Экзаменационный билет № 1

1. Составьте алгоритм по использованию природных ресурсов и охраны окружающей среды от вредных выбросов прокатного производства.

 

Около 90% всей выплавляемой стали поступает на прокатку. Прокатка - это деформация металла, сдавливание его вращающимися валками.

По сравнению с другими переделами черной металлургии в прокатном производстве образуется меньше пыли и газов. В среднем общий выброс пыли от всех источников пылеобразования составляет около 200 г/т товарного проката без огневой зачистки и 500- 2000 г/т при наличии огневой зачистки. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в прокатном производстве являются нагревательные печи, машины огневой зачистки и травильные агрегаты, а также станы горячей прокатки, над которыми образуются пылевыбросы (2,0-18,0 г/т проката), содержащие окалину (оксиды железа) и другие металлы в зависимости от степени легирования стали и сплава. Эти выбросы поступают через аэрационный фонарь в атмосферу.

Выбросы нагревательных печей содержат оксиды азота. Из машин огневой зачистки с отсасываемым через их укрытия газом выносится пыль, которая содержит до 90% оксидов железа. Для очистки дымовых газов нагревательных печей прокатных цехов от оксидов азота предусматриваются ванадиевые катализаторы, встроенные в котлы-утилизаторы. В настоящее время в основном применяются высокие дымовые трубы, при этом обеспечивается приземная концентрация в пределах ПДК.

 При горячей прокатке металла пыль образуется в результате измельчения окалины валками и испарения вследствие мгновенного увеличения давления и повышения температуры. Количество выделяющейся пыли на 1 т проката листа составляет до 100 г/т. Часть пыли (~20%) мелкодисперсная (размер частиц < 10мкм).

 

2. Составьте перечень мероприятий по очистке загрязненных территорий от деятельности прокатного производства.

 

    Выбросы нагревательных печей содержат оксиды азота. Из машин огневой зачистки с отсасываемым через их укрытия газом выносится пыль, которая содержит до 90% оксидов железа. Для очистки дымовых газов нагревательных печей прокатных цехов от оксидов азота предусматриваются ванадиевые катализаторы, встроенные в котлы-утилизаторы. В настоящее время в основном применяются высокие дымовые трубы, при этом обеспечивается приземная концентрация в пределах ПДК.

    При горячей прокатке металла пыль образуется в результате измельчения окалины валками и испарения вследствие мгновенного увеличения давления и повышения температуры. Количество выделяющейся пыли на 1 т проката листа составляет до 100 г/т.

Часть пыли (~20%) мелкодисперсная (размер частиц < 10мкм).

На слябовых, блюмовых и сортовых станах наиболее интенсивное пылевыделение происходит на первых проходах.

Локализацию и удаление пыли, выделяющейся при прокатке, осуществляют различными способами. В мелких прокатных станах устанавливают зонты на высоте 2,4 м, чтобы не мешать обслуживанию стана.

На многих заводах проблему обеспыливания пытались решить, применяя гидрообеспыливание.

 Процесс осуществлялся форсунками с тонким распылением воды, механическим и пневматическим, равномерным орошением мест пылевыделения через дырчатые трубы и т.п. Подобные способы не дали положительных результатов.

При прокатке специальных сталей подача воды недопустима. В этом случае следует применять вентиляционные системы с зонтами.

При холодной прокатке металла на валки стана для охлаждения подается эмульсия. Часть эмульсии испаряется из-за разогрева валков и в виде паров распространяется по цеху, конденсируясь на конструкциях и оборудовании. Пары эмульсии очень агрессивны и наносят большой вред оборудованию, особенно электроаппаратуре и отопительным агрегатам.

Для локализации паров эмульсии на стане холодной прокатки предусматривают укрытия, из которых отсасывается 25000-40000 м³/ч воздуха на каждое межклетевое пространство, 70% из верхней зоны и 30% - из нижней.

Для очистки газов машин огневой зачистки применяются скрубберы Вентури, электрофильтры.

Для обезвреживания выбросов травильных агрегатов применяется газоочистные системы, где могут использоваться пенные аппараты, полые скрубберы, низконапорные скрубберы Вентури и фильтры из винипластовых сеток.

3. Определите выбор места контроля загрязнения и поиск его источника с целью первичной оценки и отбора проб.

 

Место для первичной оценки или отбора пробы выбирается в соответствии с целями анализа и на основании внимательного изучения всей имеющейся предварительной информации (документации), а также натурного исследования местности или контролируемого объекта, причем должны учитываться все обстоятельства, которые могли бы оказать влияние на состав взятой пробы или результат первичной оценки наличия и уровня загрязнения (воздействия). В зависимости от вида анализируемой среды данная процедура имеет некоторые особенности.

При поиске точек отбора проб воды из поверхностных природных источников особенно внимательно надо обследовать притоки реки и возможные источники загрязнения выше по течению от предполагаемого места первичной оценки или пробоотбора. Место отбора проб сточных вод оценивается и выбирается только после подробного ознакомления с технологией производства, потреблением и сбросом воды, местоположением цехов объекта, системой его канализации, назначением и работой отдельных элементов систем очистки и т.д.

Створы отбора и оценки проб устанавливают на водоемах примерно в 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территория населенного пункта), а на непроточных водоемах и водохранилищах - в 1 км в обе стороны от пункта водопользования. Обычно принято отбирать пробы воды одного створа в 3 точках (у обоих берегов и в фарватере), но можно и в 1-2 точках (при ограниченных технических возможностях или на небольших водоемах) - в зависимости от характера водопользования и с учетом условий водного режима в данном пункте или распределения сточных вод в водоеме («струйность течения»).

Так, при централизованном водоснабжении в населенном пункте пробы воды из водоема можно брать в точке водозабора по глубине и ширине реки. Для характеристики источника централизованного водоснабжения при существующем водозаборе допускается отбор и первичная оценка проб непосредственно после насосов первого подъема.

Поиск и выбор места отбора, а также первичной оценки проб воздуха (как и в отношении других сред) проводят в предполагаемых зонах максимального загрязнения окружающей природной среды (например, в «факеле» выброса и в зонах его возможного прохождения на расстоянии до объекта от сотен метров до нескольких километров, обычно на высоте 1,5 метра от земли) или непосредственно вблизи нахождения (скопления) людей и других биообъектов, для которых данный выброс может оказаться вредным или опасным.

В рабочей зоне пробы воздуха следует отбирать в местах постоянного или максимально длительного пребывания людей, при характерных производственных условиях с учетом особенностей технологического процесса (непрерывный, периодический), количества (уровня) и физико-химических свойств, а также класса опасности и биологического действия выделяющихся химических загрязняющих веществ (3В) или физических факторов воздействия, температуры и влажности окружающей среды. Выбор места отбора проб воздуха в рабочей зоне обычно более сложен, чем проб атмосферы в населенных местах или в окружающей природной среде в связи с насыщенностью рабочего помещения и промплощадки потенциальными источниками вредного воздействия (загрязнения).

Экоаналитический и санитарный контроль загрязнений воздушной среды в рабочей зоне осуществляют выборочно на отдельных рабочих местах, стадиях или операциях, если на обследуемом участке (характеризующемся постоянством технологического процесса) достаточно идентичное оборудование или одинаковые рабочие места, на которых выполняются одни и те же операции. При этом отбор проб следует проводить на рабочих местах, расположенных в центре и по периферии помещения (открытой промплощадки с оборудованием). При выборе точек пробоотбора основное внимание следует уделять рабочим местам по основным (массовым) профессиям.

Места для отбора пробы воздуха в рабочей зоне выбирают с учетом технологических операций, при которых возможно наибольшее выделение в воздух рабочей зоны вредных веществ, например:

• у аппаратуры и агрегатов в период наиболее активных химических. термических и иных процессов в них;

• на участках загрузки и выгрузки веществ, затаривания готовой продукции;

• на участках «внутренней» транспортировки сырья, полуфабрикатов и продукции;

• на участках размола и сушки сыпучих, пылящих материалов и веществ; у наиболее вероятных источников выделений при перекачке жидкостей и газов (насосные, компрессорные) и др.;

• в местах отбора технологических проб, необходимых для целей технического анализа.

На участках, плохо вентилируемых, необходимо проводить экоаналитический и санитарный контроль воздуха рабочей зоны на основных местах пребывания работающих в период проведения планового ремонта оборудования, если эти операции могут сопровождаться выделением вредных веществ (факторов), а также в период реконструкции, если часть оборудования продолжает эксплуатироваться.

Периодичность отбора проб воздуха для каждого вещества в каждой выбранной точке устанавливают индивидуально в зависимости от времени пребывания персонала на рабочем месте, от характера контролируемого технологического процесса. Часто учитывают свойства веществ (факторов) и их опасности, устанавливая при производственном контроле следующую периодичность отбора и анализа проб: для 1-го класса - не реже одного раза в 10 дней, для 2-го - не реже, чем ежемесячно, а для 3-го и 4-го - не реже, чем один раз в квартал.

При выборе мест отбора проб почвы и их первичной оценки обычно учитывают два главных параметра 1) размер (площадь) «элементарного» участка, с которого отбирают смешанный почвенный образец, отражающий средний уровень загрязнения почвы, и 2) «ключевой» участок, являющийся наименьшей геоморфологической единицей ландшафта, в достаточной мере отражающей генезис (тип, подтип) свойств почв.

В пределах ключевого участка выделяют «элементарные участки», размеры которых зависят от расстояния до источника загрязнения почвы. Обычно руководствуются правилом: «чем дальше от источника, тем больше должна быть площадь элементарного участка». Кроме того, в пределах определенного элементарного участка выбирают также «рабочую площадку», именно с которой и отбирают пробы почв для составления смешанного почвенного образца. Если размер элементарного участка сравнительно велик, а почвенный покров сложен, то в пределах этого участка выделяют несколько пробных рабочих площадок (обычно 2-3).

Данные параметры места пробоотбора выбирают индивидуально в зависимости от контурности почвенного покрова, рельефа местности, характера растительности и т.д. Ключевые участки ориентировочно намечают по карте (с учетом розы ветров), а затем уточняют их в поле. В пределах ключевого участка (как уже было указано) выделяют элементарный участок и намечают пробные рабочие площадки. За рациональный размер такой площадки обычно принимают площадь около 1 га (100х100 м). Вокруг предприятия площадки намечают следующим образом: в радиусе 1,5-2,5 км (зона наибольшей загрязненности) по 8 направлениям-румбам (хотя и не обязательно строго по азимуту); в радиусе 2,5-5 км (зона значительного влияния) - по 10-12 румбам, а в радиусе 5-10 км (зона обычно фиксируемого влияния объекта) - по 16-24 румбам. В таком случае пробные площадки оказываются друг от друга (по периметру) на равномерном расстоянии 1,5-2 км.

Представленная схема, более подробно описанная в, носит рекомендательный характер, поскольку в природных условиях положение элементарных участков и количество пробных площадок зависят от ландшафтно-геохимических особенностей территории. При сильном загрязнении вокруг мощных предприятий в направлении господствующих ветров территорию обследуют на расстоянии до 20-30 км, а в направлении наименьшей повторяемости и силы ветров - примерно в 2 раза меньше.

Выбор места для отбора проб биоты является специфической задачей биомониторинга, подробно рассматриваемого в разделе 4. Здесь же необходимо отметить принципиальную особенность данной процедуры -«индикационный» характер поиска места для такого пробоотбора. Он заключается в том, что наблюдение за показателями состояния растительности и животного мира и должно подсказать исследователю, где ему отбирать пробы биообъектов для последующего анализа на предмет их загрязненности.

В операцию «поиска источника» или места пробоотбора часто также включается задача идентификации характера воздействия или загрязняющего вещества (установление его природы, расшифровка состава основных компонентов смеси). При отсутствии технической возможности или необходимости в идентификации она должна заменяться более простой задачей обнаружения, т.е. подтверждения факта наличия загрязняющего веществ? в среде. В случае обнаружения вредного физического фактора целесообразно сразу проводить количественное измерение его уровня.

Эти задачи должны решаться максимально экспрессно (т.е. за минимальный промежуток контрольного времени), сопоставимо по времени с пробоотбором. От быстроты первичной оценки при обнаружении источника загрязнения или воздействия вредного ФФ зависит не только длительность (а значит, и экономичность) вышеуказанных процедур, но часто и безопасность персонала, их проводящего (в случае анализа «супертоксикантов», радиации и др. особо вредных химических веществ и факторов, а также при обследовании особо опасных производственных и иных объектов). Характер работы технического средства контроля в режиме обнаружения по возможности должен быть следящим (непрерывным или хотя бы периодический, но с минимальным временем паузы между повторяющимися циклами анализа).

Применяемые методы и технические средства должны быть способны обнаруживать максимально специфично (т.е. избирательно по отношению к искомому 3В или ФФ - на фоне мешающих примесей или других имеющихся факторов). В случае идентификации требование о специфичности средства заменяется требованием, чтобы техническое средство было селективно, т.е. способно одновременно (или последовательно) различать в анализируемой среде несколько даже похожих по свойствам веществ (факторов).

Еще одной значимой характеристикой средства обнаружения является также его чувствительность, т.е. способность фиксировать минимально возможные концентрации 3В или уровни ФФ. Это свойство метода экоана-литического контроля наряду с экспрессностью и специфичностью входит в классическую «триаду» важнейших свойств средства контроля.

Если при проведении процедуры обнаружения сигнал о наличии 3В или ФФ отсутствует, необходимо как можно раньше (в целях безопасности и экономии времени) принять решение об осуществлении контроля в другом месте по тому же показателю (или перенастройке средства - замене индикаторного элемента на иное вещество или фактор).

В случае решения задачи идентификации, хотя ее время и имеет значение, но главной характеристикой технического средства в этом случае все же является его селективность (даже в ущерб чувствительности). Необходимо также отметить, что данная задача является сегодня одной из наиболее сложных и трудно решаемых «на месте». Обычно идентификацию проводят в стационарной лаборатории, оснащенной всем арсеналом современных технических средств.

Не вдаваясь в особенности характеристик средств контроля, рассматриваемых в последующих разделах, отметим, что при неавтоматизированном («ручном») режиме обнаружения обычно используются портативные («простейшие») средства экспрессного контроля (для воздуха - это индикаторные трубки, экспресс-тесты на основе индикаторных бумажек или пленок, другие индикаторные элементы; для воды и вытяжек из почвы - это тесты или тест-комплекты, а также микро- (мини)-портативные переносные лаборатории с упрощенными (обычно качественными или полуколичественными) операциями анализа.

Для автоматического обнаружения обычно применяют малогабаритные сенсоры и другие чувствительные элементы - устройства, обладающие свойствами быстродействующего первичного преобразователя контролируемого параметра окружающей среды в аналитический сигнал (изменение окраски, перепад электрического тока, напряжения или другого фиксируемого показателя), т.е. являющиеся сигнализаторами. Выполнив задачу обнаружения (или идентификации) 3В, средства выдают информацию, необходимую для принятия решения о проведении следующей операции - пробоотбора.

 

 

4. Составьте алгоритм пробоподготовки в анализе объектов окружающей среды

Задачами подготовки проб к анализу в лаборатории (пробоподготовки), как правило, являются: гомогенизация (достижение однородности пробы), обогащение пробы (ее концентрирование), удаление мешающих примесей (повышение селективности будущего анализа) и др.

Гомогенизация пробы особенно важна для твердых (сыпучих) образцов проб и реже жидких. Она обеспечивает представительность анализа (воспроизводимость повторяемых результатов) и во многом технически облегчает количественный анализ (см. 1.1.5).

Гомогенизацию твердых образцов, как правило, осуществляют путем размола, дробления, диспергирования, измельчения, смешения и т.п. Аналогичные операции применяют для подготовки проб к растворению или химической обработке (модификации), поскольку уменьшение размеров частиц сопровождается увеличением их поверхности и, соответственно, повышением скорости взаимодействия с реагентами. В частности, перед растворением для определения тяжелых металлов образцы почвы тщательно перемешивают, растирают в ступке и методом «квартования» отбирают среднюю пробу.

Подготовка к анализу биологических образцов и пищевых продуктов также включает в себя гомогенизацию. Обычно ее проводят в миксерах с вращающимися ножами. Однако они являются главными источниками загрязнения биопроб, поскольку сильно истираются в процессе нагрева при работе. Поэтому рекомендуется применять высокоскоростные миксеры с охлаждением. Описан интересный метод подготовки проб биологических тканей путем их охлаждения жидким азотом до хрупкого состояния с резким встряхиванием или размалыванием в порошок.

Концентрирование чаще всего осуществляют сублимацией твердых. дистилляцией (упариванием) жидких проб или экстрагированием из них анализируемого вещества. Пробу отобранного воздуха, как правило, пропускают через минимальный объем поглотителя или сорбируют на минимальном количестве твердого адсорбента, добиваясь тем самым максимального ее концентрирования.

При выборе метода концентрирования для целей экоаналитического контроля можно руководствоваться устоявшейся практикой анализа объектов окружающей среды.

Исходя из нее, можно считать, что наиболее универсальными и часто применяемыми методами концентрирования являются сорбция (абсолютный лидер) и экстракция (в особенности «мокрая» и сверхкритическая флюидная). В то же время наиболее сложной средой, с точки зрения концентрирования отобранных из нее проб, является воздух.

Удаление примесей, как и концентрирование, возможно за счет разделения, селективной экстракции, а также другими методами (хроматографированием, «маскированием» и т.д.). Более подробно эти операции описаны в работах и ряде других.

Иногда используют в качестве методов пробоподготовки специальную дополнительную обработку проб для модифицирования (получения производных) анализируемого вещества в другое соединение, более легко определяемое выбранным методом анализа.

Подготовка пробы к анализу является необходимой не только для того, чтобы сконцентрировать исследуемые компоненты и отделить их от мешающих примесей, но и во многом для «подстройки» пробы к анализатору - прибору, на котором осуществляется количественное измерение содержания анализируемого в пробе загрязняющего вещества. Целью такой подстройки является достижение достоверности и воспроизводимости анализа.

Если речь идет о функциональном анализе (определении вещества по наличию в его структуре специфических функциональных групп) либо об определении различных состояний и форм элементов, то операции пробоподготовки не должны изменять исходные искомые компоненты. Последнее обстоятельство особенно важно при идентификации природы 3В.

В зависимости от фазового состояния объектов ОС (газы, жидкости и твердые вещества) для решения подобной задачи выделены три основные схемы пробоподготовки, используемые в экоаналитическом контроле. Принципиально эти схемы рассчитаны на одновременную идентификацию и определение различных форм 3В, о которых к началу анализа нет исходной информации. Поэтому они, как правило, основаны на «щадящих» методах пробоподготовки.

По мере выяснения природы 3В и состава пробы оказываемое на пробу физико-химическое и/или химическое воздействие может нарастать. В частности, при анализе газовых проб известного качественного состава часто применяют метод «реакционно-сорбционного концентрирования». Он основан на предварительном удалении мешающих веществ в колонке с химическими реагентами. Это позволяет свести к минимуму конкурентную сорбцию мешающих компонентов и существенно уменьшить систематическую погрешность анализа.

В большинстве случаев процессы пробоподготовки заключаются в отделении определяемых компонентов от матрицы или, наоборот, мешающих веществ от анализируемой среды таким образом, чтобы достигался максимальный эффект. При этом применяется весьма ограниченное число методов разделения и концентрирования (прежде всего, экстракция и хроматография). При этом методы, требующие очень сложного оборудования, большого количества высокочистых реагентов и значительных затрат времени, в широкой практике обычно не применяются.

Основная доля затрат приходится на процедуры по переводу проб в форму, удобную для анализа (например, растворение, разложение, перевод в другую фазу и т.п.), и отделению определяемых компонентов от мешающих веществ. При их выполнении пока преобладает ручной труд, что во многом обусловливает высокую стоимость определений. В целом пробоподготовку надо строить таким образом, чтобы добиться непрерывного определения 3В в потоке. Длительные операции следует интенсифицировать, используя более высокую температуру и давление, более реакционноспособные среды, эффекты катализа, физические воздействия (микроволновое, фотохимическое) и иные приемы.

Предпочтительны решения, которые позволяют обойтись минимальным числом операций пробоподготовки. Кроме того, они должны быть адекватны друг другу по точностным параметрам, ведь, как известно, именно пробоотбор и пробоподготовка лимитируют надежность получаемых результатов.