой точке симплекса соответствует смесь определенного состава, и любой комбинации относительных содержаний трех компонентов соответствует определенная точка симплекса [6]. Для решения задачи на симплексе целесообразно рассматривать модель Y=Y(Xh Х2, Х3) (Y - отклик) в форме приведенного полинома. В работе использовалась модель второго порядка для трех переменных [51]: Y = fiiXj + f32X2 + Мз + PnXiX2 + fi13XiX3 + р2зХ2Х3 , (2.8) где /? коэффициенты (параметры) модели
Для оценки коэффициентов модели (2.8) используется матрица планирования с равномерным разбросом экспериментальных точек по треугольнику [51]. Расположение точек (матрица планирования) и обозначение откликов показано в таблице 2.1.
Построение регрессионной модели второго порядка использовалось в работе для расчета введенного интегрального показателя при взаимодействии нескольких факторов с учетом критерия экологической идеальности.
Проводя такие расчеты для существующих и вновь проектируемых производств или технологий, можно оценивать по величине этих параметров экологическую безопасность каждого процесса.
Методы оценки технологических и техногенных процессов с точки зрения экологической безопасности При строительстве любого промышленного объекта всегда возникает вопрос его экологической оценки. Процедура включает как оценку технологических решений с точки зрения соблюдения нормативов для окружающей среды и человека, использования ресурсов, образование отходов, а также оценку технологий процесса (с точки зрения «наилучшей доступной технологии»). При этом определяющими являются количественные и качественные оценки по выбросам в атмосферу, сбросам в воду, в почву, экологически безопасное размещение/утилизация отходов производства. На основании различных методов оценки с учетом критериев экологической безопасности выбирается наилучший технологический проект для строительства или эксплуатации [138, 97, 32].
Одним из основных методов оценки антропогенной нагрузки на окружающую среду является экологическое нормирование, т.е. разработка экологических нормативов антропогенных нагрузок на локальном, региональном и глобальном уровнях. От знания величин предельно допустимых антропогенных нагрузок на природные экосистемы зависит обоснованность всей системы рационального природопользования [15,138].
Согласно статье 19 Федерального Закона «Об охране окружающей среды» №7-ФЗ [135] - «нормирование в области охраны окружающей среды заключается в установлении нормативов качества окружающей среды, нормативов допустимого воздействия на окружающую среду при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, иных нормативов в области охраны окружающей среды, а также государственных стандартов и иных нормативных документов в области охраны окружающей среды». Нормативы в области охраны окружающей среды подразделяются на 2 основных группы: установленные нормативы качества окружающей среды и нормативы допустимого воздействия на нее, при соблюдении которых обеспечивается устойчивое функционирование естественных экологических систем и сохраняется биоразнообразие [135].
Нормативы допустимого воздействия (включают нормативы допустимых выбросов и сбросов (НДВ и НДС) установлены в соответствии с показателями массы химических, допустимых для поступления в окружающую среду с учетом технологических нормативов, и при соблюдении которых обеспечиваются нормативы качества окружающей среды [135]. Нормативы качества устанавливаются в соответствии с физическими, химическими, биологическими показателями, при соблюдении которых обеспечивается благоприятная окружающая среда (ПДК, классы опасности, др.). Основной величиной экологического нормирования качества природной среды является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества или веществ в биосфере -воздухе, воде и почве. В общем случае ПДК - это такое содержание вредных веществ в окружающей среде, которое при постоянном контакте или воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства [53, 14]. На рисунке 2.2 приведена классификация ПДК [127].
Критерий экологической идеальности технологических процессов в городских природно-технических системах
С экологической точки зрения актуальной для городской атмосферы является проблема сжигания попутных нефтяных газов и продуктов производства предприятий Волгоградской области. Проведена оценка выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух под факелом влияния предприятий ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», ОАО «Каустик» и ОАО «Химпром» [40]. Результаты расчетных параметров представлены в таблицах 4.9 - 4.11.
Оценка отклонения от экологической идеальности процесса сжигания побочных нефтяных газов под факелом влияния ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка» Таким образом, показана возможность применения новых показателей для количественной оценки экологической безопасности технологических процессов с точки зрения экологической идеальности. Как видно из таблиц 4.9-4.11, концентрации загрязняющих веществ под факелом влияния химических и нефтехимических предприятий Волгограда превышают нормативы предельно допустимых выбросов ПДК, а нормативы ПДК превышают естественный природный фон рассмотренных веществ в ПДН=22-870 раз.
В современном жилищном строительстве все более широкое применение находят полимерные отделочные материалы. К таким материалам предъявляется ряд экологических требований по отсутствию вредных выделений в рабочую и жилую зоны, а также требования по низкой горючести. Особую опасность представляет несанкционированное горение отходов полимерных материалов на полигонах и промотвалах, протекающее при небольших скоростях нагревания и отсутствии потока кислорода (неполное горение) с выделением значительного содержания опасных веществ (СО, непредельных углеводородов и др.). Пожары, обусловленные воспламенением и горением полимерных материалов, в том числе на полигонах, ежегодно наносят большой ущерб экономике и городскому хозяйству [63, 106, 69]. Наибольшую опасность вызывают процессы горения промышленных и бытовых отходов (например, полихлорированные бифенилы и изделия из поливинилхлорида, целлюлозно-бумажная и полиэтиленовая продукция), сопровождающиеся образованием экологически опасных веществ - диоксинов, которые являются очень стойкими ксенобиотиками. В особенности это касается аварийной обстановки, в частности, при пожарах на производстве [20, 109, 151].
Горение полимерных материалов рассматривают как процесс, имеющий в основном тепловую природу [11, 63, 5]. Большую опасность для окружающей среды и для здоровья и жизни человека представляют вредные, токсичные продукты сгорания, образующиеся при горении полимерных материалов. После прекращения пламенного горения в этом поверхностном слое может продолжаться довольно долго беспламенный процесс горения, который в повседневной практике часто называют тлением. Он представляет серьезную опасность с точки зрения возможного распространения пожара. Поэтому вопросам подавления гетерогенных реакций окисления углерода уделяется серьезное внимание [5, 11, 104].
Наиболее эффективным способом снижения горючести полимеров является введение в их состав антипиренов, способных разлагаться с большим эндотермическим эффектом, тем самым увеличивая способность полимера поглощать тепло. К антипиренам относят неорганические и органические вещества, которые содержат в молекулах такие элементы, как галогены, фосфор, азот, бор, металлы, группировки с тем или иным сочетанием этих элементов. Причем большинство неорганических антипиренов нелетучи и образуют при разложении малотоксичные газы [5]. При выборе антипирена важно учитывать экологический аспект - сами антипирены должны быть нетоксичны, выделяющиеся при разложении негорючие газы также должны быть нетоксичны и уменьшать дымообразование [128, 105].
Проводились исследования по оценке экологической безопасности горения полимерных материалов с учетом различных режимов горения и модификации композиций [97]. Оценка проводилась на примере процессов горения полиэтилена и полипропилена. Реакцию горения полиэтилена можно представить реакциями полного и неполного горения согласно уравнениям (4.7) и (4.8):
При движении продуктов разложения от поверхности полимера в зону пламени согласно уравнению (4.7) и соответственно с увеличением температуры происходит практически полное разложение остатков полимерных цепей до простых соединений с выделением тепла, т.е. выделения опасных веществ не происходит [11]. При неполном горении полиэтилена согласно уравнению (4.8) образуются вредные, с экологической точки зрения, компоненты - оксид углерода и этилен (который сгорает).
С точки зрения идеальности процесса необходимо регулировать процесс разложения полимеров в сторону увеличения коксового остатка, что обеспечит снижение количества вредных летучих соединений при горении и одновременно понизит горючесть полимерных материалов. Одним из таких способов является введение антипиренов в состав полимеров [5]. В качестве антипиренов использовались синтезированные фосфорсодержащие соединения [105].
Оценка экологической безопасности процессов измельчения в строительной промышленности
Устройство [102] состоит из корпуса 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 приспособлениями, помольной камеры 4, выполненной из изогнутой трубы в виде винтовой спирали из упругого материала и соединенной с приводом 5. Помольная камера 4 заполнена мелющими телами 6. С внешней стороны корпуса 1 установлен механизм осевого перемещения помольной камеры 4, включающий в себя винтовую пару: винт 7 и гайку 8, а также разрезные калибровочные шайбы 9 для установки зазора между витками помольной камеры 4, закрепленной с возможностью вращения в радиально-упорных подшипниках 10 и 11. Внутри помольной камеры 4 вдоль ее верхней части установлен барьер в виде прямоугольного металлического бруса 12, закрепленный на стойках 13. Стойки 13 с помощью фланцев 14 жестко соединены с консолями 15. Консоли 15 установлены горизонтально внутри горизонтальных концов изогнутой трубы помольной камеры 4. Высота Н бруса 12 равна диаметру d мелющих тел 6. Нижняя часть высоты Н бруса 12 на 0,6-0,7 высоты покрыта эластичным материалом 16, например слоем резины.
Задачей предлагаемого технического решения является интенсификация процесса измельчения за счет увеличения угловой скорости вращения помольной камеры, при котором центробежное ускорение в помольной камере превышает ускорение свободного падения [102].
Техническим результатом является увеличение производительности устройства за счет установки внутри помольной камеры вдоль ее верхней части барьера в виде прямоугольного металлического бруса высотой, равной диаметру мелящих тел.
Это позволяет кускам измельчаемого материала при вращении помольной камеры с угловой скоростью, обеспечивающей ускорение помольной камере большее, чем ускорение свободного падения, с силой ударяться о металлический брус, что приводит к их дополнительному измельчению, а затем падать вниз на витки винтовой спирали в режиме обычного измельчения. Так как верхняя часть бруса не покрыта эластичным материалом, то куски измельчаемого материала ударяются о металлическую поверхность бруса как о наковальню, измельчаются и падают вниз. Покрытие нижней части бруса на 0,6-0,7 долей его высоты эластичным материалом, например резиной, обеспечивает столкновение мелющих тел, например шаров, с эластичным материалом, что смягчает их удар о брус. И за счет упругой деформации эластичного материала отбрасывает мелющие тела навстречу кускам измельчаемого материала. Это приводит к дополнительному взаимному столкновению мелющих тел с кусками измельчаемого материала. Далее шары с частицами измельчаемого материала падают вниз на витки винтовой спирали в режиме обычного измельчения. Увеличение высоты покрытия эластичным материалом нижней части бруса выше указанного предела 0,7 его высоты приводит к тому, что крупные куски измельчаемого материала будут ударяться об эластичное покрытие, а не о металл, из которого брус выполнен. Это приводит к снижению эффективности измельчения и производительности устройства. Уменьшение высоты покрытия эластичным материалом нижней части бруса ниже указанного предела 0,6 его высоты приводит к тому, что с учетом зазора между верхней кромкой бруса и внутренней поверхностью помольной камеры мелющие тела будут ударяться не об эластичное покрытие, а о металлическую поверхность бруса. Это приводит к их преждевременному износу и снижению эффективности столкновения мелющих тел с кусками измельчаемого материала [102].
Данные устройства могут быть использованы в горнодобывающей, горно-обогатительной, строительной, металлургической, химической, нефтехимической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. А также в экологических процессах при вторичной переработке твердых и твердообразных отходов [100-102, 97].
По количеству выбрасываемой пыли в окружающую среду промышленность строительных материалов занимает второе место после предприятий теплоэнергетики [14, 1]. Предприятия по производству цемента относят также к наиболее значительным источникам поступления в окружающую среду тяжелых металлов, которые представляют большую потенциальную опасность, так как способны, как и соединения серы и азота, распространяться на большие расстояния в виде аэрозолей [14].
Существует четкая зависимость между экспозицией пылевого фактора территорий или помещений и возникновением различных болезней органов дыхания человека. Для заболеваний органов дыхания, обусловленных высокой концентрацией пыли в воздушной среде, характерна необратимость их течения, в большинстве случаев данные заболевания приводят к потере трудоспособности заболевших и сокращению срока жизни [14, 97]. Необходимо также отметить, что в случаях превышения предельно допустимых концентраций (ЦДК) мелкодисперсных частиц пыли с размерами частиц менее 10 мкм и менее 2,5 мкм на каждые 20 % происходит увеличение заболеваний с нарушениями мозгового кровообращения примерно на 50 %.
Вместе с тем, частицы мелкодисперсной пыли способны перемещаться на достаточно большое расстояние и длительное время находиться в воздушной среде территорий или помещений, поступая в органы дыхания населения и вызывая риск возникновения различных заболеваний [97].
С учетом актуальности проблемы и введенного критерия экологической идеальности проведена оценка экологической безопасности процессов измельчения в строительной отрасли. В качества примера оценивался механический процесс измельчения известняка в зависимости от использования технологии - сухого или мокрого способа измельчения с последующей очисткой в циклоне.
При измельчении известковой породы получены частицы с плотностью распределения, представленной на рисунке 4.10 с начальной концентрацией частиц Сн=22 г/м для сухого измельчения и Сн=9 г/м для мокрого измельчения. Далее рассчитали, какое количество циклонов необходимо, чтобы уловить частицы в случае сухого или мокрого измельчения при заданной степени очистки 98%. Получили, что при сухом измельчении требуется 6 циклонов с диаметром корпуса 336 мм.
