Инженерная экология

УДК 504

ББК 20.1 М 79

Рецензенты:

Cтарший научный сотрудник ГИ УрОРАН, канд. техн. наук,

доцент Норина Н.В.

Канд. хим. наук, доцент кафедры ХТиЭ Куликов М.А.

Морозова О.В.; Козлов С.Г.

М 79 Инженерная экология: учеб. пособие /О.В. Морозова, С.Г. Козлов; Березниковский филиал Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, – Пермь,

2013. – 165 с.

ISBN

Изложены теоретические основы дисциплины «Инженерная экология». Рассмотрены вопросы воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ химического и биологического происхождения, представлены основные методы анализа процессов в окружающей среде при воздействии на нее различных антропогенных факторов. Описаны методы и средства контроля и защиты окружающей среды от различных факторов, негативно влияющих как на окружающую среду, так и на человека.

Предназначено для студентов бакалавриата по специальности 240100.62 «Химическая технология» (ХТ), изучающих курс «Инженерная экология».

УДК 504

ББК 20.1

СОДЕРЖАНИЕ

1.Инженерная защита окружающей среды…………………………... 5

1.1.Предмет инженерной экологии…………………………………….. 5

1.2.Задачи инженерной экологии………………………………………. 9

1.3.Принципы инженерной экологии…………………………………... 12

1.4.Связь инженерной экологии с другими науками………………….. 13

2. Антропогенное воздействие на атмосферу………………………… 15

2.1.Структура и состав атмосферы……………………………………... 15

2.4.Экологические последствия глобального загрязнения атмосферы. 22

2.4.1.Возможное потепление климата («парниковый эффект»)………... 22

2.4.2.Нарушение озонового слоя…………………………………………. 27

2.4.3.Кислотные дожди……………………………………………………. 28

2.5.Санитарно-защитные зоны (СЗЗ)…………………………………... 30

2.6. Комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха…… 32

2.7.Нормативы загрязнения атмосферного воздуха…………………... 33

2.8.Ограничение выбросов……………………………………………… 37

3.Антропогенное воздействие на гидросферу……………………….. 39

3.1.Запасы воды………………………………………………………….. 39

3.2. Основные источники загрязнения гидросферы…………………… 41

3.3.Самоочищение в гидросфере……………………………………….. 43

3.4.Оценка качества водной среды……………………………………... 44

3.5. Обеспечение качества водных объектов…………………………… 46

3.6.Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах………. 50

4.2.Самоочищение почвы……………………………………………….. 59

4.5.Деградация почв……………………………………………………... 62

4.6.Рекультивация земель……………………………………………….. 64

5.Стратегия защиты окружающей среды…………………………….. 65

5.1.Роль промышленных предприятий в загрязнении окружающей среды………………………………………………………………….. 65

5.1.1. Промышленные воздействия……………………………………….. 73

5.2.Экологическая стратегия и политика развития производства……. 79

3

5.3.Замкнутые системы промышленного комплекса………………….. 84

6.Защита атмосферы, гидросферы и литосферы от промышленных

6.2.Факторы загрязнения гидросферы………………………………….. 103

6.3.Факторы загрязнения литосферы…………………………………... 107

6.4.Очистка газовых выбросов от аэрозолей и газообразных приме-

сей……………………………………………………………… 108

6.5.Методы очистки сточных вод………………………………………. 125

6.6.Обработка твердых отходов промышленности……………………. 128

6.6.1. Классификация и сортировка……………………………………….. 131

6.7.Использование хранилищ промышленных отходов………………. 134

6.7.1. Хранение твердых отходов………………………………………….. 135

7.Основные виды отходов калийной промышленности ……………. 145

8.Комплексное использование сырья в органической технологии и

технологии топлива………………………………………………….. 152 8.1. Углубленная переработка нефти…………………………………… 152 Список используемой литературы………………………………………….. 162

4

1. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1. Предмет инженерной экологии

Предмет инженерной экологии – инженерное творчество, оно может быть признано полезным, если проекты и конструкции технических устройств предусматривают сохранение экологического равновесия и обеспечивают безопасность жизнедеятельности экологических систем. Однако многие годы технические средства разрабатывались сами по себе, без научного анализа и учета экологических стрессов и деформаций в экосистемах биосферы. И сего-

дня можно видеть технику, загрязняющую окружающую природу из-за того,

что при разработке этих технических средств не учитывались современные на-

учные знания о взаимосвязи инженерных разработок с лимитирующими фак-

торами природной среды и естественными возможностями саморегуляции экосистем биосферы.

Отсутствие экологических подходов к решению технических задач при-

вело к тому, что годами эксплуатирующаяся техника и крупные промышлен-

ные комплексы способствовали накоплению в природной среде факторов, уг-

нетающих жизнедеятельность биосферы. Все чаще стали возникать ситуации,

ведущие к аномальным явлениям в природе и даже к экологическим катастро-

фам. Причина этого – отсутствие у разработчиков необходимых экологических знаний и опыта защиты природы.

Сегодня разработчик технических средств должен обладать современ-

ным уровнем экологических знаний. В проектировании и конструировании эр-

гономических систем возникла потребность в специалистах инженерах - эко-

логах, синтезирующих высокий профессионализм инженера-разработчика технических средств с опытом и знаниями эколога.

Экология как наука опирается на такие отрасли биологии, как биофизи-

ка, биохимия, генетика, физиология, а также на другие науки: физику, матема-

5

тику, химию, геологию, метрологию, географию и другие. На методах и поня-

тийном аппарате этих наук основываются экологические исследования.

Взаимоотношения человека и машины в условиях промышленных пред-

приятий, где имеют место ионизирующие, электромагнитные и шумовые из-

лучения, перепады температурных режимов, давления, влажности, скорости движения воздуха и другие характеристики среды на рабочем месте, весьма многообразны. Умение пользоваться экологическими знаниями при создании технических средств любых уровней и отраслей, обязательно для каждого спе-

циалиста. Но задачи экологии, как учебной дисциплины в техническом вузе,

должны быть непосредственно связаны с тем, чтобы на основе понимания за-

конов природы специалист мог свести к минимуму негативное влияние на природу разрабатываемого объекта.

В результате тесной взаимосвязи производственных и природных про-

цессов происходит слияние объектов хозяйственной деятельности и окру-

жающей среды обитания человека в единые системы. Развитие этих систем происходит по сложным, во многом еще не изученным законам. Для изучения состояния окружающей среды, причин ее ухудшения и прогнозирования изме-

нений, а также управления процессами оптимального развития таких систем сформировалась новая научная дисциплина – инженерная экология.

Инженерная экология – есть научная дисциплина, изучающая объек-

тивные закономерности процессов и средств системного взаимодействия чело-

века, технических средств и природной среды с целью создания безопасных для человека и природы систем «человек – техника – среда». Существуют и другие определения, например, под инженерной экологией понимается систе-

ма инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение каче-

ства среды в условиях растущего промышленного производства.

Таким образом, экологические задачи решаются с помощью инженер-

ных задач, поэтому речь идет об инженерной защите окружающей среды. Ре-

шение экологических проблем с помощью инженерных методов возможно то-

6

гда, когда специалист владеет методологией и знаниями в экологии, иначе го-

воря, обладает экологическим мышлением.

Методологическую основу инженерной экологии представляет систем-

ный подход, включающий в спектр исследований человеческий фактор опера-

тора, управляющего системой (повышение эффективности, качества труда, со-

хранение здоровья и трудоспособности, развитие личности и удовлетворение творческих потребностей человека).

К основным проблемам инженерной экологии относятся: анализ процес-

сов совместимости человека, технических средств и экологических систем биосферы и других планетарных систем; анализ проектных и конструкторских задач взаимодействия человека-оператора, технического средства и окружаю-

щей природной среды, а также оптимизация распределения функций между элементами системы ЧТС. Научные данные инженерной экологии внедряются в практику разработки технических средств в стадии начального проектирова-

ния, в процессе которого важное место отводится решению задач взаимной адаптации человека, техники и среды. В данном случае нас интересует эколо-

гическая сторона адаптации всех этих элементов системы.

Система управления адаптивная – это система, в процессе функциониро-

вания которой происходит адаптация, направленная на улучшение качества управления.

Адаптация – процесс, имеющий большое значение в функционировании эргатической1 системы, определяющий эффективность работы всей системы и,

безопасность жизнедеятельности человека.

Адаптация (от лат. – приспособляю) – одно из уникальнейших свойств живого: приспособление организмов к условиям среды. Способность к адапта-

ции, к саморазвитию, совершенствованию в широко изменяющихся условиях окружающей среды при постоянном воздействии многообразных возмущаю-

щих факторов является существенным отличием всего живого от самых гени-

1 Эргатическая система - сложная система управления, составной элемент которой человек-оператор ( или группа операторов), например, система управления самолетом, диспетчерская служба вокзала, аэропорта.

7

альных творений человека. В кибернетике под адаптацией понимают процесс накопления и использования информации в системе, направленный на дости-

жение определенного состояния или поведения системы при начальной неоп-

ределенности и изменяющихся внешних условиях. При адаптации могут пре-

терпевать изменения параметры и структура системы, алгоритм функциониро-

вания, управляющие воздействия и т.п.

Перед наукой и практикой создания новой техники стоит сложная задача

– проникнуть в тайны биологических процессов и использовать выработанные природой в ходе тысячелетий свойства для поиска и разработки принципиаль-

но новых технических решений. При разработке технических средств интере-

сы социально-экономического прогресса требуют, чтобы новая техника обла-

дала качеством «вариации структур», т.е. свойством гибкого регулирования конструкции для обеспечения высокой приспособляемости к условиям среды и возможностям организма человека. Не менее важна также приспособляемость конструкции к выполнению регламента предельно допустимых концентраций загрязняющих выбросов и сбросов в окружающую среду.

В технике все чаще появляются попытки использования принципа эф-

фективного построения системы с определенными ограничениями на надеж-

ность. Надежное функционирование системы «человек – техника – среда» не-

мыслимо на основе жестких, неизменных или слабо регулируемых связей ме-

жду ее элементами. В примерах организмов природа демонстрирует эффек-

тивные принципы построения систем с высокой приспособляемостью. Неко-

торые решения, найденные природой, могут быть применены в инженерной экологии путем использования их технических аналогов. Между тем, создание эргатических систем с высокой взаимоприспособляемостью их составных час-

тей требует изучения механизмов адаптации и разработки теоретических принципов сложных систем с применением новейших математических мето-

дов, с использованием имитации живого организма, а при необходимости и экологической ситуации.

8

Развитие инженерной экологии направлено на комплексное решение проблем повышения производительности труда, всестороннего и гармонично-

го развития личности и окружающей природной среды, улучшения условий и гуманизации труда человека, управляющего современной сложной техникой.

Развитие общества в направлении совершенствования экологического сознания человека, способного принимать решения по саморегулированию по-

требностей, добровольного соблюдения ограничений, обеспечивающих соци-

альную справедливость внутри страны, между странами и между поколениями позволит перейти к новому этапу развития – цивилизациустойчивому разви-

тию [1].

Переход к устойчивому развитию2 должен происходить в условиях со-

хранения и восстановления экосистем и биосферы в целом за счет ограничения роста ресурсоемких элементов ВВП и постоянной ориентации на сохранение природно-ресурсного потенциала с учетом интересов будущих поколений.

Решать эту задачу, вместе с другими науками, помогает и инженерная экология. Изучение этой науки необходимо каждому современному инженеру и организатору производства.

1.2.Задачи инженерной экологии

Внастоящее время многие инженерные дисциплины решают задачи раз-

работки замкнутых, безотходных и других «экологически чистых» техноло-

гий, позволяющих уменьшить вредное воздействие на природную среду.

Одной из основных задач инженерной экологии является создание ин-

женерных методов исследования и защиты окружающей природной среды. В

этом аспекте особую значимость имеет комплексный подход к проблеме ин-

женерно-экологического обеспечения производственных предприятий на ос-

нове единой методологии, с учетом последних достижений в различных отрас-

2 Устойчивое развитие (англ. sustainable development) — процесс изменений, в котором эксплуатация природных ресурсов, направление инвестиций, ориентация научно-технического развития, развитие личности и институциональные изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений.

9