|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации |
Н. И. Акинин
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ: ПРИНЦИПЫ, ПОДХОДЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Москва
2010
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»
Н. И. Акинин
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ: ПРИНЦИПЫ, ПОДХОДЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности 280200 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»
Москва
2010
УДК 504.064.4 (075)
ББК 28.081
А39
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева А. В. Малков
Доктор экономических наук, профессор Московского государственного горного университета В. А. Умнов
Акинин Н. И.
А39 «Промышленная экология: принципы, подходы, технические решения». Учеб. пособие / Н. И. Акинин. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2010. – 303 с.
ISBN 978-5-7237-0819-8
В разделах учебного пособия, посвященного вопросам обеспечения экологической безопасности, подробно рассматриваются источники и масштабы загрязнения окружающей среды. Особое внимание уделяется предприятиям химической и нефтехимической отраслей промышленности, а также оценке обусловленных их деятельностью местных и региональных экологических проблем. В пособии обсуждаются также вопросы нормативно-правового обеспечения охраны окружающей среды, организационные, технические и экономические методы защиты окружающей среды, оценки экологического риска, экологической экспертизы и мониторинга.
Пособие адресовано студентам, обучающимся по специальностям 280200 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и 280102 «Безопасность технологических процессов и производств в химической и нефтехимической промышленности». Учебное пособие может быть использовано для подготовки бакалавров, инженеров и магистров по безопасности технологических процессов и производств, а также по специальности 200503 «Стандартизация и сертификация».
Содержание учебного пособия «Промышленная экология: принципы, подходы, технические решения» отвечает требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для направления 656500 «Безопасность жизнедеятельности».
УДК 504.064.4 (075)
ББК 28.081
ISBN 978-5-7237-0819-8
© Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2010
Введение
В современном обществе вопросы обеспечения экологической безопасности играют очень серьезную роль. Постоянно растет разнообразие производственных процессов, в технологические циклы вовлекаются все новые и новые вещества. Задача возможно более полного использования полезных компонентов природных ресурсов становится актуальной и для инженеров-технологов, и для специалистов в области промышленной экологии и экологического управления. При этом развитие диалога между всеми заинтересованными сторонами, детальный учет всех угроз и выгод, неизменно сопровождающих производственную деятельность, предполагает информирование вовлеченных в работу специалистов об особенностях проблем, стоящих перед коллегами, и способах их решения.
Поэтому в учебном пособии, описывающем основные принципы, подходы и технические решения промышленной экологии, достаточно подробно рассмотрены источники и масштабы загрязнения окружающей среды и деградации природных ресурсов. Особое внимание уделено предприятиям химической и нефтехимической отраслей промышленности, а также оценке обусловленных их деятельностью местных и региональных экологических проблем. В пособии обсуждаются также вопросы нормативно-правового обеспечения природоохранной деятельности, организационные, технические и экономические методы защиты окружающей среды. В связи с усилением внимания к современным рыночным инструментам экологического регулирования в настоящее издание включены разделы, описывающие подходы, применяемые при оценке экологического риска, планировании и реализации программ экологического мониторинга, проведении процедур оценки воздействия на окружающую среду и экологического аудита.
Каждая глава сопровождается списком литературы. Большинство из рекомендованных студентам изданий было выпущено в недавнее время и отражает современный взгляд на обсуждаемые проблемы, тем не менее, есть ряд фундаментальных трудов, без которых трудно представить развитие промышленной экологии с 70-х годов ХХ века до сегодняшнего дня.
Содержание учебного пособия «Промышленная экология: принципы, подходы, технические решения» отвечает требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для направления 656500 «Безопасность жизнедеятельности». Пособие адресовано, прежде всего, студентам, обучающимся по специальности 280102 «Безопасность технологических процессов и производств в химической и нефтехимической промышленности».
Необходимо также отметить, что пособие построено таким образом, что в нем изложены материалы, которые студенты могут использовать не только при изучении курса промышленной экологии, но и при подготовке курсовых и дипломных работ.
Глава 1. Предмет, задачи и объекты промышленной экологии
1.1. Основные понятия и принципы экологии
Термин «экология» (от греческого óikos – дом, жилище и logos – наука) был предложен немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем почти полтора столетия тому назад (в 1866 году). Широкое распространение это понятие получило позднее, в XX веке. В буквальном смысле слова экология – это наука об организмах «у себя дома», наука об условиях существования живых организмов, их взаимодействии между собой и со средой обитания, окружающей их.
Основная функциональная единица в экологии – экологическая система (экосистема). Экосистема – это природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (косной, например атмосфера, или биокосной – почва, водоём и т.п.), связанными между собой обменом веществ и энергии. Термин был предложен английским геоботаником Артуром Тэнсли в 1935 году. Согласно его представлениям, экосистема есть целостное образование, включающее не только организм, но и весь комплекс факторов среды в самом широком смысле.
В течение второй половины XX века экология развивалась как междисциплинарное системное научное направление. Возникнув на почве биологии, она включает в себя концепции и инструменты математики, физики, химии, инженерных наук. В то же время, экология имеет и гуманитарный оттенок, поскольку от поведения человека, от системы принятия решений во многом зависит судьба биосферы, а вместе с ней и человеческой цивилизации.
Промышленная экология – научное направление, предметом которого является отрицательное воздействие хозяйственной деятельности на окружающую среду; основные разделы промышленной экологии включают мониторинг, регулирование, предотвращение и контроль воздействия на окружающую среду как на уровне отдельного производства, так и на территориальном уровне.
Основной функциональной единицей в промышленной экологии является эколого-экономическая система. Эколого-экономическая система рассматривается как совокупность взаимодействия объектов деятельности человека (антропогенной деятельности) и природы.
С тем чтобы понять особенности этого сложного взаимодействия, рассмотрим основные законы, в соответствии с которыми функционируют экологические системы.
Экологические системы состоят из ряда основных материально-энергетических компонентов – энергии, атмосферы, воды, почвы, а также живых организмов. Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ. Живые организмы представлены автотрофами-продуцентами, гетеротрофами-консументами и редуцентами.
Продуценты – автотрофные (питающие себя сами) организмы, производящие органические вещества из неорганических составляющих. Продуценты служат первым звеном пищевой цепи и экологической пирамиды. Типичные продуценты – зеленые растения, которые из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза производят первичное органическое вещество и кислород.
Консументы – гетеротрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые продуцентами, но в ходе потребления не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих. К консументам относятся все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения. В экосистемах консументы играют роль управляющего звена. Различают консументы первого, второго и других порядков.
Редуценты – гетеротрофные организмы, превращающие в ходе жизнедеятельности органические остатки в неорганические вещества. Типичными редуцентами являются бактерии и грибы.
Продуценты, консументы и редуценты входят в состав трофической цепи (а точнее – сети) – цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих органическое вещество и энергию из исходного пищевого вещества. Каждое предыдущее звено цепи питания является пищей для следующего звена. Пример пищевой сети представлен на рис. 1.1.
Всем биологическим видам необходимы строго определенные эволюцией условия существования, условия окружающей среды, включающие состав воздуха, воды, почвы, температурный режим, режим освещенности, влажности, доступность питательных веществ и др.
Рис. 1.1. Пищевые цепи в наземных экосистемах
Закон толерантности (закон экологического оптимума Виктора Шелфорда гласит: «Лимитирующий фактор процветания организма может быть как минимумом, так и максимумом экологического фактора, диапазон между которыми определяет пределы толерантности организма к данному фактору» (рис. 1.2)
Рис. 1.2. Кривая толерантности (А – активность организма, живучесть, приспособляемость, адаптация организма; F – количественное выражение экологического фактора – температура, влажность, содержание вещества и др.)
Закон толерантности дополняет ряд вспомогательных принципов.
Организм может иметь широкие границы устойчивости в отношении одного фактора и узкие в отношении другого.
Организмы с широкими границами по большинству экологических факторов обычно широко распространены (например, крысы).
Если условия по одному фактору не оптимальны, то может снизиться предел устойчивости к другому экологическому фактору (например, при низком содержании азота в почве снижается засухоустойчивость злаков).
В природе организмы очень часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному диапазону того или иного физического фактора, определенного в лаборатории. В этих случаях более важным оказывается какой-то иной фактор. Например, при снижении температуры орхидеи лучше растут на свету, в то время как в природе, в тропическом лесу, они развиваются только в тени.
Период размножения обычно является критическим; в этот период многие факторы среды становятся лимитирующими.
Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она дает экологам отправную точку при исследовании сложных ситуаций. Взаимоотношения между окружающей средой и организмами (а тем более, между преобразованной человеком средой и биологическими видами) могут быть очень сложными, но, к счастью, не все факторы окружающей среды одинаково значимы в данной рассматриваемой ситуации или для каждого вида организмов.
Всякая система представляет собой набор элементов, определенным образом связанных между собой. Это заключение справедливо и в отношении экологических систем. При этом существуют свойства систем, которые необходимо учитывать, рассматривая воздействия различных факторов.
Взаимосвязь элементов системы. Все элементы системы так или иначе связаны между собой. Каждое событие подвержено влиянию предыдущих событий и оказывает влияние на последующие.
Организация. Системы сложны и разнообразны, их границы и иерархия заранее не определены. Иерархия – расположение системы в порядке от высшего к низшему. Термин применяется для описания роли разных элементов в функционировании объектов, для установления категорий превосходства и подчинения.
Эмерджентность. Следствие иерархической организации элементов – это появление новых свойств системы, которые нельзя предсказать на основе свойств исходных элементов. Состояние системы определяется свойством составляющих ее частей (подсистем), но свойства системного уровня всегда качественно отличаются от свойств подсистем.
Изменчивость. Ни одна реальная система не остается статичной в течение длительного времени. Элементы включаются или исключаются из нее в процессе эволюции, либо перемещаются за пределы системы.
Противоинтуитивное поведение. Причина и следствие часто не имеют тесной взаимосвязи в пространстве и во времени. Очевидные решения могут привести в действительности к обострению проблемы, а не к ее решению.
Функционирование в окружающей среде. Каждая система является подсистемой некоторой более крупной системы. Независимо от своего уровня, состава или сложности системы функционируют во взаимосвязи с окружающей средой.
Открытость. Системы, взаимодействующие со своим окружением, называются открытыми. Все реальные системы открыты. На рис. 1.3 графически представлена система с входом и выходом. Для экологических систем наиболее очевидным примером входных и выходных потоков являются потоки вещества и энергии. Аналогичным образом можно представить себе систему химического предприятия, функционирующего в окружающей среде и взаимодействующего с ней (рис. 1.4).
Рис. 1.3. Система типа «вход – выход»
Рис. 1.4. Система «химическое производство – окружающая среда»: сплошная линия – потоки сырья, энергии, информации; пунктир – потоки отходящих газов, сточных вод, потерь, отходов; ТБ – технологический блок; ЦП – целевой продукт; ЭС – экологическая система. Производственная среда: А – рабочее помещение (рабочая зона);Б – промышленная площадка, территория предприятия; зона В – окружающая среда (ОС), природный территориальный комплекс, совокупность экологических систем различного уровня
Любая эколого-экономическая система (ЭЭС) характеризуется совокупностью природных и созданных человеком элементов в их сложном взаимодействии. Рассмотрим отличительные черты таких систем.
ЭЭС – открытые системы. Для их развития необходим приток вещества и энергии (для живых компонентов – в виде пищи, света и т.п., для экономики – сырье, материалы, электрическая, тепловая энергия и т.п.), и информации. Соотношение между потоками энергии, вещества и информации определяет важнейшие количественные и качественные характеристики системы.
ЭЭС – высокоорганизованные и упорядоченные системы. Для производства жизненных благ человек использует природные ресурсы, труд и капитал. Ресурсы производства, формирующие основу экономического потенциала общества, совокупность экономических и экологических законов, формы и методы организации хозяйственной деятельности образуют упорядоченную, высокоорганизованную ЭЭС, в которой энтропия (мера хаоса, мера беспорядка) в результате разумного хозяйствования человека должна оставаться на одном уровне (ΔЅ=0). Если энтропия будет постоянно повышаться (ΔЅ>0), то такой процесс может привести к частичному или даже полному разрушению эколого-экономической системы.
ЭЭС – системы, обладающие самоорганизацией. Как экологические, так и экономические системы способны к самоорганизации: за счет изменения структуры системы управления происходит приспособление, адаптация к изменяющимся условиям внешней среды и рынков.
ЭЭС – системы, способные к развитию. В результате непрерывного функционирования в эколого-экономической системе под воздействием техногенной деятельности человека изменяются не только характер, формы и способы хозяйственной жизни, но общее состояние экосистем. Историческое развитие сопровождается формированием новых видов и более сложных систем (ЭЭС города, техносфера, социосфера и т.п.).
ЭЭС – динамичные системы, способные использовать информацию, необходимую для исследования и совершенствования отношений между обществом и природой в процессе производства, распределения, обмена и потребления жизненных благ.
Понятие эколого-экономической системы можно применить к единицам различной величины, что присуще как экономическим системам (микроэкономика, макроэкономика), так и экосистемам (экосистема леса, экосистема биосферы и т.п.):
– глобальная ЭЭС (например, техносфера);
– макроЭЭС (например, ЭЭС России);
– мезоЭЭС (например, ЭЭС Московской области);
– микроЭЭС (например, ЭЭС химического предприятия).
На развитие эколого-экономических систем влияют многие факторы. Так же, как и на природные экосистемы, на ЭЭС воздействуют солнечный свет, температура, влажность, доступность и состав воды. Вместе с тем, важную роль играют природные ресурсы, пригодные для производства экономических благ, внешняя торговля и т.п. Под действием этих факторов процессы протекают в основном самопроизвольно путем самоорганизации и саморегуляции. Как очень сложная и многофункциональная природно-антропогенная форма, образованная под влиянием разумной деятельности человека, ЭЭС нуждается в постоянной координации.
Кроме того, по природе и характеру воздействия среды, по аналогии с экосистемами, факторы можно классифицировать на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы (факторы неживой природы – свет, тепло, ветер, вода и т.п.) играют очень важную роль, без них невозможно дальнейшее развитие живых организмов, и их можно определить как условия существования.
Биотические факторы (растительный и животный мир, микроорганизмы) связаны с воздействием одних организмов на другие. В экологических системах это внутривидовые и межвидовые взаимодействия. В экономике в число главных участников входят государство, организации (предприятия) и люди, которые взаимодействуют между собой непосредственно и посредством рынков.
Антропогенные факторы связаны непосредственно с хозяйственной деятельностью человека (использование природных ресурсов, производство материальных и нематериальных благ, загрязнение окружающей среды и пр.).
В эколого-экономических системах происходит интенсивный антропогенный круговорот веществ (ресурсный цикл), который в настоящее время нарушает относительно замкнутые природные круговороты. В результате действия ресурсного цикла – разработки, транспортировки, переработки и потребления ресурсов – происходит образование и впоследствии накопление значительного количества разнообразных отходов, в том числе опасных и чуждых для природы.
Геологические циклы – основные двигатели развития Земли; они отражают совокупность геологических процессов в земной коре, обуславливающих образование, преобразование и перемещение в них вещества и энергии, формирование различных генетических типов пород, их распределение и формы залегания, и т.д.
В результате геологических циклов осуществляется круговорот веществ на планете. Выветриваясь и разрушаясь, горные породы сносятся с поверхности суши в прилегающие моря и океаны со скоростью около 1,5 м в 1000 лет.
Живые организмы являются в целом очень мощным регулятором потоков вещества на земной поверхности, избирательно удерживая те или иные элементы в биологическом круговороте. Ежегодно в биологический круговорот вовлекается азота в 6 – 20 раз, фосфора в 3 – 30 раз больше, чем в геологический, в то же время серы, наоборот, в геологический цикл вовлекается в 2 – 4 раза больше, чем в биологический.
Вовлечение того или иного химического элемента в процессы производства и потребления определяется рядом факторов, в том числе химическими свойствами элементов, в частности степенью растворимости образуемых ими соединений.
Судьба элемента в экосистемах определяется комплексом параметров, зависящих от химических свойств элемента, его среднего содержания в земной коре (кларка), роли элемента в биогеохимических и технологических процессах, а также соотношения биологического, техногенного и геологического циклов этого элемента. Баланс элемента в экосистеме может быть как положительным (аккумуляция), так и отрицательным (рассеивание).
Вовлечение химических элементов в процессы производства приводит к существенному перераспределению вещества на земной поверхности. При этом наряду с целевым использованием веществ, с их преобразованием для получения продукции, происходит поступление различных соединений в окружающую среду, приводящее к изменению ее свойств, к загрязнению.
Фактически промышленная экология занимается оптимизацией использования ресурсов, предотвращением (путем оптимизации технологических процессов) и снижения (путем применения технических решений, методов очистки отходящих газов, сточных вод) негативного воздействия на окружающую среду.