автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Совершенствование оценки экологической безопасности урбанизированных территорий с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия

На правах рукописи

.■¿у

с/р?--""

КУРЫЛЕВА ЛАРИСА ВИКТОРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С УЧЕТОМ ДОПОРОГОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и

городского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559838

3 МАР 2015

Волгоград - 2015

005559838

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Голованчиков Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

кандидат технических наук

Ведущая организация:

Бакаева Наталья Владимировна,

доцент, профессор кафедры «Экспертиза и управление недвижимостью» ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» г. Курск

Сапожкова Наталья Васильевна,

доцент кафедры «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт охраны окружающей среды» (ВНИИ Экология) г. Москва

Защита состоится 02 апреля 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Ю.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Оценивая любой технологический процесс, в том числе в строительстве и городском хозяйстве, с точки зрения экологической безопасности, необходимо учитывать, что российским и международным экологическим законодательством закреплено применение «наилучшей доступной технологии» (НДТ). В соответствии с Директивой Совета Европы 96/61/ЕС и российскими национальными стандартами по НДТ применение такой технологии позволяет предотвратить или уменьшить негативное влияние человека на окружающую среду до допустимого уровня. Одним из наиболее важных подходов при выборе НДТ является использование экологически эффективных методов нормирования загрязнения окружающей среды.

Соответственно, актуальной задачей является совершенствование экологических нормативов и введение дополнительных показателей, которые позволят оценить экологическую безопасность технологического процесса до допустимого уровня. Необходим критерий оценки, который на первоначальном этапе позволил бы определить степень приближения к заданному уровню.

Во мнопгх науках вводится понятие идеальности предмета исследования, которое помогает в его изучении, прогнозировании возможностей и моделировании в будущем. В целях повышения уровня защищенности среды жизнедеятельности человека представляется актуальным научное обоснование оценки экологической безопасности технологических процессов с точки зрения экологической идеализации, а также разработка на этой основе допороговых показателей антропогенного воздействия.

Степень разработанности темы. Современные экологические концепции, базирующиеся на определенгш пределов устойчивости экосистемы к антропогенному воздействию, представлены в работах Акимовой Т.А., Вакернагеля М., Величко C.B., Вайцзеккера Э., Израэля Ю.А., Ильичева В.А., Колесникова В.А., JIo-винса Э., Медоуз Д., Моисеева H.H., Налетова А.Ю., Никанорова A.M., Ссрбулова Ю.С., Хаскина В.В., Хокаисона JI. и других авторов. Исследованиям критериев оценки экологической безопасности урбанизированных территорий посвящены работы Азарова В.Н., Алексашиной В.В., Бакаевой Н.В., Воробейчика E.JL, Гоно-польского А.М., Гордона В.А., Данилова-Данильяна В.И., Колчунова В.И., Сидоренко В.Ф., Слесарева М.Ю., Теличенко В.И., Шмаль А.Г., Щербина Е.В. и другие. Современный подход к оценке экологической безопасности рассматривается с позиций концепции устойчивого развития, биосферной совместимости, экологической целесообразности, исследования и внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Несмотря на большое количество актуальных исследований по данной теме, остаются нерешенными вопросы оценки экологической безопасности урбанизированных территорий до допустимого уровня, что не позволяет выбирать НДТ с наивысшим уровнем защиты окружающей среды.

Целью работы является совершенствование оценки экологической безопасности урбанизированных территорий с использованием понятия идеализации в технических системах и допороговых показателях антропогенного воздействия.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

- провести анализ существующих критериев и методов оценки экологической безопасности урбанизированных территорий;

- оценить основные технологические и техногенные процессы, влияющие на качество городской среды при строительстве и функционировании объектов городского хозяйства и транспорта;

- усовершенствовать критерии экологической безопасности городской среды с точки зрения научного подхода, основанного на идеализации в технических системах;

- на основе научного подхода экологической идеализации разработать допо-роговые показатели оценки экологической безопасности техногенных процессов;

- провести сравнительную оценку различных технологических и техногенных процессов на основе введенных показателей с целью определения степени отклонения / приближения к «наилучшей доступной технологии» с наивысшим уровнем охраны городской среды.

Научная новизна работы:

1. Теоретически обосновано совершенствование оценки экологической безопасности урбанизированных территорий с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия и введения критерия экологической идеальности.

2. В развитие методов, предотвращающих или уменьшающих негативное влияние хозяйственной деятельности при строительстве и функционировании промышленных, городских и транспортных объектов на городскую среду, предложено введение дополнительного критерия экологической безопасности — «экологическая идеальность», введение термина «идеальный экологический процесс».

3. Предложены и научно обоснованы допороговые показатели количественной оценки технологических и техногенных процессов в стройиндустрии и других отраслях промышленности по воздействию на городскую среду: «относительное отклонение локального процесса от идеального», «предел допустимой неидеальности», а также интегральные показатели оценки качества городской среды.

4. Разработана методика оценки экологической безопасности технических систем на основе критерия экологической идеальности с применением допороговых показателей антропогенного воздействия на урбанизированных территориях.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в усовершенствовании существующих методов оценки экологической безопасности урбанизированных территорий на основе критерия экологической идеальности. Решены следующие практические задачи:

- разработаны дополнительные допороговые показатели количественной оценки экологической безопасности, позволяющие оценить влияние антропогенного воздействия на городскую среду;

- проведена сравнительная оценка различных технологических и техногенных процессов с учетом допороговых показателей по степени отклонения / приближения к идеальному экологическому процессу с целью определения «наилучшей доступной технолопш» с наивысшим уровнем охраны окружающей среды;

- разработан руководящий методический материал (РММ) по комплексной оценке экологической безопасности в городской среде с учетом региональных особенностей для использования в экологических системах мониторинга качества городской среды при проектировании, реконструкции и строительстве производственных объектов;

- в целях повышения уровня защищенности и качества городской среды при производстве строительных материалов разработаны новые технические решения для механических процессов измельчения, позволяющие улучшить экологические показатели технологических установок.

Результаты исследований внедрены в качестве методического обеспечения деятельности в МБУ «Служба охраны окружающей среды» (г. Волжский). Разработанный методический материал по оценке экологической безопасности в городской среде использован в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ) и Волжского политехнического института (филиала) ВолгГТУ в учебных дисциплинах «Применение ЭВМ в экологии», «Математическое моделирование химико-технологических процессов», «Экология».

Основная идея работы заключается в исследовании подходов к совершенствованию оценки антропогенного воздействия на основе допороговых показателей, выполнение которых создаст условия развития экологически безопасной среды жизнедеятельности человека.

Методология и методы исследования. Методология исследования основана на современных подходах экологического нормирования. Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, термодинамические методы исследования, статистические методы обработки данных, методы многокритериальной оптимизации с использованием обобщенной функции желательности Харрингтона и регрессионных моделей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Научное обоснование совершенствования оценки экологической безопасности среды жизнедеятельности человека с точки зрения экологической идеализации для повышения уровня защищенности и качества городской среды.

2. Обоснование значимости и достаточности допороговых показателей оценки экологической безопасности технических систем с целью определения степени отклонения / приближения любого технологического процесса к идеальному процессу.

3. Методология оценки природно-технических систем на основе критерия экологической идеальности с целью выбора «наилучшей доступной технологии» с наивысшим уровнем охраны среды жизнедеятельности человека.

4. Методика количественной оценки экологической безопасности технических систем с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, принципами построения научных гипотез, подтверждена применением современных методов исследования и методик обработки данных.

Материалы исследований по теме диссертации докладывались на Международном конгрессе по управлению отходами «ВэйстТэк-2003» (г.Москва, 2003); Международной конференции «Проблемы законодательного обеспечения экономических механизмов природоохранной деятельности» (г. Москва, 2004); Межрегиональной конференции «Оздоровление экологической обстановки в регионах Нижней Волги, восстановление и предотвращение деградации ее природных комплексов — составная часть программы "Возрождение Волги" (г. Волгоград, 2011)»; IX межрегиональной конференции «Взаимодействие предприятий и вузов по повышению эффективности производства, управления и инновационной деятельности» (г. Волжский, 2014).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 17 печатных работах, их них 3 статьи в изданиях списка ВАК и 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы: 153 страницы, в том числе: 139 страницы — основной текст, содержащий 26 таблиц, 20 рисунков и список литературы из 157 источников на 17 страницах; 4 приложения на 13 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены цель и задачи исследования; сформулированы научная новизна и практическая значимость; приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

В первой главе проведен анализ технологических и техногенных процессов объектов городского хозяйства как источников антропогенного воздействия на окружающую среду, приведены существующие критерии и показатели оценки экологической безопасности.

Существующая система экологического нормирования в системе оценки экологической безопасности городской среды базируется на установлении нормативов качества окружающей среды (ПДК, классы опасности и др.) и нормативов допустимого воздействия на нее (НДВ, НДС и др.). Однако с каждым годом допустимые пределы по концентрациям выбросов канцерогенов и ионизирующей

радиации уменьшаются, приближаясь к естественному фону, а требования к ПДК особо опасных веществ повышаются. Анализ изменений в экологическом законодательстве показал необходимость использования «наилучшей доступной технологии» (НДТ), применение которой в стройиндустрии и других отраслях промышленности позволит предотвратить или уменьшить антропогенное воздействие на окружающую среду до допустимого уровня.

Анализ происшедших в нормативных требованиях изменениях подтверждает недостаточную эффективность использования существующих показателей экологической оценки, показывает необходимость научного подхода и поиска дополнительных критериев экологической безопасности среды жизнедеятельности человека.

Во второй главе представлены объекты и методы исследования. При огромном промышленном кластере Волгоградского региона наивысший уровень загрязнения атмосферного воздуха связан с выбросами вредных веществ от промышленных предприятий и автомобильного транспорта. Вклад автотранспорта в загрязнение атмосферы составляет 60—80 % от общего количества вредных выбросов. Наибольший вклад по объемам выбросов вредных веществ вносят следующие отрасли промышленности: топливная (Волгоградская ТЭЦ-2), нефтехимическая (ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка»), химическая (ОАО «Каустик», ОАО «Химпром»), строительная (ОАО ВЗТИ «Термостепс», ОАО «Себряковцемент»),

Выбросы особо опасных веществ, образующихся на функционирующих объектах городского хозяйства (например, хлорвинила на химических предприятиях, бенз(а)пирена при работе котельных) и строящихся объектах (диоксина при строительстве мусороперерабатывающих заводов), требуют разработки способов и оборудования для очистки газов до супернизких концентраций, близких к фоновым природным концентрациям, и, соответственно, совершенствования методов оценки экологической безопасности городской среды.

Исходя из анализа экологической ситуации Волгоградской области, объектами исследования были выбраны следующие процессы: тепловые процессы горения топлива (в том числе автомобильного топлива); сжигание отходов производства и потребления (в том числе несанкционированного горения отходов на полигонах); гидромеханический процесс функционирования ГЭС; массообмен-ный и ионообменный процессы адсорбции вредных веществ из вентиляционных выбросов и дымовых газов, а также очистки от радиоактивных веществ; механический процесс измельчения при производстве строительных материалов.

В третьей главе представлено научное обоснование методов оценки экологической безопасности процессов и технологий городских технических систем. Предлагается введение дополнительного (к существующим) критерия экологической безопасности, учитывающего сравнение параметров опасных веществ с естественным фоном.

Во многих науках вводится понятие идеальности предмета исследования (идеальный газ, идеальное твердое тело, идеальное смешение и вытеснение, иде-

альный проводник тока и др.), которое помогает в создании теории изучаемых процессов, их физическом, химическом и математическом моделировании.

С точки зрения научного подхода, основанного на идеализации в технических системах, а также в развитие методов, предотвращающих или уменьшающих негативное влияние хозяйственной деятельности на среду жизнедеятельности человека, вводится дополнительный критерий экологической безопасности «экологическая идеальность», вводится термин «идеальный экологический процесс».

Идеальный экологический процесс — это процесс, в котором величина параметров в газовых, жидких и твердых выбросах и отходах на урбанизированных территориях равна величине этих параметров в природной среде обитания.

На основе критерия экологической идеальности вводятся дополнительные допороговые показатели количественной оценки технологических и техногенных процессов в стройиндустрии и других отраслях промышленности по воздействию на городскую среду: «относительное отклонение локального процесса от идеального», «предел допустимой неидеальности», а также интегральные показатели оценки качества городской среды.

Для количественной оценки «отклонения локального процесса от идеального экологического процесса» предложена формула

А -КР~ К" т

и - - . (1)

Ки

где Аи — относительное отклонение реального процесса от идеального; Кр — значение материального или энергетического параметра (концентрация, температура) на выходе в газовых, жидких или твердых выбросах; К„ — значение материального или энергетического параметра в природной среде.

При наличии в выбросах нескольких веществ, что характерно для городской атмосферы, усредненный концентрационный показатель с учетом массовой доли каждого компонента может быть определен по формуле аддитивности сложных процессов:

/ \

1=1

Аи,Кр/

¿Кр; V /=1

(2)

Для оценки экологической безопасности технологических процессов, особенно процессов стройиндустрии и топливно-энергетического комплекса с участием компонентов разных классов опасности, представляется целесообразным введение интегрального показателя оценки:

К>.нт = Е '» (3)

/=1 а1

где Кивт — интегральный показатель оценки качества городской среды; Аш — относительное отклонение локального процесса от идеального; qi — доля /-го компонента в смеси; а, — весовой коэффициент с учетом класса опасности.

При взаимодействии компонентов между собой введена формула расчета:

= + (4)

/=1 а0-

В целях совершенствования нормативов допустимого воздействия вводится показатель «предельно допустимая неидеальность» (ПДН) как отношение ПДК опасного вещества к концентрации этого вещества в окружающей среде (Ки,):

итА (5)

Для синтезированных химических веществ, паров которых в атмосфере Земли ранее не было, вводится условная концентрация, соответствующая равномерному распределению паров в атмосфере, жидких компонентов в гидросфере, твердых веществ в литосфере, т. е. Кк[= К3.

Оценка процесса сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) на мусоросжигательных заводах представлена в табл. 1.

Таблица 1 - Оценка процесса сжигания ТБО с точки зрения отклонения от экологической идеальности

Наименование вещества г ^тах» мг/м3 С3, мг/м3 ПДК«, мг/м3 ПДН А„

Диоксид серы, 802 322 4,27-10~3 0,5 117 11102

Оксиды азота, Ж)х 103 1,33-10"3 0,2 150 11318

Оксид углерода, СО 120 0,025 5 200 4799

Хлороводород, НС1 18 2,3-МГ4 0,2 870 7199

Фтороводород, НР 18,9 2,43-10"4 0,062 250 7078

Примечание: Сшах — максимальная концентрация веществ в дымовых газах, мг/м3; С3 — концентрация, соответствующая равномерному распределению паров в атмосфере, мг/м3.

Показано, что нормативы ПДК превышают естественный природный фон рассмотренных веществ в ПДН = 117—870 раз, а отклонение локального процесса от идеального Аи= 4799—11318, что отдаляет данный технологический процесс от «наилучшей доступной технологии» (НДТ) и требует рассмотрения альтернативных технологий в системе обращения с отходами.

Определена методология оценки отклонения от экологической идеальности для естественных и технических систем с учетом введенных допороговых показателей.

В четвертой главе приведена оценка экологической безопасности различных технологических процессов в городских технических системах строительной и других отраслей промышленности.

Тепловые процессы горения в отопительных и энергетических городских системах оценивались для четырех видов топлива с использованием показателя «отклонение от экологической идеальности» (формула 1). Проведенные расчеты (табл.

2) показали, что наилучшим с точки зрения отклонения от экологической идеальности по температуре можно считать метан, а по концентрации — водород.

Таблица 2 - Исходные и расчетные концентрационные и температурные

параметры при горении различных видов топлива

Наименование основного вещества в топливе Температура, °С Концентрация продуктов реакции, доли Отклонение от экологической идеальности

окружающего воздуха горения топлива (на выходе) в окружающем воздухе в дымовых газах по температуре по концентрации

1. Водород 20 2799 0,013 0,2 9,48 14,48

2. Углерод 20 2275 0,00046 0,23 7,70 499

3. Метан 20 2180 0,01346 0,22 7,37 15,34

4. Биогаз 20 2326 0,01346 0,17 7,87 17,57

Наибольшее отклонение от экологической идеальности по концентрации, а, следовательно, отклонение от «наилучшей доступной технологии» наблюдается при горении угля. Рассматривалась возможность его уменьшения путем введения в реакцию горения метана и водорода с использованием интегрального показателя оценки Кинт (формула 3). Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Зависимость Кннт от доли компонента метана или водорода в смесях С-СН4 и С-Н2

Доля метана в смеси (С-СН4) Кинт (С-СН4) Доля водорода в смеси (С-Н2) Кинт (С-Н2)

0,2 473,26 0,2 471,88

0,4 359,46 0,4 356,70

0,6 245,65 0,6 241,5

0.8 131.85 0,8 126,32

Из приведенных расчетов (табл. 3) можем сделать вывод о том, что при увеличении доли метана в смеси (С-СНЦ) Киет уменьшается с 473,26 до 131,85 (т. е. в 3,6 раза), а при увеличении доли водорода в смеси (С-Н2) Кинт уменьшается с 471,88 до 126,32 (т. е. в 3,7 раза), что говорит о преимуществе использования водорода. Следовательно, теоретически предложенный вариант дожигания угля в смеси с водородом представляет «наилучшую доступную технологию» по сравнению с дожиганием в смеси с метаном.

Расчет Кинх производился при условии, что в процессе горения вещества не взаимодействуют между собой. Однако в результате взаимодействия углерода и водорода образуется синтез-газ. При учете взаимодействия компонентов между собой по формуле (4) был проведен расчет КИ|1Тдля смеси (С-СН4-Н2). Результаты расчетов показали, что при увеличении в смеси доли водорода до 0,5—0,7 Кинх уменьшается в 1,03—1,3 раза по сравнению с дожиганием в смеси с метаном (при той же доли углерода).

Таким образом, введя новые показатели оценки экологической безопасности (локальные и интегральные), можно прогнозировать уменьшение концентрации вредных газов в продуктах сгорания различных топлив, оптимизировать их состав при совместном горении в энергетических городских системах и выбирать «наилучшую доступную технологию».

Более полно оценка процессов горения топлива определялась термодинамическими методами с использованием теоремы Нернста.

Рассчитывалась максимально полезная работа реакции горения топлив (Агаах) при рассчитанных температурах горения на выходе (Тк(рас,)). Термодинамической мерой экологической идеальности процесса является разность (Атах -ОтахХ при уменьшении которой процесс приближается к экологически идеальному, а соответственно, и к НДТ. Такое приближение наблюдается при горении биогаза (рис. 2).

Практическая ценность предложенной методологии оценки рассматривается также на примере горения топлива, используемого при эксплуатации городского транспорта (рис. 3). Если принимать эталоном (экологически идеальным топливом) водород, минимальное отклонение от экологической идеальности по выбросам оксида углерода, а следовательно, приближение к НДТ наблюдается у природного газа.

4500

БензннАН- Сжиженный Природный Метанол Водород 92 тез газ

Усредненное количество выбросов СО, г/км

Рисунок 3 - Отклонение от экологической идеальности по выбросам СО при горении топлива

В целях повышения уровня защищенности урбанизированных территорий проведена оценка сжигания топлива в зависимости от двигателя автотранспорта по наиболее опасному веществу — бенз(а)пирену (табл. 4).

Рисунок 2 - Кривые зависимостей А=Й[Т) и <3=Я[Т) в ходе реакции горения биогаза (при Тк(расч,)= 2599К: 0=270,35 кДж/моль, А=

Таблица 4 - Оценка экологической неидеальности процесса сжигания топлива

в двигателях автотранспорта

Наименование параметра Тип двигателя

Бензиновый Дизельный

Фоновая концентрация бенз(а)пирена в воздухе промышленного центра, мг/м3 3,9 ■ 10-6 3,9 • 10~б

ПДКсс бен(а)пирена, мг/м3 ю-4 10"4

Концентрация бенз(а)пирена в отработавших газах двигателей, мг/м3 25 • 10"3 10 ■ 10"3

Предельно допустимая неидеальность 256 256

Относительное отклонение от экологической идеальности 6409 2563

Как показано в табл. 4, наилучшей доступной технологией (по оценке выбросов бенз(а)пирена) можно считать сжигание топлива в дизельном двигателе.

В городской среде актуальную проблему с точки зрения качества атмосферного воздуха представляет сжигание попутных газов и продуктов производства на промышленных предприятиях. Проведена оценка выбросов загрязняющих веществ под факелом влияния предприятий г. Волгограда: ООО «ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка», ОАО «Каустик» и ОАО «Химпром» (табл. 5).

Таблица 5 - Оценка отклонения от экологической идеальности процесса сжигания отходящих газов под факелом ОАО «Химпром»

Наименование вещества г мг/м3 Сф, мг/м3 пдкм.р. мг/м3 пдн Л

Хлорид водорода 0,22 2,3-10^ 0,2 870 956

Оксид углерода 6 0,025 5 200 239

Аммиак 0,3 9-10"4 0,2 222 332

Показано, что концентрации загрязняющих веществ под факелом влияния ОАО «Химпром» превышают нормативы предельно, допустимых выбросов ПДК, а нормативы ПДК превышают естественный природный фон рассмотренных веществ в ПДН = 222—870 раз, что отдаляет данную технологию от НДТ.

В современном жилищном строительстве все более широкое применение находят полимерные отделочные материалы. Особую опасность представляет несанкционированное горение отходов полимерных материалов на полигонах и промотвалах с выделением значительного содержания опасных веществ (СО, непредельных углеводородов и др.). Например, при неполном горении полиэтилена относительное отклонение от экологической идеальности по концентрации превышает соответствующий параметр в реакции полного горения в 1800 раз. С точки зрения отклонения от экологической идеальности, а соответственно, для определения «наилучшей доступной технологии», проведена оценка процессов горения полиэтилена и полипропилена с использованием антипиренов, которые,

понижая горючесть полимерных материалов, регулируют процесс разложения полимеров в сторону увеличения коксового остатка, что обеспечивает снижение количества вредных летучих соединений. Использование антипиренов позволяет снизить параметр отклонения от экологической идеальности в 2,5 раза по температуре (по сравнению с полным горением) и в 1,7 раза по концентрации (в случае неполного горения).

Для более наглядной оценки экологической идеальности использовался метод многокритериальной оптимизации параметров с применением функции желательности Харрингтона для двухсторонних ограничений:

dj = ехр

(6)

Я

r_ (^max -^min )

-'max ■'min (7)

где У/ — безразмерный показатель желательности; Yt — экспериментальное значение показателя; Утах и 7mjn — максимальное и минимальное значения; а — ранг показателя.

Обобщенная функция желательности рассчитывалась по формуле

D = ^d^d3d„, (8)

где di — частные функции желательности.

В реакциях горения полиэтилена, согласно расчетным показателям частных функций желательности, наилучшее значение наблюдается по выбросам ароматических углеводородов, наихудшее — по выбросам этилена (рис. 4). Обобщенная функция желательности в реакции без использования антипиренов D = 0,62, что соответствует показателю «удовлетворительное», а с введением в реакцию антипиренов D = 0,80, что соответствует показателю «хорошее-очень хорошее», учитывая, что идеальное значение D = 1.

Горен не полиэтилене

■ бег антнштрснов В с антипнренамв

Рисунок 4 - Показатели желательности при горении полиэтилена

Таким образом, использование метода оптимизации с применением функции желательности Харрингтона для оценки отклонения от экологической иде-

13

альности позволило оптимизировать состав полимерных композиций, улучшить экологические характеристики процесса горения.

Проведена оценка экологической безопасности гидромеханических процессов функционирования действующих и реконструированных ГЭС в зависимости от типа плотины и режима работы ГЭС. Основные факторы опасности связаны с возможной потерей городских поселений в результате затопления, разрушения и водной эрозии берегов, выбросов парниковых газов, особенно с равнинных водохранилищ, а также уменьшением биоразнообразия в результате неравномерного режима функционирования ГЭС.

Воздействие режимов для регулирования выработки энергии было рассмотрено на примере Волжской ГЭС в период реконструкции. Оценивался реальный и идеальный режим эксплуатации ГЭС с учетом пиковых нагрузок. Показано, что в период паводка практически нет отклонений в режиме нагрузки и выработки электроэнергии, нет колебаний в виде «пиков» и «падений», поэтому процесс близок к экологически идеальному. Для оценки отклонения от экологической идеальности работы гидроагрегата проведен расчет коэффициента вариации V, идеальная работа которого при V -» ->0. Расчетное значение (У = 18 %) говорит о сравнительно удовлетворительном в статистическом отношении разбросе показателей выработки электроэнергии и, соответственно, сбросе воды в нижнем бьефе.

Для более наглядной оценки отклонения от экологической идеальности использованы формулы (6—8). На основании частных функций желательности (рис. 5) рассчитано обобщенное значение функции для суточного режима работы гидроагрегатов О = 0,64, что соответствует показателю «хорошее».

6 7 6913 1132131

Вр«мя. чяс

Рисунок 5 - Показатели желательности для суточного графика работы гидроагрегатов Волжской ГЭС (в рабочем режиме) Расчетное значение функции для работы гидроагрегатов за год Э = 0,42 соответствует показателю «удовлетворительное». Наилучшее значение частного показателя желательности приходится на апрель (0,61), но и оно попадает в категорию «удовлетворительное», что показывает отдаление данной технологии от идеального экологического процесса. Наилучшей доступной технологией можно считать проведение таких режимов, которые позволяли бы ГЭС выполнять оперативные функции регулирования мощности и, в то же время, стремиться к поддержанию идеального водно-энергетического режима.

14

С применением введенных показателей «относительное отклонение локального процесса от идеального» и «предел допустимой неидеальности» проведена оценка экологической безопасности массообменных процессов адсорбции паров винилхлорида, диоксина и бенз(а)пирена как наиболее вредных веществ в выбросах городской атмосферы (табл. 7). Проведено физическое и математическое моделирование процессов, определены параметры колонн периодического и непрерывного действия для конечного времени цикла, соответствующего концентрации паров вредных веществ в дымовых газах на выходе в сравнении с их фоновой концентрацией в воздухе.

Проведена оценка экологической безопасности процесса очистки охлаждающей воды на атомных электростанциях и рассчитаны параметры ионообменной колонны, обеспечивающей очистку воды до концентраций радиоактивных изотопов цезия и стронция, соответствующих их природному фону. В условиях максимального приближения АЭС к городским водохранилищам существует опасность радиоактивного облучения населения и в рамках нормативов ПДК.

Таблица 7 - Сводная таблица оценки экологической безопасности различных технологических процессов с учетом допороговых показателей

Название процесса (параметр оценки) Исходные параметры Показатели оценки

Кр, мт/и3 К„ мг/м3 ПДКр.3., мг/м3 пдн ли

1. Массообмеппныс

Адсорбция винилхлорида из абгазов (концентрация винилхлорида) 5705,36 0,221 30 136 25815

Адсорбция беиз(а)пирена из дымовых газов (концентрация бенз(а)пирена) 3,8 ■ Ю"3 3,9 • КГ4 104 (ПДКс.е) 26 973

2. Ионнообменные

Очистка охлаждающей воды реакторов АЭС от радиоактивных изотопов (концентрация цезия и стронция): -для цезия -для стронция 5,95-10"2 2,92 10"2 2,32-10~9 1,44-10"' 3,13-Юг6 7,2-Ю-7 1350 500 256465 20138

3. Механические

Измельчение известняка с последующей очисткой в циклоне (концентрация пыли): -сухим способом -мокрым способом 12,4 5,8 0,1 6 60 123 57

Актуальность экологической оценки механического процесса измельчения продиктована особенностями минерально-сырьевой базы Волгоградской области, включающей 4 месторождения известняка, используемого для производства строительных материалов. Показано, что при выборе способа измельчения известняка с точки зрения «наилучшей доступной технологии» рекомендован мокрый способ измельчения с последующей очисткой в циклоне. Разработаны новые технические решения, позволяющие улучшить экологические показатели техно-

логических установок по измельчению материалов, защищенные 3 патентами.

Значимость и достаточность введенных допороговых показателей подтверждена их использованием при сравнительной оценке различных технологических процессов строительства и городского хозяйства, определяя степень их степень отклонения / приближения к «идеальному экологическому процессу», а соответственно, и к НДТ с наивысшим уровнем охраны окружающей среды. Использование предлагаемых допороговых показателей позволяет оптимизировать состав композиций, улучшать экологические характеристики процесса и выбирать «наилучшую доступную технологию».

Таким образом, оценка экологической безопасности различных технологических процессов позволяет сделать вывод о том, что экологическая идеальность процесса может рассматриваться как дополнительный критерий при выборе НДТ при строительстве и функционировании городских технических систем.

В пятой главе представлена разработанная методика количественной оценки экологической безопасности технических систем строительства и городского хозяйства с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия, которая позволяет проводить расчеты для существующих и проектируемых производств или технологий с точки зрения экологической идеальности и определять «наилучшую доступную технологию». Результаты исследований внедрены в качестве методического обеспечения деятельности в МБУ «Служба охраны окружающей среды» (г. Волжский), разработан руководящий методический материал по комплексной оценке экологической безопасности различных процессов или технологий объектов городского хозяйства.

Эколого-экономические аспекты идеального технологического процесса показаны при переходе с традиционных на альтернативные источники энергии. Проведена оценка предотвращенного экологического ущерба в случае использования биогаза, образующегося в теле полигонов твердых отходов, который мог бы составить 8,6 млн руб./год по ценам 2013 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрены вопросы антропогенного воздействия технических систем, формируемых объектами промышленного, водохозяйственного, транспортного строительства и городского хозяйства. В целях управления и функционирования экологически безопасных природно-технических систем исследованы принципы создания новых технологий экологической безопасности, в частности «наилучших доступных технологий» (НДТ), усовершенствованы критерии экологической безопасности при строительстве и функционировании объектов городского хозяйства.

В работе дано решение актуальной задачи, относящейся к развитию существующих и разработке современных методов оценки экологической безопасности, в частности совершенствованию оценки экологической безопасности урбанизированных территорий с учетом допороговых показателей в целях предотвращения или уменьшения антропогенного воздействия до допустимого уровня.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. Анализ изменений в нормативных требованиях, а также разрозненность существующих методов оценки экологической безопасности урбанизированных территорий не позволяют в полной мере оценить пределы устойчивости экосистемы до допустимого уровня, требуют совершенствования методов оценки и поиска допороговых показателей антропогенного воздействия.

2. С учетом предлагаемого подхода экологической идеализации и в развитие методов, предотвращающих или уменьшающих негативное влияние хозяйственной деятельности на среду жизнедеятельности человека, предложен дополнительный критерий экологической безопасности урбанизированных территорий — «экологическая идеальность», введен термин «идеальный экологический процесс».

3. На основе критерия экологической идеальности усовершенствованы существующие методы оценки экологической безопасности городской среды. Предложены и научно обоснованы дополнительные допороговые показатели оценки технологических и техногенных процессов в стройиндустрии и других отраслях промышленности: «относительное отклонение локального процесса от идеального», «предел допустимой неидеальности (ПДН)», а также интегральные показатели оценки качества городской среды.

4. Значимость и достаточность введенных допороговых показателей подтверждается их использованием при сравнительной оценке различных технологических процессов, определяя степень их приближения к «идеальному экологическому процессу», а соответственно, степень приближения к «наилучшей доступной технологии» (НДТ) с наивысшим уровнем охраны окружающей среды. Оценка экологической идеальности процесса может рассматриваться как дополнительный критерий при выборе НДТ при строительстве и функционировании городских технических систем.

При оценке городского автотранспорта показано, что НДТ можно считать сжигание топлива в дизельном двигателе (по оценке выбросов бенз(а)пирена).

Оценка экологической безопасности процессов измельчения известняка с использованием допороговых показателей «отклонение от экологической идеальности» и «предела допустимой неидеальности» показала, что приближение к идеальному экологическому процессу наблюдается при мокром измельчении, что приближает данную технологию к НДТ. С использованием введенного интегрального показателя показана возможность оптимизации состава топливной смеси с углеродом, имеющей при горении наихудший показатель отклонения от экологической идеальности.

5. На основании проведенных исследований разработана методика количественной оценки экологической безопасности технических систем с учетом допороговых показателей антропогенного воздействия для использования в экологических системах мониторинга качества городской среды при строительстве и эксплуатации объектов городского хозяйства.

6. Эколого-экономические аспекты идеального экологического процесса показаны на примере перехода с традиционных на альтернативные источники энергии. Так, возможный предотвращенный экологический ущерб в случае использования биогаза мог бы составить 8,6 млн руб./год по ценам 2013 года.

Основное содержание диссертации изложено в публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Курылева, JI. В. Моделирование процесса адсорбции бензопирена из дымовых газов [Текст] / А. Б. Голованчиков, В. Ф. Каблов, JI. В. Курылева, Н. А. Дулькина // Экологические системы и приборы. — 2014. — № 7. — С. 39—46.

2. Курылева, Л. В. Оценка экологической безопасности урбанизированных территорий с учетом допороговых показателей [Текст] / Л. В. Курылева, А. Б. Голованчиков, В.Ф. Каблов // Социология города. — 2014. — № 4. — С. 5—14.

3. Курылева, Л. В. Эколого-экономические аспекты конверсии: от индустрии военной к индустрии экологической [Текст] / А. Б. Голованчиков, Л. В. Курылева, Т. А. Голованчикова, В. Л. Гончаренко II Экономика природопользования. — М.: ВИНИТИ, 2004. — Вып. 4. — С. 33—36.

Патенты:

4. Пат. 2288780 Рос. Федерация, МПК В 02 С 19/22. Устройство для измельчения материалов / А. Б. Голованчиков, Д. В. Янбиков, Л. В. Курылева, В. H. Исраельян, В. А. Лукасик; ВолгГТУ. — № 2005109630/03 ; заявл. 04.04.2005 ; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34.

5. Пат. 2292242 Рос. Федерация, МПК В 02 С 19/22. Устройство для измельчения материалов / А. Б. Голованчиков, Л. В. Курылева, А. А. Липатов, С. В. Смирнова, А. В. Брусаков, М. H. Каримова; ВолгГТУ. — № 2005116503/03; заявл. 30.05.2005 ; опубл. 27.01.2007, Бюл. № 3.

6. Пат. 2310511 РФ, МПК В 02 С 19/22. Устройство для измельчения материалов / А. Б. Голованчиков, С. В. Смирнова, А. В. Брусаков, Л. В. Курылева, С.

A. Иглов; ВолгГТУ. — № 2006118748/03, заявл. 30.05.2006 ; опубл. 20.11.2007, Бюл. № 32.

Публикации в других изданиях:

7. Курылева, Л. В. Оценка экологичности режимов эксплуатации различных типов ГЭС с использованием интегральных оценок [Текст] / Л. В. Курылева,

B. Ф. Каблов, А. Б. Голованчиков // Современные наукоемкие технологии. — 2012,—№ 5, —С. 35—39.

8. Курылева, Л. В. Об идеальных и реальных экологических процессах и их количественной оценке [Текст] / А. Б. Голованчиков, Л. В. Курылева, Т. А. Голованчикова, В. Л. Гончаренко // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. — М. : ВИНИТИ, 2004. — Вып. 8. — С. 6—10.

9. Курылева, Л. В. Организация обращения с твердыми бытовыми отходами [Текст] / Л. В. Курылева // Деятельность по обращению с опасными отходами : учеб. пособие / под общ. ред. В. Ф. Желтобрюхова, Л. Я. Полянинова и С. Н.

Недешевой ; авт.-сост. Ю. JI. Беляева. — М.: НИА-Природа, РЭФИА, 2003. — Т. 1. С. 150—172.

10. Курылева, Л. В. Оценка процесса адсорбции паров диоксина из вентиляционных выбросов [Текст] / Л. В. Курылева [и др.] // Изв. Волгогр. гос. техн. ун-та. Сер.: Реология, процессы и аппараты химической технологии. — 2014. — Вып. 7. — № 1 (128). С. 103—109.

11. Курылева, Л. В. Оценка экологических процессов горения топлива [Текст] / А. Б. Голованчиков, Л. В. Курылева, В. Ф. Каблов // Поволжский экологический вестник. — Волгоград : Волгогр. отд-ние Рос. экологич. акад. (ВОРЭА). — 2005.Вып. П. —С. 12—21.

12. Курылева, Л.В. Технологические и экологические аспекты процесса адсорбции винилхлорида из абгазов [Текст] / А. Б. Голованчиков, Л. В. Курылева, В. Ф. Каблов // Изв. Волгогр. гос. техн. ун-та. Сер.: Реология, процессы и аппараты химической технологии. — 2013. — Вып. 6. — № 1(104). — С. 76—79.

13. Курылева, Л. В. Экономика и производство. Общее дело [Текст] / Л. В. Курылева // Здоровье и экология. — 2003. — № 2—3. — С. 15—16.

14. Каблова [Курылева], Л.В. Полимерные композиционные материалы с эндотермическими системами для огнетеплозащигных материалов [Текст] / В. Ф. Каблов, И. В. Прошина, А. Н. Гайдадин, Л. В. Каблова // Первая Всероссийская конференция по полимерным материалам пониженной горючести : тез. докл. -Волгоград, 1995. - С. 76-77.

15. Курылева, Л. В. Роль обучения в системе обращения с отходами в России [Электронный ресурс] / Л. В. Курылева, В. Ф. Каблов // ВэйстТэк-2003 : матер. конгресса и каталог выставки, Москва, 3—6 июня 2003 г. / М-во природных ресурсов Рос. Федерации, ГК РФ по строительству и жилищно-коммунальному комплексу, ЗАО «Фирма СИБИКО Интернэшнл». —■ М., 2003. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). file:///D:/Congress/rus/index_rus.htm.

16. Курылева, Л. В. Оценка экологичности ГЭС с использованием интегральных оценок [Текст] / Л. В. Курылева, А. Б. Голованчиков, В. Ф. Каблов // Оздоровление экологической обстановки в регионах Нижней Волги, восстановление и предотвращение деградации ее природных комплексов — составная часть программы «Возрождение Волги» : материалы Межрегион, науч.-практ. конф. — Волгоград, 2011.— 126 с.

17. Понятие идеальности в технических объектах и предел.,допустимой неидеальности в экологических процессах [Электронный ресурс] / Л.В. Курылева, А.Б. Голованчиков, В.Ф. Каблов, С.Б. Воротнева // Взаимодействие предприятий и вузов — наука, кадры, новые технологии : сб. докл. X межрегион, науч.-практ. конф. (г. Волжский, 29 апр. 2014 г.) / ВолгГТУ, ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 180-183.

Курылева Лариса Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С УЧЕТОМ ДОПОРОГОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.01.2015 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1 Уч.-изд. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ № 08

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет Отпечатано в отделе оперативной полиграф™ 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1