Глава 4. Приборы измерения и контроля

загрязняющих веществ.......................................................... 284

4.1. Сведения по метрологии............................................ 286

4.2. Приборы 1-го уровня.................................................... 292

4.3. Приборы 2-го уровня.................................................... 298

4.4. Приборы 3-го уровня.................................................... 319

Приложения........................................................................ 321

Литература............................................................................. 332

Локальной экосистеме — семье автора: жене, Татьяне Яковлевне, и дочерям, Ольге и Юлии Голицыным, — посвящаю

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Промышленная экология» и «Мониторинг загряз­нения природной среды» — главные учебные дисципли­ны в подготовке специалистов-экологов в учреждениях среднего экологического образования; наряду с курсом «Экологическая экспертиза» они включены в Государст­венный выпускной экзамен по специальности 3201 «Ох­рана окружающей среды и рациональное природопользо­вание».

Настоящий учебник соответствует примерным про­граммам Государственного образовательного стандарта по специальности 3201 нового поколения (2004 г.). Эти про­граммы претерпели значительные изменения и по обще­му количеству учебных часов (а следовательно, по объему учебного материала), и по содержанию, и по современно­му подходу к изучению экологии, и по описанию новых экологических приборов. Впервые в учебник включен раздел «Процессы и аппараты защиты природной среды», в котором описаны методики расчета аппаратов. Это не только дополнит и углубит изучение промышленной эко­логии, но и повысит уровень практической подготовки специалистов-экологов среднего звена: темами их дип­ломных работ могут быть разработка и расчет тех или иных эффективных очистных сооружений.

Учебник состоит из четырех глав («Промышленная эко­логия», «Процессы и аппараты защиты окружающей сре­ды», «Мониторинг загрязнения природной среды», «При­боры измерения и контроля загрязняющих веществ») и Приложений.

Глава 2 «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» дополняет главу 1 «Промышленная экология»; глава 4 «Приборы измерения и контроля загрязняющих веществ» является практическим руководством к главе 3:

без знания экологических приборов невозможно проведе­ние мониторинга загрязнения природной среды. В При­ложениях приведен практический материал, необходимый в работе специалистов-экологов (ПДК загрязняющих ве­ществ, формы экологической отчетности, промышленные источники выброса вредных веществ и т. п.).

Спецификой подготовки специалистов среднего звена является постановка акцента на практическом примене­нии знаний, что учтено автором при работе над учебни­ком. В дальнейшем было бы целесообразным для каждой из дисциплин разработать лабораторные практикумы, так как ввиду ограниченного объема учебника нет возмож­ности привести подробные рекомендации по проведению производственной практики, лабораторных работ и прак­тических занятий.

При разработке учебника был обобщен многолетний опыт преподавания автором экологических дисциплин в учебных заведениях среднего экологического образования.

При написании главы 1 использованы материалы про­фессора РХТУ им. Д.И. Менделеева В.А. Зайцева (по со­гласованию с ним) и несколько схем из наглядного посо­бия Д. Квасничковой и В. Камины; глава 2 написана при участии Н.С. Кухарь; при написании главы 4 автор ис­пользовал ряд наработок Е.А. Мухиной.

Автор глубоко благодарен В.А. Зайцеву, А.И. Радионову, Д. Квасничковой, И.И. Мазуру, Н.С. Кухарь, В.Д. Вало­вой, А.А. Бэккеру, Т.В. Акаеву, В.В. Тарасову, Н.Е. Кручи-ниной, Е.А. Мухиной, А.Г. Муравьеву, В.Н. Денисову.

В создании учебника неоценимую помощь автору ока­зали академики )Н.Н. Моисеев) и А.Г. Назаров; разработ­чики утвержденных примерных программ Государствен­ного образовательного стандарта по специальности 3201 Г.М. Яровая, Е.С. Андреева, Е.Р. Егорова, Н.Т. Голови-

на. Автор выражает признательность 1Е.И. Николаевой А.В. Николаеву, М.Н. Бурлаковой и Т.Я. Голицыной — за помощь в подготовке рукописи.

Автор с благодарностью примет пожелания и замеча­ния в адрес настоящего учебника.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время экологическую ситуацию в мире и в России можно оценить как неблагоприятную. По образ­ному выражению академика Н.Н. Моисеева, колебания экологического маятника, закрепленного уже не сверху, а снизу, становятся невозвратными, неустойчивыми. Если маятник закреплен сверху, то после воздействия на него он возвращается в спокойное вертикальное состояние. Если же маятник закреплен снизу, после толчка он может отклониться настолько, что в вертикальное состояние уже не сможет вернуться; ему нужны подпорки. По мнению Н.Н. Моисеева, одна подпорка уже есть — это общечело­веческие табу (законы и запреты, в том числе религиоз­ные). Вторую подпорку — экологическую — человечеству еще необходимо создать. Ею может стать всемирный за­прет: «Не навреди природе, в которой живешь!» Только в этом случае человечество может жить в условиях устойчи­вого равновесия.

Буквально за одно прошлое столетие перед человечес­твом возник ряд мировых проблем, вызванных техничес­ким прогрессом. Наиболее значительные из них:

— парниковый эффект. Вызван колоссальным вы­бросом в атмосферу промышленными предприятиями и транспортом трехатомных газов (главным образом дву­окиси углерода) и пыли. Землю окутывает «одеяло» из газов, лучи Солнца не переизлучаются от Земли в кос­мос, что приводит к потеплению климата и таянию лед­ников;

— озоновые дыры. Расположенный в верхней части
атмосферы щит Земли — слой озона — препятствует
попаданию на Землю ультрафиолетовых лучей Солнца.
Но под воздействием соединений фтора и хлора, а так­
же оксидов азота озоновый слой разрушается, что чре­
вато очень опасными для здоровья человека послед­
ствиями, в частности заболеванием раком кожи — ме-
ланомой;

— кислотные дожди. Их «инициатором» являются кис­
лые газы (оксиды серы, азота и углерода). Такие дожди
отрицательно влияют на людей, животных, раститель­
ность, в частности приводят к заболеваниям человека, к
снижению урожайности сельскохозяйственных культур,
вызывают коррозию металлов;

— радиация. Чтобы оценить потенциальную опасность
ядерной энергии, достаточно вспомнить Хиросиму и На­
гасаки, а также катастрофу на Чернобыльской АЭС;

— опустынивание земель и засоление почвы. Выпадаю­
щие на Землю вредные вещества, а также загрязненная
вода, попадающая в почву, в значительной степени
обедняют ее, делают непригодной для возделывания.
Промышленная и «дикая» вырубка лесов приводит к
образованию пустынь и вырождению целых экологичес­
ких систем, к гибели различных видов животных и рас­
тений.

Все перечисленные беды Земли связаны с ростом про­мышленного производства и увеличением количества транспортных средств.

Сегодня недостаточно только знать о ноосфере и тро­фических цепях — надо иметь понятие об очистных со­оружениях и уметь их создавать и рассчитывать, как не­достаточно родить ребенка — его надо защищать и на­учить выживанию. Недостаточно вырастить дерево — необходимо вырастить минимум сорок деревьев (вместе со студентами автор посадил на пустырях Москвы около двух тысяч саженцев).

ю

При изучении промышленной экологии необходимо прежде всего обратить внимание студентов на техно­логические процессы тех отраслей промышленности и транспорта (с точки зрения экологов, промышленность и транспорт неразделимы), которые загрязняют природу в большей степени. Наибольший «вклад» в загрязнение окружающей среды вносят энергетика, металлургия, хи­мическое производство, промышленность строительных материалов, транспорт, особенно в мегаполисах.

Естественно, в рамках одной дисциплины изучить все технологии невозможно, но существуют общие законо­мерности их экологического совершенствования, о кото­рых должен знать эколог-практик: принципы создания экологически чистых производств, рациональное исполь­зование отходов производства, применение водооборот-ных циклов, наболее эффективные способы захоронения ядовитых отходов, создание территориально-производствен­ных комплексов и т. д.

Специалист-эколог среднего звена должен знать клас­сификацию загрязняющих веществ и их предельно допус­тимые концентрации (ПДК) с учетом специфики того или иного типа производства; конструкции эффективных аппаратов защиты окружающей среды (отстойников, скрубберов, циклонов и т. п.) и простейшие методы их расчета; порядок проведения экологического контроля на производстве, включая обнаружение с помощью прибо­ров экспресс-анализа неплановых источников вредных выбросов и способы их устранения; он должен уметь составлять экологический паспорт предприятия. Именно техники-экологи на производстве измеряют объем вред­ных выбросов и ведут экологическую отчетность. Их практический вклад на этом уровне даже более весом, чем вклад инженеров-экологов.

Мониторинг загрязнения природной среды отличается от производственного экологического контроля по мас­штабу измерений, их регулярности, а также по обобще­нию полученных данных и прогнозированию экологичес­кой ситуации.

И

В рамках дисциплины «Мониторинг загрязнения при­родной среды» выпускник учреждения среднего экологи­ческого образования должен:

— иметь представление об уровнях Единой государст­
венной системы экологического мониторинга в России
и глобальной системы мониторинга окружающей среды,
о методах прогнозирования экологической ситуации;

— знать современные методы контроля окружающей
среды; современные требования государственных стан­
дартов к состоянию атмосферы, природных вод и почвы;
показатели загрязнения воздуха, воды и почвы и основ­
ные критерии для составления перечня загрязняющих ве­
ществ, подлежащих контролю; устройство приборов эко­
логического контроля (и владеть навыками работы с ни­
ми);

— уметь оформлять отчетную экологическую докумен­
тацию при работе на стационарных и передвижных пос­
тах наблюдения.

Глава 1 ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Цель изучения курса «Промышленная экология» — освоение знаний в области защиты окружающей среды от промышленных выбросов вредных веществ в атмосферу и поверхностные воды, а также от твердых и жидких отхо­дов, загрязняющих почву.

Дисциплина «Промышленная экология» является ос­новой изучения курсов рационального природопользова­ния и охраны окружающей природной среды.

Промышленные выбросы отрицательно влияют на ок­ружающую среду. Снижение их количества и изменение (улучшение) их качества должно обеспечить охрану здо­ровья населения Земли. Необходимо оперативное вмеша­тельство в процесс загрязнения природы, иначе уже в се­редине настоящего столетия человечество может оказать­ся на грани экологической катастрофы.

Рис. 1.1. Влияние технического прогресса на развитие цивилизации

На рис. 1.1 приведена схема негативного влияния тех­нического прогресса на развитие цивилизации.

Как уже указывалось выше, основными техногенными проблемами на пороге XXI в. являются:

— парниковый эффект (причина — выбросы промыш­
ленными предприятиями и транспортом оксидов углеро­
да, азота и серы, а также пыли, золы и сажи);

— образование и расширение озоновых дыр в атмос­
фере Земли (причина — промышленные выбросы фтор-
содержащих соединений, хлора и оксидов азота);

— кислотные дожди (причина — промышленное за­
грязнение атмосферы оксидами азота, серы и углерода);

— радиация (причина — выбросы атомными электро­
станциями изотопов урана, стронция, йода и других ра­
диоактивных веществ);

— опустынивание земель и засоление почвы (причина —
отрицательное влияние на окружающую среду кислотных
дождей и твердых отходов производства).

Рис. 1.2. Круговорот азота и его соединений в природе

На рис. 1.2 показан техногенный круговорот вредных веществ в природе на примере соединений азота.

Академик В.И. Вернадский в работе «Химическое стро­ение биосферы Земли и ее окружение» писал: «Ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не нахо­дится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связа­ны — прежде всего питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее природ­ных условий они существовать не могут». Вода, воздух и земля имеют свойство поглощать и очищать ядовитые вы­бросы. Однако в настоящее время этому наступил предел.

На рис. 1.3 показана схема взаимосвязи человека с окружающей средбй. Из схемы видно, что в результате взаимодействия человека с воздухом, водой и почвой возникают промышленные и бытовые отходы, которые после очистки и переработки возвращаются в окру­жающую среду, однако их ценность с точки зрения удовлетворения запросов человека в значительной мере снижается.

Рис. 1.3. Схема взаимодействия человека с природой: газообразная среда;-------------- жидкая среда;--------------- твердая среда; ............. взаимосвязь

Технология включает конкретные технологические системы (ТС). Для окружающей среды наиболее вредо-

носными являются следующие ТС: энергетика, транспорт (особенно автомобильный в крупных городах), металлур­гия, химическое производство, строительная промышлен­ность, сырьевое производство.

К сожалению, на производство необходимой для чело­века продукции затрачивается только 2% сырья, все ос­тальное превращается в отходы; некоторые из них ток­сичны (опасны для здоровья). На каждого жителя разви­тых стран приходится около 20 т сырья в год, а расходы на обезвреживание и переработку отходов достигают 10% от суммарных расходов на производство продукции.

Проблему рационального природопользования подраз­деляют на две части: защиту окружающей среды от за­грязнения отходами производства и быта; повторное ис­пользование материальных и энергетических ресурсов — их называют вторичными материальными ресурсами (BMP) и вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР). Идеально было бы организовать производство так, чтобы в масштабах завода, региона, страны основными были BMP и ВЭР, а первичное сырье шло бы только на вос­полнение потерь и расширение производства.

Промышленная экология — это наука, которая изуча­ет экономическую деятельность людей и управление ма­териальным производством во взаимосвязи с фундамен­тальными биологическими, химическими и физическими глобальными системами. Предмет изучения промышлен­ной экологии — эколого-экономические и эколого-пра-вовые системы. В отличие от других экологических наук промышленная экология является наиболее функци­ональной, так как рассматривает взаимосвязь материаль­ного (промышленного) производства со средой обитания человека.

В природе 90% энергии расходуется на разложение и возвращение веществ в биогеохимический кругооборот, в системе же взаимодействия человека с природой основ­ное количество энергии используется в производстве и потреблении необходимой человеку продукции, а матери­альное сырье в основном превращается в отходы.

Промышленная экология решает проблемы рациональ­ного использования природных ресурсов, предотвращения (на первом этапе — ограничения) загрязнения окружаю­щей среды, совмещения техногенного и биогеохимиче­ского кругооборотов веществ. Иначе говоря, промышлен­ная экология служит средством обеспечения устойчивого функционирования эколого-экономических систем.

Перед промышленной экологией поставлены и такие за­дачи, как контроль загрязнения окружающей среды (и как высшая форма контроля — мониторинг), анализ экологи­ческой ситуации. В широком понимании контроль вклю­чает в себя инвентаризацию материальных и энергетиче­ских ресурсов, качественную и количественную оценку влияния человека на окружающую среду и поиск путей снижения отрицательного воздействия на нее промыш­ленности. К числу задач промышленной экологии отно­сятся также: определение и ранжирование отраслей-за­грязнителей и источников загрязнения; поиск путей снижения вредных выбросов источниками загрязнения с учетом снижения материальных затрат на природоохран­ную деятельность; прогнозирование последствий хозяйст­венной деятельности; экологизация промышленных тех­нологий; очистка воздуха и воды; решение проблем ис­пользования или захоронения твердых промышленных и бытовых отходов, а также эколого-экономическая экспер­тиза вновь принимаемых проектов и технических решений.

Средства решения задач, стоящих перед промышлен­ной экологией, включают в себя современные достиже­ния науки и техники, экономические рычаги (налогооб­ложение, стимулирование) и природоохранное законода­тельство (еще Платон выдвигал принцип: «Кто загрязняет, тот и платит»).

Для комплексного решения экологических проблем создаются территориально-производственные комплексы (ТПК) и эколого-промышленные парки, в которых реализу­ются следующие методы, применяемые в промышленной экологии:

— предупреждение отрицательного влияния производ­ства на окружающую среду;

— эффективное использование сырьевых и энергети­
ческих ресурсов, в том числе BMP и ВЭР;

— учет последствий принятых решений;

— планирование производства с учетом экологических
ограничений;

— управление качеством окружающей среды;

— наблюдение за всеми технологическими процесса­
ми — от переработки сырья до захоронения отходов;

— применение малоотходных процессов (к сожалению,
создание идеальных безотходных процессов в настоя­
щее время невозможно);

— рециркуляция ресурсов.

С точки зрения экологии в природе материальные по­токи являются замкнутыми, в то время как в промышлен­ности эти потоки рассредоточены и характеризуются ма­лыми концентрациями полезных веществ в отходах, что мешает их эффективному использованию.

Важнейшие направления промышленной экологии — экологизация технологий, создание малоотходных про­цессов, очистка от вредных примесей атмосферы и вод­ных ресурсов, переработка твердых отходов (или их захо­ронение), использование экономических и правовых ры­чагов для охраны окружающей среды.

Отсюда очевидны значение и роль промышленной экологии в современном мире. Как метко выразились И. Ильф и Е. Петров, не надо объявлять кампанию по уборке мусора: надо взять метлу и подмести улицу.