Рассеивание вредных веществ в атмосфере

1 - зона неорганизованного загрязнения
2 - зона переброса факела (небольшие концентрации загрязняющих веществ)
3 - зона задымления (на расстоянии 10-40 H_min)
4 - зона снижения уровня загрязнения

При расчете рассеивания примесей в атмосферном воздухе:

1. Для определения опасности загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха (высота до 2 метров) рассчитывают наибольшую концентрацию этих веществ в расчетной точке (на пром. площадке или в жилом районе), соответствующей наиболее неблагоприятным метереологическим условиям. Расчетами определяются разовые концентрации, относящиеся к 20-минутному интервалу усреднения.

2. Наибольшая допустимая концентрация C_m каждого вредного вещества в расчетной точке приземного слоя атмосферы на промплощадке должна отвечать условию: C_m ≤ 0,3 ПДК рз; для жилой застройки C_m ≤ ПДК ав

3. Максимальные приземные концентрации вредных веществ в местах размещения курортов, санаториев, домов отдыха, зон отдыха городов с населением более 200.000 человек не должны превышать 0,8 ПДК ав

4. Если в выбросах в атмосферу вредные вещества полностью или частично превращаются в более токсичные, то в расчетах следует учитывать образовавшиеся вещества.

2. Кумуляция, сенсибилизация, толерантность, аддитивность, синергизм и антогонизм при воздействии вредных факторов окружающей среды.

Вредное вещество может постепенно накапливаться в организме при повторных воздействиях. Это явление называется кумуляцией (или материальной кумуляцией), когда поступление вещества в организм превышает выведение его из организма.При этом может происходить также нарастание изменений биологического объекта, вызванное повторным воздействием веществ. Такое явление называется функциональной кумуляцией. В этом случае после воздействия вредного вещества не происходит полного восстановления нарушенных функций биологического объекта, и в результате накопления незначительных изменений возникает патологический процесс.Кумуляция может иметь место при комплексообразовании вредного вещества и прочном связывании его в определенном месте организма. Еще большая специфика кумулятивности наблюдается в сложных системах. В этом случае отдельные элементы системы обладают способностью концентрировать вредные вещества. Кумуляция определяется коэффициентом кумуляции, представляющим собой отношение величины суммарной дозы вещества, вызывающей определенный эффект (чаще смертельный) у 50% подопытных животных при многократном дробном введении, к величине дозы, вызывающей тот же эффект при однократном воздействии

∑ DL₅₀

К_к = ―――

DL₅₀

Коэффициент кумуляции, приближающийся к единице, указывает на резко выраженное кумулятивное действие; если его значение больше 5, то кумулятивное действие слабое. В ряде случаев, например, при аллергическом действии, наблюдается повышение чувствительности организма к воздействию вещества. Это явление называют сенсибилизацией. Сенсибилизирующим действием обладают многие лекартственные препараты, особенно антибиотики, пестициды и другие вещества, применяющиеся в сельском хозяйстве. Комбинированное действие вредных веществ – это одновременное или последовательное действие на организм нескольких веществ при одном и том же пути поступления.

Рис.4 Комбинированное действие веществ:

1 – суммация (аддитивность) – явление аддитивных эффектов, индуцированных комбинированным воздействием;2 – потенцирование (синергизм) – усиление эффекта действия, эффект больше, чем суммация;3 – антагонизм – эффект комбинированного воздействия, менее ожидаемого при простой суммации. Комбинированное воздействие может происходить как при однократном (остром), так и при хроническом воздействии ядов. При однократном действии аддитивный эффект наблюдается у веществ наркотического действия и у раздражающих газов. Причиной синергизма может быть торможение одним веществом процессов биотрансформации или метаболизма другого вещества. Антагонизм может иметь место при совместном воздействии однотипных по механизму действия вредных веществ. Так, высокие концентрации этилового спирта заметно снижают токсический эффект метилового за счет конкуренции этих спиртов при их метаболизме в организме.

3. Центрифугирование, разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.

Методы и аппаратура. Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Основной рабочий орган этих машин - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой с^-1, благодаря чему создается поле центробежных сил до 2 х 10⁴ g в промышленных и до 35 х 10⁴ g в лабораторных машинах (g - ускорение свободного падения в гравитационном поле). В зависимости от метода центрифугирование осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 1, а)или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 1, б)роторах.

Центрифугирование характеризуется рядом технологических параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения (r _рт - максимальный внутренний радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирование - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос – содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в том числе влажность осадка) после центрифугирование; крупность разделения - минимальный размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.

Кинетика центрифугирование зависит от многих факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физико-химическими cвойствами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрический состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, удельное сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамический режим зависит от производительности машины. Математическое описание потока дается уравнениями Навье - Стокса и неразрывности (см. Гидромеханические процессы), которые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.

Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, например, нефтяных масел. Сгущение - процесс, при котором частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (например, водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (например, CaSO₄).

При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы (d - диаметр частицы; - разность плотностей твердой и жидкой фаз; r - расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила S выражается законом Стокса: и где динамическая вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрированных суспензий сила S находится из уравнения: ( - коэффициент лобового сопротивления; р_ж - плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения; сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.

Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиболее эффективно для получения осадков с минимальной влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмолекулярными силами (механическая сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси - Вейсбаха; движущая сила (перепад давления ) определяется центробежным полем, действующим на суспензию: где - плотность суспензии; r _ж - радиус свободной поверхности жидкости (рис. 1, б). На оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при различных режимах; наиболее характерны режимы при постоянных и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др.; построение их математических моделей крайне затруднено.

Из-за сложности центрифугирование производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по так называемому индексу производительности подразумевая под F в первом приближении площадь боковой поверхности ротора. Физический смысл заключается в том, что по аналогии с осаждением в отстойниках производительность центрифуг также пропорциональна площади рабочей поверхности, однако за счет центробежного поля увеличивается на фактор Fr. В зависимости от конструктивных особенностей ротора для машин каждого типа определяется своим уравнением и используется при перерасчете производительности с одного типоразмера центрифуги на иной. Моделирование осуществляется при геометрическом подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса.

По сравнению с др. методами разделения (отстаивание, фильтрование) центрифугирование позволяет получать осадки с меньшей влажностью.

При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (например, в производствах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, минимальный размер частиц которой составляет 5-10 мкм. Важное достоинство центрифугирования - возможность его проведения в аппаратуре относительно малых объемов; недостаток - высокая энергоемкость.

Промышленные центрифуги различают: по принципу разделения - осадительные, фильтрующие и комбинированные; по конструктивному исполнению - преимущественно по расположению ротора и системе выгрузки осадка (шнек; толкатель, или поршень; с использованием сил инерции); по организации процесса - периодического или непрерывного действия.

центрифугирование в машинах периодического действия осуществляется циклически в роторах с иногда регулируемой ножевой или ручной выгрузкой осадка.

4. Иные общие принципы экологического нормирования формируются на основе следующих аспектов: социально-экономического (учет потребностей и реальных возможностей общества), технологического (ориентация на достижение норм), антропоэкологического (приоритетное обеспечение охраны почв, благоприятной для человека среды в целом), организационно-руководящего (роль норм в управлении экологически безопасным землепользованием), философского и общенаучного (рассмотрение норм как сложного системного образования), информационного.

С учетом изложенного, к числу основных методических принципов построения системы экологического нормирования можно отнести:

- принцип надежности – экологические нормативы должны быть научно обоснованными, максимально объективными, легко контролироваться;

- принцип иерархичности – предусматривает иерархию уровней структурной организации почв и уровней управления экологически безопасным землепользованием (местный, региональный, национальный, глобальный).

В соответствии с природоохранительным законодательством Российской Федерации нормирование качества окружающей природной среды производится с целью установления предельно допустимых норм воздействия, гарантирующих экологическую безопасность населения, сохранение генофонда, обеспечивающих рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности. При этом под воздействием понимается антропогенная деятельность, связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных интересов и вносящая физические, химические, биологические изменения в природную среду.

Определенная таким образом цель подразумевает наложение граничных условий (нормативов) как на само воздействие, так и на факторы среды, отражающие и воздействие, и отклики экосистем. Принцип антропоцентризма верен и в отношении истории развития нормирования: значительно ранее прочих были установлены нормативы приемлемых для человека условий среды (прежде всего, производственной). Тем самым было положено начало работам в области санитарно-гигиенического нормирования. Однако человек не самый чувствительный из биологических видов, и принцип "Защищен человек - защищены и экосистемы", вообще говоря, неверен. Экологическое нормирование предполагает учет так называемой допустимой нагрузки на экосистему. Допустимой считается такая нагрузка, под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды. К настоящему времени известны лишь некоторые попытки учета нагрузки для растений суши и для сообществ водоемов рыбохозяйственного назначения (несколько слов об этом будет сказано в разделе, посвященном нормированию качества воды).

Установление нормативов качества окружающей среды и продуктов питания основывается на концепции пороговости воздействия. Порог вредного действия - это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Таким образом, пороговая доза вещества (или пороговое действие вообще) вызывает у биологического организма отклик, который не может быть скомпенсирован за счет гомеостатических механизмов (механизмов поддержания внутреннего равновесия организма).

Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов. В основе санитарно-гигиенического нормирования лежит понятие предельно допустимой концентрации.

В законодательстве сформулированы общие принципы нормирования допустимого отрицательного воздействия на окружающую среду. В соответствии с Законом «Об охране атмосферного воздуха» они заключаются в том, что вредные воздействия на воздух, для которых не существует соответствующих нормативов, могут допускаться в исключительных случаях по разрешениям, выдаваемым специально уполномоченными на то государственными органами на определенный срок, в течение которого должен быть установлен соответствующий норматив.

В научной и учебной литературе по охране окружающей среды можно встретить суждение о том, что нормативы ПДК вредных веществ являются санитарно-гигиеническими. Действительно, ранее, когда охрана природы от загрязнения рассматривалась как санитарная проблема и нормативы ПДК разрабатывались лишь с учетом интересов охраны здоровья человека от вредного воздействия загрязненного атмосферного воздуха или воды, такие нормативы были санитарно-гигиеническими. С тех же пор, когда при разработке нормативов ПДК стала предусматриваться и необходимость охраны других живых объектов природы, они стали экологическими. Так, применительно к охране атмосферного воздуха они стали таковыми с принятием в 1980 г. Закона СССР «Об охране атмосферного воздуха».

В соответствии с природоохранным законодательством нормативы качества окружающей среды являются едиными для всей территории России. Одновременно допускается с учетом природно-климатических особенностей, а также повышенной социальной ценности отдельных территорий (заповедников, заказников, курортных и рекреационных территорий) установление более строгих нормативов ПДК (ч. 2 ст. 26 Закона РСФСР «Об охране окружающей природной среды»). Потребность в дифференциации нормативов качества окружающей среды возникает также в связи с наличием на территории России различных природных и климатических зон и соответственно с различной реакцией растительных и животных организмов на однотипные воздействия.

Реализации этой меры настоятельно требует практика. Установление более жестких нормативов качества окружающей среды для особо охраняемых природных территорий служит одной из мер сохранения природных комплексов этих территорий и объектов. Поэтому в законодательстве об особо охраняемых природных территориях целесообразно закрепить соответствующие требования. Между тем Федеральными законами от 23 февраля 1995 г. «О природных лечебных ресурсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах» и от 14 марта 1995 г. «Об особо охраняемых природных территориях» они не предусмотрены.

К настоящему времени установлен значительный массив нормативов ПДК вредных веществ в окружающей среде и ориентировочно-безопасных уровней воздействия (ОБУВ): для атмосферного воздуха – ПДК более 500 вредных веществ и ОБУВ более 1100 веществ; для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения – ПДК более 1600 вредных веществ и ОБУВ более 200 веществ; для почв – более 100 ПДК вредных веществ и около 70 ориентировочно допустимых концентраций. Законами не предусмотрено установление ОБУВ, хотя их полезность для практики несомненна: как и нормативы, они используются при проектировании и экологической экспертизе проектов строительства новых и реконструкции действующих предприятий, а также для экологического мониторинга.