Химическое загрязнение окружающей среды
Введение
Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.
Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой.
Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.
Предприятия металлургической, химической, цементной и других отраслей промышленности выбрасывают в атмосферу пыль, сернистые и другие вредные газы, выделяющиеся при различных технологических производственных процессах. Черная металлургия выплавки чугуна и переработки его на сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Загрязнение воздуха пылью при коксовании углей сопряжено с подготовкой шихты и загрузкой ее в коксовые печи, с выгрузкой кокса в тушильные вагоны и с мокрым тушением кокса. Мокрое тушение сопровождается также выбросом в атмосферу веществ, входящих в состав используемой воды.
Цветная металлургия. При получении металлического алюминия путем электролиза с отходящими газами от электролизных ванн в атмосферный воздух выделяется значительное количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. Воздушные выбросы предприятий нефтедобывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах происходит главным образом вследствие недостаточной герметизации оборудования. Например, загрязнение атмосферного воздуха углеводородами и сероводородом отмечается от металлических резервуаров сырьевых парков для нестабильной нефти, промежуточных и товарных парков для легковых нефтепродуктов.
Производство цемента и строительных материалов может являться источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основными технологическими процессами этих производств являются процессы измельчения и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, что связано с выбросами пыли в атмосферный воздух. К химической промышленности относится большая группа предприятий. Состав их промышленных выбросов весьма разнообразен. Основными выбросами от предприятий химической промышленности являются окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак, пыль от неорганических производств, органические вещества, сероводород, сероуглерод, хлористые соединения фтористые соединения и др. Источниками загрязнения атмосферного воздуха в сельских населенных местах являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы от производства мяса, предприятия районного объединения "Сельхозтехника", энергетические и теплосиловые предприятия, пестициды, применяемые в сельском хозяйстве. В районе расположения помещений для содержания скота и птицы в атмосферный воздух могут поступать и распространяться на значительное расстояние аммиак, сероуглерод и другие дурно пахнущие газы. К источникам загрязнения атмосферного воздуха пестицидами относятся склады, протравливание семян и сами поля, на которые в том или ином виде наносятся пестициды и минеральные удобрения, а также хлопкоочистительные заводы.
Смог (смесь дыма и тумана). В 1952 г. в течение 3-4 суток от смога в Лондоне погибло более 4 тыс. человек. Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, только когда чрезвычайно загрязнен токсическими примесями. 5 декабря 1952 г. над всей Англией возникла зона высокого давления и в течение нескольких дней не ощущалось ни малейшего дуновения. Однако трагедия разыгралась только в Лондоне, где была высокая степень загрязнения атмосферы. Английские специалисты определили, что смог 1952 г. содержал несколько сот тонн дыма и сернистого ангидрида. При сопоставлении загрязненности атмосферного воздуха в Лондоне в эти дни с уровнем смертности было отмечено, что смертность увеличивается прямо пропорционально концентрации в воздухе дыма и сернистого газа. В 1963 г. густой туман с копотью и дымом, спустившийся на Нью-Йорк (смог), убил более 400 человек. Ученые считают, что ежегодно тысячи смертей в городах всего мира связаны с загрязнением воздуха. Смог наблюдается лишь в осенне-зимнее время (с октября по февраль). Главным действующим компонентом является сернистый газ в концентрации 5-10 мг/м3 и выше.
Влияние атмосферных загрязнений на окружающую среду и здоровье населения. От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Каждый раз, когда в Афинах идет дождь, вместе с водой на город обрушивается серная кислота, под губительным воздействием которой происходит разрушение Акрополя и его бесценных памятников древнегреческого зодчества, сооруженных из мрамора. За последние 30 лет им был нанесен гораздо больший ущерб, чем за предыдущие два тысячелетия.
Загрязнению воздуха в определенной степени подвержены все промышленно развитые страны. Но столица Греции страдает сильнее, чем большинство других крупных городов Западной Европы. Ежегодно в районе Афин в воздух выбрасывается 150 тыс. т сернистого ангидрида. Большая загрязненность окружающей среды отличается в китайском городе Шанхае. На тысячах его фабрик и заводов почти нет газоочистного оборудования. Поэтому ежегодно в воздух выбрасываются многие миллионы тонн угольной пыли, до 20 млн. т сажи, 15 млн. т двуокиси серы, загрязнение воздушного бассейна над ним поистине катастрофично. Временами город заволакивает настолько плотный смог, что даже днем машины с включенными фарами с трудом пробираются по его улицам. На территорию Северной Швеции и Норвегии серы выпадает в 1,2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности в Великобритании и Нидерландах, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании-20-45%.
Особенностью отечественного металлургического производства является негативное воздействие на все составляющие окружающей среды. Это загрязнение почв по причине массового складирования отходов, сброс недостаточно обработанных производственных вод в естественные водоемы, а также выбросы в атмосферу большого количества вредных веществ.
Черная и цветная металлургия относится к самым загрязняющим природную среду отраслям. На долю металлургии приходится около 40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, из них по газообразным веществам - около 34%. по твердым - около 26%. Так, например, для металлургических предприятий актуальна проблема переработки техногенных образований. Известно, что для выработки одной тонны стали традиционным способом, в производство вовлекается более трех тонн первичных природных сырьевых ресурсов. Образующиеся после выплавки стали доменные шлаки, накапливаются в отвалах и шламохранилищах, отнимая при этом городские и сельскохозяйственные земли и создавая дополнительную нагрузку на территорию (так, только на территории металлургических предприятий Уральского региона скопилось свыше 6 млрд. тонн подобных отходов).
Металлургия использует 25% от всей потребляемой российской промышленностью воды. При этом в большинстве случаев, после промышленного использования эта вода не обрабатывается должным образом и загрязненная попадает в поверхностные и грунтовые воды. Тяжелые металлы, нефтеотходы, фенолы и ряд других элементов, присутствующие в сбрасываемой воде, делают ее непригодной для дальнейшего использования, а порой становятся причиной массовой гибели биоресурсов в близлежащих водоемах. Очевидно, что важнейшими пунктами экологических программ металлургических предприятий должно стать сокращение объема забора свежей технической воды и снижение объема сброса производственных вод.
Установлено, что предприятия черной металлургии выбрасывают в атмосферу до 25% металлосодержащей пыли и окиси углерода от общего количества этих веществ, попадающих в атмосферу в результате промышленных процессов. На металлургию приходится распространение в атмосфере почти 50% неутилизируемых промышленностью окислов серы (только предприятиями Заполярного филиала «Норильского никеля» выбрасывается в атмосферу 979 тыс. тонн серы в год). Кроме того, технологический цикл подразумевает выбросы в атмосферу целого спектра токсичных для человеческого организма веществ, включая бензопирен, фториды, соединения марганца, ванадия и хрома. Подобное загрязнение воздуха крайне негативно сказывается на здоровье населения, проживающего в непосредственной близости от металлургических предприятий, многие из которых имеют статус градообразующих. Так, г. Норильск с численностью жителей 214 тыс. человек находится, по сути, в треугольнике заводов, что является непосредственной причиной роста числа патологий у проживающих здесь людей.
В Мурманской области, где расположены несколько крупных металлургических заводов, в том числе дочернее предприятие ГМК «Норильский никель» - Кольская ГМК, регистрируется повышенная частота пороков развития у детей. Статистика, приведенная на сайте областной администрации, свидетельствует о том, что показатель детской смертности от онкологических заболеваний в этом регионе в 1,9 раза превышает общероссийский.
В среднем на 1 млн. т. годовой производительности заводов черной металлургии выделение пыли составляет 350 т/сут, сернистого ангидрида-200, оксида углерода-400, оксидов азота-42 т/сут.
Черная металлургия является одним из крупных потребителей воды. Водопотребление ее составляет 12-15% общего потребления воды промышленными предприятиями страны. Около 60-70% сточных вод, образующихся в технологическом процессе, относятся к «условно чистым» стокам (имеют только повышенную температуру). Остальные сточные воды (30-40%) загрязнены различными примесями и вредными соединениями.
Концентрация вредных веществ в атмосфере и водной среде крупных металлургических центров значительно превышает нормы. Неблагоприятная экологическая обстановка наблюдается в таких металлургических городах России, как Липецк, Магнитогорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Челябинск, Череповец и др. Так, в 1993 г. выбросы вредных веществ в атмосферный воздух Череповецким металлургическим комбинатом составили 414,6 тыс. т (12,8% общего выброса по отрасли). Магнитогорским - 388 тыс. т, Новолипецким - 365 тыс. т, Качканарским горнообогатительным комбинатом - 235,9 тыс. т. Выбросы вредных веществ (сероводород, сероуглерод, втористые соединения, бенз(а)пирен, аммиак, фенол, углеводород) из-за большой токсичности стали причиной превышения допустимых санитарно-гигиенических норм. В среднем за год концентрации сероуглерода составляли: в Магнитогорске - 5 ПДК, в Кемерово - 3 ПДК, бенз(а)пирена - в Новокузнецке и Череповце -13 ПДК, Магнитогорске -10 ПДК, Новотроицке - 7 ПДК, Нижнем Тагиле - 5 ПДК.
Одним из лидеров загрязнения окружающей среды продолжает оставаться цветная металлургия. В 1993 г. выбросы предприятия цветной металлургии составили 10,6% валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу всей промышленности России.
Загрязнение атмосферы предприятиями цветной металлургии характеризуется в первую очередь выбросами сернистого ангидрида (75% суммарного выброса в атмосферу), оксида углерода (10,5%) и пыли (10,4%).
На предприятиях цветной металлургии значительны объемы сточных вод. В 1993 г. сброс загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты достигал 537,6 млн м3, в том числе на предприятиях концерна «Норильский никель» -132 млн м3.
Сточные воды предприятий цветной металлургии загрязнены минеральными веществами, фторореагентами, большей частью токсичные (содержат цианиды, ксаногенты, нефтепродукты и т. д.), солями тяжелых металлов (меди, никеля, свинца, цинка и др.), мышьяком, сульфатами, хлоридами, сурьмой, фтором и другими.
Мощными источниками загрязнения почвенных покровов как по интенсивности, так и по разнообразию загрязняющих веществ являются крупные предприятия цветной металлургии. В городах, где размещены предприятия цветной металлургии, обнаруживаются в почвенном покрове тяжелые металлы нередко в количестве, превышающем ПДК в 2-5 раз и более. Первое место по суммарному индексу загрязнения почвенного покрова занимает Рудная Пристань (Приморский край), где расположен свинцовый завод. В радиусе 5 км вокруг Рудной Пристани наблюдается загрязнение почв:
свинцом - 300 ПДК, марганцем - 2 ПДК и другие. К опасной категории загрязнения почв относятся города: Белове (Кемеровская область), в которых содержание свинца в почвенном покрове достигает 50 ПДК; Ревда (Свердловская область) - содержание ртути - до 7 ПДК, свинца - до 5 ПДК.
Химическая, нефтехимическая и целлюлозно-бумажная промышленность. Эти отрасли относятся к одним из основных загрязнителей воздушного бассейна (углекислый газ, окись углерода, сернистый газ, углеводороды, соединения азота, хлора, мышьяка, ртути и т. д.), воды и почвы (нефть и продукты нефтехимии, фенолы и другие ядовитые вещества, сульфитные сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности и др.). Так, в 1992 г. предприятиями химической и нефтехимической промышленности было выброшено в атмосферу около 1,6 млн т загрязняющих веществ, что равнялось примерно 6% общих выбросов по России. Данные выброса вызывали загрязнение почв металлами выше ПДК в радиусе до 5 км вокруг городов, где они расположены. Из 2,9 км3 сточных вод надолго загрязненных приходилось около 80%, что свидетельствует о крайне неэффективной работе очистных сооружений этих предприятий. Это отрицательно сказывается на гидрохимическом состоянии водных объектов. Например, река Белая выше Стерлитамака (Башкортостан) относится к Ш классу («грязной»). Аналогичное состояние отмечается и с водами реки Оки после сбросов заводами Дзержинска, в которых резко возрастает содержание метанола, цианидов, формальдегида.
После сбросов сточных вод Чапаевского завода химических удобрений река Чапаевка становится практически непригодной для использования из-за высокого загрязнения ее вод пестицидами. Предприятия химической и нефтехимической промышленности являются источниками загрязнения подземных вод металлами, метанолом, фенолом в концентрациях, достигающих нередко сотен тысяч ПДК на площадях в десятки квадратных километров, что приводит к невозможности использования водоносных горизонтов для питьевого водоснабжения. Проблема охраны окружающей среды, связанная с химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленностью, особенно актуальна в связи с увеличением в химическом производстве доли синтетических продуктов, которые в природной среде не разлагаются или разлагаются очень медленно.
а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы, и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 5 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.
в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
При работе основных металлургических агрегатов образуется большее количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается газоочистными сооружениями и затем либо подается в шламонакопитель, либо направляется на последующую переработку (в основном как компонент аглошихты).
Шламы можно разделить на:
) шламы агломерационных фабрик;
) шламы доменного производства:
а) газоочисток доменных печей;
б) подбункерных помещений доменных печей;
) шламы газоочисток мартеновских печей;
) шламы газоочисток конвертеров;
) шламы газоочисток электросталеплавильных печей.
По содержанию железа их подразделяют следующим образом:
а) богатые (55-67%)-пыль и шлам газоочисток мартеновских печей и конвертеров;
в) бедные (30-40%)-шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства.
Основными характеристиками шламов являются химический и гранулометрический состав, однако при подготовке шламов к утилизации необходимо знать параметры, как плотность, влажность, удельный выход и др. Следует отметить, что пыли (шламы) металлургических предприятий по химическому (и отчасти по гранулометрическому) составу отличаются друг от друга, поэтому эти характеристики представлены далее в усредненном виде.
Шламы пылеулавливающих устройств доменной печи образуются при очистке газов, выходящих из нее, обычно в скрубберах или трубах Вентури. Перед ними устанавливаются радиальные или тангенциальные сухие пылеуловители, в которых улавливается наиболее крупная, так называемая колошниковая, пыль, которая возвращается в аглопроизводство как компонент шихты. В доменных цехах существует две системы подачи сырых материалов на колошник доменной печи: скиповая, применявшаяся в старых печах, и конвейерная, применяемая в новых печах, значительно снижающая пылевыделение.
Наибольшее количество пыли выделяется в подбункерном помещении, где происходит выгрузка сырых материалов в вагон-весы. Концентрация пыли в воздухе подбункерных помещений достигает 500 мг/м куб., в связи с чем на многих заводах кабину машиниста вагон-весов приходится герметизировать. В подбункерных помещениях, оборудованных конвейерами, аспирационной системой отсасывается около 2.5 кг пыли на каждую тонну чугуна. После очистки в атмосферу выбрасывается в среднем около 90 г пыли на 1 т чугуна.
На литейном дворе пыль и газы выделяются в основном от леток чугуна и шлака, желобов участков слива и ковшей. Удельные выходы вредных веществ на 1 т чугуна составляют: 400-700 г пыли, 0.7-1.15 кг СО, 120-170 г SO2. Максимальное количество пыли и газов выбрасывается во время выпуска чугуна и шлака. Пыль и газы удаляются частично через фонари литейного двора (около 160 г пыли на 1 т чугуна), частично с помощью аспирационных систем с очисткой пыли перед выбросом в атмосферу преимущественно в групповых циклонах.
На территории Российской Федерации предприятия химической промышленности в основном представлены предприятиями по производству минеральных удобрений.
Производство минеральных удобрений, как правило, представляют собой сложные технологические процессы, связанные с превращением сырья в разные состояния и с различными физико-механическими свойствами, а также с использованием разнообразной степени сложности технологического оборудования и вспомогательных механизмов. Во многих случаях эти процессы сопровождаются выделением больших количеств полидисперсной пыли, вредных газов и других загрязнений.
Когда отдельные технологические аппараты надежно герметизированы, выделения вредных веществ в производственную атмосферу можно избежать. В противном случае необходимы дополнительные эффективные средства, например, местные отсосы, системы общеобменной вентиляции и др.
К технологическим процессам, связанным с повышенным выделением пыли и вредных газов, относятся погрузка, перегрузка и разгрузка сыпучих материалов, их сортировка, дробление, транспортировка, смешивание, формирование и, наконец, упаковка.
загрязнение металлургическая химическая
Заключение
Воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.
Литература
1.Горшков С.П. Экзодинамические процессы освоенных территорий. - М.: Недра, 1982.
2.Григорьев А.А. Города и окружающая среда. Космические исследования. - М.: Мысль, 1982.
.Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая Среда и человек. - М.:1986.
.Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мир, 1975.
.Радзевич Н.Н., Пашканг К.В. Охрана и преобразование природы. - М.: Просвещение, 1986.
6.Основы химической технологии: Учебник для студентов хим.-технол.спец. вузов / И.П. Мухленов, А.Е. Горштейн, Е.С. Тумаркина; Под ред. И.П. Мухленова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1991. - 463 с.: ил.