Таблица 1 Связь средних размеров водосборов с порядком главной реки Среднерусской

возвышенности

Таблица 2 Связь средних размеров водосборов с порядком главной реки Окско-Донская низменность

Важным представляется анализ изменчивости площади водосборов, как по порядкам, так и между смежными порядками (табл. 1, 2). Анализируя таблицы, нетрудно заметить, что экстремальные значения для условий возвышенности и низменности также отличаются также в 2-3 раза, как и средние значения, также как и амплитуды изменения площадей. Для того чтобы оценить изменчивость изменения площадей для смежных порядков, была оценена величина перекрытия площадей бассейнов смежных порядков, как разность между максимальным значением площади бассейна меньшего порядка и минимальным значением площади бассейна последующего порядка [3]. Для сравнения степени перекрытия для бассейнов разных порядков величина перекрытия между двумя смежными бассейнами была отнесена к амплитуде изменения площадей бассейнов более высокого порядка. Удобнее эту долю перекрытия выражать в процентах. Чем больше величина перекрытия, тем больше изменчивость смежных бассейнов. Заметно растет и разность между максимальной и минимальной площадью водосбора для каждого из порядков. То есть увеличивается изменчивость размеров водосборов. Так для условий Среднерусской возвышенности доля перекрытия площадей растет до 63 % у бассейнов 3 -4-го порядков, затем резко уменьшается для бассейнов 4-5-го порядков и несколько увеличивается для 5-6 порядков (табл. 3, 4).

Таблица 3 Изменчивость размеров водосборных площадей разнопорядковых бассейнов Среднерусской

возвышенности

Примечание: Доля (D) перекрытия размеров площадей бассейнов смежных порядков получается, как отношение следующего вида. Пусть A – это максимальная площадь бассейна порядка "n”, B – минимальная площадь порядка n+1”, а C – размах площадей порядка ”n+1””. Тогда D = ((A – B) / C)*100.

334

Таблица 4 Изменчивость размеров водосборных площадей разнопорядковых бассейнов

Окско-Донской низменности

Для условий Окско-Донской низменности, также наблюдается аномалия уменьшения доли перекрытия для бассейнов 4-5-го порядков. Максимальное перекрытие наблюдается у бассейнов 2-3 и 5-6 порядков. Для анализа использовались бассейны 4-го порядка, фиксированные по карте масштаба 1:500 000. Временной реальный масштаб динамических процессов объективно с большей допустимостью окажется водоемом 6-7-го уровня [5].

Для всей территории было выделено 282 бассейна, которые и составили генеральную совокупность для анализа. Было проведено измерение площадей и получена генеральная совокупность размеров бассейнов. Статистический анализ показал, что распределение бассейнов по площади близко к нормальному распределению. Мода кривой распределения достаточно близка к среднему значению. Выявленные бассейны значительно разнятся по размерам их водосборной площади. Размеры их меняются от 62,5 до 1731 км2. Средний размер бассейна 4-го порядка составил 411 км2.

Для классификации бассейнов по размерам их площади был использован аппарат анализа кривых нормального распределения. Была построена кривая распределения частот встречаемости площадей бассейнов 4-го порядка. По характеру кривой можно констатировать, что все бассейны по размерам не выходят за пределы ±3σ. Кривая распределения несколько ассиметрична, мода несколько смещена влево относительно среднего значения. Важным моментом в разделении бассейнов является выделение аномальных бассейнов и часто встречаемых, наиболее типичных для данной территории. В фоновую группу будут входить бассейны в интервал Fср ± σ. При нормальном распределении таких бассейнов большинство в выборке (68,3 %). Меньшая доля бассейнов располагается в интервале по обе стороны от фонового значения и ограниченные значениями Fср ±2 σ (27,1 %). Расположенные слева на кривой будут бассейны с заниженными, по сравнению с фоновыми, значениями площади, а справа – с завышенными. И совсем малая доля бассейнов будет иметь аномально заниженную или аномально завышенную площадь, если их значение лежит за пределами Fср

± 3σ (4,3 %).

По реальной кривой распределения площадей из-за ассиметричности не выделены бассейны с аномально малыми площадями водосбора. Всего выделено 4 группы:1 – бассейны с заниженной площадью (F< 126, 7 км2); 2 – фоновые (126,7 <F< 695,1 км2; 3 – с завышенной площадью (695,1 <F< 979,3 км2); 4 – с аномально большой площадью (F> 979,3 км2).

Бассейны с аномально высокими площадями водосборов встречаются как на Среднерусской возвышенности, так и на Окско-Донской низменности и примерно в одной пропорции. С бассейнами 3 группы они образуют вытянутые в субмеридиональном направлении полосы. На Среднерусской возвышенности полоса бассейнов 4 и 3 групп протягиваются полосой с северо-запада на юго-восток, от бассейнов верховий Оки до верховий Сейма и Сев. Донца. Это центральная зона наиболее приподнятая часть возвышенности.

335

На Окско-Донской низменности бассейны 4-3 групп наиболее представительны и встречаются в разных ее частях. Чаще всего встречаются в бассейне р. Цны, как на правобережье, так и на левобережье.

На Калачской возвышенности и в юго-восточной части Среднерусской возвышенности бассейны с завышенными значениями площадей не типичны, особенно для Среднерусской возвышенности.

Малые бассейны (1 группа) наиболее типичны для восточной части Среднерусской возвышенности (Придонская возвышенная равнина или Донское Белогорье). Чаще всего являются непорядкообразующими, и располагаются на вторичных склонах главной системы.

В среднем площади бассейнов на низменности несколько больше, а амплитуда изменений (размах) меньше (табл. 5).

Таблица 5

Изменчивость размеров бассейнов

Сравнение распределения площадей по ареалам распространения нижнемеловых, верхнемеловых, палеогеновых и четвертичных, моренных отложений. Анализ показал превышение F – критерия выше критического значения между бассейнами на четвертичных и палеогеновых отложениях. По Z-критерию обнаруживается отличие средних в распределении площадей бассейнов на палеогеновых и нижнемеловых, палеогеновых и верхнемеловых отложениях.

Выводы.

Подтверждается определенная связь с высотными и литологическими характеристиками рельефа.

Литература

1.Симонова Т.Ю. Влияние климата и тектоники на строение бассейнов крупнейших рек Северной Евразии: автореф. дис. …канд.географ. наук / Т.Ю. Симонова. М., 1992. 20 с.

2.Яковлев Д.В., Звягинцева А.В. Построение межотраслевой комплексной геоинформационной системы Воронежской области /Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 1-3. С. 923-930.

3.Аржаных Ю.П., Долженкова В.В., Звягинцева А.В. Прогнозирование гидрологической обстановки в период половодья на водных объектах Воронежской области с применением географических информационных систем /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 89-98.

4.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Система видеонаблюдения и локализация природных объектов / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №

12.С. 107-109.

5.Симонов Ю.Г. Речной бассейн и бассейновая организация географической оболочки /Ю.Г. Симонов, Т.Ю. Симонова // Эрозия почв и русловые процессы. М., 2003. Вып.14. С. 7-32.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный педагогический университет», Воронеж, Россия

V.I. Shmykov

STRUCTURAL MONITORING OF RIVER BASINS IN THE BLACK EARTH REGION

The results of monitoring of catchment areas of basins of small orders of the Central Chernozem Region are given. Data can be used in the design of engineering structures and land management.

Keywords: river basin, watercourse order, basin structure, catchment area, bifurcation ratio of watercourse lengths.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Pedagogical

University», Voronezh, Russia

336

УДК 551.581

С.В. Морозова1, Е.А. Полянская1, Н.К. Кононова2,3

О ВОЗМОЖНОСТИ ДОЛГОСРОЧНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРИМЕРЕ ВОРОНЕЖА

Предлагается физико-статистическая модель долгосрочного прогноза экстремумов теплых и холодных волн с заблаговременностью один – два месяца. В основе модели ежит принцип «Плавающего аналога» и принцип квазидвухмесячной периодичности атмосферных процессов. Модель позволяет прогнозировать экстремумы теплых и холодных волн, перепады температуры при осуществлении которых происходит на пять градусов Цельсия и больше.. Оправдываемость работы модели 70 %.

Ключевые слова: долгосрочный прогноз, метод аналогов, физико-статистическое моделирование.

На кафедре метеорологии и климатологии географического факультета Саратовского госуниверситета разработана полуавтомитическая модель прогноза дат резких перепадов температуры и периодов выпадения осадков, которая в настоящее время может работать в оперативном режиме с заблаговременностью один – два месяца [1-5]. Созданная информационная база и разработанное программное обеспечение позволяют составлять пробные долгосрочные прогнозы экстремумов теплых и холодных температурных волн, а также и периодов выпадения осадков для близлежащих регионов с вышеобозначенной заблаговременностью.

Укажем, что при экстремальных перепадах средней суточной температуры очень часто наблюдаются неблагоприятные и даже опасные явления погоды. Это может быть сильный ливень или сильный снегопад (ливневой снег), кратковременное резкое усиление ветра (шквал), заморозок разной интенсивности. Может произойти градобитие. При интенсивных перепадах средней суточной температуры часто формируются гололедно-изморозевые отложения. Нередко такие явления приводят к нежелательным и неблагоприятным последствиям в экономике, социальной сфере. Поэтому заблаговременная информация об ожидающейся резкой смене погодных условий поможет снизить риски в отдельных секторах экономики и социальной сфере.

Настоящая статья посвящена апробации имеющейся технологии долгосрочного прогнозирования резких изменений температуры воздуха в соседнем с Саратовской областью регионом - Воронежской областью.

Региональная модель и полуавтоматизированная технология ее применения разработана на основе теоретических положений по усовершенствованию статистических и физикостатистических методов прогнозирования погоды в долгосрочном аспекте. В основу работы модели заложен принцип «Плавающего аналога». Принцип «Плавающего аналога» в отличие от традиционного, не требует географического сходства аналоговых и текущих гидрометеорологических полей, а только областей высокого и низкого давления на пространстве атлан- тико-евразийского сектора полушария (первый естественный синоптический район). Принцип «Плавающего аналога» разработан доктором физ.–мат. наук В.Ф. Мартазиновой на основе квазидвухмесячной ритмичности атмосферных процессов [5].

Для адаптации модели в смежном регионе проводились следующие статистические процедуры:

1.Составление рабочей выборки с последующим выделением предиктанта.

2.Выбор информативного поля-предиктора.

3.Оформление прогностической зависимости.

4.Испытание работы модели.

При составлении рабочей выборки происходило формирование перечня дат, в которые наблюдались резкие перепады средней суточной температуры воздуха. Если перепад температур происходил от наинизших значений к наивысшим показаниям, то это определялось как волна тепла. Если перепад средней суточной температуры воздуха происходил от наивысших ее значений в сторону наинизших показаний, то это определялось как волна хо-

337

лода. В соответствии с выбранными датами составлялся архив полей давления для дней резких перестроек температурного фона, причем отдельно для резких потеплений и отдельно для резких похолоданий. Карты выбираются из электронного архива гидрометеорологических полей OAN-25 за срок 00 часов по Гринвичу. Необходимые для работы модели данные размещены в коде GRIB на ftp-сервере Гидрометцентра РФ.

Формирование рабочей выборки предполагает выбор из архива гидрометеорологических полей - в нашем случае полей давления воздуха на уровне моря – тех из них, в которые наблюдается экстремум теплой (холодной) волны. Приземные поля давления группируются отдельно для случаев экстремумов теплых волн, отдельно для случаев экстремумов холодных волн.

Такие рабочие архивные выборки приземных полей давления воздуха формируются для каждого конкретного месяца. Следует отметить, что в выборку включается не только день экстремума волны, а также и день, предшествующий этому экстремуму. Такой прием позволяет лучше статистически описать процесс интенсивного похолодания и интенсивного потепления. В соответствии с этим в каждом месяце получается отдельная выборка для случаев резкого потепления (волна тепла), и отдельная выборка для резкого похолодания (волна холода).

На втором этапе работы модели происходит выделение наиболее информативного поля – предиктора. Выбираются типичные синоптические ситуации, при которых осуществляются экстремумы теплых и холодных волн, причем отдельно для случаев холодных волн, отдельно для случаев теплых волн. Отметим, что при выделении наи более типичного поля не рассматриваются средние поля, а выделяется так называемое «эталонное» поле.

Эталонное поле - это одно из фактических полей выборки, которому впоследствии подбирается аналог. Эталонное поле подбирается по формуле, евклидова расстояния. Эта статистическая процедура позволяет оценить степень сходства барических полей, при которых осуществлялись резкие перепады температуры. То поле, которое, оказывается, по евклидову расстоянию наиболее близким ко всем остальным полям архивной выборки, считается эталонным. Таким образом, получаем, что эталонное поледавления является самым лучшим для характеристики всех полей каждого конкретного класса (совокупности).

Способ определения эталонного поля– сравнение всех полей данной группы (совокупности) между собой по формуле подобия. Обычно эту формулу называют евклидовым расстоянием:

оценивается подобие i-го поля с другими полями рабочей выборки.

По наименьшему значению параметра S(i) делается заключение, какое из i-х полей ближе по евклидову расстоянию ко всем p-полям. Именно это поле и становится эталонным. Эталонное поле является полем – предиктором.

Оформление прогностической зависимости предполагает определение поля-налога. На этом этапе работы модели для выбранных эталонных полей подбирается аналоговое поле.

338

Подбор осуществляется в соответствии с методикой «Плавающего аналога». При подборе аналога возможные аналоговые поля смещаются относительно эталонных значений. Максимальное сходство возможных аналоговых и эталонных полей отыскивается без строгой географической привязки. Аналоговым полям «разрешается» «плавать» по эталону, смещаясь на

± 15º к северу и югу (Δφ) и на ±60º к западу и востоку (Δλ). Смещение происходит по шагам 5ºпо меридиану и на 10º вдоль круга широты. На каждом шаге по формуле евклидова расстояния оценивается сходство сравниваемых полей давления воздуха.

Напомним, что аналоговые и текущие поля должны быть идентичны по распределению барического поля. Именно при таком смещения наиболее полно охватывается пространство первого естественного синоптического района, а также основные погодоопределяющие циркуляционные структуры для выбранного региона. Это Азорский максимум давления, Исландский циклон, а также западная периферия Сибирского антициклона. Оптимальным временным интервалом для подбора аналоговых полей стал обоснованный В.Ф. Мартазиновой [6] двухмесячный интервал. Отметим, что квазидвухмесячная ритмичность атмосферных процессов хорошо известна. Ее существование подтверждается во многих научных публикациях, например, в [1].

Всоответствие с найденными аналоговыми полями составляется прогноз. Для этого оценивается степень близости (удаленности) аналоговых полей с ежедневными барическими полями месяца, отстоящего на один месяц назад от прогнозируемого периода. По наименьшим значениям параметра близости/удаленности определяются даты экстремумов теплых и холодных волн согласно двухмесячной квазиритмичности атмосферных процессов. Таким образом, заблаговременность прогноза оказывается равной одному месяцу.

Для г. Воронеж для каждого месяца сформированы выборки барических полей, формирующих резкие потепления и резкие похолодания. Посредством синоптического анализа выявленных эталонных полей установлено, что резкие потепления в регионе происходят при мощных поступлениях воздушных масс с юга и юго -запада в теплых секторах мощных полярнофронтовых депрессий, а также при проникновении на регион отрогов субтропических антициклонов, иногда представленных самостоятельными ядрами.

Резкие интенсивные волны холода наблюдаются чаще всего при затоках в тылу ц и- клонов холодных арктических воздушных масс, или смещающихся на регион уже оформившихся арктических ядер.

Вкачестве примера приведем фрагменты приземной карты погоды с эталонными (типичными) полями, при которых в Воронеже происходят резкие потепления и резкие похолодания в январе (рис. 1).

На фрагменте приземной карты погоды (рис. 1 а) видно, что резкое потепление 3 - 4 января 2004 года вызвано циклоном с центром над Балканским полуостровом, в циркуляцию которого втянулись две фронтальные системы – арктическофронтовая и полярнофронтовая. Такой циркуляционный эффект способствует наиболее интенсивному поступлению теплых воздушных масс с юга на Европейскую территорию России, в том числе, и в Воронежскую область. Анализ эталонных полей других месяцев позволил заключить, что потепления в центре ЕТР определяются теплыми секторами обширных полярнофронтовых депрессий, в циркуляцию которых втягивается система арктического фронта. Такой процесс вызвал резкое повышение температуры в Воронеже третьего – четвертого января 2004 года (рис. 2).

339

Рис. 1. Фрагмент приземной карты погоды а) 3 января 2004 года – эталонное поте интенсивной волны тепла;

б) 15 января – эталонное поле интенсивной волны холода

На рис. 1 б представлено эталонное поле интенсивной волны холода января. Резкое похолодание в центральной части Русской равнины вызвано ультраполярным вторжением - затоком холодных арктических воздушных масс с Карского моря. Именно такой процесс привел к резкому похолоданию 14-15 января 2004 года в Воронежской области (рис. 2).

Испытание работы модели проводилось на зависимой и независимой выборках. Зависимая выборка включала в себя 20002009 годы, независимая – с 2010 по 2015 годы.

Для каждого месяца в этих временных промежутках составлены пробные прогнозы резких потеплений и резких похолоданий. При оценке оправдываемости прогнозов экстремумов теплых и холодных волн необходимо выполнение следующих двух условий:

1.Падение (рост) средней суточной температуры должен быть не менее 5 °С для теплой (холодной) волны.

2.Прогностический день экстремума теплой (холодной) волны не должен отстоять от фактического более чем на два дня.

Оправдываемость пробных прогнозов по зависимой выборке для резких потеплений составила 73 %, для резких похолоданий - 71 %. В случае независимых испытаний оправдываемость резких потеплений составила 71 %, резких похолоданий – 69 %.

340

В качестве примера приведем пробный прогноз дней осуществления экстремумов теплых и холодных волн, таблица.

Таблица

Прогноз дней осуществления экстремумов теплых и холодных волн (январь 2010 г.)

Прогнозы дат экстремумов

На графике (рис. 3) можно увидеть, что оправдались две волны тепла из трех, которые были рассчитаны на начало и конец месяца. Не оправдалось резкое потепление, рассчитанное на середину месяца (13–15 января), хотя 14–15 числа наблюдалось повышение температуры, но это потепление было слабым и не укладывалось в критерий резкого потепления (похолодания). Из рассчитанных трех волн холода оправдались тоже только две волны, наблюдавшиеся в начале и конце месяца.

Рис. 3. Температурные изменения в Воронеже в январе 2010 года

Выводы.

1.Оценка успешности прогнозов показала, что в среднем из трех волн и тепла, и холода оправдываются две, причем это справедливо для каждого месяца.

2.На основании вышеизложенного и принимая во внимание довольно большую заблаговременность прогноза – один месяц, можно считать, что предлагаемая методика прогноза дат экстремумов теплых и холодных волн можно вполне успешно применяться для решения подобных прогностических задач в сопредельных регионах.

Литература

1.Вильфанд Р.М. Классификация полей давления воздуха на территории I-го естественного синоптического района // Труды Гидрометцентра. 1986. Вып. 274. С.3-11.

2.Морозова С.В. Прогноз волн тепла и холода для Саратовской области с использованием физико-статистического метода В.Ф. Мартазиновой «плавающий аналог» //Труды

341

гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. Вып.

363.Гидрометеорологические прогнозы. Москва: Изд-во «Триада ЛТД». 2017. С. 138-159.

3.Морозова С.В. Физико-статистический метод прогноза экстремумов метеорологических величин // Учёные записки Рос. гос. гидромет. ун-та. 2010. Вып.14. С. 50-59.

4.Морозова С.В., Алимпиева М.А. Физико-статистическая модель долгосрочного прогноза весенних дат перехода средней суточной температуры воздуха через 10 ºС // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2018, №3 (369). С. 46-61.

5.Морозова С.В., Полянская Е.А., Пужлякова Г.А., Фетисова Л.М. Региональная модель долгосрочного прогноза резких изменений температуры воздуха с месячной заблаговременностью // Изв. Сарат. ун-та. 2004. Том 4. Вып. 1-2. С. 195-198.

6.Martazinova V.F. Changes of atmospheric circulation in central-east Europe at recent decade and long-range forecasting / Proc. Workshop on regional climate change in central-east Europe, Budapest. 1994. P. 1-6.

1ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», Саратов, Россия

2ФГБУН «Институт географии Российской академии наук», Москва, Россия 3ФГБУН ФИЦ «Институт биологии Южных морей имени А.О. Ковалевского РАН», Севастополь, Россия

S.V. Morozova1, E.A. Polyanskaya1, N.K. Kononova2,3

ON THE POSSIBILITY OF LONG-TERM FORECASTING OF SHARP CHANGES IN WEATHER CONDITIONS ON THE EXAMPLE OF VORONEZH

A physical and statistical model of long-term forecasting of sharp changes in air temperature during the month is proposed. The model is based on the principle of «Floating analogue» and the principle of quasi-two-month periodicity of atmospheric processes. The model makes it possible to predict sharp drops in the average daily air temperature with a monthly advance. The feasibility of the model is 70 %.

Keywords: long-term forecast, analog method, physical and statistical modeling.

1Saratov National Research State University named after N.G. Chernyshevsky, Saratov, Russia 2Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

3A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the South Seas of the Russian Academy of Sciences,

Sevastopol, Russia

342

СЕКЦИЯ 3

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И ХИМИЯ, ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД И ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ. МАЛООТХОДНЫЕ И БЕЗОТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА.

КОНТРОЛЬ, ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА И БЕЗОПАСНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ЭНЕРГЕТИКЕ

343

УДК 551.50

Л.М. Акимов, Е.Л. Акимов, С.С. Ивонин

ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В ЗАСТОЙНЫХ ВОДОЁМАХ НА ПРИМЕРЕ ВОРОНЕЖСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Продемонстрирована экологически чистая технология, которая обеспечивает насыщение водой кислородом, а также создает искусственное течение на застойных участках водоемов с использованием энергии ветра.

Ключевые слова: аэрационный режим, ветроэнергетика, роза ветров, Воронежское водохранилище, дамба Чернавского моста, парк «Алые паруса».

Нам выпала участь жить в эпоху, когда научно-технический прогресс шагает семимильными темпами. Некоторые ратуют за его дальнейшее и глубинное развитие, другие – за паузу, постепенный откат к прошлому, близость к природе. Сколько людей, столько и мнений, но на сегодняшний день нам невозможно обойтись без достижений научнотехнического прогресса.

Одним из ключевых факторов не только в научно-технической деятельности, но и в жизни обывателей является энергия. Мы редко задумываемся, с какой сложностью для производственных мощностей вырабатываются заветные джоули и ватты, чтобы иметь возможность листать страницы в интернете, смотреть телевизор, ездить на машине, летать на самолете. Забываем и о значительном уроне для нашей планеты, возникающем из-за добычи и сжигания топлива. Человечество все быстрее и быстрее истощает энергетические ресурсы. Согласно последним расчётам компании British Petroleum, мировых запасов нефти должно хватить на 50 лет, что значительно повлияет на стоимость продуктов нефтепереработки. Атомные электростанции сложны в строительстве и обеспечении безопасности. Дефицита урановых руд пока не наблюдается, но в какой-то момент это произойдет. Растущие вширь потребности частично могут обеспечить возобновляемые источники энергии. Во многих странах, в том числе и в России, существуют крупные гидроэлектростанции. Здесь снова возникает проблема в большой затратности строительства, да и подходящих рек мало для выработки большой мощности.

Существенным преимуществом обладают альтернативные источники энергии. Остановимся на ветроэнергетике. Еще в древнем мире люди использовали энергию ветра. Сначала в Персии, а потом уже в исламском мире для размола зерна использовались ветряными мельницами, которые потом были перенесены в Европу крестоносцами. После были построены водонасосные станции. В Нидерландах ветряные мельницы откачивали воду с польдеров. Использование энергии ветра приводило к морским путешествиям и географическим открытиям. Все новое-это хорошо забытое старое. Эта отрасль энергетики активно развивается. На начало 2016 года общая мощность ветряков впервые превысила мощность, вырабатываемую атомными электростанциями. Многие страны развивают эту область. Например, в Дании 42 % от общего количества вырабатываемого электричества приходиться на долю ветряков, в Португалии – 24 %, в Никарагуа-21 %, в Германии – 8 %. Россия здесь отстает, хотя имеет большой потенциал развития. Итак, доля ветроэнергетики в мире неуклонно растет, что не удивительно, ведь она не выбрасывает в атмосферу вредные газы, не требует ископаемого топлива для работы, а производительность зависит от скорости ветра. Пока стоимость её довольно высокая из-за аккумулирования, но, учитывая малочисленные запасы ископаемого топлива, ситуация должна измениться.

Целью данной статьи является исследование использования энергии ветра для улучшения экологической ситуации в застойных участках Воронежского водохранилища в районе Чернавского моста и парка «Алые паруса», где из-за отсутствия течения и незначительных глубин обитает большое количество сине-зеленых водорослей, отравляющих водоем.

Воронежское водохранилище - водохранилище, расположенное на реке Воронеж в

344

городском округе Воронеж. Входит в число самых крупных на планете водохранилищ, полностью расположенных в черте города. Воронежское водохранилище образовано в 1971— 1972 годах плотиной в целях промышленного водоснабжения города. На сегодняшний день водоем сильно загрязнен. В 1975 году велись работы по благоустройству набережных Воронежского водохранилища. Были открыты парки «Алые паруса» и «Дельфин» на левом берегу. В 1977 году началось строительство Северного моста через водохранилище, который был открыт в 1985 году [1].

Вначале 90-х санитарные службы объявили, что водоём не соответствует принятым нормам, поэтому купания в водохранилище стали менее массовыми и рыбная ловля на его территории осталась только спортивным увлечением. Минерализация воды на разных участках водохранилища колебалась от 0,14 до 0,72 г/л, а иногда она достигала 0,9 г/л.

Завершились процессы формирования сообществ водных организмов, отличающиеся высоким уровнем биологического разнообразия и устойчивостью. По сравнению с аналогичными водоемами на акватории Воронежского водохранилища наблюдается ускорение (в 2 - 2,5 раза) темпов зарастания мелководных участков.

Власти производили чистку, но она была недостаточно основательной, чтобы улучшить ситуацию. За 40 лет площадь водохранилища уменьшилась, с каждым годом расширяются мели.

Для улучшения экологического состояния водохранилища до начала 2000-х гг. около дамбы Чернавского моста работали два аэрационных фонтана, которые насыщали кислородом воды в застойных углах водоема и охлаждали воду.

Рис. 1. Аэрационный фонтан около дамбы Чернавского моста

В мае 2010 года примерно в том же месте, около парка «Алые паруса» планировалось построить грандиозный фонтан с высотой струи до 175 метров, но этот проект так и остался на бумаге.

Для решения экологических проблем Воронежского водохранилища предлагается использовать энергию ветра. С этой целью на первоначальном этапе проведен мониторинг аэрационного режима акватории водохранилища в период с 2018-2019 гг. В результате для каждого календарного месяца года построены розы ветров, а также графики суточного и

345

годового хода ветра. В качестве примера, в статье, представлены розы ветров центральных месяцев сезона.

Установлено, что в январе (рис. 2) наблюдается преобладание ветров западного (12 %), северо-восточного (10 %) и юго-юго-восточного (9 %) направления.

Январь

Рис. 2. Роза ветров в январе

Наименьшая повторяемость наблюдается у ветров северного (3 %) и восточно-северо- восточного (3 %) направления.

В апреле (рис. 3) наблюдается незначительное преобладание ветров северовосточного направления (9 %). Повторяемость ветров западных направлений составляет около 7 %.

Апрель

Рис. 3. Роза ветров в апреле

Наименьшая повторяемость наблюдается у ветров восточно-северо-восточного (3 %), юго-юго-западного (2 %) и юго-западного (3 %) направления.

В июле (рис. 4) преобладают ветра западно-северо-западного (11 %), северо-северо- восточного (11 %) ,северо-восточного (9 %) и северо-западного (9 %) направления.

346

Июль

Рис. 4. Роза ветров в июле

Наименьшая повторяемость наблюдается у ветров северного (2 %), южного (2 %), юго-юго-западного (1 %) и юго-западного (2 %) направления.

В октябре (рис. 5) наблюдается равномерное распределение ветра с преобладанием юго-восточного (9 %) направления. Большая повторяемость (8 %) наблюдается у ветров западных направлений.

Октябрь, 0:00 ч.

Рис. 5. Роза ветров в октябре

Наименьшая повторяемость наблюдается у ветров восточно-северо-восточного (2 %), восточного (3 %), восточно-юго-восточного (3 %) и юго-юго-западного (2 %) направления.

Результаты анализа средней месячной скорости ветра в различные месяцы года представлены на рис. 6.

347

Из анализа рисунка 6 следует, что наибольшая скорость ветра (3,4 м/с) наблюдается в декабре, наименьшая - в августе (2,0 м/с). Средняя скорость ветра за период наблюдений составляет 2,63 м/с.

Исходя из графика, годовой ход ветра соответствует годовому ходу скорости ветра, характерному для Воронежской области. Отличие наблюдается лишь в марте. Это может быть обусловлено разницей в нагреве подстилающей поверхности.

Особое значение при использовании энергии ветра играет штиль. Повторяемость штилевых условий на акватории водохранилища представлено на рис. 7.

Повторяемость штилевых условий, %

P%

Рис. 7. Вероятность штиля по месяцам

Наибольшая вероятность штиля наблюдается в летние месяцы, особенно в августе (16 %), наименьшая – в декабре (2 %). Средняя вероятность штиля за период наблюдений составляет 9 %.

На следующем этапе исследования, на участке водохранилища у парка Алые Паруса, были проведены замеры глубин, скорости течений и скорости ветра. Средняя глубина составляет 2,86 м. Имеется значительное, резкое понижение рельефа дна до 8 метров. Построена карта рельефа дна, представленная на рис. 8.

Скорости течения зависят от ветра. Во время замера они составляли от 0,08 до 0,2 м/с, измерение проводилось при помощи поплавков. Скорость ветра колебалась от 4,0 до 3,1 м/с.

348

Рис. 8. Карта рельефа дна

После анализа экологического состояния водохранилища, данных полевых исследований, камеральных работ по исследованию ветрового режима акватории был составлен проект ветроустановки, осуществляющей аэрацию застойных участков. Рассматриваемая ветроустановка (рис. 9) состоит из ветряка с горизонтальной осью вращения, редуктора и n-ого числа насосов. В процессе работы кинетическая энергия ветра при помощи редуктора трансформируется в механическую энергию насоса, при помощи которой осуществляет подъем воды и насыщение ее кислородом.

Рис. 9. Схема ветроустановки для аэрации (р. - редуктор, ф. - фонтан)

Определим мощность ветроустановки для аэрации по формуле (1), приняв плотность

Мощность ветровой установки, а также интенсивность работы насоса фонтана, можно регулировать изменением передаточного числа редуктора.

На рис. 10 представлена схема расположения установок на акватории, учитывая резкое понижение рельефа в центре залива и наибольшую концентрацию водорослей у берега.

349

Рис. 10. Расположение ветроустановок для аэрации.

Другой версией проекта является создание искусственного течения с помощью ветроустановки. Она также имеет в своем составе ветряк с горизонтальной осью вращения, редуктор, который подает энергию на шнековый транспортер, прообразом которого был винт Архимеда. Схема предлагаемой установки представлена на рис. 11.

р - редуктор

Рис. 11. Проект ветроустановки, создающей искусственное течение

Винт Архимеда 9 (рис. 12) - механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из нескольких изобретений и открытий, традиционно приписываемых Архимеду, жившему в III веке до н. э.

Рис. 12. Винт Архимеда

Схема расположения другого варианта проекта (рис. 13) имеет такой вид для того, чтобы искусственно созданное течение насыщало проточной водой наиболее застойные

350

участки у берега. Выводы.

1. В процессе работы была проведена гидрометеорологическая оценка исследуемого участка акватории водохранилища, результатом которой стала карта рельефа дна, поплавочным методом рассчитаны скорости течения.

2. Был проанализирован ветровой режим данной акватории, составлены графики суточного, годового хода ветра и график вероятности штиля по месяцам.

.

Рис. 13. Расположение ветроустановок второго типа

3. Важным аспектом работы стали, разработанные проекты ветроустановок, которые насыщают воду кислородом или создают искусственное течение. Как следствие, доказано целесообразность использования энергии ветра для очистки застойных водоемов.

Литература 1. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия / Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

2.Негробов О. П., Успенский К.В. Экология Воронежа / Из-во: ВГПУ, 2001. 72 с.

3.Смирнова А.Я., Бунеева В.Г. Микроэлементарный состав воды // Воронежское водохранилище: комплексное изучение, использование и охрана. Воронеж, 1986. С. 75-78.

4.Табачников Б.Я. Люби и знай родной край: учебное пособие по географии / Воронеж Центр духовного возрождения Чернозёмного края. 384 с.

5.https://bloknot-voronezh.ru/news/kak-na-voronezhskom-vodokhranilishche-unichtozhili-

1060615

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Воронеж, Россия

L.M. Akimov, E.L. Akimov, S.S. Ivonin

TECHNOLOGY IS THE USE OF WIND POWER TO IMPROVE ECOLOGICAL SITUATION IN STAGNANT WATER BODIES AS AN EXAMPLE

VORONEZH RESERVOIR

An environmentally friendly technology is demonstrated that provides oxygen saturation of water, as well as creates an artificial flow in stagnant areas of reservoirs using wind energy.

Keywords: aeration regime, wind power, wind rose, Voronezh reservoir, Chernavsky Bridge dam, Scarlet Sails Park.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University»,

Voronezh, Russia

351

УДК 627.8

G.A. Bekmamadova

ON ISSUES OF ENVIRONMENTAL PROCESS MANAGEMENT IN DRINKING

RESERVOIRS OF UZBEKISTAN

This article discusses the construction of an adequate ecosystem model, on the basis of which it is possible to make quantitative and a qualitative assessment of reservoir capabilities. Based on model studies, it is analyzed changes in the hydrochemical and hydrobiological regimes of water bodies and, accordingly, changes in water quality during the transformation of river flow. Also, models of environmental processes have been studied taking into account the appropriateness of the use of destratification and aeration of reservoirs, in particular on the example of Kashkadarya and Surkhandarya regions. Based on the study, the article presents proposals for improving the environmental situation of reservoirs, which serves as a source of water supply to the population.

Keywords: destratification, water catchment area, hydrochemical and hydrobiological conditions, eutrophication of water bodies.

At present, Uzbekistan has accumulated a lot of information about the sources of pollution in the reservoirs of water supply systems.

These reservoirs are located mainly in the mountainous and foothill territories of the Republic of Uzbekistan, the population of which rapidly increases in the summer and the traditional sources of pollution in the form of surface runoff from agricultural land and livestock farms have been replaced by sources in the form of discharges of municipal water from numerous summer cottages. Despite the improvement of the methods of cleaning the sewage systems of individual villages and buildings, this source of pollution is currently considered as one of the main ones in the water catchment areas. It plays a more significant role in the catchment areas of the reservoirs of the Surkhandarya and Kashkadarya regions for the following reasons:

1.These territories are much larger than the catchments of reservoirs in the southern regions of Uzbekistan.

2.The role of the catchment area in the reservoirs of the Surkhandarya region is much higher than in the water-fed reservoirs of the Kashkadarya region.

3.The basic reservoir Gissarak - has an extremely small area ofits own catchment and is strictly protected in sanitary terms.

Thus, the possibilities of managing reservoir ecosystems through measures in the catchment can be assessed by carrying out coordinated calculations using the generalized information of the relevant services of the Basin Irrigation System Administration in Kashkadarya and Surkhandarya regions and by models of the hydrological regime [1].

So model studies can reveal changes in the hydrochemical and hydrobiological regimes of the reservoir and, accordingly, changes in water quality during the transformation of river flow. If a model is available, such calculations can be carried out without information on actual load changes, using different scenarios of load changes due to both anthropogenic and natural impacts. In this case, the calculations will be a significant help in developing the lines of activity of the relevant control services.

Most of the activities in reservoirs aimed on regulation of the hydrochemical and hydrobiological situation are high-cost and depend on the size of the reservoir. First of all, all existing measures related to the introduction of chemical compounds into the water of the reservoir should be completely excluded from the possibilities of using in the practice of managing water bodies - sources of municipal water supply.

Due to technical problems, it is impossible to carry out activities such as removal or screening of bottom sediments. The greatest danger in the form of internal load is represented by gray silts occupying the deepest parts of the reservoirs. One of the most common measures to regulate the ecological state of water bodies - destratification - is also unrealistic to use on the scale of water supply reservoirs in the Kashkadarya region. Mechanical aeration of hypolimnion in reservoirs with a volume of hundreds of millions of cubic meters will require such significant energy costs that the effect of improving water quality under no circumstances will compensate for these costs. In addi-

352

tion, the effects of large-scale aeration are not always positive for various reasons. An alternative to mechanical aeration can be the so-called bubble aeration, the technology of which was developed in some countries, where the problem of eutrophication of water bodies has become especially acute [2].

But in this case, with an unpredictable effect, you will have to go on significant material costs with an obvious loss of the recreational attractiveness of reservoirs. Thus, destratification by aeration of a reservoir is an event that cannot be applied in the practice of operating reservoirs - sources of water supply in the Kashkadarya and Surkhandarya regions.

One of the simplest and cheapest ways to regulate the hydrochemical and hydrobiological regime of reservoirs should be considered a change in the water regime by adjusting the flow regulation regime by the hydroelectric complex. This way of water quality management has the greatest prospects in the water supply sources of the Kashkadarya and Surkhandarya regions [3].

Purposeful drawdown of the reservoir or its containment can significantly change the intensity and nature of internal water exchange in the reservoir. In turn, a change in the structure of water masses inevitably leads to a change in the fields of hydrochemical substances and biomasses of hydrobionts in the reservoir, i.e. to a change in the quality of water in a reservoir. When regulating the ecological situation in the reservoir itself, a convincing substantiation of the consequences of a change in the level (namely, actions for additional or restraining depletion) of the reservoir are aimed at changing the level in separate phases of the water regime that are important from the point of view of water quality.

The ways of substantiating the effect of changing the regulation mode are unambiguously associated with the use of mathematical modeling.Possible modes can be played on the model and their consequences for water quality can be monitored. This is a very difficult task, since in scenario calculations it is necessary to take into account a huge variety of hydrometeorological situations in a reservoir.

The creation of reservoirs in the densely populated Shakhrisabz district of the Kashkadarya region is clearly inappropriate, while the implementation of the division of existing reservoirs by hydraulic engineering methods is a very real measure. Evaluation of the effectiveness of this measure required a special study using a mathematical model.

Conclusions

The results of the calculations performed showed, firstly, that the leading factor determining eutrophication - an increase in the bioproductivity of ecosystems and the size of bottom anoxia zones, in reservoirs is the external phosphorus load, which inevitably increases with the intensification of anthropogenic chemical load on the catchments of reservoirs due to the continuing increase in the number of permanent and seasonal residents of the Kashkadarya region. Second, from the results of calculating the daily characteristics of the ecological state of the reservoirs, it is obvious that with the onset of hot weather, the frequency of outbreaks of blue-green algae blooms increases.On some days, their average daily biomass can reach 15-20 g / m3 and more with weak surging winds in the areas where there are water intakes.

The possibilities of managing the hydrochemical and hydrobiological situation in the ecosystems of reservoirs are determined by two types of impact - activities in the catchments of reservoirs and activities in the reservoirs themselves.

Among the complex of measures used in world practice in reservoirs, the most promising are measures for aeration of stratified reservoirs, selective discharge of water, regulation of external biogenic load by creating reservoirs and methods of biomanipulation.

In this regard, attention should be paid to improving monitoring of water quality in reservoirs, as well as measures to prevent dangerous changes in water quality in water sources and mitigate the negative consequences of extremely hot periods.

353

Bibliography

1. Bekmamadova G.A. Effective methods of drinking vater purification on the example of the Tupalang river // Экономика строительного комплекса и городского хозяйства. Материалы международной научно-практической конференции, БНТУ. Минск, 3-6 декабрь 2019. С. 363366.

2. Utemuratov M.M., Bekmamadova G.A. Actual issues of sediment’s transport in agricultural water reservoirs // Материалы международной научно-практической конференции «Направления развития современных систем земледелия». Херсон, 2013. С. 249-253.

3. Бекмамадова Г.А. Сув омборларининг лойиқа чўкиш жараёни // Агро илм журнали Журнал Агроилм (Агронаука), 2016. № 6. С. 57.

Tashkent Institute of Architecture and Civil Engineering, Tashkent, Uzbekistan

Г. А. Бекмамадова

В данной статье рассматривается построение адекватной модели экосистемы, на основе которой можно провести количественную и качественную оценку возможностей водохранилищ. На основе модельных исследований проанализированы изменения в гидрохимическом и гидробиологическом режимах водоемов и, соответственно, изменений качества воды при трансформации речного стока. Также, изучены модели экологических процессов с учетом целесообразности применения дестратификация и аэрации водохранилищ, в частности на примере Кашкадарьинской и Сурхандарьинской областях. На основе проведенного изучения в статье представлены предложения по улучшению экологической ситуации водохранилищ, служащей источником водоснабжения населения.

Ключевые слова: дестратификация, водосбор, гидрохимической и гидробиологической обстановкой, эвтрофирование водоемов.

Ташкентский архитектурно-строительный институт (ТАСИ), Ташкент, Узбекистан

354

УДК 661

С.А. Буравлева, М.В. Манохин, В.Я. Манохин, Е.А. Бибиков

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ЗАВОДОВ

В данной статье рассмотрена экологическая безопасность технологических процессов асфальтобетонных заводов. Рассмотрены основные проблемы экологической безопасности при работе асфальтобетонных заводов. Изучены пути решения проблем экологической безопасности на асфальтобетонных заводах. Рассмотрена схема стандартного технологического процесса производства горячих асфальтобетонных смесей. Разработан алгоритм по обеспечению экологической безопасности асфальтобетонных заводов.

Ключевые слова: асфальтобетонные заводы, экологическая безопасность, технологические процессы, затраты, эффективность, факторы, загрязнение.

Проблема экологической безопасности выступает важным фактором развития общества и человечества в целом. Экологическая безопасность прямым образом оказывает влияние на жизнь и здоровье людей. Основную долю загрязняющих веществ выбрасывают различные заводы и фабрики, преимущественно производственного и строительного назначения [1-10]. В данных условиях решение проблемы требует комплексного подхода и взаимоувязки всех параметров технологического процесса [1, 2].

Целью любой организации является снижение угроз экологической безопасности для обеспечения устойчивости своего развития, укрепления финансового положения, а также создания условий для выхода на лидирующие позиции [4, 9].

Сегодня руководители столкнулись с новыми вызовами и угрозами, что требует поиска инновационных подходов к обеспечению экологической безопасности своей производст- венно-хозяйственной деятельности.

Следует отметить, что проблемы экологической безопасности были рассмотрены многими отечественными и зарубежными учеными [5, 10]. Среди которых можно отметить А.П. Лупанова, А.А. Пупынина, Е.В. Сагадеева и других. Однако преимущественно труды данных ученых носят поверхностный характер или не затрагивают глубины изучаемых вопросов. Считаем, что в настоящее время требуется комплексный подход к решению данной проблемы.

Вданной статье рассмотрена экологическая безопасность технологических процессов асфальтобетонных заводов с позиции комплексного подхода.

Научная новизна работы заключается в разработке алгоритма по обеспечению экологической безопасности асфальтобетонных заводов.

Основные проблемы экологической безопасности.

Асфальтобетонные заводы выделяют в атмосферу большое количество загрязняющих веществ. Особенно большое количество таких веществ выбрасывается при приготовлении асфальтобетонных смесей в процессе сжигания топлива. В основном в качестве топлива используется мазут и другие химические смеси. Данные вещества не только загрязняют окружающую среду, но и отравляют ее токсическими веществами [3].

Попытки снижения выбросов в окружающую среду путем добавления в смеси катализаторов не обеспечило решение данной проблемы.

Внастоящее время стала применяться система замены жидкого топлива газообразным ресурсом [5, 6]. Практический опыт показал, что оборудование, работающее на газе, позволило добиться минимальных выбросов в атмосферу окcидов и углеродов [7]. И в целом пр и- вело к значительному уменьшению капитальных затрат асфальтобетонных заводов.

Вперспективе для повышения уровня экологической безопасности асфальтобетонными заводами планируется использование сжиженных углеродных газов. Планируемый объем использования сжиженного газа в России примерно составит 6-7 млн. тонн в год.

355

Значительная часть асфальтосмесительных установок значительно устарела по своим техническим параметрам и соответствию требованиям экологичности. К таким установкам относятся, например, модели типа Д-508-3А, ДС-158 и другие. Система очистки от пыли и вредных веществ не соответствует стандартам и требованиям экологической безопасности РФ.

Пути решения проблем экологической безопасности на асфальтобетонных заводах.

В настоящее время большой популярностью в дорожном хозяйстве пользуются асфальтосмесительные установки ПАО «Кредмаш», производимые на Украине. Их доля в общем парке оборудования составляет примерно 75 % [1, с. 313].

Данные установки являются более современными и в большей степени отвечают требованиям экологической безопасности. На таких установках имеются мощные фильтры для очистки воздуха от пыли и вредных веществ.

На второй ступени очистки применяют тканевые фильтры, что обеспечивает высокую степень фильтрации и защиты окружающей среды от вредных выбросов. Тканевые фильтры имеют много преимуществ, среди которых задержка химически стойких и отравляющих веществ, нано частиц пыли и мелкодисперсного материала. Основным недостатком тканевых фильтров является их дороговизна.

Важным требованием экологической безопасности для асфальтобетонных заводов является условие экологической безопасности технологических процессов, ориентация на более чистые способы производства [10]. Использование традиционной технологии для производства горячих асфальтобетонных смесей увеличивает выброс вредных веществ в атмосферу за счет теплового нагрева.

На рис. 1 представлен стандартный технологический процесс производства горячих асфальтобетонных смесей, характеризующийся многогранностью и сложностью процессов.

Рис. 1. Стандартный технологический процесс производства горячих асфальтобетонных смесей [14]

Следовательно, делается упор на изготовление теплых и холодных смесей, являющихся заменой традиционных горячих смесей. Технологический процесс приготовления таких смесей осуществляется в следующей последовательности действий: подача необходимых материалов в асфальтосмесительную установку. Вода в установку подается дозатором или водяным насосом. После перемешивания всех материалов в раствор вводится битум. В

356

последующем раствор не нагревается, а сразу подается на грохот, минуя сушительный барабан.

Для осуществления качественного и экологически чистого технологического процесса изготовления холодных асфальтобетонных смесей, ведущие страны мира предлагают на рынке различные асфальтосмесительные установки в широком ассортименте и различной ценовой политике. Дорогостоящие установки являются более производительными, имеют автоматизированные системы управления. Выбор того или иного оборудования будет зависеть от заказчика, то есть от асфальтобетонного завода.

Спомощью таких установок предоставляется возможным изготовление холодных смесей со вспененными битумами, а также на битумной и эмульсионной основе.

Опыт производства теплых асфальтобетонных смесей накоплен на ОАО «Асфальтобетонный завод №1» (г. Санкт-Петербург) и «Асфальтобетонном заводе № 4 «Капотня» (г. Москва). На данных заводах изготовление теплых асфальтобетонных смесей производится двумя основными способами. Первый способ включает в себя использование различных добавок [3, 13].

Второй способ основан на применении вспененного битума. Следует отметить, что использование добавок позволяет повысить качество приготовляемой смеси, улучшить показатели прочности и водостойкости. Применение данных способов производства на асфальтобетонных заводах позволили обеспечить экономический эффект от мероприятия и повысить экологическую безопасность технологического процесса.

На асфальтобетонных заводах в обязательном порядке должны выполняться следующие требования:

1. Хранение материалов и смесей должны производиться в специальных емкостях (цистернах) с плотно закрытым верхом.

2. Складирование и транспортировку необходимо осуществлять пневматическим транспортом.

3. Использование современных мощных фильтров для снижения пылеобразования. 4. Проведение мероприятий по снижению выбросов в водные объекты.

5. Обеспечение строгого контроля над экологической безопасностью и охраной окружающей природной средой.

Считаем, что особое внимание в сфере обеспечения экологической безопасности организации должно быть уделено нормативному регулированию.

Все более обостряющиеся традиционные угрозы экологической безопасности, свойственные любой экономической системе, а также появляющиеся новые угрозы, требуют оперативного реагирования [8, 9]. Многие нормы устаревают, что не обосновывает их применение. Поэтому необходим, в частности, пересмотр и актуализация правовых положений, касающихся всех аспектов экологической безопасности, как со государства в целом, так и субъектов хозяйственной деятельности.

Совершенствование правового регулирования должно быть направлено на стимулирование роста, повышение конкурентоспособности и уровня экологической безопасности организаций и экономики в целом [8].

Разработка алгоритма по обеспечению экологической безопасности асфальтобетонных заводов.

Сцелью комплексного подхода к решению проблемы экологической безопасности на асфальтобетонных заводах необходимо осуществлять ряд последовательных действий по их минимизации и предотвращению

В данной статье разработан алгоритм по обеспечению экологической безопасности асфальтобетонных заводов, наглядно представленный на рис. 2.

Считаем, что данный алгоритм поможет снизить затраты предприятий на материалы, электрическую энергию, уменьшить отходы и выбросы в окружающую среду, а следовательно, максимально повысить уровень экологической безопасности.

357

Рис. 2. Алгоритм по обеспечению экологической безопасности асфальтобетонных заводов

Можно сделать вывод, что соблюдение требований экологической безопасности технологических процессов позволяет добиться высоких результатов в производственнохозяйственной деятельности предприятий. С одной стороны, это позволяет предотвратить выброс вредных веществ в окружающую среду, а с другой стороны уделить внимание комплексному использованию сырья на производстве, а также ресурсосберегающим и малоотходным технологиям, что увеличивает шансы на будущее стратегическое развитие [4, 6, 11, 13]. В работе использхованы материалы [10-12].

Выводы.

Экологическая безопасность - важный момент эффективного функционирования любой организации, вне зависимости от формы и масштабов деятельности. Риски и угрозы могут причинить большой вред организации. Для предотвращения подобных последствий, необходим целый комплекс мер и рекомендаций.

Литература

1.Бадагуев, Б.Т. Экологическая безопасность предприятия. Приказы, акты, инструкции, журналы, положения, планы. 2-е изд., пер. и доп. / Б.Т. Бадагуев. М.: Альфа-Пресс,

2018. 568 c.

2.Графкина, М.В. Экология и экологическая безопасность автомобиля: учебник / М.В. Графкина, В.А. Михайлов, К.С. Иванов. М.: Форум, 2017. 320 c.

3.Звягинцева А.В., Чекашев К.В., Федянин В.И. Анализ техногенного загрязнения природной среды Воронежской области /Технологии гражданской безопасности. 2006. Т.

3.№ 2 (10). С. 96-98.

4.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Анализ статистики столкновений воздушных судов с птицами за 2002-2012 годы и современные средства обеспечения орнитологической безопасности полётов /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 65-77.

5.Болдырева О.Н., Звягинцева А.В. Регулирование технологического риска посредст-

вом оптимизации программы технического обслуживания оборудования /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 12. С.

76-78.

6.Яковлев Д.В., Звягинцева А.В. Построение межотраслевой комплексной геоинформационной системы Воронежской области /Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 1-3. С. 923-930.

7.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Локализация объектов в автоматизированной системе видеонаблюдения / Информация и безопасность. 2011. Т. 14. № 4. С. 583-586.

8.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Локализация объектов в распределенной системе видеонаблюдения /Информация и безопасность. 2010. Т. 13. № 4. С. 583-586.

358

9.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Система видеонаблюдения и локализация природных объектов / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 12. С. 107-109.

10.Чабала Л.И., Звягинцева А.В., Чабала В.А. Экологическая безопасность человека /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 2. С.

100-102.

11.Звягинцева А.В., Яковлев Д.В. Перспективы пространственного анализа в географических информационных системах для прогнозирования риска лесных пожаров на территории Воронежской области /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 78-88.

12.Аржаных Ю.П., Долженкова В.В., Звягинцева А.В. Прогнозирование гидрологиче-

ской обстановки в период половодья на водных объектах Воронежской области с применением географических информационных систем /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 89-98.

13.Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Усов Ю.И. Целенаправленное управление экологической безопасностью производств /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2004. № 10-1. С. 67-70.

14.Обеспечение экологической безопасности при производстве асфальтобетонных смесей на АБЗ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obespechenie-ekologicheskoy-bezopasnosti

(дата обращения 25.05.2021).

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия

S.A. Buravleva, M.V. Manokhin, V.Y. Manokhin, E.A. Bibikov

ECOLOGICAL SAFETY OF TECHNOLOGICAL PROCESSES ABZ

This article discusses the environmental safety of technological processes of asphalt concrete plants. The main problems of environmental safety in the operation of asphalt concrete plants are considered. The ways of solving the problems of environmental safety at asphalt concrete plants are studied. The scheme of the standard technological process of production of hot asphalt concrete mixes is considered. An algorithm has been developed to ensure the environmental safety of asphalt concrete plants.

Keywords: asphalt concrete plants, environmental safety, technological processes, costs, efficiency, factors, pollution.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh

Technical State University», Voronezh, Russia

359

УДК 004.9;502.3

С.А. Евдокимова, А.А. Твердохлебов

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ ДЛЯ УЧЕТА ОБРАЩЕНИЯ С ОПАСНЫМИ ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА

В статье рассматривается разработанная авторами база данных и программная система для учета обращения с опасными отходами производства. Программное приложение позволяет вести электронный журнал учета отходов производства, рассчитывать нормативы образования отходов и лимиты их размещения в соответствии с требованиями Министерства природных ресурсов РФ, формировать отчеты за различный период.

Ключевые слова: опасные отходы производства, учет обращения с отходами производства, алгоритм обратной польской записи, база данных, информационные системы.

Впроцессе любого производства или после его завершения всегда образуются отходы производства, которые могут включать и опасные отходы, содержащие вредные вещества, предоставляющие опасность для окружающей природной среды и здоровья человека.

Внастоящее время для учета обращения с опасными отходами производства существуют программные средства, которые можно разбить на 3 группы:

1. Крупные экологические информационные системы, которые предназначены, прежде всего, для холдингов и специализированных предприятий, занимающихся сбором отходов (например, Эко-Холдинг [1]).

2. Программы для предприятий определенного типа, например, программа Экоэксперт фирмы АЭРО-софт предназначена для учета обращения с отходами производства авиапредприятий [2].

3. Другие программы предлагают только заполнение годового отчета по обращению с отходами в формате Excel для передачи в территориальный орган Министерства природных ресурсов РФ.

Данные программные продукты не подходят для учета обращения с опасными отходами производства небольших предприятий. Поэтому была разработана программа автоматизации расчетов для учета обращения с опасными отходами производства [3].

Учет обращения с отходами регламентирован приказами Министерства природных ресурсов, согласно которым определены указания к учету образованных опасных отходов производства, формы документов и порядок расчетов нормативов образования отходов. На основе анализа документов учета образования, использования, перемещения и обезвреживания опасных отходов производства выбраны следующие объекты: Предприятие, Движение отходов, Договоры, Виды образующихся отходов, Автотранспорт, Станочное оборудование, их атрибуты и связи. Спроектированная реляционная схема базы данных

(рис. 1) реализована в MicrosoftAccess.

Расчет нормативов образования отходов выполняется на основании государственных стандартов, отраслевых технологических инструкций, паспортов на оборудование, справочно-методической литературы. Например, расчет нормативного количества отработанных АКБ производится исходя из эксплуатационного срока службы АКБ по формуле [4]:

где Ai − количество автомобилей, снабженных АКБ i-ой марки, ni−количество АКБ в автомобиле, шт; Тi – эксплуатационный срок службу АКБ i-ой марки.

360

Рис. 1. Схема базы данных

Величина нормативного количества отработанных шлифовальных кругов

где N – нормативное количество отработанных шлифовальных кругов; n – количество станков данного типа, на которых установлены шлифовальные круги, шт; С– количество шлифовальных кругов на 1 станке данного типа; Т – среднегодовой фонд времени работы участка, на котором установлены станки данного типа, ч/год; К– коэффициент загрузки механического оборудования; Тn – нормативный срок службы шлифовальных кругов до полного износа; m – масса одного шлифовального круга данного диаметра, кг; k – коэффициент износа абразивных кругов до замены.

Мы видим, что формулы для расчета нормативов образования отходов для каждого вида различны и необходимо, чтобы пользователь программы мог их задавать самостоятельно. Поэтому для расчета вычисляемого выражения будем использовать алгоритм польской обратной записи [5].

Программное обеспечение учета обращения с опасными отходами производства реализовано в среде Embarcadero Delphi 10 Seattle [6] и предназначено для: ведение учета образующихся, использованных, хранящихся и переданным другим лицам отходов; расчета нормативов имеющихся на предприятии отходов; заполнения журнала обращения с отходами; формирования отчетов.

Начальное окно программы представлено на рис. 2.

Для начала работы с программой необходимо выбрать одно из предложенных действий: открыть существующее предприятие или создать новое. При создании нового предприятия надо указать информацию о предприятии, которая в дальнейшем будет использоваться в отчетах: Наименование, Почтовый адрес, Ответственные исполнители, ИНН, Код вида деятельности и так далее.

361

Рис. 2. Начальное окно программы

Главное окно приложения имеет следующие команды меню:

1.Предприятие – позволяет редактировать информацию о предприятии и вести учет договоров, заключенных предприятием с различными организациями на захоронение, обезвреживание, использование отходов.

2.Оборудование – позволяет вводить и редактировать информацию о имеющихся на предприятии станках и автотранспорте, которые являются источниками образования опасных отходов производства.

3.Опасные отходы производства – предоставляет доступ пользователю к справочнику опасных отходов, позволяет указать виды отходов, образующиеся на данном предприятии и рассчитать нормативы отходов. Окно разработанного построителя выражения для расчета норматива расхода представлено на рис. 3, в котором путем выбора характеристик оборудования или автотранспорта, хранящихся в базе данных, может быть составлена формула.

Рис. 3. Окно «Выражение для вычисления норматива»

362

4.Учет движения отходов – открывает окно для ведения журнала образования, передачи, хранения и обезвреживания отходов. Журнал учета отходов можно вывести на печать.

5.Годовые отчеты – служит для выбора вида отчета за год: годовой отчет образованных отходов, годовой отчет о движении отходов на предприятии и баланс массы отходов.

6.Настройки – позволяет выбирать год заполнения журнала учета отходов производства и менять предприятие.

Выводы.

1.Для автоматизации учета образовавшихся, использованных, обезвреженных, переданных другим лицам отходов и объектов их размещения, была разработана программа, позволяющая рассчитывать нормативы образования отходов и лимитов их размещения, в соответствии с требованиями Министерства природных ресурсов РФ.

2.Программный модуль позволяет формировать список видов отходов, образованных на предприятии, выполнять расчет нормативов образования отходов, формировать квартальные и годовые отчеты учета образования, использования, хранения, передачи и обезвреживания опасных отходов.

Литература

1.Подробное описание и характеристика программного продукта «Эко-Холдинг».

URL: http://ecoline-perm.ru/programms/eco-holding/eco-holding-info (дата обращения: 15.12.2020).

2.Программа «Эко–эксперт». URL: http://www.airsoft-bit.ru/programecologs/147-eco- expert-vozmojnosti (дата обращения: 15.12.2020).

3.Свидетельство об официальной регистрации. Программа учета обращения с опасными отходами производства: № 2018616273: заявл. 10.04.2018; опубл. 28.05.2018 / С.А. Евдокимова, А.А. Твердохлебов; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». 2018.

4.Сборник методик по расчету объемов образования отходов. URL: http://www.waste.ru/modules/library/singlefile.php?lid=116 (дата обращения 15.12. 2020).

5.Пратт, Т. Языки программирования: разработка и реализация / Т. Пратт, М. Зелковиц. СПб. : Питер, 2002. 688 с.

6.Культин, Н.Б. Основы программирования в Delphi XE / Н.Б. Культин. СПБ. : БХВ - Петербург, 2011. 416 с.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», Воронеж, Россия

S.A. Evdokimova, A.A. Tverdohlebov

AUTOMATION OF CALCULATIONS FOR ACCOUNTING

OF HAZARDOUS PRODUCTION WASTE MANAGEMENT

The article discusses a database and software system developed by the authors for accounting of hazardous production waste management. The software application allows you to keep an electronic log of production waste, calculate waste generation standards and limits for their disposal in accordance with the requirements of the Ministry of Natural Resources of the Russian Federation, and generate reports for different periods.

Key words: hazardous production waste, accounting of production waste management, reverse Polish notation algorithm, database, information systems.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russia

363

УДК 628.477

А.С. Жерлицина, Г.Н. Мартыненко, В.И. Лукьяненко, Д.Н. Китаев

ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ В РОССИИ И ЕВРОПЕ

Каждый день жители нашей планеты выбрасывают сотни и тысячи тонн использованных и ненужных материалов, которые чаще всего состоят из различного мусора: ценные металлы, стеклянные бутылки и контейнеры, макулатура, пластик, пищевые отходы. Нашей стране необходимо научиться эффективно, использовать бытовые отходы, правильно и экологично их утилизировать, сохраняя при этом здоровье населения и окружающей среды.

Ключевые слова: мусоропереработка, мусоросжигающие заводы, вторсырьё, сортировка мусора.

Проблема утилизации мусора с каждым годом становится актуальнее. Ежедневно в мире на одного человека приходится от 1 до 1,5 кг мусора. На свалки поступает более 2 млрд. тонн мусора ежегодно. По прогнозам к 2050 году эта цифра может достигнуть 3,4 млрд. тонн. Суммарная территория свалок по России составляет около 100 тыс. га. Это примерно равно территории Санкт-Петербурга. Всего в России 976 официальных полигонов ТБО.

Организованные и неорганизованные полигоны являются важной проблемой для окружающей среды [1-10]. Внутри свалок, под метровыми слоями мусора начинают проходить процессы разложения, при которых в воздухе распределяется отравляющий биологический газ, в химический состав которого входит метан. Всё это приводит к заражению грунта. В случае нахождения поблизости грунтовых вод они фактически могут отравить. Вдобавок к этому, противный запах распределяется ветром по близлежащим населённым пунктам. Все эти факторы наносят ущерб экологии, а вдыхаемый человеком воздух вызывает отравление. Стремительное увеличение площадей свалок неумолимо вызывает приближение их к крупным человеческим поселениям. Люди, проживающие вблизи таких мест, помимо неприятного запаха жалуются на плохое самочувствие. Не редкостью стали и случаи возникновения раковых опухолей от ядовитых испарений [6].

Самым распространённым способом утилизации промышленных и твёрдых бытовых коммунальных отходов в России является мусоросжигание посредством термического разложения (сжигания) в котлах или печах [7, 8]. В России на данный момент существуют и функционируют 10 мусоросжигательных заводов, из которых 3 компании «EVN AG» находятся в Москве. Компанией «РТ-Инвест» совместно с японско-швейцарской компанией «HitachiZosen INOVA» намечается строительство к 2022 году ещё четырёх мусоросжигательных заводов в Московской области и одного в Татарстане. Запланированная мощность каждого из заводов в Подмосковье — ориентировочно 700 тысяч тонн мусора в год, в Татарстане — около 550 тысяч тонн. Также планируется строительство ещё 100 мусоросжигательных заводов в регионах нашей страны.

Основным плюсом мусоросжигания является уменьшение объёма отходов и мусорных свалок. В тоже время это причиняет огромный вред человеку и окружающей среде. Заводы загрязняют атмосферу ядовитыми веществами, образуя при этом высокотоксичную золу в процессе сгорания. И наконец, сжигание, даже если бы оно было безопасным и экономически обоснованным — это уничтожение довольно дорогостоящих ресурсов [7]. Вторичное сырьё, которое в большом количестве, возможно, переработать, в результате сортировки необходимо и возможно перерабатывать, а не сжигать. А те мусорные отходы, которые переработать невозможно, необходимо современными способами заменять и разрабатывать новые способы замены на перерабатываемые остатки.

Главные принципы борьбы с отходами, по мнению ученых, следующие [7, 8]:

1.Административными методами сократить мусорные отходы.

2.Вторично использовать ставшие ненужными вещи (вторая жизнь).

3.Организовать возможность сбора вторичного сырья на переработку.

364

Сокращение производства массы отходов возможно только во взаимных усилиях предприятий торговли и упаковочной промышленности. В настоящее время в стране отсутствуют соответствующие мощности. Они последние годы не развивались, а те, что существовали в СССР, были уничтожены, и также была уничтожена система сбора вторичного сырья. В России в данное время существует около 2500 небольших перерабатывающих предприятий, из них в Московской области – 432. Учитывая производимую массу отходов в нашей стране это недостаточно.

Мусороперерабатывающий завод – это предприятие, специализирующееся на максимально возможной переработке мусора. Сжигание на нём предусмотрено, но сгоранию подвержено лишь то, что нельзя другим образом переработать.

Процесс переработки состоит из нескольких этапов: радиационный контроль, взвешивание, сортировка, дробление, отсев и компостирование. После въезда на территорию завода мусоровоз проверяют на уровень радиации. Далее транспортные средства направляется на взвешивание.

Привезённый мусор выгружают на траспортёры, после чего происходит первичная сортировка. Этот процесс проходит вручную, что предусматривает громадные людские трудозатраты. Люди отбирают крупные и тяжелые вещи, которые в это время движутся по транспортерной линии (рис. 1).

Крупногабаритные предметы, расфасованные в приемном отделении цеха сортировки, поступают в дробилку для дальнейшего измельчения и после – на участок размещения. Остальные отходы попадают на специальную ленту, где установлены разрыватели пакетов. Пакеты рвет механизм, и мусор по конвейеру идет в сортировочный цех, где разделяется на полезные фракции – бумагу, пластик, стекло, металл.

Смешанные отходы разделяются на четыре группы: вторсырье составляет до 20 %, органическая фракция – до 30–40 %, топливная фракция (RDF), которая будет использована в качестве топлива для цементных заводов, – до 20 % и не перерабатываемые отходы, которые будут захоранивать или сжигать. Их отделяется до 40–50 %, что является основной частью дальнейшего изучения и научного осмысления замены на полезную переработку и использование для целей жизнедеятельности.

Рис. 1. Одна из заводских линий [1]

В настоящее время из смешанного мусора, не используя мусороперерабатывающие мощности заводов можно выделить и переработать только 5-10 % вторичных ресурсов, остальное, как правило, отправится на свалку. Размокшую бумагу, слипшуюся с плесневелыми овощами, переработать невозможно, в отличие от сухой и чистой макулатуры. Пластик, спрессованный в мусоровозе со средствами личной гигиены, батарейки, затерявшиеся среди овощных очистков, пакет в пакете с пищевыми отходами – больше не вторсырье, они в современных условиях не подвержены переработки.

Наиболее эффективный способ получать вторичное сырье - это раздельный сбор бытовых и промышленных отходов. Большинство заготовителей в настоящее время устанавли-

365

вают баки для вторичного сырья, что доказывает экономичность решения проблемы и позволяет переводить данную проблему в разряд «вторичное сырьё» — это бизнес.

Уже сейчас можно привести успешные примеры предприятий, использующих в своём производстве вторичное сырьё. «Пларус» – первый российский завод, использующий в работе технологию bottle-to-bottle. Переработанный пластик по составу совпадает с тем, что привозят на предприятие. Такое сырье применяют в производстве новых пластиковых бутылок. Необходимое сырьё привозят с мусорных полигонов, мусоросортировочных предприятий и с частных сборников.

На предприятии ЗАО «Петромакс» финского концерна Kuusakoskirecycling в России утилизируется электроника и техника. В Подмосковье на заводе компании «Эксперт Втор» перерабатывают полиэтиленовые пакеты определённого цвета.

Мусоросжигательные заводы имеют широкое применение в странах Западной и Северной Европы, в США и Японии. Количество таких заводов в мире достигает примерно две тысячи. Лидирующими странами в мире в данной отрасли являются Дания и Швейцария, где сжигается порядка 80 % всех твёрдых бытовых отходов.

Современные города в мире завалены мусором, и что с ним делать — никто не знает. Но есть города и страны, которые близки к тому, чтобы стать странами нулевых отходов - например, Швеция. Мусор на заводах в Швеции сортируют. Весь мусор разделяют на 11 видов, и по возможности перерабатывают. Из отделённого полезного мусора получают новые изделия, а биологические отходы также перерабатывают на сельскохозяйственные удобрения и биогаз. Остальной мусор сжигают по технологии Wasteto Energy. Такие заводы являются в Швеции альтернативой атомным электростанциям.

В Европейских странах принято направление об отказе мусоросжигания вообще к 2035 году. Иными словами, в 2035 году будут закрыты все заводы, которые сейчас существуют в Европе. Причина такого решения связана с выбросом запредельных норм диоксида в результате их эксплуатации. В настоящее время некоторые государства начинают закрывать самые старые мусоросжигательные заводы. В это же время в РФ начинают развивать эти технологии и строить морально устаревшие новые заводы [7, 8].

При этом любой завод в Европе стоит в конце цепочки, где мусор уже был многократно отсортирован, где отдельно находятся батарейки, пластик, который нельзя перерабатывать огневым способом. То есть Европа сначала создала систему глубокой сортировки отходов, а потом уже были построены заводы для окончательной утилизации. И сейчас от них отказываются как морально устаревших, потому что они себя не оправдали в вопросах экологичности [6, 8].

Невзирая на отставание России от развитых стран по переработке мусора, власти нашей страны приходится уделять всё большее внимания проблеме сбора и переработки бытовых отходов. Наши учёные интенсивно работают над новыми более экологичными способами утилизации отходов [4, 5, 9, 10].

Один из таких способов был раз работан и запатентован в России Костиным Михаилом Николаевичем и Бугровым Юрием Евгеньевичем в 2018 году. Ими же было изобретено устройство для переработки твёрдых коммунальных отходов.

Суть изобретения заключается в новом способе переработки твердых коммунальных отходов, где изначально убирают крупногабаритные отходы, а остальной мусор подвергают измельчению и сушке. При этом измельчение и сушку проводят сразу в барабанной мельнице до конгломерации твердых составляющих оставшейся массы. Заявленным патентом раскрывается устройство, с помощью которого возможна переработка твердых коммунальных отходов. Такая установка собрана из подающего конвейера, теплового узла, бункера готовой продукции, барабанной мельницы, циклона с одним вентилятором, конденсатора, воздуховода, заслонки, теплового узла, снабженного отсекателем и вторым вентилятором. Выход с теплового узла через отсекатель и подающий конвейер подключены к входу барабанной мельницы. Выход которой через воздуховоды присоединён к входу циклона и через заслонку

366

к входу конденсатора, который присоединяется к входу теплового узла. Выход циклона через дозатор присоединён к входу бункеров готовой продукции.

Функциональная схема переработки коммунальных отходов и устройство для его осуществления приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема переработки отходов: 1 - тепловой узел; 2 - вентилятор теплового узла; 3 - барабанная мельница; 4 –измельчаемый материал; 5 - загрузочный узел; 6 и 7 - подающие конвейеры; 8 – отсекатель; 9 – заслонка; 10 – воздуховоды;

11 - конденсатор; 12 – вентилятор; 13 – циклон; 14 – дозатор; 15 - бункера готовой продукции

Таблица 1 Примерный весовой состав извлекаемого вторсырья из ТКО с полигонов

367

Рассмотренная конструкция имеет несколько режимов работы, которые вместе с получением MOD материала разрешают выводить из ТКО до ста процентов легких фракций, в основном, бумагу, древесину.

Рассмотрим два крайних режима работы:

1.Первый режим подразумевает осуществление процесса сушки и перемалывания ТКО с применением легких (горючих) фракций оставшейся массы. В качестве дополнительного горючего вещества для сушки оставшейся массы. Примерный весовой состав извлекаемого вторсырья из ТКО с полигонов представлен в табл. 1 [2].

2.На втором режиме возможно максимальное извлечение из ТКО всех составляющих, включительно легкие фракции. Примерный весовой состав вторсырья, извлекаемый из собираемых ТКО представлен в табл. 2 [2, 3].

Таблица 2 Примерный весовой состав вторсырья, извлекаемого из собираемых ТКО

В данной статье была затронута тема мусоросжигания и сортировки бытовых отходов. Россия в отрасли мусоросжигания, как и в целом утилизации мусора [3-5, 9, 10], отстаёт от развитых стран. В то время как в Европе идут разговоры о закрытии мусоросжигательных заводов, в нашей стране планируют построить их более 100. Чтобы это не привело к большим экологически проблемам, необходимо разделять мусор, использовать втор сырьё. Для максимальной эффективности мусор необходимо начинать сортировать каждому из нас.

Выводы.

1.Несмотря на то, что Россия отстаёт от других развитых стран в сфере переработки отходов, с каждым годом мы всё больше погружаемся в эту область.

2.На данный момент у нас существуют мусороперерабатывающие заводы, люди организовывают пункты приёма сортированного мусора, во многих производствах использует-

368

ся вторсырьё. Учёные и граждане нашей страны постоянно находятся в поиске новых изобретений и способов утилизации мусора.

Литература

1.Официальные периодические издания: электронный путеводитель / Комсомольская правда / [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://www.vrn.kp.ru/online/news /3467661/

2.Патент РФ № 2018139386, 2018.11.08. Способ переработки твёрдых коммунальных отходов и устройство для переработки твёрдых коммунальных отходов // Патент России №2 677 297. 2018 / М.Н. Костин, Ю.Е. Бугров.

3.Шаталов М.А., Мычка С.Ю. Эколого-экономические вопросы утилизации бытовых отходов как фактор здоровье сбережения населения // Безопасность здоровья человека, 2017.

№2. С. 50-58.

4.Олейников В.В. Проблема и способы утилизации мусорных отходов за рубежом и в России / В.В. Олейников, Н.В. Малых, Г.Н. Мартыненко, В.И. Лукьяненко // В сборнике: Фи- зико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения. Труды науч- но-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2011. С. 150-155.

5.Епишков О.И. Анализ подходов к утилизации мусора в разных странах / О.И. Епишков, В.И. Лукьяненко // В сборнике: Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения. Труды научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2011. С. 10-15.

6.Звягинцева А.В., Чекашев К.В., Федянин В.И. Анализ техногенного загрязнения природной среды Воронежской области /Технологии гражданской безопасности. 2006. Т.

3. № 2 (10). С. 96-98.

7.Болдырева О.Н., Звягинцева А.В. Регулирование технологического риска посредст-

вом оптимизации программы технического обслуживания оборудования /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 12. С.

76-78.

8. Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Усов Ю.И. Целенаправленное управление экологической безопасностью производств /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2004. № 10-1. С. 67-70.

9. Мартыненко Г.Н. Возможности использования экологически опасных отходов жизнедеятельности в биогазовых установках / Г.Н. Мартыненко // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения, 2014. № 4-2 (17). С. 119-122.

10. Мартыненко Г.Н. Способы и технологии переработки мусора в сырье /Г.Н. Мартыненко, А.С. Комаров, М.С. Грибанов // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации, 2019. № 2 (15). С. 43-49.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия

A.S. Zherlitsina, G.N. Martynenko, V.I. Lukyanenko, D.N. Kitaev

PROBLEMS OF WASTE DISPOSAL IN RUSSIA AND EUROPE

Every day, the inhabitants of our planet throw away hundreds and thousands of tons of used and unnecessary materials, which most often consist of various garbage: valuable metals, glass bottles and containers, waste paper, plastic, food waste and so on. Our country needs to learn how to effectively use household waste, dispose of it correctly and environmentally, while preserving the health of the population and the environment.

Keywords: waste recycling, incineration plants, recyclable materials, waste sorting.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical

University», Voronezh, Russia

369

УДК 502.7(075)

А.В. Звягинцева1, А.С. Самофалова1,2, Н.А. Парфенов3, В.И. Лохмачев3

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОМ КОМБИНАТЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА РУДООБОГАТИТЕЛЬНОМ ОБЪЕКТЕ

Рассмотрены проблемы экологической ситуации в Центрально-Черноземном регионе на объектах техносферы, имеющих стратегическую значимость. Порекомендованы эффективные промышленные общетехнические меры профилактического характера, сконцентрированные на редуцировании выбрасывания частиц пыли при серийном взрывании железосодержащих горных пород на конкретном объекте. Показано применение метода управления смачиванием пыли. Он основан на применении растворов поверхностно - активных веществ (ПАВ). Порекомендовано анионноактивное ПАВ на основе триэтаноламиновых солей.

Ключевые слова: санитарно-защитная зона, выбросы, загрязняющие вещества, пылеподавление, поверхностноактивные вещества, величина поверхностного натяжения.

В качестве конкретного объекта по добыче железной руды для металлургии проанализирован Лебе-

динский горно-обогатительный комбинат, являющийся фаворитом данной сферы на Российских и мировых торговых площадках.

За счет выполнения комплекса мероприятий по охране атмосферного воздуха на предприятии достигнуты определенные положительные достижения в сфере экологического нормирования и соблюдения природоохранной спецификации. На рис. 1 (ПДВ – предельнодопустимый выброс в воздушную среду; ЗК – загрязняющий компонент) воспроизведены подлинные пылегазовые выбрасывания в воздушную среду, то есть де-факто от анализируемого комбината - 56,8 % от лимитированных выбросов санитарно-токсикологических норм в соответствии с законами РФ [1, 2]. В материалах статьи использованы работы [3-14]. На рис. 2 воспроизведена кумуляция миазмов загрязнения по пограничной линии санитарнозащитной зоны (СЗЗ), репрезентированы среднегодовые показатели пылегазовых компонентов. В соответствии с лимитами на выброс санитарно-токсикологических норм по регламенту законодательства РФ, они не выходят за пределы 26 % по пограничной линии СЗЗ от последней отметки безопасного уровня (разрешенного показателя) [11-14].

Рис. 1. Тенденция ПДВ на горно-обогатительном комбинате с 1993 по 2016 год

Рис. 2. Среднегодовые показатели пылегазовых компонентов по пограничной линии СЗЗ

370

Подлинное выбрасывание пылегазовых компонентов в воздушную сферу равно 27 480,2 т, в том числе: твердофазные компоненты - 7 047,3 т, газофазные компоненты - 20

432,9 т (рис. 3).

Рис. 3. Сопоставление зафиксированных выплесков ЗК на АО «Лебединский ГОК» в 2016 году с ПДВ ЗК по регламенту [1] в воздушной среде

Выбросы газообразных веществ, в основном, увеличились за счет: выбросов диоксида серы на 1 660,4 т в результате увеличения природного содержания серы в исходном сырье в 2 раза; выбросов оксида углерода на 1 052,7 т и диоксида азота на 599,0 т за счет увеличения объемов производства горячебрикетированного железа.

Увеличение количества твердых веществ на 764,4 т связано с ростом производства и увеличением отгрузки готовой продукции через полевые склады: концентрата на 205,1 тыс. т, окатышей на 907,3 тыс. т, горячебрикетированного железа на 2 296,6 тыс. т, щебня на

258,5 тыс. т.

Количество пыли от других неорганизованных источников пыления снижено на 2 226,3 т в результате выполнения комплекса мероприятий (рис. 4):

1.Выполнение эпидемиологической регенерации и соблюдение норм санитарии: поверхностей дамб хранилищ отвальных хвостов - песчано-глинистым 7,12 га и грунтом Черноземья 6,83 га – на 30,0 т.

2.Замыв суглинком временно неэксплуатируемого отсека (150 га) – на 633,1 т.

3.Агротехническая и фитомелиоративная регенерация выработанной части хранилищ отвальных хвостов и терриконов не спрессованной вскрыши 35 га – на 123,1 т.

4.Закрепление пылящих площадей хвостохранилища реагентом (541,8 га – за счет двойной обработки) – на 1 143,4 т.

5.Дождевание разработанных грунтов экскаваторных площадок, автомобильных трактов в разрезе, местности рудоуправления, цеха хвостового хозяйства, дробильносортировочной фабрики – на 296,6 т.

Рис. 4. Эффективность мероприятий по пылеподавлению

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы внесли:

1.ФОК (фабрика окомкования концентрата) – 72,4 %.

2.ЗГБЖ (завод горячебрикетированного железа) – 17,0 %.

371

3.УЖДТ (управление железнодорожного транспорта) – 2,5 %.

4.РУ (рудоуправление) – 2,2 %.

5.ОФ (обогатительная фабрика) – 2,0 %.

6.ДСФ (дробильно-сортировочная фабрика) – 1,8 %.

7.БВУ (буровзрывное управление) – 1,1 %.

8.АТУ (автотракторное управление) – 0,4 %.

9.ЭЦ (электрическая централизация) – 0,3 %.

10.ЦГБЖ-3 – 0,17%.

11.ЦХХ (цех хвостового хозяйства – 0,1 % (рис. 5).

Рис. 5. Распределение выбросов по структурным подразделениям

Ревизию чистоты воздушной среды рассматриваемого объекта фиксирует Управление экологического контроля и охраны окружающей среды пятикратно [3-6]:

1.Микроклимат зоны работников комбината по показателю чистоты воздушной

среды.

2.Выбрасывание из сформированных и контролируемых агрегатов объекта.

3.Зоны промышленного ринка комбината.

4.Пограничная линия СЗЗ.

5.Наружный воздух города Губкин.

Выбрасывание изсформированных и контролируемых агрегатов объекта фиксируется, сообразно планируемому режиму проверок и регламенту работ, ратифицированному главным инженером комбината и согласованным с контролирующими органами. Проводилась оценка действенности функционирования устройств по очистке воздуха от вредных примесей и газов. В 2016 годуосуществлено тестирование и освидетельствование 120 устройств по очистке воздуха от вредных примесей и газов на объекте. Средняя степень очистки по выбросам пыли составила 94,9 % (рис. 6).

Атмосфера промышленной площадки и СЗЗ объекта, наружная воздушная зона карьера фиксировались в двух позициях - типичной обстановке и взрывании зарядов при горных разработках при добыче руды спецоборудованием - передвижным экологическим постом (ПЭП 1-1). Установка фиксирует:

1.Кумуляцию – накопление и количественное содержание CO, CO2, NO, NO2, SO2, H2S, NH3, O3, пыли в воздушной зоне.

2.Наличие радиационной составляющей.

3.Климатические параметры, влияющие на распространение газопылевых структур

[10-14].

372

Рис. 6. Эффективность работы аспирационно-технических установок

Устройства по очистке воздуха от вредных примесей и газов сертифицированы и имеют свидетельства метрологической экспертизы, допускающих их употребление в Российской Федерации [3-14].

Технологические процедуры по сокращению количества пылегазовых структур заключаются в следующем: неприбранную породу подрывают при наличии подпорной перегородки толщиной не менее 20-30 м, данный прием имеет масштабное приложение на горнообогатительных объектах, как наиболее универсальные, экономичные, не требующие сложного оборудования приемы. Желательно подчеркнуть, в отбитых от пластов кусках руды концентрируется объемная доля опасных токсичных компонентов. Для устранения данной специфики технологического процесса горнорудной отрасли рационально использовать забойки из макрокристаллических компонентов и гидрогеля, который возникает при реагировании 6-8 % раствора Na2SiO3 и 3,5-4,5 % NH4NO3 в горных выработках [10]. По отношению к взрывным работам можно перечислить следующие приемы: по возможности расположение и взрывание внизу скважины взрывчатых компонентов; рассредоточение взрывчатых компонентов внутри скважины для торможения их действия, ограничение и замена взрывчатых компонентов на основе тротила на взрывчатые смеси на базе водных эмульсий, имеющим нулевую или близкорасположенное значение емкости по кислороду. В скважинах с отрицательным водным балансом желательно приложение взрывчатых компонентов и конгломератов не устойчивых и разлагающихся в воде, засыпанных в шланги из полиэтилена, или с заблаговременной выкачкой воды из пробуренной скважины.

К эффективным промышленным общетехническим мерам профилактического характера по минимизации концентрации пыли и газов при взрывании нелишне приурочить:

1.Поливание экскаваторной техники, промышленных площадок и пластов породы, приведенных в готовность к взрыванию, смесями на основе технической воды с досыпкой поверхностно-активных веществ (ПАВ), например, спиртосульфидной барды.

2.Поливание области оседания частиц пылевых компонентов из выброшенного потока компонентов при взрывании.

3.Поливание для минимизации количества пылевых компонентов, сформированных при буровых операциях, для исчезновения их диффузии в воздушных потоках и неосуществимость выхода за рубежи карьерных разработок.

4.Генерирование преград из диспергированной воды, сформированной с помощью гидровентиляторов или гидрооборудования с подачей воды в прерывистом режиме разной частоты.

5.Поливание массива породы с затратами воды литражом 50 г/м3 спустя 1-2 часа следом за взрыванием зарядов.

6.Дренажирование скважин содержащих водные растворы, образующиеся при буровых операциях с приложением грунтовых низовых пристрелочных зарядов.

Итак, для результативной дезактивации пылегазовой завесы ~ на 70-80 %, которая

возникает при взрывании 500 т ВВ, обязательно надо в течение 40-60 сек направить в нее 230-250 м3 воды (при потреблении ~ 4 м3/с), причем в пульверизируемом виде. Данная задача является трудно выполнимой, как в техническом плане, даже при применении современного производительного оросительного оборудования, так и при соблюдении экологических норм

итребований безопасности данного технологического процесса.

373

На сегодняшний день большая часть разработок направлена по минимизации негативного влияния пыли и ее подавлению в отечественной и зарубежной сфере свидетельствует о том, что наилучшие результаты наблюдаются в технологических процессах, связанных с использованием водных растворов поверхностно активных веществ (ПАВ). Вследствие пленочного поглощения микрочастиц ПАВ на грани разъединения двух фаз «жидкость - твердая частица» происходит снижение поверхностного натяжения, что, в свою очередь, приведет к уменьшению краевого угла смачивания, а, следовательно, улучшению и ускорению процесса смачивания дисперсных материалов. При этом за счет увеличения сил адгезии повышается слипаемость частиц [7, 8]. Необходимо отметить, что концентрация ПАВ в адсорбционном слое на несколько порядков выше, чем в растворе. Поэтому даже незначительное содержание ПАВ в растворе приводит к понижению поверхностного натяжения. Безусловно, повышение концентрации ПАВ в растворе приводит к дальнейшему снижению поверхностного натяжения и улучшению смачивания. Однако это происходит до некоторого определенного значения концентрации, после чего снижения поверхностного натяжения не наблюдается. В работе осуществлялось измерение силы поверхностного натяжения на Тензиометре ТD1/LAUDA [4-6, 10]. В настоящее время существует огромное разнообразие поверхностно-активных веществ.

Для исследований в работе было выбрано анионактивное ПАВ на основе триэтаноламиновых солей (ТЭАС). Употреблены растворы ПАВ, замешанных на дистиллированной и водопроводной воде анализируемого производственного объекта г. Губкин с последующей фиксацией показателя. Указанные характеристики определялись как на чистой воде, так и на растворах ПАВ. Концентрации ПАВ в растворе (по массе) составляли от 0,1 до 5 %. Измерение количественных характеристик показано в таблице и на рис. 7.

Анализ иллюстрационного материала показывает, с помощью добавления даже незначительного количества поверхностно - активного вещества (0,5-2 % масс.) позволяет уба в- ление поверхностного натяжения с 72 до 30 мДж/м2, что благоприятствует корректуре увлажнения пыли.

Таблица Зависимость величины поверхностного натяжения (мДж/м2) от концентрации ПАВ

в растворах (%)

*1 – дистиллированная; 2 – водопроводная.

Водный раствор триэтаноламиновых солей алкилсульфатов (ТЭАС), замешанный на дистиллированной воде, редуцирует значение поверхностного натяжения в 2 раза при фиксировании ~ 3,5 % масс, а в водопроводной – при концентрации ~2 %. Из приведенных на рис. 7 результатов исследования дальнейшее увеличение концентрации этих растворов ПАВ не приводит к значительному уменьшению поверхностного натяжения. Описанное явление означает: при указанных концентрациях ТЭАС происходит практически полное насыщение адсорбционных слоев молекул этим ПАВ на границе раздела «жидкость-газ» [10].

Обработка сыпучих материалов растворами ПАВ может осуществляться как орошением источника пылеобразования, или сыпучих материалов, так и обработкой воздушнопенным потоком, генерированным специальным оборудованием. Данная тактика наиболее рентабельна и производительна.

374

Рис. 7. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворах: 1 – дистиллированная; 2 – водопроводная

Выводы.

1.Было установлено, что оптимальная концентрация ПАВ для улучшения процесса смачивания составляет приблизительно 3 % (по массе). При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в дистиллированной, водопроводной воде уменьшения краевого угла смачивания не наблюдается.

2.В результате ряда экспериментальных физико-химических исследований растворов ПАВ, а именно определения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, была найдена оптимальная концентрация ПАВ для улучшения процессов смачивания, которая составила 2-3 % по массе.

3.Улучшения смачиваемости и слипаемости способствуют редуцированию зародышеобразования пылевых частиц, а это означает, приложение воздушнопенных растворов с ПАВ рационально для экранирования пылевых микрочастиц и улучшения экологического состояния крупных промышленных объектов.

Литература

1.Предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ГН 2.1.6.1338-03.

2.Предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы. ГН 2.2.5. 1313-03.

3.Звягинцева А.В., Болдырева О.Н., Усов Ю.И. Построение моделей управления экологическими параметрами технологических процессов / Инженер, технолог, рабочий. Москва, 2004. №12(48). С. 31-33.

4.Болдырева О.Н., Звягинцева А.В. Регулирование технологического риска посредством оптимизации программы технического обслуживания оборудования /Вестник ВГТУ. Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. Т. 5. №12. C. 76-78.

5. Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Автоматизированная информационная система контроля параметров безопасности тепловых энергоустановок/Информация и безопасность. 2009. Т. 12. № 4. С. 585-592.

6. Целенаправленное управление экологической безопасностью производств Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Усов Ю.И. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2004. № 10-1. С. 67-70.

7. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физикохимическая механика / П.А. Ребиндер. Избранные труды. Москва: Наука, 1979. 384 с.

375

8.Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в твердых телах в процессах их деформации и разрушения / П.А. Ребиндер, Е.Д. Щукин //Успехи физических наук, 1972. Т. 108. Вып. 1. С. 3–42.

9.Методические указания к лабораторному практикуму по коллоидной химии / сост. С.С. Дрябина, Ю.В. Шулевич. Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2016. 24 с.

10.Долженкова В.В., Звягинцева А.В., Усков В.М. Антропогенное воздействие на водохозяйственные объекты /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 11. С. 24-27.

11. Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Анализ статистики столкновений воздушных судов с птицами за 2002-2012 годы и современные средства обеспечения орнитологической безопасности полётов /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 65-77.

12. Аржаных Ю.П., Долженкова В.В., Звягинцева А.В. Прогнозирование гидрологической обстановки в период половодья на водных объектах Воронежской области с примене-

нием географических информационных систем /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 89-98.

13.Солодов Е.А., Звягинцева А.В. Анализ рисков дорожно-транспортных происшествий на примере опасных участков дороги города Воронежа /Гелиогеофизические исследования. 2014. № 8. С. 72-75.

14.Звягинцева А.В., Яковлев Д.В. Перспективы пространственного анализа в географических информационных системах для прогнозирования риска лесных пожаров на территории Воронежской области / Гелиогеофизические исследования. 2014. № 9. С. 78-88.

1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия 2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет

имени Г.Ф. Морозова», Воронеж, Россия 3ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил

«Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», Воронеж, Россия

A.V. Zvyagintseva1, A.S. Samofalova1,2, N.A. Parfenov3, V.I. Lokhmachev3

IMPLEMENTATION OF MEASURES TO IMPROVE THE ENVIRONMENTAL SITUATION AT THE MINING AND PROCESSING PLANT WITH THE USE OF NUMERICAL MODELING OF THE ORE PROCESSING FACILITY

The problems of the ecological situation in the Central Chernozem region at the objects of the techno sphere of strategic importance are considered. Effective industrial general technical measures of a preventive nature, focused on reducing the emission of dust particles during the serial blasting of iron-containing rocks at a specific object, are recommended. The application of the dust wetting control method is shown. It is based on the use of solutions of surfactants (surfactants). An anionic surfactant based on triethanolamine salts is recommended.

Keywords: sanitary protection zone, emissions, pollutants, dust suppression, surfactants, surface tension value.

1Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical

University», Voronezh, Russia

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russia 3Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin», Voronezh, Russia

376

УДК 543.442.3,544.169

А.Ю. Колобов1,2, Г.А. Сычева2

ЯЧЕЙКА КРИСТОБАЛИТА И ПРОТИВОРЕЧИЯ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА СТЕКЛО-КРИСТОБАЛИТ В КВАРЦЕВОМ СТЕКЛЕ, ПОЛУЧЕННОМ НА ПЛАЗМАТРОНАХ ОАО «ДИНУР» ИЗ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ «РАМЕНСКОЕ»

Рассчитаны параметры элементарной ячейки кристобалита, синтезированного путём обжига кварцевого стекла, предварительно полученного из кварцевого песка Раменского месторождения. Путём изменения параметров синтеза (скорость нагрева, количество изотермических обжигов, их продолжительность) установлены закономерности смещения дифракционных пиков. Указано на противоречия в теории и практики фазового перехода кварцевое стеклокристобалит.

Ключевые слова: кристаллическое вещество, кварцевое стекло, кварцевый песок, кристобалит, кристаллическая ячейка, межплоскостное расстояние.

Кремнезём известен в виде двух аморфных (кварцевое стекло и гель SiO2) и семи кристаллических модификаций (α-, β-кварц, α-, β-, γ-тридимит, α-, β-кристобалит). По положению линий на рис. 1 видна относительная устойчивость модификаций. Известно, что стабильность, прочность синтезируемого материала снижается с ростом индивидуального давления компонентов. Если в определённом промежутке температур в наличии некоторое число модифицированных состояний материала, то высокостабильным, наиболее стойким обозначается именно то, среди всех у какового имеет место наименьшее значение парциального давления. Остальные состояния материла метаустойчивые, нестабильные за счет максимальной упругостью пара, согласно [1]. Свойства основных фаз кремнезёма представлены в табл. 1.

Рис. 1. Диаграмма Феннера

Индивидуальный изолированный ингредиент кристаллической конструкции описывается характеристической решеткой, фиксированным химическим соотношением, конкретной дислокацией атомов по элементарной ячейке решетки. В основном показатели ячейки диагностируются посредством фиксирования межплоскостных промежутков серии линий с регламентированными индексами отражения hkl.

Кристобалит имеет две модификации (табл. 1): высокотемпературную – α- кристобалит и низкотемпературную – β-кристобалит. α-Кристобалит неизменен в диапазоне

377

1470-1728 0С, а ввиду достижения 1728 0С имеет место процесс перехода из кристаллической модификации в жидкую фазу. Нестабильность фазы α-кристобалита отслеживается в температурном диапазоне от 1470 0С до 267 0С, при ее достижении он превращается в β- кристобалит. Фаза β-кристобалита термодинамически нестабильная и нестойкая, но вероятно функционирование длительное время при стандартных условиях, как γ-тридимиту. β- кристобалит в диапазоне 180-270 0С трансформируется в α-кристобалит. Трансформация α↔β- кристобалит влечет за собой корректировку объёма на 2,8 %, согласно [2].

Таблица 1

Атрибуты базовых фаз кремнезёма. Обозначения: ρ – истинная компактность; ∆t – температурный диапазон, квалифицирующий зону прочности материала

При взаимотрансформации фаз: α→β при 268 0С, а β→α при 238 0С имеет место температурный сдвиг (гистерезис), который характеризуется мартенситоподобием. Кристобалит меняющий ориентацию в β-форму во время достижения 220 0С относится к числу неупорядоченных фаз, α-кристаболит меняющий ориентацию в β-форму во время достижения 280 0С - к кристаллической фазе [1].

Степень нагретости материала до трансформации модификаций друг в друга, детерминируется совершенством кристаллической структуры, каковая в свой черед детерминируется архивной выборкой по имеющему место тепловому преобразованию рассматриваемого материала и соответственно накапливающихся в нем сторонних лигатур. Кристобалит, имеющий в своем составе меньший показатель сторонних присадок, и по сравнению с другими модификациями кремнезёма более высокую температуру генерации, является носителем наиболее идеальной кристаллической структуры.

Индивидуальная кристаллическая структура обрисовывается 6-тью скалярными пре-

дикторами: 3 линейные - a, b, c и 3 угловые – α, β, γ. В обусловленности и связанности с корреляцией линейных и угловых предикторов кристаллы допускается дифференцировать на 7 сингоний, принадлежащих к 3 разрядам инвариантности: низшей, средний и высшей. Возможные комбинации параметров представлены в табл. 2.

378

Расчёт кристаллической ячейки кристобалита представляет собой простейшую задачу

рентгеноструктурного анализа, поскольку тетрагональная сингония (a=b≠c; α = β = γ = 90°) обладает средней категорией симметричности (характеризуется наличием одной оси симметрии выше второго порядка). Отсюда вытекает взаимосвязь межплоскостных расстояний d с параметрами а и c элементарной ячейки, представленных через кристаллографические индексы (hkl) и выражается квадратичным уравнением:

d12 = h2 + k 2a+2 (la / c)2 .

Межплоскостные расстояния определяют экспериментально, а отнесение индексов (hkl) к конкретным дифракционным пикам изучаемой кристаллической структуры возможно посредством соизмерения опытной рентгенограммы с литературными данными (теоретическая рентгенограмма или данные по межплоскостным расстояниям из базы данных дифрактометра). Для расчёта параметров ячейки выбирали наиболее чёткие рефлексы кристобалита.

Основным сырьём для плавки кварцевого стекла на ОАО «ДИНУР» служитSiO2 выработки Раменского ГОК. Плавка песка производится в плазмотронах конструкции КазНИИ энергетики. Режимы функционирования реактора: ток дуги ~1300 А; напряжение -300-400 В. Вольтамперные функциональности технологической процедуры плавления, обуславливаются природой реактора и добротностью сырья – песка (сторонняя лигатура, прежде всего: Al2O3, Fe2O3). Формируемая заготовка вследствие плавления отображается продолговатым цилиндром (или стержень), размерами: ℓ ~ несколько метров; d ~ 0,5 м; m >600 кг. Изделие, формируемое в ходе процесса плавления SiO2 с высоким концентрированием в нем сторонних лигатур (примесей) имеет отличительную особенность снижение склонности и надежности к кристобалитизации.

Поверхностный слой («шуба») заготовки имеет в своем составе не подвергнутый плавке сегмент, во внутренностях какового присутствует завершенное изделие плавления - SiO2 (кварцевое стекло) [3-7].

Случайная выборка по химическому и фазовому составу исходного сырья и продукта плавки приведена в табл. 3-4.

379

В ЦЗЛ ОАО «ДИНУР» проведены комплексные исследования (химанализ, РФА, дилатометрия, ДТА и прочие) свойств кварцевого стекла и изделий из него. Установлено постоянство по химическому и рентгенофазовому составу слитка от центра к периферии (табл. 4).

Для природного сырья - кварцевый песокзалежей «Раменское»характерна следующая структура – это Si-O тетраэдры, скоординированные и соединенные вершинами при содействии мостиковых анионов O2-. Внешний валентный угол Si–О–Si варьируется от 128 до 180°, а внутренний O–Si–O - от 98 до 122° [8]. Имеет место следующее расположение: катион Si4+

– в объеме тетраэдра, а анионы O2- в его вершинах и химсвязь между ними – ковалентная полярная. Катион Si4+ сдвигается к одному из рёбер тетраэдра (вследствие созидания 2-х двойных связей между кремнием и кислородом). В результате генерируется исконный дипольный момент: пространность местонахождения тетраэдров переориентируются по ходу электрических осей кристалла. Генерация пьезоэлектрического эффекта детерминирует механическое возбуждение и колебание.

При температуре 573 °С имеет место трансформация β-кварца в высокотемпературный α-кварц с гексагональной решеткой – фазовая модификация I рода. Данная метаморфоза, протекающая кратковременно, обуславливает преобразование: сохраняются σ-связи и разрушаются 2 π-связи с dx2 и dx2-y2 АО. Катион Si 4+ дислоцируется в середину тетраэдра, вследствие данного изменения – наблюдается ликвидация дипольного момента и пьезоэффекта. Сообразно трансформации от одной к другой фазе преобразовываются внешние и внутренние углы тетраэдра, а ориентация тетраэдров в пространстве по ходу электрических осей кристалла резервируется.

Прочие осуществимые структурные трансформации - фазовая модификация II рода. При температуре 870–940 °C совершается перевоплощение в фазовое состояние – тридимит, его отличительная особенность - возникновение 3-х фазной непрочной тригональной конфигурации, с рекордным индексом удельного объёма.

В интервале от 940 до 950 °С на зеркальной глади стекла фиксируется чрезмерная наличность макро- и микротрещин, из-за ухода H2O. III фазовая модификация - к 2-х фазной конфигурации кристобалита с кубической решеткой вершится в интервале от 950 до 1080 °С.

Данная трансформация описывается реализацией добротных, устойчивых силоксановых связей на глади стекла. Процесс сопровождается продолжающимся извлечением H2O

380

[8]. Всецело для I-ой, II-ой и III-ей фазовых модификаций резервируются структурные конфигурации - тетраэдры, сопряженные посредством их вершин с помощью мостиковых анионов O2-. Пространственная ориентация в кристаллах трансформируется вследствие преобразования внешних Si–O–Si и внутренних O–Si–O углов тетраэдров.

Генерацию жидкофазного состояния – расплавку SiO2 обуславливает 1700 °С.

В расплавленном стекле генерируется стеклокристаллическая матрица с макроструктурой из глобул стекла и Si–O тетраэдров, дислоцирующихся в объеме глобул.

Далее глобулы разрастаются по линейному и кольцевому сценарию, с построением концевых (Si–О)к и мостиковых (Si–О)м, (Si–О–Si) связей и реализацией функциональных анионов: мономера SiО4 и димера Si2О7. Реализующиеся процедуры обрисованы функциональными превращениями [8].

Основополагающее превращение – полимеризация мономера SiО4, диагностирует созидание тетраэдрических линейных агрегаций из структурных цепочек (линейная полимеризация):

SiO4 + SiO4 = Si2O7 + О; Si2O7 + SiO4 = Si3O10 + О и далее до обрыва цепи.

Кольцевой сценарий реализуется при трансформации концевых в мостиковые связи, с построением в расплаве плоских и объёмных структур:

–(Si–О) + (Si–О) = (Si–О–Si) + О.

Обобщение процедуры полимеризации представляется последовательной генерацией силоксановых связей в интервале от 950 до 1080 °С.

Формирование силоксановых связей предопределяет стабилизацию, и укрепление внешнего слоя образцов из кварцевого стекла.

Следовательно, основание возможных фазовых трансформаций - это тетраэдр SiO4 с высокопрочными ковалентными донорно-акцепторными связями, не распадающихся, и в расплавах. Максимальной неизменности и устойчивости материала добиваются, при насколько возможно, наименьших параметрах глобул. Достижение желаемого эффекта реализуется термообработкой в интервале 950–1080 °С, с последующим предельно быстрым остыванием [8].

Синтез кристобалита проводили из кварцевого стекла с разными скоростями нагрева (2,5-5,0-10,0 градусов в минуту до 1400 0С многократно до 10 циклов «нагрев-охлаждение», рисунок 2) и с изотермическими выдержками в течении 1-2-5 часов при 1200-1300-1400 °С на высокотемпературном дилатометре DIL-402. Для количественного определения кристобалита использовали рентгенофазовый анализ, основанный на изменении интенсивности дифракционного отражения в зависимости от содержания кристобалита. В общем случае задача количественного определения кристобалита в полученном кварцевом стекле является простейшей задачей рентгенофазового анализа. Основное уравнение для этого случая таково:

C = (Ic/IO)×100 %,

где C - концентрация кристобалита в материале; Ic, IO - интенсивности выбранного кристобалитового отражения в исследуемом образце и в чистом кристобалите соответственно.

Для получения образца чистого кристобалита кварцевое стекло обжигают при температуре 1600 °С с выдержкой не менее 4 часов. Для количественной оценки содержания кристобалита в кварцевом стекле в качестве аналитического рефлекса был выбран наиболее интенсивный кристобалитовый рефлекс 101 (d = 4,04×10-10 м) [9].

Методом РФА (ДРОН-7, Дифрей-401) установлено, что с увеличением скорости нагрева в ряду 2,5-5,0-10,0 градусов в минуту наблюдается незначительное смещение максимумов дифракционных пиков в область больших углов (например, для рефлекса 101 – 4,01-

381

4,02-4,03×10-10 м). Решая квадратичное уравнение, находим значения параметров ячейки в зависимости от скоростей нагрева (2,5-5,0-10,0 градусов в минуту): а 4,96-4,98-5,00×10-10 м, параметр с, соответственно, 6,813-6,811-6,808×10-10 м. При обжиге образца кварцевого стекла в туннельной печи параметр а составил 5,02×10-10 м, с6,95×10-10 м. Максимальная температура обжига в туннельной печи до 1390 °С, время прохождения всех зон (разогрева, обжига и охлаждения) составляет 10-14 суток в зависимости от конкретных настроек и прогоночных режимов.

Рис. 2. РФА образцов кварцевого стекла после 10 циклов разогрев-охлаждение (разогрев до 1400 0С со скоростью 5 градусов в минуту и охлаждение со скоростью 10 градусов в минуту)

Таблица 5 Температура и изменение объёма фазового перехода стекло - α –кристобалит

382

Рис. 3. РФА после изотермической выдержки кварцевого стекла при 1300 0С в течение 1; 2; 5 часов

От «тепловой истории» кварцевого стекла зависит не только размер элементарной ячейки синтезированного кристобалита, а также изменение объёма при модификационном переходе стекло-α-кристобалит (мы наблюдаем яркий пример противоречия теории и практики).

Выводы.

1.Кварцевое стекло, синтезированное из природных полезных ископаемых - кварцевого песка месторождения Раменское, имеет отличительной особенностью – снижение склонности и надежности к кристаллизации [3-7].

2.Зафиксированы базовые кристаллические фазы в кварцевом стекле - кварц и кристобалит. Установлено, что параметры кристаллической решётки (как следствие, объём ячейки) кристобалита зависит от условий синтеза («тепловой истории»), наличия остаточной аморфной фазы.

Литература

1.Кащеев И.Д. Химическая технология огнеупоров / И.Д. Кащеев, К.К. Стрелов, П.С. Мамыкин. М.: «Интермет Инжиниринг». 2007. 747 с.

2.Кайнарский И.С. Динас / И.С. Кайнарский. М.: Металлургия. 1961. 469 с.

3.Kolobov A.Y. Features of crystallization and characteristics of quartz glass obtained on OAO Dinur plasma torches from the quartz sand of the Ramenskii deposit / A.Y. Kolobov, G.A. Sycheva // Glass Physics and Chemistry. 2020. Vol. 46. №3. P. 249-255.

4.Колобов А.Ю. Особенности кристаллизации и свойств кварцевого стекла, полученного на плазмотронах ОАО «Динур» из кварцевого песка раменского месторождения / А.Ю. Колобов, Г.А. Сычева // Физика и химия стекла. 2020. Т. 46. № 3. С. 281-290.

5.Kolobov A.Y. Quartz glass obtained from Ramenskii sand on Dinur plasma torches: features of crystallization on polished surface / A.Y. Kolobov, G.A. Sycheva // Physics of the Solid State. 2019. V. 61. №12. P. 2359-2362.

383

6.Колобов А.Ю. Кварцевое стекло, полученное на плазмотронах ОАО «Динур» из Раменского песка: особенности кристаллизации на полированной поверхности / А.Ю. Колобов, Г.А. Сычева // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 12. P. 2355-2358.

7.Колобов А.Ю. Кварцевое стекло, полученное на плазмотронах ОАО «ДИНУР» из кварцевого песка Раменского месторождения / А.Ю. Колобов, Г.А. Сычева // В книге: XVII Молодежная научная конференция, школа молодых ученых. Сборник тезисов докладов конференции. 2019. С. 65-67.

8.Брызгалов А.Н. Структурные и фазовые переходы кварцевого КВ кремнезёма / А.Н. Брызгалов, С.М. Долапчи, Д.Г. Пихуля, Д.Е. Живулин, М.С. Зубов // Современные наукоемкие технологии. Технические науки. 2016. №6. С. 19-23.

9.Kolobov A.Yu. Features of crystallization of cristobalite in quartz glass obtained on plasmatrons of JSC «DINUR» from quartz sand of the Ramenskoye deposit / A.Yu. Kolobov, G.A. Sycheva // В книге: Non-Ambient Diffraction and Nanomaterials (NADM-4). Book of Abstracts IV Conference and School for Young Scientists. Сборник тезисов. 2020. С. 98.

10.Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов / М.: Металлургия, 1988. 783 с.

11.Куколев Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов: учебник для вузов /М.: Высшая школа, 1966. 464 с.

12.Будников П.П., Балкевич В.Л., Бережной А.С. и др. Химическая технология керамики и огнеупоров. М.: Стройиздат, 1972.

13.Мороз И.И. Технология фарфорофаянсовых изделий: учебник для техникумов.

М.: Стройиздат, 1984. 334 с.

14. Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. 3-е изд., перераб. М., Металлургия, 1978. 376 с.

1ОАО «ДИНУР», Первоуральск Свердловской области, Россия 2ФГБУН «Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Российской академии наук

(ИХС РАН)», Санкт-Петербург, Россия

A.Yu. Kolobov 1,2, G.A. Sycheva 2

KRISTOBALITE CELL AND CONTRADICTIONS OF THE GLASS-KRISTOBALITE PHASE TRANSITION IN QUARTZ GLASS OBTAINED ON DINUR PLASMATRONS FROM QUARTZ SAND OF THE RAMENSKOYE DEPOSIT

The parameters of the unit cell of cristobalite synthesized by firing quartz glass previously obtained from the quartz sand of the Ramenskoye deposit are calculated. By changing the synthesis parameters (heating rate, number of isothermal annealing, their duration), the regularities of the displacement of diffraction peaks are established. Contradictions in the theory and practice of the quartz glass-cristobalite phase transition are pointed out.

Keywords: crystal substance, quartz glass, quartz sand, cristobalite, crystal cell, interplane distance.

1JSC «DINUR», Pervouralsk, Sverdlovsk region, Russia 2Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences (IHS RAS),

SaintPetersburg, Russia

384

УДК 622.411.3:[622.822.22:622.693.26]

Д.И. Момот, О.П. Пашковский

ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ ПРИ ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ ОТВАЛЬНОЙ МАССЫ

Проведены лабораторные исследования процесса выделения газообразных вредных веществ горящей отвальной массой и получены данные их количественного анализа. В диапазоне фиксированных температур исследованы концентрации наиболее распространенных вредных веществ, выделяющихся с породных отвалов в атмосферу. Определена температура максимального образования газов, оказывающих удушающее и отравляющее действие на организм человека. Установлены аналитические зависимости удельной массовой концентрации газообразных вредных веществ от температуры отвальной массы и проведен их анализ.

Ключевые слова: отвальная масса, термодеструкция, удельная массовая концентрация, самовозгорание.

Добыча полезных ископаемых сопровождается складированием на земной поверхности пустой породы, образующейся от проведения горных выработок. Лишь незначительная ее часть остается непосредственно в шахте при забутовке. Это связано со значительными финансовыми затратами на приобретение и обслуживание породозакладочных комплексов, что в итоге влияет на себестоимость добываемого угля. В породные отвалы складируется отвальная масса от проведения горных выработок и переработки угольной массы после обогащения [1-6]. Как правило, породные отвалы формируются в непосредственной близости от угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий с целью снижения материальных затрат на доставку породной массы к месту её складирования. В то же время породные отвалы находятся либо в непосредственной близости от шахтёрских городов и посёлков, которые строились вместе с угольными предприятиями, либо в городской черте, что характерно для угледобывающих регионов Донбасса.

Основное загрязнение окружающей среды породными отвалами происходит за счёт их горения, сопровождающегося выделением в наружный воздух следующих видов тлетворных газообразных компонентов: CO, SO2, H2S, NxOy. Чем выше температура поверхности очагов горения, тем больше концентрация выделяемых вредных веществ с единицы площади горения [5]. К примеру, с 1 м2 очага горения, температура поверхности которого составляет 120 ºС, в год выделяется около 1,3 т оксида углерода; 13,6 т диоксида углерода; 0,3 т сернистого ангидрида; 0,11 т сероводорода; 0,02 т оксидов азота [1, 5].

В среднем породный отвал занимает площадь 10÷12 га. Из породных отвалов, обследованных НИИГД «Респиратор» за более чем двадцатилетний период, порядка 220 относятся к категории горящих ингредиентов, и ровно комплектует ~1/3 от совокупной наличности. Количество вредных газов, выбрасываемых горящими породными отвалами в атмосферу, зависит от состояния конкретного породного отвала на данный момент [2].

Проблема горящих отвалов на данный момент является актуальной для шахтёрских городов и посёлков. В ряде случаев ведётся эксплуатация (в том числе и горящих) породных отвалов свыше заложенных проектных нормативов (объём заскладированной отвальной массы, высота отвалов, самозахват прилегающих земель) [4].

Причиной возникновения горения на породных отвалах в большинстве случаев является самовозгорание горючих веществ, содержащихся в отвальной массе в виде различных ассоциаций S (преимущественно в формате пирита), аргиллитов, углистых сланцев, выдаваемого вместе с породой угля, древесины. Горючие вещества в отвальной массе, складируемой на породных отвалах, составляют 15-30 %, при этом среднее содержание угля в потоке отвальной массы составляет минимум 5-7 % по объёму. Особенно это характерно для породных отвалов угольных шахт, формировавшихся 20 и более лет назад.

Сгорание ингредиентов хвостоотвалов в терриконах характеризуется эндогенной внутренней ориентацией и изрядной долговременностью процесса, который может реализовываться десятилетиями. Самопроизвольное загорание ингредиентов хвостоотвалов в терриконах характеризуется фокальной, очажной направленностью, а динамическое эволюциони-

385

рование реализуется ввиду дальнейшего наращивания сегментов возгорания. Базис самопроизвольного загорания горных конгломератов позиционируется на следующем кредо - самовозгорание угля и подобных ингредиентов.

При реализации в динамической координации ингредиентов хвостоотвалов в терриконах с природной средой (ПР) и самопроизвольное их загорание форсирует процесс акватолиза (выветривания) метаморфического структурного и твердофазного минерального преобразования ингредиентов коренных пластов, их деструкцию и обрушение, замена одного другим элементом (субституцию) и созидание добавочных новеньких, пришедших на смену старым кристаллам, например, лимонит, гетит, гидрогетит и другие [2, 3].

Текущая вышеозначенная процедура препровождается биологическими и химическими превращениями – окислительно-восстановительными взаимодействиями пирита, с вычленением и выбросом H2S. Реализуется прогрев наружной элементарной поверхности толщи горного пласта с концентрированием в ней S и соответсвенно генезис источников загнивания и разложения покрова. Выкристаллизовывавшиеся сегменты в объеме горного пласта с температурой ~260 ºС индуцируют самопроизвольное загорание парогазовых смесей H2S и CH4. Свершается нарастание пористости и рыхлостинаружной элементарной поверхности толщи горного пласта по причине выбрасывания газовыми струями мелкодисперсных агломераций. Далее имеет место дефлаграция - дислокация фронта горения внутрь конгломерата горного пласта сообразно отсыпки и отбавления его и соответственно диффузия в середину пласта наружного воздуха. Последующий прирост температуры обуславливает дезинтеграцию кристаллов пласта и углефицированных соединений с выбросом газов CO, CO2, N2, SO и SO2, NH3, кроме этого созидание CS2, COS и C4H4S.

Температура пород в зоне горения достигает +1200 ˚С и, как было отмечено выше, сохраняется длительное время. Глубина горения отвальной массы в основном определяется, исходя из физико-химических свойств породы, степени её уплотнения при её формировании и интенсивности отвалообразования. НИИГД «Респиратор» отмечает, что при проведении тепловых исследований в основном максимальная температура в очагах горения фиксируется на глубине от 0,5 м до 2,0 м от поверхности породного отвала. При наличии трещин и доступа кислорода к очагам горения горящий слой породы может располагаться на глубине 5,0 м и более от поверхности отвала.

Количественный анализ выбросов вредных газов породными отвалами в атмосферу ведется на основании ряда методик, однако полученные данные существенно различаются между собой [1, 6]. Концентрации определяемых газов, таких как оксид и диоксид углерода, сернистый ангидрит и оксиды азота, имеют прямую зависимость от термодеструкции отвальной массы. Только концентрация сероводорода растет до 280 ºС, затем происходит ее снижение [5].

С целью установления корреляции подчиненности удельной массовой концентрации (Cy, мг/(м3·кг)) от температуры массы отвала (t, 0C): Cy = ƒ(t) были проведены лабораторные исследования отвальной массы хвостоотвалов в терриконах угольного промысла.

Фиксирование кумуляции газофазовых ингредиентов базируется на основе подогревания образца хвостоотвалов вплоть до самой температуры деструкции, кроме этого на последующем выборе, откачке, испытании и диагностики газовой фазы. Окислительная деструкция образцов материала при воздействии температуры обуславливала генезис выброса газов - воспламеняющегося CO и невоспламеняющегося CO2. Вдобавок сверх общеизвестных и принятых газовых выбросов, оказывающих вредное воздействие, идентифицировали ингредиенты, производящие удушающий NxOy и отравляющий SO и SO2, H2S эффект на тело человеческой особи. Кумуляцию вредоносных ингредиентов диагностировали в пределах регистрируемых температур от 60 ºС до 500 ºС. Основываясь на приобретенных сведениях и показаниях концентрации газовых выбросов, вырабатывающихся при окислительной деструкции образцов материала при воздействии температуры экспериментального тестирования.

386

Валовую (массовую) кумуляцию проверяемого вредного ингредиента СМ, мг/м3, создавшуюся вследствие прописанной определенной температуры окислительной деструкции образцов пласта, оценивают по выражению:

где Cо – объемная доля вредного вещества, %; Ма – молярная масса вредного вещества, мг/моль; Р – давление в лаборатории, кПа; ТЛ – температура в лаборатории, ºС; Ро – давление при стандартных условиях, равное 101,3 кПа; То – температура при стандартных условиях, равная 20 ºС; Vм – молярный объем газа, равный 0,0224 м3/моль.

Принимая во внимание массу образцов пласта, подвергавшихся анализу, оценивают Су, мг/(м3·кг) проверяемого вредного градиента по выражению:

где m – масса образцов пласта, подвергавшихся анализу, кг.

В лаборатории реализована оценка образцов пластов разнородных по составу и содержащихся в пылающих хвостовых отвалах терриконов угольного промысла Донбасса.

Следствием этих осуществленных оценок образцов пластов явилось диагностирование фиксированных специфических корреляций Cy = ƒ(t) для выбрасываемой газовой фазы, описанных на рис. 1-5.

Рис. 1. Корреляция CyCO от температуры отвальной массы

Рис. 2. Корреляция CyCO2 от температуры отвальной массы

387

Рис. 3. Корреляция CySO2 от температуры отвальной массы

Рис. 4. Корреляция CyH2S от температуры отвальной массы

Рис. 5. Корреляция CyNOx (x – содержание кислорода) от температуры отвальной массы

Разбор корреляций Cy = ƒ(t) свидетельствует, при достижении температуры ≥ 230 ºС насыщенность выброса CO и CO2 из отвальной массы значительно прогрессирует (рис. 1 и 2). Интенсификация и максимальный выброс CySO2 отслеживается при температуре 400 ºС в соответствии с рис. 3, на следующем этапе градационное последовательное уменьшение.

При температуре 330 ºС фиксируется пик CyH2S, в соответствии с рис. 4, на следующем этапе отмечен ее стремительный регресс. При повышении температуры до 450 ºС фиксируется рост CyNOx, в соответствии с рис. 5 , при дальнейшем повышении температуры, графический ход зависимости выходит практически на плато и соответственно нарастание CyNOx несущественно. Подобает подчеркнуть, вследствие реализации температуры 230-

388

250 ºС примечается стремительное прогрессирование Cy для обозначенных проверяемых вредных ингредиентов, что согласовывается с зарождением фазы дезинтеграции пластов хвостовых отвалов.

Выводы.

1. Констатированные пики Cy SО2, Н2S и NОх обосновывают корректность избранного интервала температур для реализации количественной оценки образцов пластов разнородных по составу и содержащихся в пылающих хвостовых отвалах терриконов угольного промысла Донбасса.

2. Следствием этих осуществленных оценок образцов пластов явилось диагностирование фиксированных специфических корреляций Cy = ƒ(t) для выбрасываемой газовой фазы с отобранных проб самонагревающейся породы.

Литература

1.Временное методическое руководство по выявлению источников загрязнения атмосферы, производству замеров выбросов вредных веществ на предприятиях угольной промышленности / НИИОС уголь, 1979.

2.Васильева И.В. Минеральные ресурсы Украины / И.В. Васильева. 2015. № 3. С. 39-45.

3.Корчагина Т.В. Проблемы оценки вредного воздействия на природную среду угледобывающими предприятиями / Т.В. Корчагина // Проблемы теории, истории и практики в современных научных исследованиях. Экономика, государство и право, педагогика и психология. Материалы научно-практической конференции вузов Кузбасса. Кемерово: ООО

«ИНТ», 2005. T.1. 214 с.

4.Болдырева О.Н., Звягинцева А.В., Усов Ю.И. Целенаправленное управление экологической безопасностью производств /Вестник Воронежского государственного технического университета. 2004. № 10-1. С. 67-70.

5.Звягинцева А.В., Самофалова А.С., Кульнева В.В. Информационно-аналитический расчет и построение карт рассеивания загрязняющих веществ при стоянках железнодорожных цистерн с нефтепродуктами /Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 2. С.

22-32.

6.СОУ-П 10.0-00174102:2008 Выбросы вредных веществ с породных отвалов. Методика расчета.

Государственный научно-исследовательский институт горноспасательного дела, пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор» Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, Донецк, Донецкая Народная Республика

D.I. Momot, O.P. Pashkovskiy

ESTIMATION OF INTENSITY OF GAS EMISSION BY THERMAL DESTRUCTION OF THE DUMP MASS

The laboratory investigations of the process of emission of gaseous harmful substances with the burning dump mass were carried out, and the data of their quantitative analysis were obtained. The concentrations of the most widespread harmful substances emitting from the waste dumps into the atmosphere were investigated in the range of the temperatures fixed. The temperature of the maximum generation of gases exerting the asphyxiating and poisoning influence on the human organism was determined. The analytical dependences of the specific mass concentration of the gaseous harmful substances on the temperature of the dump mass were ascertained, and their analysis was carried out.

Keywords: dump mass, thermal destruction, specific mass concentration, spontaneous combustion.

The «RESPIRATOR» State Scientific Research Institute of Mine-rescue Work, Fire Safety and Civil Protection of the Ministry of the Donetsk People’s Republic for Civil Defense Affairs, Emergencies, and Liquidation of Consequences of Natural Disasters, Donetsk, Donetsk People's Republic

389

УДК 582.26/27:582.277:582.268

R.M. Nkurunziza

SEASONAL VARIATIONS IN WATER QUALITY AND TAXONOMIC CHANGES IN MICROALGAE COMMUNITIES DURING THE ALGOLIZATION PROCESS OF BALASHIKHA PONDS WITH CHLORELLA KESSLERI

The assessment of seasonal changes of the ecological quality of water bodies in the process of algolization, was the main goal of this study. In that process, the suspension of microalgae of the strain Chlorella kessleri was used for treatment of surface waters. The saprobity index was calculated by the Pantle & Buck method in the modification of V. Sladecek. The ecological state was evaluated using a graphical method. The results indicate a clear improvement in the ecological state of the ten Balashikha ponds in the Moscow suburbs studied during the growing season, with the quality of class IIb and IIIa «completely clean» and «sufficiently clean» respectively. According to the degree of crisis, the considered aquatic ecosystems belong to the stage of reversible changes.

Keywords: algolization, saprobity index, surface waters, Chlorella Kessleri.

Introduction

Industrialization and anthropogenic activities have led to an increase in the pollution of ecosystems by various pollutants. The alarming increase in water pollution by various organic and inorganic substances and other toxic substances poses a real danger to aquatic life and creates serious problems for humanity. The most common are chemical pollutants. We can mention the high concentrations of elements such as nitrogen and phosphorus, pesticides, detergents, heavy metals, etc. We also encounter biological pollutants, such as organic substances, toxins produced by cyanobacteria [1-5]. Wastewater treatment is a very important process for human life. However, wastewater treatment is carried out not only to protect public health and prevent infectious diseases, but also to protect the environment. Currently, treatment technologies and treatment facilities are constantly being developed to remove as many harmful substances as possible at the ecosystem level. Water quality analysis is central to many areas of environmental or health risk assessment. These problems are caused by increasing analytical needs and standards, especially with regard to industrial and urban emissions into the water environment [2].

Microalgae due to their ability to take toxic heavy metals such as zinc and cadmium from polluted waters contained in the environment, and their inhibitory role in the proliferation of cyanobacteria, they are used for wastewater treatment. Indeed, algae are the most widely used for removing contaminants. One of the most important properties of Chlorella is its detoxifying power. It is scientifically proven that its cell wall has a remarkable ability to bind to toxins and remove them from the body. In addition, Chlorella cleanses the body of heavy metals and radioactive elements. Due to this property, it was used in Japan after World War II to recover radioactive contamination [5]. The ultimate goal of this study is to show the importance of algae in the field of algolization water.

In that article, a strain of microalgae Chlorella Kessleri was used to restore the surface waters of ten Balashikha ponds in the Moscow suburbs. The main goal is to provide a solution that meets one of the main objectives: protecting the environment by cleaning. This article examines the impact of the Chlorella kessleri culture on pond water quality in the 2020 growing season.

Materials and methods

With the help of a boat, the work consisted in pouring an algolizing suspension containing the strain Chlorella kessleri into the surface waters of ten ponds of Balashikha, located in the suburbs of Moscow, with the aim of rehabilitating them. For each of the ten ponds, a sample was taken three times during the 2020 growing season, in May, July and September, respectively. Sampling was carried out in the surface water layer at a depth of 30 to 50 cm. The samples were collected each time after the algolization process. The taxonomic study of the microalgae community was carried out using a light microscope of the brands mikmed-6 of the company LOMO and «PZO» with magnification up to 1200 times [4]. To assess the degree of water pollution in ponds, the bioindication method was used, based on the use of the saprobity index S determined by the Pantle &

390

Buck method in the modification of V. Sladecek. The method allows determining the ecological and biological state of each pond. Thus, the class and quality of the water of each pond are evaluated according to its degree of pollution [1]. Saprobity index is given by the formula: calculated by the formula:

where S is the indicator significance of each species, h is the value which is determined by a sixpoint scale of occurrence values of each species. Using the Excel (2010) calculation software, the figures (graphics) that show the changes in ecological and biological quality as well as the state of the processes of self-purification of the waters of the Balashikha ponds during the growing season of 2020 were constructed, analyzed and commented

Results and discussion

The results of the study conducted during the growing season of 2020 are presented in Table 1 of ten ponds that are: Nameless, Silver, Yellow, Golden, Kuchinsky, Vasilievsky, AniskinoLake, Zarya, Savvinsky, and Ceramic.

Average values of abundance of taxa, biomass, and class and water quality in ponds Balashikha for the months of May, July and September 2020.

391

Average abundance and biomass.

The average values of the number of taxa are expressed in millions of cells per liter (table). It varies between 0.91-1.30 million cells/l during the growing season in 2020. Diatoms, green algae and cyanobacteria predominate in the total phytoplankton composition. They significantly exceed euglenic, golden and pyrophytic algae in taxonomic diversity. Euglenic algae are found almost everywhere. There are up to 3-4 genera and 5-7 species. Less common are golden, yellow and pyrophytic algae. They are usually represented by 1-2 genera and 1-2 species (rarely 3). The order of dominance of taxa differs from pond to pond depending on the characteristics of each pond.

At the beginning of the growing season in May, the average abundance of taxa is usually dominated by cyanobacteria (figure 1a) observed mainly in the ponds Zarya 85 %, Golden 83.2 %, Yellow 47 %, Kuchinsky 42.8 % and Vasilievsky 40 % of the total abundance.

The abundance of diatoms reaches 75 % in the pond Savvinsky and more than 32 % in the Nameless, Silver, Yellow and Vasilievsky ponds. Green algae reach 36 % in some ponds, the rest, such as euglenic algae, golden algae and pyrophytic algae, does not reach 5 % of the total average.

Fig. 1a. Variation of abundance of dominant taxa in May

In the middle of the growing season in July, the order of dominance changes (figure 1b). The average abundance of cyanobacteria decreases significantly, but remains dominant in some ponds, such as Yellow 51 %, Nameless 34 %, Silver 39 % and Kuchinsky 34 %. Diatoms dominate the rest, from 35 to 85 %, with the exception of Silver pond, which is dominated by green algae up to 50 % of the total average abundance. It is in July that we notice a strong multiplication of diatoms. This shows that in this period, biotic and abiotic conditions are favorable to them.

There is a high average abundance of diatoms especially in Lake Aniskino compared to the rest of the ponds.

At the end of the growing season in September (figure 1c), the average content of diatoms decreases sharply to 6-66 % in favor of the dominance of cyanobacteria, which vary in the range of 18-81 %, the content of green algae decreases for most composing less than 20 % of the total composition of micro phytoplankton. Cyanobacteria colonize ponds especially in this late period of the end of growing season when lots of diatoms and green algae die and become the food of cyanobacteria. Their change is explained by a drop in water temperature at the end of the season and the food that becomes more and more abundant making the conditions of multiplication and growth favorable to cyanobacteria.

392

Fig. 1b. Variation of abundance of dominant taxa in July

Fig. 1c. Variation of abundance of dominant taxa in September

Throughout the 2020 growing season, based on estimates of average abundance, there is a clear dominance of taxa such as: Cyclotella comensis Hust., Cyclotella meneghiniana Kütz., Stephanodiscus hantzschii f. tenius Grun., Stephanodiscus rotula (Ehr.) Hendey., Fragilaria capucina Desm., Fragilaria construens (Ehr.) Grun, Synedra acus var. angutissima Grun., Melosira variants Ag., Aulacoseira italica (Ehr.) Sim, Meridian circulare (Ag.) Grev., Synedra ulna (Nitzsch.)

Her., Diatoma vulgare Bory, Rhopalodia gibba (Her.) O. Müll. Most of them are located in the β- mesosaprobic zone. It is in May that the taxonomic and ecological composition of ponds is almost

ubiquitous, with estimates of the abundance of cyanobacteria belonging to the ρ-polysarobic zone, typical of polluted and dirty waters. There are species, «often», «very often», for example: Oscillatoria lauterborni Schmidle, «very often», - Aulacoseira italica var, tenuissima (Grun.) Sim, «very often», Oscillatoria granulate Kütz., Oscillatoria putrida Ag., «very often», Oscillatoria princeps Voucher, «often». We also notice that some taxa of cyanobacteria are found in some ponds during September with abundance estimates reaching «often», for example: Ostillatoria putrida Ag, «rarely», Ostillatoria putrida Schmidle«often», Ostillatoria granulate Kütz «often». It is necessary to closely monitor the evolution of this species. The reason is that it is among the species of microalgae responsible for the production of deadly neurotoxins for humans and animals [5].

393

The biomass shows values between 0.54-3.41 mg/l, some high values reaching 12-22.01 mg/l are observed in the Nameless and Golden ponds (figure 2). These values indicate intensive water self-cleaning processes. The biomass of the two ponds suggests abiotic factors (pH, temperature,) favorable for high biomass productivity.

Fig. 2. Biomass variations by Ponds

Except for the two Nameless and Golden ponds, biomass is not abundant in the rest of the ponds. Therefore, this confirms the positive results of the algolization process which is to prevent an abundant multiplication of microalgae in the ponds. It is then noticed that the chlorellakessleri strain is better in the treatment and rehabilitation of wastewater which regain their best quality.

Saprobity index, class of the water and ecological quality of ponds.

A comparison of changes in the saprobic index (S) values during the growing season in 2020 indicates that the water quality in rehabilitated ponds improved in September (figure 3).The high values of S are noticeable at the beginning of the growing season in May. The water quality class of the ponds is improving during the growing season. It is in September that all the very low values of the saprobic index are noticed in all the ponds except the Vasilievsky pond (2.11) and Zarya (2.38).

Fig. 3. Variation of saprobity index S

The saprobity range of 1.0–2.0 corresponds to the zone of ecological progress in the terminology of Abakumov (the species diversity and the community size increase) [2]. The maximal spe-

394

cies diversity in communities is attained at the saprobity level of 1.5–2.0 (beta-mesosaprobic conditions). The saprobity range of 2–3 corresponds to the ecological regress, when the species diversity decreasesfirst slowly (to 2.5) and next rapidlywhile the overall abundance still remains high. At the saprobity of >3, the community abundance also starts decreasing.

In September at the end of the growing season, in all ponds, the saprobity index S ranges from 1.70-2.38, indicate that the water quality class is III «satisfactory cleanliness» with a quality category 3a «fairly clean» for ponds Nameless, Silver, Yellow, Golden, Kuchinsky, Lake Aniskina, Ceramic and 3b «weakly polluted» for Vasilievsky pond. The water of good quality class II «clean», has a quality category 2b «completely clean» is found in the Savvinsky pond.

Fig. 4. Ecological and biological quality and the state of water self-cleaning processes in ponds in September

The graphic giving the ecological and biological quality and state of water self-cleaning processes (figure 4) confirms the results of Table 1, with the appearance of a xenosaprobic zone (oligo-xenosaprobic) testifying to a high intensity of water self-purification processes of water. Self-cleaning is the set of biological, chemical or physical processes allowing an ecosystem (aquarium, pond, river, lake, sea and ocean...) to transform itself from the most often organic substances that it produces or that are brought to it from the outside [3]. The line average saprobity is located in the oligosaprobic waters zone for Nameless, Yellow, Golden, Kuchinsky, LakeAniskino, Savvinsky, and Ceramic ponds. The presence of diatoms living in clear waters such as Fragiliria, Synedra, Gomphonema, Navicula in the oligosaprobic waters with abundance estimates (3-not rare, 5 - frequent, and 7 - very often), shows that the ecological condition of water is in a good quality at the end of the growing season. For ponds Silver, Vasilievsky, and Zarya, the line average saprobity touches the beta-mesosaprobic zone, under these conditions there is a lot of decomposing organic matter.

The presence of green algae, such as Actinastrum, Chlorella,Scenedesmus, Pediastrum, Tetraëdron, Coelastrum, Kirchneriellia, and euglena algae such as Euglena,Trachelomonas, evidence as contaminated or presumably contaminated with beta-mesosaprobic water. Increase polysaprobic zone observed in the pond Zarya, which shows «slightly polluted» water, the saprobity index has low values in September, when there is a sharp improvement in water quality in all ponds 2b «completely clean» and 3a «sufficiently clean».

Conclusion

395

The proposed modification of the saprobity index is a practical and sufficiently reliable index of saprobity conditions in rivers and ponds. The estimation of the level of anthropogenic pollution of pond waters gives reliable results using this index. Pond studies allowed us to assess the ecological status of the surface waters of ten Balashikha ponds after four years of algolization restoration measures. The process of algolization by the strain chlorella kessleri was a success and the ecological and sanitary state of the ponds improved significantly. The persistence in some ponds of cyanobacteria species capable of synthesizing neurotoxin molecules, such as Oscillatoria, and those that can cause the formation of harmful algae flowers in ponds, such as Microcystis, is a question to follow in the future. The effect of anthropogenic activities remains at an insignificant level. It is also worth mentioning that ecological changes are not always caused by the anthropogenic load on water bodies. Many cases of ecological progress or even ecological regression in the ponds under consideration are also due to the natural eutrophication of the communities.

Depending on the degree of crisis, the aquatic ecosystems under consideration belong to the stage of reversible changes.

Acknowledgements.

The author expresses his sincere gratitude to his scientific mentor, Dr. Sci. (Geogr.) Galina A. Antsiferova, who provided the data of algae samples in the Balashikha ponds, and for her assistance in working on the article.

References

1.Анциферова Г.А. Искусственные водные объекты бассейна реки Воронеж и альгобиотехнология в управлении качеством вод / Г.А. Анциферова, В.В. Кульнев, С.Л. Шевырев, Е.В. Беспалова, Н.И. Русова, А.Е. Скосарь // Экология и промышленность России. 2018. Т.

22.№ 8. С. 50–54.

2.Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоёмов / Н.И. Богданов. 3 изд,, доп, и перераб. Пенза: РИО ПГСХА. 2008. 126 с.

3.Русова Н.И. Геоэкологический мониторинг водных экосистем лесостепной провинции приволжской возвышенности / ВГУ. Диссертация. Воронеж. 2016. 151 c.

4.Barinova et al., 2010. Algal indication of pollution in the Lower Jordan River, Israel. Applied Ecology and Environmental Research 8(1): 19-38. http://www.ecology.uni-corvinus.hu.

5.Laplace-Treyture C., Peltre M.C., Lambert E., Rodriguez S., Vergon J.P., Chauvin C., 2014. Guide pratique de détermination des algues macroscopiques d’eau douce et de quelques organismes hétérotrophes. Version électronique (pdf). Les Editions d’Irstea Bordeaux, cestas. 204p.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University»,

Voronezh, Russia

Р.М. Нкурунзиза

СЕЗОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СООБЩЕСТВ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ АЛЬГОЛИЗАЦИИ БАЛАШИХИНСКИХ ПРУДОВ ХЛОРЕЛЛОЙ КЕССЛЕРИ

Оценка сезонных изменений экологического качества водных объектов в процессе альголизации явилась основной целью настоящего исследования. В этом процессе суспензию микроводорослей штамма xлорелла kесслери использовали для очистки поверхностных вод. Индекс сапробности S рассчитывали по методу Пантле-Бyкка в модификации В. Сладечека. Экологическое состояние оценивалось графическим методом. Полученные результаты свидетельствуют о заметном улучшении экологического состояния десятибалашинхских изученных прудов в течение вегетационного сезона, при этом качество IIб и IIIa классов «полностью чистое» и «достаточно чистое» соответственно. По степени кризисности рассматриваемые водные экосистемы относятся к стадии обратимых изменений.

Ключевые слова: альголизация, индекс сапробности , поверхностных вод, xлорелла kесслери.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Воронеж, Россия

396

УДК 621.74

Л.С. Печенкина, В.А. Юрьева

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВТОРИЧНЫХ СИЛУМИНОВ РАЗЛИЧНЫМИ РЕЖИМАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Оценена возможность вторичной переработки силуминов с сохранением качества отливок. Получение требуемого качества отливок из алюминиево-кремниевых сплавов возможно путем выбора режима термической обработки сплава в условиях наиболее дешевого литья в разовые песчаные формы.

Ключевые слова: микроструктура, алюминиевый сплав, шихта, термическая обработка, качество.

Первичный алюминий производят с помощью электролиза бокситов. Однако при производстве вторичного алюминия можно обеспечить получение ценных работоспособных сплавов из лома, удовлетворяющих условиям стандартов. При производстве вторичного алюминия его очищают от многих сопутствующих элементов, а потом переплавляют, производят дальнейшую очистку и обработку [1, 2].

Существуют обязательные потери вторичного алюминия на всем производственном цикле. Одни появляются во время обработки расплава алюминия, остальные – при неизбежном браке. Доля металла потеряется при рафинировании расплава в плавильной печи, а также в установках при дегазации и фильтровании жидкого алюминия. Некоторая доля металла потеряется во время запуска или остановки используемого оборудования. Все суммарные отходы вторичного алюминия должны быть подвергнуты повторной переплавке.

Из-за возросшего потребления алюминия его переработка в настоящее время стала более сложна. Потребители хотят получать готовые вторичные алюминиевые сплавы с регламентируемым химическим составом, так как имеющееся у них оборудование в большинстве случаев позволяет лишь расплавлять готовый металл и разливать его без обработки и легирования.

В литейных сплавах разрешается большее, чем в деформируемых сплавах количество примесей, в частности, железа. Например, сплав АК12 при заливке под давлением может содержать максимально железа 1,5 %, а сплав АК5М 3,0 %. Это служит причиной широкого использования вторичного алюминия при получении литейных сплавов.

Большинство применяемых технологий обработки расплавов при рафинировании, модифицировании, микролегировании предназначены для крупных промышленных предприятий с необходимыми для этого видами оборудования и площадями. Для небольших предприятий эти технологии использовать не представляется возможным. В этом случае выходом является использование вторичного сырья, более дешевого способа литья в разовые песчаные формы, контроль качества получаемых отливок доступными методами на доступном оборудовании.

Исходя из вышеизложенного, актуальным является, во-первых, изучение возможности применения низкосортных шихтовых материалов при получении ответственных отливок. Во-вторых, изучение влияния термической обработки на обеспечение требуемого качества данных отливок. А так же возможности улучшения экологической обстановки в литейном цехе за счет существенного снижения потерь металла со шлаком.

Объектами исследований были сплавы АК7ч, АК5М (ГОСТ 1583-93). Для приготовления сплавов использовались отходы машиностроительного производства, в том числе стружка указанных сплавов, лигатура Al-Si, отходы сплава МЛ5. Расплавы готовили в печи сопротивления. Для модифицирования микроструктуры применяли лигатуру Al-Ti. Рафини- рующе-модифицирующую обработку расплава проводили KBF4 – KCl. Заполняемость формы сплавом оценивали по спиральной пробе. Образцы для исследований вырезали из пробы на усадку. Механические свойства сплавов определяли после литья и в термообработанном состоянии по экспериментальным режимам с учетом рекомендаций стандарта.

397

Применение в качестве шихты различных отходов может привести к насыщению расплава элементами, не характерными для доэвтектических силуминов. Это говорит о целесообразности дальнейшей обработки сплава. Как известно, существенное влияние на структуру и механические свойства доэвтектического силумина оказывает термическая обработка. Поэтому проведен ряд экспериментов по влиянию видов термического воздействия на структуру алюминиевого сплава, изготовленного из низкосортной шихты. Анализируя различные научные литературные источники выбраны несколько вариантов термической обработки,

рекомендуемых для сплава АК7ч, таких как Т1 (старение, 2 ч, 180 °С), Т2 (отжиг для снятия внутренних напряжений), Т4 (закалка, вода холодная), Т5 (закалка, искусственное старение). Обнаружено, что уровень пластичности после термообработки по режимам Т1, Т4 и Т5 недостаточно высок. Применение отжига позволило повысить пластичность сплава (18 %), но прочность и твердость сплава остались невысокими (160 МПа и 47 НВ). Наилучшее сочетание прочности и пластичности получено после применения закалки.

К положительным особенностям сплава АК5М относятся высокая механическая прочность, жаропрочность, удовлетворительные литейные технологические свойства, свариваемость, устойчивость к коррозии, отличная обрабатываемость резанием, меньшая склонность к газовой пористости, например, чем сплавы АК12 и АК9ч. К недостаткам можно отнести пониженную пластичность. Для повышения пластичности сплава используются различные режимы термической обработки. Исследуемые режимы термообработки для сплава АК5М указаны в таблице. Термическая обработка по режиму Т5 с использованием охлаж-

дающей среды (вода 100 °С) рассмотрена с целью снижения внутренних напряжений в случае, если требуется получить крупногабаритные сложные по конфигурации отливки. Значе-

ния твердости непосредственно после закалки в воду 20 °С и 100 °С отличаются в пределах погрешности оборудования. После операции старения твердость выше у образца закаленного

в воде 100 °С. Это необходимо учитывать при выполнении требований заказчика, предъявляемых к механическим свойствам сплава (рис. 1).

Таблица Экспериментальные виды термообработки алюминиевого сплава марки АК5М

398

Рис. 1. Зависимость твердости НВ сплава АК5М от исследуемых видов термообработки

Термическая обработка способствовала стабилизации структуры и свойств исследуемых сплавов. Изменения полученных в результате термического воздействия структур алюминиевого сплава марки АК5М представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Структуры алюминиевого сплава марки АК5М, х500

Исследуемые сплавы имеют многофазную структуру. Твердый раствор αAl в сплаве АК5М сильнее пересыщен кремнием и другими, входящими в состав, химическими элементами, чем в силуминах 1 группы. Основными структурными составляющими в сплаве АК5М являются первичные кристаллы твердого раствора αAl, двойная эвтектика (αAl+ Si) и тройная эвтектика (αAl+ Si + CuAl2). При добавлении магния выделяется четверная эвтектика (αAl+ Si + CuAl2+ Mg2Si). Представленные микроструктуры хорошо согласуются с ранее проведенными исследованиями и обеспечивают необходимые механические свойства в отливках из этого сплава.

399

закалка, вода 20 °С; старение 3 ч;

закалка, вода 100 °С; старение 3 ч Рис. 3. Микроструктура сплава АК5М, режим Т5, х500

Выводы.

1.Обосновано применение низкосортных шихтовых материалов в количестве до 100

%при изготовлении силуминов для отливок и возможность использования вторичного сырья, а также в дальнейшем вторичная переработка сплавов, что актуально в настоящее время, как важнейший вопрос экологии и безопасности жизнедеятельности человека и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

2.Рассмотрено, что получение требуемого заказчиком качества отливок из сплавов АК7ч, АК5М, в условиях использования наиболее дешевого и доступного способа литья в разовые песчаные формы, возможно подбором режима термической обработки.

Литература

1.Колотыгина, Д.А. Особенности проектирования производства алюминиевых отливок методом литья под давлением / Д.А. Колотыгина, Л.С. Печенкина // Сборник трудов победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий «Научная опора воронежской облас-

ти», 2018. С. 144-146.

2.Колюка, Л.С. Кокильные машины и механизмы для их обслуживания / Л.С. Колюка, Л.С. Печенкина // Авиакосмические технологии (АКТ-2019): Тезисы XX Международной научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов; 13 и 14 июня 2019 . Воронеж: ООО Фирма «Элист», 2019. С. 43-44.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Воронеж, Россия

L.S. Pechenkina, V.A. Yurieva

IMPROVING THE QUALITY OF SECONDARY SILUMINS BY VARIOUS HEAT TREATMENT MODES

The possibility of recycling silumins while preserving the quality of castings is evaluated. Obtaining the required quality of castings from aluminum-silicon alloys is possible by choosing the mode of heat treatment of the alloy in the conditions of the cheapest casting in single sand molds.

Keywords: microstructure, aluminum alloy, charge, heat treatment, quality.

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical

University», Voronezh, Russia

400

УДК 504.054

Е.В. Сокольская, О.Н. Финохина

СВОДНЫЙ РАСЧЕТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ПРОГРАММЕ «ЭКОЛОГ 3.0» И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ г. ТИРАСПОЛЯ

Приведены результаты компьютерного моделирования загрязнения атмосферного воздуха от промышленных предприятий г. Тирасполя с учетом всех источников выбросов вредных веществ. Определен список приоритетных химических веществ, расчетные приземные концентрации которых превышают санитарно-гигиенические нормы. Разработан план мероприятий по снижению секундных и годовых объемов выбросов вредных веществ для промышленных предприятий с наибольшим вкладом в загрязнение атмосферного воздуха.

Ключевые слова: программированный расчет, атмосферный воздух, мегаполис, выбросы загрязняющих веществ, рекомендации.

Качество атмосферного воздуха непосредственно влияет на здоровье населения. Неуклонно набирающий силу прессинг народнохозяйственного функционирования представителей человеческого общества на окружающую среду (ОС) предписывает непременность и обязательность контролирования ее пребывания, и проведение в жизнь природозащитных процедур, восполняющих и смягчающих фиксируемое влияние, а также гарантирующих наиболее благоприятный баланс городской среды.

Нормативной основой управления состоянием атмосферы является показатель её качества ‒ значимость и параметры предельно допустимой концентрации (ПДК) вредного вещества (ВВ), помещающегося воздушной зоне, какая именно отрицательно не воздействует на биологические существа.

Ранг контаминации воздушного фона ключевыми ВВ позиционируется практически прямо пропорциональной закономерностью от техносферного подъема в мегаполисе.

В г. Тирасполе дислоцируются объекты техносферы, из которых некоторое количество сегментов индустрии, позиционируются потенциально опасными объектами (ПОО), в силу данного момента складывается выше разрешенного показатель засоренья воздушной среды с содержанием широкого спектра вредных веществ.

Сводный том предельно-допустимых выбросов (ПДВ) ВВ [1] допускает соединить в одно целое сведения о происхождении зашлаковывания воздушной зоны всех предприятий, составляющих единые промышленные территории г. Тирасполя и в связи с этим он служит обязательным звеном официального регулирования в сфере защиты и регламентации по отношению к воздуху мегаполисов.

Обязанность исполнения обобщенных вычислений о зашлаковывании воздуха атмосферы г. Тирасполя, в свою очередь предопределена слабостью информационной базы по ЗВ, извлекаемой с помощью инструментария при слежении с целью обрисовки зашлаковывания воздушной зоны мегаполиса принимая во внимание всех без исключения выбрасываемых в нее ВВ.

Вначале, данное вычисление затрагивает нестандартные ЗВ, по коим не зафиксированы эмпирический испытательский мониторинг, и именно данный надзор носит эпизодический характер.

Благодаря вычислительному мониторингу слежение, свободно реально практиковать безразлично по какому ЗВ, наличествующему в выбросах и характеризующемуся показателем ПДК [2].

Материалы и методы исследования.

В качестве объекта исследования выбраны две промышленные зоны, расположенные в северной части г. Тирасполя (рис. 1а и рис. 1б). Промышленные площадки предприятий «Восточного» промузла и микрорайонов «Кировский», «Кирпичная Слободка», «Центральный» обрисованы на цифровом чертеже г. Тирасполя в унитарной общегородской системе отсчета.

401

Для отдельного взятого индустриального учреждения зарисована санитарно-защитная зона (СЗЗ), констатированной стандартизованной широты и размера, в соответствии СанПиН МЗ и СЗ 2.2.1/2.1.1.1200-07 [3].

В диапазоне унитарной СЗЗ «Восточного» промышленного узла (рис. 1) находится жилая застройка по ул. Энергетиков, ул. Дружбы, пер. Озерный, пер. Энергетиков. На территории единой санитарно-защитной зоны промышленного узла районов «Кировский», «Кирпичная Слободка», «Центральный» (отдельные предприятия) г. Тирасполя (рис. 2) находится жилая застройка и общественные центры по ул. Украинской, ул. Герцена, ул. Строителей, ул. Калинина, ул. Сакриера, ул. Северной, ул. Профсоюзов, ул. Ильина, ул. Шевченко, ул. К. Цеткин, ул. Достоевского, ул. Кирова, ул. Космонавтов, ул. 9 Января, ул. К. Либкнехта и ул. Лермонтова, что не соответствует санитарно-гигиеническим нормам к проектированию жилых районов [4-6].

Рис. 1. СЗЗ объектов техносферы «Восточного» индустриального района на цифровом чертеже г. Тирасполя

Рис. 2. СЗЗ предприятий, расположенных на территории районов «Кировский», «Кирпичная Слободка», «Центральный» на карте г. Тирасполя

402

Для количественной оценки суммарного загрязнения атмосферы, формируемого выбросами стационарных источников предприятий, расположенных на территории двух промышленных зон г. Тирасполя, было организовано компьютерное моделирование рассеивания загрязняющих веществ в сертифицированной программе «Эколог 3.0». Были учтены метеорологические параметры воздушной среды г. Тирасполя. Расположение каждого объекта на электронной карте программы «Экографа» проверено и откорректировано с учетом различия масштабов городской карты и схем отдельных предприятий, прилагаемых к природоохранной документации.

Моделирование рассеивания ЗВ наружного воздуха производилось с привлечением численных расхождений в размере параметров выбрасывания в атмосферу на разнородных ступенях производственного цикла, предусматривался распорядок синхроничности нагрузки на технику.

Обзор рассмотренных итогов вычисления реализовывался хронологически для отдельно взятого ЗВ химического происхождения.

Прежде изначально высвечивались объекты и ресурсы происхождения выбросов в атмосферу ЗВ, способствующие формированию доминирующего вложения в общегородской фон с преобладающим показателем ПДК, который включает территорию мегаполиса без производственных помещений.

Для отдельных объектов техносферы вырабатывались распоряжения по минимизации выбрасывания для обеспечения предотвращения общегородского завышенного фона задымления воздуха.

Результаты исследования.

Достижения суммарных вычислений были оформлены в виде картосхем с нанесением изолиний концентраций вредных веществ. Детальная оценка загрязнения атмосферного воздуха выбросами стационарных источников промышленных предприятий г. Тирасполя в сводном расчете позволила определить приземные концентрации:

1.На границе единой санитарно-защитной зоны каждой промышленной площадки.

2.В любой точке на территории жилой застройки и зон отдыха г. Тирасполя.

3.В фиксированных (контрольных) точках г. Тирасполя [4-6].

Сводный расчет приземных концентраций позволил выявить основных вкладчиков в суммарное загрязнение воздушного бассейна в наиболее важных точках, таких как жилые массивы, социально-значимые объекты.

Характерная особенность в работе промышленных предприятий непосредственно связана с их функционированием, зачастую не соответствующему регламенту в установленном

вприродоохранной документации режиме.

Вотдельные периоды времени предприятия в силу определенных причин вынуждены временно приостанавливать работу (отсутствие сырья или спроса на продукцию и т.п.). Поэтому был выполнен расчет загрязнения атмосферы с учетом данных о режиме фактической работы предприятий и неодновременности выбросов, который более достоверно описывает ситуацию с поступлением вредных веществ в атмосферный воздух.

Моделирование загрязнения атмосферного воздуха в программе «Эколог 3.0» с учетом фактической работы оборудования и нестационарности выбросов показало, что в зоне жилого массива, соприкасающегося с «Восточным» индустриальным сектором, расчетные концентрации следующих химических соединений: сумме взвешенных веществ, спирту бутиловому, натрию гидроксиду и пыли древесной не соответствуют санитарно-гигиеническим нормам и правилам [4].

Врезультате деятельности промышленных предприятий, расположенных на территории трех микрорайонов «Кировский», «Кирпичная Слободка» и «Центральный», формируется загрязнение атмосферного воздуха по следующим химическим соединениям. Перечень ЗВ - совокупность взвешенных частиц: NO2, SO2, CuO, C6H5CH3, эпихлогидрин

CH2CHCH2Cl, C6H6O, C3H6O, диметилформамид C3H7NO, аминобензол C6H7N, C8H10, C6H6 и

сольвент – смесь легких углеводородов (ксилол, толуол, триметилбензол, этилтолуол,

403

псевдокумол, бензол), спирты: C2H60, C4H10O. А также различные виды пылевых частиц.

В связи с требованиями природоохранного законодательства промышленные предприятия обязаны разрабатывать и реализовывать планы мероприятий, соблюдать нормативы выбросов в атмосферный воздух. Для обеспечения удовлетворительного состояния атмосферного воздуха и достижения величины предельно-допустимых выбросов (ПДВ) были разработаны организационные, планировочные, технологические и санитарнотехнические мероприятия.

На основе анализа сводных расчетов определен размер необходимого снижения секундных и годовых объемов выбросов для генераторов задымления воздушной зоны индустриальных предприятий при выполнении предложенных в плане мероприятий.

К наиболее экологически эффективным мерам и экономически целесообразным для существующих промышленных предприятий относится реализация санитарно-технических и технологических природоохранных мероприятий.

Технико-санитарные процедуры предусматривают координацию локальной системы аспирации и обменной вытяжки индустриальных помещений сообразно вычислениям выбросов по любому отдельному ВВ (г/с). Кроме этого неизбежна насущная ступень очищения воздуха; далее сегрегация разрозненных дробных источников выбросов в обобщенный генезис - с помощью объединенной сетки аспирации; и еще рекомендуются аппараты пылегазовой очистки с учетом коэффициента полезного действия и эффективности (м3/с) подобных конструкций.

Структура и приемы очищения воздуха от газов и пылевых частиц ориентирована на минимизацию количественного содержания ВВ в совокупном выплеске на базе инновационных физико-химических технологий: абсорбции, адсорбции, каталитического сжигания, окисления.

Таблица Снижение приземных концентраций ВВ в воздушной зоне после выполнения плана

мероприятий

Технические манипуляции очищения воздуха ориентированы на убавление количества ВВ, формируемых в технологических циклах, за счет придания большей герметичности оборудованию, устранения неорганизованных и минимизации организованных источников вы-

404