Методики инженерной защиты окружающей среды


В. В. Ларичкин, И. А. Сажин, В. Г. Ларионов






                МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ





Учебное пособие


2-е издание








Москва Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2021

УДК 504.75.05
ББК 20.18
      Л25

      Авторы: В. В. Ларичкин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой инженерных проблем экологии Новосибирского государственного технического университета; И. А. Сажин - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технической теплофизики Новосибирского государственного технического университета; В. Г. Ларионов - доктор экономических наук, профессор кафедры организации и планирования производства МГТУ им. Н. Э. Баумана, почетный работник ВПО РФ.
      Рецензенты: Т. А. Коротаева - д.ф.-м.н., с.н.с. Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук; Е. Л. Счастливцев - доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования геоэкологических систем ФГБУН «Институт вычислительных технологий» Сибирского отделения РАН, Кемеровский филиал (КФ ИВТ СО РАН).


     Ларичкин, Владимир Викторович.
Л25      Методики инженерной защиты окружающей среды : учебное по     собие / В. В. Ларичкин, И. А. Сажин, В. Г. Ларионов. - 2-е изд. - М. : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2021. - 240 с. : ил.
           ISBN 978-5-394-04126-6.
           В учебном пособии даны общие сведения в области инженерной экологии. Рассмотрены примеры формирования статистико-математических моделей для обработки экологических данных и прогнозирования. Выполнены расчеты параметров выбросов загрязняющих веществ от нескольких типов источников на основании регламентированных методик. Проведен анализ технологий утилизации, переработки, вторичного использования золошлаковых отходов ТЭС и твердых коммунальных отходов. В приложении даны необходимые сведения ряда разделов математики и статистики. Список литературы полностью отображает содержание пособия и нацелен на углубленное изучение проблем инженерной экологии. В пособие включены авторские результаты, полученные при выполнении прикладных научно-исследовательских работ.
           Предлагаемый материал будет полезен студентам старших курсов, магистрантам, обучающимся по направлениям подготовки 20.03.01 (бакалавриат), 20.04.01 (магистратура) - «Техносферная безопасность» (профили - инженерная защита окружающей среды, безопасность технологических процессов и производств), а также аспирантам, специалистам в области прикладной инженерной экологии.


ISBN 978-5-394-04126-6     © Ларичкин В. В., Сажин И. А., Ларионов В. Г., 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение....................................................7
Глава 1. Классификация видов загрязнений экологических систем.......................................10
1.1. Загрязнения окружающей среды..........................10
1.2. Механическое загрязнение..............................11
1.3. Химическое загрязнение................................13
    1.3.1. Химическое загрязнение атмосферы................15
    1.3.2. Химическое загрязнение вод......................16
    1.3.3. Химическое загрязнение почв.....................17
    1.3.4. Тяжелые металлы в природных средах..............20
    1.3.4.1. Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях...................................25
    1.3.4.2. Мероприятия по мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами.....................................28
    1.3.4.3. Пестициды в природных средах..................30
    1.3.4.4. Гигиеническая классификация пестицидов........33
    1.3.5. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами............34
1.4. Биологическое загрязнение.............................40
1.5. Осмофорное загрязнение................................41
1.6. Шумовое загрязнение...................................43
1.7. Вибрационное загрязнение..............................46
1.8. Электромагнитное загрязнение..........................49
1.9. Тепловое загрязнение..................................57
1.10. Световое загрязнение.................................57
1.11. Радиоактивное загрязнение............................59
    1.11.1. Радиационное загрязнение местности и воды......61
1.12. Основные показатели загрязняющих веществ.............65
1.13. Санитарно-защитные зоны..............................67
Контрольные вопросы .......................................69

Глава 2. Методы обработки экспериментальных данных, связанных с экологией. Установление их достоверности.
Формирование прогноза.......................................70
2.1. Анализ достоверности экологических данных ограниченного объема Байкальского региона.................................73


3

2.2. Алгоритм формирования прогноза методами регрессионного анализа...................................................77
2.3 Алгоритм уточнения прогнозов регрессионных моделей методиками ковариационного анализа........................80
2.4. Анализ данных и прогнозирование лесных пожаров в Иркутской области.......................................83
Контрольные вопросы .......................................86

Глава 3. Пример расчета областей распространения приземной концентрации загрязняющих веществ от выбросов нескольких точечных источников.............................87
3.1. Алгоритм построения максимальной приземной концентрации ЗВ в направлении «восток - запад» ...........87
3.2. Алгоритм построения максимальной приземной концентрации ЗВ в направлении «северо-запад», «юго-восток».91
3.3. Алгоритм построения максимальной приземной концентрации ЗВ в направлении «север - юг»................92
3.4. Интегральная область повышенной приземной концентрации ЗВ от ТЭЦ-4..................................95
Приложения к главе 3.......................................96
Контрольные вопросы .......................................97

Глава 4. Площадной источник выбросов загрязняющих веществ....................................................98
4.1. Пример расчета приземных зон выбросов загрязняющих веществ полигона ТКО на основании регламентированной методики..................................................98
4.2. Формирование исходных данных расчета области загрязнения от полигонов твердых коммунальных отходов на примере Новосибирской области....................................101
4.3. Реализация методики расчета области загрязнения от площадного источника выбросов ........................103
4.4. Пример расчета приземных зон выбросов загрязняющих веществ от автомобильного транспорта на основании регламентированной методики..............................106
Контрольные вопросы ......................................107


4

Глава 5. Передвижные источники химического загрязнения ..108
5.1 Летательные аппараты как передвижные источники загрязнения атмосферного воздуха........................111
5.2. Авиационные топлива и продукты сгорания ............115
5.3. Требования ИКАО к авиационным топливам. Методика расчетовудельных показателях выбросов EI нормируемых ЗВ 122
5.4. Выбросы загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания автомобилей в условиях большого города.........136
Контрольные вопросы .....................................137

Глава 6. Методы утилизации и переработки промышленных и твердых коммунальных отходов (ТКО) ....................138
6.1. Краткая история вопроса.............................138
6.2. Критерии выбора технологии обезвреживания и переработки ТКО.......................................140
6.3. Малоотходные и безотходные технологии ..............146
6.4. Современные технологии переработки и утилизации твёрдых техногенных отходов электростанций и промышленных предприятий.............................................147
6.5. Современное состояние и перспективы модернизации процессов переработки иутилизации ТКО в г. Новосибирске .149
6.6. Алгоритмы размещения полигонов в г. Новосибирске и его окрестностях......................................154
6.7. Конкурентные преимущества материалов на основе ЗШО по сравнению с ближайшими аналогами.....................156
6.8. Технико-экономическаяэффективность..................158
6.9. Перспективные направления переработки золошлаковых отходов ТЭС.............................................158
6.10. Описание прогнозируемых эффектов от использования продукции...............................................159
6.11. Прогнозируемые социально-экономические эффекты от использования продукции..............................160
Контрольные вопросы .....................................160

5

Глава 7. Технологии использования золошлаковых отходов ТЭС в народном хозяйстве.....................................161
7.1. Краткое состояние проблемы использования золошлаковых отходов ТЭС в строительстве..............................161
7.2. Применение золошлаковых отходов в качестве шумопоглощающего заполнителя - керамзита.................166
7.3. Модификация гипсовых вяжущих золошлаковыми отходами..169
7.4. Разработка способов извлечения алюминия из золошлаковых отходов угольных электростанций..........174
7.5. Перспективы использования золошлаковых (ЗШО) отходов ТЭС Павлодарской области в строительстве.........179
    7.5.1. Зола ТЭС в легком иячеистом бетонах...........185
    7.5.2. Технико-экономическая целесообразность
использования золошлаковых отходов...............187
Контрольные вопросы .....................................188
Приложения...............................................189
Приложение 1. Элементы математической статистики, корреляционного, регрессионного анализа, ковариационного анализа, понятия о временных рядах.......................189
Приложение 2. Элементы корреляционного анализа............196
Приложение 3. Основные сведения о регрессионном анализе ..200
Приложение 4. Множественная регрессия.....................211
Приложение 5. Регрессионные модели с переменной структурой
(с фиктивными переменными). Элементы ковариационного анализа..................................................220
Приложение 6. Анализ временных рядов.....................222
Приложение 7. Трендовые модели ..........................224
Приложение 8. Сезонные (периодические) модели............225
Приложение 9. Модели с лагами............................226
Приложение 10. Цепи Маркова..............................229
Список литературы........................................233

6

        ВВЕДЕНИЕ


     Промышленная экология - раздел экологии, рассматривающий воздействие промышленности, транспорта и других источников искусственного происхождения на природу, а также, влияние природной среды на функционирование промышленных, транспортных комплексов, отдельных предприятий, условия жизни населения. Основные задачи промышленной экологии - обеспечение экологической безопасности окружающей среды, защита населения от воздействия негативных факторов производства, транспорта, изделий. Основные задачи, решаемые в рамках инженерной экологии:
     - создание экозащитной техники и технологий,
     -      осуществление контроля, регламентных мероприятий в сфере энергетики, промышленного производства, их техногенных выбросов, сбросов, отходов,
     -     реализация контроля состояния окружающей среды в зонах воздействия объектов хозяйственной деятельности.
     Реализация вышеперечисленных задач требует от специалиста -эколога широкого спектра знаний и умений в области точных наук, компьютерной грамотности, владения современными методами проведения натурных и лабораторных исследований и др. Настоящее учебное пособие составлено с целью освещения некоторых актуальных проблем в области инженерной экологии, демонстрации спектра существующих и перспективных проблем в области обеспечения экологической безопасности производства, транспорта. В разделах пособия приводятся общие сведения, обоснование актуальности поставленной проблемы, формируются методики решения конкретных экологических задач, проводится анализ полученных результатов.
     В первом разделе изложена классификация видов загрязнения экологических систем. Указано, что загрязнение природной среды, заключающее во внесении в экологическую систему не свойственных ей компонентов или структурных изменений, приводит к разрушению данной системы. Загрязнение природной среды результате естественных причин и в результате хозяйственной деятельности. В первом случае это наводнение, извержения вулканов, пожары лесов, селевые потоки и т. д. Во втором - намеренное и непреднамеренное изменение природной

7

среды, вследствие хозяйственной деятельности (строительство городов, дорог, предприятий по добыче полезных ископаемых и т. п.) с совокупным воздействием нескольких загрязнителей (химических, физических, биологических и т. д.).
     Во втором разделе рассмотрены методы обработки экспериментальных данных малого и большого объемов, связанных с экологией. Предложены способы установления их достоверности. Сформирован прогноз конкретного стихийного бедствия. Проведен анализ и сравнение полученных результатов с известными исследованиями.
     Третий, четвертый разделы посвящены применению регламентированной методики к расчету параметров областей приземной концентрации загрязняющих веществ от нескольких точечных источников, площадного источника. Найдены границы распространения выбросов загрязняющих веществ. Полученные данные соответствуют результатам натурных измерений.
     В пятом разделе рассмотрены воздушные суда, как подвижный источник выбросов загрязняющих веществ. Двигатели внутреннего сгорания и силовые установки летательных аппаратов в процессе работы производят выбросы загрязняющих веществ, содержащих окиси углерода, азота, серы, сажу и другие. Расход топлива современного среднемагистрального самолета составляет несколько тонн. Процессы прогрева силовых установок, руления на взлетно-посадочной полосе при взлете и приземлении характеризуются значительными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу аэропорта.
     Методы утилизации, переработки, вторичного использования золо-шлаковых отходов ТЭС, твердых коммунальных отходов рассмотрены в шестом и седьмом разделах. Приведены примеры внедрения безотходных технологий. Использование золо-шлаковых отходов ТЭС в строительстве позволяет получить материалы с уникальными свойствами, реализовать новые технологии. В настоящее время внедрены и совершенствуются процессы получения редкоземельных элементов, золота, алюминия из золо-шлаковых отходов ТЭС.
     В приложении приведены необходимые сведения ряда разделов математики и статистики. Рассмотрены вопросы формирования моделей корреляционного, регрессионного, ковариационного анализа. Приведе

8

ны: алгоритм матричного применения метода наименьших квадратов, процесс верификации модели, порядок применения предпосылок Гаусса - Маркова, диагностика наличия гетероскедастичности, автокорреляции отклонений, способы их устранения. Дана методика прогнозирования с наперед заданной доверительной вероятностью. Вниманию читателей предложены некоторые другие сведения математического характера, способствующие пониманию содержания данного учебного пособия.

9

        Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

        1.1. Загрязнения окружающей среды

     Загрязнение природной среды - это внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, в результате чего данная система разрушается [8, 15, 17, 34,41,68].
     Загрязнение природной среды бывает в результате естественных причин и в результате хозяйственной деятельности. В первом случае это наводнение, извержения вулканов, пожары лесов, селевые потоки и т. д. Во втором, намеренное и непреднамеренное изменение природной среды, вследствие хозяйственной деятельности (строительство городов, дорог, предприятий по добыче полезных ископаемых и т. п.) с совокупным воздействием нескольких загрязнителей (химических, физических, биологических и т. д.).
     Различают следующие виды загрязнений экологических систем [43]:
    1. Ингредиентноезагрязнение:
     а)     неорганическое (минеральное), например, продукты сгорания топлива, отходы химических производств и т. д.,
    б)     органическое, например, пестициды и т. д.
     2.     Энергетическое - шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное загрязнения.
     3.     Биоценотическое - различные формы дискомфорта, нарушение баланса популяций живых организмов.
     4.     Деструктивное загрязнение - вырубка лесов, эрозия почв, зарегулирование рек и превращение проточных водоемов в застойные, урбанизация населенных пунктов, дорожное строительство, степные ит. п.
     Загрязнения, обусловленные хозяйственной деятельностью человека, классифицируют по следующим видам: механическое, химическое, биологическое, осмофорное, шумовое, вибрационное, электромагнитное, тепловое, световое и радиоактивное.


10

        1.2. Механическое загрязнение

     К этому виду загрязнения относятся в основном отходы человеческой деятельности: строительный и бытовой мусор, полимерные материалы в виде разного вида упаковок и тары, твердые отходы промышленного производства (стружка, окалина, опилки и т. п.), отработанные автопокрышки, автомобили, механизмы, устройства, жидкие стоки, аэрозолиит. д. [34,41].
     Все отходы делятся на отходы производства и отходы потребления.
     По агрегатному состоянию отходы делятся на жидкие, твердые и газообразные.
     По степени влияния на окружающую среду отходы условно подразделяют на безвредные для живых организмов, в том числе и человека и токсичные, т.е. вредные.
     Жизнедеятельность городов, особенно крупных, сел, рабочих поселков, деревень, садово-огородных обществ порождает огромное количество свалок. Твердые бытовые отходы (ТБО) и их переработка головная боль администраций всех уровней. В развитых странах до 7% промышленных отходов поступает на вторичное использование, в России об этом только думают. Ежегодный мировой прирост ТБО составляет ~3%, а в некоторых странах, например, США, Японии, Китае он достигает 10%.
     Основными способами переработки ТБО являются захоронение и термический метод (пока только сжигание). Кроме того, в мировой практике применяют биотехнологические методы как с получением биогаза, так и удобрений или биотоплива. При этом степень сортировки (предварительной и конечной) с получением ценных продуктов для вторичного использования является основным экономическим показателем при оценке переработки ТБО для быстрой окупаемости строительства предприятий по их утилизации.
     Мировой опыт показывает, что только Франция и Япония широко используют сжигание, остальные - большой частью полигоны. Конечно, сжигание уменьшает объемы отходов почти в 10 раз, дает дополнительную энергию, но производит золу, которую необходимо захоранивать, что также является загрязнением среды.

11

     Для захоронения 1 тонны ТБО требуется порядка 3 м² площади, поэтому свалки занимают во всем мире сотни тысяч гектаров земель, практически выведенных из сельскохозяйственного оборота.
     Полигоны для захоронения ТБО являются строительными сооружениями, которые проектируют и строят как ответственные объекты, обеспечивающие инженерную защиту окружающей среды от загрязнений даже в аварийных ситуациях.
     Современные полигоны ТБО после рекультивации позволяют возводить на них даже зоны отдыха, как это сделано, например, в Барселоне. В последние после сортировки во многих странах производят прессование отходов, что резко уменьшает объем ТБО и повышает вместимость полигонов. Экономический анализ показал, что мусоросжигательные заводы более капиталоемкие, чем полигоны ТБО, особенно, если на полигоны поступает зола с этих заводов.
     Ученые многих стран считают, что для решения проблемы наиболее перспективными методами утилизации ТБО после их сортировки являются биотехнические методы [8, 41, 68].
     Огромную проблему составляют промышленные отходы производства - остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они могут быть безвозвратными (технологические потери: улетучивание, угар, усушка) и возвратными. К ним следует причислить отходы производственного потребления - непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и «списанные» в установленном порядке машины, оборудование, инструменты, приборы и т. п. Они могут быть сельскохозяйственными, бытовыми и другими. К обоим этим видам отходов нужно отнести медикаментозные, химические, высокотоксичные и радиоактивные.
     В России отходы по степени вредности и опасности делятся на четыре класса, в европейских странах принято деление на три класса.
     К опасным (токсичным) отходам относят отходы, способные вызывать отравления или иное поражение живых существ. Это прежде всего неиспользованные ядохимикаты сельскохозяйственного назначения, промышленные канцерогены и мутагены. В США даже среди ТБО около 40% относят к особо опасным, в Венгрии - 34%, во Франции -12

6%, в Италии и Японии - всего 0,3%. В России выделяют из ТБО 10% особо опасных.
     Основная часть опасных отходов складируется или захоранивается, в том числе и затапливается в море. Обезвреживанию с предварительной обработкой, сжиганию и вторичной переработке подвергается наибольшая часть опасных отходов.
     До принятия Конвенции о запрещении захоронения радиоактивных отходов в морях и океанах западноевропейскими странами в океанских водах было затоплено более 35 млн ГБк радиоактивных отходов в контейнерах, основная часть этого количества приходится на долю Великобритании - 76%.
     В настоящее время страны Европы производят захоронение высокотоксичных и радиоактивных отходов в подземном пространстве. В Германии, например, высокоактивные отходы помещают в соляной купол, расположенный вблизи Ганновера.
     Недостаточное внимание в России, а также в странах, где высокий уровень использования агротехники, уделяется вопросам обезвреживанию пришедших в негодность десятков тысяч тонн пестицидов, инсектицидов, гербицидов и т. п.
     В регионах и городах с развитой системой предприятий и учреждений медицинского профиля накапливаются чрезвычайно сложные по составу отходы, относящиеся к классам опасных отходов. Сложность обращения с «медикаментозными» и «больничными» отходами заключается в том, что в них наряду с огромным числом химических соединений сложных структур, обладающих эффектом суммации, входят биологические объекты, в том числе инфекционные. Это затрудняет, а иногда делает невозможным сортировку отходов. Неорганизованное складирование, спорадическое сжигание на свалках (полигонах) таких отходов сопровождается образованием вторичных токсикантов, которые могут быть гораздо опаснее исходных соединений (полихлорвиниловые бифенилы, диоксины, бензофураны и др.).

        1.3. Химическое загрязнение

     Химическое загрязнение - формируется в результате изменения естественных химических свойств окружающей среды при поступлении в нее способных к реакциям химических веществ, не свойственных ей, а

13

также в концентрациях, превышающих фоновые. Наиболее массовыми химическими загрязнителями являются оксиды углерода (СОх), серы (SOx), азота (ИОх), углеводороды (СхНу), соли кислот и щелочей, соединения серы, фтора, фосфора, фенолы и др.
     Химические загрязнители по характеру своего воздействия на здоровье людей делятся на следующие группы [41]: токсические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные, влияющие на репродуктивную функцию. В организм человека загрязнители проникают через кожу, слизистые оболочки, органы дыхания, желудочнокишечный тракт. В настоящее время известно >3 млн. химических соединений, ежегодно синтезируется более 100 000 новых веществ, в результате этого человечество находится под угрозой ~50 000 химических соединений разного класса, не свойственных естественным условиям окружающей среды.
     Один из разделов учения об охране окружающей среды от химического загрязнения - экологическая химия, которая изучает химические процессы, влияющие на состояние и свойства окружающей среды - атмосферы, гидросферы и почвы.
     Задачи экологической химии:
     -      изучение технологий, способствующих снижению уровня химического загрязнения объектов окружающей среды опасными для экосистемы загрязняющими веществами;
     -      совершенствование технологических процессов переработки сырья и очистки отходов;
     -      прогнозирование поведения химического загрязнения под влиянием различных природных факторов и антропогенных воздействий;
     -     разработка способов управления состоянием природной среды.
     Для решения этих задач необходимо решить проблемы токсичности того или иного вещества, поступающего в окружающую среду, миграции и трансформации веществ под влиянием природных факторов, оценивать скорость трансформации загрязняющих веществ в зависимости от факторов среды.
     Все химические соединения, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию, принято называть поллютантами. Загрязняющие химические вещества подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

14