Галактионова Н.А. Промышленная экология - файл n1.doc

приобрести
Галактионова Н.А. Промышленная экология
скачать (1064 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1064kb.24.08.2012 05:13скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

ЛИТЕРАТУРА


  1. Реймерс Н.Ф. Природопользхование. Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990. – 595 с.

  2. Р.А. Степень, С.М. Репях. Промышленная экология: учебник для студентов химико-технологических специальностей. – Красноярск: СибГГУ, 2000. – 345 с.

  3. Челноков А.А., Ющенко Л.Ф. Основы промышленной экологии: Учеб. Пособие. – Мн: Выш. Шк., 2001. – 343 с.

  4. Зайцев В.А. Промышленная экология: учебное пособие. – М: ДеЛя, 1999. –140 с.

  5. Alienby, Braden. ‘Industrial Ecology: The Materials in Environmentally Constrained World”. The Materials Research Society Bulletin. 1992, March, PA. P. 45.

  6. Калыгин В.Г. Промышленная экология: Курс лекций. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 240 с.

  7. Мазур И.И., Молдованов О.И. Курс инженерной экологии: Учеб. Для вузов. – М.: Высш. Шк., 1999. – 447 с.

  8. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. Под редакцией академика А.Л. Яншина. – М.: Academia, 2000. – 384 с.

  9. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455.

  10. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. – М.: Academia, 2000. – 384 с.



Раздел 2. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

2.1. Общая трактовка

Наиболее полно требования экоразвития и подчинение экономики принципу сбалансированного природопользования могут быть реализованы в пределах такого природно-хозяйственного комплекса, который образует равновесную эколого-экономическую систему (ЭЭС). Это понятие широко используется в современной экономической и экологической литературе наряду с близкими по смыслу понятиями «природно-экономическая система» и «биоэкономическая система».

Академик М.Я Лемешев в 1976 г. определил эколого-экономическую систему как «интеграцию экономики и природы, представляющую собой взаимосвязанное и взаимообусловленное функционирование общественного производства и протекание естественных процессов в природе и в биосфере в особенности» [1]..

Такое определение ЭЭС предполагает глобальный или, по меньшей мере, национальный уровень. В настоящее время существует как бы два уровня интерпретации этого понятия — глобальный и территориальный. Согласно первому ЭЭС трактуется как тип экологически ориентированной социально-экономической формации. Именно в этом смысле на закрытии Конференции в Рио М. Стронг говорил о необходимости перехода человечества от экономической системы к эколого-экономической системе. Но в глобальном смысле организация ЭЭС — это отдаленная и довольно абстрактная перспектива. Для практической реализации принципа сбалансированного природопользования важно иметь представление об ЭЭС на территориальном уровне — в отдельных регионах и промышленных комплексах.

В такой трактовке эколого-экономическая система — это ограниченная определенной территорией часть техносферы, в которой природные, социальные и производственные структуры и процессы связаны взаимоподдерживающими потоками вещества, энергии и информации .

Реальные ЭЭС никто никогда специально не создавал. Они возникали сами собой в тех случаях, когда хозяйственная активность человека в какой-то территории базировалась на использовании местных возобновимых природных ресурсов, но не превышала их способности к регенерации. Чаще всего это были слабо технизированные агроценозы. Индустриальное развитие никогда не ставило своей целью создание сбалансированных ЭЭС. Механизмы экологической регламентации хозяйственной деятельности, активно разрабатываемые в последние годы, такие, как оценка предполагаемых воздействий на окружающую среду, лицензирование, экологическая экспертиза программ и проектов, сами по себе не в состоянии обеспечить практическую реализацию требований сбалансированности. Но это не означает, что такие системы невозможны.

2.1. Модели ЭЭС: структура и потоки

Сейчас известно много попыток моделирования ЭЭС. Как правило, в них анализируются связи, но нет подходов к количественному анализу. Пример такой модели приведен на рис. 2.1 [1].


Региональная граница



Глобальный

и региональный

климат



Модель

исполь-зования

земли

Модель экологи-ческой сукцес-сии





Модель

состоя-ний


Прост-ранст-венный

модуль

Транспортный

Перенос загрязняющих веществ









Модель экологи-ческого

исполь-зования

земли

Модуль прост-ранст-венной

эколог.

актив-

ности

Региональная и национальная экологическая активность

Оценка состояния экосистем обществом








Региональная и национальная система контроля и управления

Локальная система контроля и управления






Рис. 2.1. Модель региональной эколого-экономической системы
Ниже приводится упрощенная потоковая схема территориальной ЭЭС (рис. 2.2). В ней экономическая и экологическая системы выступают как части целого и обозначаются как подсистемы. Граница между ними условна, так как вся сфера биологического жизнеобеспечения и воспроизводства людей относится к обеим подсистемам.



Иммобилизация

Экологическая подсистема

Экологическая подсистема

Экономическая подсистема

Биогеохимический

круговорот

Иммобилизация



Рис. 2.2. Схема основных материальных потоков в эколого-экономической

системе
ЭЭС представляет собой сочетание совместно функционирующих экологической и экономической систем, обладающее эмерджентными свойствами. Напомним, что экосистема — это сообщество живых организмов, так взаимодействующих между собой и со средой обитания, что поток энергии создает устойчивую структуру и круговорот веществ между живой и неживой частями системы. В свою очередь экономическая система является организованной совокупностью производительных сил, которая преобразует входные материально-энергетические потоки природных и производственных ресурсов в выходные потоки предметов потребления и отходов производства. Таким образом, часть материальных элементов экологической системы, в том числе и элементов среды обитания человека, используется как ресурс экономической системы.

Общий вход производства — сумма производственных материальных ресурсов слагается из импортируемых в данную систему ресурсов R1 (к ним отнесены и невозобновимые местные ресурсы) и из возобновимых местных ресурсов Rn. Причем к последним относится часть биопродукции экологической подсистемы, включая продукцию агроценозов и самого человека — и как ресурса, и как субъекта производства и потребления.

Итак, Rр = R1 + Rn .

Потребление С слагается из части местной нетто-продукции производства РС, идущей на потребление (поток продукции, возвращающийся в цикл производства и цикл вторичной продукции на схеме не показаны), а также из части местных биоресурсов Сn и импортируемых продуктов С1.

С = Рс + Сn + С1

Местные ресурсы производства и потребления в сумме образуют поток изъятия ресурсов из экологической подсистемы:

Un = Rn + Сn.

Эффективность производства определяется отношением Р/Rр, где Р = P1 + Рс,, а отходность производства — отношением (RР-Р)/Rр = Wр/Rр.

Отходы производства Wр и потребления Wс поступают в окружающую среду как сумма отходов экономической подсистемы:

W = Wр + Wс.

Часть из них Wa включается в биогеохимический круговорот экологической подсистемы, а другая часть — Wz — накапливается и рассеивается с частичным выносом за пределы системы.

Часть отходов потока Wa подвергается ассимиляции и биотической нейтрализации в процессе деструкции; другая часть после биологической и геохимической миграции присоединяется к фракциям Wz и вместе с ними подвергается иммобилизации, рассеянию и выносу.

Таким образом, часть отходов выступает как техногенные загрязнения М = К·W, где К общий коэффициент агрессивности или вредности отходов для системы. В свою очередь вред, наносимый загрязнением среды объектам системы, можно представить как косвенное изъятие части ресурсов экологической подсистемы, аналогичное Un. Тогда Uт = LМ, где Lинтегральный коэффициент зависимости «загрязнение — ущерб». Сумма U = Un + Uт представляет собой общий убыток экологической подсистемы, обусловленный ее взаимодействием с экономической подсистемой.

Соотношение между промежуточными и конечными потоками загрязнений и их совокупный вредный эффект зависят не только от их массы и химического состава, но и от видового состава, биомассы, плотности реципиентов, продуктивности и устойчивости экосистемы, в частности, по отношению к техногенным воздействиям. Эти качества в наибольшей мере зависят от входного потока обновления биогеохимического круговорота I1, его продуктивной емкости и масштаба деструкции D.

Круговороты обеих подсистем ЭЭС образуют вместе своего рода технобиогеохимтеский круговорот, а всю ЭЭС можно обозначить как технобиогеоценоз. Потокам вещества в ЭЭС могут быть приписаны константы равновесия и скорости, что позволяет осуществить кинетический анализ системы и выявить условия ее уравновешивания и стабильности.

В сбалансированной эколого-экономической системе совокупная антропогенная нагрузка не должна превышать самовосстановительного потенциала природных систем.

2.2. Соизмерение производственных и природных потенциалов

Экологические нормативы соизмерения. В § 2.1. в качестве основного условия экологической безопасноси территориальных комплексов было названо главное условие соизмерения: техногенная нагрузка на территорию не должна превышать экологическую техноемкость территории. Экономический рост, превышающий порог допустимых нагрузок, выступает как основной дестабилизирующий фактор для окружающей среды. Именно поэтому соизмерение и согласование экономических и природных потенциалов и формирование эколого-экономической системы должны быть предметом экономической теории и практики.

Сама по себе процедура соизмерения основана на определении и сопоставлении экологической техноемкости территории (ЭТТ или ПДТН) и природоемкости хозяйства территории. Эта процедура практически совпадет с оценкой безопасности территориальных комплексов.

Экологическая техноемкость территории и предельно допустимая техногенная нагрузка по существу являются фундаментальными экологическими нормативами, предназначенными для регламентации территориальной хозяйственной деятельности. Но именно ЭТТ и ПДТН законодательно не утверждены как нормативы.

Санитарно-гигиенические нормативы как критерии соизмерения. Вся сфера экологического нормирования и стандартизации, особенно связанная с техногенным загрязнением среды, так или иначе опирается на гигиенические нормы и использует установленные предельно допустимые концентрации (ПДК) или предельно допустимые дозы (ПДД) вредных агентов. ПДК — это та наибольшая концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде, почве, пище), которая при более или менее длительном действии на организм (контакте, вдыхании, приеме внутрь) не оказывает влияния на здоровье и не вызывает отставленных эффектов (не сказывается на потомстве и т.п.). Поскольку возможный эффект зависит от длительности действия, особенностей обстановки, чувствительности реципиентов и других обстоятельств, различают ПДК среднесуточные (ПДКсс), максимальные разовые (ПДКмр), ПДК рабочих зон (ПДКр3), ПДК для растений, животных и человека. В настоящее время установлены ПДК нескольких тысяч индивидуальных веществ в разных средах и для разных реципиентов. ПДК не являются международным стандартом и могут несколько различаться в разных странах, что зависит от методов определения и спецификации.

На основании величин ПДК с помощью специальных алгоритмов (см., например, 2) и программ вычисляются значения предельно допустимых эмиссий — предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ), предельно допустимые сбросы в водоемы (ПДС) тех или иных веществ, выделяемых конкретными источниками (предприятиями) данной территории. При этом учитываются характеристики источников и условия распространения эмиссий. Например, для того чтобы в ближайшем к заводским трубам жилом квартале города при наименее благоприятных условиях рассеяния не превышались ПДК определенных аэрополлютантов, нужно ограничить выброс этих веществ постоянной предельной величиной — ПДВ. Подобная ситуация схематически отображена на рис. 2.3.

ПДВ и ПДС уже непосредственно регламентируют интенсивность и качество технологических процессов, являющихся источником загрязнения, и приобретают свойство экологических нормативов. Сверхнормативные эмиссии влекут за собой экономические и административные санкции. Часто бывает, однако, что предприятие по техническим причинам не может соблюдать предписанные ему ПДВ, санкции безрезультатны, а сокращение или остановка производства чревата экономическими и социальными коллизиями. В таких случаях применяется практика временного согласования выбросов и сбросов на уровне фактических эмиссий (ВСВ и ВСС), что по существу является отказом от нормирования и приводит к ухудшению экологической обстановки. Но и соблюдаемые ПДВ и ПДС не удовлетворяют многим требованиям экологического


Рис. 2.3. Схема зоны загрязнения в районе мощного промышленного

источника.

Верхняя часть - план-схема территории, нижняя часть – профиль территории по линии АБ. ПЗ - промышленная зона с источником выбросов; Г - районы города; Л - лесопарковые насаждения; СЗЗ - санитарно-защитная зона. Пунктиром обозначены профили рассеяния и выпадения выбросов и соответствующие изолинии концентрации загрязнителей в приземном слое воздуха Отображена ситуация, когда благодаря соблюдению ПДВ в жилой зоне города не превышается ПДК

А

Б


0,3 ПДК

нормирования, так как существуют серьезные сомнения в пригодности ПДК в качестве основы этих нормативов. Вообще частно-нормативный подход не соответствует потребностям решения экологических проблем:

С + Сф ??·ПДКМР, (2.1)

где С — нормативно предельная концентрация, используемая для расчета ПДВ;

Сф – фоновая концентрация;

? для расчета ПДВ принимается равным единице, а для ВСВ допускается более единицы,

а соотношение:

С + Сф ? (lg ?) · ПДКСС (2.2)

где ? – безразмерный, лежащий между 0 и 1, интегральный показатель опасности вещества, устанавливаемый по нескольким основным параметрам токсикометрии.

В настоящее время очень немногие промышленные источники загрязнения среды отвечают этому требованию. Отсюда вытекает необходимость перестройки отраслевой структуры и масштабного технологического перевооружения энергетики и промышленности. Но не менее важны опережающая регламентация количественного роста производства, запрет на размещение предприятий выше определенного для данной территории уровня природоемкости.

Экологическое нормирование не ограничивается лишь регламентацией хозяйственной деятельности. В его задачи входит создание системы экологических кадастров территорий, которые учитывают природные ресурсы, устойчивость природных комплексов, их экологическую ценность, биоразнообразие, способность быть резерватами чистой природной среды. Это сближает экологическое нормирование с целями и задачами контроля экологической регламентации.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455.

  2. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. и др. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Часть 2. – М.: МНЭПУ, 2001.


Раздел 3. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

3.1. Виды технологий

Технология это совокупность способов, приемов для получения из исходного материала (сырья) некоторого практически ценного продукта.

Примеры:

Очень часто для получения одного продукта требуется не один, а несколько источников сырья, не один, а последовательность нескольких способов, приемов.

Обычно название той или иной технологии состоит из двух слов: первое –технология, второе – наименование продукта. Например: технология аммиачной селитры, технология молока, технология дрожжей и т. д.. Неправильно говорить «Технология получения продукта», например «технология получения спирта», т.к. получается тавтология: слово «технология» – это уже и так обозначает «получение», незачем ставить рядом два слова, имеющих сходный смысл.

Основные классы технологий. Хотя технологий в природе, а вернее в человеческом обществе, существует по крайней мере столько же, сколько и разных видов созданных человеком продуктов (а многие продукты имеют и по множеству разных технологий), все это многообразие технологий можно подразделить на 3 основных класса:

  1. Физико-механические технологии

  2. Химические технологии

  3. Биотехнологии.

Рассмотрим более подробно названные классы технологий.

Физико-механические технологии. Как следует из названия, в таких технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Из приведенных выше примеров можно указать на технологию переработки древесины для производства деревянной мебели или различные методы получения металлических изделий, например, гвоздей или деталей машин.

Химические технологии. В процессе получения продукта в химических технологиях сырье претерпевает изменения химического состава. Можно привести множество примеров:

Ассортимент продуктов, получаемых с помощью химических технологий, весьма велик.

Биотехнология. Есть много определений, что такое биотехнология. Наиболее распространенным является следующее.

Биотехнология это целенаправленное получение ценных для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности продуктов, в процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов7, изолированных клеток или их компонентов. [1]

Биотехнологические процессы занимают особое место в природоохранных технологиях, поскольку в основе своей являются экологически чистыми производствами. Последнее понятие будет подробно обсуждаться в следующей теме.

В качестве примера можно привести микробиологическую очистку сточных вод предприятий и почв от нефти и нефтепродуктов, компостирование бытовых отходов, аэробную очистку сточных вод и многое другое.

Какие виды биохимической деятельности микрообъектов используются в биотехнологии, иначе говоря, что является целевым при использовании микроорганизмов.

Перечислим их, не вдаваясь в подробности.

'1. Наращивание клеточной массы, которая и представляет собой продукт. К такому классу технологий относится получение пекарских дрожжей, кормовых дрожжей, в общем, экологически чистой биомассы и др.

2. Образование (биосинтез) в процессе роста и развития клеток ценных биохимических продуктов – некоторые из них выделяются в среду (внеклеточные продукты), некоторые накапливаются в биомассе (внутриклеточные продукты). В этих случаях производство существует ради получения таких продуктов, а не самой биомассы, которая часто является балластом.

3. Биотрансформация. Этим красивым словом называется процесс, в результате которого под воздействием биохимической деятельности микроорганизмов или ферментов происходит изменение химического состава исходного химического вещества. Отличие от рассмотренного выше процесса биосинтеза состоит в том, что при этом обычно происходят относительно небольшие изменения в химической структуре вещества, оно не синтезируется заново из относительно более простых веществ. Кроме того, в процессе биотрансформации используется обычно уже готовый биологический агент – клетки микроорганизмов или ферменты, в ходе самого процесса биотрансформации они не образуются.

Пример процесса биотрансформации – превращение глюкозы во фруктозу под воздействием фермента глкозоизомеразы. Оба сахара имеют одну формулу СбН12О6 но имеют только пространственные отличия в структуре молекулы.

Интересно, что подобный процесс в природе осуществляют пчелы (если кормить их глюкозой). Но здесь в операции принимает участие макроорганизм – пчела, и мы не можем данный процесс назвать биотехнологическим.

Или другой пример. Глицерин, представляющий собой трехатомный спирт, под воздействием клеток глюконобактерий, превращается в диоксиацетон:

Изменение в структуре молекулы вроде бы небольшое – уходят два атома водорода, т.е. происходит дегидрирование. Между тем новое вещество по своим свойствам заметно отличается от исходного – глицерина.

4. Потребление микроорганизмами из жидких сред различных веществ, которые являются нежелательными примесями (загрязнениями). Здесь биомасса микроорганизмов служит промежуточным агентом, сама по себе она не нужна. Такие процесоы применяются в процессах биологической очистки сточных вод. Продуктом здесь является очищенная вода, а биомасса активного ила, которая потребляет загрязнения, все время отводится от системы и затем обезвреживается или перерабатывается для получения из нее других полезных продуктов.

5. Выщелачивание с помощью микроорганизмов, т.е. перевод в растворенное состояние некоторьых веществ, находящихся в твердьых телах. Примером является микробиологическое вьыщелачивание ценньых металлов из руд –меди, цинка, урана и др..

6. Особьым случаем является использование биохимической деятельности микроорганизмов с целью образования газов и за счет зтого – создания, например, пористьых материалов. Для зтого, в основном, используют дрожжи при приготовлении хлеба. Одно из назначений дрожжей при получении пива или шампанского – также создать в среде высокую концентрацию растворенного углекислого газа, чтобы вино или пиво хорошо пенилось.

Рассмотренные шесть основных направлений биохимической деятельности микроорганизмов являются основой для получения широкого класса продуктов биотехнологии.

Преимущества биотехнологических процессов. По сравнению с химической технологией биотехнология обеспечивает следующие основньїе преимущества:

Например, с помощью микроорганизмов в ферментере обьемом 300 м3 за сутки можно выработать 1 т белка. Чтобы такое же количество белка в сутки выработать с помощью крупного рогатого скота, нужно иметь стадо 30000 голов. Если же использовать для получения такой скорости производства белка бобовые растения, например, горох, то потребуется иметь поле гороха площадью 5400 гектаров.

3.2. Природоохранные технологии

Особую важность для экологии представляют природоохранные технологии. То есть не технологии вообще, а конкретные технологии, направленные на ликвидацию того или иного вредного воздействия на окружающую среду.

Не претендуя на широту обобщений, можно предложить некоторый перечень видов природоохранных технологий [2,3]:

  1. Очистка и обезвреживание отходящих газов.

  2. Очистка сточных вод.

  3. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов.

  4. Рекультивация загрязненных территорий и акваторий.

  5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве.

  6. Замещение энергетических ресурсов новыми экологически чистыми источниками энергии из возобновляемого сырья.

  7. Реализация систем замкнутого водопользования.

  8. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов.

  9. Экологически чистая геотехнология.

  10. Экологический мониторинг техногенных воздействий на окружающую среду.

Многие из перечисленных природоохранных технологий могут быть реализованы с использованием способов и процессов биотехнологии. В силу специфики биотехнологических процессов, остановимся более подробно на роли биотехнологии в осуществлении перечисленных выше природоохранных технологий.

  1. Очистка сточных вод. Здесь биотехнология практически вне конкуренции. Наряду с открытыми еще в начале века системами аэробной и анаэробной очистки с использованием аэротенков, других специальных видов биоокислителей, биофильтров и метантенков, работающих на естественных биоценозах, разрабатываются адаптированные к различным загрязнениям консорциумы микроорганизмов, пригодные для переработки особо токсичных отходов, системы биосорбции тяжелых металлов и многое другое.

  2. Переработка, обезвреживание и утилизация твердых отходов. Начало этим технологиям было положено способами переработки избыточного активного ила, накапливающегося при работе станций биологической очистки стоков. Такой ил часто сам является серьезным источником загрязнения окружающей среды. Методы метанового брожения с получением горючего биогаза и удобрений, а также методы биокомпостирования в аэробных условиях, используемых для переработки активного ила, были затем использованы для переработки навоза, окультуривания свалок и превращения их в установки по биопереработке отходов. Разрабатываются также методы биологической переработки отработанных полимерных материалов, таких как сельскохозяйственные пленки, биодеградации нефтесодержащих осадков, биорегенерации резины отработанных шин с получением каучука-регенерата. Перечень перерабатываемых с помощью биотехнологии отходов растет, т.к. почти для каждого вещества можно подыскать микроб, для которого это вещество является субстратом.

  3. Очистка и дезодорация газовых выбросов и глобальное кондиционирование атмосферного воздуха. Наряду с традиционными системами для очистки газовых выбросов все чаще используются биоскрубберы в жидкофазном и твердофазном исполнении с использованием иммобилизованных микроорганизмов. Разрабатываются также «превентивные» системы, снижающие содержание серы в используемом топливе, чтобы не допустить выброса в атмосферу окислов серы. Среди таких систем – биотехнологические способы обессерирования каменного угля и нефти, которые интенсивно разрабатываются в ряде стран. Важной экологической проблемой является снижение содержания углекислоты и повышение содержания кислорода в атмосферном воздухе (борьба с пресловутым «парниковым эффектом»). Сегодня мы с горечью констатируем, что зеленый покров планеты, который помогает в решении этой проблемы, неумолимо сокращается. Надо думать о новых способах восстановления газового баланса. В космических системах жизнеобеспечения ужу опробовано применение для этих целей культивирования микроводорослей хлореллы. Может быть, будут найдены и другие разновидности водорослей, что позволит вместо зеленых насаждений организовывать плантации микроводорослей, очищающих атмосферу и одновременно дающих кормовой или даже пищевой продукт.

  4. Биоремедиация загрязненных территорий. Развитие цивилизации часто сопровождается образованием техногенных пустынь – территорий, загрязненных различными вредными веществами. На слуху прежде всего нефтяные загрязнения, но список загрязнителей достаточно велик. Смыслом биоремедиации является очистка этих загрязнений с помощью микроорганизмов, вносимых в почву, или путем активизации деятельности аборигенной почвенной микрофлоры. Это – специальный вид технологии, несколько напоминающий сельскохозяйственные. Они включают рыхление и вспашку почвы, увлажнение или осушение, внесение удобрений и структураторов почвы. Выполняются работы либо по месту загрязнения, либо с вывозом грунта на специально оборудованные участки. В 1997г. в Германии состоялась первая международная конференция по биоремедиации. Спектр загрязняющих веществ, по которым проводятся работы, весьма велик. Это нефтепродукты, полиароматические углеводороды, нитроаромтаика, нитроцеллюлоза, тринитротолуол, нафталин, антрацен, фенантрен, полиалкилводород, бифенилы, иприт и другие ОВ, гептил, ионы металлов – хром, свинец, никель, цинк и многое другое.

  5. Стабилизация окружающей среды при сельскохозяйственном производстве. При выращивании сельскохозяйственных растений современные технологии оказывают серьезное воздействие на окружающую среду. Минеральные удобрения, например, вымываются из почвы и приводят к эвтрофикации водоемов. Еще хуже ситуация с химическими пестицидами и инсектицидами, которые могут оставаться и в конечных продуктах сельского хозяйства – зерне, оовщах, фруктах. Не решена окончательно проблема утилизации больших количеств накапливающейся соломы. Биотехнология предлагает для решения этих вопросов биоудобрения, биоинсектициды, феромоны, технологии биоконверсии соломы с получением белкового корма твердофазной ферментацией, специальные силосные закваски для силосования трав. Имеются сообщения о биотехнологических способах деградации отработанных полимерных пленок и мульчи. С животноводством связаны биодеградация и метановое сбраживание навоза с получением удобрений и биогаза, пробиотики и ростовые гормоны для животных, кормовые антибиотики и вакцины животных, кормовой белок, получаемый микробиологическим способом из различных источников сырья, в основном отходов. Современная биотехнология и генная инженерия позволяет использовать получаемую из изолированных культур ткани безвирусную рассаду картофеля и других культур, трансгенные растения и животных с измененными характеристиками, обеспечивающих высокую хозяйственную продуктивность и экологичность сельскохозяйственного производства.

  6. Замещение энергетических ресурсов. В этой области можно отметить следующие возможности биотехнологии:

  1. Реализация систем замкнутого водопользования. В таких системах отработанные водные потоки очищаются внутри самого производства, и очищенные – вновь используются в производстве. На Киришском биохимическом заводе, например, за счет такого решения удалось полностью исключить сброс промышленных стоков в водоемы. Интересно, что при этом снизились расходы и другого сырья – аммонийных и фосфорных солей, которые не сбрасывались в водоемы, а повторно использовались. При достаточно больших концентрациях органических загрязнений в отработанных потоках в системах замкнутого водопользования должна быть биотехнологическая стадия отработки воды.

  2. Замещающие технологии экологически чистых материалов и продуктов. Этот раздел по существу касается многих продуктов разного назначения, производимых биотехнологией и имеющих свойства, снижающие экологическую нагрузку на природу. В качестве первого примера можно привести биоразлагаемые полимеры (полиоксибутират, полилактат), разлагающиеся с помощью почвенной микрофлоры и тем самым выгодно отличающиеся от полиэтилена, полипропилена, упаковка из которых создает ясно выраженную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Можно также отметить биоудобрения и биоинсектициды, стиральные порошки с ферментами. Созданы биопрепараты против комаров, которые заражают их личинки и препятствуют размножению, и в то же время не оказывают воздействия на человека и окружающую среду, чем выгодно отличаются от химических средств. Конкурируют с обычными пищевыми продуктами такие продукты биотехнологического происхождения, как глюкозо-фруктозные сиропы, получаемые ферментативной обработкой крахмалистого сырья, подкислители – лимонная, молочная и другие органические кислоты, пищевые красители и биоконсерванты микробного происхождения (низин, дигидроксиацетон), пищевкусовая добавка – глутамат натрия, подсластители типа аспартама (в 200 раз слаще сахара), есть даже попытки создать мясо из мицелиальной биомассы съедобных грибов.

  1. Биогеотехнология. При добыче природных ископаемых биотехнология также имеет ряд точек приложения.

  1. Биомониторинг воздействия техногенных факторов на окружающую среду. Чаще всего с помощью биологических методов мониторинга контролируют интегральное воздействие загрязнителей на окружающую среду. Наиболее известным примером такого мониторинга является определение БПК – биологической потребности в кислороде, характеризующего собой «обобщенный субстрат» для активного ила или «обобщенный загрязнитель» с точки зрения чистоты воды. Подобного рода интегральных биотестов существует множество, и они продолжают разрабатываться. В иммунодиагностикумах, например, используются свойства антител животных клеток связывать строго определенные виды белков и других биополимеров.

Наконец, концентрации многих загрязняющих веществ определяются с помощью биосенсоров, основанных на специфических реакциях ферментов с измеряемым веществом. Здесь уже определяется не интегральное воздействие, а конкретная концентрация конкретного вещества.

3.3. Технологические системы

Технологическая система (ТС) – совокупность взаимосвязанных материальными, энергетическими и информационными потоками аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность операций для получения товарного продукта [2].

Элементами ТС являются условно неделимые единицы – технологические аппараты, в которых осуществляется целенаправленное протекание технологических процессов физической, химической и биологической природы.

Между элементами ТС имеется функциональная связь. Они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой в виде материального, энергетического и информационного обмена.

Технологическая система изображается в виде технологической схемы. В качестве примера на рис. 3.1 приведена упрощенная технологическая схема производства белково-витаминного концентрата (БВК) из н-парафинов нефти8. Схема включает в себя ряд основных стадий производства, в которых происходит последовательная переработка исходного сырья в целевой продукт.


Рис. 3.2. Упрощенная технологическая схема производства белковой биомассьы дрожжей из

н-парафинов иефти:

Асвежая вода; Б воядух; В — культурзльная жидкость; Г — бнологически очищенная вода; Д суспензия ммкроорганизмов; Е — сгущенная биомасса; Ж отработанный газ;

Iподготовка засевной биомассы; II — подготовка питатгльной мннсральной срсды, III водготовка субстрата; IV ферментация, V — сепарационное сгущсние; VI термообработка н выпарка»; VII — сушка; VIII — биохнмическая очистка; IX стерилизацня


Стадия подготовки засевной биомассы обеспечивает подачу в производственные биореакторы необходимого количества посевного материала — активной культуры микроорганизмов, выращенной в периодических или непрерывно работающих инокуляторах. На стадии подготовки минеральной питательной среды осуществляется растворение минеральных солей, фильтрация растворов и доведение концентраций злементов в них до заданных соотношений. В качестве минеральных источников питання используют сернокислые соли калия, магния, железа, аммофос, сульфат аммония, а также микрозлементы— соли марганца, цинка, железа и меди. Подготовка углеводородного субстрата (стадия III) включает процессы подогрева, перемешивания жидких парафинов и их дозированной подачи в производственные биореакторы.

Основной стадией биохимического производства является IV ферментация, представленная несколькими (в зависимости от мощности производства) параллельно работающими биореакторами, в которых осуществляется непрерывный процесс выращивания биомассы микроорганизмов в условиях азрации и перемешивания ферментационной среды. Отбираемая суспензия микроорганизмов поступает на стадию сгущения V, где с помощью сепараторов концентрируется (в одну или две стадии) и затем поступает на стадию теплообработки и выпарки VI для дальнейшего концентрирования. Готовий продукт — белковая биомасса микроорганизмов — получается на стадии сушки VII, куда подается упаренная суспензия микроорганизмов. Одновременно с сушкой может осуществляться гранулирование продукта в сушилках — грануляторах. Культуральная жидкость или непосредственно, или после стадии биохимической очистки VIII может повторно использоваться в процессе после осуществления химической или тепловой стерилизации (стадия IX).

В представленной схеме наглядно видно многообразие технологических злементов, их взаимосвязь и целенаправленное функционирование. Так, из схемы ясно, что одна из основних стадии — стадия ферментации — будет работать зффективно лишь в том случае, если качественно функционируют стадии подготовки сырья и засевной биомассы. В то же время работа стадии ферментации во многом определяет работу последующих стадий — сгущения, сушки, очистки. Имеющиеся замкнутые циклы по жидкостным и газовым потокам создают возможность обратного влияния на процесе ферментации процессов подготовки снрья, сгущения и обработки биомассы. Использование, например, отработанной культуральной жидкости на стадии ферментации представляется выгодным и целесообразннм с точки зрения минимизации потребления свежей воды.

Из рассмотренного примера следует, что анализ и синтез оптимальной технологической схеми, отвечающей високим требованиям современного производства, невозможен без рассмотрения работы системы в целом, без учета взаимодействия злементов системы. Последнее возможно только при высокой степени формализации функционирования системы с использованием количественннх оценок. При этом зффективность производства будет определяться как условиями взаимодействия между злементами системи — технологическими аппаратами, так и качеством функционирования самих аппаратов.

Условное графическое изображение последовательности технологических стадий при получении продукта называется блок – схемой.

Рассмотренная выше технологическая схема производства БВК может быть представлена в виде следующей блок-схемы (рис. 3.3):


I подготовка засевной биомассы




II – подготовка минерального сырья







III – подготовка углеродного субстрата


Рис. 3.3. Блок-схема производ-

ства БВК



VIII – биохимическая очистка

IX -–стирилизация



Современнне технологические линии и производства, характеризующиеся сложной многоуровневой структурой взаимосвязей зффектов физической, химической и биологической природи, наличием прямих и обратннх потоков между технологическими аппаратами, могут рассматриваться как сложнне кибернетические системи, при изучении которых используется стратегия системного анализа. На зтой основе осуществляется синтез cхем с применением методов автоматизированного расчета и оптимального проектирования ТС.

С позиций системного анализа решаются задачи математического моделирования на ЭВМ, при зтом полная математическая модель системы может быть представлена в виде иерархической структурной модели, где на каждом уровне имеется описание своего класса явлений. Применение такого подхода к изучению сложннх ТС позволяет целенаправленно использовать и систематизировать исследования, получаемые в лабораторных, опытних и промышленннх условиях для разработки модели ТС в целом. Полученная таким образом математическая модель используется затем для оптимизации производства при его функционировании, а также на стадии проектирования производств
ЛИТЕРАТУРА

  1. Бирюков В.В. Роль биохимических технологий в задачах экологии. В кн. Материалы конференции «Основы экологической безопасности» /Под ред. Г.А. Богдановского, Н.А. Галактионовой. «Научные труды МНЭПУ». Вып. 4. Серия: «Реймерсовские чтения». – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – с. 45 – 51.

  2. Кафаров В.В. и др. Моделирование и системный анализ биохимических производств. – М.: Лесн. Пром-сть, 2985. – 280 с.

  3. Радионов А.И. и др. Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики/: Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 3-е изд. Перераб. И доп. – Калуга: Изд-во Технологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики/: Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 3-е изд. Перераб. И доп. – Калуга: Изд-во . Бочкаревой, 2000. – 800 с.



Раздел 4. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Из чрезвнчайно большого числа технологических процессов9 путем группирования внделяется ограниченное число основних процессов, включающих гидромеханические, тепловые, массообменные, химические (биохимические), механические процессы.

4.1. Классификация основных технологических процессов

Технологические процессы разделяют в зависимости от закономерностей, характеризующих их протекание, на пять основних групп.

Первая группа — гидромеханические процессы, скорость которнх определяется только законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенннх в жидкой или газообразной среде частиц под действием силы тяжести, центробежной силы или сил злектрического поля, фильтрование жидкостей или газов через слой зернистого материала, происходящее под действием разности давлений, перемешивание в жидкой среде и др.

Вторая группа — тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. В зту группу входят процессн нагревания, вьшаривания, охлаждения и конденсации.

Третья группа — массообменные (диффузионные) процессы. Скорость зтих процессов определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую, т. е. законами массопередачи. К диффузионннм процессам относятся абсорбция, зкстракция, ректифика-ция, адсорбция, сушка и др.

Четвертая группа — химические (биохимические) процессы, связанние с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической (биохимической) кинетики.

Пятая группа — механические процессы — включает измельчение материалов, классификацию однородних сьшучих материалов и смешение их.

Как видно из изложенного, в основе классификации технологических процессов лежат кинетические закономерности10. В соответствии с указанным делением процессов целесообразно-классифицировать и аппаратуру по следующим группам:

1. Гидромеханические аппараты.

2. Тепловие аппараты.

З. Массообменные аппараты.

4. Реакторы — аппараты для осуществления собственно химических (биохимических) превращений.

Вне зависимости от кинетических закономерностей должна быть выделена группа машин и аппаратов для проведення механических процессов (измельчение, классификация и смешение твердих тел).

4.2. Кинетические закономерности основных технологических процессов

Особое значение имеет изучение кинетических закономерностей процессов, так как без знання их не представляется возможным рассчитать основные размеры аппаратов.

Кинетические закономерности перечисленннх выше групп основных технологических процессов могут быть сформулированны в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Назвавивеличину, обратную сопротивлению, коэффициентом скорости, запишем основные кинетические уравнения.

Для движения потока материалов (жндкости или газа) через аппарат:

(4.1)

где V — обгем протекающей жидкости; f— площадь сечения аппарата; ? — время; К1коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению R1); ?P — перепад давлення в аппарате. Для движения (переноса) тепла:

(4.2)

где Q — количество переданного тепла; F — поверхность теплообмена; ? — время; К2козффициент теплопередачи (величина, обратная термическому сопротивлению R2); ?t — средняя разность температур между обменивающимися теплом материалами. Для переноса вещества из одной фазы в другую:

(4.3)

где М — количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую; Р — поверхность контакта фаз; ? — время; К3козффициент массопередачи (величина, обратная диффузионному сопротивлению R3); — разность концентраций вещества в фазах.

Козффициенты скорости различннх процессов зависят главным образом от условий движения потоков материалов, поэтому вывод всех кинетических закономерностей основывается на законах движения материальных потоков.

Изучение законов движения реальных газов и жидкостей дает возможность познать не только эти законы, но попутно усвоить и метод изучения таких сложных технологических процессов, как теплообмен и массообмен. Все это является предметом изучения инженерного курса «Процессы и аппараты» (см., например, [1, 3, 4] и, естественно, в настоящем пособии не рассматривается.

Современный метод изучения сложных технологических процессов, разработанный школой отечественных ученых, объединяет теоретический анализ с практическим опытом. Описивающие процесе дифференциальние уравнения, которые выводятся теоретическим путем, на основе теории подобия преобразовиваются в обобщенные (критериальные) уравнения. Последние по опытным данннм приводятся к расчетному виду.

4.3. Процессы периодические, непрерывные, полуперидические.

По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические, непрерывные и полупериодические (полунепрерывные).

В периодическом процессе отдельные его стадии (или операции) осуществляются в одном месте (в одном аппарате или машине), но в разное время. Загрузка-выгрузка – единовременная.

В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах или машинах). Загрузка-выгрузка – непрерывная.

Полупериодические процессы являются промежуточным вариантом между периодическими и непрерывными процессами. Загрузка (выгрузка) – единовременная, а выгрузка (загрузка)-– непрерывная. Эти процессы получили большое распространение в биохимических технологиях, когда, например, единовременная загрузка всего исходного сырья (субстрата) не возможна в силу специфической особенности утилизации субстрата – субстратному ингибированию роста микроорганизмов.

Для примера рассмотрим процесе, который складивается из стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, нагревания его, перемешивания, охлаждения й выгрузки из установки готового продукта. Этот процесе может осуществляться периодически или непреривно.

При периодическом осуществлении процесса все перечисленные стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соответствующим образом приспособлен для



Конденсат




Рис. 4-1. Аппарат для осуществления периодического процесса:

1 — корпус; 2 — паровая рубашка; 3 — мешалка; 4 — змеевик



Готовый

продукт

этого. Исходный материал загружается (рис. 4.1) внутрь аппарата. После загрузки материал нагревается водяным паром, который подается в рубашку 2. Пар отдает тепло перерабатнваемому материалу через стенку корпуса 1 и при зтом конденсируется; конденсат отводится через нижний патрубок в рубашке. Стадия перемешивания осуществляется при вращении мешалки 3. После перемешивания следует охлаждение материала водой, которая подается в змеевик 4. Готовий продукт выгружается через патрубок в днище аппарата.


Рис. 4.2. Схема установки для осуществления непрерывного процесса: 1 — теплообменник-нагреватель; 2 — аппарат с мешалкой; 3 — теплообменник-холодильник.

При непрерывном осуществлении процесса все стадии протекают одновременно в различных аппаратах (рис. 4.2). Материал непрерывно загружается в установку, состоящую из ряда специализиро-ванннх аппаратов. Нагревание его происходит в теплообменнике 1 времешивание в аппарате с мешалкой 2, охлаждение в холодильнике 3. Готовый продукт непрернвно внводится из холодильника.

Для более четкой характеристики периодических и непрернвных процессов используют следующие понятия й обозначения.

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой операции (стадий) иепрерывного процесса, стабилизация процесса во времени, улучшение качества продукта, легкость регулировки и, главное, возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется неизменная тенденция перехода от периодических процессов к непрерывным.

Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера движения и изменения параметров перерабатываемых материалов делят на аппараты полного смешения, аппараты полного витеснения и аппараты промежуточного типа.

При проведений процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значення параметров перерабатнваемых материалов. Параметрами, характеризующими процесе, являются давление, плотность, скорость потока перерабатываемого материала, концентрация, температура, знтальпия и другие.

Проанализируем характер изменения значений параметра, обусловливающего движущую силу процесса, в непрерывно действующих аппаратах полного смешения, полного витеснения и промежуточного типа. Рассмотрим в качестве примера процесс нагревания жидкости (от температуры tн до tк) конденсирующимся паром (пмеющим температуру ts) через разделяющую их стенку. Определим характер изменения температуры нагреваемой жидкости в непреривно действующих аппаратах различннх типов.

В аппарате полного внтеснения (рис. 4-3, а) температура жидкости плавно меняется по длине (высоте) l аппарата от начальной tн до конечіюй tк в результате того, что протекающие через аппарат последующие обьемs жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их.

В аппарате полного смешения (рис. 4.3, б) последующие и предыдущие объемы жидкости идеально смешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной величине tк.


ts

tн




ts



tk

Tконд=ts

ts

tk

ts

tk



tk


tн

tн

tн

a

б

в




Рис. 4.3. Характер измецения температуры при нагревании жидкости в аппаратах

а – полного вытеснения; б - полного смешения; в – промежуточного типа.

Как видно из изложенного, в аппаратах перечисленных типов различен характер изменения температур нагреваемой жидкости.

Движущая сила процессов представляет разность между предельным численным значением параметра и действительным значением его, например, разность между предельной в рассматриваемом процессе температурой и действительной — рабочей. Пусть зто предельное значение температуры равно ts, а действительное t, тогда движущая сила процесса может быть выражена разностью t – ts.

На рис. 4.3 показано изменение движущей сили (разности температур) в непрерывно действующих аппаратах различных типов. Среднее для процесса значение движущей силы пропорционально величинам заштрихованных площадей.

Как видно из рисунка, наибольшая величина движущей силы соответствует аппаратам полного вытеснення, наименьшая — аппаратам полного смешения и промежуточная – аппаратам промежуточного типа.

4.4. Гидромеханические процессы

В различных химических и нефтехимических производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, подлежащих разделению, с целью очистки газовой или жидкой фазы от взвешенных в них загрязняющих частиц или выделения ценных продуктов. Часто встречаются задачи противоположного характера – получение смесей веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Решение обоих задач основывается на законах гидродинамики.

Гидромеханические процессы – технологические процессы, скорость протекания которых определяется законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием сил тяжести, центробежной силы или сил электрического поля, фильтрование жидкостей или газов через слой зернистого материала, происходящей под разностью давлений, перемешивание в жидкой среде, псевдоожижение твердого зернистого материала.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


ЛИТЕРАТУРА
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации