Предисловие

Одной из самых важных проблем, стоящих перед мировым сообществом, является проблема защиты окружающей природной среды и устойчивого развития человечества. Эта проблема касается всех нас, живущих на планете. Добиться устойчивого равновесия между потреблением, населением и способностью Земли поддерживать жизнь для будущих поколений – главная задача мирового сообщества. В настоящее время, как отметил академик П.Л. Капица, существует три главные аспекта глобальных проблем:

- технико-экономический, связанный с истощением природных ресурсов земного шара;

- экологический, связанный с биологическим равновесием человека с живой природой при глобальном загрязнении окружающей среды;

- социально-политический, поскольку эти проблемы связаны с необходимостью их решения в масштабе всего человечества.

В результате бурной техногенной деятельности, непродуманного отношения к окружающей среде, бесконтрольного научно-технического прогресса, усиленного давления на природу, хищнического использования природных ресурсов отчетливо видны глобальные экологические проблемы, составляющие общего экологического кризиса: загрязнение атмосферы, гидросферы, литосферы вредными техногенными отходами; изменение климата, в первую очередь, его потепление за счет «парникового эффекта» с последующей возможностью затопления значительных территорий; обеднение биологических видов флоры и фауны; рост населения планеты и обеспечение его продовольствием, жильем, одеждой; распространение вирусной заболеваемости; нарушение генетической целостности ландшафтов; эстетические и этические аспекты деградации окружающей среды; несоответствие восстановительных способностей природы и техногенного воздействия и т.д.

Несмотря на глобальные угрозы существования биосферы, человеческое общество может и должно найти выход. В нашей стране действует Закон об охране окружающей природной среды, который является основным кодексом взаимоотношений Человека, общества и природной среды.

Коренное решение проблемы защиты окружающей среды от выбросов промышленных предприятий состоит в создании замкнутых технологических циклов (малоотходных систем). Однако их внедрение требует новых технологических и конструктивных решений, а также больших капиталовложений. Поэтому до настоящего времени одним из распространенных способов снижения концентраций примесей является их разбавление в атмосфере и в водных объектах.

В то же время в России достигнуты большие успехи в области создания аппаратов и устройств для очистки отходящих газов и сточных вод, обезвреживания и утилизации твердых отходов. Они широко применяются на промышленных предприятиях, что позволило в последние годы улучшить санитарное состояние вокруг этих предприятий. Поэтому распространение знаний в области процессов и аппаратов защиты окружающей среды является актуальной задачей, решение которой и посвящено настоящее учебное пособие.

Введение

Лекция 1. Место предмета «Процессы и аппараты…» в защите окружающей среды от загрязнения

План лекции:

1. Требования образовательного стандарта специальности 656600 «Инженерная защита окружающей среды».

2. Литература, необходимая для изучения курса.

3. Понятие «Технология защиты окружающей среды» как дисциплины, изучающей закономерности, обуславливающие изменение состояния загрязняющих физических и химических компонентов в процессе устранения их действия на окружающую среду.

4. Цель и задачи курса.

5. Связь курса с другими дисциплинами.

Всем вам хорошо известно, что обучение специальности 656600 «Инженерная защита окружающей среды» осуществляется по государственному образовательному стандарту, утвержденному в 2000 году. Согласно этому стандарту на четвертом курсе вы должны изучить такую дисциплину как «Процессы и аппараты защиты окружающей среды». А государственный образовательный стандарт по этой дисциплине требует изучения вами следующих вопросов.

Классификация методов очистки отходящих газов и промышленных выбросов. Основные методы и особенности очистки отходящих газов от аэрозолей. Основные аппараты очистки: фильтры, циклоны, пылеосадительные камеры, электрофильтры, газопромыватели (скрубберы) и другое.

Очистка промышленных выбросов от токсичных газовых примесей. Основные аппараты очистки: абсорберы, адсорберы, устройства для каталитического и термического обезвреживания, комбинированные установки на их основе. Расчет и проектирование аппаратов. Подавление, выделение токсичных газов в источник их образования.

Классификация методов очистки промышленных стоков. Механические, химические, физико-химические и биохимические методы очистки. Доочистка сточных вод. Используемые аппараты: отстойники, усреднители, механические фильтры, нефтеловушки, фильтры-нейтрализаторы, химические реакторы, ионообменные установки, электрокоагуляторы и электрофлотаторы, установки для ультрафильтрации и обратного осмоса, аэротенки, окситенки, метантенки и другие. Расчет и конструирование этих аппаратов. Аппараты для переработки осадков сточных вод.

Классификация общих и специальных методов переработки твердых отходов. Методы измельчения, классификации, обогащения, сепарации, компактирования, компостирования, термической обработки твердых отходов. Основные аппараты для проведения этих процессов: дробилки, мельницы, грохоты, смесители, отсадочные машины и шлюзы, сепараторы, прессы, печи и термическое оборудование и другое. Расчет и конструирование этих аппаратов.

Особенности работы с токсичными и радиоактивными отходами. Применяемое оборудование. Устройство полигонов.

Основные виды энергетического воздействия на окружающую среду. Способы и средства защиты от энергетического воздействия. Расчет экранов. Другие способы и средства защиты.

Изучение предмета будет проходить следующим образом. В начале будет прочитано 40 часов лекций, где будет раскрыт практически весь теоретический материал, затем будет проведено 2 лабораторные работы, 20 практических занятий, 10 семинарских занятий и 2 или 3 экскурсии на предприятия по защите окружающей среды и выставки. Аттестация знаний студентов по дисциплине включает зачет по итогам лабораторного практикума и практических работ, выполнения курсовой работы и оценки заключительного экзамена.

А сейчас приступим к изучению курса. В начале поговорим о таком понятии, как «технология».

Слово «технология» объединяет два понятия: «techne» – искусство, ремесло, техника и «logos» – учение, наука. Таким образом, слово «технология» означает учение или наука о способах и средствах переработки вещества и энергии.

Но почему мы заговорили о технологии на таком курсе как «Процессы и аппараты…». Дело в том, чтобы аппараты заработали и стали осуществлять природоохранную деятельность, их необходимо правильно рассчитать, установить, настроить и найти оптимальный режим работы. Только после нахождения оптимального или рационального режима проведения процесса будет достигнута главная цель – защита окружающей среды от вредного воздействия.

Поэтому «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» – это дисциплина, изучающая закономерности, способы и средства переработки вещества и энергии, обуславливающие изменение состояния загрязняющих физических и химических компонентов в процессе устранения их действия на окружающую среду.

Целью дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» является изучение закономерностей, лежащих в основе технологических процессов защиты окружающей среды, а также подбор и расчет оборудования для этой защиты.

К задачам дисциплины относятся:

• изучение изменения характеристик биосферы в связи с производственной деятельностью;

• приобретение теоретических знаний процессов, происходящих при образовании твердых, газообразных и жидких отходов и при их обезвреживании;

• изучение и классификация методов очистки этих отходов;

• подбор и расчет оборудования для защиты окружающей среды от загрязнения;

• изучение взаимосвязей процессов, происходящих при очистке отдельных загрязнителей;

• ознакомление с научными основами разработки технологических схем защиты окружающей среды.

Дисциплина «Процессы и аппараты…», тем самым, несет ответственность за разумное развитие науки и техники в экологически оптимальном смысле. Решение такой задачи возможно только с позиции системного подхода, реализующего комплексность решений во всех сферах материального производства.

Взаимодействие в системе «общество природа» за всю историю существования человечества (около 3 млн.лет) прошло определенную эволюцию. Выделяю следующие этапы:

• Первый период – человек – обычный вид, часть природы. Этот период охватывает эру наиболее примитивной культуры каменного века и первобытно-общинного уклада жизни. Такой период продолжался примерно от 3 млн.лет до ХХ - ХУ веков до н.э. Но по мере развития археологических исследований это время отодвигается дальше. Ясно только одно – это был самый длительный период взаимодействия человека с природой, приведший к малоощутимым изменениям в ней.

• Второй период – покорение огня, истребление древней фауны (экологические кризисы древности). Этому периоду соответствует время до начала землепользования (УШ – УП века до н.э.). Этот период некоторые исследователи относят к первому. Но, так или иначе, его необходимо выделить, т.к. именно с него начинается осмысленное воздействие человека на природу. Конечно, мамонты вымерли не из-за человека, но и он к этому приложил свою руку.

• Третий период – развитие подсечно-огневого сельского хозяйства, сведение лесов, одомашнивание флоры и фауны (фактически конкурируя с дикими видами, человек становится самым могущественным видом). Этому периоду соответствует время с начала землепользования (УШ – УП века до н.э.) до становления промышленного производства в ХУ веке н.э.

• Четвертый период – развитие промышленности, урбанизация, локальные загрязнения природы (с ХУ по Х1Х века). Это время становления и развития капитализма, характеризующееся постепенной концентрацией производительных сил, развитием частного предпринимательства, постоянными захватническими войнами, приведшими к разделу мира. Этот период ознаменовался, прежде всего, активным освоением минерально-сырьевых ресурсов, развитием горного дела, металлургии и добычи угля, потеснившего такой источник энергии, как дерево.

• Пятый период – человек – геологическая сила: глобальное загрязнение, изменение биогеохимических циклов. К этому периоду относятся возникновение империализма и социальных революций. Концентрация производства, организация крупных промышленных объединений, охватывающих своим влиянием многие районы мира, приводят к расширению сфер их воздействия на окружающую природу, которые приобретают региональный, а затем глобальный характер. Главными движущими силами этого воздействия кроме человека в этот период являются революционное развитие транспорта, прежде всего железнодорожного, а также электроэнергетики. Эти факторы и позволили человеку сдвигать горы. В этот период не только усилилась геологического воздействия в абсолютном выражении, но само оно стало иным. Иным стало и геохимическое воздействие человека на природу, определяющееся тремя обстоятельствами:

1. Синтезом множества (более миллиона) веществ, отсутствовавших в естественных условиях и обладающих качествами, не свойственными природным соединениям.

2. Строительством широкой сети коммуникаций – газо- и нефтепроводов, шоссейных и железных дорог, линий электропередачи и связи, что наряду со специализацией производства привело к массовой транспортировке разнообразного сырья, его перераспределению и рассеиванию загрязнений.

3. Интенсификацией производства сельскохозяйственной продукции потребовавшей массового применения удобрений, гербицидов и пестицидов, отрицательное побочное воздействие которых на окружающую среду выявилось лишь спустя длительное время после начала их повсеместного применения.

В ХХ1 веке человечество находится в конце пятого этапа. Что может за ним последовать? Либо решение глобальных экологических проблем, либо глобальная экологическая катастрофа. Отсюда можно выделить два основных подхода к проблеме взаимодействия человека и природы:

• технократический - человечество может регулировать окружающую природу, полностью подчинив природу своим интересам

• экологический - возможности регуляции у человечества очень ограничены, и поэтому необходимо постоянно искать компромисс с природой. Я бы назвал последний подход технологическим.

Весь комплекс современных знаний о природе дает основание утверждать, что пока, а может и никогда, человечество не может регулировать те процессы на Земле, которые обеспечивали бы его существование. Для этого требуется огромная энергия, которой у человечества нет. Поэтому полностью саморегулируемая техносфера возможна только в локальных масштабах и лишь для малой части человечества. Это и пытается сделать США в масштабах одной страны, как это пытались сделать у нас, в СССР, создавая материально-техническую базу коммунизма, то есть состояния, когда человеку дают по потребностям, получая от него по способностям. Но человек существо загадочное. Потребности его безграничны, а возможности без палки крайне ограничены. Поэтому глобальная саморегулируемая техносфера не реальная, человечество может существовать только в рамках биосферы.

Именно осознание технократического подхода как губительного и необходимость переориентации всей системы природопользования на основе экологического подхода обусловили экологизацию нашей жизни. Основой жизненной позиции каждого человека по отношению к природе должны быть два принципа:

• ожидать неожидаемое (при любом действии лучше готовиться к худшему, не надеясь на авось)

• мыслить глобально, действовать локально (любое, даже самое незначительное действие по отношению к природе, необходимо соотносить с интересами всей биосферы).

В конце лекции поговорим о связи курса «Процессы и аппараты…» с другими дисциплинами.

Современная технологическая наука базируется практически на всех фундаментальных науках. Сложные процессы, происходящие при переработке вещества и энергии, основаны на законах физики, теплофизики, химии, биохимии, микробиологии, механики и др. По-настоящему грамотным может быть только технолог, владеющий знаниями в этих областях науки. Технологии находятся в непрерывной связи с экономикой производства каждого вида продукта. Уместно вспомнить слова Д.И.Менделеева применительно к выплавке железа: «Дело химии изучать получение железа из руды, а дело технологии изучать выгоднейшие для этого способы, выбирать из возможностей наиболее применяемую по выгодности к данным условиям времени и места, чтобы придать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах». Поэтому изучение названного курса предполагает знание студентом дисциплин естественно-научного и общепрофессионального профиля:

• физика (физические основы классической механики, основы молекулярной физики и термодинамики);

• химия (органическая, аналитическая, физическая, коллоидная, физико-химические методы активации и анализа);

• биохимия (роль биохимических процессов в очистке сточных вод и почв).