С.А. СИНГЕЕВ, Е.Н. НИКИТИНА ЭКОЛОГИЯ Практикум Самара Самарский государственный технический университет 2009 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Филиал в г. Сызрани К а ф е д р а общеинженерных дисциплин С.А. СИНГЕЕВ, Е.Н. НИКИТИНА ЭКОЛОГИЯ Практикум Самара Самарский государственный технический университет 2009 Печатается по решению научно-методического совета факультета УДК 502.3 Экология: Практикум / Сост. С.А. Сингеев, Е.Н. Никитина. – Самара; Самар. гос. техн. ун-т, 2009.- 40 с.: ил. 3, табл. 2. В практикуме рассматриваются экологические аспекты работы промышленных предприятий и методики оценки воздействия объектов-загрязнителей на атмосферный воздух и водоемы, способы снижения загрязнения окружающей среды. Практикум предназначен для студентов технических и экономических специальностей и может быть использован на практических занятиях по дисциплине «Экология». Составители: канд. техн. наук С.А. Сингеев канд. техн. наук Е.Н. Никитина Рецензент профессор А.В. Епанчинов © С.А. Сингеев, Е.Н. Никитина, 2009 © Самарский государственный технический университет, 2009 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.............................................................................4 Практическое занятие № 1 «Охрана атмосферного воздуха» ..................................................................................5 Практическое занятие № 2 «Исследование приземных концентраций загрязняющих веществ в зоне влияния стационарного источника загрязнения атмосферы»................................................17 Практическое занятие № 3 «Исследование концентрации загрязняющих веществ в проточном водоеме»..................................24 Практическое занятие № 4 «Изучение параметров и управление экологической системой» .....................................................31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................34 3 ВВЕДЕНИЕ Биосфера как область существования живого вещества на нашей планете представляет собой равновесную систему, в которой процессы обмена происходят, главным образом, за счет жизнедеятельности организмов. Антропогенное загрязнение биосферы до определенного периода сглаживалось процессами, происходящими в биосфере, однако в последние десятилетия масштабы преобразовательной деятельности человека так возросли, что достигли глобального уровня. В промышленно развитых регионах окружающая природная среда испытывает значительное техногенное воздействие. В связи с этим основными проблемами начала XXI века стали загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов. Источниками загрязнения в большинстве случаев являются предприятия различных отраслей промышленности и транспорт. Особую экологическую опасность представляет загрязнение воздушной среды, территории, поверхностных и грунтовых вод вредными веществами. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, сброс загрязненных сточных вод, размещение опасных отходов в окружающей среде приводят к нарушению равновесия в природных экологических системах, снижению качества жизни, ухудшению здоровья населения. В настоящее время во многих промышленно развитых областях РФ экологическая обстановка характеризуется как неблагоприятная. С целью ограничения техногенного давления на окружающую среду и человека оценки качества объектов окружающей и производственной среды устанавливаются экологические и гигиенические нормативы воздействия вредных факторов. Предприятия и организации в соответствии с законодательством РФ обязаны не только соблюдать эти нормативы, но и снижать вредные эмиссии, улучшая тем самым экологическую ситуацию. Организация бизнеса с учетом требований экологической безопасности является одной из основных задач современных руководителей и специалистов. 4 Практическое занятие № 1 Охрана атмосферного воздуха Цель работы: 1. Изучение основных видов источников загрязнения атмосферы, характеристик загрязняющих веществ, нормативов, ограничивающих техногенное воздействие на атмосферный воздух. 2. Оценка экологической ситуации по показателю «Загрязнение атмосферного воздуха» в промышленном центре. 3. Разработка мероприятий, способствующих улучшению состояния воздушной среды на границе жилой застройки в зоне влияния стационарного источника загрязнения атмосферы. Чистота атмосферного воздуха является одним из основных показателей качества окружающей среды. Источники загрязнения атмосферного воздуха могут быть естественного и искусственного происхождения. К естественным (природным) источникам загрязнения воздушной среды относятся вулканы в период их активности, пустыни, оголенные участки земной поверхности. Со второй половины ХХ века вместе с развитием промышленности и транспорта существенно увеличилась доля искусственных техногенных источников загрязнения окружающей среды и, прежде всего, воздуха. Состав воздуха промышленных центров существенно отличается от природного. В воздушной среде городов современными методами обнаруживаются десятки вредных примесей. Во многих городах РФ фактическое содержание загрязняющих веществ (ЗВ) в воздухе превышает установленные нормативы в несколько раз. Ежегодно составляется Приоритетный список городов России с высоким уровнем загрязнения атмосферы. 5 1. Техногенные источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу К основным техногенным источникам выброса ЗВ в атмосферу относятся предприятия различных отраслей промышленности (черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии , машиностроения и др.), объекты теплоэнергетики, а также транспортные средства, использующие энергию сгорания топлива. Источники загрязнения атмосферы (ИЗА) подразделяют на следующие категории: - стационарные и передвижные; - организованные и неорганизованные; - точечные, щелевые, площадные; - высокие и низкие. К организованным относятся источники с направленным выбросом газовоздушной смеси через дымовые и выхлопные трубы, дыхательные клапаны резервуаров, вытяжные вентиляционные трубы и др. У неорганизованных источников отсутствует направленное движение загрязненного воздуха. ИЗА различаются также по мощности выбросов. Примерами различных источников выделения вредных веществ в воздушную среду являются: - транспортные средства во время сгорания топлива и движения (маневровый тепловоз – передвижной, низкий, организованный источник); - открытая стоянка автотранспорта (стационарный, низкий, неорганизованный, площадный); - топливосжигающие устройства (дымовая труба городской ТЭЦ – одиночный высокий точечный стационарный источник); - резервуары с нефтепродуктами и АЗС, технологические установки (в процессах, связанных с переработкой сырья в химической, нефтехимической промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности). 6 Источниками выделения вредных веществ являются также следующие операции: - добыча, хранение, измельчение, перегрузка сыпучих и пылящих материалов; - нанесение лакокрасочных покрытий; - сварочные работы, резка металла, пайка; - механическая обработка металлов, древесины и других материалов. 2. Характеристика загрязняющих веществ Большинство загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух, представляет опасность для здоровья человека и окружающей среды. В то время как микробиологическое и радиоактивное загрязнение атмосферного воздуха наступает вследствие различных чрезвычайных ситуаций, поступление химических веществ в окружающую среду носит плановый характер и на современном этапе развития производительных сил является неизбежным негативным фактором, который, однако, необходимо учитывать и ограничивать. Вредные вещества выбрасываются в атмосферу в виде газов, пыли и аэрозолей. Большинство газообразных выбросов невозможно идентифицировать визуально и органолептически (с помощью органов чувств), так как они не имеют цвета и запаха, однако в определенных концентрациях они могут привести к острым отравлениям и хроническим заболеваниям. Вредные вещества могут обладать канцерогенным действием (бенз(а)пирен), аллергенным (формальдегид), фиброгенным действием (практически все виды пыли). Такие вещества как сероводород, оксиды углерода, серы, азота являются кислыми газами, оказывают раздражающее действие на верхние дыхательные пути, могут быть причиной кислотных дождей. Углеводороды обладают общетоксическим действием. Качественный и количественный состав выбросов зависит от особенностей перерабатываемого сырья, технологических процессов и режимов, вида топлива, типа техноло7 гического оборудования, транспортных средств и интенсивности их движения. Химические вещества, выбрасываемые в окружающую среду, по степени опасности для природы и человека делятся на 4 класса опасности: - чрезвычайно опасные (1 класс опасности); - высоко опасные (2 класс опасности); - умеренно опасные (3 класс опасности); - малоопасные (4 класс опасности). В таблице 1 приведены классы опасности и предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе населенных мест для некоторых химических соединений. 3. Нормативы качества воздуха и нормативы выбросов в атмосферу Для ограничения негативного воздействия техногенных источников выброса и сброса загрязняющих веществ и физических эмиссий в РФ устанавливаются 2 вида нормативов: 1 – нормативы качества объектов окружающей среды; 2 – нормативы допустимого воздействия на окружающую среду. Количественным критерием качества атмосферного воздуха населенных мест по показателю «содержание вредных веществ» являются гигиенические нормативы – ПДКатм. По времени воздействии различают максимально разовые (ПДКатм.м.р) и среднесуточные (ПДКатм.с.с). ПДКатм.с.с. – наибольшая концентрация загрязнителя в воздухе населенных мест, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного воздействия при бесконечно-долгом вдыхании, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие и генофонд. ПДКатм.м.р. – максимальная концентрация загрязнителя в воздухе населенных мест, которая не вызывает у человека острых реакций – приступов удушья, кашля, слезотечения и др. 8 ПДК вредных веществ в средах (воздухе населенных мест, воздухе рабочей зоны, питьевой воде, воде рыбохозяйственных водоемов, почве) установлены едиными для всей территории РФ, исходя из результатов токсикологических исследований. В 1951 г. в СССР были утверждены ПДК для десяти наиболее распространенных атмосферных загрязнителей. Это были первые в мире нормативы качества воздуха. В настоящее время в РФ ПДК в разных средах установлены более чем для 2,5 тысяч химических веществ. При соблюдении ПДК атмосферных загрязнений не происходит каких-либо отклонений в состоянии здоровья населения. Постоянное превышение ПДК в 2-4 раза вызывает изменение дыхательных функций, сдвиги в функциональном состоянии некоторых органов и систем у чувствительных групп населения – пожилых людей, детей, а превышение ПДК в 5-7 раз и более повышает заболеваемость и смертность населения. Контроль содержания вредных примесей в воздухе промышленных центров осуществляют лаборатории Гидрометеослужбы на специализированных постах наблюдения за загрязнением атмосферы, как правило, посты наблюдения располагаются в жилых зонах, вдали от стационарных ИЗА. На основании результатов системных наблюдений формируется банк данных о загрязнении воздуха в городах. Фоновая концентрация формируется как суммарный результат влияния стационарных и передвижных ИЗА, действующих в населенном пункте. Таблица 1 ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест Вещество Азота диоксид Аммиак Бенз(а)пирен Гидрофторид ПДК, мг/м3 Максимальная Среднесуразовая точная 0,085 0,04 0,2 0,04 0,1 10-5 0,2 Класс опасности 2 4 1 2 9 Гидрохлорид Дихлорметан Кальция карбонат Марганец и его соединения (в пересчете на марганец) Метанол Мышьяк и его неорганические соединения (в пересчете на мышьяк) Никель растворимые соли (в пересчете на никель) Озон Пыль, содержащая асбест хризотиловый Пыль выбросов табачных фабрик (в пересчете на никотин) Пыль неорганическая (цемент, песок) Ртуть Свинец и его неорганические соединения (в пересчете на свинец) Сера диоксид Сероводород Серная кислота Сажа (углерод технический) Углерода оксид Углеводороды (С1-С10 суммарно) Фенол сланцевый Формальдегид Хлор Хром и его соединения (в пересчете на хром 6+) Циклогексанон Этилацетат 10 0,2 8,8 0,5 0,1 0,15 2 4 3 0,01 0,001 2 1 0,5 3 - 0,0003 2 0,0002 0,0002 1 0,16 0,03 0,06 волокон в мл воздуха 1 0,0008 0,0004 4 0,3 0,1 3 - 0,0003 1 0,001 0,0003 1 0,5 0,008 0,3 0,05 0,1 3 2 2 0,15 0,05 3 5,0 3,0 4 - 1,5 4 0,007 0,035 0,1 0,003 0,03 3 2 2 - 0,0015 1 0,04 0,1 - 3 4 - 1 2 ПДК 0,5 ПДК 1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК 3 ПДК 1 ПДК 0,1 ПДК Г Л ПП Л СХ 0,5 ПДК 1 ПДК 2 ПДК 3 ПДК Л ПП Л ИЗА Д СХ Рис. 1. Ситуационная карта-схема: ПП – производственное предприятие; ИЗА – источник загрязнения атмосферы; Г - городская жилая застройка; Л – лесопарковая зона, площади озеленения; СХ - сельскохозяйственные угодья; Д – автодорога; ------ – изоконцентрационные кривые (распределение загрязняющего вещества в зоне влияния источника) При совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией действия (например, кислые газы: азота оксид + азота диоксид + серы диоксид) сумма их концентраций, не должна превышать 1, т.е 11 С1 С2 Сn 1, ПДК 1 ПДК 2 ПДК n где С1, С2, Сn – фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе; ПДК1, ПДК2, ПДКn – гигиенические нормативы (ПДК) этих веществ. С целью ограничения воздействия на атмосферный воздух для предприятий устанавливают нормативы ПДВ (предельно-допустимых выбросов). ПДВ устанавливается для каждого источника и каждого загрязняющего вещества, а также в целом по предприятию. Соблюдение нормативов ПДВ на источниках гарантирует соблюдение норматива ПДК в зоне влияния промышленного объекта. При установлении нормативов ПДВ проводятся сложные расчеты рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере с учетом метеопараметров, климатохарактеристики места расположения объекта, а также параметров ИЗА. 4. Санитарно-защитные зоны и планирование застройки При территориальном планировании жилых и промышленных районов необходимо учитывать наличие источников выбросов ЗВ в атмосферу, фоновую концентрацию ЗВ, сложившуюся в данном населенном пункте, фактическую концентрацию примесей в приземном слое атмосферы. С целью отделения источника вредного воздействия от объекта воздействия (территории жилой застройки, рекреационной зоны, сельхозугодий и др.) вокруг действующих промышленных объектов создаются санитарно-защитные (СЗЗ) или экозащитные зоны. За пределами СЗЗ должно обеспечиваться снижение уровня техногенного воздействия до требуемых гигиенических нормативов по всем факторам воздействия, в том числе соблюдение нормативов качества атмосферного воздуха. В СЗЗ создаются озелененные площади, обеспечивающие экранирование, ассимиляцию и фильтрацию загрязнителей ат12 мосферного воздуха, снижение шумового воздействия, электромагнитных и ионизирующих излучений и повышение комфортности микроклимата. Размеры таких санитарно-защитных зон определяются на основе расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе и в соответствии с санитарной классификацией организаций и могут колебаться от 50 м до 1000 м и более. Пример ситуационной картысхемы расположения производственного объекта приведен на рисунке 1. В соответствии с современной концепцией экологически безопасного развития для проектируемых производственных объектов должно соблюдаться условие непревышения ПДК и/или ПДУ (предельно-допустимого уровня физических воздействий) за пределами производственной площадки, т.е. граница СЗЗ должна совпадать с границей промышленной площадки. 5. Организационно-технические решения, направленные на охрану атмосферного воздуха В случае, если в зоне влияния предприятия содержание вредных веществ превышает ПДК, необходимо провести мероприятия по охране атмосферного воздуха. Для этого идентифицируют ИЗА, которые вносят наибольший вклад в загрязнение, и далее предусматривают меры по уменьшению выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух из указанных источников, их улавливанию, утилизации, обезвреживанию или исключению. В соответствии с Законом РФ «Об охране атмосферного воздуха» запрещаются размещение и эксплуатация объектов хозяйственной и иной деятельности, которые не имеют предусмотренных правилами охраны атмосферного воздуха установок очистки газов и средств контроля за выбросами вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух. Средства очистки газовых выбросов – это составляющие элементы технологическо13 го оборудования, они должны работать вместе с основным оборудованием. Однако наиболее рациональным путем снижения загрязнения воздушной среды в зоне влияния промышленных объектов является не очистка газовых выбросов с помощью газопылеулавливающих установок (ГПУ), а внедрение чистых технологий без выбросов вредных веществ. Очистные установки, как правило, тоже имеют отходы, которые надо перерабатывать или захоранивать. В XXI веке перспективными являются безотходные и малоотходые технологические процессы, основанные на следующих принципах чистого производства: - использование ресурсосберегающих процессов с глубокой степенью переработки сырья, безотходных и малоотходных технологий (минимизация отходов); - использование нетоксичных для человека и окружающей среды видов сырья и вспомогательных материалов; - исключение выбросов в окружающую среду веществ 1-2 класса опасности, минимизация контакта персонала с канцерогенами, мутагенами, аллергенами, летучими органическими соединениями (растворителями и др.), пылью, аэрозолями металлов; - автоматизация производственных процессов; - применение оборудования с минимальным уровнем физических воздействий на окружающую среду и персонал; - герметизация оборудования для исключения выбросов и утечек загрязняющих веществ; - применение принципов природных, биологических процессов в технологиях переработки сырья и отходов (биологизация процессов); - обновление парка транспортных средств, использование электрического, пневмотранспорта на внутренних перевозках, перевод транспортных средств на более экологичное топливо; - оптимизация товарно-транспортных потоков с целью экономии топлива и снижения выбросов выхлопных газов в атмосферу. 14 Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретический материал по теме «Охрана атмосферного воздуха». 2. Дать описание следующих техногенных источников загрязнения атмосферы: пожар в лесу, открытый заглубленный резервуар для хранения жидких нефтемаслоотходов, автостоянка, дымовая труба котельной, самолет, перевалка и пересыпка грунта на стройплощадке. 3. Заполнить таблицу 2 «Фоновые концентрации загрязняющих веществ». 4. Составить характеристику населенного пункта по показателю «Состояние атмосферного воздуха», определить степень опасности указанных веществ для окружающей природной среды и характер их действия на организм человека. Таблица 2 Фоновые концентрации загрязняющих веществ в воздухе промышленного центра по данным постов наблюдения за загрязнением атмосферы (ПНЗ) Класс № Загрязняющее ПДКатм.в.ср.сут., Номер опасвещество мг/м3 ПНЗ* п/п ности 1 2 Сероводород Формальдегид 1 1 3 Бенз(а)пирен 1 Взвешенные 4 вещества (пыль) 5 Сажа 6 Гидрофторид Оксид углерода 8 Диоксид азота 9 Диоксид серы Углеводороды 10 (суммарно С1С10) 7 Фоновые концентрации доли мг/м3 ПДК 0,005 0,025 3,9 106 2 0,17 2 2 0,2 0,01 2 2,5 2 3 0,13 0,024 4 2,5 15 *Расположение постов наблюдения за загрязнением атмосферы города: ПНЗ 1 – Промышленный район; ПНЗ 2 – Центральный район; ПНЗ 3 – Южный район; ПНЗ 4 – Юго-западный район. При составлении характеристики загрязнения воздушной среды районов города, исходить из следующих критериев: - Сф ≤ 1ПДК – экологическая ситуация стабильная; - 1ПДК < Сф ≤ 4ПДК – экологическая ситуация напряженная, опасное загрязнение атмосферы; - Сф > 4ПДК – экологическая ситуация критическая, экстремальное загрязнение атмосферы 5. Изучить ситуационную карту-схему предприятия (рис. 1). Используя теоретический материал, составить предложения в план организационно-технических мероприятий по улучшению качества воздуха на границе жилой застройки в зоне влияния ИЗА предприятия. 6. Оформить отчет. Контрольные вопросы 1. Приведите примеры источников выброса загрязняющих веществ в атмосферу. 2. На какие классы опасности подразделяются вредные вещества? 3. Какое действие могут оказывать содержащиеся в воздухе загрязняющие веществ на организм человека? 4. С какой целью устанавливаются нормативы качества воздуха и нормативы допустимого воздействия на атмосферный воздух? 5. Дайте определение максимально-разовой и среднесуточной ПДК. 16 6. Как устанавливается ПДВ и что гарантирует соблюдение этого норматива? 7. С какой целью устанавливаются санитарно-защитные зоны предприятий? 8. Какое условие должно выполняться на границе санитарно-защитной зоны? 9. Какие организационно-технические решения способствуют снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу? Практическое занятие № 2 Исследование приземных концентраций загрязняющих веществ в зоне влияния стационарного источника загрязнения атмосферы Цель работы: Исследование влияния основных параметров источника загрязнения атмосферы на приземную концентрацию вредного вещества. Совершенствование технологических процессов, применение газопылеулавливающих установок позволяют в значительной мере уменьшить промышленные выбросы в атмосферу. В то же время полностью уловить вредные примеси из отходящих газов практически невозможно, и выделение в атмосферу загрязняющих веществ неизбежно. Для того, чтобы содержание вредных веществ в приземном слое атмосферы не превышало ПДК, промышленные выбросы подвергаются рассеиванию через высокие дымовые трубы. Приземной считается концентрация вредных веществ в 2-хметровом слое над поверхностью земли. Распространение в атмосфере выбрасываемой из трубы газо-воздушной смеси подчиняется законам турбулентной диффузии. За счет смешивания загрязненного воздуха с чис17 тыми воздушными массами происходит постепенное снижение приземных концентраций при удалении от источника. На процесс рассеивания загрязняющих веществ существенное влияние оказывают: ландшафт, наличие высоких объектов, метеорологические условия, физические и химические свойства выбросов, а также параметры источника. Горизонтальное перемещение примесей определяется, в основном, скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур в вертикальном направлении. Метеоусловия, способствующие накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы, считаются неблагоприятными с экологической точки зрения. Безветрие (штиль), туман, низкая облачность, отсутствие солнечного света препятствуют рассеиванию загрязняющих веществ в атмосфере. На рисунке 2 показано распределение концентрации загрязняющего вещества в атмосфере под факелом организованного высокого точечного источника выброса. ИЗА Дымовой факел Жилая застройка ///////////////////////////////////////////////////////// зона 1 переброски факела 18 зона 2 задымления (максимального загрязнения) зона 3 постепенного снижения загрязнения Приземная концентрация загрязняющего вещества Расстояние от источника загрязнения атмосферы Рис.2. Распределение выбросов загрязняющих веществ от высокого организованного точечного источника По мере удаления от источника в направлении распространения промышленных выбросов содержание вредных веществ в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигая максимума, а затем медленно убывает до фонового значения. При этом выделяют три зоны неодинакового загрязнения атмосферы: - зона переброски факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; - зона задымления, характеризующаяся максимальным содержанием вредных веществ; - зона постепенного снижения уровня загрязнения. При проектировании объектов наибольший интерес представляют данные о максимальных уровнях приземных концентраций и расстояние до них от источника выброса вредных веществ. Приземной считается концентрация вредных веществ в двухметровом слое над поверхностью земли. Для выброса нагретой газо-воздушной смеси из одиночного источника с круглым устьем ее можно рассчитать по формуле: 19 Cmax AMFmn , H 2 3 V 1T где Cmax – максимальная приземная концентрация вредных веществ, мг/м3; А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания вредных веществ в воздухе; М – масса вредного вещества, выбрасываемого из источника, мощность выброса, г/с; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газо-воздушной смеси из устья трубы; Н – высота источника выброса над уровнем земли, м; η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности на рассеивание примеси; ΔT – разность между температурой выбрасываемой газо-воздушной смеси Т и температурой окружающего атмосферного воздуха, °С; V1 – объемный расход газо-воздушной смеси, м3/с. Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается для европейской части и Урала от 50° до 52° с.ш. равным 180. Мощность выброса М и расход газо-воздушной смеси V1 при проектировании определяется технологическими расчетами и принимаются в соответствии с нормативами данного производства. Для расчета расхода газо-воздушной смеси можно использовать формулу: 20 V1 D 2 0 , 4 где D – диаметр устья источника выброса, м; ω0 – средняя линейная скорость выхода газовоздушной смеси из устья, м/с. Безразмерный коэффициент F принимают: - для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п.) скорость упорядоченного оседания которых равна нулю, F=1; - для мелкодисперсных аэрозолей при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% F=2; от 75 до 90% F=2,5; менее 75% и при отсутствии очистки F=3. Значение коэффициентов m и n определяются в зависимости от вспомогательных параметров f 1000 0 D V 1T 3 ; Vm 0 , 65 ; H H 2 T Vm 1,3 m 0 D 3 ; fe 800Vm ; H 1 при f<100 0,67 0,1 f 0,343 f 1,47 m при f>=100. 3 f Для f<fe<100 значение коэффициента m вычисляется при f=fe. Коэффициент n при f<100 определяется в зависимости от Vm: n=1 при Vm 2, n=0,532 Vm2–2,13Vm+3,13 при 0,5 Vm<2 n=4,4 Vm при Vm<0,5. При определении значения ΔT следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха Тв равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, а температуру выбрасываемой в атмосферу смеси Тг – по действующим для данного произ21 водства технологическим нормативам, при этом нужно учитывать подсос воздуха и охлаждение выбросов в случае применения мокрой пыле- и газоочистки. Безразмерный коэффициент η, учитывающий рельеф местности на рассеивание примесей, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, принимается равным (η=1). Параметры ИЗА оказывают влияние на распределение загрязняющих веществ. Оптимизация параметров ИЗА может дать экологический эффект в плане снижения приземных концентраций. Однако, при создании новых промышленных объектов, способ решения проблемы загрязнения воздушной среды за счет увеличения высоты источника рассматривается как неперспективный, поскольку при этом снижается максимальная приземная концентрация ЗВ, но не уменьшается валовый выброс, а значит и загрязнение воздушной среды населенного пункта в целом. Особенно это актуально для городов с высоким фоновым загрязнением воздуха. Порядок выполнения работы Используя программу «ATMOS» произвести расчет максимальной приземной концентрации (С2), расстояния от источника (X), на котором формируется максимальная приземная концентрация и предельно-допустимого выброса (М2) при варьировании следующих параметров источника: - мощностью выбросов (M), г/с; - высотой источника (Н), м; - диаметром устья источника (D), м; - температурой выбрасываемых газов (Т), °С; - объемной скоростью газа на выходе из источника (V1), м3/с. Перед введением исходных данных в программу необходимо составить план исследования (матрицу планирования эксперимента). В рамках одного эксперимента задавать не менее 5 значений варьируемого параметра. Значение параметров для расчета рекомендуется зада22 вать в следующем практическом диапазоне: М=10...40 г/с, Н=10...100 м; D=1…2,5 м; Т=30...150 °С; V1=10...50 м3/с, при С=0,5 мг/м3 и Cфон=0,03…0.07 мг/м3. Дробные значения параметров, вводимых в ПК, задавать через точку. 3. По результатам расчетов построить графические зависимости: Cmax=f(M, H, D, T, V1); Хmax=f(M, H, D, T, V1); ПДВ=f(M, H, D, T, V1). 4. Произвести анализ и сделать выводы по результатам расчета и полученным графическим зависимостям. 5. Оформить отчет. Содержание отчета 1. Наименование практической работы. 2. Цель работы. 3. Порядок выполнения работы. 4. Результаты расчета. 5. Полученные графические зависимости. 6. Выводы по работе. Контрольные вопросы 1. С помощью каких средств производят рассеивание пылегазовых промышленных выбросов в атмосферу? 2. По каким законам происходит распространение в атмосфере промышленных выбросов? 3. Какие факторы оказывают влияние на процесс рассеивания выбросов в атмосфере? 4. Что влияет на горизонтальное и вертикальное перемещение примесей в атмосфере? 5. Как изменяется концентрация вредных веществ по мере удаления от трубы в направлении распространения вы23 бросов? 6. Назовите зоны загрязнения атмосферы от одиночного точечного источника. 7. Что называется приземной концентрацией вредных веществ? 8 Какие факторы оказывают влияние на максимальную приземную концентрацию вредных веществ? 9. Какое влияние оказывают мощность выбросов, диаметр устья источника на максимальную приземную концентрацию примесей в атмосфере? 10. Какое влияние оказывают температура выбрасываемых газов и объемная скорость газа на выходе аз источника на приземную концентрацию примесей в атмосфере? 11. Какие факторы оказывают влияние на расстояние от источника с максимальной приземной концентрацией вредных веществ? 12. Что называется фоновой концентрацией веществ в атмосфере? 13. Что называется предельно допустимой концентрацией (ПДК) вредных веществ в атмосфере? 14. Что называется предельно допустимым выбросом (ПДВ)? 15. Какие факторы оказывают влияние на предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу? 16. Почему при создании новых промышленных объектов в крупных городах не приветствуется способ снижения приземных концентраций ЗВ за счет увеличения высоты ИЗА? Практическое занятие № 3 Исследование концентрации загрязняющих веществ в проточном водоеме Цель работы: Исследование влияния основных параметров сточных вод на концентрацию загрязнителя в водоеме с применением 24 компьютерной программы СТОК. Вода является одним из самых распространенных химических соединений биосферы. Обладая уникальными физическими и химическими свойствами, она имеет исключительное значение для жизнедеятельности любой экосистемы. Наряду с этим вода – важнейший объект технологической деятельности человека. Основная часть используемой воды возвращается в природный водоем в виде стоков, загрязненных примесями взвешенных и растворенных соединений. Разбавление сточных вод – это процесс снижения концентрации загрязняющих веществ в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с водной средой, в которую они выпускаются. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления: n Со С в / С Св , где Со – концентрация загрязняющих веществ в выпускаемых сточных водах; Св и С – концентрация загрязняющих веществ в водоеме до и после выпуска соответственно. Для водоемов с направленным течением кратность разбавления удобнее определять по формуле: n mQв Qv / Qv , где Qv – объемный расход сточных вод, сбрасываемых в водоем с объемным расходом Qв; m – коэффициент смешения, показывающий, какая часть расхода воды в водоеме участвует в смешении. Распространение примесей сточных вод обычно происходит в направлении установившихся течений в водоемах, в этом же направлении увеличивается и кратность разбавления. В месте выпуска кратность разбавления равна единице, но когда в процессе перемешивания участвует весь возможный для данного водоема расход Среды, наступает полное перемешивание. 25 Концентрация загрязняющих веществ в водоеме в произвольный момент времени при условии полного перемешивания сточных вод С СоQv Св Qв / V ; V / Qv Qв Qп , где – период полного обмена воды в водоеме, V – объем водоема; Qп – потери расхода воды в водоеме без уноса загрязняющих веществ, например, при испарении. Участок водоема от места выпуска сточных вод до сечения, где произошло полное перемешивание, условно делится на три зоны. В зоне 1 процесс начального разбавления происходит за счет увлечения жидкости водоема турбулентным потоком струи сточной воды, истекающей из выпускных устройств. Концентрация загрязнений уменьшается до тех пор, пока разность скоростей струй сточной воды и воды водоема не станет минимальной. В зоне 2 процесс основного разбавления происходит за счет турбулентного перемешивания Градиент концентраций загрязнений по длине этой зоны значительно меньше, чем в первой зоне. В зоне 3 процесс разбавления закончен, снижение концентраций загрязнений в ней происходит только за счет биологических процессов. При проектировании и реконструкции предприятий, расположенных вблизи рек, в первую очередь необходимо оценить экологические риски при сбросе производственных сточных вод в реку. Наиболее просто эту возможность можно рассчитать по методу В.А. Фролова – И. Д. Родзиллера. Он основан на решении дифференциального уравнения турбулентной диффузии. Концентрация загрязняющих веществ в реке определяется по формуле 3 С max С Со С е k x ; k 3 Dt / Qv , где k – коэффициент, характеризующий гидравлические 26 условия смешения; – коэффициент, характеризующий место расположения выпуска сточных вод. При этом для берегового выпуска 1 ; для выпуска в сечение русла 1,5 ; – коэффициент извилистости русла, L / Lп , где L – длина русла от сечения выпуска до расчетного створа; Lп – расстояние между этими же параллельными сечениями в нормальном направлении; Dt – коэффициент турбулентной диффузии, Dt gHx / MС ш , где g – ускорение силы тяжести; Н – средняя глубина русла по длине смешивания; ωx – средняя по сечению русла скорость течения реки на удалении х от места выпуска сточных вод; Сш – коэффициент Шези; М – функция коэффициента Шези. Кратность разбавления определяется по формуле (1), а коэффициент смешения 3 1 ek L m . Qв k 3 L 1 e Qv Содержание загрязняющих веществ в водоемах часто превышает ПДК, что создает серьезную угрозу здоровью населения и биоценозу водных экосистем. Многократное превышение ПДК делает водоем непригодным для использования в рыбохозяйственных целях, для питьевого водоснабжения и отдыха. Сброс в водоемы горячей воды может привести к гибели биоценоза, не адаптированного к высоким температурам, поэтому необходимо ограничение максимально-допустимой температуры сточных вод. 27 Промышленные и сельскохозяйственные предприятия потребляют большое количество свежей воды, при этом может быть нарушен водный баланс природных экосистем. Однако, в настоящее время неограниченное потребление свежей воды и сброс загрязненных сточных вод становится невыгодным с экономической точки зрения в связи с ростом цен на водопотребление, водоотведение, а также платежей и штрафов за загрязнение водоемов. При организации новых производств и модернизации существующих предприятий необходимо предусматривать следующие меры по снижению негативных воздействий на водные экосистемы: - ликвидация сброса сточных вод и исключение водопотребления на производственные нужды за счет перехода на ресурсосберегающую безводную технологию; - ликвидация сброса сточных вод и сокращение забора свежей воды за счет внедрения замкнутого цикла водоснабжения с внутренними очистными сооружениями; 28 Производственный объект (1) Лесопарк Сброс сточных вод 3 2 Q1 Река Водозабор L2 А Q L1 7 6 Зона отдыха 5 Пляж Водозабор 4 Сельхозугодья Поселок 29 Рис. 3. Ситуационная карта-схема - уменьшение концентрации загрязнителя в сточной воде за счет устройства очистных сооружений перед сбросом сточных вод; - уменьшение забора свежей воды за счет использования ливневых/снеговых стоков с территории предприятия (устройство резервуара для приема ливневых стоков с очистными сооружениями); - снижение потерь воды за счет исключения утечек, уменьшения испарения и уноса воды из системы; - организация локальных (внутрицеховых) циклов водопотребления; - модернизация технологического процесса (рекуперация токсичных растворов и их многократное использование, исключение применения токсичных веществ в техпроцессе); - исключение сброса горячей воды в водоемы, использование избытка тепла производственных и бытовых целях. Такие мероприятия позволят исключить или снизить сброс загрязняющих веществ, снизить тепловое загрязнение водоемов и уменьшить водопотребление. Порядок выполнения работы 1. Изучить ситуационную карту-схему (рисунок 3), на которой источником сброса загрязненных сточных вод является производственное предприятие, расположенное на правом берегу реки. Точка А – контрольная точка (контрольный створ) для расчета концентрации загрязняющего вещества в реке (С1). 2. Используя программу СТОК, выполнить расчет: - максимально-допустимой концентрации загрязнителя в сточной воде (С); - предельно-допустимого сброса (S); - концентрации загрязнителя в водоеме в точке А (С1); - максимально-допустимой температуры сточных вод (Т); при варьировании расходом воды в водоеме (Q), расходом сточной воды (Q1) и расстоянием от места сброса сточных вод по фарватеру (L1). 30 Значения параметров выбирать из приведенных диапазонов: - расход воды в проточном водоеме Q=4000÷10000 м3/c; - расход сточной воды Q1=50÷200 м3/c; - концентрация загрязнителя в сточной воде С2=0,5÷1,25 мг/л; - фоновая концентрация загрязнителя в водоеме С3=0,02÷0,08 мг/л; - ПДК загрязнителя в водоеме С4=0,07 мг/л; - максимальная температура воды в водоеме в летнее время Т1=15÷22 оС; - расстояние от места сброса сточных вод до контрольного створа по фарватеру L1=1000 м и по прямой L2=600÷950 м. Для выполнения расчета разработать матрицу планирования эксперимента в программах Excel или Word в соответствии с заданием. Задавать не менее 5 значений варьируемого параметра. Дробные значения параметров в программе СТОК задавать через точку. 3. По результатам расчета в доступных программах построить графические зависимости: - С=f(Q, Q1, C2, L1); - S=f(Q, Q1, C2, L1); - С1=f(Q, Q1, C2, L1). 4. Сделать выводы, проведя анализ графических зависимостей. 5. Изучить возможности улучшения качества воды в проточном водоеме и снижения потребления свежей воды предприятием. Предложить варианты организационнотехнических мероприятий по снижению водопотребления и уменьшению техногенного загрязнения реки. 6. Оформить отчет по работе. Содержание отчета 1. Наименование работы. 31 2. Цель работы, задание. 3. Матрица планирования эксперимента. 4. Результаты расчета в виде таблиц. 5. Графические зависимости с выводами. 6. Мероприятия по снижению водопотребления и уменьшению техногенного загрязнения реки. Контрольные вопросы 1. Что называется сточными водами? 2. Что называется разбавлением сточных вод? 3. Чем характеризуется интенсивность разбавления сточных вод? 4. Чему равна кратность разбавления в месте выпуска сточных вод? 5. Назовите зоны перемешивания сточных вод. 6. Чем характеризуются зоны перемешивания сточных вод? 7. Что называется максимально допустимой концентрацией загрязнителя в сточной воде? 8. Что называется предельно допустимым сбросом? 9. Что называется фоновой концентрацией загрязнителя в водоеме? 10. Какое влияние на максимально допустимую концентрацию загрязнителя в сточной воде оказывают расход воды в водоеме, расход сточных вод и расстояние от места сброса сточных вод до контрольного створа? 11. Какое влияние на предельно допустимый сброс оказывают расход воды в водоеме, расход сточной воды и концентрация загрязнителя в сточной воде? 12. Какое влияние на концентрацию загрязнителя в водоёме после спуска сточных вод оказывают расход сточной воды, расход воды в водоеме и ПДК загрязнителя в воде водоема? 13. Какое влияние на концентрацию загрязнителя в водоеме оказывает фоновая концентрация загрязнителя? 32 14. С помощью каких мероприятий можно уменьшить концентрацию загрязнителя в водоеме? 15. Какие параметры сточной воды оказывают наибольшее влияние на предельно допустимый сброс? 16. Какие мероприятия по улучшению качества воды в реке вы можете предложить? 17. Какие меры могут способствовать уменьшению водопотребления на производственные нужды? Практическое занятие № 4 Изучение параметров и управление экологической системой Цель работы: Ознакомиться с основными видами антропогенных воздействий на экологическую систему и обеспечить требуемые ее параметры. В данной работе используется компьютерная игра «Озеро». Экологическая система «Озеро» включает в себя: - водоем 200 300 м, разбитый на 3 зоны; - прибрежные предприятия; - гидрометцентр; - два стационарных анализатора ежесуточных проб и один передвижной; - станции подкачки и сброса воды для создания проточности; - две станции искусственной аэрации. Вы назначены диспетчером по управлению качеством воды в озере. Ваша задача состоит в том, чтобы научиться управлять данной экологической системой. В вашем распоряжении два летних месяца июнь и июль. В течение июня вам необходимо вывести озеро из запущенного состояния до уровня ПДК органическим и неорганическим веществам, а затем в течение июля поддерживать 33 качество воды до уровня ПДК. Процесс управления циклический. В начале каждого цикла вы можете получать сведения о качестве воды в каждой зоне, прогноз метеоцентра и прогноз деятельности каждого предприятия на текущую декаду. На основе этой информации вы должны выбрать: - продолжительность цикла Т – количество суток (от 3 до 10); - ежесуточную для цикла мощность Р подкачки чистой воды ( от 0 до 5000 м); - ежесуточную для цикла мощность S сброса воды (от 0 до 5000 м); - ежесуточную для цикла интенсивность искусственной аэрации А1 и А2 (от 0 до 10 м). После этого экосистема будет развиваться в течение Т суток без вашего вмешательства. В управлении системой учитывайте следующее: - завод, фабрика, база забирают воду из озера и после использования, загрязненную органикой и неорганикой сбрасывают обратно; - в круговороте воды учитываются осадки, испарение, подкачка, сброс воды; - ботанический сад только забирает воду на полив; - уровень воды должен быть от 9,8 до 10,2 м; - кислород в воде используется в основном на разложение органики и пополняется за счет искусственной и естественной аэрации, последняя тем выше, чем интенсивнее ветер и дождь; - насыщение воды кислородом повышается с уменьшением температуры и ростом давления; - ПДК определяет нижнюю границу, зависящую от зоны; - концентрация органики растет только за счет сброса сточных вод, скорость разложения пропорциональна концентрации кислорода и температуры воды; уменьшению органики в воде способствует и проточность; - концентрация неорганики возрастает за счет сброса 34 сточных вод, разложения органики, около 4% органики выпадает на дно, остальные следует очищать проточностью; - ПДК для органики и неорганики задает верхнюю границу. Ваша деятельность будет оценена следующим образом. На два месяца вам выделено 300 долларов. Эти деньги будут расходоваться на перекачку воды из расчета 50 центов за каждую 1000 м и на аэрацию по 25 центов за повышение концентрации кислорода в одной зоне за сутки на 1 мг/л. Если эта сумма окажется израсходованной, то в последующие дни вы не сможете управлять качеством воды в озере. Начиная с 1 июля вам будут начисляться штрафные баллы – по одному за каждый день, в котором качество воды будет ниже нормы по ПДК. На экране дисплея компьютера имеется меню, включающее следующие режимы: Помощь – выдача на экран инструкции к программе; Управление – задание параметров (используются клавиши «←», «↑», «→», «↓» ); Состояние – состояние экосистемы на определенную дату; Работа – запуск системы на выбранный цикл; Прогноз – прогноз погоды на текущую декаду, прогноз деятельности предприятий на текущую декаду. Чтобы войти в режим меню необходимо нажать клавишу «Esc». Для выбора одного из режимов необходимо использовать клавиши «←» и «→». Для фиксации выбранного режима необходимо нажать клавишу «Enter». Для выхода из программы необходимо использовать клавишу «F10». Порядок выполнения работы 1. Изучить состав экологической системы «Озеро». 2. Изучить режим УПРАВЛЕНИЯ данной экологической системы. 35 3. Изучить параметры состояния экологической системы в исходный период: - виды загрязнений; - фактические значения каждого вида загрязнений; - значение ПДК загрязнителя; - исходные значения метеорологических условий, температуры воды и уровня воды в озере, экономические показатели (остаток суммы выделенной на 2 месяца для выведения озера из запущенного состояния). 4. Изучить параметры ПРОГНОЗА развития экологической системы на выбранный период времени (3...10 дней): - метеорологические условия: атмосферное давление, осадки, температура воздуха, температура воды; - объем сточных вод от завода, фабрики и базы, объем воды забираемой ботаническим садом. 5. Установить параметры УПРАВЛЕНИЯ экологической системы на выбранный период времени: - Р – подкачка воды 0...5000; - S – сброс воды 0...5000; - A1 – аэрация 0...10; - А2 – аэрация 0...10; - Т – количество суток 0...10. Параметры управления задаются в относительных единицах. Контрольные вопросы 1. Из каких элементов состоит данная экологическая система? 2. По каким параметрам оценивается состояние данной экологической системы? 3. С помощью каких параметров производится управление данной экологической системой? 4. С помощью каких параметров производится оценка метеорологических условий? 5. Что такое аэрация воды? 36 6. От каких факторов зависит насыщение воды кислородом? 7. Какие факторы оказывают влияние на содержание в водоеме органических загрязняющих веществ? 8. Какие факторы оказывают влияние на содержание в водоеме неорганических загрязняющих веществ? 9. Какое влияние оказывают ветер и осадки на насыщение воды кислородом? 10. Какое влияние на концентрацию загрязняющих веществ оказывает проточность воды в водоеме? 11. На какие цели выделяются денежные средства? 12. Какое влияние на насыщение воды кислородом оказывает атмосферное давление? 13. Какое влияние на насыщение воды кислородом оказывает температура воздуха и воды? 37 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа-Человек-Техника: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ ДАНА, 2001.-343 с. ISBN 5-238-00191-6. 2. Богомолова Г.Я., Смирнов Б.Ю. Защита атмосферы. Метод. указ. по обоснованию и разработке природоохранных мероприятий. – Самара, Самар. техн. ун-т, 2003.-24 с. 3. Богомолова Г.Я., Смирнов Б.Ю. Защита гидросферы. Метод. указ. по обоснованию и разработке природоохранных мероприятий. – Самара, Самар. техн. ун-т, 2003.-24 с. 4. Гигиенические нормативы ГН 1.2.13.1338-03 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест». 5. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Изд. 6е, доп. и переработ. – Ростов н/Д: Феникс, 2003.-576 с. ISBN 5-222-03794-0. 6. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. – СПб.: НИИ «Атмосфера», 2005. 7. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов». 38 Учебное издание Экология Составители СИНГЕЕВ Сергей Александрович НИКИТИНА Елена Николаевна Редактор Е.Н. Никитина Верстка А.Т. Вантюкова Подписано в печать 20.10.09. Формат 60 84 116 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,56 Уч.-изд. л. 1,54. Тираж 50 экз. Рег. № 07/09 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» 443100, г. Самара, Молодогвардейская, 244. Главный корпус Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, г. Самара, Молодогвардейская, 144. Корпус № 8 39 40