автордың кітабын онлайн тегін оқу Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в строительстве
Е. В. Нисковская
Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в строительстве
Учебно-методический комплекс
Информация о книге
УДК 504.06
ББК 20.1
Н69
Рецензенты:
Головин В. Л. — канд. техн. наук, зам. ген. директора «ДальНИИГиМ»;
Шведов В. Н. — канд. техн. наук, доц., зам. директора Строительного института ДВГТУ.
Нисковская Е. В.
Учебно-методический комплекс дисциплины «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в строительстве» содержит в своем составе курс лекций, лабораторные работы, методические указания по выполнению курсового проекта и два комплекта тестов (на лекционный курс и лабораторные занятия). В методических указаниях для курсового проектирования определен порядок разработки проекта нормативов ПДВ, даны рекомендации по выполнению разделов курсового проекта, проведения расчетов выбросов и рассеивания загрязняющих атмосферу веществ, а также расчеты платы за сбросы от стационарных источников.
Данный УМКД рекомендуется для студентов, обучающихся по направлению «Защита окружающей среды» по специальности 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
УДК 504.06
ББК 20.1
© Дальневосточный государственный технический университет, 2008
© ДВФУ, 2015
© ООО «Проспект», электронная версия книги, 2015
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Введение
Дисциплина “ООС и РИПР в строительстве” изучается студентами в целях получения знаний по будущей специальности, без которых обучение становится неэффективным. В процессе обучения студенты должны познакомиться с методами снижения воздействия на ОС со стороны строительной отрасли. Студенты должны ясно понимать, что сохранение и экономное использование ресурсов не менее важно, чем защита окружающей среды, и является обеспечением устойчивого развития.
1. Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины “ООС и РИПР в строительстве” – получение теоретических и практических знаний по защите окружающей среды и рациональному природопользованию при проектировании, строительстве и эксплуатации различных промышленных и гражданских сооружений.
Задачи изучения дисциплины:
1) познакомиться с мерами по предупреждению загрязнения ОС при строительстве;
2) познакомиться с техническими средствами защиты;
3) познакомиться с особенностью проектирования и эксплуатации и испытанием природоохранного оборудования;
4) познакомиться с мерами по совершенствованию производства на основе применения малоотходной и безотходной технологии.
2. Начальные требования к освоению дисциплины
Изучение и освоение дисциплины “ООС и РИПР в строительстве” требует достаточно глубоких знаний в области предшествующих и изучаемых дисциплин, таких как “Общая экология”, “Химия окружающей среды”, “Техника защиты окружающей среды”, “Промышленная экология”.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Изучив дисциплину “ООС и РИПР в строительстве”, студент, в соответствии с требованиями стандарта должен понимать:
• основные проблемы в области охраны окружающей среды, возникающие в результате производственных и гражданских объектов и сооружений;
• основные направления защиты окружающей среды от вредных воздействий различных загрязняющих веществ, образующихся при строительстве и эксплуатации сооружений и объектов;
• современные подходы и тенденции в совершенствовании технологии производства и создании эффективных очистных систем, их строительства и эксплуатации;
• существующие приемы, методы и оборудование для защиты окружающей среды на предприятиях строительной индустрии.
Студент должен знать:
• взаимосвязь экологических проблем с техническими и организационными проблемами строительного производства;
• методы, аппаратуру и технологические схемы и установки очистки отдящих газов, сточных вод от различных веществ, загрязняющих окружающую среду;
• технологии рекультивации почв.
В результате практического изучения дисциплины студент должен уметь:
• применять методы выбора, разработки и эксплуатации инженерных сооружений и устройств для защиты окружающей среды;
• производить экологическую экспертизу проектных решений, технологических процессов и производств по признакам экологической безопасности и эффективности;
• осуществлять выбор, расчет и подбор природоохранного оборудования для конкретных строительных технологических процессов;
• разрабатывать и совершенствовать технологические процессы, проектировать очистные системы и мало- и безотходные технологии, позволяющие рационально использовать природные ресурсы.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
4.1. Очная (очно-заочная) форма обучения
| Вид учебной работы | Всего часов | Распределение по семестрам | |
| 9 | – | ||
| Общая трудоемкость дисциплины | 170 | 9 | |
| Лекции | 34 | 9 | |
| Лабораторные занятия | 34 | 9 | |
| Практические занятия | – | – | |
| Всего самостоятельная работа | 102 | 9 | |
| В том числе: курсовое проектирование | 60 | 9 | |
| Другие виды (РГЗ, рефераты и др.) | – | – | |
| Вид итогового контроля (экзамен, зачет) | экзамен | экзамен | – |
4.2. Заочная форма обучения
| Вид учебной работы | Всего часов | Распределение по курсам | |
| 6 | – | ||
| Общая трудоемкость дисциплины | 170 | 6 | |
| Лекции | 12 | 6 | |
| Лабораторные занятия | – | – | |
| Практические занятия | 8 | 6 | |
| Всего самостоятельная работа | 150 | 6 | |
| В том числе: курсовое проектирование | 60 | 6 | |
| Другие виды (РГЗ, рефераты и др.) | – | – | |
| Вид итогового контроля (экзамен, зачет) | экзамен | экзамен | – |
5. Содержание дисциплины
5.1. Распределение учебного материала по видам занятий
| Наименование раздела дисциплины | Распределение по видам (час.) |
|||
| Л | ЛЗ | ПЗ | СРС | |
| 1. Введение. Роль промышленности строительных материалов в загрязнении окружающей среды | 2 | 4 | ||
| 2. Загрязнение атмосферы аэрозолями | 2 | 2 | 8 | |
| 3. Характеристика строительного техногенеза | 2 | 8 | ||
| 4. Принципы защиты природной среды при строительстве. Сооружение экологически чистых временных поселков строителей | 2 | 8 | ||
| 5. Организация экологически чистых автохозяйств. Основы природосберегающего проектирования | 4 | 10 | ||
| 6. Инженерные методы промышленного освоения территорий с экологической ответственностью | 4 | 12 | ||
| 7. Экологическая паспортизация объектов и технологий | 2 | 8 | ||
| 8. ОНД-86. Методика расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий | 4 | 12 | 10 | |
| 9. Нормирование атмосферных загрязнений | 2 | 2 | 4 | |
| 10. Уменьшение загрязнения окружающей среды от воздействия промышленных предприятий, автотранспорта и использование зеленых насаждений | 2 | 4 | ||
| 11. Источники загрязнения воды. Экологические последствия загрязнения природных вод | 2 | 4 | ||
| 12. Нормирование и регулирование качества воды в водоемах. Очистка сточных вод от механических примесей и нефтепродуктов | 2 | 14 | 8 | |
| 13. Биологическая очистка сточных вод. Глубокая очистка и обеззараживание | 2 | 8 | ||
| 14. Оборотные системы водоснабжения промышленных предприятий | 2 | 4 | 6 | |
| Итого | 34 | 34 | 102 | |
5.2. Содержание лекционного курса
1. Введение. Роль промышленности строительных материалов в загрязнении окружающей среды (2 часа).
Виды строительных материалов. Искусственные и естественные материалы. Подготовка сырья для производства строительных материалов. Технологическая схема производства строительных материалов. Источники загрязнения при производстве строительных материалов. Вторичные ресурсы, используемые в производстве строительных материалов: использование стеклобоя, отходов потребления полимерных материалов, макулатуры, резиновой крошки, отходы углеобогащения и других отраслей промышленности.
2. Загрязнение атмосферы аэрозолями (2 часа).
Происхождение частиц, свойства, классификация по дисперсности, трансформация. Атмосферный перенос аэрозолей.
3. Характеристика строительного техногенеза (2 часа).
Ущерб, наносимый природе в результате комплексного влияния строительного техногенеза. Потери по компонентам геосфер В.И. Вернадского. Формирование антропогенного ландшафта в регионе строительства. Задача оптимизации структурно-рациональных ограничений на строительный процесс. Расчетно-формирующая модель экологически чистого строительного комплекса.
4. Принципы защиты природной среды при строительстве. Сооружение экологически чистых временных поселков строителей (2 часа).
Задача оптимизации структурно-рациональных ограничений на строительный процесс с точки зрения минимального воздействия на природный ландшафт. Принцип экологически рационального строительства. Планирование экологически эффективного контроля строительства. Опережения природоохранного обеспечения. Структурно-функциональная схема землепользования в строительных процессах. Факторы промышленного и бытового загрязнения территории вредного воздействия на окружающую среду при строительстве объектов. Утилизация отходов жилых комплексов и объектов строительства, создание природосберегающих строительных машин и механизмов.
5. Организация экологически чистых автохозяйств. Основы природосберегающего проектирования (2 часа).
Резервы организации экологически чистых автохозяйств. Общие принципы природосберегающего проектирования. Уровень экологической защиты. Условия ограничения техногенеза. Минимизация срока строительства и стационарная составляющая антропогенного потока. Критерии экологически чистых объектов и промышленных производств. Методы экологической профилактики промышленно освоенных производств. Использование природосберегающих аналогий и экологических эталонов.
6. Природосберегающее проектирование промышленных объектов и производств (2 часа).
Строительные материалы и конструкции, машины и механизмы, информационно-измерительные системы.
7. Инженерные методы промышленного освоения территорий с экологической ответственностью (2 часа).
Оптимизация норм экологически безопасного промышленного освоения территорий, оценка экологического баланса на промышленно освоенных территориях, методы экологической профилактики промышленно освоенных производств.
8. Методы промышленного освоения территорий с экологической ответственностью (2 часа).
Методы восстановления нарушенных территорий, совершенствование методов рекультивации нарушенных земель в сложных природно-климатических условиях.
9. Экологическая паспортизация объектов и технологий (2 часа).
Цели и задачи экологической паспортизации. Состав природоохранного паспорта. Порядок экологической паспортизации. Блок-схема инвентаризации источников поступления вредных веществ. Блок-схема расчета норм ПДВ, ПДС и принятия решения о строительстве или функционирования объекта – источника поступления в окружающую среду вредных веществ. Разделы экологического паспорта.
10. ОНД-86. Методика расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий (4 часа).
Определение безразмерной и приведенной концентрации. Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника. Расчет загрязнения атмосферы с учетом суммации вредного действия нескольких веществ.
11. Нормирование атмосферных загрязнений (2 часа).
Основная физическая характеристика примесей. Нормативы содержания загрязняющих веществ в воздухе. Максимальная разовая величина ПДК, среднесуточная ПДК. Предельно допустимые выбросы.
12. Уменьшение загрязнения воздействия окружающей среды от промышленных предприятий (2 часа).
Мероприятия по уменьшению загрязнения внутренней и наружной среды. Очистка технологических и вентиляционных выбросов. Схемы циклонов, фильтров. Мокрые пылеуловители. Адсорберы и абсорберы. Уменьшение загрязнения от промышленных предприятий, от автотранспорта. Рассеивание загрязнений. Использование зеленых насаждений.
13. Источники загрязнения воды. Экологические последствия загрязнения природных вод (2 часа).
Атмосферные воды, городские, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды. Классификация примесей в сточных водах. Классификация сточных вод по их действию на водоемы. Кислородный режим водоемов. Последствия для водоемов от загрязнения.
14. Нормирование и регулирование качества воды в водоемах. Очистка сточных вод (2 часа).
Категории водоемов. ПДК вредных веществ в водоемах. Режимы сброса, методы сброса. Уравнение баланса растворенной примеси при сбросе в водоток. Начальное разбавление сточных вод в створе выпуска. Предельно допустимый сброс (ПДК). Основы процессов и принципы механической очистки стоков. Очистка от нефтепродуктов.
15. Очистка сточных вод (2 часа).
Биологическая очистка сточных вод. Глубокая очистка и обеззараживание.
16. Оборотные системы водоснабжения промышленных предприятий (2 часа).
Варианты водопользования. Схема оборотного водоснабжения с воздушно-конденсационной установкой. Схема оборотного водоснабжения предприятия.
5.3. Содержание практических и лабораторных занятий
| № п/п | Номер раздела п. 5.1 | Наименование лабораторной работы (практического занятия) |
| 1 | 10, 11 | Контроль газовых выбросов из стационарных источников и оценка эколого-экономической эффективности газоочистки |
| 2 | 2, 10, 11 | Очистка отходящих газов ТЭС от оксидов азота и оценка эколого-экономической эффективности процесса |
| 3 | 10, 11 | Очистка отходящих промышленных газов от органических компонентов методом термокаталитического окисления на примере модельной смеси толуол-воздух и оценка экологоэкономической эффективности процесса |
| 4 | 14, 16 | Очистка хромсодержащих сточных вод и оценка экологоэкономической эффективности организации оборотной системы водоснабжения |
| 5 | 14, 16 | Исследование процесса до очистки медьсодержащих сточных вод гальванического производства и оценка экологоэкономической эффективности организации оборотной системы водоснабжения |
| 6 | 14, 16 | Очистка сточных вод от нефтепродуктов и оценка экологоэкономической эффективности организации оборотной системы водоснабжения |
| 7 | 14, 16 | Очистка фторсодержащих сточных вод и оценка экологоэкономической эффективности организации оборотной системы водоснабжения |
6. Курсовое проектирование
(цель, типовая тематика)
Цель работы: разработать и оформить курсовой проект (КП) на тему “Разработка проекта предельно допустимых выбросов (ПДВ) в атмосферу для стационарного источника загрязнения”.
Задачи курсового проекта:
1. Рассчитать согласно выданному заданию, годовой и секундный расходы топлива; перед началом работы выдается задание на разработку КП ПДВ, где указываются основные исходные данные и характеристики. По совместному решению преподавателя и студента КП ПДВ может выполняться для реально существующей котельной.
2. Провести расчет выбросов загрязняющих веществ по методике “Определение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час” (М., 1999).
3. Провести расчет рассеивания загрязняющих веществ по методике “Расчет концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86, Госкомгидромет” (Л., 1987).
4. Провести анализ полученных расчетов на соответствие установленным в задании нормам.
5. Предложить конкретные мероприятия, направленные на снижение выбросов загрязняющих веществ (по веществам, дающим максимальное количество загрязнений).
6. Провести расчет выбросов и рассеивания загрязняющих веществ после внедрения мероприятий на котельной.
7. Определить график контроля, периодичность проверок по выбросам загрязняющих веществ. Подобрать аппаратуру для проведения контроля.
8. Рассчитать экономическую плату за выброс загрязняющих веществ в атмосферу до и после внедрения мероприятий.
9. Графическое оформление на формате А1.
7. График изучения дисциплины
| Вид занятий | № недели | ||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | |
| Лекции | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| ЛЗ | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| ПЗ | |||||||||||||||||
| КПР | 4 | 6 | 4 | 6 | 4 | 6 | 4 | 6 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | ||||
| РГЗ, реферат | |||||||||||||||||
| Аттестация (промежуточная) | + | + | |||||||||||||||
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
8.1. Основная литература
1. Алферова Л.А., Зайцев В.А., Нечаев А.П. Использование воды в безотходном производстве // Итоги науки и техники. – М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 29. – 195 с.
2. Алферова Л.А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. – М.: Стройиздат, 1984. – 272 с.
3. Алхазов Т.Г., Марголис Л.Я. Глубокое каталитическое окисление органических веществ. – М.: Наука, 1985. – 192 с.
4. Арянин А.А. Термокаталитическое обезвреживание отходящих газов, содержащих смолистые вещества и другие токсичные компоненты: Дис. ...канд. техн. наук / МХТИ, 1992. – 157 с.
5. Бабенко Е.Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977. – 356 с.
6. Ванштейн И.А. Очистка и использование сточных вод травильных отделений. – М.: Металлургия, 1986. – 109 с.
7. Гальванотехника для мастеров: справ. изд. / Вирбилис С.; Пер. с польск. / под ред. А.Ф. Иванова. – М.: Металлургия, 1990. – 208 с.
8. Гордон Г.М., Пейсахов И.Л. Контроль пылеулавливающих установок (пылегазовые замеры). – М.: Металлургиздат, 1961. – 308 с.
9. ГОСТ 17.0.02-79. Охрана природы. Метрологическое обеспечение контроля загрязнения атмосферы, поверхности вод и почвы. Основные положения.
10. ГОСТ 17.2.1.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу.
11. ГОСТ 17.2.1.03-84. Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения.
12. ГОСТ 17.2.4.06-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.
13. ГОСТ 17.2.4.08-90. Охрана природы. Атмосфера. Методы определения влажности газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения.
14. Дёрффель К. Статистика в аналитической химии: пер. с нем. – М.: Мир, 1994. – 268 с.
15. Зайцев В.А. Промышленная экология: учеб. пособие. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998. – 140 с.
16. Зайцев В.А., Кучеров В.А., Пятина Т.Е., Коваленко А.П. Очистка дымовых газов тепловых электростанций // Химическая промышленность. 1993. № 3-4. С. 119-127.
17. Зайцев В.А., Новиков А.А., Родин В.И. Производство фтористых соединений при переработке фосфатного сырья. – М.: Химия, 1982. – 248 с.
18. Запольский А.К., Варан А.Л. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. – Л.: Химия, 1987. – 247 с.
19. Когановский A.M., Клименко Н.А., Левченко Т.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. – М.: Химия, 1983. – 288 с.
20. Кузнецов В.А., Тарасова Н.П. Химия атмосферы: учеб. пособие. – М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1987. – 64 с.
21. Матрос Ю.Ш., Носков А.С, Чумаченко В.А. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств. – Новосибирск: Наука, 1991. – 223 с.
22. Методические указания по определению эколого-экономической эффективности технологических процессов и производств в дипломных проектах и работах / Ермоленко Б.В. и др. – М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1985. – 48 с.
23. Оборудование, сооружения, основы проектирования химикотехнологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов: учеб. пособие для вузов / Родионов А.И. и др. – М.: Химия, 1985. – 352 с.
24. Очистка и рекуперация промышленных выбросов: учебник для вузов / Максимов В.Ф., Вольф И.В., Винокурова Т.А. и др. – М.: Лесн. пром-сть, 1989. – 416 с.
25. Позин М.Е. Технология минеральных солей. Т. 2. – Л.: Химия, 1974. – 1556 с.
26. Пономарев В.Г., Иоакимис Э.Г., Монгайт И.Л. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. – М.: Химия, 1985. – 256 с.
27. Рамм В.М. Абсорбция газов: 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1976. – 656 с.
28. Рациональное использование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. – М.: Машиностроение, 1988. – 269 с.
29. РД 50-502-84. Показатели точности, достоверности и воспроизводимости результатов испытаний. Методические указания.
30. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. – М.: Химия, 1989. – 512 с.
31. Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. – М.: Недра, 1995. – 219 с.
32. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 270 с.
33. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Кислотно-основные равновесия и окислительно-восстановительные процессы в природных водоемах: учеб. пособие. – М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1988. – 48 с.
34. Удаление металлов из сточных вод. Нейтрализация и осаждение. – М.: Металлургия, 1987. – 174 с.
35. Федоров А.А. Диоксины как экологическая опасность. Ретроспектива и перспектива. – М.: Наука, 1993. – 266 с.
36. Яковлев С.В., Карелин А.Я., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. – М.: Стройиздат, 1979. – 320 с.
37. Яковлев С.В., Краснобородько Н.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. – Л.: Стройиздат, 1987. – 312 с.
8.2. Дополнительная литература
1. Охрана окружающей среды / под ред. С.В. Белова. – М.: Высш. шк., 1992.
2. Энергетика и охрана окружающей среды / под ред. Н.Г. Залыгина и др. – М.: Энергия, 1979.
3. Яковлев С.В. Рациональное использование водных ресурсов. – М.: Высш. шк., 1991.
8.3. Справочная литература
1. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник в 2-х частях (пер. с англ.) / под ред. С. Клаверта и Г.М. Инглунда. – М.: Металлургия, 1988. – 1412 с.
2. Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. Словарьсправочник. – М.: Просвещение, 1992.
9. Контрольные задания и методические рекомендации по изучению дисциплины
(для студентов заочной формы обучения)
Методические указания, представленные в УМКД, могут быть использованы студентами заочной формы обучения.
10. Технические и электронные средства обучения, иллюстрированные материалы, в том числе специализированное и лабораторное оборудование
Лабораторные занятия обеспечиваются необходимыми средствами на базе кафедр ТГСиВ, ООС.
11. Текущий и итоговый контроль по дисциплине
11.1. Формы и методы для текущего контроля
Текущий контроль осуществляется путем решения студентами экспрессконтрольных работ по изучаемому материалу.
11.2. Контрольные тесты для определения минимального уровня освоения программы дисциплины
1. Какие основные разделы включает проект ПДВ?
2. Напишите основную формулу для определения рассеивания вредных веществ в атмосфере.
3. Что такое санитарно-защитная зона?
4. Какие вредные вещества выбрасываются в атмосферу при сжигании топлива и как определить их количество?
5. Принципиальная схема котельной.
6. Типы топок, применяемых при сжигании различных видов топлива.
7. Водоподготовка для котлов. Схемы.
8. Продувка котлов.
9. Мониторинг за выбросами в атмосферу на источнике.
10. Инвентаризация источников выбросов.
11. Определение эффективности работы ГОУ.
12. Приборы для определения характеристик газового потока и концентрации загрязняющих веществ.
13. Разработка мероприятий по снижению выбросов в атмосферу.
14. Классификация основных источников загрязнения предприятиями стройиндустрии.
15. Загрязнение окружающей среды асфальтобетонными заводами.
16. Подбор и расчет газоочистного оборудования.
17. Подбор и расчет полого скруббера.
18. Очистка сточных вод с промышленных площадок.
19. Порядок согласования проектов на строительство.
20. Основные разделы тома “Охраны окружающей среды”.
21. Приборы для определения концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах.
22. Приведите классификацию методов и аппаратов для очистки и обезвреживания газовых выбросов.
23. Объясните, что такое фракционная и общая эффективности очистки газов от пыли.
24. Какие аппараты применяют для сухой очистки газов от пыли? Укажите их достоинства, недостатки и эффективность.
25. Какие пористые перегородки используют в фильтрах для очистки газов и каковы принципы их действия?
26. Какие аппараты применяют для мокрой очистки газов и какова их эффективность?
27. Как устроены и для каких целей используются электрофильтры?
28. Какие аппараты применяют для улавливания туманов?
29. Приведите физико-химические основы очистки газов от диоксида серы магнезитовым методом и суспензией оксида цинка.
30. Назовите экологические последствия загрязнения атмосферы диоксидом серы.
31. Какими показателями характеризуют пористую структуру промышленных адсорбентов?
32. Какие задачи газоочистки можно решать с использованием активных углей, силикагелей, алюмогелей, цеолитов, ионитов?
33. Чем ограничено использование адсорбентов на практике очистки отходящих газов от диоксида серы?
34. Назовите твердофазные материалы, способные к фиксации газообразных галогенов и их производных, и охарактеризуйте условия и эффективность использования этих поглотителей.
35. Проведите сопоставительную оценку очистки отходящих газов от сероводорода гидратом окиси железа и активным углем.
36. Охарактеризуйте существо и преимущества осуществления каталитической газоочистки в нестационарном режиме.
37. Назовите методы каталитической очистки газов от оксидов азота и охарактеризуйте их показатели.
38. На каких принципах основаны предложенные технологии каталитической очистки отходящих газов от диоксида серы?
39. Поясните, в каких случаях практикуют каталитическую очистку газовых выбросов от органических загрязнений.
40. Назовите условия, характеризующие рациональность практической реализации высокотемпературного обезвреживания газовых выбросов.
41. Объясните, как изменяется качество воды под влиянием хозяйственной деятельности людей.
42. Какие методы очистки сточных вод используются в промышленности и какова их цель?
43. Какие отстойники используют для удаления взвешенных частиц из сточных вод и какова их эффективность?
44. Какие имеются пути повышения эффективности процесса отстаивания?
45. Какие особенности осаждения частиц в тонкослойных отстойниках?
46. Какие конструкции тканевых фильтров используются в процессах очистки сточных вод? Как определяется скорость фильтрования?
47. В каких фильтрах производят процессы фильтрования эмульсий? Объясните их устройство и принцип работы.
48. Объясните механизм коагуляции и назовите наиболее распространенные коагулянты. Как устанавливается доза коагулянта?
49. Что такое флотация? Каков механизм этого процесса?
50. Дайте характеристику способов флотации с выделением воздуха из растворов. Какой способ является наиболее распространенным и почему?
51. Рассмотрите схемы основных модулей, используемых в процессах очистки сточных вод обратным осмосом, и схемы соединения модулей в установках.
52. Рассмотрите основы удаления примесей из сточных вод методами десорбции, дезодорации и дегазации. Укажите области их применения и эффективность.
53. Как производится биологическая очистка сточных вод в природных условиях?
54. Рассмотрите схему установки для совместной очистки бытовых и промышленных сточных вод.
55. Объясните основы очистки сточных вод и обезвреживания осадков в метантенках.
12. Рейтинговая оценка по дисциплине
Усвоение учебной дисциплины максимально оценивается в 100 рейтинговых баллов. Текущая работа по дисциплине в течение семестра оценивается не более чем в 70 баллов. Итоговый контроль – 30 баллов. Посещаемость занятий учитывается поправочным коэффициентом, равным отношению количества часов посещенных занятий к плановым.
Распределение баллов по видам учебных работ
| Наименование работ | Баллы | |
| очная | заочная | |
| 1. Теоретический материал | 20 | 20 |
| 2. Лабораторные работы | 20 | |
| 3. Практические занятия | 20 | |
| 4. Курсовое проектирование | 20 | 20 |
| 5. Индивидуальные домашние задания (РГЗ, рефераты и т.д.) | ||
| 6. Контрольные работы | ||
| 7. Посещаемость | 10 | 10 |
| 8. Экзамен/зачет | 30 | 30 |
| Итого | 100 | 100 |
Перевод рейтинговых баллов в пятибалльную шкалу
| Отлично | 85-100 |
| Хорошо | 71-84 |
| Удовлетворительно | 60-70 |
| Неудовлетворительно | менее 60 |
Примечание. При набранной общей сумме баллов менее 40 по результатам третьей аттестации студент не допускается к итоговой аттестации по дисциплине.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Введение
Антропогенное преобразование окружающей среды, в основном, происходит при производстве строительных работ, которые, согласно определению, представляют собой производственную деятельность, направленную на возведение, ремонт и/или реконструкцию строительной продукции.
Создавая благоприятную для обитания среду, человек подверг преобразованию большую часть биосферы, причинами активного процесса стал научно-технический прогресс и резкий рост численности населения Земли.
Преобразование природы проявляется не только активными процессами изъятия природных ресурсов, возведением конструкций, зданий, сооружений, но и мощным загрязнением всех сред биосферы: атмосферы, литосферы, гидросферы.
Истощение природных запасов усиливается их нерациональным использованием, приводящим к гигантским скоплениям отходов (отвалы пустых горных пород, шлаков, шламов, некондиционных руд, мусора и разнообразные промышленные отходы и сточные воды).
Современное развитие технологий не позволяет полностью исключить вредное влияние техногенной деятельности на природные ресурсы и окружающую среду, но разработаны и продолжают совершенствоваться технологии минимизации негативного воздействия.
Строительное производство включает в себя не только мероприятия, направленные на осуществление и контроль за проведением строительных работ, но и такой мощный источник воздействия на окружающую среду, как промышленность строительных материалов.
При строительстве различных промышленных и гражданских объектов занимаются большие площади плодородных земель, деградирует и уничтожается растительность, почва, наносится ущерб фауне, загрязняется воздух и вода. Сокращать все виды потерь, минимизировать возможные риски и последствия необходимо еще на стадии проектно-изыскательских работ. Создавая и реконструируя промышленные объекты, их структуры и аппараты, необходимо руководствоваться принципами устойчивого развития.
1. Роль промышленности строительных материалов в загрязнении окружающей среды
К строительным материалам относится большая группа нерудных полезных ископаемых, применяемых или в естественном состоянии, или после механической термической обработки. Это строительные камни, песок, гравий, щебень, известняк, мел, мрамор, гипс, глина и др. Кроме того, строительными материалами являются разнообразные продукты промышленного производства: вяжущие вещества – цемент, известь и др.; бетон, железобетон, шлакобетон, силикатный кирпич, стекло, стекловолокно, красный кирпич, асбестоцементные изделия, шифер, теплоизоляционные материалы, канализационные трубы, облицовочные плиты и т.д.
Промышленность строительных материалов (далее везде “стройматериалов”) традиционно относится к числу существенных источников загрязнения окружающей среды, в частности атмосферы.
Загрязнение атмосферы происходит при добыче полезных ископаемых открытым – наиболее дешевым – способом. Промышленность стройматериалов использует ежегодно более 2 млрд т минерального сырья. Запыленность воздуха и ухудшение жизненных условий возрастают за счет выветривания горных пород, складированных в отвалы. Эти отвалы не только сокращают площадь сельскохозяйственных земель, но и являются источниками различных загрязняющих веществ, которые развеиваются ветрами, повышая запыленность атмосферы, действуя угнетающе на растительность прилегающих территорий.
Процессы подготовки сырья, его дробления, фракционирования и хранения связаны с загрязнением окружающей среды. Для предприятий характерно обилие транспортных средств, создающих шум, выделяющих копоть и газы, вредные для человека и природы.
Технологическая схема производства стройматериалов включает добычу, доставку, измельчение, смешивание компонентов, последующие прессование, сушку, обжиг, упаковку готовой продукции. При этом почти на всех этапах выделяется пыль. Широкое использование порошковых компонентов усложняет задачи обеспыливания. Источником пыли являются открытые склады нерудного минерального сырья (песка, гравия, щебня и др.). Пыль строительных материалов очень разнообразна по составу, физико-химическим и механическим свойствам, чем и обусловлено ее отрицательное действие на окружающую среду и различные органы человека.
Портландцемент (один из лучших видов цемента) получают обжигом мелко измельченной смеси известняка и глины, при спекании этой смеси образуется плотный клинкер, который затем размалывают в тонкий порошок. Между глиной и известняком происходят сложные химические реакции. Упрощенно их можно представить как обезвоживание каолинита, разложение известняка и образование силиката кальция:
Основные компоненты цемента – СаО, Аl2O3, SiO2.
Негашеную известь, в основном состоящую из СаО, получают в промышленности обжигом известняка по реакции (1.2).
При взаимодействии СаО с водой получают гашеную известь:
СаО + H2О = Са(ОН)2 + О. (1.4)
Смесь гашеной извести с цементом, водой и песком применяют в строительстве.
В производстве цемента запыленность воздуха в рабочей зоне может достигать 100–120 мг/м3, при производстве извести – 70–80 мг/м3. ПДК цемента в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м3. В окружающей среде запыленность воздуха значительно ниже, чем в рабочей зоне.
В районе цементного завода она колеблется от десятых долей миллиграмма до нескольких миллиграммов на 1 м3 воздуха. Главными источниками пыли и газов на таких заводах являются цеха обжига и помола. В цехах подготовки сырья сильно пылят дробилки и сушильные барабаны для известняка и глины. В воздухе рабочей зоны сушильных барабанов и сырьевых мельниц иногда содержится несколько десятков граммов пыли в 1 м3.
Пыль цементных заводов и карьеров по добыче известняка и глины может быть источником загрязнения окружающей среды сопутствующими тяжелыми металлами. Влияние предприятия распространяется на несколько километров. По данным исследований около карьера цементного завода содержание Сr, Sr, Ti, Pb в листьях тополя в 2–2,5 раза выше по сравнению с “фоном”. Вторая зона с повышенным содержанием этих металлов может наблюдаться на расстоянии в несколько километров в том направлении, куда дуют ветры. Это необходимо учитывать при планировании строительства жилого массива. Предприятия, являющиеся источниками загрязнения воздушной среды, должны отделяться от жилой застроти предприятия не должны располагаться с наветренной стороны для ветров преобладающего направления по отношению к застройке жилья.
В производстве гипса ввиду больших потерь сырья запыленность в рабочей зоне, очень велика, и атмосферный воздух загрязняется в радиусе 1–1,5 км. Жженый гипс, или алебастр (СаSO4)2 ⋅ H2О, получают при нагревании до 150–180°С природного гипса СаSO4 ⋅ 2H2О:
Алебастр в смеси с известью, песком и водой применяют в качестве штукатурки, а в медицине его используют для наложения гипсовых повязок.
В производстве глиняного (красного) кирпича и силикатного (белого) кирпича, строительной керамики запыленность производственных помещений достигает 6–10 мг/м3. ПДК глины в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м3. При изготовлении красного кирпича глину смешивают с песком и водой, формуют в кирпич-сырец, который далее сушат и обжигают. Глины, богатые Fe2O3, после обжига окрашиваются в бурые и красные цвета. Глину, сильно “загрязненную” оксидом железа и песком, называют формовочной землей. Такую глину преимущественно используют для изготовления кирпича и черепицы. Силикатный кирпич изготовляют путем нагревания в автоклавах при температуре 180°С смеси гашеной извести Са(ОН)2 с песком SiO2.
Весьма опасна пыль кварца (SiO2), образующаяся при производстве стекла и изделий из него. Сырьем для производства обычного оконного стекла служат кварцевый песок SiO2, сода Na2СО3 и известняк СаСО3. Эти вещества тщательно перемешивают и нагревают при температуре 1500°С:
Образовавшиеся силикаты натрия и кальция сплавляют с песком, который берут в избытке. Примерный состав такого стекла можно выразить формулой Na2О ⋅ СаО ⋅ 6SiO2. При изготовлении стекла иного назначения (химического), кварцевого, хрустального используют и другое сырье: поташ К2СО3, оксид свинца (II) PbО и др. Из стекла делают стекловолокно и ткани, применяемые в качестве теплои электроизоляторов.
Особую экологическую опасность представляет пыль, выделяющаяся при добыче асбеста, изготовлении и обработке асбестоцементных изделий. Асбест – это природный минерал с кристаллами в форме тонких волокон. Он относится к волокнистым силикатам. Состав хризотил-асбеста можно выразить химической формулой Мg6(ОН)8[Si4O10] (иногда приводится формула асбеста – 3МgO ⋅ 2SiO2 ⋅ 2Н2О). Асбест не горюч, его используют в качестве теплоизоляционного и огнеупорного материала для обкладки труб парового отопления, в потолочных перекрытиях, для звукоизоляции существенных зданий. Его даже использовали для покрытия гладильных досок, в некоторых красках и кровельных материалах. В 1960-х гг. было обнаружено, что асбестовая пыль обладает канцерогенным действием.
Существенным источником загрязнения воздуха являются асфальтобетонные заводы. На этом производстве образуется много пыли, дымят сжигаемое топливо и горячий битум.
Обильное выделение пыли наблюдается при изготовлении древесностружечных и древесноволокнистых плит (ДСП и ДВП). Древесная пыль огнеопасна и взрывоопасна.
В качестве покрытия пола используют линолеум – полимерный органический материал на основе поливинилхлорида (ПВХ), в который добавляют фталаты в качестве пластификатора. Фталаты (соли и сложные эфиры фталевой кислоты) используют для этой цели и в других пластмассах, хотя в меньшем объеме, чем в ПВХ. Кроме того, их используют при изготовлении растворителей, смазок, в производстве бумаги, в парфюмерии (в дезодорантах), при изготовлении пестицидов, лаков и красок. Фталаты относятся к веществам, распространенным повсеместно, их находят в почве, воде и воздухе. Фталаты могут встречаться и в продуктах питания с искусственной упаковкой. Источником распространения этих веществ в окружающей среде служат потери их в производстве, происходящая со временем диффузия из пластмасс, а также улетучивание при сжигании пластмасс.
ПВХ и сополимеры винилхлорида составляют примерно 75% рынка полимеров. Покрытие пола, производимое в Германии, состоит на 28–50% из ПВХ, 25–60% – из наполнителя, 10–20% – пластификатора, 1–5% – пигмента и 1–2% – смазки и стабилизатора.
Установлено отрицательное влияние фталатов на живые организмы. При действии фталатов на растения наблюдаются хлорозы, при которых бледнеет зеленая окраска листьев. Вредное воздействие на растения может оказывать эмиссия фталатов из пленочных материалов теплиц. Исследования животных показали, что в большей степени фталаты концентрируются в печени и легких. При длительном воздействии в больших дозах наиболее распространенный ди-2-этилгексилфталат оказывает на животных мутагенное, канцерогенное и тератогенное действие. Для человека установлено, что фталаты вызывают воспалительные процессы слизистых оболочек, раздражения кожи, слабость, чувство беспокойства. Максимально допустимая эмиссионная концентрация для фталатов установлена равной 10 мг/м3.
Перечисленные примеры применения неорганических и органических веществ дают нам представление о том, какой вклад промышленность стройматериалов вносит в загрязнение окружающей среды.
В заключение необходимо отметить, что строительная индустрия является одной из немногих отраслей промышленности, в которой можно использовать в качестве исходного материала попутно добываемые породы и образуемые отходы многих производств, например отходы ТЭС, металлургической, химической и других отраслей промышленности. Строительная индустрия использует отходы и других отраслей промышленности. Например, отходы углеобогащения применяются в производстве легких бетонов; фосфогипс (отход производства фосфорной кислоты) – в производстве потолочных плит, цемента; отходы целлюлозно-бумажной промышленности – в качестве добавок при изготовлении керамзита, арболита; отходы деревообрабатывающей промышленности – для изготовления ДВП, ДСП и арболитовых изделий и т.д. Промышленность стройматериалов использует и вторичные ресурсы, например:
• бой стекла – для производства стекловолокна;
• отходы потребления полимерных материалов – для производства линолеумной плитки;
• макулатуру – для производства мягкой кровли (рубероид, толь);
• резиновую крошку из вышедших из употребления автошин – для производства гидроизоляционных материалов и т.д.
Переход строительной индустрии на новую сырьевую базу – использование нетрадиционного сырья (попутно добываемых пород и отходов) – дает существенный эколого-экономический эффект: позволяет экономить природное сырье, охранять плодородные земли и решать экологические задачи охраны окружающей среды.
Масса выбросов загрязняющих веществ от предприятий строительного комплекса ежегодно составляет порядка 18 тыс. т. По сравнению с 1994 г. выбросы увеличились на 0,4 тыс. т, или на 2,1%. На долю выбросов предприятий строительного комплекса приходится 20,9% от общих выбросов загрязняющих веществ в области.
1.1. Загрязнение атмосферы аэрозолями
Природные и антропогенные источники аэрозолей. Помимо газообразных веществ, в воздухе присутствуют твердые и жидкие частицы. Это еще одно серьезное загрязнение атмосферы.
Частицы, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии, образуют различные аэрозоли (от греч. aer – воздух и лат. sоlutiо – раствор). Аэрозоли – это дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой. По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы аэрозоли делят на туманы – системы с жидкой дисперсной фазой в виде капель размером 0,1–10 мкм, пыли – системы с твердыми частицами размером более 10 мкм и дымы – системы, размеры твердых частиц в которых находятся в пределах 0,001–10 мкм. Если туманы – это капли жидкости в воздухе, то дымы и пыли – твердые частицы в воздухе. Одновременное образование тумана и дыма, как мы уже знаем, приводит к такому экологически неблагоприятному явлению, как смог.
Пыли и дымы содержат твердые частицы самой разнообразной формы. Упрощенно данные частицы можно представить в виде сфер с радиусом в пределах от 0,001 до 100 мкм. Наиболее многочисленны частицы аэрозолей с радиусом 0,1–1 мкм.
Частицы аэрозолей либо попадают в атмосферу с земной поверхности в готовом виде, либо образуются непосредственно в атмосфере в результате химических реакций.
Рассмотрим происхождение различных видов аэрозолей. Вода находится в атмосфере главным образом в виде облаков, дождя, тумана и дымки. В частицах дымки вода присутствует в виде тонкой пленки жидкости на твердой поверхности. Каждая капелька влаги, возникающая при конденсации водяных паров, содержит не только растворенные атмосферные газы, но и растворенные твердые неорганические и органические загрязнители атмосферы. Капли атмосферной влаги представляют собой как бы микрореактор, в котором могут происходить всевозможные химические превращения. В табл. 1.1 приведены свойства частиц атмосферной влаги.
Оксиды железа и марганца являются потенциальными катализаторами окислительно-восстановительных превращений в атмосферной влаге.
Большая концентрация ядер, конденсации (посторонних частиц) в атмосфере над городом приводит к повышенной облачности, увеличению частоты выпадения осадков и увеличению количества туманов. Повторяемость туманов в городах на 10–20% выше, чем на открытой местности.
Таблица 1.1
Свойства частиц атмосферной влаги (по Ю.И. Скурлатову, 1994)
| Форма атмосферной влаги | Размер частиц, мкм | Массовое содержание воды, г/м3 | рН | Содержание металла, моль/л | |
| Fe | Mп | ||||
| Дождь | 200-2000 | 0,1-1 | 4-5 | 10-8-10-5 | 10-8-10-6 |
| Облака | 10 | 0,1-3 | 3-6 | 10-7-10-4 | 10-8-10-5 |
| Туман | 10 | 0,02-0,2 | 2-6 | 10-6-10-4 | 10-7-10-5 |
| Дымка | 0,03-0,3 | 10-5-10-4 | 1-8 | 10-4-10-3 | 10-7-10-3 |
Помимо частиц воды, в атмосфере возможно появление частиц других жидкостей, т.е. возникновение туманов иной химической природы. В атмосферном воздухе в виде взвеси могут находиться такие жидкие вещества, как, например, образующиеся при неполном сгорании бензина и дизельного топлива жидкие углеводороды и производные углеводородов, которые улетучиваются в воздух. В результате фотохимических реакций между оксидами азота и углеводородами образуются новые жидкие органические соединения, которые рассеиваются в воздухе в виде мельчайших капелек.
В загрязнении атмосферы большую роль играют пыли и дымы, твердые частицы которых очень разнообразны и по химическому составу, и по происхождению. Естественными источниками твердых частиц являются вулканы при их извержении; метеориты, сгорающие в слоях атмосферы; горные породы (частицы, образующиеся при выветривании этих пород); причиной образования частиц могут быть ветровая эрозия почв, пыльные бури, лесные пожары, морские штормы, цветочная пыльца. Антропогенными источниками твердых частиц являются открытые разработки угля и других полезных ископаемых, а кроме того, к образованию твердых частиц в атмосфере приводят: сжигание топлива на ТЭС, ТЭЦ, в котельных промышленных предприятий и в автомобилях; обогащение и обработка руд; выплавка и обработка металлов (резание, сверление); производство цемента, асбеста, кирпича и других строительных материалов; различные процессы обработки материалов в силикатной промышленности (дробление, размалывание); производство и применение удобрений и пестицидов; сжигание мусора и отходов; ядерные взрывы и др. Несмотря на такое разнообразие антропогенных источников, считается, что больше половины твердых частиц имеют естественное происхождение, хотя очень трудно разделить антропогенное и природное происхождения аэрозоля. Например, во время аварии на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. в окружающую среду, в том числе в атмосферу, попали радиоактивные частицы Сs-137, Sr-90, Рu-239, U-235 и др., из которых многие осели на почву, лес. Это было загрязнение антропогенного характера, явившееся результатом техногенной катастрофы. При лесных пожарах, ветровой эрозии почв (естественные процессы) происходит распространение радиоактивных аэрозолей на сотни и даже тысячи километров в другие регионы. Такое явление произошло в сентябре 1992 г. во время пыльной бури, зародившейся на Балканах, охватившей северную часть Украины, Брянскую область России, юго-восточную часть Белоруссии (радиационно загрязненные территории). Были исследованы траектории переноса воздушных масс на высоте 1,5 км из районов Киева и Гомеля, которые привели к 100кратному повышению концентрации Сs-137 в Вильнюсе (Литва).
В перечисленных выше естественных и антропогенных процессах образуются твердые частицы разного химического состава. Например, большое количество твердых частиц получается при сжигании угля – это частицы золы (СаSiO3), сажи (С), оксидов металлов (СаО, FеО, Fе2О3). В глобальном (земном) масштабе твердые частицы в атмосфере имеют в основном минеральное происхождение, но в отдельных районах состав их меняется в зависимости от источников образования, и могут преобладать силикаты, карбонаты, сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды, сажа и даже споры растений.
Например, в атмосфере города Белгорода (в зоне предприятий строительного комплекса) в 1996–1998 гг. были обнаружены аэрозольные частицы размером 0,5–70 мкм. Среди них преобладали минеральные асимметричной формы частицы кальцита СаСО3, кварца SiO2, кальцита с примесью магнезита Са(Мg)СО3. Присутствовали также аэрозольные частицы, образованные в результате высокотемпературных процессов. Для них характерны полиэлементность состава и сферическая форма. Такие частицы состоят из многих элементов – Si, Са, Мg, Аl, Fе, К, Ва, Nа, S, Р, Рb, Сu, Zn и др.
Приведем примеры образования аэрозолей непосредственно в атмосфере в результате химических реакций. Многие аэрозольные частицы образуются из газов, например SO2, или из углеводородов. Как известно, сернистый газ – один из основных загрязнителей воздуха. В атмосфере происходит его окисление с образованием тумана серной кислоты. Это может быть фотохимическое или каталитическое окисление. Последнее связано с присутствием соответствующего катализатора (ионов тяжелых металлов) и достигает высокого уровня только в загрязненном воздухе. Даже в отсутствие света диоксид серы окисляется в воздухе при наличии некоторых оксидов металлов (алюминия, кальция и железа).
Из многочисленных органических соединений, попадающих в атмосферу, наибольшую склонность к образованию аэрозолей проявляют терпены – ненасыщенные углеводороды состава (С5Н8), содержащиеся главным образом в растениях. Так, наблюдаемая над хвойными лесами в летнее время голубоватая дымка представляет собой аэрозоль, возникающий в результате фотохимического окисления терпенов.
Число аэрозольных частиц в воздухе сильно варьирует в зависимости от местности. В нижней тропосфере на высоте менее 2 км, в сельских районах их концентрация составляет ~ 104 частиц в 1 см3 воздуха, а над загрязненными большими городами – > 105 частиц в 1 см3 воздуха. Фоновый уровень, соответствующий чистому воздуху, не подверженному влиянию локальных источников аэрозолей, характеризуется концентрацией 200–500 частиц в 1см3.
Трансформация аэрозольных частиц в атмосфере. Частицы в атмосфере претерпевают изменения. Под действием силы тяжести они могут осаждаться. Кроме того, находясь в состоянии броуновского движения в воздушной массе, частицы сталкиваются и коагулируют (соединяются между собой), т.е. размеры их увеличиваются, а количество уменьшается. Они также взаимодействуют с газообразными примесями с образованием новых аэрозольных частиц иного химического состава. В любом случае первоначальное состояние частиц постоянно изменяется. Рассмотрим поведение аэрозольных частиц в атмосфере. Характерное свойство аэрозолей связано со склонностью частиц дисперсной фазы к седиментации (оседанию под действием силы тяжести). Из закона Стокса для силы трения Fтр = 6πηru следует, что постоянная скорость седиментации (u) сферической частицы пропорциональна квадрату ее радиуса (r), разности плотностей частицы (р) и среды (ро), обратно пропорциональна вязкости среды (η):
Для описания седиментации частиц несферической формы в уравнение Стокса вводят дополнительные множители, например фактор формы.
Применимость закона Стокса ограничивается дисперсностью частиц. Большие частицы (более 100 мкм) могут двигаться ускоренно, и тогда для определения скорости их движения уравнение неприменимо. Малые частицы (менее 0,1 мкм) осаждаются очень медленно, на это осаждение влияют внешние воздействия. В аэрозолях закон Стокса удовлетворительно описывает движение частиц с радиусом более 5 мкм. От скорости осаждения аэрозольных частиц зависит продолжительность их пребывания в атмосфере. В целом эта величина колеблется от нескольких суток до нескольких недель, составляя в среднем около одной недели. Наиболее мелкие частицы могут оставаться в атмосфере во взвешенном состоянии более года. Время жизни капель невелико – от нескольких минут в случае больших дождевых капель и примерно до одного часа для капель облаков. Время жизни частиц смога размером < 1 мкм достигает недели.
Практически можно считать, что осаждаются лишь частицы размером > 1 мкм, а для меньших частиц скорость осаждения слишком мала, тогда как частицы размером > 10 мкм оседают быстро. При этом если частицы размером от 5 до 1 мкм образуют сравнительно устойчивые системы медленно осаждающихся частиц, то частицы < 1 мкм ведут себя подобно газам.
Путем осаждения из атмосферы удаляется около 20% частиц, главным образом в результате промывания атмосферы осадками и образования туманов. Этот процесс очищения влияет на время пребывания частиц в атмосфере. Те частицы, которые по своему поведению сходны с частицами газов (диаметр 1 мкм и меньше), в значительно меньшей степени подвержены действию атмосферных осадков, время их пребывания в нижних слоях атмосферы составляет 10–20 суток. Этого времени бывает достаточно для распространения частиц по всему полушарию (хемисфере). Однако перемещение из Северного полушария в Южное за 20 суток не представляется возможным, поскольку экваториальная зона низкого давления вокруг Земли значительно затрудняет обмен воздушными массами между двумя полушариями.
Если частицы достигают верхних слоев тропосферы, то они могут проникнуть в стратосферу с помощью горизонтальных, воздушных потоков между тропосферой и стратосферой. При вулканических извержениях частицы золы и пыли могут подниматься на высоту до 20 км и выше. Продолжительность существования аэрозольных частиц в стратосфере составляет 1–3 года.
Время пребывания частиц в атмосфере и, следовательно, их распространение по земной поверхности зависят не только от размеров частиц и их плотности, но и от скорости ветров, а также от того, на какую высоту частицы были занесены первоначально. Крупные частицы обычно оседают в течение нескольких часов или суток, тем не менее они могут переноситься на сотни километров, если вначале оказались на достаточно большой высоте. Так, например, пыль пустыни Сахара можно обнаружить на юге США, в Центральной и Латинской Америке. Средняя плотность частиц этой пыли, имеющих в поперечнике 12 мкм и больше, равна 2,5 г/см3. Ежегодная масса атмосферной пыли, выносимой из Сахары, составляет 100–400 Мт, при этом пыль частично осаждается в сухом виде, частично прибивается к земле дождями.
Атмосферные аэрозоли, накапливающиеся над городом и промышленными зонами, имеют не только локальное, но и региональное значение. Сначала они образуют сгущения над первоначальными источниками, но при сильном движении воздушных масс эти загрязнения могут разноситься в подветренную сторону.
В экологическом отношении очень важно знать и прогнозировать возможный атмосферный перенос образующихся аэрозолей на более или менее далекие расстояния. Зная размер частиц аэрозолей в районе предприятий строительного комплекса г. Белгорода, можно сделать следующий прогноз их переноса в атмосфере. В северо-восточной части города, в зоне комбината “Стройматериалы”, большинство аэрозольных частиц имеют размеры > 10 мкм, а именно 40, 60 и 70 мкм, т.е. являются быстро осаждающимися. Это в основном минеральные частицы кальцита СаСО3 и кварца SiO2. Их распространение в атмосфере носит преимущественно локальный характер. Обнаружены здесь и многокомпонентные пепловые частицы диаметром 4 мкм, образующиеся в результате высокотемпературных процессов.
Возможен их атмосферный перенос в региональном масштабе. Атмосферные частицы в западной части города, имеющие размеры 8, 5 и 1,6 мкм, переносятся уже на большие расстояния и могут давать региональное загрязнение. В этой части города находятся комбинат асбестоцементных изделий, завод железобетонных изделий, цементный завод и другие предприятия. Большинство (65%) аэрозольных частиц в данной промышленной зоне имеет размер 1 мкм и менее, время их пребывания в нижних слоях атмосферы может достигать 20 суток.
Следовательно, наблюдаемое изменение атмосферы не ограничится городской чертой, а будет распространяться далее – в региональном и даже глобальном масштабах. Обычно время полного перемешивания в пределах полушария составляет от 0,5 до 3 месяцев, а перемешивание воздушных масс между полушариями длится примерно год.
В областях с умеренным климатом интенсивность поступлений аэрозолей в атмосферу заметно зависит от времени года. Их образование по естественным причинам достигает максимума в жаркие летние месяцы, а выделение частиц антропогенного происхождения над городами и густонаселенными районами максимально в отопительный зимний период. Главной причиной возникновения аэрозолей в последнем случае являются продукты, образующиеся при работе промышленных и бытовых котельных.
Область распространения аэрозолей, образующихся в закрытых помещениях, имеет четко ограниченный местный характер. При отсутствии вентиляции и вытяжных устройств концентрация загрязнения может достичь такой величины, что станет опасной для человеческого организма. Это особенно характерно для загрязнений, вызывающих аллергию.
Из сказанного выше следует, что устойчивость аэрозолей определяется многими факторами и прежде всего размером частиц. Естественное разрушение аэрозолей происходит либо в результате седиментации, либо в результате коагуляции. Грубодисперсные аэрозоли (с крупными частицами) неустойчивы в связи с большей скоростью седиментации, которая преобладает над броуновским движением; такие аэрозоли переносятся в воздухе преимущественно ветром. Высокодисперсные аэрозоли (с малыми частицами) могут быть неустойчивы вследствие частых столкновений частиц друг с другом. В таких аэрозолях преобладает броуновское движение. Основной механизм разрушения – коагуляция и оседание в результате диффузии. Более устойчивые аэрозоли содержат частицы размером 100 мкм.
Удаление аэрозолей в процессе слипания частиц (сухого и мокрого – с атмосферными осадками) происходит в основном за счет осаждения, которое является одним из основных путей самоочищения атмосферы.
Трансформация аэрозольных частиц в атмосфере заключается не только в коагуляции и седиментации, но и в изменении химического состава. Многие газообразные примеси могут реагировать с аэрозольными частицами, например аммиак с Н2SО4, пары азотной кислоты с NaСl, озон с частицами органических веществ и т.д.
При наличии в атмосфере аммиака аэрозоль серной кислоты превращается в сульфат аммония:
2NН3 + Н2SО4 → (NН4)2SО4. (1.9)
В загрязненной атмосфере в 1 м3 воздуха может находиться до нескольких микрограммов аммиака и столько же сульфата. Эта реакция протекает быстро. Столкновение молекул NН3 с каплями Н2SО4, содержащейся в смоге или тумане, приводит к образованию соли. Сульфат аммония является важным компонентом атмосферных аэрозолей.
В атмосфере может происходить образование сульфатов щелочных металлов. Например, при взаимодействии частиц NaСl с каплями H2SО4 образуется сульфат натрия:
2NaСl + H2SО4 → NaSО4 + 2НСl. (1.10)
Содержание NaСl в 1 м3 атмосферы может достигать нескольких миллиграммов. В результате этой реакции в воздухе наряду с сульфатом натрия образуется свободная соляная кислота.
Аналогично может взаимодействовать аэрозоль H2SО4 с карбонатами, поднимающимися с поверхности Земли:
СаCO3 + H2SО4 → СаSО4 + H2О + СО2↑. (1.11)
Так образуется сульфат кальция. Тропосферные аэрозоли серной кислоты могут сохраняться в атмосфере только несколько суток. Потом они либо выпадают в осадки вместе с дождями, либо превращаются в твердые частицы сульфатов.
Возможно образование в атмосфере и нитратов. Если диоксид азота NO2 и аэрозоль NaСl присутствуют во влажном воздухе, то реакция между ними приводит к образованию частиц NаNO3 и газообразного НСl. На первой стадии процесса получается азотная кислота:
3NO2 + H2О → 2HNO3 + NО. (1.12)
На второй стадии протекает адсорбция паров азотной кислоты сухими частицами NaСl, далее они взаимодействуют друг с другом с образованием нитрата натрия.
HNO3 + NaСl → NаNO3 + НСl. (1.13)
Хлороводород улетучивается либо в процессе испарения капли, либо после него.
Такие изменения происходят с аэрозолями в атмосфере.
Аэрозольные частицы в стратосфере. Существование аэрозолей в стратосфере было установлено в 1960–1970-е гг. с помощью ракетной техники и путем использования лучей прожектора или лазерного зондирования атмосферы с помощью специальных оптических локаторов (лидаров). Максимальная концентрация аэрозольных частиц наблюдается во влажных слоях атмосферы, преимущественно на высоте 18–20 км над Землей. После извержения вулканов масса пыли в стратосфере сильно увеличивается, потом она постепенно, в течение нескольких лет, уменьшается. Ядра некоторых частиц могут иметь космическое происхождение. Стратосферные частицы можно разделить на две группы, отличающиеся размером. Первую группу составляют частицы с радиусом 0 < R < 1 мкм, их концентрация может составлять от 1 до 103 частиц в 1 см3 воздуха. Вторую группу составляют частицы с R > 1 мкм, их концентрация в стратосфере 0,01–0,07 частиц в 1 см3.
Стратосфера характеризуется практически полным отсутствием облаков и термической стабильностью. Это способствует относительной стабильности и большей продолжительности жизни загрязняющих веществ в стратосфере по сравнению с тропосферой. Если пребывание их в тропосфере ограничивается периодом в несколько суток или недель, то в стратосфере оно может составлять несколько лет (чаще всего 1–3 года). Например, время пребывания в стратосфере радиоактивных продуктов, попавших туда в результате ядерных взрывов, составляет 2 года. Концентрация частиц в стратосфере может быть в 10–100 раз выше, чем в тропосфере.
Стратосферные частицы состоят главным образом из сульфатов. Основным компонентом аэрозолей является сульфат аммония (NH4)2SO4. Среднюю концентрацию [SO42+] можно принять равной 0,1 мг/м3 воздуха. Стратосферные частицы образуются из газообразного SO2, попадающего на эту высоту при извержении вулканов и окисляющегося здесь до SO3. Последний при взаимодействии с парами воды образует серную кислоту H2SО4. Образующиеся частицы представляют собой капли радиусом от 0,1 до нескольких микрометров. Как было отмечено выше, концентрация водяных паров в стратосфере очень мала, поэтому процесс образования капель H2SО4 протекает в незначительной степени. Однако присутствующие в стратосфере твердые мелкие частицы играют роль ядер конденсации и способствуют этому процессу. За последние 20 лет содержание сернокислотных аэрозолей в стратосфере ежегодно увеличивается примерно на 9%. В течение нескольких лет пребывания в стратосфере частицы аэрозолей могут подвергаться коагуляции и седиментации.
Влияние аэрозолей на тепловое состояние атмосферы и климат. Опасным экологическим последствием увеличения количества аэрозолей является уменьшение прозрачности атмосферы, ее помутнение. Так, аэрозольная мутность атмосферы в Москве на 20% больше, чем в пригороде, а в отдельные месяцы разница достигает 40%. Осенью по сравнению с летом воздух становится более прозрачным, это связано с увеличением повторяемости и продолжительности атмосферных осадков, способствующих вымыванию аэрозолей.
Уменьшение прозрачности атмосферы в городах приводит к снижению поступления прямой солнечной радиации на 18–20%. Зимой в Санкт-Петербурге потеря солнечной радиации достигает даже 50%.
Загрязненной атмосферой особенно интенсивно поглощается коротковолновое ультрафиолетовое излучение, в результате отмечают “покраснение” солнечной радиации. Для человека и растений такое изменение спектрального состава неблагоприятно, поскольку ослабляется наиболее актив
...
