Автор: Медведева В.Т.
Теги: природа охрана окружающей среды рациональное природопользование охрана природы мониторинг окружающей среды рекреационное использование природы экология безопасность жизнедеятельности
ISBN: 5-8297-0090-5
Год: 2002
Текст
Инженерная
экология
V ч е о и и л
ВТ
UNIVERS
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по электротехническим
и электроэнергетическим специальностям
Инженерная
экология
Под редакцией профессора В. Т. Медведева
в°ощ
•*Яо
B*te
«4а
°тЁНл
яхтащ
***%?;***
оц0
Ала
хяиг н**Ых
пРо,
е***в
evec*„ e*°e
с«в«
c°<*tt
*с*ов
jApt»*puku
Москва, 2002
УДК 502.3(075.8)
И62
Рецензенты:
лауреат Государственной премии СССР
доктор технических наук, профессор Л.И. Селезнев
доктор технических наук, профессор Л.С. Стрижко
И62 Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т.
Медведева. — М.: Гардарики, 2002. — 687 с: ил.
ISBN 5-8297- 0090-5 (в пер.)
Впервые на единой методологической основе рассмотрены вопросы
воздействия на окружающую среду не только загрязняющих веществ химического
и биологического происхождения, но и таких факторов, как шум, вибрация,
ионизирующие и неионизирующие излучения, электрический ток и др
Представлены основные методы анализа процессов в окружающей среде при
воздействии на нее различных антропогенных факторов. Описаны методы и
средства контроля и защиты окружающей среды от различных факторов,
негативно влияющих как на окружающую среду, так и на человека —
неотъемлемой составляющей системы окружающая среда—человек—окружающая
среда.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Инженерная
защита окружающей среды», «Безопасность технологических процессов и
производств», «Защита в чрезвычайных ситуациях» по направлениям «Защита
окружающей среды» и др. Может быть использован практиками, а также в системах
послевузовского образования и повышения квалификации
УДК 502.3(075.8)
ББК 20.18
В оформлении переплета использован фрагмент картины
Пьера Роя начала 1930-х гг.
ISBN 5-8297-0090-5
© «Гардарики», 2002
© Коллектив авторов, 2002
Предисловие
На пороге нового тысячелетия человечество, столкнувшееся в
уходящем XX веке с крайне обострившимися противоречиями между
своими растущими потребностями и неспособностью биосферы обеспечить
их, мучительно ищет пути выхода из этой кризисной ситуации.
Развитие науки, техники и технологии обеспечило рост материальных благ
людей, но одновременно оказалось ответственным за сползание к
глобальной экологической катастрофе.
Сегодня передовые научные школы объединяются вокруг идеи
«устойчивого развития», предполагающей такое цивилизованное
развитие, которое не разрушает своей природной основы,
гарантируя человечеству возможность выживания.
Одним из направлений экологических знаний является экология
человека, приобретающая в современном мире социальную и
экономическую значимость. С экологией человека тесно связана
инженерная экология, решающая задачи создания инженерных методов
исследования и защиты окружающей природной среды. Однако
когда речь идет об инженерно-экологических проблемах, как
правило, говорится о загрязнении воздуха, воды, почвы, реже - о
шумовом и электромагнитном загрязнениях среды, а некоторые вопросы
вообще остаются вне сферы внимания. Поэтому особую значимость
имеет комплексный подход к проблеме инженерно-экологического
обеспечения производственных предприятий на основе единой
методологии, с учетом последних достижений в различных отраслях
знаний (охрана окружающей среды, промышленная безопасность,
инженерная защита окружающей среды и др.).
В этой связи в системе знаний следует выделить инженерную
экологию, являющуюся комплексной научно-технической дисциплиной.
Объектом исследования в инженерной экологии являются системы,
образовавшиеся и длительное время функционирующие в результате
взаимодействия конкретного вида общественного производства с
окружающей его природной средой При этом теоретические и методические
положения инженерно-экологических исследований и их реализация
одинаковы для всех видов общественного производства,
взаимодействующих с природной средой. Наиболее характерными и
информативными системами, образовавшимися в процессе промышленного
производства как объектов исследования в инженерной экологии, являются при-
родно-промышленные системы.
6
Предисловие
Учебник «Основы инженерной экологии» подготовлен коллективом
авторов кафедры инженерной экологии и охраны труда Московского
энергетического института (технического университета): д-ром техн.
наук, проф. В.Т. Медведевым (гл. 5, 11, 17, 18, § 2.11, 4.2, 8.11—8 13,
19.4), канд. техн. наук, доц. В.В. Скибенко (§ 2.1, 2.2, 2.6, 2.7, 2.9, 2 10,
3.1—3.5, 4.1, 4.3—4 5), канд. техн. наук, доц. А.К. Макаровым (§ 2.3—
2.5, 3.6, 12.1), доц. С.Г. Новиковым (предисловие, гл. 1, 6, § 15.1, 152),
д-ром техн. наук, проф. Е.С. Колечицким (гл. 7), ст. прел. Н Н. Кар-
ташевой (§ 8.1—8.10), ст. преп. Л.Н. Копыловой (§ 9.1—9.3), канд.
техн. наук, доц. Б.И. Соболевым (§ 9.4—9.10), ст. преп В.В. Корочко-
вым (§ 2.8, 15 2), канд. техн. наук, доц. Т.Н. Масловой (гл. 13, § 12.2,
19.1, 19.2), канд. техн. наук, доц. А.В Каралюнцем (гл. 14, § 15.3, 19 3,
19.5), канд. техн. наук, доц. B.C. Малышевым (гл. 16).
Авторы выражают признательность сотрудникам кафедры:
научному сотруднику М.А. Пугачеву, старшему преподавателю Л.Н.
Копыловой и доценту Т.Н. Масловой за помощь в оформлении рукописи.
Особую благодарность коллектив авторов выражает доктору
технических наук Ю Г. Басову за помощь в написании § 8.11—8.13.
Часть I. МЕСТО ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
В СИСТЕМЕ ЗНАНИЙ О ЧЕЛОВЕКЕ И ПРИРОДЕ
Гл а в а 1
КОНЦЕПЦИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
1.1. Основные понятия
Для большинства людей, живущих на планете Земля, очевидно,
что, вступая в XXI в., человечество тянет за собой тяжелый «воз»
нерешенных проблем XX в. — века технического прогресса, не
только одарившего нас немыслимыми ранее благами цивилизации, но и
поставившего сообщество людей на грань экологического кризиса.
Одной из таких нерешенных проблем является защита
окружающей среды от постоянно возрастающего техногенного воздействия.
В XX в. человечество вступило в эру глобальных технологических
процессов, затрагивающих окружающую природную среду в целом.
Вместе с тем развитие техники насытило нашу жизнь дома, на
работе огромным количеством устройств, приспособлений, приборов,
которые в корне изменили воздействующую на нас каждую минуту
окружающую «микросреду». В повседневной жизни мы стали
обращать все больше внимания на электромагнитные поля, шумы,
ионизирующие излучения и т.д.
В XX в. планета Земля стала действительно нашим общим домом
во многих смыслах: политические системы сближаются;
информационные технологии делают нас соучастниками событий,
одновременно происходящих в разных уголках планет; современный
транспорт переносит нас в считанные часы в любую географическую
точку. Необходимо сделать этот общий дом чистым и безопасным
для жизни.
Проблемы защиты окружающей среды затрагивают всех людей.
От них не скрыться ни на другом континенте, ни в самом глубоком
бомбоубежище. Пытаясь разобраться в проблемах воздействия
человека на окружающую среду, способах защиты от негативных
проявлений этого воздействия, человечество создало множество наук
и научных направлений, каждое из которых оперирует своей
терминологией, использует свои- методы исследований. Постараемся ра-
8 Часть I. Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе
зобраться в этом многообразии научных направлений, понятий и
определений и выделить среди них необходимые для практической
инженерной деятельности
Начнем с основополагающих понятий и определений. В
последнее время появилось огромное количество словосочетаний,
использующих классический термин «экология». Например, говорят об
«экологии классической», «экологии общей», «экологии города»,
«экологии космической» и т.д. Подобные словосочетания
обозначают отдельные направления экологических знаний. В ряде случаев
употребляют некорректные словосочетания типа «экология дома»,
«экология района» и т.п. для обозначения состояния окружающей
среды в доме, районе. Так что же такое «экология»?
Экология (греч. oikos — дом, logos — наука) — наука,
изучающая условия существования живых, организмов, их. взаимосвязь
между собой и средой, в которой они обитают.
Термин предложен немецким ученым Эрнстом Геккелем в
1886 г. Изначально экология рассматривалась как наука,
исследующая закономерности жизнедеятельности организмов в их
естественной среде обитания, т.е. как биоэкология. В настоящее время этот
термин употребляют для обозначения системы экологических
знаний, состоящей из различных направлений, каждое из которых
может выступать в качестве самостоятельной науки (рис. 1.1).
Экология рассматривает некую значимую для живого объекта
(в частности, человека) совокупность природных и социальных
явлений с точки зрения интересов этого живого объекта. Выделим
среди всего многообразия научных направлений, составляющих
систему экологических знаний, антропогенную экологию или,
по-другому, экологию человека В общем виде антропогенная
экология — это наука, исследующая общие законы взаимодействия
биосферы и человека, влияние природной среды (в ряде случаев и
социальной) на человека. При этом под «человеком» подразумевается
антропосистема, состоящая из различных структурных уровней
человечества, его групп и индивидуумов.
Homo sapiens, появившийся как биологический вид более
миллиона лет назад в кайнозойскую эру, развивается по общим законам
экологии. Однако социальная природа (сущность) человека ставит
его по отношению к общему миру живой природы в особое
положение. Человек — существо разумное — активно влияет на среду
своего обитания, преобразует ее в соответствии со своими
потребностями и, как следствие, становится «заложником» изменяющейся
окружающей среды
Глава 1 Концепция инженерной экологии
9
Экология
систематических групп
(биоэкология)
Экология: проктариот
грибов, растений,
животных
Экология сред жизни,
сфер ее распространения
и географических
подразделений
Аэрология,
гидробиология,
литоэкология, экология
лесов и пустынь
Хронозкология
Историческая экология,
археэкология,
эволюционная экология
Инженерная экология
Прикладная экология,
технологическая
экология,
сельскохозяйственная
и промышленная
экология,
экологоэкономическая
наука
Социальная экология
Экология семьи,
популяционная экология
экология человека,
эколог ия
народонаселения,
Экология иерархии
живого
Молекулярная экология,
генеэкология,
экология клеток и тканей
физиологическая
экология, экология
особи,популяционная
экология, экология вида,
сообществ,
биоценология,
биогеоциокология,
биосферология
Концептуальная
и экспериментальная
экология
Аналитическая
экология,
теоретическая
экология
Экология поселений
Урбоэкология,
экология строительства
Факторальная экология
(аутоэкология)
Физическая экология,
химическая экология,
Экология антропогенных
воздействий
Рис
Направления знаний в экологии
Человеческое общество основано на потреблении в самом
широком смысле этого слова Хозяйственная деятельность человека
развивается в зависимости от его потребностей. Она базируется на
производстве, развитие которого предполагает использование природы
и ее разнообразных ресурсов. На определенном этапе развития лю-
10 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
бого общества неизбежно возникает противоречие между человеком
и природой, между производством и естественными экологическими
системами.
Антропогенная экология является междисциплинарной наукой,
базирующейся на комплексе «экологизированных»
фундаментальных наук и прикладных дисциплин, решающих проблемы
рационального взаимодействия общества и природы. Особое место среди
прикладных дисциплин, входящих в антропогенную экологию, занимает
инженерная экология.
Инженерная экология — прикладная дисциплина,
представляющая собой систему научно обоснованных
инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества
окружающей среды в условиях растущего промышленного производства.
Инженерная экология возникла на стыке технических, естественных и
социальных наук.
В отечественной литературе наряду с термином «инженерная
экология» часто используют термины, близкие по смыслу, но не
являющиеся синонимами, например: «прикладная экология»,
«промышленная экология», «безопасность жизнедеятельности», «защита
окружающей среды», «охрана окружающей среды», «охрана труда»
и т.п. Особо следует отметить два последних термина.
Охрана окружающей среды по определению представляет собой
систему правовых, технических и санитарных мер, обеспечивающих
рациональное использование, сохранение и воспроизводство
природных ресурсов. Охрану окружающей среды следует отнести к
направлениям, широко использующим экологические знания,
имеющие скорее смысл запретов или ограничений (технических,
юридических, организационных и т.п.) нежели оптимизации
природопользования. С другой стороны, охрана окружающей среды является
системой, практически реализующей те целенаправленные
действия, которые формируются (с научным обоснованием и
опытно-экспериментальными подтверждениями) в рамках самостоятельной
научной дисциплины «Инженерная экология»
Что касается термина «охрана труда», то, казалось бы, он
отстоит еще дальше от понятия «экология», но это только на первый
взгляд. Если принять тезис о том, что внутрипроизводственная
окружающая среда и люди, работающие в ней, взаимодействуя,
образуют локальные экологические системы, с чем трудно не
согласиться (определение локальной экологической системы дается ниже), то
все рассуждения об охране окружающей среды окажутся
справедливыми и для прикладной научной дисциплины «Охрана труда»,
Глава 1 Концепция инженерной экологии
11
только на другом уровне взаимодействия человека и окружающей
его среды. Охрана труда — система обеспечения безопасности
жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности,
включающая правовые, социально-экономические, организационно-
технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические,
реабилитационные и иные мероприятия.
В результате наших рассуждений можно выстроить
иерархическую структуру рассмотренных понятий (рис. 1.2).
Экология
Антропогенная экология
Инженерная экология
Охрана окружающей среды
Охранатруда
Рис 1.2 Место инженерной экологии в системе экологических знаний
Понятийный аппарат инженерной экологии включает в себя
множество терминов, сформированных на стыке различных областей
знаний. Рассмотрим некоторые из них.
Биосфера (греч. bios — жизнь, spharia — шар) — оболочка
Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов,
охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю
часть литосферы. Биосфера возникла 3,5...4,5 млрд лет назад и
представляет собой результат взаимодействия живой и неживой
материи. При этом как живое вещество является «функцией»
биосферы, так и биосфера — результат развития живого вещества. Как
пример можно привести тот факт, что 99% всего вещества в
верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами.
Суммарная масса живых организмов Земли оценивается примерно в
2,41012 т. Биосфера развивается. Человеческое общество является
одним из этапов развития жизни на Земле, т.е. одним из этапов
биогенеза. Отличительной чертой биогенеза на современном этапе
эволюции является влияние разума (разумной деятельности человека).
Следовательно, биогенез получил характерный признак ноогенеза.
Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в
ноосферу.
Ноосфера — сфера разума, высшая стадия развития биосферы,
связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда
12 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
разумная человеческая деятельность становится главным
определяющим фактором глобального развития.
В настоящее время наряду с классическими понятиями
«биосфера» и «ноосфера» выделяется новое состояние природной среды —
техносфера (биотехносфера). Техносфера может
рассматриваться как некоторая интегральная совокупность актов
трудовой деятельности человека, в рамках которых происходит
развитие всех реальных процессов, протекающих в биосфере.
Техносфера является результатом техногенеза, который, в
свою очередь, может рассматриваться как дестабилизирующий
фактор в биосфере —- изначально равновесной системе.
Именно инженерная экология является ведущим элементом
преобразования биосферы в ноосферу. Одним из центральных в
инженерной экологии является понятие «экологическая система»
(экосистема), которая относится к классу сложных систем
(невозможность строгого математического описания, многозвенность
структурного состава и многосвязность составляющих структурных
единиц).
Экологическая система — это совокупность совместно
обитающих разных видов организмов и условий их существования,
находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Наряду с
приведенным достаточно простым определением существуют более
сложные. Приведем, например, одно из них
Экологическая система — информационно-саморазвивающаяся
термодинамически открытая совокупность биотических
экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии,
единство и функциональная связь которых в пределах характерных
для определенного участка биосферы времени и пространства
обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных
перемещений веществ, энергии и информации над внешним обменом
и на основании этого неопределенно долгую саморегуляцию целого
под управляющим воздействием биотических и биогенных
составляющих.
Частным, более узким понятием, близким к термину
«экосистема», является термин «биогеоценоз». Биогеоценоз (греч. bios —
жизнь, geo — Земля, cenoz — сообщество) — однородный участок
земной поверхности с определенным составом живых и костных
компонентов и динамическим взаимодействием между ними
Экосистема может включать в себя несколько биогеоценозов.
Биогеоценозы — это природные образования. Любой биогеоценоз
Глава 1 Концепция инженерной экологии
13
является экологической системой, но не всякая экосистема
является биогеоценозом.
В качестве экологической системы можно рассматривать озеро,
луг, а можно и космический корабль, являющийся замкнутой
автономной системой жизнеобеспечения. Где-то между лежит
промышленное предприятие со всеми многоуровневыми связями с
окружающей природной средой. Пойдем еще дальше, утверждая, что любое
помещение (комната, цех и т.д.), в котором человек проводит
значительную часть жизни, также является экосистемой со всеми
присущими ей признаками. Таким образом, в качестве экологической
системы может рассматриваться любое промышленное
предприятие, включающее в себя материальные, энергетические и людские
ресурсы, занятые в производственном процессе. Подобные
экологические системы имеют свои особенности: неадекватность поведения
естественных и искусственных объектов, составляющих
экосистему; многомерность протекающих в системе процессов,
формирующих экосистему. В дальнейшем будем называть эти процессы для
экосистем типа «человек — производственный объект —
окружающая среда» деградационными процессами.
Очевидно, что экологические системы могут быть разного
уровня. Например, классические экосистемы могут быть:
микроэкосистемами (например, горшок с цветком, ствол гниющего дерева и т п.);
мезоэкосистемами (лес, пруд и т.д.); макроэкосистемами (океан,
континент и т п.).
Введем подобную классификацию для экологических систем
«человек—производственный объект—окружающая среда». Будем
считать, что такие экосистемы могут быть трех уровней:
• глобальные (крупный промышленный регион, например Кан-
ско-Ачинский топливно-энергетический объект — КАТЭК);
• региональные (любое промышленное предприятие,
включающее в себя промышленную площадку и санитарно-защитную зону,
например, АЭС);
• локальные (цех. производственное предприятие, любое
помещение, включая рабочее место, квартиру и др ).
Сразу отметим, что, рассматривая локальные экологические сис-
|емы, будем говорить о качестве внутрипроизводственной
окружающей среды (в английском языке существует очень емкий термин для
|бозначения таких сред — inside environment).
Следующая группа терминов охватывает понятие
«экологический фактор». Экологический фактор — элемент среды,
оказывающий существенное влияние на живой организм или, по-другому,
14 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
любое условие среды, на которое «живое» реагирует
приспособительными реакциями (за пределами приспособительных
способностей лежат летальные факторы).
Экологические факторы принято делить:
• на факторы неживой среды (например, климатические —
температура, влажность, свет, давление);
• биотические — факторы живой среды, связанные с влиянием
живых существ;
• антропогенные — факторы, возникающие в процессе
деятельности (планируемой и случайной, постоянной и прошлой) человека,
причем деятельность человека может быть бытовой,
производственной и также связанной с военными действиями. '
Систематизация информации об экологических системах типа
человек—производственный объект—окружающая среда, а также
разработка технических методов защиты как человека, так и
окружающей его среды проводится на основе обобщенного понятия
«антропогенный производственный фактор». Антропогенный
производственный фактор (АПФ) — фактор, способный вызвать
негативные изменения здоровья человека, непосредственно занятого в
производственном процессе, и антропогенные изменения
окружающей среды, подверженной воздействию данного производственного
процесса. Еще раз подчеркнем, что речь идет о факторах, которые
обусловлены трудовой, производственной деятельностью.
Эти факторы можно классифицировать по разным признакам.
По своей природе АПФ могут быть: физическими, химическими,
биологическими, психофизиологическими.
По своему действию АПФ могут разделяться:
• на вредные — АПФ, воздействия которых на работающих в
определенных условиях приводят к заболеванию или снижению
работоспособности (например, шум, вибрация, электромагнитные
поля);
• опасные — АПФ, воздействия которых на работающих в
определенных условиях приводят к травме или другому резкому
ухудшению здоровья (электрический ток, газообразный хлор в
определенных концентрациях, шум, вибрация и др.);
• особо опасные — АПФ, которые при определенных условиях
приводят к промышленной аварии, т.е. разрушительному
высвобождению собственного энергозапаса промышленного предприятия, при
котором сырье, промежуточные продукты, продукция предприятия,
отходы производства, установленное на промышленной площадке
технологическое оборудование, вовлекаясь в аварийный процесс, со-
Глава 1. Концепция инженерной экологии
15
здают факторы для населения, персонала, окружающей среды и
самого промышленного предприятия, приводящие к
катастрофическим последствиям (ионизирующие излучения, пожар, взрыв, выброс
большого количества газообразного хлора и др.).
Следует отметить, что вредные антропогенные
производственные факторы носят, как правило, детерминированный характер, а
опасные и особо опасные — стохастический характер. В
количественную оценку стохастических АПФ входит вероятность
возникновения данного фактора.
Таким образом, предметом исследования инженерной экологии
является взаимодействие технологических и природных процессов
в промышленно-природных системах — экологических системах
«человек — производственный объект — окружающая среда»
различных уровней.
Выявление и анализ антропогенных производственных
факторов, разработка комплекса способов и средств, позволяющих
достигнуть гармонизации взаимодействия человека с окружающей средой,
являются по существу инженерно-экологическим обеспечением про^
изводственного процесса.
Исчезновение с лица Земли сотен тысяч видов зверей, птиц,
пресмыкающихся и земноводных, о чем свидетельствует «Красная
книга», страницы которой стремительно заполняются; увеличение
заболеваний органов дыхания, пищеварения, сердечно-сосудистой
системы, злокачественных новообразований и т.д. — все это
происходит на фоне неизменного, даже катастрофического роста
населения планеты и ухудшения экологической ситуации. Рост
народонаселения сопровождается значительным ростом валового мирового
продукта, который с начала XX в. и до наших дней увеличился
примерно в 350 раз, при этом объем потребления природных ресурсов
(питательные вещества, энергоресурсы и т.д.) за этот же период
возрос в десятки раз (в «душевом» исчислении). И все это
сопровождается социальными и политическими потрясениями. Экстенсивные
формы хозяйствования, которые имели место во многих развитых в
научно-техническом отношении странах, привели к значительной
деградации окружающей среды (ОС). К сожалению, переход на
интенсивные ресурсо- и энергосберегающие технологии пока не дает
Желаемых результатов, так как темпы повышения эффективности
производства отстают от роста его объемов. На первый взгляд,
экономическая ситуация, сложившаяся в РФ, приведшая к
значительному спаду производства, должна была положительно отразиться на
состоянии ОС. Однако снижение капиталовложений в природоо-
16 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Легкая
Оборонная
Пищевая
Химическая
Деревообрабатывающая
Угольная
Промстройматериалы
Газовая
Машиностроение
Нефтепереработка
Нефтедобыча
Черная металлургия
Цветная металлургия
Электроэнергетика
О 5 10 15 20 25 Доля,%
Рис 1 3 Доля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух
промышленностью (1996 г )
хранные мероприятия, увеличение количества автотранспорта и
несанкционированные сбросы, выбросы и накопление твердых отходов
нивелировали положительную производную, наметившуюся в
процессе формирования экологической ситуации.
Вместе с тем, есть ряд отраслей промышленности, которые на
протяжении десятилетий остаются лидерами антропогенного
загрязнения ОС (рис. 1 3) Наибольший негативный вклад в формирование
экологической ситуации вносит электроэнергетика. Для
наглядности в табл. Г. 1 приведены данные по динамике загрязнения ОС от
электроэнергетики
В крупных городах наблюдается рост концентрации оксида
углерода и диоксида азота за счет увеличения автомобильного
транспорта. Увеличилось количество городов с наибольшим загрязнением
атмосферного воздуха в РФ. Такие изменения имеют объективную
причину, обусловленную переходом на стандарт Всемирной
организации здравоохранения (ВОЗ). Например, при оценке концентрации
бензола нормативы ВОЗ в четыре раза жестче предельно
допустимой концентрации (ПДК).
В ряде регионов наблюдается рост средних концентраций таких
загрязнителей, как бензапирен Такое развитие событий не вселяет
оптимизма, так как бензапирен является одним из самых
распространенных и сильнодействующих канцерогенов. В городах, где его
концентрация составляет 2 .4 ПДК, частота заболеваний раком у
лиц старше 40 лет увеличивается на 12...20%, а при концентрациях
выше 4 ПДК на 22"...24%.
Глава 1 Концепция инженерной экологии
17
Таблица I 1
Показатель
Е
Всего, т
В том числе, т
твердых
жидких и газообразных
сернистого ангидрида
оксида углерода
оксида азота
углеводов при отсутствии
ЛОС*
то же при наличии ЛОС
Уловлено и обезврежено, %
Объем использованной
воды, м*
Объем оборотной и повтор-
нопоследовательно
используемой ВОДЫ, №>
Экономия свежей воды, %
Отведени
Всего, м3
В том числе загрязненных
Из них, м3
без очистки
нормативно-чистых
нормативно очищенных
* Локальные очистные соору
житель
ыброс
10*
103
10J
10'
1,03
103
103
103
—
106
106
е вод
106
to6
106
106
106
жения
1993 г
вредных
5898,2
1812.8
4086,0
2489,4
190,7
1384,2
2,6
1,0
84,4
32435
74370
70
з поверхн
28469
1318
1066
29967
183,9
1994 г
веществ
5267,4
1556,0
3711,4
2254,9
218,6
1200,0
3,9
1,0
84,0
29197
69932
71
остные в
25573
1246
1051
24147
179,7
1995 г
5017,7
1453,1
3564,6
2134,0
248,0
1136,8
4,0
0,9
84,2
28426
69446
71,0
одоемы
24956
1090
813
23692
174,4
1994 г
в % к
1993 г
89,3
85,08
90,8
90,6
114,6
86,7
151.7
101,0
99,5
90,0
94,0
101,4
89,9
94,5
98,6
89,5
97,7
1995 г
в % к
1994 г
95,3
93,4
96,0
94.6
113,5
94,7
110,8
87,8
100,2
97,4
99,3
100,0
97,6
87,5
77,4
98,1
97,1
Разовые концентрации взвешенных веществ оксида углерода,
диоксида азота, сероводорода, фенола, сажи, формальдегида, фторида
водорода и некоторых других веществ выше ПДК в 65...90%
городов. Ежегодно выделяются города с самым высоким уровнем
загрязнения воздуха, в которых индекс загрязнения атмосферы (ИЗА)
равен или выше 14 В 1996 г. приоритетный список включал 44
города. Некоторые города появились в этом списке впервые
(Владимир, Новомосковск, Соликамск, Сызрань). Несколько приоритетных
городов (Екатериш^лвФвтитаи, Чалившие* « матерых ИЗА мень-
18 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Газовая
Нефтедобыча
Промстройматериалы
Пищевая
Легкая
Оборонная
Нефтепереработка
Цветная металлургия
Угольная
Черная металлургия
Машиностроение
Электроэнергетика
Химическая
Деревообрабатывающая
О 5 10 15 20 Доля, %
Рис 1.4 Доля сбросов загрязненных сточных вод промышленностью (1996 г.)
ше 14, сохранены в новом приоритетном списке. Это связано с тем,
что хотя в целом для города ИЗА меньше 14, в некоторых районах
Екатеринбурга (юго-запад), Саратова (центр города), Челябинска
(центр города) уровень загрязнения атмосферы остается очень
высоким.
Не лучшим образом обстоит дело с состоянием водных объектов
(рис. 1.4).
В местах водопользования населения 29% проб не отвечают
установленным нормам по санитарно-химическим показателям и
26,6% — по микробиологическим показателям. В целом по России
более 20% проб из коммунальных и ведомственных водопроводов
не соответствуют гигиеническим нормам по санитарно-химическим
показателям и соответственно 8,9 и 13,6% — по
микробиологическим. Накопление твердых отходов негативно сказывается на
состоянии почвенного покрова. Около 17% проб почвы не отвечает
санитарно-гигиеническим нормам. Тяжелые металлы, пестициды и
полихлорированные бифенилы — далеко не полный перечень
вредных веществ, загрязняющих почву.
Экосистема постоянно находится под воздействием физических
антропогенных факторов (вибрация, шум, электромагнитные и
радиоактивные излучения). Так, свыше 30% жителей городов России
подвержены акустическому воздействию, превышающему
нормативные уровни. В Москве более 3 млн человек проживает в зонах
акустического дискомфорта (30,3% площади селитебной
территории).
Глава 1 Концепция инженерной экологии
19
Интенсивное внедрение новейших средств связи, расширение
традиционных систем информации, телекоммуникаций и
электроснабжения привели за последние 10 лет к росту интенсивности не-
ионизирующих электромагнитных излучений в 20...30 раз.
Решением ВОЗ электромагнитное загрязнение ОС включено в число
важнейших экологических проблем многих регионов. По итогам
социологических исследований эти проблемы вышли на одно из первых
мест среди проблем, наиболее беспокоящих население РФ. Выход
из создавшегося положения только один — с окружающей средой
нужно быть на Вы.
Система «человек—окружающая среда» — замкнутая, любое
нарушение баланса в ней может привести к катастрофическим
последствиям. Например, в процессе эволюции в природе сложился
тепловой баланс, определяемый аккумулированием энергии в
органических соединениях и рассеянием ее в виде тепла.
В отличие от автотрофных растений, в которых начинается
трансформация солнечной энергии в органические соединения,
человек использует органические вещества, сжигая их и переводя
запасенную энергию в тепло. При добыче энергетических ресурсов
человек разрушает биологический состав почв и способствует ее
деградации. Хозяйственная деятельность человека при использовании
природных ресурсов крайне неэффективна.
1.2. Организационно-правовые основы
инженерной экологии
Проблема гармонизации взаимодействия человека с
окружающей средой является комплексной, требующей для своего решения
усилий в различных направлениях: техническом, организационном,
административном, экономическом, социальном. Правовая база ре-
щения этой комплексной проблемы должна опираться на строгие
юридические нормы.
Из числа действующих нормативных правовых актов в этой
области следует прежде всего выделить Закон Российской Федерации
«Об охране окружающей природной среды» — комплексный
нормативный акт, ориентированный на складывающиеся в нашей стране
рыночные отношения и предусматривающий решение следующих
задач:
• охрана окружающей природной среды, а через нее охрана
здоровья человека;
20 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• предупреждение вредного воздействия хозяйственной или
иной деятельности;
• оздоровление окружающей среды путем улучшения ее
качества.
Ведущим принципом данного Закона является научно
обоснованное сочетание экологических и экономических интересов. В
соответствии с Законом нормативы качества окружающей природной
среды должны устанавливать научно обоснованную меру сочетания
экологии и экономики. Создание стройной системы нормативов
вредного воздействия на окружающую природную среду через
критерии качества — одно из достоинств Закона.
Работоспособность данной системы нормативов поддерживается
тремя факторами:
• соответствием современному уровню развития науки и
техники и международным стандартам;
• утверждением специально уполномоченными органами
государства;
• обязательностью данных нормативов для всех хозяйствующих
субъектов и ответственностью предприятий, организаций и граждан
за их исполнение.
Чтобы обеспечить выполнение нормативов качества
окружающей природной среды, Закон формулирует экологические
требования, которые он предъявляет ко всем хозяйственным структурам.
Они адресуются предприятиям, организациям, учреждениям
независимо от форм собственности и подчиненности, а также
гражданам.
Закон предъявляет экологические требования к экономике на
трех уровнях:
• к хозяйствующим субъектам;
• стадиям хозяйственного процесса (планирование,
проектирование, размещение, строительство, ввод в эксплуатацию,
эксплуатация объектов);
• видам хозяйственного воздействия (сельское хозяйство,
мелиорация, энергетика, строительство городов и т.д.).
Здесь проявляется сочетание общеэкологических требований к
экономике независимо от профиля предприятия с особенностями
воздействия каждого из них.
Центральной темой настоящего Закона является человек, охрана
его жизни и здоровья от неблагоприятного воздействия
окружающей среды, вызванного экономикой. В Законе человек представлен
Глава 1 Концепция инженерной экологии
21
не только как субъект активной преобразовательной деятельности,
но и как объект воздействия отрицательных последствий его
хозяйственной работы. В Законе выделен особый раздел, где
характеризуется право граждан на здоровую, благоприятную среду.
Механизм реализации Закона сочетает в себе экономические
методы хозяйствования с административно-правовыми мерами
обеспечения качества окружающей природной среды.
Экономический механизм охраны окружающей среды должен
обеспечить высокий экономический интерес природопользователя в
экологии. Возможны разные пути достижения этой цели. Один из
них заключается в создании прямых экономических стимулов в
охране окружающей природной среды: финансирование,
кредитование, налоговые льготы при внедрении экологически чистых
технологий. Другие оказывают влияние на экономический интерес через
изъятие части денежного дохода в качестве платы за пользование
ресурсами, а также в качестве налога за экологически вредную
продукцию или выпускаемую с применением экологически опасных
технологий.
Наиболее существенным показателем экономического
стимулирования, предусмотренным в Законе, является плата за
пользование природными ресурсами. Различаются два вида платежей,
которые зависят от двух видов пользования: за изъятие, т.е. за
потребление природного вещества; за сброс, выброс, размещение отходов
производства в природной среде. Платежи за пользование
направляются в местные бюджеты для расходования на нужды охраны и
воспроизводства соответствующих видов природных ресурсов.
Платежи за выбросы, сбросы и размещение отходов перечисляются
загрязнителем в экологические фонды. Закон подробно регулирует
режим государственных экологических фондов, порядок их
образования и расходования средств.
Система экономического стимулирования дополняется в Законе
мерами административно-правового воздействия:
• экологической экспертизой;
• экологическим контролем;
• ответственностью за экологические правонарушения.
Государственная экологическая экспертиза является
обязательным актом, предшествующим принятию хозяйственного решения.
Экологический контроль представлен в двух формах —
системой мониторинга окружающей среды и государственным
контролем.
22 Часть I Место инженерной экологи в системе знаний о человеке и природе
Система экологического законодательства Российской
Федерации состоит из двух подсистем: природоохранительного и природо-
ресурсового законодательства.
Природоохранительное законодательство, к которому относится
и Закон «Об охране окружающей природной среды», является
многоуровневым. По горизонтали он подразделяется на законы, указы,
постановления правительства, нормативные акты министерств и
ведомств; по вертикали — на федеральные нормативные акты,
нормативные акты республик в составе РФ, областей, краев, автономных
образований.
Природоресурсовое законодательство дополняется такими
документами, как Земельный кодекс Российской Федерации, Закон
Российской Федерации «О недрах», Лесной кодекс Российской
Федерации, Водный кодекс Российской Федерации и т.д.
Структура системы государственного управления в области
экологии и природопользования России представлена на рис. 1.5.
Юридические нормы, направленные на обеспечение качества
внутрипроизводственной окружающей среды, закреплены в ряде
законодательных актов. Основополагающий — «Основы
законодательства Российской Федерации об охране труда» — устанавливает
Совет
Безопасности
Президент России
I
Двухпалатный парламент
Государст-
венная Дума
I
Совет
Федерации
Правительство России
т
Министерства, комитеты,
ведомства
Служба
советника
по экологии
Органы республик, краев, областей,
автономных образований, городов, районов
I
Специально уполномоченные органы охраны окружающей среды
Z I
комплексные
отраслевые
функциональные
территориальные
Рис 1 5 Структура государственного управления в области экологии и
природопользования России
Глава 1 Концепция инженерной экологии
23
гарантии осуществления права трудящихся на охрану труда и
обеспечивает единый порядок регулирования отношений в области
охраны труда между работодателями и работниками на предприятиях,
в учреждениях, организациях всех форм собственности независимо
от сферы хозяйственной деятельности и ведомственной
подчиненности. Они направлены на создание условий труда, отвечающих
требованиям сохранения жизни и здоровья работников в процессе
трудовой деятельности и в связи с ней; другими словами, на
обеспечение экологической безопасности.
Законодательство Российской Федерации об охране труда
состоит из соответствующих норм Конституции Российской Федерации,
«Основ законодательства Российской Федерации об охране труда»
и издаваемых в соответствии с ними законодательных и иных
нормативных актов РФ и республик в составе РФ. Действие
законодательства распространяются на: предприятия, учреждения и
организации всех форм собственности независимо от сферы хозяйственной
деятельности и ведомственной подчиненности; работодателей;
работников, состоящих с работодателями в трудовых отношениях;
работников кооперативов; студентов учреждений высшего и
среднего образования, проходящих производственную практику.
Основными направлениями государственной политики по
обеспечению безопасности жизнедеятельности являются:
• признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья
работников по отношению к результатам производственной деятельности
предприятий;
• координация деятельности в области охраны труда и охраны
окружающей природной среды;
• установление единых нормативных требований по охране
труда для предприятий всех форм собственности;
• государственное управление деятельностью в области охраны
труда, включая государственный надзор и контроль за соблюдением
законодательных и иных нормативных актов об охране труда;
• проведение эффективной налоговой политики,
стимулирующей создание здоровых и безопасных условий труда, разработку и
внедрение безопасных техники и технологий, средств коллективной
и индивидуальной защиты работников;
• подготовка специалистов соответствующей квалификации, в
том числе в учреждениях высшего и среднего профессионального
образования;
• международное сотрудничество при решении проблем охраны
труда и экологической безопасности.
24 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Государство в лице органов законодательной и исполнительной
власти с учетом консультаций с объединениями работодателей,
профессиональными союзами и иными уполномоченными
работниками представительными органами разрабатывает, осуществляет и
периодически пересматривает согласованную политику в области
обеспечения безопасных условий труда и жизнедеятельности
населения.
Каждый работник имеет право на охрану труда, в том числе:
• на рабочее место, защищенное от воздействия вредных,
опасных и особо опасных антропогенных производственных факторов;
• йозмещение вреда, причиненного ему увечьем,
профессиональным заболеванием либо иным повреждением здоровья, связанными
с исполнением трудовых обязанностей;
• получение достоверной информации от работодателя или
государственных и общественных органов о состоянии условий и
охраны труда на рабочем месте; о существующем риске ухудшения
здоровья, о принятых мерах по его защите от воздействия
антропогенных факторов;
• участие в проверке и рассмотрении вопросов, связанных с
улучшением условий и охраны труда и др.
Вместе с этим каждый работник должен:
• соблюдать нормы, правила и инструкции по охране труда;
• правильно применять коллективные и индивидуальные
средства защиты;
• немедленно сообщать своему непосредственному
руководителю о любом несчастном случае, происшедшем на производстве, о
признаках профессионального заболевания, а также о ситуациях,
которые создают угрозу жизни и здоровью людей.
Государственное управление охраной труда осуществляет
государственный орган, функции и полномочия которого в области
охраны труда определяются Президентом Российской Федерации или
по его поручению Правительством Российской Федерации. Нормы
и правила, утвержденные этим государственным органом,
обязательны для исполнения на территории РФ всеми министерствами и
ведомствами, предприятиями всех форм собственности независимо
от сферы хозяйственной деятельности и ведомственной
подчиненности. Должностные лица государственного органа управления
охраной труда имеют право беспрепятственного посещения
предприятий всех форм собственности независимо от сферы хозяйственной
деятельности и ведомственной подчиненности и доступа к
необходимой информации.
Глава 1. Концепция инженерной экологии
25
С целью оперативного управления и контроля в системе
обеспечения безопасности жизнедеятельности наряду со службами по
охране окружающей среды на предприятиях создаются службы охраны
труда или привлекаются специалисты по охране на договорной
основе.
Для организации сотрудничества по охране труда работодателей
и работников на предприятиях с численностью работников более
10 человек создается совместный комитет (комиссия) по охране
груда, в который на паритетной основе входят представители
работодателей, профессиональных союзов и иных уполномоченных
работниками представительных органов.
Ответственность за состояние условий и охраны труда на
предприятии возлагается на работодателя.
Экономический механизм обеспечения безопасности
жизнедеятельности включает в себя следующее.
• Планирование и финансирование мероприятий по охране
труда'. Финансирование охраны труда осуществляется за счет
ассигнований, выделяемых отдельной строкой в республиканском
бюджете РФ. Формируются фонды охраны труда на федеральном,
территориальном уровнях, а также фонды охраны труда предприятий.
• Обеспечение экономической заинтересованности
работодателя во внедрении более совершенных средств охраны труда.
Например, прибыль предприятий, полученная за счет создания
новых, более безопасных технологий и средств производства, а также
за счет выпуска и реализации средств и приборов контроля
производственной окружающей среды, может подлежать льготному
налогообложению в соответствии с налоговым законодательством РФ.
• Обеспечение экономической ответственности работодателя за
опасные и вредные условия труда на предприятии, за выпуск и сбыт
средств производства, не отвечающих требованиям по охране труда,
а также за вред, причиненный работникам увечьем,
профессиональным заболеванием либо иным повреждением здоровья, связанными
с исполнением ими трудовых обязанностей.
• Предоставление работникам компенсаций и льгот за тяжелые
работы и работы при вредных или опасных условиях труда, не
устранимых при современном техническом уровне производства и
организации труда.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев не
представляется возможным провести разграничение между задачами,
решаемыми службой по охране труда и службой по охране окружающей
26 Часть I. Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе
среды. Поэтому тесное взаимодействие специалистов этих служб
или объединение их усилий, направленных на создание безопасных,
в том числе и в экологическом отношении, условий
жизнедеятельности человека, отвечают задачам инженерной экологии.
Гл а в а 2
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ
2.1. Структура и состав атмосферы
Атмосфера — газовая оболочка Земли массой около 5,9 • 1015 т,
компоненты которой распределены неравномерно. В зависимости от
температуры можно выделить несколько зон, располагающихся на
различных высотах от Земли.
Самый близкий к поверхности Земли слой называется
тропосферой. Его высота в средних широтах составляет 10...12 км над
уровнем моря, над экватором - 16...18 км и на полюсах 7...10 км.
В тропосфере температура воздуха изменяется с +40°С до -50°С,
снижаясь на 0,6°С при подъеме на каждые 100 м.
Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км,
который называется стратосферой. В стратосфере воздух более
разрежен и влажность его невысока. Температура в стратосфере до
высоты 30 км остается постоянной (около -50°С), затем повышается
до +10°С (на отметке 50 км). В стратосфере сконцентрирована
основная часть атмосферного озона, который поглощает
ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.
За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера.
В мезосфере температура вновь понижается и на высоте около 80 км
она равна 70°С.
За мезосферой расположена термосфера, не имеющая
определенной верхней границы. Температура в термосфере увеличивается
и на высоте 500...600 км достигает +1600°С.
Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Под
действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество
физико-химических реакций. До высоты 400...600 км состав атмосферы
характеризуется показателями, приведенными в табл. 2.1. На
высоте более 600 км начинает преобладать гелий, а выше 1600 км
преобладает водород.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 27
Таблица 2 I
Компонент
нижних слоев
атмосферы
Азот
Кислород
Аргон
Двуокись углерода
Неон
Гелий
Криптон
Ксенон
Содержание
% по
массе
75,52
23,15
! ,'28
0,046
1,2- Ю-з
7.2- Ю-5
3.3- Ю-4
3,9 • Ю-5
% по
объему
78,09
20,94
0,93
0,033
1,8 • Ю-3
5,2 • Ю-4
1 ¦ 10~4
8 ¦ Ю-6
Компонент
нижних слоев
атмосферы
Оксид азота
Водород
Метан
Диоксид азота
Озон
Диоксид серы
Оксид углерода
Аммиак
Содержание
% по
массе
2,5 ¦ 10-3
3,5 • Ю-6
0,8 • 10-4
8 • 10-5
Ю-6... Ю-5
% по
объему
2,5 ¦ Ю-4
5 • Ю-5
1,5 Ю-4
1,5- Ю-4
2 ¦ Ю-6
2 Ю-8
1 • 10-5
1 ¦ Ю-6
Неравномерность распределения по планете водных пространств
и суши, а также различия в степени нагрева отдельных участков
поверхности Земли приводят к изменению атмосферного давления
и разных районах, в результате чего возникают воздушные течения,
приводящие к общей циркуляции атмосферы.
По сравнению с другими компонентами биосферы атмосфера
имеет ряд присущих только ей особенностей: высокая подвижность,
изменчивость составляющих ее элементов; своеобразие
молекулярных реакций, в которых могут участвовать инертные газы.
Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности
Земли. Различные соотношения тепла и влаги в воздухе являются
основными причинами существования различных географических
юн на Земле, которые в свою очередь являются определяющими при
формировании почвенно-растительного покрова, рельефа, стока рек
и др.
Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию
(ащиты жизни от воздействия открытого Космоса. Например,
отсутствие атмосферы привело бы к тому, что каждые три-четыре дня на
1 км2 поверхности Земли падал бы метеорит. Благодаря атмосфере
^того не происходит, так как большинство их сгорает в ее плотных
слоях. Кроме того, атмосфера дозирует поступление на поверхность
Земли солнечной энергии. При отсутствии атмосферы поверхность
Земли нагревалась бы до +100°С днем и охлаждалась до -100°С
ночью.
Озоновый и ионный слои атмосферы снижают воздействие
космических и рентгеновских излучений, ограничивают проникновение
ультрафиолетовых, инфракрасных лучей и др.
28 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Защищая поверхность Земли от воздействия различных
излучений, атмосфера в то же время пропускает достаточное количество
солнечной энергии, необходимой для осуществления реакции
фотосинтеза, освещения поверхности Земли, а также некоторое
количество ультрафиолетовых лучей, обеспечивающих санирующий
эффект. Газовый состав атмосферы формировался в течение
миллиардов лет. Параллельно с этим происходили эволюционные процессы
живой материи. В результате все живое на нашей планете
приспособилось к существованию в такой атмосфере. Атмосферный воздух
необходим для поддержания жизненных процессов и формирования
погодно-климатических условий на Земле.
Состояние среды обитания человека определяется
физико-химическими свойствами воздуха, его газовым составом, влажностью и
электрическими свойствами атмосферы. Среди физических свойств
воздуха следует выделить температуру. Основным источником
поступления тепла на поверхность Земли является солнечное
излучение, часть которого непосредственно нагревает воздух, а часть
проходит через него и облучает поверхность Земли. Эта энергия
частично поглощается, а частично отражается от поверхности Земли и
нагревает воздух.
Количество отраженных лучей зависит от фактуры, цвета,
влажности поверхности Земли. Для качественной оценки этих свойств
введено понятие «альбедо», которое характеризует отношение
отраженного излучения к падающему.
Количество энергии, поглощаемое атмосферой и поверхностью
Земли, составляет 1013 кВт
Средняя температура воздуха у поверхности Земли 14,2°С. Как
отмечено выше, в тропосфере температура воздуха с увеличением
высоты уменьшается. Однако в некоторых случаях наблюдаются
процессы, при которых внизу расположен более холодный воздух, а
вверху — более теплый. Такое явление называется тепловой
инверсией. Его можно наблюдать безоблачной ночью, когда Земля
излучает тепло, нагревая прилегающий к ней воздух, который, как
более легкий, поднимается вверх, а его место занимает холодный
воздух.
Перемещение воздушных масс — ветер, возникающий в
результате разности температур и давлений в разных регионах планеты,
влияет не только на физико-химические свойства самого воздуха,
но и на интенсивность теплообмена, изменение влажности,
давления, химического состава воздуха, снижая или увеличивая при этом
количество загрязнений.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 29
Конденсация атмосферного пара из-за изменения температуры
или наличия в нем пыли или других включений приводит к образо-
нанию аэрозолей, которые под влиянием последующих изменений
температуры, давления и движения воздуха могут скапливаться и
выпадать в виде осадков.
Электрические свойства воздуха формируются под
воздействием различного рода излучений, в первую очередь — солнечного.
Атомы газовых составляющих воздуха ионизируются, образуя
положительные и отрицательные ионы. Земля, обладающая
отрицательным потенциалом, притягивает положительные ионы. В
результате между Землей и атмосферой создается разность потенциалов
(150 В на 1 м высоты). В зависимости от погоды она может
возрастать до 50 000 В. Отрицательные ионы абсорбируются
коллоидальными частицами и, образуя аэрозоли, загрязняют воздух.
2.2. Классификация загрязнителей атмосферы
Воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду
зависит от их физических и химических свойств, свойств продуктов
деструкции и концентрации тех и других в выбросах и окружающей
среде. Важнейшим параметром, определяющим масштабы
распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в
ней. Исходя из этого выбросы загрязняющих веществ или сами за-
фязнители делятся на три типа:
• приводящие к загрязнению в глобальном масштабе — выбро-
гы веществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или
месяцы), способные распространяться в окружающей среде в
глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фре-
оны, радионуклиды с периодом полураспада от одного месяца и
больше);
• приводящие к загрязнению в региональном масштабе
(регион может охватывать территорию нескольких государств) —
выбросы веществ с ограниченным (обычно до нескольких суток) временем
/кизни в атмосфере, приводящие к загрязнению крупного региона,
ia пределами которого концентрация загрязнителя быстро падает,
однако в следовых количествах может наблюдаться повсеместно
(оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);
• приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на
сравнительно небольшой территории) — выбросы веществ с малым
временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород
н другие вещества, а также некоторые представители предыдущего
30 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
типа, например оксиды серы и азота, если они выбрасываются из
низких источников).
В зависимости от периодичности различают выбросы
постоянные (или непрерывные) и периодические (залповые), в том числе
аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасываются
в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и
различные вентиляционные устройства. В зависимости от их высоты
источники выброса подразделяются на высокие (Н > 50 м),
средней высоты (Н = 10...50 м), низкие (Н = 2... 10 м), наземные
(Я < 2 м).
2.3. Источники загрязнения атмосферы
Существуют два вида источников загрязнения атмосферы:
естественные и антропогенные. На рис. 2.1 представлены основные
источники загрязнения атмосферы [4-6].
Космическая пыль образуется из остатков сгоревших в
атмосфере Земли метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает 2...5 млн т
космической пыли. Природная пыль также является составной частью
земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твердые
взвешенные в воздухе частицы радиусом 10~6...10~5 м и ядра
конденсации со средним радиусом 5 • 10~6 м.
Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое
происхождение и образуются в результате:
• разрушения и выветривания горных пород и почвы;
¦ вулканических извержений;
• лесных, степных и торфяных пожаров;
• испарения с поверхности морей.
Среди источников, загрязняющих пылью нижние слои
атмосферы, следует выделить безводные пустыни и степи. Пыль в атмосфере
не только способствует конденсации водяных паров и образованию
осадков, но и поглощает прямую солнечную радиацию и защищает
живые организмы от солнечного излучения.
Биологическое разложение веществ ведет к образованию и
вынесению в атмосферу больших количеств сероводорода, аммиака,
углеводородов, оксидов азота, оксидов и диоксидов углерода и др.
Мощность природных и антропогенных источников и их вклад в
общее загрязнение атмосферы являются предметом многих
исследований, результаты которых не всегда однозначны. Например,
вулканы в среднем за год выбрасывают в атмосферу Земли 30... 150 млн т
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 31
Загрязнение воздуха
z:
Антропогенное
Прочее
Жилища
Транспорт
Сжигание
Промышленность
Радиоактивное
Урановая
руда
Эксплуатация
реактора
Атомные
взрывы
Аварии
ТЭЦ
X
Естественное
Внеземное
(космическая
пыль)
Континентальное
Органическое
Растения
Животные
¦— Земное
Морское
Дым
Неорганическое
ривание
Вулканизм
Рис 2 1 Основные источники загрязнения воздуха
1азов и 30 ..300 млн т мелкодисперсного пепла, в то время как
стационарные источники в США и СССР выбрасывали 20...25 млн т
иыли в год, а мировой антропогенный выброс серы в 1980-х годах
составлял 100 млн т в год [2].
Основными источниками антропогенного загрязнения
атмосферы являются промышленность, сельское хозяйство, транспорт, энер-
|етика и др. При этом антропогенное воздействие на атмосферу
может быть как прямым, так и косвенным. Косвенное
воздействие — результат нарушения человеком экологического равновесия
и других компонентах биосферы, отражающийся в конечном итоге
па состоянии атмосферы К нему могут быть отнесены сведение
1есов на больших площадях; распашка обширных территорий; со-
щание крупных водохранилищ; изменение направления стоков рек;
мелиоративные работы; массовая добыча полезных ископаемых
открытым способом. Изменения свойств и характеристик поверхности
5емли влияют на: обменные процессы в энергетической системе
кмля — атмосфера; поверхностное альбедо; термические
характеристики земной поверхности и соответственно отдачу тепла в атмо-
32 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
сферу; влагосодержание поверхности, изменение которого вызывает
перераспределение влагообмена между поверхностью планеты и
атмосферой в пространстве и во времени.
Источниками прямого воздействия на атмосферу
антропогенных примесей являются теплоэнергетика, промышленность, нефте-
газопереработка, транспорт и др. Каждый из этих источников или
отраслей производства характеризуется выбросами специфических
примесей; состав последних насчитывает десятки тысяч веществ,
выявление и идентификации которых бывают затруднительны. К
наиболее распространенным выбросам промышленности относятся
следующие: зола, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца, диоксид и
триоксид серы, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксид
и диоксид азота, аммиак, озон, оксид и диоксид углерода, фторово-
дород, хлороводород, радиоактивные газы, пыли и аэрозоли.
Ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу
поступает (с учетом очистки) более 20 млрд т диоксида углерода и более
700 млн т других паро- и газообразных соединений. Несмотря на то
что загрязненность атмосферы, например углекислым газом,
составляет 0,032%, диоксидом серы —0,000003% ПДК (при
поступлении 150 млн т в год), в промышленно развитых районах эти
показатели могут быть выше. Так, в Рурском и Донецком бассейнах
концентрация диоксида серы превышает среднее значение примерно а
1400 раз.
Ежегодно в атмосферу поступает около 2 млрд т пыли, из ния
200...400 млн т — пыль антропогенного происхождения. По прогноз
зам количество антропогенной пыли к 2005 г. может возрасти более
чем в два раза. Такая масса пыли может уменьшить прямую
радиацию при безоблачной погоде примерно на 6%, что соответствует
уменьшению суммарной радиации на 1%.
Наиболее негативное влияние на атмосферный воздух оказывает
автомобильный транспорт. Например, в США на его долю
приходится 60%> выбросов СО, а в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе этот
показатель доходит до 90%. Не лучшим образом обстоит дело и в
Москве — примерно 80%. Как видно из табл. 2.2, бензиновые двигатели
выбрасывают больше несторевших углеводородов и продуктов их
неполного окисления (оксида углерода и альдегидов), чем дизельные.
Каждая машина с бензиновым двигателем за 15 000 км пробега
потребляет 4350 кг кислорода. При этом в окружающую среду выбрар
сывается: 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 к|
углеводородов, 27 кг оксидов азота [3].
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 33
Таблица 2.2
Загрязняющее
вещество
Диоксид углерода, %
Монооксид углерода, %
Оксиды азота, %
Углеводороды, %
Альдегиды, %
Сажа, г/м3
Бензапирен, мкг/м3
Содержание в выхлопных газах двигателей
карбюраторных
5 .12
0,5 ..12
0,0...0,8
0,2...0,3
0,0...0,2
ОД..0,4
До 10...20
дизельных
1,0.. 10
0,01 ..0,5
0,0002.. 0,5
0,009...0,5
0,001...0,009
До 10
До 10
Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании
богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут. Например,
среднее содержание серы в углях, используемых при получении
электроэнергии, составляет 2,5%, поэтому при сгорании в топках
электростанций 1 млн т угля выделяется до 25 тыс. т серы, главным
образом в виде сернистого газа (двуокиси серы).
Использование нефтепродуктов в качестве топлива приводит к
загрязнению окружающей среды продуктами горения, включая
соединения серы (S02 и S03). При перегонке нефти большая часть
серы из таких продуктов, как керосин и бензин, удаляется. В
отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит серы.
В этом отношении газ является экологически чистым топливом.
Диоксид серы, образующийся при сжигании топлива,
постепенно окисляется кислородом воздуха до трехокиси, которая сразу же
реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая
присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из капель.
Этот туман обладает высокой корродирующей способностью.
Диоксид серы S02 оказывает вредное действие на растения, так
как он, поступая внутрь листа, угнетает жизнедеятельность клеток.
При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами,
а потом засыхают. Диоксид и другие соединения серы раздражают
слизистую оболочку глаз, дыхательные пути, а продолжительное
действие даже малых концентраций S02 может вызвать
хронический гастрит, гепатопатию', бронхит, ларингит и другие болезни.
В атмосфере S02 окисляется до S03 каталитически под
воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того,
газообразный и растворенный в воде S02 может окисляться озоном
или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, S03 образует серную
2-4910
34 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
кислоту, которая с металлами образует сульфаты. Диоксид серы
существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в
зависимости от влажности и других характеристик атмосферы.
Переносу S02 на дальние расстояния и его рассеянию в верхних
слоях атмосферы способствуют высокие дымовые трубы, что
снижает локальное загрязнение атмосферы. За счет рассеяния
серосодержащих соединений увеличивается время их пребывания в
воздушной среде и, следовательно, степень их превращения в серную
кислоту и сульфаты.
В результате сгорания угля, нефти, газа большая часть
содержащейся в них серы превращается в диоксид серы, а атмосферный азот
реагирует с кислородом, образуя оксиды азота. При соединении с
атмосферной влагой эти оксиды образуют серную и азотную
кислоты, выпадающие с осадками. Мерой кислотности служит число
ионов водорода на 1 л воды. Обычно кислотность измеряют не как
отношение числа ионов водорода к числу молекул воды, а как
логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта
величина называется рН. Поскольку lg (0,0000001) = 7,
следовательно, рН = 7 характеризует чистую воду — не кислую и не
щелочную, а нейтральную.
Кислотные дожди оказывают влияние на популяции озерных
рыб, так как вода в озерах становится кислой. Например, в США
51% горных озер, расположенных в Адирондане, имеют рН
меньше 5. Поэтому в 90% этих озер полностью отсутствует рыба, хотя
в 30-х годах озера без рыбы составляли лишь 4% их общего числа.
В результате взаимодействия кислотных осадков с кальцием и
магнием, входящими в состав растворов и строительного камня,
происходит деградация строительных материалов. Особому риску
подвергаются скульптуры, выцветают и разрушаются краски, коррозируют
металлические элементы конструкций крыш и ферм мостов.
В сельской местности концентрация оксидов серы близка к
0,5 мкг/м3, в то время как в городах концентрация в 50...100 раз
выше.
В присутствии бензапирена двуокись серы увеличивает частоту
появления злокачественных опухолей, так как является
канцерогеном. Кроме того, двуокись серы помимо закисления озер инициирует
гибель лесов.
Соединения, содержащие серу, не только вымываются из
атмосферы при выпадении осадков, но и удаляются из нее под действием
гравитационных сил в сухом виде. Среднегодовое количество серо-
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 35
содержащих соединений, вымываемых из атмосферы над
территорией Европы, составляет около 12 • 106 т/год [6].
Другим наиболее опасным загрязнителем является оксид
углерода — газ, не имеющий цвета и запаха (наши органы чувств не в
состоянии его обнаружить). Ранее указывалось, что самым крупным
источником оксида углерода является автотранспорт. В
большинстве городов свыше 90% оксида углерода в воздух попадает
вследствие неполного сгорания углерода в топливе. Если при неполном
сгорании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает
конечный продукт в виде диоксида углерода СОг. Большое
содержание оксида углерода в атмосфере может привести к смерти от
удушья (асфиксии)
Рассмотрим вкратце этот процесс. Кислород поступает в легкие
при каждом вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное
русло. В крови кислород соединяется с гемоглобином. Эритроциты
разносят связанный гемоглобином кислород через сеть артерий и
капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки
попадает в клетки тканей тела. При наличии во вдыхаемом воздухе
оксида углерода прекращается процесс переноса кислорода,
поскольку молекулы оксида углерода соединяются с гемоглобином в
200 раз легче, чем кислород Оксид углерода, связанный с
гемоглобином, оттесняет кислород от его переносчика к клеткам тканей.
Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше
гемоглобина прочно связывается с ним и становится неспособным
переносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с оксидом
углерода, называется карбоксигемоглобином.
Некоторые загрязняющие атмосферу вещества (оксиды азота и
углеводороды) вступают в фотохимические реакции, в результате
которых образуются новые загрязнители, в том числе озон и
альдегиды. Оксиды азота образуются в результате высокотемпературного
сгорания ископаемых видов топлива. При этом происходят реакции
двух типов:
• между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе;
• между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе.
Поэтому даже в тех случаях, когда в топливе не содержится
азот, все равно при его горении образуются оксиды азота. В
результате сжигания ископаемого топлива образуется 95% годового
выброса оксидов азота в атмосферу. При этом около 40% общего
объема выбросов приходится на автомобили и другие виды транспорта,
примерно 30% — на сжигание природного газа, нефти и угля в топ-
36 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ках электростанций, 20% .— на сжигание ископаемого топлива в
различных производственных процессах.
В атмосфере присутствуют пять основных азотсодержащих
газов: N2, NH3, NO, N02, N20. Основная информация, которой
располагают специалисты, о влиянии соединений азота на организм
человека относится к диоксиду азота. Изначально диоксид азота
составляет 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в
ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе
значительная часть оксида азота превращается в диоксид азота,
которая является гораздо более опасным соединением. Диоксид
азота — газ с неприятным-запахом, ослабляет адаптацию глаз к
темноте. Эффект воздействия диоксида азота на организм человека
связан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание. Люди с
хроническими заболеваниями легких испытывают затрудненность в
дыхании уже при концентрации N02 0,038 мг/м3. Кроме того, как и
оксид углерода, газообразный диоксид азота может связываться с
гемоглобином, делая его неспособным выполнять функцию
переносчика кислорода к тканям тела.
Частицы, взвешенные в воздухе, — еще одно серьезное
загрязнение атмосферы. В отличие от других загрязнителей частицы очень
разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в
виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, имеющие
различную природу происхождения. Например, при сгорании угля
образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не
только частицы золы (силикаты кальция) и частицы углерода (сажа),
но также частицы оксидов металлов, например кальция и железа.
В качестве сравнения следует отметить, что при сгорании около
500 кг угля образуется 35...55 кг золы, а при сгорании того же
количества нефти — всего 1 кг золы.
Жидкие углеводороды и жидкие производные углеводородов,
попадающие в атмосферу при неполном сгорании бензина и дизельного
топлива, усугубляют ситуацию, связанную с загрязнением
атмосферы вредными веществами. Не следует забывать, что атмосферный
воздух в городах загрязнен частицами свинца, которые образуются
при работе автомобильных двигателей. В среднем содержание
свинца в городском воздухе составляет 5 мкг/м3. Примерно 75% свинца,
содержащегося в бензине в виде добавок тетраэтилсвинца или тет-
раметилсвинца с целью улучшения антидетонационных
характеристик бензина и устранения преждевременных вспышек горючей
смеси при ее сжатии, выделяется в воздух с выхлопными газами
автомобилей.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 37
В загрязнении атмосферы вредными веществами большую роль
играют такие отрасли промышленности, как металлургия, легкая
промышленность, энергетика, стройиндустрия (табл. 2.3) [1].
Таблица 2.3
Отрасль
промышленности
Металлургическая
Химическая
Машиностроительная
Легкая
Стройиндустрия.
цементная
магнезитовая
асбестовая
деревообрабатывающая
Энергетика (ТЭЦ)
Состав выбросов в
атмосферу
Дым, пыль, свинец, ртуть,
мышьяк
Пыль, хлор, винилхлорид
Масла, щелочи, кислоты
Краски, аммиак, ацетон
Цемент, известь, пыль
Пыль, гипс
Пыль, асбест
Пыль, смолы, оксид углерода,
растворители
Дым, зола, оксид серы (IV)
Высота
трубы,
м
80...200
25...40
Дальность
распространения
выбросов, км
1,5...3,5
0,5...1
0,25.. 0,5
4
2 .3
1..1.5
3
1-1,5
2,5...5
Состояние атмосферного воздуха в Москве в конце 1980-х —
начале 1990-х гг. существенно не менялось, что видно из приведенных
н качестве примера средних годовых концентраций основных
загрязняющих веществ в атмосфере Москвы (табл. 2.4) [1].
Таблица 2.4
<.* Загрязнитель
атмосферы
Оксид серы (IV)
Океид углерода (II)
Диоксид азота
Оксид азота (11)
Сероводород
Аммиак
Фенол
Формальдегид
Бензол
Ксилол
Толуол
3,4 бензапирен, нг/м3
Средняя годовая
1987 г.
0,004
4,0
0,05
0,002
0.19
0,07
0,07
0,9
концентрация в
1989 г
0,001
3,0
0,09
0,135
0,001
0,10
0,006
0,008
0,19
0,13
0,20
0,4
Москве, мг/м3
1991 г.
0,001
3,0
0,09
0,093
0,001
0,01
0,003
0,005
0,19
0,09
0,32
0,7
пдк
0,05
3,0
0,04
0,06
0,04
0,003
0,003
0,1
0,2
0,6
1,0
38 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2.4
Загрязнитель
атмосферы
Тяжелые металлы
железо
кадмий
марганец
медь
свинец
хром
цинк
Средняя годовая
1987 г.
3,50
0,01
0,013
0,25
0,04
0,17
0,013
концентрация в
1989 г.
0,78
0,00
0,05
0,03
0,01
0,01
0,08
Москве, мг/м'5
1991 г.
0,43
0,0!
0,03
0,03
0,01
0,01
0,04
пдк
2.4. Последствия загрязнения атмосферы
Характер распределения загрязнений в атмосфере подчиняется
второму закону термодинамики. Различные загрязнители,
выброшенные из дымовых труб, постепенно рассеиваются в воздухе,
разбавляясь до уровней, не представляющих опасности. Ветры
увеличивают скорость рассеяния и перемешивания, а воздушные потоки,
направленные от земли, выносят загрязнения в верхние слои
атмосферы.
Однако могут возникнуть такие условия, при которых
атмосферные слои остаются стабильными. В результате этого загрязняющие
вещества вместо того, чтобы перемещаться в верхние слои
атмосферы, остаются вблизи поверхности земли, накапливаясь в больших
количествах, опасных для человека и окружающей среды. Инверсия
представляет собой необычное состояние атмосферы, при котором
температура воздуха в тропосфере не убывает с высотой. В
результате более холодный воздух располагается ниже более теплого.
Этим объясняется скапливание загрязнений ниже уровня слоя
теплого воздуха. Наиболее часто инверсия возникает осенью в
холодные безоблачные ночи, В ясные осенние дни солнечные лучи
нагревают поверхность земли, от которой нагревается прилегающий к
земле слой воздуха. По мере того как земля охлаждается,
происходит охлаждение прилегающего к ее поверхности слоя воздуха,
поэтому в утренние часы также может возникать инверсия. Более
продолжительные инверсии возникают в результате «оседания*
воздушной массы, имеющей высокое давление (антициклон). Воздух в
антициклоне опускается к земной поверхности. При этом его
температура возрастает, в результате чего формируется слой холодного
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 39
ноздуха, расположенный между слоями теплого воздуха.
Концентрация загрязняющих веществ в холодном нижнем слое постепенно
увеличивается в течение дня, поскольку эти загрязнения не рассеи-
иаются в верхних слоях атмосферы. Иногда такие явления
наблюдаются в течение нескольких дней, что приводит к росту
загрязнения до опасного уровня, который может привести к летальному
исходу. Так, в октябре 1948 г (самый ранний из
зарегистрированных случаев значительного загрязнения атмосферы в результате
инверсии) сильнейший смог опустился на г. Донора (США), что
стало причиной смерти 20 человек. В декабре 1952 г. в Лондоне за
пять дней из-за загрязнений, скопившихся в воздухе, погибло более
4000 человек.
Загрязнение атмосферы становится причиной снижения ее про-
фачности, а также уменьшения видимости, появления неприятных
(апахов и запыленности.
Вследствие изменения альбедо земной поверхности, прозрачное -
ж атмосферы и увеличения' поступающей в атмосферу теплоты
нарушается энергетический баланс планеты. Альбедо изменяется при
культивировании отдельных видов растительности, а также при
орошении или осушении поверхности Земли. Частицы пыли,
поступающие в атмосферу, некоторое время остаются в ней, сокращая
проникновения ультрафиолетового излучения и образуя ядра конденсации.
Поэтому запыленность атмосферы способствует увеличению
количества отраженного солнечного излучения и уменьшению
количества излучения, достигающего поверхности Земли.
Одним из основных загрязнителей, влияющих на прозрачность
ноздуха, является диоксид углерода. Ежегодно количество С02 в
атмосфере возрастает на 0,4%. Подсчитано, что содержание С02 в
атмосфере при сегодняшнем уровне технологии будет удваиваться
каждые 23 года, что может привести к глобальному повышению
температуры. Принимая во внимание, что при сжигании топлива за год
м окружающую среду поступает 14,2- 1016 кДж теплоты, можно
предположить, что, рассеиваясь в околоземном пространстве, эта
теплота приведет к существенному изменению его температурного
режима. Следует отметить, что в процессах, обеспечивающих
нормальные условия развития экосистем, важную роль играет озон.
Хотя в атмосфере содержание озона невелико (2 • 10~6 % по
объему), тем не менее его роль в защите поверхности Земли от жесткого
ультрафиолетового излучения трудно переоценить. Разрушение
озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы
ультрафиолетового облучения в 10 раз.
40 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
2.5. Управление качеством атмосферного воздуха
Предприятия, выпускающие той или иной вид продукции,
взаимодействуют с экосистемами, вызывая при этом их деградацию.
Например, в результате загрязнения воздушного бассейна происходит
разрушение рекреационных экосистем. Улучшения ситуации можно
достичь при условии гармонизации отношений природных и техни
ческих комплексов и компонентов путем создания и эксплуатации
эколого-экономической системы. Такая система представляет собой
совокупность технических устройств и взаимодействующих с ними
элементов природной среды, которые в ходе совместного
функционирования обеспечивают, с одной стороны, высокие
производственные показатели, а с другой — поддержание в зоне своего влияния
благоприятной экологической обстановки, а также максимально
возможное сохранение и воспроизводство естественных ресурсов.
В эколого-экономической системе должен присутствовать
особый блок управления, воспринимающий информацию о
происходящих в природных системах изменениях, оценивающий возможные
негативные последствия и передающий необходимую команду
производственному предприятию. В качестве блока управления могут
выступать органы власти или службы, например, служба охраны
окружающей среды. В России в целях реализации ст. 41 Закона
Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды»
было утверждено «Положение об оценке воздействия на
окружающую среду в РФ».
Для повышения экономической заинтересованности
предприятий и организаций, негативно влияющих на окружающую среду, в
нашей стране введен принцип — загрязнитель платит. Это
означает, что каждое предприятие за выброс в атмосферу или сброс в воду
загрязняющих веществ определенной номенклатуры платит
установленную сумму. Однако этот подход недостаточно стимулирует
внедрение на предприятиях и в коммунальной сфере
природоохранного оборудования, так как цены на такое оборудование очень
высоки
За выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и
размещение отходов существуют два вида платежей:
• за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов в
пределах установленных предприятию лимитов допустимых
выбросов,
• за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов,
превышающих эти лимиты.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 41
Лимиты определяют исходя из экологической обстановки в
регионе, экономических возможностей предприятия и с учетом
необходимости поэтапного достижения нормативов предельно
допустимых выбросов.
На отечественных предприятиях мероприятиями по охране
окружающей среды руководит главный инженер. Ему подчиняется
служба главного энергетика, которая осуществляет эксплуатацию
систем очистки. На некоторых предприятиях функционируют
цеховые лаборатории, проводящие анализы, которые необходимы для
контроля за выбросами и сбросами. Одной из попыток
государственного регулирования природоохранной деятельности стал ГОСТ
17.0.0 04-90 «Экологический паспорт промышленного
предприятия», в котором отражены данные о влиянии на окружающую среду
всех элементов производства, представляемые по следующей схеме:
¦ сведения о применяемых предприятием технологиях;
• количественные и качественные характеристики
используемых ресурсов: сырья, топлива, энергии (т.е. того, что предприятие
потребляет);
• количественные характеристики выпускаемой продукции;
• количественные и качественные характеристики выбросов
загрязняющих веществ предприятием.
С целью регулирования природопользования в нашей стране
введены лимиты — система эколого-экономических ограничений по:
территориям; срокам и объемам предельных показателей
использования природных ресурсов; выбросам и сбросам в окружающую
природную среду загрязняющих веществ; размещению отходов.
Лимитами для выбросов и сбросов загрязняющих веществ служат
нормативы качества природной среды:
¦ ПДВ — предельно допустимые выбросы в атмосферу;
¦ ПДС — предельно допустимые сбросы в водные источники;
• ПДК — предельно допустимые концентрации;
• ПДН — предельно допустимые нагрузки на природную
среду (количество посетителей за одну экскурсию по заповеднику,
нагрузка скота на единицу пастбищных угодий).
Виды, лимиты хозяйственной деятельности и экологические
требования при использовании природных ресурсов фиксируются в
лицензиях (разрешениях) на природопользование, выдаваемых
органами управления.
BOOKS.PROEKTANT.ORG
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ
КОПИЙ КНИГ
для проектировщиков
и технических специалистов
42 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
2.6. Рассеяние токсичных выбросов в атмосфере
Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ
промышленными предприятиями в атмосферу регламентируются ГОСТ
17.2.3.02-78 и ОНД-86 (общероссийский нормативный документ).
Указанные документы определяют ПДВ для каждого конкретного
предприятия из условия, чтобы сумма создаваемых всеми
предприятиями приземных концентраций данного вещества или их
комбинаций не превышала ПДК. ПДВ являются средством текущего
контроля деятельности предприятия. Использование
нормативных показателей выбросов позволяет объективно оценить
превышение ПДК вредных веществ или веществ и примесей, входящих в
состав выбрасываемых газов в двухметровом слое на уровне земли, а
также в вертикальном и горизонтальном сечении дымового факела
на расстоянии не более 100 км от источника.
В зависимости от высоты выброса относительно поверхности
земли источники делятся на четыре класса: высокие (более 50 м);
средние (10...50 м); низкие (2...10 м); наземные (менее 2 м).
Если в процессе контакта с атмосферой под действием
солнечной радиации или других факторов происходит трансформация
одних соединений в другие, в концентрации и состав компонентов
вносятся поправки.
Нормативный метод позволяет рассчитывать поля концентраций
вредных выбросов, создаваемые дымовыми трубами, а также
линейными и плоскостными источниками, под которыми понимаются
вентиляционные фонари цехов, улицы с интенсивным движением
автотранспорта, а также скопление многочисленных мелких
источников.
Динамические процессы, происходящие в атмосфере, таковы,
что реально наблюдаемые под факелом концентрации подчиняются
не стохастическим, а вероятностным законам и меняются в
пределах, отличающихся друг от друга на несколько порядков.
Основой нормативного метода является максимальное
значение приземной концентрации Ст. Например, для горячих точечных
источников, для которых изменение температуры Д7" значительно
больше нуля:
AMFmn
т ~ H2i<v\Kf'
где Н — высота трубы, м; М — расход выбрасываемого в атмосферу
вещества (мощность выбросов), г/с; Д7" = ТГ~ Гв — разность тем-
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 43
ператур выбрасываемых газов и атмосферного воздуха; V{ —
полный объем выбрасываемых (дымовых) газов на срезе трубы, м3/с;
А — коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства
атмосферы, которые определяются климатическими зонами России
(табл. 2.5); F, т, п — коэффициенты, определение которых дано
ниже.
Таблица 2.5
Географические районы (климатические зоны России)
Бурятия, Читинская область
Европейская территория (районы РФ южнее 50° северной широты,
районы Нижнего Поволжья и Кавказа), Дальний Восток и остальные
территории Сибири южнее 50° северной широты (источники высотой менее
200 м)
Европейская территория и Урал от 50° до 52° северной широты,
(источники высотой менее 200 м)
Европейская территория и Урал севернее 52° северной широты, (за
исключением центра Европейской части)
Московская, Тульская, Рязанская, Владимирская. Калужская,
Ивановская области
250
200
180
160
140
Для источников, температура выброса которых мало отличается
от температуры воздуха (AT ~ 0), используется уравнение
Ст = AMFmn К/Н^\
Интенсивность сепарации F определяется отношением скорости
оседания частиц в воздухе VB к турбулентности, которая в свою
очередь пропорциональна скорости ветра V. Если VB/ V < 0,015, то
принимают F = 1; при 0,015 < Vb/V < 0,03 принимают F = 1,5. При
Кв/1/>0,03 и степени очистки дымовых газов не менее 90% —
F = 2; при степени очистки 75...90% — F - 2,5; при отсутствии
очистки F =3. Коэффициент F не зависит от степени очистки и
принимается равным 3 при расчетах концентрации пыли в атмосферном
воздухе производств, в которых содержание водяного пара в
выбросах достаточно для того, чтобы в течение всего года наблюдалась
его интенсивная конденсация сразу же после выхода в атмосферу,
а также при коагуляции влажных пылевых частиц. Признаком
интенсивной конденсации служат наблюдаемые летом плотные клубы
пара, образующиеся на расстоянии 1...3 м от среза трубы и
растворяющиеся в атмосфере.
Значения коэффициентов шип определяются по
вспомогательным величинам, вычисляемым в свою очередь с учетом параметров:
44 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
1000 Q)2 D
/ = —;
' И2 AT
Vu = 0,65 л/V, А Г/Я;
1/0= l,3w0D/tf,
где со0 — средняя по сечению скорость газов, м/с; V0, ]/ы -
вспомогательные параметры для холодных и горячих источников
соответственно
Коэффициент т определяется из равенства
/п = (0,67 +0,1 ^7+0,34'л/7)"' при / > 100.
Коэффициент п при / < 100 определяется следующими
выражениями:
п = 1 при VM > 2;
п = 0,532 1/2 -2,13 Ум + 3,13 при 0,5 < VM<2;
п = 4,4 1/м при VM < 0,5.
Для холодных выбросов
K = D/(8V0) = (7,l V(o0 Ко)"',
где D — диаметр устья трубы, м
Для горячих источников расстояние Хт, м, от источника
выбросов до точки, где приземная концентрация С, мг/м3, достигает
максимального значения Ст, определяется по формуле
к=ЦгНЛ'
где безразмерный коэффициент d при / < 100 вычисляется как
d = 2,48 (1 + 0,28 V7) при VM < 0,5;
d = 4,95 Vu(l + 0,28Vj) при 0,5 <VY< 2;
d = 7 лДГ (1 + 0,28 V7) при l/„ > 2.
Для холодных источников при Д7" ~ 0 и / > 100 имеем:
d = 5,7 при I7,, < 0,5,
d= 11,4 Умпри0,5< VM < 2;
d = 16 ^г при Vv; > 2
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 45
Все изложенные методы относятся к категории поверочных
расчетов, когда для источника параметры Н, V, Т, М уже заданы.
В ряде случаев, например при подготовке различных обоснований,
возникает необходимость решения обратных задач, т.е. поиска М,
И и т.д
Мощность горячих ( ДГ> 0) выбросов, соответствующая
заданному значению максимальной концентрации Ст, мг/м3,
определяется по формуле
М=~ V V.AT.
AFmn '
Мощность холодных выбросов при / > 100 или Д7" ~ 0
находится из выражения
С,#4/3 81/,
М
AFnD
Высота источника Н, соответствующая значению Ст в случае
AT ~ 0 определяется по формуле
„ (AMFD^'*
п =
Заменяя Ст значением норматива для конкретного вещества, т.е.
его ПДК, получаем предельные значения М, которые обеспечат
выполнение условия С < ПДК, т.е. предельно допустимый выброс.
Таким образом, регламентация выбросов в атмосферу
осуществляется путем установления ПДВ вредных веществ в
атмосферу, т.е. нормативов, определенных из условия, при
котором содержание загрязняющих веществ в приземном слое
воздуха от источника или их совокупности не превышает
нормативов качества воздуха для населения, животного и
растительного мира. При этом обязательно учитываются фоновые
концентрации тех же веществ от внешних источников Сф и эффект
суммирования. Следовательно,
• для нагретых выбросов
(ПДК - С Л Я2 ,
ПДВ = " *' 4V^f;
AFmn '
для холодных выбросов
ПДВ
(ПДК-Сф)8//«/38У1
AFnD
46 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
При расчетах загрязнения воздуха от источников
прямоугольного сечения целесообразно использовать нормативные документы
[7-12].
2.7. Санитарно-защитные зоны
Среди процессов, происходящих в атмосферном воздухе при
поступлении в него примесей, выбрасываемых различными
предприятиями, следует выделить рассеяние этих примесей в атмосферном
воздухе, в результате чего происходит снижение их концентрации,
причем с увеличением расстояния от точки выброса эти
концентрации снижаются до безопасных уровней. Поэтому с целью защиты
селитебных территорий и других объектов и зон градостроения от
воздействия загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу
вместе с выбросами, требуется отделять предприятия или их
подразделения свободными территориями — санитарно-защитными
зонами (СЗЗ).
Санитарно-защитные зоны представляют собой территории
определенной протяженности и ширины, располагающиеся между
предприятиями и источниками загрязнения и границами зон жилой
застройки.
С 1981 г. расчет СЗЗ регламентируется государственным
стандартом, причем установлено, что каждое предприятие, имеющее
источники загрязнения среды, должно иметь санитарно-защитную
зону. Для этой цели все предприятия разделены на 10 групп по
отраслям в зависимости от совокупности вызываемых ими вредностей.
В пределах каждой группы выделяется пять классов
предприятий по степени их опасности и в зависимости от класса
устанавливается нормативная ширина СЗЗ. Минимальные
протяженности СЗЗ для предприятий I класса составляют 1000 м, II
класса — 500 м; III класса — 300 м; IV класса —¦ 100 м; V класса —
50 м.
При установлении протяженности СЗЗ учитываются
господствующие направления ветров, т.е. она может в зависимости от розы
ветров иметь различную протяженность в разных направлениях, но
в любом случае — не ниже минимальной (нормативной). Размеры
СЗЗ могут быть уменьшены за счет технологических мероприятий,
например систем очистки и обезвреживания загрязняющих веществ,
снижения влияния иных вредных производственных факторов.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 47
2.8. Санитарно-гигиенические показатели
загрязнения атмосферы
В 1951 г. в СССР были утверждены ПДК для 10 наиболее
распространенных атмосферных загрязнителей. Это были первые в
мире нормативы качества воздуха, введенные в работах В.А.
Рязанова, К.А. Буштуевой, М.А. Пинигина и др. В начале 1970-х гг.
перечень ПДК, приведенный в «Санитарных нормах проектирования
промышленных предприятий» (СН 245-71), включал более 600
названий вредных веществ, а в середине 1990-х гг. — 2400. В основу
нормирования была положена концепция, согласно которой
допустимой может быть признана такая концентрация
загрязнителя в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека
прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не
снижает его работоспособности, не влияет на его
самочувствие или настроение.
Некоторые загрязнители атмосферы обладают запахом и
оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки верхних
дыхательных путей. Такие их свойства следует учитывать" лишь в
случаях, если они вызываются концентрациями ниже пороговых по
токсическому действию. Ощущение запаха или раздражающего
действия, как правило, появляется в период кратковременного подъема
концентраций. Кроме того, для обоснования ПДК изучаются
различные рефлекторные реакции на кратковременное вдыхание
загрязнителя.
С учетом критериев вредности устанавливаются ПДК
атмосферных загрязнений для двух периодов усреднения концентраций:
• среднесуточная ПДК, которая является основной и служит
для предотвращения хронического неблагоприятного действия;
• максимальная разовая ПДК, дополнительная к
среднесуточной ПДК для веществ, обладающих запахом или раздражающим
действием для оценки пиковых подъемов концентраций в течение
20...30 мин.
Предельно допустимая концентрация атмосферных загрязнений
должна использоваться только для оценки степени загрязнения
воздуха селитебных территорий и не должна применяться для оценки
степени загрязнения воздуха промышленной площадки и санитар-
но-защитных зон.
Для оценки загрязнения воздуха на территориях курортов, мест
массового отдыха населения используется 0,8 ПДК атмосферных
загрязнений.
48 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Любой химический загрязнитель атмосферы имеет порог
действия, поэтому очень важно уметь правильно определять пороговую и
подпороговую концентрацию.
Предельно допустимая концентрация атмосферных
загрязнителей устанавливается на уровне подпороговых значений,
нормирование которых ведется в расчете на группы населения, к которым
относятся дети, лица старшего возраста и ослабленные болезнью.
В основу нормирования положено использование
экспериментального метода, позволяющего моделировать заданные условия и
широко обобщать результаты с целью прогнозирования биологического
действия атмосферных загрязнителей как при изолированном, так
и комбинированном их влиянии. С методологической точки зрения
этот метод более эффективен, чем метод наблюдения за здоровьем
населения в условиях уже наступивших загрязнений атмосферы.
Установление среднесуточной ПДКСС базируется на изучении ре-
зорбтивного действия вредного вещества в условиях круглосуточной
экспозиции на экспериментальных животных Длительность
экспозиции составляет 3...4 месяца, или 10... 15% времени жизни белых
крыс, на которых, как правило, проводятся такие эксперименты.
Затем результаты исследований распространяются на людей.
Проверка проводится в натурных исследованиях на населении и
рассматривается как обязательный второй этап нормирования
Практика выбора концентраций для затравки животных показывает, что
подпороговая концентрация обычно бывает в 3. .10 раз ниже
пороговой. Накопленные результаты второго этапа нормирования
свидетельствуют о надежности установленных в РФ ПДК атмосферных
загрязнений и правомерности прямого переноса результатов
эксперимента в реальные условия.
При действии любого вредного фактора возникает спектр
биологических реакций организма на это действие, таких как смерть,
болезнь, физиологические признаки болезни, функциональные
сдвиги не ясной биологической значимости, накопление загрязнителей
или продуктов их метаболизма в органах и тканях. Всемирной
организацией здравоохранения (ВОЗ) принята схема биологических
ответов (реакций) организма на загрязнение атмосферы, согласно
которой при определении границ безвредности (безвредных
уровней) атмосферных загрязнений различают три зоны.
• 1-я зона — зона отсутствия действия фактора, получившая
название подпорогового уровня;
• 2-я зона — зона сдвигов в организме неясной биологической
значимости;
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 49
• 3-я зона — зона токсического действия, когда регистрируются
патологические изменения в организме, вызванные загрязнителем.
В зарубежных странах нормативы устанавливаются на уровне
3-й зоны или между 2-й и 3-й, чем объясняются более высокие
уровни нормативов качества воздуха Для сравнения в табл. 2.6
приведены примеры нормирования среднесуточной концентрации
диоксида серы в стандартах разных стран.
Для наиболее часто встречающихся загрязняющих веществ в
атмосферном воздухе населенных мест в табл. 2 7 приведены значения
ПДКСС и ПДК\, р [9].
Таблица 2 6
Страна
РФ
Польша
Румыния
Нидерланды
Япония
США
Франция
Югославия
Швеция
Норматив ПДКСС,
мг/м\ диоксида серы
0,05
0,35
0,25
0,075
0,1
0,26
0,75
0,15
0,25
Примечание
Не должен превышаться круглогодично
ПДК для жилых зон
ПДК
Не должен превышаться в 50% проб
Национальный сгандар!
Федеральный стандарт
Дчя специальных зон Парижа
ПДК
Не должен превышаться более одного раза
в месяц
Таблица 2 7
Вещество
Азота диоксид
Азота оксид
Аммиак
Анпщрид серный
Бензапирен
Бензин нефтяной малосернистыи (в пере-
cicie на углерод)
Ьензин сланцевый (в пересчете на углерод)
Бен юл
Взвешенные нешеава.
Недифференцированная по состан\ пьпь (азрозоль), eoicp-
жашаяся в воздухе населенных пунктов
Водород ллорииыи (по молекуле НО)
Железа оксид (в пересчете на жетезо)
Железа сульфат (в пересчете на железо)
Кальция оксид (ориентировочно
безопасный уровень воздействия)
ПДК, мг/м5
максимальная
разовая
0,085
0,6
0,2
0,5
3
0,05
1,5
0,5
0,2
0.3
среднесуточная
0,04
0,06
0,04
0,05
0,1 • 10-^
1,5
0,05
0,1
0,15
0,2
0.04
0,007
Класс
опасности
К
2
3
4
3
1
4
4
2
3
2
3
3
50 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2 7
Вещество
Кислота азотная (по молекуле HNO,)
Кислота серная (по молекуле H,S04)
Магния оксид
Озон
Пыль неорганическая, содержащая более
70% оксида кремния
То же — от 70 до 20% (шамот, цемент)
То же — ниже 20% (доломит и др.)
Ртути соединения (в пересчете на ртуть)
Сажа
Сероводород
Углерода оксид
Фенол
Фенолы сланцевые
ПДК, мг/мЗ
максимальная
разовая
0,4
0,3
0,4
0,16
0,15
0,3
0,15
0,008
5
0,01
0,007
среднесуточная
0,15
0,1
0,05
0,03
0,05
0,1
0,0003
0,05
3
0,003
Класс
опасности
К
2
2
3
1
3
3
1
3
2
4
2
Максимальные разовые предельно допустимые концентрации
(ПДКМ р) нормируются по рефлекторным реакциям,
преимущественно по запаху. Вещества, обладающие запахом или
раздражающим свойством, исследуются на добровольцах в условиях
краткосрочных опытов с целью определения порога запаха раздражающего
или рефлекторного действия. Эти исследования выполняются в
условиях «слепого» опыта с использованием специальных установок с
динамическим дозированием изучаемых веществ в цилиндры, через
которые доброволец свободно дышит.
При обосновании ПДКМ учитывается влияние средних
пороговых или подпороговых концентраций не для группы, а для
наиболее чувствительных лиц.
2.9. Комплексный показатель загрязнения
атмосферного воздуха
Все виды ПДК относятся к отдельным веществам. Между-тем в
атмосферном воздухе может присутствовать от одного до сотни
различных веществ и соединений. Ответная реакция организма на их
воздействие может развиваться по трем направлениям:
• усиление эффекта (синергизм), т.е. превышение реакции,
вызванное действием каждого из веществ смеси;
• ослабление эффекта (антагонизм), т.е. ответная реакция будет
меньше эффекта, вызванного любым веществом смеси;
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 51
• независимое действие, когда ответная реакция будет
соответствовать действию каждого отдельного вещества или ведущему из
них.
Трудность оценки комбинированного действия состоит в том, что
при разном уровне воздействующих концентраций ответная реакция
может протекать по-разному. Накопленный опыт свидетельствует о
том, что комбинированное действие атмосферных загрязнений с
одинаковым лимитирующим признаком, как правило, характеризуется
эффектом простого суммирования. Поэтому оценку
комбинированного действия проводят по формуле
Ц ^2 ^п _ < .
пдк, + пдк2 + - + пдк„ "q" '¦
где С], С2, ..., Сп — концентрации веществ; ПДК1? ПДК2,...,ПДКП —
предельно допустимые концентрации соответствующих веществ.
Если сумма q долей обнаруженных концентраций, отнесенных к
их ПДК, не превышает единицы, то степень загрязненности
атмосферного воздуха с учетом суммации биологического действия не
превышает гигиенических нормативов. Перечень смесей
атмосферных загрязнений, для которых должна учитываться суммация
биологического действия при совместном присутствии, внесен в
санитарное законодательство и используется для гигиенической оценки
степени загрязнения атмосферного воздуха на стадии
предупредительного и текущего санитарного надзора.
В качестве среднесуточной концентрации принимается
среднеарифметическое значение концентраций, измеренных в течение
суток или полученных при непрерывном отборе пробы в течение 24 ч.
Под среднемесячной концентрацией понимают
среднеарифметическое из среднесуточных концентраций за определенный месяц.
Под среднегодовой концентрацией понимают среднее всех
365 суточных или 12 месячных усредненных концентраций.
Фактическое загрязнение атмосферы воздуха городов и
населенных пунктов оценивается по 5-балльной шкале:
1 — допустимое загрязнение;
2 — умеренное загрязнение;
3 — слабое загрязнение;
4 — сильное загрязнение;
5 — очень сильное загрязнение.
Загрязнение степени 1 является безопасным для здоровья
человека. При загрязнении степеней 2-5 вероятность возникновения не-
52 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
благоприятных эффектов возрастает с увеличением степени
загрязнения.
Загрязнение атмосферы при одновременном присутствии
различных загрязнителей можно оценить по комплексному показателю
Р, учитывающему характер комбинированного воздействия
различных веществ и их класс опасности (см. табл. 2.7):
С,
Величина К, представляет собой среднегодовое загрязнение
атмосферы конкретным г-м веществом, выраженное в долях
среднесуточной ПДК (ПДКСС), приведенное к,биологическому эквиваленту
3-го класса опасности. Для получения значения Р вначале
определяют, во сколько раз концентрация г'-го вещества превышает его
ПДКСС. Приведение Kt к 3-му классу опасности осуществляется по
табл. 2.8-2.10.
Таблица 28
Отношения
концентрации
веществ 1-го
класса опасности к их
ПДК (К{)
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
Значения К\,
приведенные
к 3-му классу
<*1-з)
1,25
1,5
1,9
2,2
2,6
3.1
3,5
4
4,6
5,2
5,8
6,5
7,2
Отношения
концентраций
веществ 1-го
класса к их ПДК
(Л',)
2,4
2,5
2,6
2,7
2.8
2,9
3
3,1
3,2
3,5
4
4,5
5
Значения Kh
приведенные
к 3-му классу
8,0
8,8
9.7
10.6
11,6
12,6
13,6
14,7
16
19,7
27
35,8
46
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 53
Таблица 29
Отношения
концентрации веществ 2-го
класса опасности
к их ПДК (К2)
1,5
2
2,5
3
3.5
4
4,5
5
5,5
Значения К2,
Приведенные
к 3-mv классу
1.7
2,4
3,2
4
4,9
5,8
6,8
7,8
8,8
Отношения
концентрации
веществ 2-го
класса опасности
к их ПДК (К,)
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
Значения К2,
приведенные
к 3-му классу
(*2-i>
9,8
10,8
11,9
13
14,1
15,2
16
17,6
18,7
Таблица 2 10
Отношения концент
раций веществ 4-го
класса опасности к
их ПДК (/Q)
1,5
2 '
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
Mml
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
(*4-3>
1,4
1,8
2,2
2,6
3
3,3
3,7
4
4 ,4
4,7
5
5,4
5.8
6
Отношения
концентрации
ве'ществ 4-го
класса опасности
к их ПДК (/С4)
13,5
14
14,5
15
15,5
16
16,5
17
17,5
18
18,5
19
19,5
20
Значения КА,
приведенные
к 3-му классу
9,6
9,9
10,2
10,5
10.8
11,1
11,4
11,7
12
12,3
12,6
12,9
13,2
18,5
54 Часть 1. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2 10
Отношения
концентраций веществ 4-го
класса опасности к
их ПДК (КА)
8,5
9
9,5
10
10.5
И
11,5
12
12,5
13
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
<*4-3>
6,4
6,8
7
7,4
7,7
8
8,4
8,7
9
9,3
Отношения
концентрации
веществ 4-го
класса опасности
к их ПДК (/С4)
20,5
21
21,5
22
22,5
23
23,5
24
25
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
13,8
14,1
14,4
14,7
15
15,2
15,5
15,8
16
Значения Кг отсутствующие в таблицах, определяются по
следующим формулам:
для /-го вещества 1-го класса /ft_3 = Kl - К1 ¦ 3
2 89 1е К .
для j'-ro вещества 2-го класса /С2_3 = К1 (3/2)
1.55 IgK
1,05 Ig/f,
• для г'-го вещества 4-го класса /f4_3 = Кс (3/4)
Полученное расчетное значение комплексного показателя Р
позволяет оценить уровень загрязнения атмосферного воздуха в
зависимости от числа загрязнителей (табл. 2.11).
Таблица 2 11
Уровень
загрязнения атмосферного
воздуха
1 — допустимый
2 — слабый
3 — умеренный
4 — сильный
5 — очень сильный
Значения комплексного показателя Р
2-3
загрязнителя
2
2,1 4
4,1 8
8,1 16
> 16
4-9
загрязнителей
3
3 1.6
6,1 12
12,1 24
> 24
10-20
загрязнителей
4
4,1 8
8,1 16
16,1 32
> 32
Более 20
загрязнителей
5
5,1 10
10,1 20
20,1 40
> 40
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 55
ч ¦
2.10. Раздельное нормирование
загрязняющих веществ в воздухе
Для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности
человека условие С < ПДК должно соблюдаться в любых местах его
пребывания неизменно. Как правило, содержание примесей в воздухе
рабочей зоны больше, чем на территории предприятия
(промышленной площадке) и за ее пределами, например в населенных пунктах,
куда загрязняющие атмосферу вещества поступают рассеянными.
Учитывая эти обстоятельства, приняты принципы раздельного
нормирования загрязняющих веществ. Это означает, что для каждого
вредного вещества устанавливается несколько максимальных
разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде. В
частности, одно значение ПДК устанавливается для воздуха рабочей
зоны (ПДК ), под которой понимают пространство в пределах двух
метров от пола, где находятся места постоянного или временного
пребывания работающих, другое — для атмосферного воздуха
населенного пункта (ПДКНП).
Предельно допустимая концентрация рабочей зоны — это
концентрация, которая при ежедневной работе человека, кроме
выходных, в течение 8 ч или при другой продолжительности рабочего дня,
но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа, не может
вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья,
обнаруживаемых современными методами исследования как в процессе
работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих
поколений. На территории предприятий содержание примесей
принимается равным 0,3 ПДК . Снижение нормы содержания
примесей на территории предприятия втрое по сравнению с ПДК 3
вызывается тем, что воздух территории предприятия используется
для вентиляции производственных помещений, где концентрация
примесей периодически может быть весьма высокой, т.е. превышать
3'
редельно допустимая концентрация атмосферного воздуха
населенного пункта — это максимальная концентрация примеси,
отнесенная к определенному времени осреднения, которая при
периодическом воздействии на человека или при воздействии на
протяжении всей жизни человека не оказывает вредного влияния,
включая отдаленные последствия, на него и на окружающую среду
r целом.
Таким образом, необходимость раздельного нормирования
загрязняющих веществ определяется законом толерантности. На
if
56 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Предельно допустимая
концентрация (ПДК)
Максимальная разовая
в рабочей зоне (ПДКрз)
т
Максимальная разовая
на территории (площадке)
предприятия (ПДК™)
В атмосферном воздухе
населенного пункта
<ПДКНП)
X
Максимальная разовая
(ПДкмр)
X
Среднесуточная
(ПДКСС)
Максимальная разовая для крупных
городов и курортов (0,8 ПДК„ р)
Рис 2 2 Классификация предельно допустимых концентраций
предприятии в течение рабочего дня загрязненным воздухом дышат
практически здоровые люди, прошедшие необходимое медицинское
освидетельствование, а в населенных пунктах круглосуточно
находятся не только взрослые, но и дети, пожилые люди, беременные и
кормящие женщины, люди, страдающие заболеваниями, поэтому
ПДК з должно быть больше ПДКа/НП. Например, для диоксида серы
ПДКрз =10 мг/м3, а ПДКэ/нл= 0,5 мг/мА
Наряду с предельно допустимыми концентрациями
существуют временно допустимые концентрации (ВДК), иначе
называемые ориентировочно безопасными уровнями воздействия
(ОБУВ) — временный гигиенический норматив для загрязняющего
атмосферу вещества, установленный расчетным методом для целей
проектирования промышленных объектов
На рис 2 2 представлена классификация предельно допустимых
концентраций в воздухе.
2.11. Ограничение выбросов
Планы, программы и мероприятия по защите атмосферы следует
рассматривать как стратегию защиты атмосферы. На рис. 2.3
приведена упрощенная схема анализа стратегических и тактических
возможностей при решении проблемы снижения выбросов в
атмосферу.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 57
Источники атмосферного
загрязнения
Технические мероприятия
по ограничению выбросов
Пределы выбросов
Метеорологические, топографические
и демографические факторы
Взаимодействие
и химические изменения
загрязняющих веществ
в атмосфере
Конечное качество
атмосферы
Воздействие
на потребителя
(людей, животных,
растения.оборудование)
т
Административные
мероприятия
по ограничению выбросов
Пределы осаждения
загрязняющих веществ
Рис 2 3 Схема анализа проблемы загрязнения атмосферы
Основными при решении проблемы защиты атмосферы являются
технические меры в отношении источника загрязнения,
определяющие возможные ограничения выбросов загрязняющих веществ и,
следовательно, непосредственно воздействующие на уровень
загрязнения. Технические мероприятия по ограничению уровня
загрязнения воздуха могут осуществляться в трех направлениях
1 Меры, приводящие к абсолютному снижению выбросов
загрязняющих веществ
• замена источников энергии путем перехода на
нетрадиционную энергетику, газификацию и десульфаризацию топлива,
энерготехнологическую переработку топлива и др.;
• модификация процессов заменой сырья теми его видами,
которые содержат меньшее количество загрязняющих веществ;
• модификация процессов за счет предварительной обработки
топлива и других сырьевых материалов;
• модификация процесса путем изменения технологии
производства;
58 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• отделение твердых частиц, а также удаление и
обезвреживание газообразных продуктов, являющихся загрязнениями.
1. Модуляция процессов во времени, ведущая к
относительным снижениям выбросов загрязняющих веществ во время
максимальных выбросов:
• ограничение применения процессов горения в периоды
максимального загрязнения воздуха;
• постоянный контроль качества процессов горения или
производственных условий, а также их регулировка для устранения
избыточных загрязнений воздуха;
• кратковременное введение более «чистых» видов топлива и
сырья;
• применение мокрых скрубберов при особенно
неблагоприятных метеорологических условиях.
2. Региональные (локальные) модуляции количества
выбросов загрязняющих веществ в целях устранения локальных
максимумов:
• перемещение в периоды экстремальных метеорологических
ситуаций производства из районов с более неблагоприятными
условиями в регионы с более удовлетворительными метеорологическими
условиями распространения выбросов;
• контролируемое распределение различных типов топлива по
его качеству;
• повышение степени распределения загрязняющих веществ на
большую площадь путем применения более высоких дымовых труб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред.
В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997
2. Экология- Учеб. пособие / Под ред. С.А. Боголюбова. М : Знание, 1997.
3. Стад нищий Г.В., Родионов А И. Экология. СПб.: Химия, 1995.
4. Ревель П, Ревель Ч. Среда нашего обитания М.: Мир, 1996.
5. Шевцов К.К. Охрана окружающей природной среды в строительстве.
М : Высш. шк., 1994
6. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от
загрязнений Л.: Химия, 1989.
7. ГОСТ 17.2 3.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация
выбросов по составу
8. ГОСТ 17.2.1.02-76 Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения
выбросов двигателей автомобилей, тракторов, самоходных
сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин.
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 59
9. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы Атмосфера. Правила контроля
качества воздуха населенных пунктов.
10. ГОСТ 17.2.4.02-81. Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к
методам определения загрязняющих веществ
11. ГОСТ 17 2.1.03-84. Охрана природы Атмосфера Термины и
определения контроля загрязнений.
12 ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера Источники и
метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Термины и
определения.
Глава 3. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
НА ГИДРОСФЕРУ
3.1. Запасы воды
Гидросфера — водная оболочка Земли, располагающаяся
между атмосферой и литосферой и представляющая собой
совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод,
ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими
элементами Земли — атмосферой и литосферой. Воды Земли
находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино
все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему. Без
гидросферы невозможно существование растений и животных, так как
их клетки и ткани в основном состоят из воды. Например, человек
на 65% состоит из воды, и его суточная физиологическая норма
потребления воды составляет 1,5...2,6 л. Кроме того, для
удовлетворения гигиенических потребностей человеку в среднем требуется
ежедневно около 35 л воды.
В природе вода может быть в твердом (лед), жидком (собственно
вода) и газообразном (водяной пар) состоянии. Льды занимают до
10% суши. Вода Мирового океана покрывает около 3/4
поверхности планеты и насыщает почву суши. В атмосфере вода содержится
в виде пара, количество которого колеблется в зависимости от
температуры, давления и других условий.
Обычно в воде находятся различные примеси органического и
неорганического происхождения. Различают воду соленую и
пресную. Основную массу воды на нашей планете составляет соленая
вода, образующая соленый Мировой океан и большую часть
минерализованных подземных вод глубинного залегания (1,5...2 км).
60 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Средняя соленость океанической воды 34,7%, или 34,7 г/л.
Содержание солей в пресной воде не более 1 г/л [6]
Общие запасы воды на планете исчисляются 1385984- 103 км3 н
занимают 510 106 км2, или 70% ее поверхности. Средняя глубина
гидросферы 3554 м. Если все количество воды равномерно
распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной
2718 м. Масса всей воды составляет примерно 1,32-10'8 т, или
0,022% общей массы Земли [4]. Температура воды в летний период
на поверхности моря колеблется от -2°С в Белом море до +35°С в
мелководных районах Персидского залива.
Большие запасы пресной воды сосредоточены в реках, среди
которых самыми длинными являются Нил и Амазонка. Протяженность
Нила составляет 6670 км, Амазонки — 6437 км. Среди рек России
наибольшую протяженность имеет Обь, если считать ее длину от
истока Иртыша, то она равна 5410 км. В ледниках и океанических
льдах также сосредоточено большое количество воды. Самый
толстый слой льда (4,78 км) зарегистрирован в Антарктиде.
Мировой океан неоднороден как по солености, так и по
температуре. В нем можно различить изометрические области, слои и
тончайшие прослойки Самая высокая температура воды в океане
(404°С) была зарегистрирована у горячего источника в 480 км от
западного побережья Америки. Нагретая до такой температуры вода
не превращалась в пар, так как источник находился на значительной
глубине в условиях большого давления. Самая чистая вода в мире
зарегистрирована в море Уэддела в Антарктиде. Ее прозрачность
соответствует прозрачности дистиллированной воды. При этом воды
Мирового океана находятся в постоянном движении, их
температура и течения влияют на состояние воздушных масс и определяют
погодные и климатические условия на прилегающих территориях
В табл. 3 1 представлены данные по водным запасам Земли, из
которых видно, что количество пресной воды составляет всего
2,53% общих запасов, причем 3/4 этого количества находится в
труднодоступных местах, в том числе и в виде ледников или на
больших глубинах под землей [9].
Следует отметить, что поверхностные, подземные и
атмосферные воды связаны между собой. К атмосферным водам относятся
воды, содержащиеся в воздухе в виде пара. Они составляют около
0,001% запаса воды планеты. В основном атмосферные воды
формируются за счет ежегодного испарения с поверхности Мирового
океана около 505-103 км3 воды. Из них 458- 103 км3 возвращается
обратно в океан в виде осадков, а 47-Ю3 км3 перемещается в ре-
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 61
Таблица 3 I
Тип воды
Мировой океан
Подземные воды
В том числе пресные воды
Ледники и снежный покров
Подземные льды
Воды озер
пресные
соленые
Воды болот
Воды в руслах рек
Биологическая вода
Воды атмосферы
Общие запасы воды
В том числе пресные воды
Объем, тыс
кубических
километров
1338000
23400
10530
24064,1
300
176,4
91
85,4
11,47
2,12
1,120
12,9
1385984,61
35029,21
Доля мировых запасов, %
от общих
запасов воды
96,5
1,7
0,76
1,71
0,022
0,013
0,007
0,006
0,0008
0,0002
0,0001
0,001
100
2,53
от запасов
пресной воды
—
—
30,1
68,1
0,86
—
6,26
—
0,03
0,006
0,003
0,04
—
100
зультате атмосферной циркуляции и выпадает в виде осадков над
сушей. С поверхности суши, включая поверхность озер и рек,
испаряется 72-103км3, которые затем возвращаются на сушу в виде
осадков. Таким образом, над сушей выпадает 119-103 км3 осадков.
Осадки (дождевые воды) — пресные, очень бедные минеральными
примесями, малопригодные для питья.
По общим запасам пресной воды Россия занимает второе место
в мире (после Бразилии). Положение осложняется
неравномерностью распределения водных ресурсов по территории страны.
В южных и юго-западных районах России на одного жителя
приходится (3...5)-103 м3 речного стока, на севере европейской части —
35- 103 м3, в Западной Сибири — 45-Ю3 м3, а в Восточной
Сибири — 144-103 м3.
Особо следует отметить озеро Байкал, в котором сосредоточено
26% мировых запасов озерной пресной воды (26,5 км3). По своим
запасам и характеристикам это озеро считается уникальным.
Потребность человека в пресной воде на 80% удовлетворяется
за счет речного стока. Единовременный ее объем в руслах рек
оценивается 2- 103 км3. Прогнозы показывают, что в XXI веке ресурсы
рек не смогут покрыть спрос на воду, и потребность в ней
необходимо будет удовлетворять за счет опреснения вод Мирового океана,
62 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
а также за счет использования подземных вод и вод ледников.
Подземные воды составляют около 20% всего объема пресной воды
гидросферы [1]. По своим свойствам они могут быть пресными и
минерализованными и подразделяются на верховодку и глубинные.
Верховодка располагается в первых 2...3 м толщины грунта и, как
правило, очищена слабо. Глубинные воды более чистые, но
труднодоступные [7]. В мировой практике широко используются
поверхностные воды, накапливаемые в водохранилищах. Общий объем таких
вод составляет более 5-103 км3.
Самым крупным потребителем воды в настоящее время является
сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы необходимо 1500 м3
воды; 1 т риса — более 7000 м3, 1 т хлопка — около 10 000 м3.
На втором месте стоит промышленность. Так, на производство
1 т продукции расходуется воды [7]:
• 15...20 м3 для стали, чугуна;
• 25...80 м3 для серной кислоты;
• 80... 180 м3 для азотной кислоты;
• 400 м3 для шерсти;
• 500 м3 для синтетического волокна;
• 500... 1000 м3 для пластмасс;
• 2000...3000 м3для синтетического каучука.
В масштабах планеты различные отрасли промышленности (без
энергетики) потребляют ежегодно 215 км3 воды, энергетика
потребляет 240 км3 в год.
По подсчетам специалистов, безвозвратное водопотребление
составляет 150 км3 в год, т.е. 1% устойчивого стока пресных вод.
Развитие человеческого общества ведет к увеличению водо-
потребления. Так, по расчетам специалистов, потребление воды в
XXI веке ежегодно будет возрастать на 3%. Многие страны
ощущают водное голодание, несмотря на то, что всего 1 % водопотребления
расходуется на бытовые нужды. Трудности с обеспечением водой
испытывает около 2 млрд человек. По данным ООН, в
развивающихся странах 15 млн детей в возрасте до 5 лет умирают ежегодно от
болезней, связанных прежде всего с употреблением загрязненной
воды. Наряду с общим ростом потребности в пресной воде
происходит интенсивное ее загрязнение, в результате чего сокращается
количество разведанных и освоенных источников чистой воды.
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 63
3.2. Самоочищение в гидросфере
Процесс самоочищения в гидросфере связан с круговоротом
воды в природе. В водоемах этот процесс обеспечивается
совокупной деятельностью организмов, которые их населяют. В идеальных
условиях процесс самоочищения протекает достаточно быстро, и
вода восстанавливает свое первоначальное состояние. Факторы,
обусловливающие самоочищение водоемов, можно разделить на три
группы: физические, химические, биологические.
Среди физических факторов основными являются
разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений.
Например, интенсивное течение реки обеспечивает хорошее
перемешивание, в результате чего снижается концентрация взвешенных
частиц. Оседание в воде нерастворимых частиц в процессе
отстаивания загрязненных вод способствует самоочищению водоемов. Под
действием силы тяжести микроорганизмы осаждаются на
органических и неорганических частицах и постепенно опускаются на дно,
подвергаясь при этом действию других факторов. Увеличение
интенсивности действия физических факторов способствует быстрому
отмиранию загрязняющей микрофлоры. При воздействии
ультрафиолетового излучения происходит обеззараживание воды, основанное
на прямом губительном воздействии этих лучей на белковые
коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток.
Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные
бактерии, но и на споровые организмы и вирусы
Очищение воды в океане происходит за счет фильтрационных
способностей планктона. За 40 дней поверхностный слой воды
толщиной в сотни метров проходит через фильтрационный аппарат
планктона. Соотношение главных ионов в морской воде на
протяжении миллионов лет остается достаточно стабильным, несмотря на
непрерывный обмен веществ между океаном и сушей. Концентрация
растворенных в морской воде солей составляет около 3,5%. По
химическому составу эти слои на 99,9% состоят из ионов натрия,
калия, хлора, брома, фтора, магния, кобальта и др.
3.3. Основные источники загрязнения гидросферы
Уровень загрязнения рек, озер, морей и океанов с каждым годом
возрастает. Особую и едва ли не самую серьезную роль в
загрязнении водных объектов играет сброс отработанных промышленных
вод. Они загрязняют более 1/3 всего речного стока. Например, в
64 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
США за 70 лет загрязненность рек выросла в 10 раз, что привело к
запрещению купания в реке Миссисипи и ее притоках. Не лучшим
образом обстоит дело и с водоемами, расположенными в
Европейской части России. Так, концентрация аммонийного и нитритного
азота увеличилась в 1,5 раза, количество взвешенных и
органических веществ достигает от 2 до 12 ПДК, содержание фенолов — от
10 до 41 ПДК, тяжелых металлов — от 8 до 24 ПДК
Наибольший вклад в загрязнение водных объектов сточными
водами вносят такие отрасли промышленности, как черная и цветная
металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-
бумажная и пищевая.
В зависимости от технологических особенностей производств
сточные воды можно разделить на:
• реакционные воды, загрязненные как исходными веществами,
так и продуктами реакции;
• воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах;
• воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;
• водные экстрагенты и абсорбенты;
• бытовые воды из туалетов, после мытья помещений, душевых;
• воды, стекающие с территории промышленных предприятий,
загрязненные различными химическими веществами.
Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную
или щелочную среду, что приводит к изменению естественного рН
в водоемах, в которые сбрасываются эти воды.
В шлаках промышленных производств присутствуют
разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов, в
бытовых отходах содержание органических веществ составляет
32...40%. Эти вещества, попадая в почву, создают в грунтах
устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип
иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов.
В случае образования в водоемах поверхностных пленок,
содержащих нефтяные углеводороды, нарушается газообмен на границе
сред воздух—вода Кроме того, загрязняющие вещества могут
аккумулироваться в клетках и тканях гидробионтов и оказывать
токсическое действие на них.
Поверхностные воды в промышленно развитых густонаселенны»
регионах подвергаются загрязнению коммунально-бытовыми и
промышленными стоками, стоками сельхозпредприятий и др. Напри-,
мер, в пределах столицы ежегодно в р. Москву станциями аэрации
сбрасывается до 4-106м3 сточных вод; к ним нужно добавить
8-103м3 сточных вод, поступающих от промышленных предпри-
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 65
ятий. Всего в бассейн р. Москвы поступает 9-103 т загрязняющих
веществ, основу которых составляют соединения азота,
нефтепродукты, металлы. Все это приводит к тому, что в черте города в водах
]). Москвы в 2 раза возрастает количество взвешенных частиц, в 1,5
раза увеличивается минерализация, концентрация растворенного
кислорода уменьшается до 1,5...2,0 мг/л, в 5 раз увеличивается
концентрация биогенных элементов, в 2 раза по сравнению с фоновым
возрастает содержание металлов и нефтепродуктов. По количеству
сбрасываемых в водоемы стоков в РФ лидирует Москва —
2367 -106 м3, далее следуют Санкт-Петербург — 1519-106 м3, Ан-
1арск — 529-106м3, Красноярск —416106м3, Новосибирск —
316-106 м3[12].
Еще одним источником загрязнения природных вод являются
атмосферные воды, несущие в себе вымываемые из воздуха
загрязняющие вещества промышленного происхождения. При стекании по
поверхности земли атмосферные и талые воды увлекают за собой
органические и минеральные вещества из почвы. В первую очередь
•»то касается территорий санитарно неблагоустроенных населенных
пунктов, сельскохозяйственных объектов и угодий, особенно в
период весеннего паводка, что приводит к сезонному ухудшению
качества питьевой воды.
Городские сточные воды, включающие преимущественно быто-
мые стоки, которые содержат большое количество поверхностно-ак-
жвных моющих средств, также являются источниками загрязнения
природных вод. Наличие в стоках поверхностно-активных моющих
гредств губительно сказывается на флоре и фауне. Например,
10...25 мг моющих химических средств на 1 л воды ядовиты для
водной флоры. При концентрации моющих средств 1 мг/л гибнет
планктон, при 3 мг/л — дафнии, 15 мг/л — рыбы. Кроме того, в
городских сточных водах может содержаться в среднем (мг/л):
!>,9 — калия, 0,5 — меди; 0,5 — свинца; 0,8 — железа; 23,2 — на-
>рия; 0,2 —цинка, 6,6 —фосфора, 4,53 —жиров. Разложение
большого количества органических веществ в стоках приводит к
дефициту кислорода и накоплению сероводорода, в результате чего со
нременем такие водоемы «умирают».
Большое значение для организации водопотребления и
водопользования имеет состояние подземных вод, которое может нарушаться
проведением мелиоративных и гидротехнических работ,
строительством городов и поселков, сооружением и эксплуатацией шахт и
рудников. В результате уровень грунтовых вод может меняться
J-4910
66 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
на обширных территориях. Так, в районе Курской магнитной
аномалии осуществление работ в местах добычи полезных ископаемых
вызвало появление депрессионных воронок, а затем заметное
изменение водного режима и характера растительности на расстоянии
50...60 км от карьеров. Интенсивная откачка из глубин нефти, газа
или воды может повлечь за собой оседание почвы на больших
территориях, изменение путей подземных потоков и их скоростей, что
может привести к разрушению первичных структур. Кроме того,
откачка подземных вод из шахт, рудников и карьеров и сброс их на
поверх-ность ведут к загрязнению рек и водоемов.
Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское
захоронение вредных веществ. Объем таких захоронений составляет
около 10% всей массы загрязняющих веществ, поступающих в
Мировой океан. Основанием для использования морей и океанов в
качестве полигонов для захоронения различных отходов послужила
способность морской воды к переработке большого количества
органических и неорганических веществ. Однако эта способность не
беспредельна. Поэтому такой подход можно рассматривать как
вынужденную меру, подтверждающую несовершенство технологий по
переработке и уничтожению отходов производства и потребления.
В дополнение к сказанному отметим, что в результате аварий судов,
промывки резервуаров танкеров, утечек нефти при добыче ее в
шельфовой зоне ежегодно в воды Мирового океана попадает до
(10...15)- 106 т нефти. Каждая 1 т нефти покрывает тонкой пленкой
примерно 12 км2 поверхности и загрязняет до 1 млн т морской воды.
Особо следует остановиться на захоронении в морях и океанах
радиоактивных отходов. Захоронение радиоактивных отходов
(РАО) в море рассматривается как изоляция этих опасных веществ
от среды обитания человека на период, достаточный для
физического распада радионуклидов. Захоронение жидких радиоактивных
отходов (ЖРО) и твердых радиоактивных отходов (ТРО)
осуществлялось многими странами, имеющими атомный флот и атомную
промышленность [31. Первые захоронения РАО в морях были
произведены в 1946 г. США в северо-восточной части Тихого океана на
расстоянии 80 км от побережья Калифорнии. С 1947 г. сбросы стали
производиться Великобританией и др. До 1983 г. практиковался
сброс ТРО в открытое море.
В России возникают свои проблемы, связанные с захоронением
РАО в морях, омывающих ее территорию. В СССР захоронение
РАО началось в 1957 г. Только по ТРО в северные и дальневос-
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 67
точные моря суммарный сброс составляет 53 376 м3 с активностью
21 614 Ки. Одновременно производится захоронение ЖРО,
суммарный слив которых в северные моря составил 190 435 м3 с
активностью 23 753 Ки. Не меньший вред по загрязнению водных объектов
наносят удобрения и ядохимикаты (пестициды), применяемые в
сельском хозяйстве, которые, попадая на поверхность почвы,
смываются с нее и оказываются в водоемах.
Необходимо отметить, что процессы регенерации, или
самоочищения, протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе.
Источники загрязнения водоемов более разнообразны, а
естественные процессы, происходящие в водной среде и подвергающиеся
действию загрязнителей, более чувствительны и имеют большее
значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые происходят
в атмосфере.
3.4. Оценка качества водной среды
Критериями загрязненности воды являются ухудшение ее
качества вследствие изменения органолептических свойств и появление
веществ, вредных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и
промысловых организмов, а также повышение температуры воды,
изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных
организмов.
Важнейшей водоохранной задачей в условиях промышленной и
хозяйственной деятельности общества является установление
допустимых нагрузок на водные объекты при водопользовании и водо-
потреблении.
Водопользование — это использование воды без изъятия ее из
мест естественной локализации. В основном водопользователями
являются рыбное хозяйство, гидроэнергетика, водный транспорт.
Водопотребление — это использование воды, связанное с
изъятием ее из мест локализации с частичным или полным
безвозвратным расходованием или с возвращением в источник водозабора в
загрязненном состоянии. Как уже отмечалось, основными водопо-
требителями являются сельское хозяйство, промышленное
производство, культурно-бытовое хозяйство. В зависимости от категории
водопользования (рис. 3.1) предъявляются соответствующие требо-
иания к качеству воды.
При анализе вредных веществ, поступающих в водный объект,
используют совокупность специфических токсикометрических
характеристик, в зависимости от которых конкретное вещество отно-
68 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Хозяйственно-питьевое
и для предприятий пищевой
промышленности
Культурно-бытовое
(купание, спорт, отдых)
Использование
для нужд населения
КАТЕГОРИИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Места нереста,
массового нагула,
зимовальных ям,
охранные зоны хозяйств
для воспроизводства
водообитающих
организмов
Использование для целей
рыбного хозяйства
1
Для сохранения
и воспроизводства
ценных видов
рыб с высокой
чувствительностью
к содержанию
кислорода
Для других
рыбохозяйственных
целей
Рис 3 1 Категории водопользования
сят к тому или иному классу опасности [2, 4] Одним из основных
показателей, с помощью которого определяют опасность вредных
веществ, является их подпороговая (максимальная недействующая)
концентрация (МНК), определяемая по санитарно-токсикологичес-
ким признакам при поступлении вещества в организм с водой
Другим показателем является подпороговая (максимальная
недействующая) доза (МНД) вещества, которая в двадцать раз меньше МНК
(МНД = МНК/20) Оба показателя выражаются в миллиграммах
на литр
Поскольку многие вещества обладают специфическими привку
сами и запахами, то оценку опасности производят с помощью под-
пороговой органолептической концентрации ППК , которая
оценивается восприятием вещества органами чувств Кроме
названных, к токсикометрическим характеристикам вредных веществ в
воде относятся
• пороговая концентрация, не влияющая на санитарные
характеристики воды в водном объекте ПКсан,
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 69
• пороговая доза по отдаленным эффектам ПД0ТД,
• пороговая доза по общетоксическому действию Пдоощ
Класс опасности вещества в воде устанавливается за четыре
этапа (табл 3 2), причем, на первых двух этапах чрезвычайно
опасные вещества не определяются
Табгица 3 2
Этап
дования
1
2
3
4
Критерии
оценки
опасности
МНК/ПКоргп
МНК/ПКС<1Н
МНК мг/л
лд*50/мнд
ПД0ТД/ПД0СЩ
Значения критериев соответствующие классам
опасности
1
(чрезвычайно
опасные)
0,001
105
1
2
(высоко
опасные)
1
1
0,001 0,1
106 105
1 10
3
(умеренно
опасные)
1 10
1 10
0,1 10
105 104
10 100
4
(мало
опасные)
10 и более
10 и более
10 и более
104 и менее
100 и более
* ЛД — летальная доза, при которой умирает 50% испытуемых
3.5. Обеспечение качества водных объектов
Взятая из озера, реки или колодца вода должна быть безопасна
для здоровья, иметь приятный вкус и не иметь запаха Контроль
качества и управление качеством воды в водных объектах призваны
дать ответ на ряд вопросов, таких как какую воду следует считать
чистой и безопасной, какие вещества и в какой концентрации за-
i рязняют воду и т п [16] Степень предельно допустимого
загрязнения воды в водном объекте, зависящая от его физических
особенностей и способности к нейтрализации примесей, рассматривается
как предельно допустимая нагрузка (ПДН)
Использование воды может быть связано с изъятием ее из
водного объекта, что приводит к его истощению и тем самым к
разрушению экосистемы Вводимый в практику норматив предельно
допустимой экологической нагрузки на водные экосистемы
(ПДЭН) позволит предотвратить деградацию и гибель экосистем
Основная цель при решении задач, связанных со снижением уровня
1агрязнения в водных объектах, заключается в разработке обосно-
нанных предложений по сокращению загрязненных сбросов в
водную среду в такой мере, чтобы процессы естественной утилизации
шгрязняющих веществ постоянно превалировали над процессами
70 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
загрязнения и приводили к устранению нарушений в экосистемах.
В общем случае допустимая нагрузка на водоем определяется
как разность между установленной нормативной нагрузкой Сн,
т.е. возможностью сброса, и уже существующей, т.е.
фактической нагрузкой Сф
С = Г — Г
Необходимое качество воды в водоеме может обеспечиваться
поддержанием соответствующих гидрохимических и
гидрологических режимов. Попадающие в водоем токсиканты изменяют
гидрохимический состав поверхностной воды и в зависимости от
концентрации оказывают влияние на процессы формирования ее качеств.
Поэтому контроль состояния водных объектов осуществляется
по физическим, химическим, бактериологическим и
гидробиологическим показателям
В нашей стране анализ состояния водных объектов проводят ряд
организаций, относящихся к различным министерствам, например-
• Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей
среды следит за количественными и качественными показателями
поверхностных вод и их изменением под влиянием деятельности
человека,
• Центр санитарно-эпидемиологического надзора
контролирует водоемы и воду, используемые для питьевого водоснабжения,
лечебно-оздоровительных целей;
• Рыбохозяйственная инспекция осуществляет надзор за
водоемами, имеющими рыбохозяйственное значение;
• Управление по геологии и использованию недр контролирует
использование подземных вод и осуществляет охрану их от
истощения и загрязнения,
• Комитет по водному хозяйству следит за водопользованием
и водопотреблением
Гидрохимический контроль качества воды состоит из системы
контроля и наблюдений
• за химическим составом воды водоемов и водотоков бассейна;
• поступающими атмосферными осадками,
• антропогенными источниками загрязнения
Гидрохимическая система контроля и наблюдений создается с
учетом сбросов сточных вод, а также видов водопользования.
Состав и объем гидрохимических наблюдений определяются
требованиями, предъявляемыми органами государственного управления и
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 71
надзора и основными водопользователями. При этом обычно
устанавливаются:
• минерализация;
• содержание кислорода;
• биологическое потребление кислорода (БПК);
• химическое потребление кислорода (ХПК);
• содержание основных ионов, биогенных веществ,
нефтепродуктов, детергентов, фенолов, пестицидов, тяжелых металлов
Определяются также физические параметры: цветность,
температура.
Объектами санитарных наблюдений являются водоемы, которые
используются для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых
нужд населения [14]. Створы обычно расположены вблизи пунктов
санитарно-бытового водопользования. При наблюдениях собирают
сведения об основных источниках загрязнения:
• о санитарном благоустройстве населенного пункта;
• об условиях отведения сточных вод;
• о промышленных и других объектах, сбрасывающих сточные
воды;
• о качестве и составе сбрасываемых стоков;
• о характере очистки и обеззараживания и т.д.
Загрязненность воды — понятие, относящееся только к вполне
определенному месту или зоне водного объекта и к конкретному
виду водопользования. Водный объект вне места
водопользования не считается загрязненным, даже если его экосистема
полностью разрушена вследствие сброса вредных веществ. С
экологической точки зрения это неприемлемо. Поэтому специалисты
различных производств должны независимо от того, обеспечена или
нет допустимая нагрузка на водный объект, принимать все
технически доступные меры для минимизации сброса в него
загрязняющих веществ
Контроль загрязнения водных объектов только по физическим и
химическим показателям, а также бактериологическая оценка
поверхностных вод (даже при наличии экологически обоснованных
норм содержания загрязняющих веществ и микрофлоры) в
природных средах оказываются недостаточными. Основным нормативным
требованием к качеству воды является соблюдение
установленных предельно допустимых концентраций Предельно
допустимые концентрации в воде — это такие нормативные показатели,
при которых исключается неблагоприятное влияние каких-либо
веществ,на организм человека и которые ограничивают хозяйственно-
72 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
с»пдк
\ Створ
\ сброса
\
\
\
Зона
разбавления
с<пдк
\ '
X IQ.
с ,о
О 03
- О |
* 1
L, км
1 км
J
^1
1 Створ
,водопользова-
, НИЯ
1
Рис. 3.2. Схема расположения контрольных точек на реке
Пункт
водопользования
Q
Рис. 3.3. Схема расположения контрольных точек в непроточном водоеме
питьевое, культурно-бытовое и другие виды водопользования. Состав
и свойства воды в водных объектах должны соответствовать
нормативам в створе реки или в радиусе 1 км от пункта водопользования
для непроточных водоемов (рис. 3.2, 3.3).
Предельно допустимые концентрации веществ для различных
категорий водопользования различны. Например, присутствие хлорор-
ганических соединений (ДДТ, гексахлоран) в
хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых водных объектах допускается в
концентрациях 0,02 и 0,1 мг/л соответственно, а в воде рыбохозяйственных
водоемов присутствие этих веществ вообще не допускается.
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 73
Исходя из того, что отдельные вещества оказывают
неблагоприятные воздействия на организм лишь при попадании внутрь, а
другие представляют опасность даже при контактном воздействии, для
практики приняты различные ограничения. Например, санитарные
ограничения регламентируют возможности купания и умывания при
наличии одних веществ, в то время как санитарно-гигиенические
ограничения лимитируют использование воды для питья и
приготовления пищи при наличии в ней других веществ. Поэтому ПДК
разных веществ различаются лимитирующим показателем
вредности (ЛПВ). При этом выделяют:
• органолептический ЛПВ, изменяющий органолептические
свойства воды (цвет, запах, вкус);
• общесанитарный ЛПВ, влияющий на общесанитарное
состояние водоема, в частности, на скорость протекания процессов
самоочищения;
• токсикологический ЛПВ, влияющий на организм человека и
обитающих в воде животных..
Для водных объектов культурно-бытового и
хозяйственно-питьевого назначения в основу приоритетности нормирования положены
преимущественно токсикологический, общесанитарный и
органолептический лимиты, а для водных объектов рыбохозяйственного
назначения — в основном токсикологический и отчасти
органолептический [13].
При питьевом и рекреационном назначении вода нормируется
по 11 основным показателям. При этом ПДК установлено более чем
для 1200 ядовитых веществ.
Вода, используемая для рыбохозяйственных целей, нормируется
по 8 основным показателям [4]. При этом ПДК разработано почти
для 1000 веществ.
При наличии нескольких веществ, относящихся к одной группе
лимитирующего показателя вредности, содержание загрязняющего
вещества должно соответствовать условию
т с,
<=1
где С, — средняя концентрация г'-го вещества в воде водного
объекта; ПДК,- — предельно допустимая концентрация того же
вещества; т — общее количество веществ данной группы ЛПВ,
находящихся в воде исследуемого водного объекта.
В табл. 3.3 приведены значения ПДК для некоторых веществ в
водных объектах хозяйственно-питьевого назначения [15].
74 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природу
Таблица 33
Вещество
Медь, никель, цинк
Аммиак
Хлор активный
Капролактам
Тетраэтилсвинец
Свинец
Бензол
Анилин
Гексахлорбензол
Нитраты по азоту
ПДК, мг/л, в
водных объектах
хозяйственно-
питьевого
назначения
0,1
2,0
0,0
1,0
0,0
0,03
0,5
0,1
0,05
45,0
Вещество
Железо
Нефть
высокосернистая
Нефть прочая
Фенол
Дихлорфенол
Хлорофос
Сероуглерод
Нафтеновые кислоты
ДДТ (пестицид)
ПДК, мг/л, в
водных объектах
хозяйственно-
питьевого
назначения
0,3
0,1
0,3
0.001
0,002
0,05
1,0
0,3
0,2
Качество воды оценивается не только по присутствию в ней
токсичных или дурно пахнущих веществ, но и по изменениям физико-
химических показателей и свойств воды. В табл. 3.4 приведены
общие требования к составу и свойствам воды с указанием
допустимых норм [15].
Таблица 3 4
Показатели состава и
свойств воды водоема
Взвешенные вещества
Плавающие примеси
Запахи и привкусы
Окраска
Температура
Реакция рН
Минеральный состав
Растворенный кислород
БПК при 20°С
ХПК
Требования и нормативы
Содержание взвешенных веществ не должно
увеличиваться больше чем на 0.25 мг/л
На поверхности воды не должны обнаруживаться плава
ющие пленки, пятна масел и скопление других примесей
Вода не должна приобретать запахов и привкусов
интенсивностью более 1 балла
Не должна обнаруживаться в столбике 20 см
Летняя температура воды в результате спуска сточных
вод не должна повышаться более чем на 3°С по
сравнению со среднемесячной температурой самого
жаркого месяца за последние 10 лет
6,5 8,5
Не должен превышать по сухому остатку 1000 мг/л,
хлоридов 350 мг/л, сульфатов 500 мг/л
Не менее 4 мг/л
Не более 3 мг/л
Не более 15 мг/л
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 75
Наряду с общими требованиями к составу и свойствам воды
разработаны и внедрены в практику специальные требования,
например, к качеству водных объектов, предназначенных для купания и
спорта (табл. 3.5), которые узаконены ГОСТ 17.15.02-80
«Гигиенические требования к зонам рекреации водных объектов».
Таблица 35
Показатели
рекреационных вод
Плавающие примеси
Запах
Окраска
РН
Растворенный кислород
ХПК
Кишечные палочки
для купания
для спорта
Требования и нормативы
На поверхности водоема не должны обнаруживаться
плавающие пленки, пятна минеральных масел
Не более 1 балла
Не должна обнаруживаться в столбике 10 см
6,8 8,5
Не более 4 мг/л
Не более 30 мг/л
Не более 1000 бактерий/л
Не более 10 000 бактерий/л
С целью защиты прибрежных вод морей установлены зоны
санитарной охраны вод:
• зона водопользования, распространяющаяся на расстояние
2 морские мили от берега (1 морская миля = 1852 м) и используемая
для купания, спорта и отдыха;
• зона водопользования, распространяющаяся на 5 морских миль.
Основные требования к качеству воды в прибрежной зоне
приведены в табл 3.6.
Таблица 3 6
Показатели качества
воды в прибрежной зоне
Требования и нормативы
Зона водопользования
Зона санитарной
охраны
Плавающие примеси
Привкус и запах
Прозрачность
Окраска
Биохимическая
потребность в кислороде (БПК5)
Возбудители заболеваний
Кишечные палочки
Не должны обнаруживаться необычные для морских
вод плавающие примеси
на поверхности и в поверх- на поверхности воды
ностном слое глубиной 30 см
Интенсивность необычных для морской воды запахов
не должна превышать порога восприятия (2 балла)
Не менее 30 см
Не наблюдается в столбике 10 см
Не более 3.0 мг/л
Вода не должна содержать
возбудителей заболеваний
Не более 1000 бактерий/л
Не нормируется
Не нормируется
Определяется условия-
ми спуска сточных вод
76 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Особое внимание при оценке качества воды уделяется таким
показателям, как интенсивность запахов (табл. 3.7) и вкусовой порог
минеральных веществ (табл. 3.8).
Таблица 3 7
Балл
0
1
2
3
4
5
Интенсивность
запаха
Нет запаха
Очень слабый
Слабый
Заметный
Отчетливый
Очень сильный
Описание
Отсутствие ощущения запаха
Запах, не поддающийся обнаружению потребителем, но
обнаруживаемый в лаборатории
Запах, не привлекающий внимание потребителя
Легко обнаруживаемый, может сделать воду не пригодной
для питья
Обращающий на себя внимание и делающий воду не
пригодной для питья
Настолько сильный, что делает воду не пригодной для питья
Таблица 3 8
Химическое
вещество
Nad
KCI
СаС12
MgCl2
МпС)2
CaS04
Na,S04
Граница
ощушае-1
мости,
мг/л
495
550
400
3,5
140
450
Граница
вкусовой
пригодности,
мг/л
660
525
625
535
500
Химическое
вещество
MgS04
FeS04
MnS04
NaN03
KNOj
Ca(N03)2
NaHCO.j
Граница
ощущае-
мости,
мг/л
615
4,8
15,7
205
325
330
480
Граница
вкусовой
пригодности
мг/л
750
345
410
3.6. Регламентация поступления загрязняющих веществ
в водные объекты
Защита водных объектов от поступления в них загрязняющих
веществ может осуществляться разнообразными способами и
средствами. Однако выбор подходящего способа определяется в
основном источником и типом загрязнения. В случае защиты водоемов от
попадания в них коммунально-бытовых отходов можно все
источники разделить на два типа [14]:
• жилые массивы, сточные воды которых попадают в природные
водоемы через сливные и канализационные трубы; такие источники
загрязнений называют стационарными или точечными.
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу П
• источники загрязнения, характерные, например, для сельской
местности, от которых сточные воды поступают в природные
водоемы с обширных поверхностей суши; их принято называть
линейными или неточечными источниками загрязнения.
Сточные воды, содержащие растворенные и взвешенные
вещества, отходящие в водные объекты, рассматриваются как сбросы.
Сбросы могут быть неорганизованными, если они стекают в водный
объект непосредственно с территории промышленного или
сельскохозяйственного предприятия, не оборудованного канализацией или
иными устройствами для сбора, и организованными, если они
отводятся через специальные источники, т.е. водовыпуски, которые
классифицируются по следующим признакам:
• по типу водоема, в который поступает сточная вода (озерные,
речные, морские);
• по месту расположения выпуска: береговые (размещенные
в пределах береговой полости), русловые (в виде трубопроводов,
выводимых в русло реки до глубины более 30...40 м) и глубоководные
(на глубину более 40 м);
• по конструкции распределительной части:
сосредоточенные, рассеивающие и рассредоточенные);
• по типу оголовка, т.е. по конструкции сбросного устройства.
Целью природоохранных мероприятий является обеспечение
такого содержания загрязняющих веществ в воде, которое не окажет
вредного воздействия ни на качество окружающей среды, ни на
здоровье людей. Поэтому задача сводится к ограничению содержания
загрязняющих веществ в сбросах \\\].
В мировой практике существуют два подхода к решению данной
задачи. Первый подход состоит в том, чтобы загрязняющие
вещества не оказывали отрицательного влияния на природные
экосистемы в целом Критерием здесь считается ассимиляционный
потенциал территории, показывающий, какое количество вредных
веществ может быть без ущерба для своего состояния ассимилировать
та или иная территория После того, как суммарные объемы вредных
веществ, которые могут быть обезврежены в природных
экосистемах данной территориальной единицы, промышленным
предприятиям устанавливают предельные нормы на сбросы вредных веществ в'
течение определенного периода (сезона, года). Второй подход,
практикуемый в России, заключается в том, что приоритетным
условием является соблюдение санитарно-гигиенических нормативов,
т.е. соблюдение условия С > ПДК. Отсюда следует, что
предприятие должно обеспечить такое поступление загрязняющих веществ
78 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
в природную среду (сброс), при котором эти вещества смогут
рассеяться до неопасных концентраций (ПДК) в определенных местах
Как было показано выше (см. рис. 3 2), в створе реки в
пределах 1 км перед пунктом водопользования должно выполняться
условие С > ПДК Между пунктом водопользования и створом сброса
сточных вод расположена зона рассеяния (разбавления) вредного
вещества, концентрация которого в сточной воде превышает ПДК
Условие С > ПДК в установленном створе может быть обеспечено,
если содержание вредных веществ в стоках (предельно допустимый
сброс — ПДС) гарантируется разбавлением их до неопасных
концентраций Обеспечение этих нормативов для каждого источника и
для каждого отдельного вещества (с учетом эффекта суммации)
является конкретной задачей предприятия. Таким образом, если ПДК
являются нормативами на содержание загрязняющих веществ в
природной среде, то ПДС — нормативами на их поступление.
Под ПДС понимается масса вещества в сточных водах,
максимально допустимая к отведению (в установленном режиме) в
единицу времени. Для каждого конкретного случая при установлении
лимита отведения сточных вод в водный объект и для
прогнозирования степени загрязнения водного объекта вниз по течению
проектируемого выпуска расчет значения ПДС производится на основе
уравнения баланса, учитывающего фоновую концентрацию,
гидрологические, гидравлические и гидродинамические
особенности водного объекта [11]
Проекты ПДС разрабатываются и утверждаются для
предприятий, учреждений и организаций, имеющих или проектирующих
самостоятельно выпуски сточных вод в водные объекты в целях
соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования. Расчет
ПДС, г/с, производится по наибольшим среднечасовым
расходам сточных вод qQT, м3/ч, фактического периода спуска сточных
вод, по концентрации загрязнений С, мг/л или г/м3 [5]
Характеристика промышленных сточных вод необходима в той
же степени, что и характеристика водоема, принимающего эти воды.
Достоверные данные о характере и режиме выпуска промышленных
сточных вод в водоемы можно получить, используя схему
исследования, приведенную на рис. 3.4 Как видно из схемы, одним из
основных мероприятий при определении количества и качества
сточных вод является разработка норм или установление соответствия
удельного водопотребления и водоотведения. Установление
соответствия нормам дает характеристику степени эффективности исполь-
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 79
зования воды, оптимального состава и количества сточных вод,
отводимых на очистку в водостоки и водоемы.
В табл 3.9 показаны примеры средних удельных расходов воды
и сточных вод на производство топлива и в теплоэнергетике.
Таблица 3 9
Вид продукции
Добыча 1 т нефти
Добыча 1000м5газа
«условного»
Добыча 1 т угля в
шахтах
Получение 1 МВт ч
электроэнергии
конденсационных
электростанций
на органическом
топливе
на ядерном топливе
Объем оборотной
и последовательно
используемой
воды, м3
Объем
свежей воды
из
источника, м3
Топливо
3,6
600
2,1
3,6
15
0,3
Теплоэнергетика
137,6
205
6
9,2
Объем
всей
воды,
м3
7,2
615
2,4
143,6
214,2
Потери
воды,
м»
3,2
12
0,15
1,4
3
Объем
сточной
воды,
м3
0,4
3
0,15
4,6
6,2
Значение ПДС, г/с, или г/ч, или т/год, с учетом требований
к составу и качеству воды в водном объекте определяется как
произведение наибольшего расхода сточных вод (обычно
среднечасового) q, м3/г, и разрешенной предельной концентрации вредного
вещества в сточных водах Спдо г/м3 При расчете условий сброса
сточных вод сначала находится значение СПдС, обеспечивающее
нормативное качество воды в контрольных сбросах, а затем — ПДС
согласно уравнению
ПДС = ^СПДС (3 1)
Следует иметь в виду, что сброс, соответствующий ПДС, должен
быть увязан с расходом сточной воды, так как уменьшение расхода
при сохранении значения ПДС приводит к концентрации вещества
в водном объекте, превышающей ПДК. Если концентрация
загрязняющего вещества в водном объекте превышает ПДК, то СПдСв
каждом конкретном случае согласовывается с инспекционными
органами [9]
80 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Характеристика
условий
образования
сточных вод
Ознакомление
с производственной
структурой
и технологией
предприятия
X
Выяснение
характера
возможного
загрязнения
стоков
Выявление
режима
и условий
отведения стоков
Выявление
условно чистых
сточных вод
и возможности
их повторного
и
последовательного
использования
Количественная
характеристика
сточных вод
Проведение
непрерывных
суточных
или сменных
замеров
Определение
суточных
или сменных
расходов
сточных вод
Определение
режима стока
и коэффициента
неравномерности
Определение
удовлетворяющего
расхода воды
и сточных вод
на единицу
продукции
или сырья
Качественная
характеристика
сточных вод
Отбор средне-
пропорциональных или
средних проб
сточных вод
Санитарно-
химический
анализ
и определение
концентрации
вредных
веществ
Микробиологический
анализ
Определение
изменений
состава
и свойств
сточных вод
при различных
методах
очистки
Отбор проб
для
динамической
характеристики
сточных вод
Определение
колебаний
температуры
Определение
колебаний рН
Определение
изменений
концентраций
характерных
вредных
веществ
Рис 3 4 Схема исследований характера сточных вод
Основное расчетное уравнение для определения Спдс без учета
неконсервативности вещества имеет вид [8]1
^пдс ~ " Сцдк>
(3 2)
где СПдК— предельно допустимая концентрация загрязняющего
вещества в воде водотока, г/м3; п — кратность общего
разбавления сточных вод в водостоке, равная произведению кратности
начального разбавления пн на кратность основного разбавления
Пп, те. л
пи п.
н "о
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 81
Кратность начального разбавления пн учитывается при выпуске
сточных вод в водоток в следующих случаях:
• для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в
водоток при скоростях реки и стока V и Уст, удовлетворяющих
условию Vcr > 4 Vp,
• при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска более
2 м/с (при меньших скоростях пн = 1)
Кратность основного разбавления п0 определяется по методу
В.А. Фролова — И.Д. Родзиллера:
n0=(q+yQ)/q, (3.3)
где Q — расчетный-расход водостока, м3/с; у — коэффициент
смешения, показывающий, какая часть речного расхода смешивается
со сточными водами в максимально загрязненной струе расчетного
створа:
Y= r'-^PC-efrl. (3.4)
1 + —ехр(-а \ /)
Я
где / — расстояние йт выпуска до расчетного створа по фарватеру;
а — коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке:
а = ф? 3V Д/q, (3.5)
где ф — коэффициент извилистости реки (отношение расстояния
до контрольного створа по фарватеру к расстоянию по прямой); \ —
коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод (при
выпуске у берега \ = 1, при выпуске в стержень реки \ - 1,5); Д —
коэффициент турбулентной диффузии, м2/с.
Для летнего времени
Д = ё VtpWq,/(37nluc2).
где g — ускорение свободного падения, м/с2; Уср — средняя
скорость течения реки, м/с; Яср_ средняя глубина реки, м; пш —
коэффициент шероховатости реки, определяемый по таблице
А.Ф. Скрибнера (табл. 3.10); с — коэффициент Шези,
определяемый при глубинах Н < 5 м как с = R /пш (R — гидравлический
радиус потока, равный И).
Для равнинных рек коэффициент Д по М.В. Потапову
определяется из уравнения
Д = Кср /Уср/200. (3.6)
82 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 3 10
Характеристика русла
Естественные русла благоприятные условия (чистое, прямое,
незасоренное, земляное со свободным течением)
Русла постоянных водотоков равнинного типа, преимущест
венно больших и средних рек в благоприятных условиях
Периодические водотоки при очень хорошем состоянии
поверхности и формы ложа
Сравнительно чистые руспа постоянных равнинных водосто
ков в обычных условиях, извилистые или с неправильностями
рельефа дна (отмели, промоины, местами камни)
Русла больших и средних рек, значительно засоренные и
извилистые
Сильно засоренные, галечно валунные русла горного типа
Русла со слабым течением, валунные, горного типа с непра
вильной поверхностью водного зеркала
Руспа горно водопадного типа со значительной извилистостью
Русла болотного типа, во многих случаях со стоячей водой
Коэффициент
шероховатости
для открытых
русл
Пш
0,025
0,03
0,04
0,05
0,067
0,08
0,1
0,133
1/яш
40
33,4
25
20
15
12,5
10
7,5
Для зимнего периода (периода ледостава)
37 ппр С"Р'
(3 7)
япр, спр — приведенные значения гидравлического радиу-
где Япр.
са, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези соответст
венно
R„p = 0.5 Н,
+ ca/«J1-5
-1 О Ь7
где па — коэффициент шероховатости нижней поверхности льда
(табл. 3 11)
Расчет ПДС для выпусков сточных вод в водохранилища и озера
определяется с учетом специфики гидродинамического и
биохимического состояния данных объектов и места выпуска сбросов в
водоемы по глубине Считается, что полное разбавление сточных вод
в водоеме является результатом совместного влияния начального
разбавления, происходящего вблизи водовыпуска за счет скорости
и турбулентности струи, и основного разбавления,
осуществляющегося вследствие диффузии
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 83
Таблица 3 11
Периоды ледостава
Первые 10 дней ледостава (первая декада)
10 20 дней после ледостава (последняя декада декабря
- начало января)
20 60 дней после ледостава (середина января - первая
декада февраля)
60 80 дней после ледостава (конец февраля - начало
марта)
80 110 дней после ледостава
Коэффициент
шероховатости льда па
0,15 0,05
0,1 0,04
0,05 0,015
0,04 0,015
0,025 0,01
Независимо от нормативных требований к качеству воды в
водном объекте, существуют ограничения на сброс сточных вод
Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды |10], если
они:
• могут быть устранены путем рациональной технологии,
максимального использования в системах оборотного и повторного
водоснабжения,
• содержат ценные отходы, которые могут быть утилизованы на
данное или других производствах;
• содержат производственное сырье, реагенты, полупродукты и
конечные продукты производства в количествах, превышающих
установленные нормативы технологических потерь;
• содержат вредные вещества, для которых не установлены
ГЩК;
• при соблюдении санитарных требований и с учетом состава
местных условий могут быть использованы для орошения в сельском
хозяйстве.
ЛИТЕРАТУРА
1 Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред
В И Данилова-Данильяна М Изд-во МНЭПУ, 1997
2 Алтунин ВС , Белавцева ТМ Контроль качества воды Справочник
М Ко юс, 1993
3 Экология Учеб пособие / Под ред С А Боголюбова М Знание, 1997
4 Стадшщкий Г В , Родионов А И Экология СПб Химия, 1995
5 Очистка природных и сточных вод Справочник М Высш шк , 1994
6 Ревель П , Ревель Ч Среда нашего обитания М Мир 1996
84 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
7. Шевцов К.К. Охрана окружающей природной среды в строительстве.
М.: Высш шк., 1994.
8. Сборник нормативных материалов по охране окружающей среды. Кн. 4.
Охрана водоемов Санитарные требования к проектированию сооружений
хозяйственно-питьевого водоснабжения. М , 1994.
9. Негробов О.П. Основы экологии и природопользования. Гидросфера.
Учеб. пособие Воронеж, 1997.
10. Черкинский С.Н Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы
М.: Стройиздат, 1977.
11. Лаптев Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. М/ Стройиздат, 1977.
12. Обзор загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за
1996 год / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды. М., 1997.
13. Проблемы экологии Москвы / Под ред. Е.И. Пупырева. М.: Гидроме-
теоиздат, 1992.
14. ГОСТ 17.1 1 02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация
водных объектов
15 ГОСТ 17.1.1.01-77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и
охрана вод Основные термины и определения.
16 ГОСТ 17.1.3.13-86. Охрана природы. Гидросфера Общие требования к
охране поверхностных вод от загрязнений.
Гл а в а 4
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЛИТОСФЕРУ
4.1. Строение, состав и свойства литосферы
Литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, постепенно
переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества и
включающая в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность
литосферы 5...200 км, в том числе земной коры —до 50...70 км на
континентах и 5...10 км на дне океана. Литосфера (или иначе
земля) — важнейшая часть окружающей природной среды,
характеризующаяся площадью, рельефом, почвенным покровом,
растительностью, недрами, а также пространством для размещения всех отраслей
народного хозяйства (1—5]. Состояние литосферы меняется во
времени под воздействием природных сил и деятельности человека.
Природные силы (тепло, влага, ветер, радиация и т.д.) и вызываемые
ими геологические явления (вулканические извержения, землетря-
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу 85
*-* ¦ ¦—-—
сения, наводнения и т.д.) существенно изменяют характер
литосферы в отдельных регионах.
Одним из важнейших свойств почвы является ее плодородие,
т.е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание
растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств
почвы.
Почва является трехфазной средой, содержащей твердые,
жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате
сложных взаимодействий климата, растений, животных,
микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые
и неживые компоненты. В результате перемещения и превращения
веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или
горизонты. Соотношение и протяженность горизонтов по глубине
зависит от типа почвы, но самый верхний горизонт, содержащий
продукты перегнивания органических веществ, является самым
плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным, имеет зернисто-
комковатую или слоистую структуру. Гумус представляет собой
растительные и животные остатки, разложившиеся под действием
микроорганизмов, разрушающие крахмал, целлюлозу, белковые
соединения. Его мощность 10...15 см.
Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного
опада, который называют подстилкой. Он состоит из еще не
разложившихся растительных остатков. Ниже гумусового горизонта
расположен малоплодородный белесый слой толщиной 10... 12 см.
Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами,
поэтому его называют горизонтом вымывания, или выщелачивания.
Далее залегает материнская порода.
Свыше 50% минерального состава почвы образовано кремнозе-
мом (Si02), до 25% приходится на глинозем (А1203), до 10% на
оксид железа (Fe203) и от 0,1 до 5% на оксиды магния, калия
фосфора, кальция (MgO; K20; Р205; СаО). Органические остатки в
почве минерализуются с образованием простых (воды, СОо, аммиака
и др.) или более сложных соединений, например гумуса [6, 7].
' Важнейшими химическими свойствами почвы, превращающими
ее в уникальный реактор, являются концентрация солей в почвенном
растворе, кислотность, оказывающая решающее влияние на
активность микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также
обменная или поглотительная способность почвы, связанная с суммой
обменных оснований почвенных коллоидов.
Содержание воды в почве зависит от ряда факторов, в том числе
от температуры и количества осадков. Чем выше концентрация
солей в почвенном растворе, тем менее они доступны растениям.
86 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Питательные вещества из почвы поступают в растение через
корневые окончания в ионной форме: катионы оснований, например,
обмениваются на катионы водорода, источником которых могут быть
органические кислоты. Корни растений извлекают из почвы
соединения азота (нитраты), серы, фосфора, а также зольные элементы,
в частности соли калия, кальция и в меньшей степени кремнезем и
полуторные оксиды. Таким образом, растительность создает
непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к
ее поверхности, т.е. обеспечивает их биологическую миграцию.
В процессах почвообразования большую роль играют
населяющие почву живые организмы (микробы, беспозвоночные), бактерии,
грибы.
Человек практически не воздействует на литосферу, хотя
верхние горизонты земной коры сильно изменяются в результате
эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Наибольшей
трансформации подвергается самый верхний, поверхностный
горизонт в пределах суши, которая занимает 29,2% поверхности земного
шара и включает земли различной категории, из которых
важнейшее значение имеет плодородная почва. Под влиянием деятельности
людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в
100... 1000 раз быстрее, чем в естественных условиях. В результате
такой эрозии за последнее столетие утрачено 2 • 109 га плодородных
земельных угодий, что составляет 27% земель
сельскохозяйственного использования.
В почве протекают различные физические, химические и
биологические процессы, которые в результате попадания в нее
загрязняющих веществ нарушаются Загрязнение почв связано с
загрязнением атмосферы и гидросферы. В почву попадают твердые и
жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы.
Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и
их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.
Главными источниками загрязнения почвы являются
следующие.
• Жилые дома и бытовые предприятия. В числе
загрязняющих веществ преобладает бытовой мусор, пищевые отходы,
фекалии, отходы отопительных систем, больниц, столовых, гостиниц,
магазинов и др.
* Промышленные предприятия. В газообразных, жидких и
твердых промышленных отходах присутствуют те или иные
вещества, которые существенно изменяют химический состав почв,
загрязняя их.
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 87
• Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при
сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в
атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы и других
веществ, которые попадают в почву.
• Сельское хозяйство. Удобрения и ядохимикаты,
применяемые для защиты растений от вредителей, болезней и для борьбы с
сорняками. На полях ежегодно рассеивается свыше 500- 106 т
минеральных удобрений и около 4 • 106 т ядохимикатов, а типовой
свиноводческий комплекс на 108 тыс. голов дает около 106 м3 навозных
стоков, т.е. по эффекту загрязнения равен городу с численностью
населения 150 тыс. человек.
• Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания
интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие
вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые
растениями. В выхлопных газах автомобилей более 40 химических
веществ, большинство из которых токсичны. Следы свинца находят
на расстояниях до 100 м от полотна дороги, а в почве придорожных
полос повышенное содержание никеля, цинка и других металлов.
Самоочищение почв — процесс медленный. Почвы могут
самоочиститься в тех случаях, когда в этом процессе активно участвуют
находящиеся в почве бактерии, грибы, простейшие организмы и т.д.
При накоплении токсичных веществ химический состав почв
изменяется, и происходит нарушение единства геохимической среды и
живых организмов. Из почвы токсичные вещества могут попасть в
организмы животных и людей, в результате чего возникают
нежелательные последствия. О масштабах химического преобразования
поверхности литосферы можно судить по следующим данным: за
столетие (1870-1970 jt.) на земную поверхность осело свыше
20 • 109 т шлаков; 3 • 109 т золы; выбросы цинка и сурьмы составили
по 600 • 103 т; мышьяка — 1,5 ¦ 106 т; кобальта — свыше 0,9 • 106 т;
никеля — более 1 • 106 т. В год из Земли извлекается до 10 т горных
пород, однако использование ископаемых материалов
малоэффективно. Каждый год при переработке и добыче минерального
сырья образуется около 8,5 ¦ 109 т твердых отходов [1].
4.2. Нормирование загрязняющих веществ в почве
Нормирование загрязняющих веществ в почве имеет три
направления:
• нормируется содержание ядохимикатов в пахотном слое почвы
сельскохозяйственных угодий;
88 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• нормируется накопление токсичных веществ на территорий
предприятия;
• нормируется загрязненность почвы в жилых районах,
преимущественно в местах хранения бытовых отходов [6, 7].
В пахотном слое ядохимикаты нормируются по двум
показателям:
• предельно допустимым концентрациям (ПДКП);
• временно допустимым концентрациям (ВДКП).
Для установления ПДКП используют данные о фоновых
концентрациях исследуемых веществ, их физико-химических свойствах,
параметрах стойкости, токсичности. При этом экспериментально
устанавливают:
• допустимую концентрацию вещества в почве, при которой
его содержание в пищевых и кормовых растениях не превысит
некоторых допустимых остаточных количеств (ДОК), иначе
называемых ПДК в продуктах питания;
• допустимую (для летучих веществ) концентрацию, при
которой поступление вещества в воздух не превысит
установленных ПДК для атмосферного воздуха (ПДКав);
• допустимую концентрацию, при которой поступление
вещества в не грунтовые воды не превысит ПДК для водных
объектов;
• допустимую концентрацию, не влияющую на
микроорганизмы и процессы самоочищения почвы.
Наиболее жесткие из названных показателей принимаются в
качестве ПДКП, причем сравнение идет по одноименным показателям
вредности. Установлены ПДКП в основном для ядохимикатов,
применяемых для защиты растений от вредителей, болезней, сорняков
(табл. 4.1).
Таблица 4 I
Пестицид
Прометрин (арборицид)
Хлорамп (арборицид)
Хлорофос (инсектицид)
ДЦТ (инсектицид)
Сивин (инсектицид)
пдк„,
мг/кг
0,5
0,05
0,5
0,1
0,05
Пестицид
Гексахлоран (инсектицид)
Гамма-изомер гексахлорана
Полихлорпинен (инсектицид)
Полихлоркамфен (инсектицид)
пдкп,
мг/кг
1,0
1,0
0,5
0,5
Временно допустимые концентрации (ВДКП) в отличие от ПДКП
определяются расчетным путем для всех пестицидов, которые раз-
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу 89
решены к этим испытаниям или, в силу своих химических
особенностей не требуют обязательного определения ПДК.
Санитарное состояние почвы оценивается по ряду
гигиенических показателей, в том числе по так называемому санитарному
числу, т.е. отношению содержания белкового азота к общему
органическому; учитывается также наличие кишечной палочки (коли-
титр), личинок мух, яиц гельминтов. По комплексу этих показателей
почва оценивается как чистая или загрязненная. Кроме того,
существует ряд дополнительных показателей санитарного состояния
почв (табл. 4.2), определяемых на территории как производственных
предприятий, так и населенных пунктов [8, 9].
Таблица 4 2
Показатель санитарного состояния почвы
Санитарное число
Азот аммонийный, мг/кг
Азот нитратный, мг/кг
Хлориды, мг/кг
Пестициды, .мг/кг
Тяжелые металлы, мг/кг
Нефть и нефтепродукты, мг/кг
Фенолы летучие, мг/кг
Сернистые соединения, мг/кг
Канцерогенные вещества, мг/кг
Удобрения (остаточные количества), мг/кг
рн
Радиоактивные вещества, Ки/кг
Термофильные бактерии, титр
Бактерии группы кишечной палочки, коли-титр
Патогенные микроорганизмы
Бактерии клостридиум перфигена, титр
Яйца и личинки гельминтов жизнеспособные,
экз/кг почвы
Личинки и куколки синантропных мух, экз/кг почвы
Характеризуемые
свойства почвы
Санитарно-химические
То же
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
'—
'—
'—
'—
'—
Санитарно-бактериоло-
гические
То же
—"—¦
—"—
Са ни та рно-ге л ьм и нто-
логические
Санитарно-энтомологи-
ческие
90 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
4.3. Радиоактивное загрязнение почв и загрязнение
тяжелыми металлами
Ряд территорий РФ в силу различных причин подвержен
радиоактивному загрязнению. В результате аварии на Чернобыльской
АЭС в 1986 г. 20 областей Европейской территории России были
загрязнены цезием-137. Данные о площадях территорий РФ,
загрязненных цезием-137, и связанные с этим возможные накопленные
дозы радиоактивного облучения представлены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Область,
республика
Белгородская
Брянская
Воронежская
Калужская
Курская
Ленинградская
Липецкая
Нижегородская
Орловская
Пензенская
Рязанская
Саратовская
Смоленская
Тамбовская
Тульская
Ульяновская
Мордовия
Татарстан
Чувашия
1 Всего
Площадь,
км2
27100
34900
52400
29900
29800
85900
21100
74800
24700
43200
39600
100200
49800
34300
700
37300
36200
6800
18000
Площадь загрязнения цезием-137, км2,
при его активности, Ки
1 .5
1620
6750
1320
3500
1220
850
J 690
250
8840
4430
5320
150
100
510
10320
1100
1900
ПО
80
49760
5..19
2628
1419
132
1271
5450
15.40
2130
2130
> 40
310
310
В 1993 г. на территории Томской области в результате аварии
на Сибирском химическом комбинате произошло радиоактивное
загрязнение территории, примыкающей к комбинату. В результате
проведения подземных ядерных взрывов образовались районы с
локальными зонами радиоактивного загрязнения, к которым
относятся' республика Саха, Оренбургская область, Ивановская область,
Архангельская область, Пермская область.
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 91
Росгидрометом ежегодно проводится выборочный контроль
загрязнения земель 5-километровой зоны вокруг основных
промышленных центров черной и цветной металлургии, химических и
нефтехимических предприятий, центров машиностроения, энергетики и
других зон повышенного техногенного воздействия на окружающую
среду.
Некоторые виды микроорганизмов способны питаться ядами.
Кроме того, под действием загрязнителей формируются устойчивые
к токсикантам формы микробов. В их клетках вырабатываются
ферменты, способные осуществлять распад токсичных соединений.
Приспособляемость микроорганизмов к токсичным веществам
обусловлена разными причинами. Одни из них непостоянны, и с их
устранением исчезает и адаптационный эффект микроба, другие
вызывают генетические изменения микробных клеток и тем самым
стабильно закрепляют их новые свойства.
Разлагать токсичные вещества способны микроорганизмы
различных групп. Особенно активны бактерии рода Псевдомонас —
они одинаково легко используют моноциклические ароматические
углеводороды (бензол, толуол, ксилол), альдегиды (формальдегид,
ацетальдегид), спирты (метанол, глицерин) и другие, более сложные
соединения.
В процессе воздействия на загрязненную почву тяжелых
металлов микроорганизмы могут накапливать их в своих клетках. Гриб
нейроспора способен поглотить до 40% накопленного в почве
кобальта. С каждым годом расширяется поиск микробов, «работающих
на человека>>. Идет окультуривание диких и создание новых, более
полезных форм микроорганизмов. Ранее считали, что внесенный в
почву посторонний микроб быстро в ней гибнет и не выполняет
своих функций. Однако в настоящее время появились
доказательства того, что многие микроорганизмы, искусственно внесенные в
почву, находят в ней свое место и долго сохраняют
жизнедеятельность и активность. В процессе разложения токсичных соединений
чаще всего участвуют несколько видов микроорганизмов, причем,
одни начинают, а другие завершают процесс разложения, расщепляя
уже частично измененные продукты. Скооперированное действие
микроорганизмов может быть основано не только на таких
сравнительно простых связях. Между отдельными представителями
единого микробного комплекса может происходить обмен генетическим
материалом посредством специфических структур — плазмид.
Плазмиды не являются неотъемлемой частью клетки. Они могут
Лыть утрачены ею или приобретены извне. При этом утрачивается
свойственный данному микроорганизму признак или приобретается
92 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
новый. Планируется создание ряда новых штаммов, способных
разрушать стойкие химические соединения. С их помощью можно
обезвреживать специальные угодья с повышенным содержанием
ксенобиотиков. Познание взаимоотношений микроорганизмов с
запрограммированными свойствами позволит решить многие важные
проблемы, возникающие на нашей планете.
4.4. Деградация почв
Скорость образования верхнего слоя почвы составляет примерно
2,5 см за 100... 1000 лет Этот показатель широко варьируется в
зависимости от климата, растительности, типа почвы и характера
землепользования.
Эрозия почвы измеряется в тоннах потерянной почвы на 1 га.
Чтобы понять, что означает скорость потери почвы, необходимо
обратиться к фактам. В современном сельском хозяйстве глубина
вспашки обычно составляет 15 см. Масса этого слоя на 1 га равна
примерно 2245 т. Если скорость эрозии примерно 33 т на 1 га за
год, то ежегодно утрачивается около 0,25 см почвы, а весь пахотный
слой будет утрачен за 60 70 лет. Подсчитано, что продуктивность
почвы может сохраняться в течение долгого времени при ежегодных
потерях, не превышающих 2,2... 11 т с 1 га в год. В составе
земельного фонда учитываются семь категорий по назначению земель и
семь основных видов их использования (угодий).
Категории земель:
I — земли сельскохозяйственных предприятий и граждан;
II — земли лесного фонда (лесохозяйственные),
Ш — земли в ведении городских, поселковых и сельских органов
власти;
IV — земли природоохранного назначения;
V — земли промышленности, транспорта и иного
несельскохозяйственного назначения;
VI — земли водного фонда;
VII — земли запаса.
Данные о категориях почв приведены в табл. 4.4.
Масштабы деградационных процессов зависят от интенсивности
действия естественных (климатические, гидрологические, морфоди-
намические, фито- и зоогенные) и антропогенных факторов, таких
как: нерациональное ведение бочарного и орошаемого земледелия;
чрезмерный выпас; уничтожение почвенно-растительного покрова
промышленным, коммунальным и ирригационным строительством;
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 93
Таблица 4 4
Категория
земель
I
II _
III
IV
V
VI
VII
Всего
Площадь земельных угодий РФ, млн гектаров, (1995 г)
Сельскохозяйственные
Всего
186,6
3,8
24,4
0,4
1,2
00
5,4
221,8
Пашня
122,9
0,2
5,9
0,2
1,5
130,7
Леса
и
кустарники
134,4
620,5
5,0
13,0
3,8
0,1
7,9
784,7
Болота
15,8
77,1
1,6
1,6
0,4
0,7
11,0
108,2
Под
водой
19,6
12,9
0,9
1,4
0,8
18,2
18,0
71,8
Оленьи
пастбища
253,3
60,1
00
1,7
0,1
12,8
328,0
Под
стройками,
дорогами
3,6
1,7
5,0
0,1
3,0
0,0
0,0
13,4
Прочие,
в том
числе
нарушенные
54,4
62,5
1,7
9,1
8,3
0,4
45,5
181,9
Итого
667,7
838,6
38,6
27,3
17,6
19,4
100,6
1709,8
горные разработки; технологические и аварийные промышленные
выбросы в атмосферу; сброс сточных и дренажных вод. Эти
процессы имеют свою региональную специфику:
• деградация оленьих пастбищ на севере,
• дегумификация, истощение и эрозия почв в центральной части
России;
• опустынивание на юге.
В 1994 г. вынос питательных веществ из почвы урожаем и
сорняками в три раза превышал поступление их с минеральными и
органическими удобрениями. Применение минеральных удобрений
стало убыточным. В то же время возрастает площадь
сельскохозяйственных угодий с низким и очень низким содержанием фосфора,
калия и с повышенной кислотностью. Сокращены объемы по
мелиорации земель. При сельскохозяйственном использовании
наибольший ущерб причиняется невыполнением противоэрозионных
агротехнических мероприятий при обработке склонов, распашкой эро-
зионно-опасных зон, перевыпасом скота. Нарушенные земли в
1995 г. составляли 1282,6- 103 га. Общее количество организаций,
ведущих работы, связанные с нарушением почвенного покрова,
приближается к 20 тыс. Снимаемый с нарушенных территорий
плодородный слой почвы используется неполностью, а объемы его
складирования увеличиваются. В настоящее время заскладировано
815,8 • 106 м3 плодородного слоя. Проводимая в России земельная
реформа в наибольшей степени отражается на землях, находящихся
в ведении администраций городов и других населенных пунктов.
94 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
4.5. Рекультивация земель
С развитием земледелия зарождались идеи по рациональному
использованию обрабатываемых площадей, их приспособлению к
требованиям проводимых работ. С давних пор люди создавали новые
искусственные ландшафты на бесплодных землях и безжизненных
горных породах, рекультивировали нарушенные земли, свалки,
отвалы пустых пород и т.д. [10]. Еще в 1912 г. в России на территории
нынешней Владимирской области на участках заброшенных
торфоразработок были поставлены опыты-по их окультуриванию и
выращиванию сельскохозяйственных растений. В настоящее время
успешная работа по рекультивации буроугольных и каменноугольных
разработок проводится в Германии, Чехии, Словакии, Польше,
Англии, США. Большой опыт рекультивационных работ накоплен в
России.
Рекультивация представляет собой комплекс работ,
направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а
также на улучшение условий окружающей среды. Согласно
действующим стандартам, выделяются два этапа рекультивации земель:
технический и биологический. Они охватывают различные
мероприятия горно-технического, сельскохозяйственного,
водохозяйственного, санитарно-гигиенического и эстетического характера.
Такое разнообразие работ потребовало введения классификации по
ряду признаков [11].
По типу выполняемых работ они подразделяются на ланд-
шафтно-восстановительные и экоохранные.
По виду и составу технологических процессов землевосстанови-
тельные работы классифицируются:
• на горно-планировочные — разравнивание и планировка
поверхности отвалов, террасирование откосов, отвалов и уступов в
карьерах;
• инженерную подготовку восстанавливаемых площадей —
отвод вод и защита от подтопления, размывов; борьба с
образованием оврагов и эрозией; устройство дорог и подъездов;
• горные — по снятию, хранению и повторному использованию
почв;
• биомелиоративные — по восстановлению прежнего
плодородия перемещенной почвы;
• инженерные — по искусственному уплотнению отвалов
(послойная укладка с уплотнением пород, специальные методы
укрепления пород);
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу
• гидротехнические — по строительству водохозяйственных
объектов (устройство ложа водоема, производство береговых
укрепительных работ, устройство водозаборных и сбросных
сооружений).
Биологическая рекультивация — это этап рекультивации
земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия,
нарушенного в результате загрязнения почв отходами
промышленного производства и сельскохозяйственной освоенности.
Под качеством рекультивации следует понимать совокупность
свойств восстановленных земель, обусловливающих их пригодность
удовлетворить определенным требованиям в соответствии с
целевым назначением. Качество рекультивируемых земель слагается из
качества показателей его составных элементов. Если
рекультивированные земли отвечают всем требованиям нормативно-технической
документации, то они считаются годными для эксплуатации и могут
быть переданы для освоения землепользователям. Современный
уровень развития технологии, техники и организации землевосста-
новительных работ позволяет обеспечить высокие показатели
качества рекультивации земель.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев Ю.А., Фокин С.А. Мониторинг и методы контроля окружаю*
щей среды. М : МНЭПУ, 1998.
2. Экология. Учеб. пособие / Под ред. С.А. Боголюбова. М.: Знание, 1997,
3. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб.: Химия, 1995.
4. Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. М.: Мир, 1996.
5. Маэур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. М.,
Высш. шк., 1996.
6. ГОСТ 17.4 2.03-86. Охрана природы Почвы. Паспорт почвы
7. ГОСТ 17.4.1 02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических
веществ для контроля загрязнения
8. ГОСТ 17.4.3 02-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к
методам определения загрязняющих веществ.
9. СанПиН № 42-128-4433-87 Санитарные нормы допустимых концентра
ций химических веществ в почвы. М.: МЗ СССР, 1988.
10. ГОСТ 17.5.3 04-83. Охрана природы. Земли Общие требования к ре
Культивации земель.
11. ГОСТ 17.5 1.01-83. Охрана природы. Рекультивация земель. Термины
1| определения.
96 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Гл а в а 5
ШУМ (ЗВУК) И ВИБРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
5.1. Основные понятия
Понятие «звук», как правило, ассоциируется со слуховыми
ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые
ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые
представляют механические колебания, распространяющиеся в
газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы
слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как
звук только в определенной области частот (16 Гц...20 кГц) и при
звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.
Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона
слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и
ультразвуковыми, не имеют отношения к слуховым ощущениям человека
и воспринимаются как физические воздействия среды. Своеобразие
их действия на организм человека в данном пособии не
рассматривается.
Звуковые колебания частиц упругой среды (рис. 5.1,а) имеют
сложный характер и могут быть представлены в виде функции
времени а = a(t). Простейший процесс описывается синусоидой [1J:
a(t) = amax sin Ш,
где атах — амплитуда колебаний; со = 2 л/ — угловая частота; / —
частота колебаний.
Гармонические колебания (рис. 5.1,6) с амплитудой атах и
частотой / называются тоном. Сложные колебания характеризуются
эффективным значением на временном периоде Т.
7
am=[(\/T)\a4t)dt\^\
о
Для синусоидального процесса справедливо соотношение
йэФф= °-mJ4~2 = 0,71 amax.
В зависимости от формы кривой, описывающей процесс,
отношение эффективного значения к максимальному составляет от 0 до 1.
Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся
во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на
воде. При этом следует различать скорость распространения меха-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 97
ait)
л..- СН—
•. JW in
Рис 5.1 Виды колебания частиц упругой среды
нических колебаний v (в нашем случае видимые поперечные
колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с
(продольные акустические колебания).
С физической точки зрения распространение колебаний
состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой.
Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из
них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует
определенной затраты времени, в результате чего движение молекул
в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к
движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом,
колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость
распространения звуковой волны — это физическое свойство среды.
В зависимости от способа возбуждения колебаний различают
несколько видов волн:
• плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью
(рис. 5.2,а);
• цилиндрическую, создаваемую радиально-колеблющейся
боковой поверхностью цилиндра;
• сферическую, создаваемую точечным источником колебаний
типа пульсирующего шара (рис. 5.2,6).
Основными параметрами, характеризующими звуковую волну,
являются, длина звуковой волны А., м; скорость распространения
волны с, м/с; частота колебаний /, Гц; звуковое давление р, Па;
интенсивность звука /, Вт/м2.
Длина волны А. равна длине пути, проходимого звуковой волной
за один период Т:
X = сТ,
где 7=1//.
\—г~^
\ атах
Т
t
4-4910
98 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис. 5 2 Виды звуковой волны
о - плоская, б — сферическая
В табл. 5.1 приведены скорости распространения звуковой
волны в различных средах.
Таблица 5.1
Газ
Водород
Гелий
Кислород
Азот
Углекислый газ
Воздух
Водяной пар 130°С
Скорость
звука с,
м/с
1310
1005
326
337
268
344
450
Жидкость
Ацетон
Этиловый
спирт
Метиловый
спирт
Бензин
Глицерин
Вода
дистиллированная
Скорость
звука с.
м/с
1190
1150
1120
1190
1959
1495
Твердый
материал
Алюминий
Сталь
Никель
Медь
Дерево
Пробка
Резина
Скорость
звука с,
м/с
5200
5100
4800
3700
2000-нЗООО
500
70
Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и
разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в
областях разрежения понижается. Разность между давлением рср, суще-
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
99
Тишина
Звук
Атмосферное
давление
Рис. 5.3 Звуковое давление
ствующим в среде в данный момент, и атмосферным давлением ратм,
называется звуковым давлением р (рис. 5.3):
Р = РсР - Ратм- (5-1)
Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим
сопротивлением га (табл. 5.2), которое определяется отношением
звукового давления р к колебательной скорости частиц среды и:
za = р/и = рс. (5.2)
Звуковая волна является носителем энергии в направлении
своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за
1 с через пространство с площадью сечения 1 м2, перпендикулярное
направлению движения, называется интенсивностью звука I,
Вт/м*:
/ - Р2/га. (5.3)
Таблица 5 2
Вещество
Водород
Воздух
Кислород
Резина
Пробка
Спирт
Вода
Ель
Дуб
Алюминий
Медь
Л °С
0
20
0
20
20
12,5
13
20
20
20
20
Акустическое
сопротивление га,
кг/(м2 • с)
114
414
455
600
12- 10"
100- 104
144- 104
240¦ 1Q4
290- 104
1400- 104
3100- 104
Плотность вещества р,
кг/м3
0,09
1,20
1,43
950
250
810
1000
510
720
2700
8900
V
100 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Для сферической волны от источника звука с мощностью W
интенсивность звука на поверхности сферы радиусом г
/ = №/(4лг2). (5.4)
Из (5 4) следует, что интенсивность сферической волны убывает
с увеличением расстояния от точечного источника звука. В случае
плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.
5.2. Распространение шума (звука)
Поверхность тела, совершающая колебания, является
излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое
поле.
Акустическим полем называют область упругой среды, которая
является средством передачи акустических волн [2]. Акустическое
поле характеризуется звуковым давлением р (5.1) и акустическим
сопротивлением га (5.2). Энергетическими характеристиками
акустического поля являются: интенсивность I (5.3); мощность W —
количество энергии, проходящей за единицу времени через
охватывающую источник звука поверхность. Важную роль при расчете
акустического поля играет направленность звукового
распространения, т.е. угловое пространственное распределение
образующегося вокруг него звукового давления. Единицы перечисленных
величин и аналитические выражения их взаимосвязи приведены в
табл. 5.3. В формулах таблицы: р = 1,21 кг/м3 — плотность
воздуха; с = 344 м/с — скорость звука в воздухе; S, м2 — площадь
охватывающей источник поверхности.
Таблица 5 3
Величина
Звуковое давление
Акустическое сопротивление
Колебательная скорость частицы среды
Интенсивность
Звуковая мощность
Обозначение
Р
га
и
1
W
Единица
Па
(Па с)/м
м/с
Вт/м2
Вт
Формула
взаимосвязи
р = реи
га = рс
и = р/(рс)
1 = ри
№= IS
Если акустическое поле не ограничено поверхностью и
практически бесконечно, то такое поле называют свободным
акустическим полем. В ограниченном пространстве (например, в закрытом
помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
101
Отраженная
волна
Поглощенная
волна
Рис 5 4. Иллюстрация взаимодействия звуковой волны с преградой
И акустических свойств поверхностей, расположенных на пути
распространения волн. Если звуковая волна встречает преграду,
имеющую иную, чем акустическая среда, волновое сопротивление, то
часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в
нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся
часть проникает сквозь преграду (рис. 5.4). Свойства преграды и
материала, покрывающего эту преграду, определяются следующими
показателями:
Коэффициент звукопоглощения:
*-* — 'поп' 'пад
где /погл —• поглощенная материалом или преградой звуковая
энергия, /пад — падающая на преграду звуковая энергия.
Коэффициент отражения:
Р ~ 'отр/ пад '
где /отр — отраженная от преграды звуковая энергия.
Коэффициент звукоизоляции.
i — пад' 'отр'
Коэффициент прохождения (используются также термины
«коэффициент проницаемости» и «коэффициент проникновения»):
т = / //
1 'пр ' 'пад
Из определения коэффициента прохождения следует, что чем
меньше значение х, тем больше ослабление звука преградой, т.е.
лучше ее звукоизолирующие свойства.
102 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Коэффициент рассеяния от поверхности преграды:
° ~ ^пад 'погл *пр'' ^пад'
Значения коэффициентов а, (3, 5, х зависят от частоты звуковой
волны. Используя приведенные выше формулы, можно записать
следующие соотношения:
а=1-р; 3 + 5 + х=1.
Звукоизоляция R оценивается в децибелах
R= 10 1g(l/x).
Процесс формирования звукового поля в помещении связан с
явлениями реверберации и диффузии. Если в помещении начинает
действовать источник звука, то в первый момент времени имеем
только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей
преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн.
Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы
по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не
наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения
необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или
равны длине звуковой волны.
Звуковое поле, в котором возникает большое количество
отраженных волн с различными направлениями, в результате чего
удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю,
называется диффузным полем (рис. 5.5). После прекращения источником
излучения звука акустическая интенсивность звукового поля
уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время.
Источник звука
Рис 5.5. Иллюстрация образования диффузности звукового поля
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
103
Практически считается, что звук полностью затухает, когда его
интенсивность падает в 106 раз от уровня, существующего в момент
его выключения, что соответствует снижению акустического
давления на 60 дБ. Таким образом, любое звуковое поле как элемент
колеблющейся среды обладает собственной характеристикой
затухания звука — реверберацией («послезвучание»). Расчет времени
реверберации Тр проводят, используя эмпирические формулы Сэбина
7-р = 0,161 V/ A = 0,162/(aSorp),
где V, м3, — объем помещения, для которого проводится расчет;
А — полное акустическое поглощение помещения.
Формула Сэбина дает удовлетворительные результаты для
случаев, когда коэффициент поглощения звуковой энергии a < 0,03.
Поэтому для помещений, имеющих a > 0,3, необходимо применять
формулу Эврина:
Гр = 0,161 V/[S ln(l -a)].
Для анализа шумности помещений (приложение 5.1) по их
функциональной пригодности пользуются кривыми (рис. 5.6),
утвержденными международной комиссией. Если уровень интенсивности шума
в помещении находится в границах,
определяемых кривыми L/ = 20 и L; =
- 30, то такое помещение считается
очень малошумным или очень тихим.
К таким помещениям относятся
театральные и конференц-залы,
аудитории, учебные классы и т.п.
Помещения считаются малошумными или
тихими, если уровень шума в них
находится в пределах L/ = 30 и L] = 40.
К ним относятся рабочие кабинеты,
залы кинотеатров и т.п. В таких
помещениях нормальная человеческая
речь слышится на расстоянии 16 м.
Многие производственные
помещения относятся к разряду шумных (при
L/ = 50 и L/ = 55). Здесь нормальную
речь можно разобрать на расстоянии
1...2 м. Помещения, имеющие L/ = 60,
считаются очень шумными.
Разговорная речь в них слышна на расстоянии
менее 0,7 м.
Lp-ДБ
120
100
80
60
40
20
дБ
1
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
/ / /0,51 24 8 f, Гц
0,062 /0,25
0,125
Очень тихое помещение
Тихое помещение
Шумное помещение
ч\ч I
^ ~--~-^ ^т4~
4v"^-~^ "~^"t"~
^-s^«»."""fcb-
iv\^CrT-7-
щ
"~~^i>2
'>ь
Рис 5.6. Стандарт уровней
звукового давления
104 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Шумовые характеристики оборудования оговариваются в
технической документации, справочниках или могут быть получены
расчетным путем. В табл. 5.4 и 5.5 приведены значения уровней
звуковой мощности оборудования металлообрабатывающих и кузнеч-
но-прессовых цехов, компрессоров и газотурбинных установок. Для
оборудования, не отраженного в этих таблицах, уровни звуковой
мощности следует принимать по данным натурных измерений или
использовать приводимые в табл. 5.4 и 5.5 шумовые характеристики
для аналогичного оборудования.
Человек ощущает звук в широком диапазоне звуковых давлена
р (интенсивностей /). Стандартным порогом слышимости (или пи
рогом слышимости) называют эффективное значение звукового дав
ления (интенсивности), создаваемого гармоническим колебанием с
частотой / = 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней
чувствительностью слуха 17]. Порогу слышимости соответствует звуковое
давление р0 = 2 ¦ 10-5Па, или интенсивность звука /0 = 10_12Вт/м2.
Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых человеком,
ограничивается болевым ощущением; ему соответствуют рт = 20 Па и
1т = 1 Вт/м2.
Значение слухового ощущения Л и значение звукового давления
р при превышении стандартного порога слышимости определяются
законом психофизики Фехнера:
Л = q lg(p/po),
где q — некоторая постоянная, зависящая от условий проведения
эксперимента
Для оценки и сравнения звукового давления р, Па,
интенсивности /, Вт/м2, и звуковой мощности W, Вт, различных источников,
учитывающих психофизическое восприятие звука человеком,
приняты их уровни L (с соответствующим индексом), выраженные в
децибелах (дБ):
Lp = 10 lg (р/р0Г-, (5.5)
L, = 10 lg (///0), (5.5a)
Lv,= \0lg(W/Wo). (5.56)
Здесь W0 =10~12 Вт — опорная звуковая мощность на частоте
1000 Гц. Предположим, что источник излучает на определенной
частоте звуковую мощность 10~6 Вт. Тогда уровень звуковой мощности
Lft/ составит 60 дБ
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 105
Таблица 54
Оборудование
Ур
с
63
звень звуковой мощности L^, дБ, при
редней геометрической частоте, Гц
125
250
ТОКАРНЫЕ СТАНКИ
1А62
1К36
1551
Токарно-карусельный 1541Б
Токарно-винторезный 1К62
Автоматно-револьверный 1А112
Токарно-револьверный с
программным управлением
Универсальный горизонтально-
фрезерный 6Н12
Вертикально-фрезерный 6М12
Продольно-фрезерный ЭФС
Фрезерный с программным
управлением
84
96
94
92
91
90
93
8!
85
98
85
РАЗНЫЕ
Шлифовальный ЗА-277
Плоскошлифовальный ТЗД71
Координатно-расточный ПР87
Радиально-сверлильный с
программным управлением РСП1
Сверлильный автомат А28
88
80
80
90
80
СВАРОЧНОЕ 01
Аппарат ПХ 464 А
Многоэжекторная машина
МРМ02
Сварочная машина ПС1000
Газовая резка
95
96
94
94
КУЗНЕЧНО-ЛРЕССОВ
Молот 5т
Пресс К222 16т
Эривошипный 25т
эксентриковый пресс
Штамповочный автомат АТ60
Холодновысадочный автомат АТЭ2
Гильотинные ножницы
109
106
91
90
98
96
103
87
94
96
96
90
92
92
84
86
98
86
CTAh
91
79
85
97
86
ЮРУ/
97
97
94
95
ОЕ О
115
103
95
91
102
95
104
90
95
96
98
95
96
90
92
92
95
88
КИ
94
84
93
95
88
10ВА
97
95
94
97
БОРУ
114
102
96
98
102
99
104
500
92
98
98
100
95
97
90
93
97
99
91
98
87
98
90
94
НИЕ
100
98
97
92
ДОВ/
116
101
96
102
105
105
106
1000 2000 4000 8000
91
93
97
104
96
92
86
92
94
96
90
99
86
84
85
100
105
105
90
96
\НИЕ
117
102
95
105
101
104
106
87
90
93
95
97
87
82
91
83
94
86
97
80
80
88
90
101
106
91
87
116
102
95
104
99
108
105
82
90
91
93
98
83
78
77
92
86
78
91
74
78
82
89
109
108
91
102
108
98
98
106
92
100
100
80
86
80
82
91
74
76
75
96
84
70
86
71
77
87
89
ПО
109
90
103
107
89
100
92
92
96
99
106 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5 5
Тип компрессоров и ГТУ
Уровень звуковой мощности Ly,,
средней геометрической
63
125
250
500
1000
дБ, при
частоте, Гц
2000
4000
8000
ВСАСЫВАЮЩИЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ВП 10/8, 2ВП 10 /8
200 в 10/8.ВП 20/8 160, В 20/8
205ВП 30/8
ВП 50/8
5Г-1О0/8
2СА-25
2СГ-5С
120
119
121
122
124
111
ПО
117
118
127
124
112
106
108
104
109
117
115
101
96
102
102
102
108
ПО
98
95
97
97
94
100
99
99
87
86
90
87
94
98
96
80
85
86
83
90
94
91
76
78
84
83
89
92
85
76
75
ВСАСЫВАЮЩИЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОКОМПРЕССОРОВ
2РК 1,5/200
2Р-3/220
ЗР-7/220
5Г-14/220
ЗГ-100/220
5ОТ-130/220
2РВ 3/350
2РВ 3,4/400
К 250 61
О К 500-92
К 345 91
105
105
105
100
119
119
НО
116
84
102
102
103
103
103
95
ПО
ПО
111
119
79
100
100
97
97
97
84
107
107
96
109
83
95
95
86
86
86
81
100
100
91
92
82
96
96
80
80
80
75
92
92
86
87
94
104
104
ВЫХЛОПНЫЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕСС
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ВП 10/8, 2ВП 10/8
200В-10/8, ВП-20/8, 160-20/8
205ВП-30/8
ВП-50/8
5Г-10О/8
2СА-25
2СГ50
112
104
106
106
107
103
124
112
111
108
108
105
97
117
92
104
117
117
104
96
114
95
102
118
118
114
93
107
109
ПО
115
115
123
96
116
75
75
75
72
85
85
82
86
99
111
111
ОРОВ
110
107
109
109
126
102
124
71
71
71
67
77
77
77
83
98
107
107
69
69
69
55
69
69
75
79
89
98
98
105
105
106
106
128
ПО
129
106
103
107
107
127
112
124
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 107
Продолжение табя 5 5
Тип компрессоров и ГТУ
Уровень
средн
63
125
звуковой мощности /.ц", дБ, при
зй геометрической частоте, Гц
250
500
1000
2000
4000
8000
ВЫХЛОПНЫЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОКОМПРЕССОРОВ
2РК 15-200
2Р 3/220
ЗР 7/220
5Г-14/220
ЗГ-100/220
50TJ 30/200
2РВ-3/350
2РВ 3 4 -400
К 250 61
ОК 500-92
К 345-91
160В-20/8
ВП-50/8
5Г-100/8 2
2 РВ-3/360
РВ -3/360 3 Г-100/220
ОК-500-92 к
250-61
КТК-7
К-355
ГТ 50-800 (агрегаты покрыты
теплоизоляцией)
ГТ 25 700 (агрегаты покрыты
теплоизоляцией)
ГТ700-12М (без теплоизоля
ции)
ГТ 100-750 (без
звукоизолирующего кожуха)
ПО
108
103
108
111
106
108
108
119
122
127
86
93
99
84
93
108
89
96
93
118
112
113
117
106
112
115
112
113
НО
112
112
117
132
130
97
102
98
91
95
116
98
95
97
119
108
112
120
113
117
118
117
122
121
109
109
120
128
129
95
99
96
90
93
112
102
102
104
109
101
109
НО
122
122
121
123
132
127
109
109
124
126
132
93
98
97
90
93
112
101
103
103
108
103
ПО
111
131
128
125
128
143
134
115
115
124
128
140
90
96
98
91
96
115
101
101
102
113
105
112
112
130
128
126
128
141
135
118
118
130
133
141
90
92
90
86
85
121
104
101
101
120
113
117
118
132
127
120
127
138
136
121
121
133
128
140
80
86
85
80
77
120
99
102
102
120
ПО
120
118
132
126
117
126
136
136
124
124
130
122
138
80
86
76
80
74
105
92
99
97
116
107
115
117
108 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Безразмерные величины Lp, Lh Lw достаточно просто
измеряются приборами, поэтому их полезно использовать для определения
абсолютных значений р, /, W по обратным к (5.1) зависимостям:
Р2 = pi • 100Д Ч (5.6)
/ = /0 ¦ Юол Ч (5.6а)
W = W0- 10a'V (5.66)
Пусть источник звука окружен некоторой замкнутой
поверхностью S так, что направление распространения волн в любой точке
поверхности перпендикулярно к этой поверхности. Тогда полная
звуковая мощность, излучаемая источником:
W = f l(S) dS = f ?^± dS,
J J pc
s s r
где /(S), p(S) — законы распределения интенсивности звука и
звукового давления по поверхности S.
Если вся площадь поверхности разделена на п равных частей dS
с давлением на каждой площадке р,, а число п существенно велико,
то уравнение для W приобретает другой вид:
п п
W = ? р,2 = n(dS) (1/п) ^ Р?/?с = Sp%/pc, (5.7)
где р2 = (1/п) V р,2 — среднее среднее квадратическое значение
i = 1
звукового давления по всей площади поверхности.
Подставив значение W из (5.7) в (5.56), получим значение
уровня звуковой мощности, выраженное через параметры среды и
звуковое давление:
Lw= 10 [g(W/W0) = 10 IgS + 10 lg lp?p/(W0 pc)]. (5.8)
Используя (5 5) для определения p,2 = p02 10 Pl, выразим
значение pc2p через уровни звукового давления 0,1 Lp на i-й элементарной
площадке:
п
рс2 =р0Ч1Л)? \QLp: (5.9)
Глава 5 Шум (звуи) и вибрации в окружающей среде 109
Подставив (5.9) в (5.8), получим
L\v -
п
= 10 lgS + 10 lg [p02 (W0 pc)\ + 10 lg |(1/n) ? \0Lp'. (5.10)
j = l
Второй член уравнения (5.10) при р0 = 2 • 10_5Па, WQ= 10~12 Вт,
рс = 415 кг/(м2 • с) равен 0,2, и его значением можно пренебречь
по сравнению с реальными значениями других членов. Таким
образом, имеем
п
Lw= 10IgS+10 1g[(l//i)? \0Lp,] =
i= i
п
= 10 1gS+10 1g[(l/n)?(p/Po)2] =
i = l
= 10 lgS + 10 [lg (Pcp/Po)2l = 10 lgS + Lpcp, (5.11)
где Lpcp — средний уровень звукового давления или уровень
среднего квадратического значения звукового давления:
а
Lpcp= 10 1g[(l/n)?104
i = i
Уравнение (5.11) описывает приближенное соотношение между
уровнем звуковой мощности и средним уровнем звукового давления,
что позволяет определить уровень звуковой мощности, измеряя
уровень звукового давления на воображаемой поверхности,
окружающей источник Уравнение (5.11) справедливо при определении
звукового давления в свободном звуковом поле, в остальных случаях
его можно использовать, принимая соответствующие поправки.
Предположим, что имеются два чистых тона с частотами /j и /2
в звуковом поле, средние квадратические значения звукового
давления которых равны р] и р2 соответственно. Суммарное среднеквад-
ратическое значение звукового давления р в этом случае получим
суммированием двух синусоидальных волн:
Р1 = Р\ + р\
или
(р/Ро)2 = (Р\/РоУ2 + (Р2/РоУ2- (5.12)
110 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Подставив (5 12) в (5 5), получим
Lp = 10 lg (p/po)2 = Ю lg [(рУро)2 + (P2/W21
или с учетом (5 5)
Lp = 10 1g(1001ip, + 10ой-") (5 13)
Например, если два чистых тона имеют одно и то же среднее
квадратическое значение звукового давления (pi=p2), а значит, один
и тот же уровень звукового давления {Lp = Lp ), то создаваемый
ими суммарный уровень звукового давления в соответствии с (5 13)
Lp= 10 lg (2 l00iLp,) = 10 lg 10°iLp, +10 1g2 = L + 3,
т е будет на З дБ больше, чем уровень звукового давления одного
отдельно взятого тона В общем виде для п чистых тонов с разными
частотами будем иметь
Lp{n) = 10 lgOO01^, + 10° ilp, + + 10° 1Z-")
Отметим, что суммарный уровень звукового давления от
нескольких звуковых волн различных частот не зависит от
соотношения фаз звукового давления в этих волнах Однако сочетание двух
звуковых волн одной и той же частоты зависит от соотношения фаз
Такие колебания называются когерентными
Рассмотрим случай двух звуковых волн одной и той же частоты
в звуковом поле Средние квадратические значения звукового
давления в расчетной точке поля двух сигналов одной частоты с раз
ностью фаз 0 определяются из уравнения суммирования векторов
Р2 = (р2 + Р\ + 2plp2cosB),
где pj и р2 — средние квадратические значения звуковых давлений
двух звуковых волн, 0 — фазовый угол между двумя звуковыми
волнами в данной точке
Если /?[*= р2 и две звуковые волны в какой-либо точке находятся
в противофазе, т е 0 = 180°, тогда результирующее звуковое
давление в этой точке равно нулю Если две звуковые волны находятся
«в фазе» друг с другом, те 0 = 0, то р2 = 4р2, и тогда уровень
звуковою давления
Lp= 10 lg (4 р,/р0)2 = 10 lg {рх/РоУ + 10 lg (4) = LPi + 6,
т е увеличивается на 6 дБ
Восприятие звука человеческим ухом представляет собой
сложный процесс Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 111
] Уровни болевого ощущения
J Уровни слышимого давления
Уровни неслышимого давления
50 200 103 104
20 100 500
Рис 5 7 Кривые равной громкости
разными частотами Чувствительность уха увеличивается при
частотах от 16 до 1000 Гц Наибольшей чувствительностью
человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 4000 Гц, где она
практически постоянна После частоты 4000 Гц чувствительность
уха снова уменьшается Анализ кривых равной громкости (рис 5 7),
построенных на основе экспериментальных исследований Флетчера
и Мунсона, показывает, что для того, чтобы услышать низкий тон
с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз
превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой
1000 Гц
Человек воспринимает звуковое давление и оценивает уровень
громкости звука фоном Фон - это уровень громкости звука, для
которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука
частотой 1000 Гц равен 1 дБ
Для анализа акустических характеристик различных объектов
пользуются единицей измерения — децибелом (дБ) Увеличение
интенсивности звука в 10 раз соответствует одному белу (Б) 1Б =
= 10 дБ На рис 5 8 приведены акустические характеристики для
разных источников
Международная электротехническая комиссия (МЭК)
утвердила в качестве стандартной частотную характеристику А (рис 5 9),
приближающуюся к частотной характеристике чувствительности
человеческого уха Используя частотную характеристику Л, можно
получить поправочные значения для приведения в соответствие
уровней звукового давления уровням громкости звука по шкале А
Ч» М"
112 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Звуковое
давление,
Па
106 -
10s -
104
103
102 -
10 -
10"'
10г
10 э-
КГ-
ю-5-
р„=2-10^
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
100
90
80
70
60
40
30
20
Интенсивность
звука, Вт/м2
1010
10"
J О6
J О4
102
-1
ю-2
JO"4
J06
10'°
10 ,2
Выстрел из орудия
Нормальное атм. давление
(1013 мбар = 760 мм рт.ст.)
Порог болевой слышимости
(1000 Гц)
Гром
Очень громкая музыка
Сильное уличное движение
на расстоянии 5 м
Нормальная разговорная
речь на расстоянии 1 м
Уличный шум
Тихая музыка
Шепот на расстоянии 1,5 м
Порог слышимости (1000 Гц)
Рис 5 8 Абсолютные значения и уровни звукового давления,
а также интенсивности звука для различных источников
--
_.
-—,
—
*г
-?¦
Ге
-7
**-¦
D
/
;>-
—
-
А
И-
—
.
f--
f)
I
t^
ч
\
-
k-
V
V
20
0
-20
-40
-60
' Л I 1 U I S I
10° 10' 10' 10s 10' 10s '.Гц
Рис 5 9 Стандартные частотные характеристики А, В, С, D
В табл. 5.6 приведены численные значения поправок AL для
частотных характеристик А, В, С
Необходимость введения поправок обусловлена тем, что
человеческое ухо воспринимает уровень звукового давления на разных
частотах по-разному.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 113
Таблица 56
Частота, Гц
номинальная
10
12,5
1'б
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
точная
10
12,59
15,85
19,95
25,12
31,62
39,81
50,12
63,10
79,43
100
125,9
158,5
199,5
251,2
316,2
398,1
Значение AL
А
-70,4
-63,4
-56,7
-50,5
-44,7
-39,4
-34,6
-30,2
-26,2
-22,5
-19,1
-16,1
-13,4
-10,9
-8,6
-6 6
-4,8
В
-38,2
-33,2
-28,5
-24,2
-20,4
-17,1
-14,2
-11,6
-9,3
-7,4
-5.6
-4.2
-3,0
-2,0
-1.3
-0,8
-0,5
, дБ
С
-14,3
-11,2
-8,5
-6,2
-4,4
-3,0
-2,0
-1,3
0,8
0,5
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
Частота, Гц
номинальная
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
точная
501,2
631
794,3
1000
1259
1585
1995
2512
3162
3981
5012
6310
7943
10000
12590
15850
19950
Значение Д/
А
-3,2
-1,9
-0,8
0,0
0,6
1,0
1,2
1,3
1,2
1,0
1,2
-0,1
-1,1
-2,5
-4,3
-6,6
-9,3
В
-0,3
-0,1
0.0
0,0
0,0
0,0
-0,1
-0,2
-0,4
-0,7
-1,2
-1,9
-2,9
-4,3
-6,1
-8,4
-11,1
, дБ
С
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,5
-0,8
-1,3
-2,0
-3,0
-4,4
-6,2
-8,5
-11,2
Показания шумомера L А, полученные с использованием
характеристики А, называются акустическим уровнем звука с единицей
дБ(А) (или дБА):
LpA(m)= 10 1g(p4/Po)2 =
т
= Ю !g [(р.д/ро)2 + (Р2д/Ро)2 + - + (Ртд/Р0) 21 = Ю ig X Ю^,
<- 1
Кривые В и С на рис. 5.9 используются для анализа громких
звуков.
На примере анализа частотных полос шириной 1% рассмотрим
использование уровня звукового давления в узких полосах частот
для получения значений уровня звука. В табл. 5.7 приведены уровни
звукового давления всех доминирующих компонентов в полосах
частот шириной 1% для отдельного случая шумового загрязнения
окружающей среды. Уровень звука для этого случая с учетом поправок
(см. табл. 5.7)
LpA= 10 1g(10769 + 107'52+ 10?.72+ 10s0 +
+ 107'9+ Ю9'13) = 92,2 дБ.
114 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5 7
Частота,
Гц
100
400
800
1000
1600
2500
Уровень звукового
давления в полосе при
относительной ширине
полосы 1 %, Д1р, дБ
96
80
78
80
78
90
Поправка по
характеристике
A ALA, дБ
-19,1
-4,8
-0,8
0
1,0
1,3
Уровень звукового
давления с учетом
поправок по
характеристике ALpA, дБ
76,9
75,2
77,2
80,0
79,0
91,3
Приведенный пример показывает, что вклад максимального
компонента с частотой 100 Гц в уровень звука мал, поскольку на этой
частоте характеристика А дает затухание 19,1 дБ. Если измерения
шума проводятся в октавных и третьоктавных полосах частот,
уровни звукового давления пересчитываются в уровень звука
аналогичным методом.
Приборы для измерения шума строятся на основе полосовых
фильтров и показывают уровень звукового давления в полосе частот.
Частотная характеристика K(f) = иБЫХ/«БХ фильтра представляет
собой зависимость коэффициента передачи сигнала «вх со входа
фильтра на его выход «вых от частоты сигнала /. Относительная
частотная характеристика k(f) =
= K(f) /А"(/с) — это отношение
частотной характеристики к значению
этой же характеристики, взятому на
фиксированной частоте /с. В качестве
значения Ж/с) выбирается либо
максимальное значение характеристики
K(f), и тогда k{f) < 1, либо значение
K(f) в наиболее характерной плоской
области полосы пропускания. В
последнем случае k(f) = 1.
Относительные характеристики позволяют
сравнивать фильтры с различными
усилительными свойствами по их
частотным характеристикам.
Относительная частотная
характеристика типового октавного
полосового фильтра показана на рис. 5.10.
ад
о
-з
-10
-20 -
-30
-40
—
в
—
I
\
и
Рис 5 10 Частотная
характеристика октавного фильтра
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 115
Полосовой фильтр характеризуется полосой пропускания В, т.е.
областью частот между двумя частотами /j и /2, на которых частотная
характеристика k(f) имеет значение (затухание) 3 дБ:
s = /2-/i-
Запишем соотношение между частотами /[ и /2, которые
называются частотами среза фильтра, в виде
/2 = 2 т /„
где т — постоянная фильтра.
Для большинства фильтров, применяемых в шумоизмерительной
аппаратуре, т = 1 или т = 1/3. Если от = 1, фильтр называется
октавным, а когда т - 1/3 — третьоктавным. Центральная
частота /0 фильтра определяется из равенства /0 = (/] /2)'/2.
Центральная частота /0 и полоса частот В для каждого октавного и
третьеоктавного фильтров, принятых в международных стандартах,
представлены в табл. 5.8.
В дополнение к октавным и третьоктавным фильтрам некоторые
анализаторы шума, используемые для идентификации
доминирующих частотных компонентов шума, оборудованы узкополосными
фильтрами. Ширина полосы пропускания фильтров выражается
либо в процентах установленной средней частоты, либо как
абсолютное значение в герцах. Соответственно их называют фильтрами
с относительно постоянной полосой и фильтрами с постоянной
полосой. Октавные и третьоктавные фильтры являются фильтрами с
относительно постоянными полосами 71 и 23% соответственно.
При средних квадратических значениях звуковых давлений р{,
р2, •••. рп в узких полосах для всех значимых частотных компонентов
инутри третьоктавной полосы пропускания уровень звукового
давления Lp в этой полосе определяется выражением (5.13),
распространенным на п звуковых компонентов:
Lp= 101g[(Pl/p0)2 + (р2/р0)2+...+ (Рп/РоП (5.14)
В свою очередь третьоктавные полосы являются узкополосными
по сравнению с октавными. Поэтому уровни звукового давления в
фетьоктавных полосах, находящихся в пределах октавной полосы,
преобразуются в уровни звукового давления согласно (5.14).
Например, если уровни звукового давления в третьоктавных полосах час-
ют с центральными частотами 50, 63, 80 Гц составляют 27,9; 24,8
II 23,3 дБ соответственно, то в октавной полосе с центральной час-
ютой 63 Гц уровень звукового давления
Lp = 10 lg (102'79 + 102-48 + 102-33) = 30,5 дБ. (5.15)
116 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5.8
Частоты октавного фильтра, Гц
Центральная
/о
16
31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
Нижняя
среза /i
11
22
44
88
177
355
107
1420
2840
5680
11360
Верхняя
среза /г
22
44
88
177
355
710
1420
2840
5680
11360
22720
Частоты третьоктавного фильтра, Гц
Центральная
/о
16
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000 ~1
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
Нижняя
среза /i
14,1
17,8
22,4
28,2
35,5
44,7
56,2
70,8
89,1
112
141
178
224
282
355
447
562
708
891
1122
1413
1778
2239
2818
3548
4467
5623
7079
8913
11220
14130
17780
Верхняя
среза \ч
17,8
22,4
28,2
35,5
44,7
56,2
70,8
89,1
112
141
178
224
282
355
447
562
708
891
1122
1413
1778
2239
2818
3548
4467
5623
7079
8913
1220
14130
14780
22390
Таким образом, полосовые фильтры позволяют
проанализировать уровень звукового давления.
Иногда в технических требованиях или технических условиях
допустимое значение уровня шума устройства указывается в виде
корректированного уровня, который является суммарным уровнем
звуковой мощности с коррекцией по А всех отдельных уровней на
рассматриваемых частотах. Корректированный уровень звуковой
мощности выражается в виде
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 117
Lir„=10 1g?10°'1L-',
где сумма берется по m важным компонентам шума; индекс А
означает коррекцию по А.
Используя данные табл. 5.9, продемонстрируем получение
скорректированного уровня звуковой мощности во всей полосе звуковых
частот, исходя из уровней мощности в октавных полосах частот: ¦
Lu^=101g(10°.43+ Ю0%+ 10!.52+ 102'38+ 102-3 +
+ КЗ306 + 10264 + 102-28) = 33,5 дБ.
Таблица 5.9
ральная
частота ок-
тавной
полосы, Гц
63
125
250
500
Уровень
звуковой
мощности
в октав-
ной
полосе Lv, дБ
30,5
25,7
23,8
27,9
Поправка по
теристике
Л, дБ
-26,2
-16,1
-8,6
-3,2
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе LrA,
дБ
4,3
9.6
15,2
23,8
Центральная
частота
октавнои
полосы,
Гц
1000
2000
4000
8000
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе 1ц</, дБ
23,0
29,4
25,4
23,9
Поправка по
теристике
Л, дБ
0
+ 1,2
+ 1,0
-1,1
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе LWa. дБ
23,0
30,5
26,4
22,8
5.3. Действие шума на человека и окружающую среду
Среди основных чувств человека слух и зрение играют
важнейшую роль — они позволяют человеку владеть звуковыми и
зрительными информационными полями.
Насыщение окружающего пространства шумами повышенной
интенсивности может привести к искажению звуковой информации
и нарушению слуховой активности человека.
В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы
доведения звуковых колебаний воздушной среды до чувствительных
окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно
меньшей степени исследованы процессы преобразования физических
колебаний в звуковые образы или ощущения в нервной системе. Из-
нестно, что в ней акустический сигнал преобразуется в
электрический, и в результате сложного взаимодействия в сфере нервной
деятельности создается звуковой образ, адекватный реальному.
Орган слуха, преобразующий колебания воздушной среды в
(Лектрические сигналы нервной системы человека, функционально
118 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 5 11 Строение органа слуха (а), основная мембрана (б)
состоит из трех частей: наружнего, среднего и внутреннего уха
(рис. 5.11). Ушная раковина / наружнего уха направляет
принимаемые акустические колебания в слуховой проходе, заканчивающийся
барабанной перепонкой 3. Ушная раковина благодаря своей форме
согласовывает процесс перехода звуковой волны из свободного
пространства в ухо. В слуховом проходе, как в звуковом резонаторе,
настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит примерно
трехкратное усиление звукового давления, воздействующего далее
на барабанную перепонку 3. Она образует границу с областью
среднего уха и здесь соединена с костно-мышечным рычажным
механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки
наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха —
мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7.
Рычажная система «молоточек-наковаленка» выполняет роль
трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая
звуковое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи
энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с
внешней средой через носоглотку 8, в область внутреннего уха 7,
заполненную несжимающейся жидкостью — лимфой.
Процесс получения звуковой информации из окружающей среды,
ее преобразования по цепи «энергия акустической волны —>
механическая энергия —> энергия нервных импульсов» завершается во
внутреннем ухе. Структура внутреннего уха представляет собой
сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к
которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде трех
колец 9. На рис. 5.11 для пояснения основных механизмов звукопе-
редачи все это показано схематически, и улитка дана в развернутом
виде. Мембрана круглого окна // выполняет вспомогательную
функцию согласования внутреннего уха со средним. Весь
рассматриваемый слуховой лабиринт ограничен костной перегородкой 10.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 119
По всей длине улитки внутреннего уха располагается основная
мембрана 12 — анализатор акустического сигнала. Она
представляет собой узкую ленту из гибких связок (рис. 5.11,6),
расширяющуюся к вершине улитки. Вдоль основной мембраны проходят слои
окончания нервных волокон, так называемого органа Корти,
объединенных далее в жгут, по которому электрические нервные импульсы
поступают в нервную систему и далее к слуховым областям мозга.
Каждое нервное волокно представляет собой «волосковые» клетки,
которые составляют массив из примерно 25 тыс. штук, имеющих до
100 «волосковых» окончаний (ресничных эпителиальных клеток).
Акустические колебания вызывают деполяризацию мембран этих
клеток, в результате чего возникают электрические импульсы,
которые распространяются по нервным волокнам. Особенность
биологических клеток состоит в том, что деполяризация их мембран
возможна лишь с определенного уровня воздействия, что в случае
акустического сигнала определяет порог слышимости.
Действие внутреннего уха принято трактовать так. При
колебаниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха
возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной
мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основной
мембраны аналогична системе резонаторов с резонансными частотами,
локализованными по длине. Участки мембраны, расположенные у ее
основания, реагируют на высокочастотные составляющие звуковых
колебаний, средние участки — на среднечастотные, а участки,
расположенные вблизи вершины, — на низкие частоты.
Высокочастотные компоненты в лимфе быстро затухают и на удаленные от начала
участки мембраны не воздействуют.
Расположенные послойно в основной мембране «волосковые»
клетки с сенсорными окончаниями в виде ресничных эпителиальных
клеток вырабатывают электрические информационные сигналы в
соответствии с коэффициентом передачи того участка, в котором они
расположены. Обработка информации и преобразование ее в звуко-
пые образы либо в простейшем случае — в воспринимаемые уровни
<вука происходит в слуховой ассоциативной зоне головного мозга.
.Чдесь приходящие по нервным волокнам электрические сигналы
i равниваются в блоках нейронной памяти с хранящимися
«эталонами» звуковой информации, приобретенными человеком в процессе
жолюции и его повседневной деятельности. Благодаря этому новые
поступающие сигналы «узнаются».
Таким образом, ассоциативный слуховой участок мозга
совместно с другими его частями участвует в процессах запоминания,
распознавания, научения и мышления. Эта область называется психо-
120 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
физическим восприятием. Психофизическое восприятие звука
начинает действовать, когда в сенсорных звуковых клетках аппарата
Корти возникнут электрические импульсы за счет деполяризации их
мембран. Для человеческого слуха на частоте 1000 Гц это
происходит при минимальном уровне звукового давления 2 ¦ Ю-5 Па, или
интенсивности звука (потока звуковой мощности) 10~12Вт/м2. Эти
значения были приняты в качестве стандартных порогов
слышимости и используются для определения относительных единиц
звуковых характеристик в виде уровней звука (шума).
Способность человеческого уха анализировать звуки в широком
диапазоне частот и интенсивностей можно проиллюстрировать тем,
что самый громкий из слышимых звуков в 1012 раз интенсивнее
самого слабого звука, регистрируемого человеческим ухом. Это один
из совершеннейших измерительных приборов по динамическому
диапазону измеряемых величин. Природа позаботилась о системах
самозащиты слуха от повреждения. Одной из таких систем является
сообщение пространства среднего уха с внешней средой через канал
носоглотки 8 (рис. 5.11,6), что позволяет компенсировать
интенсивные внешние воздействия акустических волн их подачей в
противоположном направлении к барабанной перепонке через канал
носоглотки. В ограничении больших интенсивностей участвуют мышцы
среднего уха, ограничивающие перемещения молоточка и накова-
ленки и тем самым снижающие интенсивность звука, поступающего
во внутреннее ухо.
При возникновении внешних звуковых раздражителей,
превышающих 135... 140 дБ, элементы внутреннего уха вместо
нормальных колебательных движений вперед-назад начинают перемещаться
из стороны в сторону, снижая перепад между давлением в улитке и
проникающим из окружающей среды звуковым давлением. Любая
система защиты имеет свои ограничения, поэтому избыточные
шумы, действующие даже кратковременно, вызывают повреждения
внутреннего уха, которые проявляются в лучшем случае временным
смещением порога слышимости. Восстановительный период может
длиться от нескольких минут до нескольких дней в зависимости от
степени повреждения.
Диагноз «потеря слуха, вызванная шумом» констатирует
постоянную потерю слуха при длительном воздействии избыточный
шумов. В таких случаях происходит отмирание ресничных
эпителиальных клеток.
Шум производственного происхождения меняется по
интенсивности и частоте в зависимости от типа и количества машин и ме^
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 121
ханизмов, задействованных в технологическом процессе. Оценку
шумового загрязнения среды и его действия на человека
целесообразно проводить, используя понятие экЁивалентного уровня энергии
шума ?,кв:
t
ш
?SKB = (1/*„,)! ?ш(')Л, (5.16)
о
где ttu — время действия шума; Elu{t) — изменение энергии шума
во времени.
Эквивалентная энергия должна быть меньше максимально до-/
пустимой энергии, при которой появляются отрицательные
последствия. Предполагается, что повреждение, вызванное воздействием
переменного шума ?ш(0, равно повреждению, вызванному
постоянным шумом такой же энергии ?Э|(В. Таким образом, если время
воздействия снижается в 2...3 раза, то максимально допустимый
уровень звуковой энергии можно увеличить во столько же раз.
Акустические колебания, выходящие за пределы диапазона
нормального звуковосприятия человека (20...20 000 Гц), могут
также приводить к повреждению слуха. Так, ультразвуки (свыше
20 000 Гц), достаточно широко распространенные в
промышленности, являются причиной повреждения слуха, хотя человеческое ухо
на них не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные
клетки головного мозга и спинной мозг, вызывает жжение в
наружном слуховом проходе и ощущение тошноты.
Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия
акустических колебаний (менее 20 Гц). При достаточной интенсивности
инфразвуки могут воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая
слуховую восприимчивость и повышая усталость и
раздражительность, и приводят к нарушению координации. Особую роль играют
инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их
совпадения с собственной частотой альфа-ритма головного мозга не только
наблюдаются перечисленные выше нарушения слуха, но и могут
возникать внутренние кровотечения. Инфразвуки (6...8 Гц) могут
принести к нарушению сердечной деятельности и кровообращения.
Совокупность шумов повышенной интенсивности в широком
диапазоне частот (от инфра до ультра включительно) могут вызывать
изменения электрической проводимости кожи, активности головного
мозга и сердца, скорости дыхания и двигательной активности. В
отдельных случаях шумы могут стать причиной изменения размеров
желез эндокринной системы, сужения кровеносных сосудов, по-
122 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вышения давления, расширения зрачков, снижения половой
активности, потери аппетита, бессонницы, расстройства психики и т.д.
Для профилактической работы, направленной на обеспечение
безопасных условий труда по шумовому фактору, проводится аудио-
метрический контроль состояния органов слуха. Анализ результатов
контроля направлен на выявление ухудшения слуховой функции как
среднеарифметического значения снижения порогов слуховой
чувствительности в речевом диапазоне частот (500... 2000 Гц) и на
частоте 4000 Гц.
Для оценки потери слуха, вызванной воздействием шума,
Международная организация по стандартизации (ISO 1999) утвердила
стандарт «Оценка профессионального шумового воздействия в целях
охраны слуха». В этом документе приводится ожидаемое относительное
число рабочих с поражением слуха, препятствующим нормальному
разговору, в виде функции от значения экспозиции шума, для оценки
которой использованы уровень звука и длительность воздействия
(рис. 5.12). Потеря слуха означает возрастание порога слухового
восприятия в среднем на 25 дБ и более на трех главных частотах речевого
диапазона: 500, 1000 и 2000 Гц, вызванное действием шума.
Около 22% рабочих, возможно, потеряют слух, если они будут
в течение 40 лет подвержены воздействию шума с уровнем 90 дБ
(при продолжительности рабочей недели 40 ч). Кривые на рис. 5.12
непригодны для оценки воздействия импульсных шумов или шумов
высокого уровня и короткой длительности.
Если в течение дня экспозиция шума разбита на два и более
периода, характеризуемых
различными уровнями звука, то полное
воздействие может быть получено
суммированием отношений ?] 2 „
(длительность экспозиции с определенным
уровнем звука) к Т{ 2 „ (допустимая
длительность воздействия при данном
уровне звука). Для обеспечения
комфортных условий должно
выполняться условие
tl/Tl + t2/T2+...+ tn/Tn<l.
Человек, подвергающийся
действию интенсивного шума, затрачивает
в среднем на 10...20% физических и
нервно-психических усилий больше,
чем работающий в комфортных шуму
Число рабочих,
100
80
60
40
20
ДВА
115
105
95
90
85
10 20 30
Длительность
воздействия, годы
40
Рис. 5.12. Оценка воздействия
экспозиции шума на человека
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 123
условиях. У работающих в шумных производствах отмечается
увеличение на 10...15% заболеваний общего характера.
Эффект получения звуковой информации двумя ушами
одновременно называется бинауральным и способствует стереоакустичес-
кому восприятию звуков. Это позволяет человеку выявлять
направление звуковых волн с разрешающей способностью в
горизонтальной плоскости 3...4", а в вертикальной — около 20°. Бинауральность
обусловлена пространственным расположением ушей и
экранирующим влиянием головы. Разница возбуждения характеризуется
показателями:
• временным (несовпадение моментов воздействия на левое и
правое ухо одинаковых по фазе звуковых волн);
• амплитудным (разными значениями звуковых давлений на уши
из-за наличия акустической тени).
Бинауральный эффект способствует локализации источников
звука благодаря двум факторам: временной разности и интенсив-
ностной разности приходящих в уши сигналов. На низших частотах
слухового диапазона (ниже 500 Гц) направление на источник
определяется в основном по временному запаздыванию бинаурального
эффекта. В то же время источники сигналов с частотой ниже 150 Гц
практически не локализуются слухом. Направление на источники
звука с частотой выше 500 Гц определяется как временным, так и
интенсивностными бинауральными эффектами. Эффект
локализации источника звука проявляется в условиях открытого
пространства. При наличии отраженных волн пространственная картина
восприятия искажается.
Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью.
Ощущение возникновения звука, а также его прекращения
возникает не сразу. Время, в течение которого ощущение уровня
громкости уменьшается на 8...10 фон, называется постоянной времени
слуха, и ее значение в среднем составляет 150...200 мс. Время
адаптации слуха при оценке высоты тона зависит от частоты. На низких
частотах оно составляет 30 мс, на высоких — несколько больше.
При возбуждении слуха короткими звуковыми импульсами (менее
50 мс) и через такие же промежутки времени происходит их
интегрирование при восприятии и временная маскировка,
проявляющаяся в подавлении последующего импульса предыдущим. Происходит
также накопление в памяти коррелированных по структуре
звучаний [7]. В процессе восприятия человеком двух различных звуковых
сигналов одновременно, один сигнал слышится хорошо, а второй как
бы «тонет» в нем. Такой эффект называют маскирующим.
124 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Эффект маскировки объясняется сдвигом порога слышимости
под действием более сильного звука и зависит от разности частот
этих звуков. Низкочастотные шумы обладают большей
маскирующей способностью, чем высокочастотные. Так, пароходный гудок
низкого тона заглушает более высокие тона. Высокочастотные шумы
средней интенсивности слабо маскируют человеческую речь, но
создают дискомфорт у слушателей. Важнейшим свойством слуха
является способность объединять определенные области частот в так
называемые частотные группы. Смысл этого понятия состоит в том,
что степень маскировки полезного узкополосного сигнала шумом
растет с расширением спектра шума вокруг этого сигнала до
определенной полосы этого шума, после чего не происходит
усиливающего действия эффекта маскировки шумом. В полосе 20 Гц ... 16 кГц
имеется 24 частотных группы. Количественной мерой маскировки
является число децибелов, на которое возрастает порог слышимости
маскируемого сигнала в присутствии другого сигнала по сравнению
с порогом слышимости в тишине.
5.4. Методы оценки и измерения шумового загрязнения
Использование логарифмических величин при анализе
акустических полей не позволяет складывать и вычитать уровни звуковой
мощности и звукового давления как обычные числа. Поэтому для
оценки суммарного воздействия двух и более источников звука на
окружающую среду пользуются специальной методикой.
Рассмотрим случай, когда необходимо сложить уровни двух
источников звука по 100 дБ каждый (источник А и источник Б). Если
за уровень отсчета принять W0 = 10~12 Вт, то, согласно табл. 5.10,
звуковая мощность каждого источника будет равна 0,01 Вт.
Следовательно, суммарная звуковая мощность
Wh= 0,01 + 0,01 - 0,02 Вт,
а уровень звуковой мощности
Ц,- = 10 lg (2 + IglO10) = 10 (0,3 + 10) = 103 дБ.
Таблица 5 10
W, Вт
LK, дБ
W. Вт
1ц, дБ
Г, Вт
L\r, дБ
108
200
10<
130
ю-6
60
107
190
10°
120
Ю-?
50
106
180
ю-'
ПО
Ю-8
40
\0*>
170
10--'
100
Ю-9
30
101
160
ю--*
90
Ю-'»
20
10'5
150
ю-4
80
ю-"
10
102
140
10~5
70
ю-'-'
0
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 125
Таким образом, уровень 103дБ соответствует звуковой
мощности 0,02 Вт.
Таблица 5.11
Сложение
Различие уровней
0 .1
2. .3
4 9
10
Поправочное
значение, дБ
3
2
1
0
Вычитание
Различие уровней
>10
6.9
4 .9
2
Поправочное
значение, дБ
0
1
2
5
На практике при сложении или вычитании децибелов
целесообразно пользоваться поправочными значениями (табл. 5.11).
Например, имеется два источника, уровни звуковой мощности
которых соответственно равны: LWI = 62 дБ и Lr2 = 67дБ. В этом
случае:
• при сложении LWs = L№2 +ALW = 67 + 1 = 68 дБ,
• при вычитании LWs = Lm - ALr = 67 - 2 = 65 дБ.
При определении общего уровня звуковой мощности,
создаваемого п одинаковыми источниками, удобно пользоваться уравнением
Lvi = Lm + 10lg«.
где LWI _ уровень одного из равных источников звука.
Например, если в помещении установлено четыре
электродвигателя, шум каждого из которых составляет 60 дБ, то суммарный уро-
нень шума в помещении
Lws = Lw\ + 10 lg n = 60 + 10 lg4 = 66 дБ.
Аналогично производится расчет акустического дискомфорта от
чюбого количества источников шума.
Шумовое действие на окружающую среду характеризуется
диапазоном частот и амплитуд акустических колебаний. Особый
интерес представляют колебания в области звуковых частот
(20...20 000 Гц) с уровнями звукового давления менее 100 дБ.
Все методы измерения шумов делятся на стандартные и нестан-
партные [5,6, 8, 9]. Стандартные измерения регламентируются
соответствующими стандартами и обеспечиваются
стандартизованными средствами измерения. Величины, подлежащие измерению,
1акже стандартизованы. Нестандартные методы применяются при
научных исследованиях и при решении специальных задач.
126 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Измерительные стенды, установки, приборы и звукоизмеритель-
ные камеры подлежат метрологической аттестации в
соответствующих службах с выдачей аттестационных документов, в которых
указываются основные метрологические параметры, предельные
значения измеряемых величин и погрешности измерений.
Стандартными характеристиками источника шума являются:
• уровень звукового давления Lp дБ, в октавной или третьоктав-
ной полосе частот в контрольных точках;
• уровень звука LA, дБА, измеряемый шумомером с частотной
характеристикой типа А в контрольных точках;
• уровень звуковой мощности Lw, дБ, в октавных или третьок-
тавных полосах частот;
• корректированный уровень звуковой мощности LVA, дБА;
• максимальный показатель направленности излучения шума
Gmax, дБ, в октавных или третьоктавных полосах частот;
• максимальный показатель направленности излучения шума
°тах.ДБА-
Для непостоянных шумов используются эквивалентные уровни
?рэквили ?Аэкв. Единицей импульсного шума является дБ/, где / —
характеристика шумоизмерительного прибора — шумомера в
режиме «импульс».
Шумомеры состоят из датчика (микрофона), усилителя,
частотных фильтров (анализатора частоты), регистрирующего прибора
(самописец, магнитофон). Шумомеры снабжены блоком частотной
коррекции (переключателями на А, В, С, D) и временных
характеристик: F (fast - быстро), S (slow - медленно), / (pik - импульс).
Шкалы F, S, I применяют при измерениях постоянного (F),
колеблющегося, прерывистого (S) и импульсного (/) шумов. Частотную
характеристику D целесообразно использовать при измерении
шумов самолетов.
Шумомеры делятся на четыре класса: 0, 1, 2 и 3. Шумомеры
класса 0 используются как образцовые средства измерения; класса
1 — для лабораторных и натурных измерений, класса 2 — для
технических измерений; класса 3 — для ориентировочных измерений.
Каждому классу приборов соответствует диапазон измерений по
частотам. Так, шумомеры классов 0 и 1 рассчитаны на диапазон
частот от 20 Гц до 12,5 кГц, класса 2 — от 20 Гц до 8 кГц, класса 3 —
от 31,5 Гц до 8 кГц. В случае необходимости измерения
эквивалентного уровня шума при усреднении за продолжительный период
времени следует использовать интегрирующие шумомеры.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 127
-?J
Л2
Ж
Ы-{^>
с
F.S
Рис. 5 13 Структурная схема шумомера /— микрофон, 2 — предусилитель, 3 —
аттенюатор, 4 — усилитель, 5 — цепи фильтров частотных характеристик, 6 —
внешние фильтры, 7 — детектор и возведение в квадрат, 8 — блок усреднения'
режим F (постоянная времени 125 мс), режим S — постоянная времени 1с; 9 —
индикатор параметров, выраженных в децибелах
Как правило, в шумомерах предусмотрена возможность
подключения фильтров для октавного или третьоктавного анализа.
Характеристики, которым должны соответствовать шумомеры,
оговариваются ГОСТ 17187-81, Международным' стандартом IEC R/179
(1973) и стандартом 651 Международной электротехнической
комиссии. Наибольшее распространение в России получили
шумомеры ИШВ-1, Ш-71, ШП-1, шумомеры датской фирмы «Брюль и Къер»
2226, 2230, 2232, 2603, 2604 и др.
На рис. 5.13 представлена структурная схема аналогового
шумомера. Шумомер состоит из датчика-микрофона, предусилителя,
нходных аттенюатора (переключателя пределов) и усилителя, цепей
фильтров частотных характеристик, выходных аттенюатора
(переключателя пределов) и усилителя и детектора-индикатора.
Упрощенная схема цепей фильтров А, В, С приведена на рис. 5.14. Эти
цепи должны обеспечивать относительные частотные характерис-
1ИКИ.
r^H=>rlZZh4|4ZZl
т
Вход
Выход
Рис. 5.14 Схема цепи частотной коррекции характеристик А, В, С
128 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Детектор-индикатор шумомера имеет две различные
характеристики F (быстро) и S (медленно), В соответствии с рекомендациями
МЭК характеристики детектора-индикатора должны быть такими,
чтобы при внезапном выключении сигнала показания уменьшались на
10 дБ за 0,5 с при характеристике F и за 3,0 с при характеристике S.
Характеристика S сглаживает показания шумомера и делает его
пригодным для измерений стационарного шума машин и
производственного шума. Характеристика F успевает отслеживать
изменения шума небольшой продолжительности. Этот режим применяется
для измерения нестационарного шума машин. Импульсные шумоме-
ры имеют детектор-индикаторы с характеристикой I (импульс) для
измерения импульсного шума, производимого, например, штампом.
Импульсный шумомер характеризуется малой постоянной времени
нарастания и очень большой постоянной времени спада. Постоянная
времени нарастания для схемы усреднения импульсного шумомера
составляет 35 мс в режиме работы «импульс», 125 мс в режиме
«быстро» и 1 с в режиме «медленно». Все выпускаемые импульсные шу-
момеры имеют также детекторы-индикаторы с характеристиками F
и S. Приближенное выражение для определения значений этих
характеристик при трех режимах работы имеет вид.
L}- LF- 5,5 дБ, LF - Ls = 9 дБ; L/ - Ls = 14,5 дБ,
где Lj, LF, Ls— уровни шума, измеренные в режимах «импульс»,
«быстро» и «медленно» соответственно.
В последние годы широкое распространение получили цифровые
шумомеры. Простейший цифровой шумомер состоит из обычного
аналогового шумомера и цифрового индикатора Более сложные
цифровые шумомеры могут вычислять эквивалентный уровень звука
за выбранный период времен'и. Такие приборы называются
интегрирующими шумомерами. Цифровой сигнал с аналогово-цифрового
преобразователя подается на счетное устройство, управляемое
переключателем времени измерения. Время измерения выбирается в
диапазоне от нескольких минут до нескольких часов и более. В
течение выбранного времени счетное устройство срабатывает 1024
раза, и каждый раз текущее значение уровня заносится в память.
В конце выбранного интервала времени 1024 отсчета поступают в
процессор, в котором происходит вычисление эквивалентного
непрерывного уровня звука в соответствии с уравнением
?Аед= 10 \g[l/(t, -/,)•/ 100 iLA(odt],
где LA(t) — мгновенное значение уровня звука.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 129
Полученное значение LAea
поступает в запоминающее
устройство и отображается на цифровом
табло или поступает на внешнее
печатающее устройство.
Микрофон является основным
элементом преобразования звуковой
энергии в электрическую с целью
дальнейшего анализа. В настоя- _ .,,. _
Рис 5 15 Схема конденсаторного
щее время выпускаются и нашли микрофона
широкое распространение
конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические микрофоны.
Конденсаторные микрофоны служат для точных измерений шума.
Пьезоэлектрические микрофоны, более дешевые и менее стабильные,
применяют для обычных измерений. Электретный микрофон широко
используется в непрофессиональных устройствах, например в кассетных
магнитофонах, переговорных системах. Но в последние годы и этот
вид микрофонов стал применяться в системах измерителей шума.
Схема конденсаторного микрофона приведена на рис. 5 15 и
состоит из тонкой металлической диафрагмы / и жесткой задней
пластины 2. Диафрагма и задняя пластина электрически изолированы
друг от друга и связаны с источником стабилизированного
поляризующего напряжения через резистор с достаточно большим
сопротивлением, образуя заряженный конденсатор с параллельными
пластинами. Когда на микрофон действует волна звукового давления
3, диафрагма движется относительно неподвижного электрода —
жесткой пластины. Это движение вызывает переменное изменение
электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, что
производит электрический сигнал на выходе микрофона
Чувствительность конденсаторного микрофона зависит главным образом от
напряжения поляризации, атмосферного давления, площади
поверхности диафрагмы и натяжения диафрагмы. Значения динамического
диапазона составляют для конденсаторных микрофонов- 20...40 дБ
для однодюймового (диаметр микрофона 25,4 мм), 25. .160 дБ для
полудюймового, 42... 170 дБ для четвертьдюймового и 50. .178 дБ для
микрофонов диаметром в одну восьмую дюйма.
С 1980-х гг. освоен выпуск электретных микрофонов, пригодных
как для точных, так и для технических измерений уровня шума
Электрод представляет собой электрически поляризованный
элемент, который сохраняет свой заряд и поляризацию в течение
продолжительного времени. На рис. 5.16,а показана типовая конструк-
5-4910
130 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ция серийно выпускаемого электретного микрофона Диафрагмой
микрофона является металлизированная пластмассовая пленка,
которая прошла специальную обработку и заряжена так, что имеется
электрический потенциал между внутренней поверхностью
пластмассовой пленки / и металлизированной внешней поверхностью 2
На рис 5 16,6 показаны зафиксированный заряд на внутренней
поверхности пленки и наведенный заряд на внешней
металлизированной поверхности и на задней пластине Фиксированный заряд и
заряд на задней пластине формируют электрическое поле между
пленкой и задней пластиной, подобное тому электрическому полю,
которое образуется при подаче внешнего поляризующего
напряжения на конденсаторный микрофон Поэтому электретные микрофоны
называют еще предварительно поляризованными конденсаторными
микрофонами Акустические характеристики электретных
микрофонов приблизительно те же, что и у конденсаторных микрофонов
Однако по сравнению с конденсаторным электретный микрофон имеет
следующие преимущества не нуждается во внешнем источнике
поляризующего напряжения, более прочен механически и практичнее
в условиях повышенной влажности
В отдельных случаях при проведении обычных измерений шума
находят применение пьезоэлектрические микрофоны На рис 5 17
показано устройств пьезоэлектрического микрофона Когда
звуковое давление отклоняет диафрагму, ее движение вызывает
деформацию пластины, при которой за счет пьезоэффекта вырабатывается
электрический сигнал на выходных контактах Наиболее часто в
качестве пьезоэлектрического материала в микрофонах используют
цирконат-титанат свинца, титанат бария и сегнетову соль Пьезоэ-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 131
лектрические материалы чувствительны к изменению температуры
и влажности, поэтому имеют довольно ограниченные области
применения Однако пьезоэлектрические микрофоны, использующие
цирконат-титанат свинца, можно применять в диапазоне температур
от -10 до +50 °С при относительной влажности до 90% Диапазон
рабочих частот таких микрофонов обычно 32-8000 Гц
Спектральный (частотный) состав шума оценивается с помощью
частотного анализатора В качестве анализатора спектра шума
может быть использован шумомер путем добавления к нему набора
фильтров, состоящих из октавных, третьоктавных, узкополосных
фильтров с постоянной относительной шириной полосы
пропускания или узкополосных с постоянной шириной полосы пропускания
Частотный анализатор, снабженный только октавными фильтрами,
называется октавным анализатором
Таблица 5 12
Тип шумо
мера
Ш63
шзм
СИ1
ААШ1
ИШВ1
2203
2107,2112,
2603 2604
PS 101
PS 201
140ОЕ
ВМ292А
Тип и система
микрофона
МД38Ш
электродинами
ческий
МД59
электродинами
ческий
М101
конденсаторный
МД59
электродинами
ческий
М101
конденсаторный
4131
конденсаторный
4131-4136
конденсаторные
ММ50
конденсаторный
ММ50
конденсаторный
Кристаллический
Конденсаторный
Диапазон
частот, Гц
40 104
40 104
2 45 103
50 104
3 20 10*
20 18 10!
20 20 103
20 20 102
20 20 102
32 8 103
32 8 103
Диапазон
уро
шум
35
25
50
25
30
22
До
30
30
24
44
вней
а, дБ
140
130
130
180
130
134
180
135
135
140
130
Примечание
Бпок фильтров, индикато
ров предела уровней низ
кочастотные приставки
Комбинированный прибор
для измерения уровней и
спектрального состава шума
Снабжен октавным фильт
ром 1613
Снабжен октавным фильт
ром
OF 101
V
132 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
На практике получили распространение анализаторы, в которых
выходные сигналы с анализирующих фильтров передаются по
очереди (последовательно) по мере их подключения. Такие анализаторы,
хотя и позволяют автоматизировать процесс анализа, тем не менее
требуют времени для проведения анализа, что затрудняет частотный
анализ в случае быстроменяющегося акустического процесса.
Анализаторы в реальном масштабе времени (параллельные
анализаторы) обладают возможностью параллельного ввода в
считывающее устройство сигналов от различных фильтров, работающих
одновременно. Мгновенное представление полного спектра шума на
экране прибора позволяет визуально наблюдать весь спектральный
состав шума и обнаруживать даже незначительные его изменения
во времени.
Существует множество приборов, используемых для анализа
шума. В табл. 5.12 приведены некоторые из них, достаточно
распространенные в отечественной практике.
5.5. Источники шума и их шумовые характеристики
По природе возникновения шумы машин делятся на
механические, аэродинамические, гидродинамические, электромагнитные.
На ряде производств преобладает механический шум,
основными источниками которого являются зубчатые передачи, механизмы
ударного типа, цепные передачи, подшипники качения. Он
вызывается силовыми воздействиями неуравновешенных вращающихся
масс, ударами в сочленениях деталей, стуками в зазорах, движением
материалов в трубопроводах и т.п. Спектр механического шума
имеет широкую область частот. Определяющими факторами
механического шума являются форма, размеры и тип конструкции,
число оборотов, механические свойства материала, состояние
поверхностей взаимодействующих тел и их смазывание. Машины
ударного действия, к которым относится, например, кузнечно-прес-
совое оборудование, являются источниками импульсного шума,
причем его уровень на рабочих местах, как правило, превышает
допустимый. На машиностроительных предприятиях наибольший уровень
шума создается при работе металло- и деревообрабатывающих
станков.
Аэродинамические и гидродинамические шумы разделяют:
• на шумы, обусловленные периодическим выбросом газа в
атмосферу, работой винтовых насосов и компрессоров,
пневматических двигателей, двигателей внутреннего сгорания;
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 133
• шумы, возникающие из-за образования вихрей потока у
твердых границ (наиболее характерны для вентиляторов, турбо-ваздухо-
дувок, насосов, турбокомпрессоров, воздуховодов);
• кавитационный шум, возникающий в жидкостях из-за потери
жидкостью прочности на разрыв при уменьшении давления ниже
определенного предела и возникновения полостей и пузырьков,
заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами.
Шумы электромагнитного происхождения возникают в
электрических машинах и оборудовании. Их причиной является
взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени
и пространстве магнитных полей. Электрические машины создают
шумы с различными уровнями звука — от 20...30 дБА
(микромашины) до 100...110 дБА (крупные быстроходные машины).
При работе оборудования одновременно могут возникать шумы
различной природы. Источники шума характеризуются прежде
всего звуковой мощностью. Неравномерность излучения
характеризуется коэффициентом Ф(ф) — фактором направленности,
показывающим отношение интенсивности звука /(ф), создаваемого
источником в направлении с угловой координатой ф, к
интенсивности, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник
/ср, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук во все
стороны равномерно:
Ф(ф)=/(ф)//ср = р2(ф)/р2р, (5.17)
где рс?—звуковое давление (усредненное по всем направлениям
на постоянном расстоянии от источника); р(ф) — звуковое
давление в угловом направлении ф, измеряемое на одинаковом
расстоянии от источника
Характеристики направленности можно описать следующим
уравнением:
g(q>)= 10 18Ф(Ф) = 10 1g[/(<p)//cp] =
= 20 1glp(tp)/p?p] = L-Lcp,
где L — уровень звукового давления, усредненный по всем
направлениям на одном и том же расстоянии от источника.
Для сравнения шумов различных машин и расчета уровней
звукового давления в проектируемых помещениях необходимо знать
объективные характеристики шума. Любая машина, будучи
установленной в открытом пространстве, создает в разных точках
различные уровни звукового давления, хотя ее звуковая мощность остается
неизменной. В соответствии со стандартами шумовыми характерис-
134 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
тиками, которые указываются в прилагаемой к машине технической
документации, являются уровни звуковой мощности Lwb октавных
полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250,
500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц
В электрических системах и на газоперекачивающих станциях
широко используются газотурбинные установки (ТТУ) [10],
которые являются мощными источниками шума, излучаемого через воз-
духозаборный и выхлопной тракты и корпус агрегата
Через воздухозаборныи тракт в атмосферу излучается шум,
который имеет аэродинамическую природу Шум, возникающий в
системе всасывания ГТУ, обусловлен переменными аэродинамическими
силами вследствие турбулентности потока воздуха от ротора и
статора компрессора, а также явлениями неустойчивости этого потока
В спектре шума всасывания ГТУ имеются тональные составляющие
Частота вихревого шума газотурбинных установок (50 160 Гц) про
порциональна частоте вращения Наиболее интенсивные тональные
составляющие приходятся на частоты
f = nZv (5 18)
где п — частота вращения, об/с, Zл — число лопаток
Уровень звуковой мощности всасывания осевого компрессора
LrK=101g(rK/W0), (5 19)
где W0 = 10~12 Вт — пороговое значение звуковой мощности,
WK = 0,5
1-Л
АД
Н
2
АД
рСЗ ?>2
(5 20)
ч 'Чад
где г}АД — адиабатный КПД первой ступени компрессора, т( —
массовый расход воздуха через компрессор, кг/с, ЯАД — адиабат
ный напор первой ступени компрессора, Дж/кг, D — наружный
диаметр рабочего колеса первой ступени компрессора, м, р —
плотность воздуха на входе в компрессор, кг/м3, с — скорость звука
на входе в компрессор, м/с
Уровень шума, излучаемого через воздухозабор компрессором
ГТУ 100 МВт без глушителя, на расстоянии 120 м составляет
110 дБА Поэтому на воздухозаборе ГТУ всегда устанавливают
глушитель Шум выхлопного тракта ГТУ зависит от ряда факторов
(рис 5 18)
Шум от дымовой трубы ГТУ меньше, чем шум от системы воз-
духозабора Например, уровень шума от дымовой трубы ГТУ
100 МВт без системы шумоглушения составляет 84 дБА на рассто-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 135
Шум выхлопного тракта зависти от
процесса горения
скорости газов
в проточной
части
турбулентности
газового
потока
Рис 5 18 Причины и источники шума выхлопного тракта ГТУ
янии 120 м от нее Максимальные уровни шума приходятся на
высокие (4000 8000 Гц) и низкие (31 125 Гц) частоты Шум,
излучаемый на низких частотах, наиболее трудно устраним Инфразву-
ковые колебания вызывают вибрации в близко расположенных
зданиях и сооружениях
На рис 5 19 показано изменение уровней звукового давления по
высоте дымовой металлической трубы выхлопного тракта турбины
ГТ-100 750 для трех среднегеометрических частот 63, 125, 250 Гц
Видно, что основное излучение шума происходит из устья дымовой
трубы Например, для средней геометрической частоты 63 Гц
уровень звукового давления на отметке 80 м (на срезе устья трубы)
равен 104 дБ, на отметке 72 м на расстоянии 1 м от стенки трубы —
85 дБ, на отметке 3 м — 95 дБ
80 0 г
70 0
30?
W
X
х_
h
80,0
70Q-
3,0-
1,ы
W
1 1 1 ,
70
80
90
100
/..ДБ
Рис 5 19 Уровни звукового давления по высоте дымовой трубы для средних гео
метрических частот / - 63, 2 - 125 3 - 250 Гц х - точки измерения
136 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Во многих ГТУ выхлопные газы направляются для утилизации
теплоты в котел или специальный теплообменник, которые
одновременно являются средствами снижения шума. Однако при
неблагоприятных сочетаниях конструктивных параметров в
теплообменниках утилизаторов могут возникнуть резонансные явления,
приводящие к преждевременному разрушению теплообменников.
Широкое использование тягодутьевых машин (ТМ) в качестве
принципиальной тяги паровых котлов, вентиляторов, дымососов
также создает шумовой дискомфорт для жителей селитебных
территорий. При этом различают три пути распространения шума,
влияющего на окружающую среду: от корпуса воздухозабора дутьевого
вентилятора, от устья дымовой трубы, от дымососов. Последние два
пути распространения шума, особенно от устья трубы, наиболее
опасны для окружающего района. Это связано с тем, что шум,
излучаемый с высоты, не снижается за счет естественных и
искусственных наземных препятствий.
Качественную оценку ТМ по уровню звуковой мощности,
зависящему от полного давления Р, Па, и объемного расхода воздуха Q,
м3/с, можно определить из уравнения
Lr=Z + 10(l+a/2)lg/>+ lOlgQ, (5.21)
где L — критерий шумности, дБ; a — коэффициент, зависящий от
окружной скорости и, м/с, и диаметра колеса D, м, вентилятора:
а~ 1 при и = 5...15м/с, а~ 2 при и = 20...50 м/с иD = 0,4.. 1,2 м,
а ~ 3 при и > 50 м/с и D = 1,2...2,0 м.
Для большинства ТМ, применяемых в энергетике, a ~ 3.
Следовательно, увеличение расхода воздуха и особенно полного
давления, а также скорости и внешнего диаметра колеса приводит к
усилению излучаемой звуковой мощности.
Сравнительный анализ уровней звуковой мощности осевых и
центробежных дымососов показал, что у осевых уровень на 10 ...
16 дБА больше, чем у центробежных.
Частота локальных составляющих ТМ определяется из
уравнения
/ = knZjm,
где k = 1, 2,..., т —номер гармоники; п —частота вращения,
об/мин; Zn — число лопаток.
Максимум шума для центробежных агрегатов приходится на
первую гармонику {k = 1), а для осевых — на вторую и третью
(к = 2 и k = 3).
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 137
Анализ процессов акустического загрязнения окружающей
среды необходимо проводить с учетом режимов работы (нагрузки)
ТМ. Например, при переменных нагрузках уровень звуковой
мощности LWn можно рассчитать по формуле
где ALW — поправка, учитывающая режим работы - КПД Г|
(табл. 5.13).
Таблица 5 13
п
Mw
1
0
0,9 0,99
2
0,8 0,89
4
0,8
5
Данные табл. 5.13 показывают, что с точки зрения
акустического влияния ТМ на ОС целесообразно эксплуатировать ТМ в режиме
максимального КПД. Для уменьшения воздействия ТМ на
окружающую среду устанавливают глушители со стороны всасывания для
вентиляторов и со стороны нагнетания для дымососов.
Для регулирования давления природного газа, пара и воздуха в
газораспределительных пунктах широко используется
дросселирующая арматура, которая обеспечивает снижение давления газа в
главной магистрали газопровода до требуемого —обычно с 1...1.2 до
0,05...0,12 МПа.
При подаче воздуха в котел и эвакуации из него дымовых газов,
а также в системах местной вентиляции регулирование расхода
производится с помощью шиберов и заслонок, где также происходят
потери давления. При этом шум клапанов, возникающий при
перепаде давлений до и после клапанов, равном 1,8 («докритическая
область»), формируется в основном турбулентной струей. При
соотношении давлений больше 1,8 («закритическая область»)
дополнительно возникают скачки уплотнений (ударные волны), которые
сопровождаются импульсными шумами и могут привести к разрушению
клапанов.
Уровень суммарной звуковой мощности, обусловленной
дросселирующим клапаном, зависит от его типа, перепада давлений и
расхода среды:
Lw= LWr]+ \0\gq + 20\gc,
где q — расход среды, м3/ч; LWr] зависит от конструкции клапана
и перепада давлений в нем, с — скорость звука в клапане, м/с,
причем с = V kP/p; P — давление до клапана, Па; р — плотность
среды, кг/м3; k — коэффициент.
138 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Уровень звуковой мощности, излучаемый в клапанах,
регулирующих расход воздуха или дымовых газов, определяется по формуле
Lm = L0K + lOylgv + 20 lg Dr + 10 (1 - у) lg%, (5.22)
где L0K — отвлеченный октавный уровень шума, зависящий от
дроссельной заслонки, дБ (табл. 5.14); Snp - площадь проходного
отверстия клапана; v — скорость в воздухопроводе, м/с, с площадью
сечения 5, м2, к которому подсоединяется арматура; Dr —
гидравлический диаметр воздухопровода, м. Dr = AS/П; П — периметр
канала, м; у — поправка, определяемая из табл. 5.15.
Таблица 5 14
Тип
арматуры
Шибер
Дроссельная
заслонка
Отвлеченный уровень шума L0K, дБ,
при средней геометрической частоте, Гц
63
85
72
125
62
56
250
50
38
500
46
26
1000
32
18
2000
19
10
4000
7
4
8000
-1
-9
Таблица 5 15
Частота, Гц
Значение у
63
2,5
125
3
250
3,5
500
4
1000
4,5
2000
5
4000
5,5
8000
6
Уровень звуковой мощности в трубе определяется по формуле
L^L^-lOlgf, (5.23)
где LWk —уровень звуковой мощности, излучаемой клапаном, дБ;
5 — площадь сечения канала, м2.
На ряде предприятий технологические циклы предусматривают
охлаждение воды с использованием градирен. Шум в градирнях
вызывает свободное падение воды. Излучаемая при этом звуковая
мощность пропорциональна расходу воды, скорости водяных капель в
момент падения и глубине бассейна с водой. При больших
плотностях застройки шум от градирен может оказывать существенное
влияние на формирование шумового поля. Уровень звуковой мощности,
излучаемой градирней, можно определить, используя равенство
LWrp=L,+ Wlgq, (5.24)
где LT — уровень звуковой мощности, зависящий от средней
геометрической частоты (табл. 5.16); q — расход среды, м3/ч.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 139
Таблица 5 16
Средняя геометрическая
частота, Гц
Lr, дБ
63
51
125
51
250
51
500
57
1000
62
2000
62
4000
63
8000
61
Применение в градирнях в зимнее время жалюзи, которые
уменьшают поток воздуха, способствует уменьшению уровня звука
на 2 ..3 дБ. Звуковая энергия градирни в основном излучается через
входные окна. Уровень шума у верхнего края градирен примерно на
10 дБ меньше, чем уровень шума из входных окон. Излучением шума
через оболочку (стенки) градирен, как правило, пренебрегают.
Важную роль в формировании звуковых полей играет конструкция
бассейна градирни: рекомендуется делать бассейны с дном
конусообразной формы, которая обеспечивает стекание воды к краям бассейна
градирни. При этом орошаемая часть дна имеет меньшую глубину.
Следует иметь в виду, что в некоторых градирнях для
интенсификации охлаждения используют вентиляторы. Поэтому наряду с шумом
падения воды имеет место шум, излучаемый вентиляторами. Для
снижения акустического влияния вентиляторов целесообразно
применять тихоходные вентиляторы с большим диаметром лопастей.
Использование открытых распределительных устройств (ОРУ)
при транспортировке электроэнергии также способствует
акустическому загрязнению ОС за счет звукоизлучения
трансформаторами, линиями электропередачи, синхронными компенсаторами,
воздушными выключателями и др. Основной причиной шума
трансформаторов является магнитострикция. Вызванная магнитострикцион-
ными силами вибрация передается через масло и узлы сопряжения
активной части с масляным баком самому баку и от него в виде
звуковых волн разной частоты излучается в ОС. Особенно сильный
шум исходит от крышки бака. Добавочным источником шума
являются колебания самого бака и связанных с ним конструкций. Для
охлаждения некоторых трансформаторов используются
вентиляторы, которые также являются источниками шума. Уровень шума от
ОРУ практически не зависит от нагрузки трансформаторов и
номинального напряжения, главные причины — мощность и размеры
трансформатора
Шум трансформатора характеризуется колебаниями с
частотами, кратными частоте питающей сети, а именно: 100, 200, 300 Гц
и т д. У мощных трансформаторов наиболее выражены низкие
частоты, и только в трансформаторах с охлаждающими вентиляторами
140 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
выявлены составляющие шума более высоких частот, быстро
затухающие с удалением от трансформаторов. Звуковые волны
практически одинаково распространяются по осям трансформатора
Единица шумовых характеристик трансформаторов — дБА, так как
многочисленные исследования показали, что более информативным
является общий уровень.
Уровень шума трансформаторов можно определить по формуле
L = 20 lg
Ро
v у
(5.25)
где р — звуковое давление, Па.
р = рис, (5.26)
где р — плотность воздуха, кг/м3; с — скорость звука, м/с; и —
колебательная скорость частиц воздуха, м/с:
"-'«тттЬй1 (527)
где / — частота тока, протекающего по обмоткам, Гц; /0 —
собственная частота свободных колебаний магнитопровода, Гц; уст —
удлинение стержней под действием сил FM:
Усг-Щ» (5.28)
где Е — модуль упругости электротехнической стали, Н/м2, / —
высота (длина) стержней, м, Ss — площадь поперечного сечения
стержней, м2.
Полная сила, создаваемая всеми стержнями
FM = PaSn =^ fi2S; (5.29)
где осм — магнитострикционная постоянная; Ра - амплитудное
значение силы, зависящее от магнитострикции; п — число окон; S —
площадь поперечного сечения одного стержня, м2; В — индукция,
Тл.
Собственная частота определяется из уравнения
-1
V7771-"2
где РН(РС) — масса накладки (половины стержня), кг, р —
плотность материала магнитопровода, кг/м2; сы — скорость звука в маг-
нитопроводе, м/с; / — длина средней части стержня.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 141
Линии электропередачи высокого напряжения также могут быть
источником шума для окружающего района. Расстояние от оси
линии электропередачи до населенных пунктов с учетом их
перспективного развития должно составлять не менее 300 м, а на
стесненных участках трассы это расстояние может быть уменьшено до
100 м Уровень шума от таких линий электропередачи зависит от
погодных условий. Наибольшие значения уровня шума
наблюдаются при дожде, несколько меньше — при тумане и наименьшее при
хорошей погоде. Шум от трехфазной линии примерно на 3...4 дБА
превышает уровень шума однофазной линии. Шум от коронирования
проводов на расстоянии 100 м от них (в зависимости от напряжения)
приведен в табл. 5.17.
Таблица 5 17
Напряжение, кВ
400
750
1050
1150
Уровень звукового давления, дБА
при дожде
40
49
51 57
55 62
при тумане
34
40
45
53
Источниками импульсных шумов в ОРУ являются воздушные
выключатели, при срабатывании которых энергия
высвобождающегося сжатого воздуха вызывает высокочастотные шумы. На
расстоянии 1 м от воздушного выключателя при его срабатывании
значительно превышается максимально допустимый уровень шума.
Поэтому нахождение людей рядом с выключателем в это время без
специальных средств защиты недопустимо.
Расчет уровня звукового давления от линий электропередачи
высокого напряжения с учетом расстояния от источника шума можно
проводить по формуле
^лэп=^ок+ 101gO-101gQ-
-20\gr-1jlL + Al+A2, (5 31)
где LpoK — октавный уровень звуковой мощности, дБ, Ф — фактор
направленности [см (5 17)]; г—расстояние от акустического
центра источника до расчетной точки, м; Р — коэффициент поглощения
звука в воздухе, дБ/км (табл. 5 18); А[ — поправка, учитывающая
увеличение уровня звукового давления за счет синфазного
наложения звуковых волн; А2 — поправка, учитывающая снижение уровня
142 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
звукового давления за счет экранирования различными
препятствиями (природными — лесом, травой); Q — пространственный угол
излучения.
Уравнение (5.31) позволяет рассчитывать уровни звукового
давления при работе воздушных выключателей. Для этого в (5 31) 201gr
необходимо заменить \0\gr
Дополнительное увеличение уровня звукового давления Д,, дБ,
рассчитывается по формуле
А1 = ALorp + ALb>
где AL0Tp= Згс; n — число дополнительных отражающих
поверхностей, расположенных на расстоянии, меньшем 0,1 г от расчетной
точки; Д1в = 3 дБ, если выполняются неравенства.
hpT « г, Аист« г, f « 40г/(Лрт Аист),
где h Аист— высота расположения расчетной точки и источника
шума над плоской поверхностью, м; / — средняя геометрическая
частота, Гц.
Таблица 5 18
Темпера
тура воз
дула, °С
30
20
10
0
Относительная
влажность
воздуха, %
20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
Коэффициент поглощения звука в воздухе, дБ/км,
при нормальном атмосферном давлении и средней
геометрической частоте, Гц
125
0,6
0,3
0,2
0,2
0,7
0,4
0,3
0,2
0,6
0,5
0,4
0,3
0,5
0,4
0,4
0,4
250
1,8
1,2
0,9
0,7
1,5
1,3
1,1
0,9
1,1
1,1
1,0
1,0
1,5
0,9
0,8
0,8
500
3,7
3,6
3,0
2,5
2.7
2,8
2,8
2,7
2,9
2,0
2,0
2,0
5,0
2,3
1,7
1,5
1000
6,4
7,2
7,5
7,2
6,2
4,9
5,2
5,5
9,4
4,8
3,9
3,7
16
7,7
4,9
3,8
2000
14
12
14
15
19
11
9
9,7
32
15
10
8,5
37
26
17
12
4000
44
27
25
25
67
34
25
21
90
54
35
25
57
74
58
41
8000
154
83
64
57
208
120
83
66
170
170
125
96
73
141
156
41
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 143
На процесс распространения звука в ОС влияют такие факторы,
как температура и влажность воздуха (см. табл. 5.18).
При распространении звука над поверхностью земли с травяным
или снежным покровом должно выполняться условие / > 20г/кжт
При невыполнении этих условий ALB= 0.
Ослабление уровня звукового давления определяют из
уравнения
Д2 = М, + ДАП + РЛАП. (5.32)
где АЬ^ — снижение уровня звукового давления экранами, дБ;
ALn — снижение уровня звукового давления вследствие влияния
травяного или снежного покрова земли, дБ; (Злп — коэффициент
ослабления звука лесополосами, дБ/м:
Рлп = Ра(^8'). (5-33)
где РА = 0,08 дБА/м; Ьлп —ширина лесополосы, м.
При количественной оценке ослабления звука принимают
А/.,, = 0, если звук распространяется не вблизи поверхности земли,
или ALn = 3 дБ при удалении источника шума от приемника на
расстояние более 500 м.
5.6. Общие методы снижения воздействия шума
на окружающую среду
Задачи по снижению шумового загрязнения окружающей среды
от работающего оборудования решаются путем: снижения шума в
источнике; снижения шума на путях его распространения;
архитектурно-строительными и планировочными решениями.
Снижение шума в источнике осуществляется за счет улучшения
конструкции агрегата или изменения технологического процесса. На
многих предприятиях, включая энергетические объекты,
используют архитектурно-планировочные решения и методы снижения шума
на путях его распространения.
Снижение шума на путях его распространения обеспечивают
созданием санитарно-защитных зон вокруг предприятий, установкой
глушителей, экранов и кожухов и др. По мере увеличения
расстояния от источника уровень шума уменьшается. Поэтому создание са-
нитарно-защитной зоны необходимой ширины является наиболее
простым способом обеспечения санитарно-гигиенических норм
вокруг предприятий. Выбор ширины санитарно-защитной зоны зави-
144 Часть I, Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
сит от установленного оборудования, например ширина санитарно-
защитной зоны вокруг крупных ТЭС может составлять несколько
километров. Для объектов, находящихся в черте города, создание
такой санитарно-защитной зоны (СЗЗ) порой становится
неразрешимой задачей. Сократить ширину СЗЗ можно уменьшением шума
на путях его распространения. Такая задача решается с помощью
специальных глушителей. Конструкции глушителей зависят от
начального и допустимого уровней шума и выбираются в зависимости
от спектра шума, условий работы глушителя (температуры,
давления, влажности, запыленности, возможности эксплуатации при
низкотемпературной коррозии и др.), обеспечения надежности его
работы и высокой эффективности в течение всего времени
эксплуатации. Важными факторами являются такие условия, как обеспечение
минимального гидравлического сопротивления, веса, габаритов
глушителя, возможность его монтажа без нарушения технологического
цикла на предприятиях. Кроме специальных глушителей шума,
широкое распространение получили шумозащитные экраны. На
энергетических объектах экраны используются в основном для
снижения шума трансформаторов и градирен. Во многих случаях
необходимого эффекта снижения шума достигают с помощью специальных
кожухов, которые устанавливают, как правило, на отдельные
агрегаты и узлы, например турбины, дроссельные клапаны, насосы и др.
Конструкция кожухов должна позволять проводить осмотр
поверхности агрегата или узла в процессе работы.
Архитектурно-строительные и планировочные решения
включают в себя: способы звукоизоляции и звукопоглощения; лесопосадки;
строительство насыпей, соответствующее размещению шумного
оборудования по отношению к жилому району (приложения 5.2,
5.3). Планировочные мероприятия должны обязательно
выполняться при строительстве промышленных и энергетических объектов,
так как рациональное размещение оборудования по отношению к
жилому району не требует дополнительных затрат. Лесопосадки и
строительство насыпей позволяют в некоторых случаях снижать
уровень шума от предприятия в целом, но требуют значительных
трудовых и материальных затрат. Звукоизоляция окон шумных
помещений (приложение.5.4), корпусов тягодутьевых машин, газо- и
воздухопроводов, паропроводов позволяет значительно уменьшать
шумовое воздействие на окружающую среду. Применение методов
звукопоглощения позволяет снизить уровень шума внутри
помещения одновременно от всех находящихся там источников шума.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 145
В тягодутьевых машинах наряду с необходимой акустической
эффективностью применяемые средства шумоглушения должны
обеспечивать минимальное аэродинамическое сопротивление в
газовоздушных трактах, возможность оперативного контроля работы
оборудования и быстрого монтажа в условиях действующего
производства. Не следует забывать, что работа глушителей должна быть
надежной в условиях повышенных температур (до 200°С).
Достаточно высокую акустическую эффективность
обеспечивают глушители дцссипативного типа (пластинчатой конструкции)
за счет поглощения шума рыхловолокнистыми и пористыми
материалами, в которых звуковая энергия превращается в тепловую.
Среди наиболее часто применяемых звукопоглощающих материалов
следует выделить супертонкое стекловолокно (маты, холсты),
супертонкое базальтовое волокно (БСТВ), маты теплозвукоизоляци-
онные ATM-IOC (ATC-10K). Их характеристики приведены в
табл. 5.19.
Таблица 5.19
Звукоизолирующий материал
Маты (холсты) из супертонкого
стекловолокна (ТУ21 РСФСР 227-76)
Холсты из супертонкого базальтового
волокна (БСТВ)
Маты теплозвукоизоляционные АТМ-10С
(АТС-10К)
Плотность,
кг/м3
10
17
40
(60 для АТС-10К)
Диапазон
температур, °С
От -60 до +450
От -60 до + 450
От -60 до + 450
На рис. 5.20 показаны уровни звукового давления до и после
установки глушителей в газовом тракте ТЭЦ. Изменяя конфигурацию
1-т.ДБ
90
80
70
60
50
Рис. 5.20. Уровни звукового
давления до (I) и после (II) установки 63 125 150 5001000 20004000 f„ Гц
глушителя в газовом тракте ТЭЦ
—
"1
1
1
1
—
146 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Воздух
i-.дБ
50
ВО
70
60
1
г'
i i
1
i i
65 125 250 500 1000 2000
б
/,Гц
Рис 5 21 Схема экранного глушителя
а — конструкция 1 — воздухозабор, 11 — экран, 111 — вентилятор, б
звукового давления до (/) и после (2) установки экрана
¦ уровни
газового тракта, длину внешних газоходов, размер и тип дымовой
трубы, можно добиться снижения уровня шума на 8...30 дБ, причем
наибольшее снижение шума происходит в дымовой трубе.
Дополнительное снижение шума, излучаемого воздушным
трактом дутьевых вентиляторов, достигается установкой экранных
глушителей. Снижение шума экранными глушителями происходит за
счет отражения части звуковой энергии обратно в канал воздухоза-
бора (рис. 5.21). Использование экранных глушителей требует
предварительного анализа, так как конструкция и расположение
глушителей оказывают как положительное влияние, повышая
эффективность шумоглушения, так и отрицательное, увеличивая
акустическое сопротивление.
Запыление глушителей диссипативного типа, особенно при
малых скоростях потока, вызывает снижение акустической
эффективности. В ряде случаев для повышения эффективности
глушителей диссипативного типа применяют глушители, работающие по
принципу «антизвука» (рис. 5.22). Эффективность глушителей
«антизвук» на низких частотах достигает 10.. 13 дБ. При устройстве
глушителей диссипативного типа применяются керамзит и
металлическая путонка (путка) и другие пористые материалы.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 147
Рис 5 22 Схема грушителя,
работающего по принципу
«антизвука» / — газовая турбина,
2 — дымовая труба, 3 —
звукопоглощающий материал, 4 —
громкоговоритель, 5 —
микрофоны
Эффективность глушителя АЬГЛ, дБ, зависит от скорости и на-
¦авления потока газов.
1
AZ, =
AL
бп'
(5 34)
1 ± 0,006 V
где AL6n — эффективность глушителя при отсутствии потока
воздуха; V —- скорость потока, м/с Знак «+» или «-» указывает на
направление потока « + » — при совпадении направления потока с
направлением распространения звука; «-» — при
противоположном направлении.
Анализ уравнения показывает, что эффективность глушителя
снижается при совпадении направления потока газов и
распространения звуковых волн, и, наоборот, при распространении звуковой
энергии навстречу потоку эффективность увеличивается. Для
выхлопных трактов ГТУ, где скорость в газоходах достигает 30 .
50 м/с, эффективность глушителей снижается до (0,85...0,77) AL.
Дальнейшее увеличение скорости потока может привести к
генерированию шума глушителем. Для снижения уровня генерируемых'
шумов устанавливают обтекатели, которые обеспечивают снижение
шума на 8.. 10 дБ
На рис 5 23 в качестве примера показано расположение
двухступенчатых глушителей шума воздухозабора газовой турбины.
Глушитель помещается в канале воздухозабора и выполняется из двух
ступеней Первая, расположенная ближе к ГТУ, обеспечивает
снижение высокочастотных составляющих шума Она состоит из
148 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Воздух^ N
-щтт
\W/
Рис 5 23 Схема глушителя для воздушного тракта ГТУ-100-750
1,2 — ступени для снижения низких и высоких частот соответственно, 3 —
жалюзи, 4 — воздушный тракт
45 пластин толщиной 100 мм и таким же воздушным промежутком
между ними. Вторая ступень предназначена для снижения
низкочастотных составляющих (22 пластины толщиной и размером
воздушного зазором между ними по 200 мм). В качестве
звукопоглощающего материала использован ультрасупертонкое стекловолокно
В таких конструкциях необходимо предусмотреть
конструктивные решения, препятствующие усадке материала и его защиту от
выдувания. На небольших ГТУ можно применять глушитель шума,
представленный на рис. 5.24.
12 3 4 5
А-А
|
Рис 5 24 Схема глушителя шума выхлопа ГТК-10
а — общий вид, б — элементы шумоглушителя / — каркас. 2 — звукопоглощаш
щий материал, 3 — асбестовая прокладка, 4 — стеклоткань, 5 —
перфорированный лист
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 149
Рис 5 25 Схема глушителя выхлопного тракта при нижнем подводе газоходов в
дымовую трубу
1 — подводящий газоход, 2 — дымовая труба, 3 — перегородка, 4 —
цилиндрический глушитель, 5 — каркас, 6 — звукопоглощающий материал
В тех случаях когда выхлопные тракты нескольких ГТ
подсоединяются к одной дымовой трубе, глушитель шума целесообразно
устанавливать в цокольной части дымовой трубы (рис. 5.25). При
таком расположении глушителей звуковая энергия гасится в
звукопоглощающих перегородках и на внутренней облицовке трубы.
Эффективность этих глушителей зависит от размеров, количества
цилиндров, заполненных звукопоглощающим материалом, высоты
разделительных перегородок и может достигать 30 дБ.
Во многих технологических процессах применяется пар. Выброс
пара в окружающую среду сопровождается изменением уровня
шума. Так, для обеспечения надежности энергетических котлов их
снабжают предохранительными клапанами, через которые в ОС
выбрасывается струя пара, и тем самым обеспечивается необходимое
давление пара в рабочей зоне Аналогичный процесс происходит при
продувке пароперегревателей или при предпусковой парокислород-
пой очистке внутренних поверхностей котлов. Учитывая многообра-
шё факторов, влияющих на условия работы глушителей шума
(высокие температуры; критические перепады давлений до и после
глушителя; обеспечение минимума веса, габаритных размеров и
гидравлического сопротивления и др ), создать универсальные системы
снижения уровня шума не представляется возможным. Поэтому
«паровые» глушители могут быть диссипативного, реактивного или
комбинированного типа. На рис 5.26 приведено несколько конструк-
жвных решений глушителей
150 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Уровень
крыши
At, ДБ
40
30
20
10
х ¦ • О <
-
0,5 т
0,5т
1т
2т
5т
V "
1 1
/ .*-"""
1
¦*»—~"
1
r^S^-*^
1 1
ч
^
1
У
-ч
i
31,3 63 125 250 500 1000 2000 9000 f/ц
б
Рис. 5.26 Конструкции (1-5) паровых глушителей (а) и их эффективность (б)
при разных массах
Рис. 5.27. Схема экранирования звука естественными преградами
а — здания; б — насыпь; в — выемка, ИЩ — источник шума
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 151
В тех случаях, когда глушители шума не обеспечивают
требуемую эффективность, используют экраны (искусственные или
естественные). Свойство экранов снижать шум основано на отражении
и рассеянии падающих на них звуковых волн. Если длина звуковой
волны меньше размеров экрана, то за экраном образуется «звуковая
тень». В качестве естественных экранов используются особенности
рельефа местности (рис. 5.27). Максимальная эффективность
экранов на открытом воздухе достигает 25...30 дБА.
5.7. Влияние вибраций на человека
и на окружающую среду
Рассматривая колебание точки относительно положения
равновесия (покоя), можно выделить несколько видов колебательных
процессов, каждый из которых имеет свою математическую
интерпретацию. Так, проекция точки, равномерно движущаяся вдоль
окружности, на одну из осей имеет синусоидальный закон
(гармонический) движения:
X = Asincot или X = As\n((?>t + ф),
где ф — фазовый сдвиг (начальная фаза).
Период колебаний точки определяется из уравнения
7 = ^.
со
Частота колебаний, т.е. число колебаний в единицу времени, —
величина, обратно пропорциональная периоду колебаний:
Х_ 2л
' Т~ со'
Если материальная точка одновременно участвует в нескольких
гармонических колебаниях, то суммарный колебательный процесс
является полигармоническим. В таких случаях каждую
составляющую колебательного процесса называют гармонической, а
совокупность частот этих гармоник — спектром частот. Спектры могут быть
как непрерывными (сплошными или полосовыми) при бесконечном
числе гармоник, так и дискретными.
В тех случаях, когда происходит суммирование двух
гармонических колебаний, имеющих близкие по значению периоды, возникают
биения. Например, если амплитуды и начальные фазы колебаний
одинаковые, а частоты а>{ и со2 близки по значению, то
152 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
х = /Isincoj^ + /lsinco2? =
= Asm t cos t. (5.35)
Анализ уравнения (5.35) показывает, что колебания происходят
по синусоидальному закону с частотой (со, + со2)/2. Период этих
изменений
Т = 4я/(со, - оз2).
Все виды колебаний по способу их возбуждения делятся на
свободные, вынужденные и связанные.
К свободным колебаниям относятся колебания, вызванные
начальными условиями (начальным возбуждением) системы и
протекающие без дальнейшего внешнего воздействия (возбуждения).
Вынужденные колебания происходят под действием внешних
сил (преимущественно периодических).
Как правило, машины и механизмы являются сложными
колебательными системами. Силы, вызывающие колебания, по своей
природе подразделяются на силы механического, аэродинамического,
гидродинамического и магнитного (электромагнитного)
происхождения.
Оценку вибрационных процессов, происходящих в окружающей
среде, проводят с помощью таких характеристик, как
вибросмещение, виброскорость и виброускорение.
Вибрационное смещение (вибросмещение) S, мкм, — это
мгновенное значение отклонения колеблющегося элемента относительно
положения равновесия. По амплитуде вибросмещения можно судить
о зазорах между вибрирующими деталями и узлами, их
податливости и остаточной неуравновешенности. Амплитуда смещения
является фактором, от которого зависит шум, издаваемый изделием.
Вибрационная скорость (виброскорость) V = dS/dt, м/с,
является определяющей характеристикой шума. Уровень
виброскорости Ly, дБ, определяется выражением
Lv = 20\g-?- = 2O\g?-, (5 36)
где VQ = 5 • 10~5 м/с — опорное (условно нулевое) значение
скорости.
В случае гармонических колебаний с частотой и амплитудой
вибросмещения S амплитуда виброскорости
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 153
Силы, действующие на конструкционные материалы и
вызывающие усталость материалов, характеризуются виброускорением.
Амплитуда виброускорения а, м/с2, находится по формуле
а = (?>V = co2S.
Уровень виброускорения La, дБ, определяется выражением
La = 20 Ig (a/a0), (5.37)
где а0- 3 • Ю-4м/с2 — условно нулевое значение виброускорения.
Так как в общем случае вибрации представляют собой сложный
негармонический процесс, то анализ вибраций целесообразно
проводить с помощью спектра. Спектральный анализ позволяет
выделить частоты и амплитуды отдельных составляющих вибрации.
Вибрации, так же как и звук, инфра- и ультразвук, ударные
волны, являются постоянно действующими физическими
факторами, сопровождающими эволюцию жизни на земле, в процессе
которой в живом организме возникали и совершенствовались
специальные структуры — механорецепторы. Структуры живых
организмов, воспринимающие различные виды механической энергии,
развивались в двух направлениях: увеличивалось число рецепторных
окончаний на единицу площади и повышалась их чувствительность.
У многих видов живых организмов (птиц, насекомых,
пресмыкающихся, животных и др.) виброрецепторы относятся к важнейшим
системам жизнеобеспечения и жизнедеятельности. Так, хищные
рыбы даже при потере зрения обладают способностью точно
определять местоположение жертвы по амплитудно-частотным
характеристикам колебаний, вызванных движениями жертвы.
Вибрации в окружающей среде создают своеобразное
информационное поле. Природа позаботилась о том, чтобы живые организмы
были способны пользоваться вибрационными (колебательными)
процессами как информацией. Вибрации, действующие на
биологические объекты, имеют двойственный характер. В одних случаях они
стимулируют жизненные процессы, а в других угнетают их. Особое
внимание исследователи уделяют изучению физиологического
действия на живые организмы инфразвуковых вибраций, которые
вызывают угнетение, беспричинный страх, паническое состояние,
неадекватное реагирование на происходящее и др.
Деформация и переменные напряжения, возникающие в тканях
организма'человека, улавливаются множеством рецепторов.
Напряжения трансформируются в энергию биоэлектрических или
биомеханических процессов.
154 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Голова (25 Гц)
Глазное
яблоко
(30 . . 80 Гц)
Плечевой
пояс
(4 ...5 Гц)
Легкие
(30 .60 Гц)
Предплечье
(16. ..30 Гц)
Позвоночный
столб, продольное
нагружение (10.. 12 Гц]
Сомкнутая
кисть (50 . 200 Гц)
Артерия (7 8 Гц)
Сердце (7 Гц)
Грудная
клетка
(60 Гц)
Брюшная
полость
(4.. 8 Гц)
Ноги (от 2 Гц при согнутых
коленных суставах до 20 Гц
при выпрямленных,
напряженных ногах)
Рис 5 28 Частоты собственных колебаний человека
В живых организмах происходят собственные колебательные
процессы с низкой частотой. На рис 5 28 представлена модель
строения человека с указанием частот собственных колебаний
различных органов. Например, резонансная частота сердца /0 = 7 Гц. При
инфразвуковых колебаниях с частотой 7 Гц амплитуда сердечных
сокращений увеличивается настолько, что происходит разрыв
артерий. Колебания той же частоты и интенсивности, но
противоположные по фазе, затормаживают кровообращение и вызывают остановку
сердца. Французский профессор Гавро отмечал, что во время
шторма в море генерируются колебания с частотой в среднем около 6 Гц,
достигая временами 7 Гц. В результате воздействия таких колебаний
на команду судна в считанные секунды наступает гибель всех членов
команды Среди ученых есть сторонники концепции появления так
называемых «летучих голландцев» Вполне реально представить, что
колебания поверхности моря с низкой частотой вызывают приступы
беспричинного ужаса, приводящего к безумным поступкам,
например, охваченные ужасом члены команды выбрасываются за борт.
Низкочастотные (инфразвуковые) колебания
распространяются на большие расстояния от источника как в воде, так и в земной
коре. Они являются причиной беспокойного поведения многих видов
животных и пресмыкающихся перед землетрясением. За несколько
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 155
часов до его наступления они покидают свои норы и укрытия в
поисках безопасных мест. Инфразвуковые колебания даже малой
интенсивности, возникающие, например, при работе городского
транспорта, вызывают нервную усталость и нарушение
функционирования различных органов и систем человека.
Сложность и неоднородность вибрационных процессов
обусловлены многообразием источников. Для удобства анализа все
источники вибрации принято делить на две группы. К первой группе
относятся транспортные средства и промышленные предприятия. Ко
второй — инженерно-техническое оборудование и системы, а
также предприятия торговли и коммунально-бытового назначения и
др. Исследования показывают, что в зданиях, расположенных на
расстоянии около 10 м от тоннеля метрополитена мелкого
заложения, на резонансных частотах 31,5...63 Гц уровень виброускорения
достигает 45 дБ, а на расстоянии 40 м — 26 дБ.
Движение железнодорожного транспорта и трамваев приводит
к превышению допустимых уровней для жилых зданий в октавных
полосах частот 16...63 Гц в радиусе 10 ..20 м на 10.. 15 дБ для
железнодорожных составов и на 3...7 дБ для трамваев. Кроме
транспортных средств источниками низкочастотных (инфразвуковых)
вибраций являются мощные компрессорные, штамповочные
участки, испытательные стенды и другие виды оборудования
промышленных предприятий. Так, эксплуатация лифтового оборудования также
приводит к превышению допустимого уровня вибрации
(виброускорения) на 15...20 дБ
Физиологические, гигиенические и поликлинические
исследования показали, что длительное действие вибрации, превышающей на
2...9 дБ нормативные значения даже малой интенсивности в
условиях жилища вызывают функциональные изменения центральной
нервной и сердечно-сосудистой систем, которые проявляются
удлинением скрытого времени слуховой и зрительно-моторной реакций,
развитием вегетативно-сосудистой дистонии и гипертонической
болезни и др.
5.8. Причины и источники вибрации
В качестве основных параметров, характеризующих вибрации,
принимаются, вибросмещение S, мкм; виброскорость V, м/с;
виброускорение а, м/с2. Достаточно часто для анализа вибрационных
процессов в качестве измеряемой величины используют
эффективное значение виброскорости V^
156 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Причины и источники вибрации
механического происхождения
Подшипниковый узел
Несоосность и перекос
посадочных мест
Отклонение форм колец
подшипников
Гранность и разномерность
тел качения
Геометрические погрешности
сепаратора
Влияние радиального зазора
Дисбаланс вращающихся частей
Асимметрия конструкции
Прогиб вала
Геометрические погрешности
вращающихся частей
Тепловой дисбаланс
вращающихся частей
Рис 5 29 Причины и источники вибрации механического происхождения
Точность измерения вибрации во многом зависит от
измерительной аппаратуры, выбора точек измерения, условий измерений и др
В большинстве случаев вибрационные характеристики можно
измерять с помощью аппаратуры, предназначенной для измерения
акустических характеристик, заменив микрофон электродинамическим,
индукционным или пьезоэлектрическим датчиком
Пьезоэлектрические датчики (акселерометры) получили
широкое распространение в технике и мониторинге вибрационного за
грязнения окружающей среды Следует заметить, что
конструктивное исполнение современных акселерометров чрезвычайно
разнообразно Они имеют различные массогабаритные показатели, способы
закрепления, собственные частоты, чувствительности и тд Для
снижения погрешности измерения виброизмерительные датчики не
обходимо жестко крепить в точке измерения, причем масса
вибропреобразователя (датчика) не должна превышать 5% массы
испытуемого изделия
Вибропреобразователи преобразуют механические колебания в
электрические сигналы Эти сигналы поступают в приборы, которые
позволяют получать как интегральные характеристики
(вибросмещение S, мкм, виброскорость V, м/с, виброускорение а, м/с2), так
и спектральные составляющие
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 157
Технологические погрешности подшипников
Погрешности изготовления
Отклонения форм беговых
дорожек колец
Отклонения форм тел качения
Разноразмерность тел качения ~
Погрешность сепаратора
— Перекосы колец подшипников
— Погрешности сборки
Перекосы подшипниковых щитов
Отклонение посадочных мест
_| — Погрешности болтовых соединений
Неравномерность элементов
Рис 5 30 Технологические погрешности подшипников
Основными источниками возникновения механических
вибраций машин и механизмов являются подшипниковые узлы и
неуравновешенность вращающихся частей (рис 5 29) Вибрации,
возникающие в подшипниковых узлах, обусловлены циклическим
характером изменения жесткости тел качения подшипников
Цикличность изменения жесткости обусловлена технологическими
погрешностями изготовления и сборки машин и механизмов
Центробежные силы, вызванные неуравновешенностью вращающихся
масс, действуют на подшипники В результате действия
динамических сил возникают вибрации в поперечной плоскости В процессе
работы тела качения находятся в разных условиях нагружения
Периодические деформации шариков или роликов при перекатывании
вызывают затухающие колебания в кольцах и в сепараторе
подшипников Эти колебания передаются от подшипников к сопряженным
с ними деталям Не следует забывать о возможности возникновения
резонансных явлений, в результате которых значительно
увеличиваются амплитуды колебаний Резонанс приводит к быстрому
износу или разрушению подшипников
На рис 5 30 перечислены основные технологические
погрешности, вызывающие повышенные вибрации подшипниковых узлов
Отклонения размеров и форм деталей в подшипниковых узлах ведут к
158 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
возникновению низкочастотных составляющих вибрации. Частоты,
на которых проявляются вибрации, обусловленные различными
технологическими отклонениями, можно достаточно легко рассчитать,
используя геометрические параметры подшипников. Например:
• разностепенность колец вызывает вибрации с частотой
/ = —
/in 60-
где п — частота вращения вала, об /мин;
• овальность внутренних колец является источником вибрации
с двойной частотой вращения:
_ 2л
/2п-б0-
В табл. 5.20 приведены аналитические выражения,
позволяющие рассчитать частоты вибрации других частей подшипника,
вызванной различными конструктивно-технологическими причинами.
Увеличение габаритных размеров подшипников ведет к увеличению
вибрации.
Таблица 5 20
Частота, Гц
f Do~d™ П
ha' 2D0 60'
где D0 — диаметр окружности расположения
тел качения с диаметром dn
D0~dTK n 7
'4п 200 60 '
где Z — число тел качения
, Da~dTK П 7,
где к — число граней тел качения
, D0- dyll. n 7h
/б" 2DadTK 60 ^''
где fej — число дефектов на рабочей
поверхности внутреннего кольца
'*¦- 20Лк 60 lk>.
где k2 — число дефектов на рабочей
поверхности внешнего кольца
Причина возникновения вибрации
Смещение сепаратора и
возникающая при этом неуравновешенность
Отклонения в размере тел качения и
периодическое изменение жесткости
подшипника при перекатывании тел
качения
Гранность тел качения
Дефекты рабочей поверхности
внутреннего кольца
Дефекты рабочей поверхности
внешнего кольца
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 159
Большое влияние на характер колебательных (вибрационных)
процессов оказывает остаточная неуравновешенность
вращающихся частей. Под действием остаточной неуравновешенности и
при наличии радиального зазора вал прецессирует, и в результате
возникают ударные взаимодействия вала с телами качения.
Характер движения шейки вала определяется коэффициентом
неуравновешенности
Е = P/Q = Р/тпс, (5.38)
где Р — динамическая нагрузка на подшипник от
неуравновешенных сил инерции; Q — статическая нагрузка, причем Q = тпс; тпс —
масса подвижной системы.
Неуравновешенность вращающихся частей Дт пропорциональна
массе уравновешивающих грузов тдоб и радиусу их установки г. Для
удобства сравнения различных вращающихся деталей (роторов)
вводят понятие относительной неуравновешенности е:
е = Дт/тр = тАОбг/тр, (5.39)
где тр — масса ротора.
Проведем анализ вибрационных процессов при наличии
дисбаланса вращающихся частей на примере электрической машины
(ЭМ), закрепленной на упругом основании. Уравнение собственных
колебаний ЭМ (электродвигателя) в вертикальной плоскости имеет
вид
та = d2x/dt2 + kx = 0, (5.40)
где тд — масса электродвигателя; k — жесткость упругого
элемента; х — радиальное смещение.
Собственная частота ЭМ определяется из уравнения
оо0 = >/*/тд. (5.41)
Центробежная сила РцПри вращении ротора со статическим
дисбалансом определяется из уравнения
Яц = тресо2 sin Ш. (5.42)
Согласно требованиям ГОСТ собственная частота ЭМ,
установленной на упругом основании не превышает 3 Гц. Тогда
тпе
Jt = —^sinco/. (5.43)
160 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продифференцировав полученное выражение, найдем значение
эффективной виброскорости К,фф, мм/с, в любой точке корпуса
ЭМ:
При чисто динамическом дисбалансе
V.
эфф ст
т есо
-р IL,
4V2/
103,
(5.44)
(5.45)
где со = 2пп/60 — угловая частота; тр — масса ротора; / — момент
инерции относительно горизонтальной оси, проходящей через центр
тяжести и перпендикулярной оси вращения; / — расстояние между
балансировочными осями (оси или плоскости, на которых
устанавливаются балансировочные грузы); L{ — расстояние между
подшипниками.
Радиальная (вертикальная) составляющая центробежной силы
(5.46)
рц
тре(й2 sincof.
Активное
1
'
к
'
Противоударное
Однокаскадное
Амортизирующие устройства
/
/
/
/
'
\
\
\
'
Пассивное
.
1
.
'
Звукоизолирующее
\
Виброизолирующее
Двухкаскадное
Рис 5 31 Амортизирующие устройства
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 161
Значение радиального смещения х электрической машины
относительно центра тяжести определяется из дифференциального
уравнения движения:
mad2x/dt2 + kx = тре(й2 sm(ut. (5.47)
Для инженерных расчетов и экспертных оценок можно
пользоваться аналитическим выражением
/ = тд (0,0833 L2 + 0,0625 D*), (5.48)
где L — длина однородного цилиндра, которым заменяется ЭМ;
Dj — внешний диаметр пакета (магнитопровода) статора.
Подавляющее большинство машин и механизмов устанавливают
на специальные амортизирующие устройства, которые позволяют
устранить непосредственный контакт машин и механизмов с
окружающими конструкциями (рис. 5 31).
Во многих случаях эффективность снижения вибрации,
передаваемой от машин и механизмов окружающим конструкциях,
достигается применением антивибраторов. Антивибраторы представляют
собой стержни с дисками (грузами), перемещением которых
достигают точной настройки антивибраторов на нужную частоту.
5.9. Нормирование шума
При нормировании шума используют два метода: нормирование
по предельному спектру шума и нормирование по уровню шума,
измеренного по шкале А шумомера.
Первый метод нормирования является основным для постоянных
шумов. Здесь нормируются уровни звукового давления на частотах
63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Нормативным
документом, регламентирующим уровни шума для различных категорий
рабочих мест служебных помещений, является ГОСТ 12.1.003-83
«ССБТ. Шум Общие требования безопасности» (табл. 5.21). Второй
метод нормирования используется для ориентировочной оценки
постоянного и непостоянного шума.
Для тонального и импульсного шума допустимые уровни
звукового давления Lpmn должны приниматься на 5 дБ меньше значений,
указанных в табл. 5.21. Уровни шума для территорий жилой и
производственной застроек, а также для различных видов помещений
регламентируются СНиП 11-12-88 «Защита от шума».
6-4910
162 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 521
Рабочее место
Помещения КБ, расчетчиков,
программистов вычислительных
машин, лабораторий для
теоретических работ и обработки
экспериментальных данных, приема
больных в здравпунктах
Помещения управлений
(рабочие комнаты)
Кабины наблюдений и
дистанционного управления без речевой
связи по телефону
Кабины наблюдений и
дистанционного управления с речевой
связью по телефону
Помещения и участки точной
сборки, машинописное бюро
Помещения лабораторий для
проведения экспериментальных
работ, помещения для
размещения шумных агрегатов
вычислительных машин
Постоянные рабочие места и ра
бочие зоны в производственных
помещениях и на территории
предприятий, рабочие места
водителя и обслуживающего персо
нала грузового автотранспорта,
тракторов и других аналогичных
машин
Уровень звукового давления Lp,
дБ, в октавных полосах со средними
геометрическими частотами, Гц
63
71
79
94
83
83
94
99
125
61
70
87
74
74
87
92
250
54
68
82
68
68
82
86
500
49
58
78
63
63
78
83
•>
1000
45
52
75
60
60
75
80
2000
42
52
73
57
57
73
78
4000
40
50
71
55
55
71
76
8000
38
49
70
54
54
70
74
Эквива-
летный
уровень
звука,
дБА
50
60
80
65
65
80
85
5.10. Проведение акустического расчета
Необходимость проведения мероприятий по снижению шума
определяется: на действующих предприятиях — на основании
измерений уровней звукового давления на рабочих местах и последующего
сравнения этих уровней с допустимыми по нормам Lpaon; на
проектируемых предприятиях — на основании акустического расчета.
Целями акустического расчета являются:
• выявление источников шума и определение их шумовых
характеристик;
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 163
• выбор расчетных точек и определение допустимых уровней
звукового давления Lpwn для этих точек;
• определение ожидаемых уровней звукового давления Lp в
расчетных точках;
• расчет необходимого снижения шума в расчетных точках;
• выбор мероприятий для обеспечения требуемого снижения
шума;
• определение строительно-акустических мероприятий по
защите от шума (с расчетом).
Акустический расчет выполняется для восьми октавных полос
со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц с точностью
до десятых долей децибела. Окончательный результат округляют до
целых значений. В зависимости от расположения источника шума
и расчетных точек (в свободном звуковом поле или в помещении)
применяют различные расчетные формулы.
Расчет уровня звукового давления при распространении звука
в свободном пространстве
Уровень звукового давления, создаваемого точечным
источником в расчетной точке, когда источник шума и расчетная точка
расположены в свободном звуковом поле (пространстве), определяется
по формуле
Lp= Lw+ 10 lg Ф - 10 lg (Q) - 20 Ig (r) -((W1000, (5.49)
где Lw — уровень звуковой мощности источника шума, дБ; Ф —
фактор направленности; 3 — пространственный угол излучения;
г — расстояние от центра источника до рабочей точки, м; —
коэффициент поглощения звука в воздухе при 20°С и относительной
влажности 60% (значения берутся из табл. 5.22). При г < 50 м
поглощение в воздухе не учитывается.
Таблица 5 22
/, Гц
W дБ/м
125
0,3
250
1,1
500
2,8
1000
5,2
2000
9,6
4000
25
8000
83
Пространственный угол Q для источника, находящегося в
свободном пространстве, равен 4л; для источников, расположенных на
поверхности территории или ограждающих конструкций
зданий, Q = 2л; в двугранном угле, образованном названными
поверхностями, Q = л; в трехгранном угле Q= л/2. Фактор направлен-
«•
164 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ности ф для источников с равномерным излучением равен единице.
Расчетные точки в открытом прбстранстве выбирают в зонах
постоянного пребывания людей, а также на расстоянии 2 м от плоскости
окон ближайших зданий, ориентированных на источники шума.
Расчет уровней звукового давления в помещении
с источником шума
По акустическим свойствам все помещения в зависимости от
соотношения их размеров (высоты Н, ширины С, длины D) могут быть
разбиты на три группы:
• соизмеримые с отношением размеров наибольшего к
наименьшему не более 5;
• плоские, у которых D/Н > 5 и С/Н > 4;
• длинные, у которых D/Н > 5 и С/Н < 4.
Если помещение непрямоугольное, то в расчете используют
усредненные размеры D, С, Н. В дальнейшем все расчетные формулы
приводятся для соизмеримых помещений. Уровень звукового
давления Lp, дБ, в рабочей точке, создаваемого в соизмеримом
помещении, в котором находится один источник шума, определяется по
формуле
f Lp = Lw + 10 lg^O/S + 4\|//B), (5 50)
где Ф - фактор направленности, см. (5.49); ф — эмпирический
коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля и
принимаемый в зависимости от отношения расстояния между
акустическим центром источника и расчетной точкой г к максимальному
габаритному размеру источника /тахпо графику рис. 5.32; S —
площадь воображаемой поверхности правильной геометрической
?
1 0
08
0 в
04
-
-
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 r//m
О 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 e/S0l
Рис 5 32 Эмпирический Рис 5 33 Коэффициент нарушения диф-
коэффициент фузности звукового поля
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 165
формы, окружающей источник и проходящей через расчетную точку
(методика определения S рассмотрена ниже), м2, \|/ —
коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в
помещении и определяемый по графику, приведенному на рис. 5 33, в
зависимости от отношения постоянной помещения В к площади
ограждающих поверхностей S которая определяется с учетом
площадей пола, потолка и стен помещения.
Постоянная помещения В, м2, находится из выражения
в = вюоо Мч
где IX — частотный множитель, определяемый по табл. 5.23; BlQ0Q —
постоянная помещения на средней геометрической частоте 1000 Гц,
которая выбирается в зависимости от объема и типа помещения:
• и/20 — для помещений без мебели с небольшим количеством
людей (металлообрабатывающие цехи, машинные залы,
испытательные стенды и т.д.);
• v/10 — для помещений с жесткой мебелью или с небольшим
количеством людей и мягкой мебелью (лаборатории, кабинеты и
т.д.);
• v/6 — для помещений с большим количеством людей и
мягкой мебелью (рабочие помещения административных зданий, жилые
комнаты и т.п.),
• v /1,5 — для помещении с звукопоглощающей облицовкой
потолка и части стен.
Таблица 5 23
Объем
помещения,
м^
и « 200
и = 200 500
и » 500
Значение множителя — при средней геометрической частоте, Гц
63
0,80
0,65
0,50
125
0,75
0,62
0,05
250
0,70
0,64
0,55
500
0,80
0,75
0,70
1000
1,00
1,00
1,00
2000
1,40
1,50
1,60
4000
1,80
2,40
3,00
8000
2,50
4,20
6,00
Расстояние г определяется между акустическим центром
источника шума и расчетной точкой. Акустический центр источника
шума, расположенного на полу, есть проекция его геометрического
центра на горизонтальную плоскость. Тогда
г = № + Л2)'/2,
где k — проекция расстояния между акустическим центром
источника шума и рабочей точкой на горизонтальную плоскость, м; h —
расстояние до расчетной точки от уровня пола, м.
166 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Площадь поверхности S, окружающей источник и проходящей
через рабочую точку, определяется выражением S = Or2 при
г > 2/тах. Как указывалось выше, для источника, находящегося в
свободном пространстве, пространственный угол Q = 4л, для
источников, расположенных на поверхности территории или
ограждающих конструкций зданий, Q - 2л, в двугранном угле, образованном
названными поверхностями, Q = л, в трехгранном угле Q = л/2.
При 2/тах > г
S = 2ah + Ibh + ab.
В этом случае поверхность излучения будет иметь форму
параллелепипеда, для которого
а = ап+ 2d, Ь = Ьи + 2d, h = hn + 2d,
где сп, bn, hn — ширина, длина и высота источника шума со стороны
рабочего места, м; d — проекция расстояния от расчетной точки
до края источника на горизонтальную плоскость.
Если в рассматриваемом помещении установлено несколько
разных источников, то ожидаемые уровни звукового давления от всех
источников в выбранных расчетных точках рассчитываются по
формуле
^P=10 1g
100,1Ч ф, • Ф/S, + (4у/В) Y, ю
о.и,,
, (5.51)
где Lw, ф,, Ф,, S,, \|/, В — то же, что и в (5.49) и (5.50) для г'-го
источника шума; п — общее число источников в помещении с
учетом среднего коэффициента одновременности работы
оборудования; т — число источников шума, ближайших к расчетной точке,
т.е. тех, для которых rt < 5rmm, где rmin — расстояние от расчетной
точки до акустического центра ближайшего к ней источника, м.
Если в рассматриваемом помещении установлено несколько
одинаковых источников шума, то ожидаемый уровень звукового
давления Lp, дБ, от всех источников в расчетной точке определяется
Lp = Lw + 10
X Ф/S, + 4V/S
= i
(5.52)
где Ly— уровень звуковой мощности, излучаемый одним
источником шума (Ф, принят равным 1).
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 167
Внутри помещения выбирают не менее двух расчетных точек в
зоне постоянного пребывания людей на высоте 1,5 м от уровня пола
или от основания рабочей площадки. При одном источнике шума в
помещении рабочая точка берется на рабочем месте. При
нескольких однотипных источниках первая рабочая точка выбирается в
средней части помещения, а вторая — в зоне постоянного
пребывания людей, не связанных с работой оборудования. Уровни шума во
второй расчетной точке определяются в большей степени
отраженной звуковой волной. Если имеется несколько различных
источников, отличающихся друг от друга по уровням звуковой мощности
более чем на 15 дБ хотя бы в одной октавной полосе, то на рабочих
местах берутся две расчетные точки: первая — у источника с
максимальным уровнем шума, вторая — у источника с минимальным
уровнем шума.
Расчет ожидаемых уровней звукового давления в помещении,
изолированном от источника шума
Источник шума может размещаться в смежном помещении, а
шум проникать в изолируемое помещение через ограждающие
конструкции. В этом случае ожидаемый уровень звукового давления Z,
дБ, в расчетной точке определяется по формуле
Lp= L^-10lgBul+ 10 1gSoprK-
- 10 lgSH - RK+ 10 lgm + 6, (5.53)
|де Вши Ви — соответственно постоянные шумного и изолируемого
помещений; RK — звукоизоляция однотипными ограждающими
конструкциями, через которые шум проникает в изолируемое
помещение, дБ; т — число разнотипных ограждающих конструкций;
,S0 — общая площадь однотипных ограждающих конструкций и
изолируемого помещения, м2 (например, общая площадь глухой
части стены, суммарная площадь окон и т.д.).
Суммарный уровень звуковой мощности L^, дБ, излучаемой не-
i колькими источниками, находящимися в данном шумном
помещении:
т
L^=10 1g?100I4, (5.54)
где i = 1,2, ..., п — количество источников.
При наличии одного источника в шумном помещении Lw= Lw .
168 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Расчет ориентировочного уровня звукового давления
в помещении
В некоторых случаях необходим ориентировочный расчет уровня
звука в расчетной точке. Для этого используется формула
LpA - LWA + 10 lg[l/(Qr2) + (4/mn^/3)100'1 ^ + V], (5.55)
где Lwk — корректированный уровень звуковой мощности
источника, дБА; Q, г — те же, что в формуле (5.49); v — объем
помещения, м3; Ап — поправка, принимаемая по рис. 5.34, дБА; А0 —
поправка учитывающая объем помещения, дБА (А0 = -1 при v <
< 200 м3, А0 = 0 при 200 < v < 1000 м3, Ао = +1,5 при v > 1000
м3); тп — коэффициент, учитывающий тип помещения: тп = 1 для
помещений с небольшим числом персонала (вентиляционные
камеры, генераторные, машинные залы), тп- 1,4 для
металлообрабатывающих цехов, т„ = 2 для постов управления лабораторий,
кабинетов, ткацких и деревообрабатывающих цехов, тп = 2,5 для
залов конструкторских бюро, помещений административных
зданий, аудиторий, т„ = 5 для помещений со звукопоглощающей
облицовкой потолка и части стен.
Лл, дБ А
?
О
-2
-4
2 4 6 8 10 12 1„-г.„,ДБ
Рис 5 34 График для определения An
Расчет требуемого снижения уровней звукового давления
Уровни звукового давления в расчетных точках не должны
превышать уровни, допустимые по нормам во всех октавных полосах со
средними геометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000,
4000, 8000 Гц. Требуемое снижение уровней звукового давления
AL Тр, дБА, определяется по формуле
L^^p Tp _ ^р ^рдоП>
где Lp — измеренный уровень звукового давления в рабочей точке
действующего предприятия или уровень, определяемый в расчет-
'Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 169
ных точках проектируемого предприятия; LpAon — уровни звукового
давления согласно допустимым нормам, определяемые по табл. 5.21.
При ориентировочной оценке уровня звука требуемое снижение
ALpTp, дБА, определяется из уравнения
где LpA рассчитывается по (5.55); Lpuon — допустимый
эквивалентный уровень звука (табл. 5.21).
Основные методы снижения шума
Методы борьбы с шумом принято подразделять на методы
снижения шума в источнике его образования и методы снижения шума
на пути распространения его от источника. Широкое применение
получили средства индивидуальной защиты от шума (приложение 5.5)
Общая классификация средств и методов защиты от шума
приведена в ГОСТ 12.1.029-80 «ССБТ. Средства и методы шума.
Классификация». Защита работающих от шума может осуществляться
как коллективными средствами, так и индивидуальными. В первую
очередь следует использовать коллективные средства, которые
подразделяются на акустические, архитектурные и
организационно-технические.
Средства снижения шума в источнике выбираются в
зависимости от происхождения шума. Для источников механического шума
это обеспечивается заменой возвратно-поступательного
перемещения деталей вращательным, заменой ударных процессов
безударными (клепку — сваркой, обрубку — фрезерованием), повышением
качества балансировки вращающихся деталей и класса точности
изготовления деталей, улучшением смазки трущихся поверхностей,
заменой материалов.
Для снижения аэродинамического шума используются
специальные шумопоглощающие элементы с криволинейными каналами.
Снизить аэродинамический шум можно улучшением
аэродинамических характеристик машин. Для борьбы с шумом, возникающим при
гидравлических ударах, необходимо правильно проектировать и
эксплуатировать гидросистемы. Кавитационные шумы снижаются
улучшением гидродинамических характеристик насосов и выбором
оптимальных режимов их работы.
Снижение электромагнитного шума осуществляется путем
конструктивных изменений в электромеханических системах
Мероприятия по снижению шума в источниках необходимо
разрабатывать на стадии проектирования машин и оборудования.
170 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Снижение шума на пути его распространения от источника в
значительной степени достигается проведением
строительно-акустических мероприятий. Основным нормативным документом,
устанавливающим требования к строительно-акустическим методам
борьбы с шумом, является СНиП 11-12-77 «Защита от шума»,
содержащий требования к проектированию средств шумопоглощения.
Под акустической обработкой помещения понимается
облицовка части внутренних ограждающих поверхностей
звукопоглощающими материалами, а также размещение в помещении штучных
поглотителей, представляющих собой свободно подвешиваемые
объемные поглощающие тела различной формы. Акустически
обработанные поверхности помещения уменьшают интенсивность
отраженных звуковых волн, что приводит к снижению шума в зоне
отраженного звука; в зоне прямого звука эффект акустической
обработки значительно ниже. Наибольший эффект наблюдается на
расстояниях от источника шума до расчетной точки, определяемых
неравенством г 3> ггр, где ггр = (В/8п)1/2 — граничное расстояние, м;
В — постоянная помещения до акустической обработки, м2.
Звукопоглощающая облицовка размещается на потолке и в
верхних частях стен (при высоте помещения не более 6...8 м) таким
образом, чтобы акустически обработанная поверхность составляла не
менее 60% общей площади ограничивающих помещение
поверхностей. В относительно низких (менее 6 м) и протяженных помещениях
облицовку рекомендуется размещать на потолке. В узких и очень
высоких помещениях целесообразно размещать облицовку на
стенах, оставляя только их нижние части (2 м высоты) необлицован-
ными. В помещениях высотой более 6 м следует предусматривать
устройство звукопоглощающего подвесного потолка.
Если площадь поверхностей, на которых возможно размещение
звукопоглощающей облицовки, мала, или конструктивно
невозможно выполнить облицовку на ограждающих поверхностях, то
применяются штучные звукопоглотители. В области средних и высоких
частот эффект от применения акустической облицовки может
составлять 6...15 дБ.
Снижение уровня звукового давления ALp, дБ, за счет установки
звукопоглощающей облицовки определяется по формуле
Мр= 10Jg(B,/B),
где В — постоянная помещения до акустической обработки, м2;
В[ — постоянная помещения после акустической обработки, м2.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 171
Постоянную помещения В{ рассчитывают по формуле
Вх = {АХ +М)/(1 -а,),
где Ах = а (S - So6jl) — эквивалентная площадь звукопоглощения
поверхностями без облицовки; а = В /(В + S) — средний
коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической
обработки; S — суммарная площадь внутренних ограничивающих
помещение поверхностей, м2; а, = {Ах +AA)/S —средний коэффициент
звукопоглощения помещения с установленной облицовкой;
&А = аобл ^обл+^шт" — суммарное добавочное поглощение,
вносимое конструкцией звукопоглощающей облицовки или штучными
поглотителями, м2; п — количество штучных звукопоглотителей в
помещении; аобл — реверберационный коэффициент
звукопоглощающих материалов облицовки, выбираемый согласно табл. 5.24; So6j] —
площадь облицовки, м2; Ашт — эквивалентная площадь
звукопоглощения одного штучного звукопоглотителя, м2 (табл. 5.25).
Таблица 5 24
Тип
звукопоглощающего материала
Плита «Силакпор»
Акустические
гипсовые плиты марки АГП
Минераловатные
плиты акустические
марки ПА, ПА/С
ПА/О
Маты из капронового
волокна
Акустический войлок
Реверберационный коэффициент материалов при
средней геометрической частоте октавной полосы, Гц
125
0,23
0,16
0,05
0,07
0,31
0,15
250
0,39
0,39
0,28
0,23
0,55
0,22
500
0,47
0,75
0,60
0,81
0,82
0,54
1000
0,55
0,66
0,93
0,93
0,79
0,63
2000
0,64
0,47
0,88
0,83
0,72
0,57
4000
0,71 ,
0,34
0,83
0,67
0,8
0,52
8000
0,74
0,30
0,80
0,6
0,8
0,5
Таблица 5 25
Средняя геометрическая
частота октавной полосы, Гц
Эквивалентная площадь
звукопоглощения, м2
63
0,14
125
0,4
250
0,75
500
1,23
1000
1,14
2000
1,05
4000
0,82
8000
0,67
В том случае, когда в расчетную точку попадает как прямой, так
и отраженный звук (г <К ггр), и в помещении установлено оборудо-
172 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вание, излучающее одинаковую звуковую мощность, то снижение
шума благодаря акустической обработке определяют по формуле
т
? ф/S, + An/В
AZ, = 10 1gi^ . (5.56)
3>/S4 + 4n/Bi
1 = i
Здесь все переменные те же, что и в (5.51).
Методами звукоизоляции возможно изолировать источник шума
или помещение от шума, проникающего извне. Звукоизоляция
достигается созданием на пути распространения шума герметичной
преграды в виде стен, кабин, кожухов, экранов. Звукоизолирующие
свойства ограждения, установленного на пути распространения
звука, характеризуются величиной, называемой собственной
изоляцией ограждения воздушного шума или просто звукоизоляцией
ограждения
В тех случаях, когда нужно уменьшить шум, проникающий из
шумного помещения в тихое, устанавливают звукоизолирующее
ограждение, требуемая звукоизоляция R дБ, которого определяется
из выражения
Дтр = Lp0KT - 10 lg Вп + 10 lg Sorp - Laon, (5.57)
где LpoKT — октавные уровни звукового давления в шумном
помещении, дБ; Вп — постоянная помещения, смежного с шумным, м2,
Sor — площадь ограждения (общего для шумного и изолированного
помещений), м2; Lmn — допустимые октавные уровни звукового
давления в изолируемом помещении, дБ.
В случае штучных звукопоглотителей необходимо учитывать их
акустические характеристики Звукоизоляция однородной
перегородки может быть определена по формуле
R = 20 lg (mQf) - 47,5, (5.58)
где т0 — масса 1 м2 ограждения, кг; / — частота, Гц.
Однако эта формула применима не во всем диапазоне частот,
поскольку в ней не учитывается влияние жесткости и
геометрических размеров перегородки. Расчет изоляции плоского однослойного
ограждения состоит в определении частотной характеристики
звукоизолирующей способности этого ограждения. Расчет
звукоизолирующей способности тонкостенных ограждений из металла, стек-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 173
Рис 5 35 Частотная характеристика я
однослойных плоских ограничителей шума
f
ла и других материалов чаще всего проводится
графоаналитическим методом. Частотная характеристика для таких ограждений
имеет вид ломаной линии ABCD (рис. 5 35). Координаты точек В и
С (/в и /с)находят по табл. 5.26 в зависимости от толщины
ограждения Ь, мм. Из точки В проводят влево вниз прямую ВА с наклоном
4 дБ на октаву, из точки С — вправо вверх прямую CD с подъемом
8 дБ на октаву. По полученному графику определяют звукоизоляцию
ограждения. Выбранные ограждающие конструкции отвечают
требованиям норм, если во всех октавных интервалах в диапазоне
63...8000 Гц значение звукоизоляции не менее требуемых значений,
определенных по формуле (5.58).
Таблица 5 26
Материал
Сталь
Алюминиевые сплавы
Стекло силикатное
Асбесто-цементные плиты
Сухая гипсовая штукатурка
/в, Гц
6000/6
6000/6
8000/6
17 000/6
11 000/6
Л, дБ
39
32
35
37
36
/с, дБ
12 000/6
6000/6
16 000/6
34 000/6
22 000/6
Я, дБ
31
22
29
30
30
Для многослойных ограждений частотные характеристики
звукоизолирующей способности приведены в [4]. На определенных
частотах, называемых критическими, звукоизолирующие свойства
ограждений резко ухудшаются. Для материала ограждения
критическая частота
/кр = 6,4 • 104 /(Ьспр), (5.59)
где b — толщина ограждения, м; спр — скорость продольной волны
в пластике, м/с (по справочникам).
Эффективным средством защиты работающих от шума
оборудования является устройство звукоизолированных кабин и постов
управления. Такие кабины представляют собой изолированные поме-
/4^
в
^С
D
174 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
щения, выполненные, как правило, из кирпича, бетона, шлакобетона
или сборных металлических панелей. Требуемую звукоизоляцию
ограждающими конструкциями кабин и постов управления определяют
по (5.58). Подбор конструкции и расчет звукоизоляции производится
аналогично выбору и расчету звукоизолирующего ограждения.
Одним из наиболее эффективных средств уменьшения шума
оборудования является устройство звукоизолирующих кожухов,
полностью закрывающих источник шума. Это позволяет значительно
снизить шум в непосредственной близости к источнику. Кожухи
могут быть съемными и разборными, иметь смотровые окна,
открывающиеся двери, а также проемы для ввода коммуникаций. Стенки
кожуха выполняются из листовых несгораемых или
трудносгораемых материалов (стали, дюралюминия, пластмасс). Внутренняя
поверхность кожуха обязательно должна облицовываться
звукопоглощающими материалами толщиной 30...50 мм для повышения его
эффективности. Стенки кожуха не должны соприкасаться с
изолируемой машиной.
Требуемая эффективность звукоизолирующего кожуха ALK T ,
дБ, определяется по формуле
А^к тр = L* ~ ^доп + 5,
где L — рассчитанный уровень звукового давления в расчетной
точке, дБ; /,доп — допустимый уровень по нормам, дБ.
При проектировании необходимо обеспечить такое снижение
шума кожухом ALK, которое было бы не меньше требуемого AL .
Звукоизолирующая способность кожуха ALK, дБ, зависит от
звукоизоляции его стенок, размеров, наличия и качества
звукопоглощающей облицовки и приближенно может быть определена по формуле
ALK = R + 10 lgcc, (5.60)
где R — звукоизоляция стенок кожуха, определяемая графическим
способом путем изображения ее в виде ломаной линии, построенной
аналогично линии ABCD на рис. 5.35, дБ; а — реверберационный
коэффициент звукопоглощения выбранной конструкции облицовки
внутренней поверхности кожуха.
При отсутствии внутренней звукопоглощающей облицовки
кожуха второе слагаемое 10 lg а в (5.60) следует заменить на
10 lg (SHCT/SK), где SHCT — площадь поверхности источника; SK —
площадь поверхности кожуха.
Если звукоизолирующая способность стенки кожуха ниже
требуемой, то следует увеличить толщину стенки, заменить материал
кожуха или звукопоглощающий материал.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 175
В ряде случаев достаточное снижение шума оборудования
достигается применением акустических экранов, отгораживающих
наиболее шумные агрегаты или участки от соседних рабочих мест.
Использование акустических экранов целесообразно, когда в
расчетной точке уровень звукового давления прямого звука
значительно выше, чем отраженного. Экраны изготавливают из стальных или
алюминиевых листов толщиной 1,5...2 мм. Листы облицовывают
звукопоглощающим материалом толщиной не менее 50 мм. В
акустически необработанных помещениях снижение уровня шума
экраном составляет обычно не более 2...3 дБ. Эффективность экрана
повышается при облицовке звукопоглощающими материалами
прежде всего потолка. помещения. Для оценки среднего по частоте
снижения уровня звукового давления экранами при определенных
соотношениях их высоты и высоты помещения и различных
способах установки звукопоглощающей облицовки используются
данные [9].
Основные методы и средства защиты от шума
Основными характеристиками звукоизоляции при
использовании плотных преград являются масса преграды и частота звука. Чем
больше масса конструкции, тем лучше ее звукоизоляционные
свойства, и чем выше частота изолируемого звука, тем больше эффект
звукоизоляции при той же массе конструкции. Акустические
свойства конструкции, не имеющей отверстий и щелей, определяются в
основном коэффициентами аир, коэффициент т имеет значение в
десятки раз меньше по сравнению саи(3 (см. § 5.2).
Конструкции промышленной звукоизоляции могут иметь
отдельные участки с более низкой звукоизоляцией, чем у основной
конструкции. Такими участками являются щели, технологические
отверстия, иллюминаторы, смотровые окна, двери и т.д. В этом случае
акустические свойства конструкции определяются коэффициентом
прохождения (см. § 5.2). Участки с низкой звукоизоляцией,
значительно снижающие общую звукоизоляцию всей конструкции,
называются акустическими отверстиями.
По особенностям передачи звуковой энергии акустические
отверстия разделяют на большие и малые. Большое акустическое
отверстие характеризуется большим в сравнении с единицей
отношением линейного размера отверстия к длине А, падающей на
отверстие звуковой волны. Практически можно считать, что звуковые
волны проходят через большое акустическое отверстие по законам
176 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
геометрической акустики, и прошедшая через отверстие звуковая
энергия пропорциональна его площади. Большими акустическими
отверстиями в конструкциях промышленной звукоизоляции
являются открытые или закрытые иллюминаторы, окна, двери, люки,
панели с малой звукоизоляцией, вентиляционные проходы и т.д. Малые
акустические отверстия характеризуются малым в сравнении с
единицей отношением линейных размеров отверстия к длине X
падающей волны. В этом случае нельзя пренебречь дифракционными
эффектами (законы геометрической акустики здесь уже
неприменимы), в связи с чем через малое акустическое отверстие при
нормальном падении звуковых волн может проходить гораздо меньще
звуковой энергии, чем содержится в падающих на отверстие звуковых
волнах. Если в звукоизоляции имеется большое количество малых
акустических отверстий (небольшие неплотности конструктивных
соединений панелей с каркасом; щели в притворах дверей,
иллюминаторов и окон; зазоры в местах прохода коммуникаций, валов и
т.д.), то они значительно ухудшают общую звукоизоляцию этих
конструкций. Повышение эффективности промышленной
звукоизоляции часто состоит именно в ликвидации малых акустических
отверстий.
Понятия «большое» или «малое» акустическое отверстие
определяются отношением линейных размеров отверстия к длине
звуковой волны X и, следовательно, зависят от частоты звука f. Поэтому
одно и то же отверстие может обладать свойствами большого
акустического отверстия в области высоких частот и свойствами
малого — в области низких частот.
Влияние большого акустического отверстия в пластине на ее
общую звукоизоляцию покажем на следующем примере. Если
звуковые волны падают на пластину по нормали к ней и излучаются за
пластиной по законам геометрической акустики, а энергию
звуковых волн, прошедших через пластину и отверстие, можно
суммировать и усреднять по площади пластины на достаточном расстоянии
от нее, то общая звукоизоляция пластины с акустическим
отверстием определяется звукоизоляцией пластины без отверстия R$ и
звукоизоляцией акустического отверстия AR0 (при большом отверстии
ДД0 = 0), т.е.
R = RS + AR0 = 10 1g(/,//2) =
= 10 lg [/1(S+S0)/(/2SS +/2oS)], (5.61)
дя0= io-ig[(i+s0/s)io°-6(*s~*°)/U+s0/s)],
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 177
где /[ — интенсивность звуковых волн, падающих на пластину со
звукоизоляцией Rs и акустическим отверстием в пластине со
звукоизоляцией R0, /2 — усредненная по площади интенсивность
звуковых волн, прошедших через пластину с отверстием; /2S —
интенсивность звука; прошедшего через пластину площадью S за вычетом
отверстия; /2о — интенсивность звука, прошедшего только через
акустическое отверстие площадью S0.
Из приведенных выше формул видно, что одно и то же
акустическое отверстие уменьшает общую звукоизоляцию пластины тем
сильнее, чем больше собственная звукоизоляция пластины Rs.
Поэтому при большой звукоизоляции основных конструкций необходимо
увеличивать звукоизоляцию смотровых окон, дверей, люков и лазов
и других больших акустических отверстий в этой конструкции.
В частном случае, когда большое акустическое отверстие
занимает малую площадь по сравнению с площадью пластины (S0/S<1)
и звукоизоляция отверстия равна нулю (например, открытый
иллюминатор в звукоизолированном боксе машины на высоких частотах),
то при достаточно большой собственной звукоизоляции пластины
общая звукоизоляция преграды со сквозным отверстием
определяется выражением
/?*10 1g(S0/S). (5.62)
В этом случае общая звукоизоляция пластины зависит только
от площади отверстия S0 (площадь пластины постоянна) и не
зависит от собственной звукоизоляции пластины. Именно поэтому
сквозные акустические отверстия могут свести на нет все усилия по
созданию высокой звукоизоляции.
Малое отверстие в очень тонкой пластине излучает всегда одно
и то же количество энергии независимо от угла падения звуковых
волн, в то время как падающая на отверстие звуковая энергия
пропорциональна косинусу угла падения. Поэтому в диффузном
звуковом поле, когда звуковые волны одновременно падают под
всевозможными углами, малое акустическое отверстие может пропускать
гораздо больше звуковой энергии, чем это соответствует его
площади. Для малого акустического отверстия (S0/S<\)
&R0 = 10 lg (1+ cpS0/S) 100,"Ч (5.63)
где ф = 3...10 — безразмерный коэффициент, учитывающий
усиление звука в условиях диффузного поля и зависящий от глубины,
формы отверстия и от частоты; в расчетах звукоизоляции пластин,
панелей и т.д. рекомендуется принимать ф = 10.
178 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Идеальным случаем является отсутствие в конструкциях малых
акустических отверстий. Если звукоизолирующая пластина имеет
несколько отверстий, то выражение (5.63) принимает вид
AR= 10 1g(l + cp,Sol/S) ¦ 10а,й* + (cp2So2/S)- Ю0,1Й* +
+ ... + (фД^/S) ¦ Юа'Ч (5.64)
где Sol, So2, ..., Son — площади акустических отверстий; фь ф2, ...,
ф„ — безразмерные коэффициенты.
Для увеличения звукоизоляции акустического отверстия
необходимо уменьшить площадь отверстия, увеличить его глубину,
заполнить отверстие звукоизолирующим материалом.
Одним из эффективных средств снижения шума является
применение в конструкциях звукопоглощающих материалов
(приложение 5.6). Эффективность звукопоглощающих материалов по
уменьшению шума определяется их коэффициентом звукопоглощения а.
Для мягких пористых материалов а = 0,2 ..0,9. Для плотных и
твердых материалов (кирпич, дерево) а составляет сотые доли единицы.
Акустические свойства помещения зависят от количества и
качества размещенного в нем звукопоглощающего материала и от его
коэффициента звукопоглощения а.
Полное звукопоглощение материала
А = otS,
где S — площадь данного материала, м2.
Общее суммарное звукопоглощение помещения Лобщ
определяется суммой полных поглощений отдельных поверхностей этого
помещения:
п
<4о6щ = <\р ? S, = a,S, + a2S2 + ... + anSn, (5.65)
i = i
где acp — средний коэффициент звукопоглощения:
п п
аср = X <*, V? S„ (5.66)
1=1 i=i
где ос, — коэффициент звукопоглощения г'-й поверхности; Sh S2,...,
Sn — площади поверхностей помещения; at, a2, ..., a„ — коэффи-
п
циенты звукопоглощения отдельных поверхностей; V S, — пол-
< = 1
ная площадь поверхностей помещения.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 179
В табл. 5.24 приведены значения реверберационного
коэффициента некоторых звукопоглощающих материалов для внутренней
облицовки помещений.
Согласно ГОСТ 23499-79, звукопоглощающие материалы
классифицируются по форме, жесткости, возгораемости и структуре.
Звукопоглощающие материалы делятся по форме на: штучные (балки и
плиты), рулонные (маты, холсты, прокладки), рыхлые и сыпучие
(вата и сыпучие наполнители). По жесткости звукопоглощающие
материалы и изделия подразделяются на мягкие, полужесткие и
твердые; по возгораемости — на несгораемые, трудносгораемые и
сгораемые; по структуре — на пористоволокнистые (из минеральных,
стеклянных, базальтовых и других волокон), пористоячеистые (из
ячеистого бетона и перлита), пористогубчатые (пенопласты, пористые
резины). Ниже приведены сведения о некоторых звукопоглощающих
материалах, выпускаемых отечественной промышленностью.
Изделия звукопоглощающие марки БЗМ представляют собой
маты из базальтовой ваты с волокнами 1...3 мкм в оболочке из
стеклоткани или из кремнеземной ткани, прошитые
соответствующими нитками. Толщина матов 30, 50, 100 и 200 мм; размеры —
500x500 мм, 500x1000 мм; объемная масса материала 17...
25 кг/м3. Температурный диапазон применения -40...+450°С с
оболочкой из стеклоткани и -40...+700°С с оболочкой из кремнеземной
ткани. Маты негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ.
Холсты из микро-, ультра- и супертонких стекломикрокристалли-
ческих штапельных волокон из горных пород. Обладают свойствами,
аналогичными звукопоглощающим изделиям марки БЗМ. Толщина
холстов 300 мм. Размеры: длина 1100...2100 мм, ширина 500...
1200 мм. Объемная масса 1,9...10 кг/м3; с поджатием — до 20 кг/м3.
Маты из супер- и ультратонкого стеклянного волокна СТВ
представляют собой многослойные холсты из перекрученных
штапельных волокон диаметром не более 3 мм, удерживаемых между собой
силами естественного сцепления. Получаются из стекла щелочного
состава под действием раздува горячими газами. Объемная масса
8... 10 кг/м3. Размеры мата 1100 х 600 мм2, толщина 40, 50 и 60 мм.
Температурный диапазон применения — до 450°С. Материал
негорючий, разрушается под действием влаги (после обработки
водоотталкивающей добавкой ГКЖ-94 может применяться в условиях
повышенной влажности), биостойкий, не выделяет токсичных веществ.
Маты теплозвукоизоляционные марки ATM-10 изготавливаются
из холстов ультра- и супертонкого стекломикрокристаллического
180 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
штапельного волокна из горных пород и используются в интервале
температур -200...+900°С. В зависимости от облицовочного
материала применяются маты ATM-10 трех типов:
• АТМ-10к — облицованные с обеих сторон кремнеземной
тканью;
• ATM-Ют — облицованные с обеих сторон термостойкой
кремнеземной тканью (термостойкие);
• ATM-Юс и ТМ-10 — облицованные с двух сторон стеклянной
тканью.
В промышленной звукоизоляции чаще всего применяют маты
марок АТМ-10с и ТМ-10. Эти маты выпускаются толщинами 5, 16,
15, 20, 30, 50, 60 мм. Размеры матов ATM-Юс и ТМ-10: длина
1100 мм, ширина 600 мм. Объемная масса 20...50 кг/м3. Маты
негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют токсичных
веществ.
Поропласт полиуретановый эластичный марки ППУ-ЭТ
представляет собой газонаполненную пластмассу пористой структуры.
Объемная масса 40 кг/м3. Выпускается в виде пластин длиной
2000 мм, шириной 400, 850 и 1000 мм и толщиной от 5 до 300 мм..
Температурный диапазон применения в необитаемых помещениях
15...100°С; в обитаемых — от 15 до 60°С. Материал влагостойкий
и биостойкий, трудносгораемый. В процессе горения выделяются
токсичные вещества, что ограничивает применение этого материала.
Все эти материалы являются лучшими звукопоглощающими
материалами, одновременно они выполняют функции теплоизоляции.
Однако стоимость их достаточно высока, поэтому на практике
получили широкое применение более дешевые звукопоглощающие
материалы.
Звукопоглощающие плиты «Силакпор», изготавливаются из
ячеистых бетонов автоклавного твердения, имеют пористую структуру
и лицевой слой различной фактуры с неглубокой перфорацией,
окрашенный в различные цвета. Толщина плиты 40 и 45 мм. Размеры:
400x400 и 450x450 мм. Средняя объемная масса 345 кг/м3.
Плиты негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ.
Акустические гипсовые плиты марки АГП состоят из наружной
перфорированной гипсовой панели, укрепленной ребрами
жесткости, между которыми находится звукопоглотитель из минеральной
или стеклянной ваты, оклеенный с тыльной стороны плиты фольгой.
Коэффициент перфорации панели 12... 15%. Толщина плит 30, 40 и
50 мм, размеры: 600x600 и 810x810 мм. Очень технологичны в
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 181
изготовлении. Плиты трудногорючие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ. Применяются в помещениях с относительной
влажностью не выше 70%. Плиты марки АГП широко используются
для снижения шума и улучшения акустики помещений.
Минераловатные плиты акустические марки ПА
изготавливаются из минеральной ваты марки ВФ-75 и синтетического связующего
в виде композиции поливинилацетатной эмульсии и фенолспиртов.
Синтетическое связующее фиксирует пористость структуры,
полужесткий или жесткий скелет при плотности плит 120... 200 кг/м3.
Изготавливают плиты двух типов: ПА/С — стандартные, ПА/О —
особые. Лицевая поверхность выполняется с несквозной
перфорацией (ПА/О) или с отделкой «набрызгом» (ПА/С). Размер плиты
20 х 500 х 500 мм3. Плиты трудногорючие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ, применяются в помещениях с относительной
влажностью не выше 70%.
В качестве звукопоглощающих материалов могут
применяться также теплоизоляционные плиты из минеральной ваты
(ГОСТ 9573-82), минеральные прошивочные маты из металлической
сетки марки МП/С, войлок из поливинилхлоридных волокон, плиты
из поливинилхлоридного поропласта марки «Винипор», войлок
грубошерстный технический (ГОСТ 6419-81), войлок
полугрубошерстный технический (ГОСТ 6308-71) и другие материалы,
используемые в качестве теплоизоляционных.
Среди применяющихся в качестве звукопоглощающих
материалов в настоящее время наилучшими являются маты и холсты из
базальтового волокна с объемной массой около 20 кг/м3 и
толщиной волокон около 2 мкм. В промышленной звукоизоляции они часто
используются в виде звукопоглощающих облицовок толщиной
20... 100 мм — звукоизолирующей преграды как со стороны
источника звука, так и со стороны рабочего места. Перспективным зву-
копоглотителем является также легкий, эластичный,
трудногорючий пенополиуритан с заглушёнными порами. Он хорошо
сохраняет форму, технологичен в изготовлении и обладает высокими
звукопоглощающими свойствами. Наиболее часто его применяют в
звукопоглощающих кожухах машин.
Для помещений с объемом V, м3, не обработанных специальными
звукопоглощающими материалами, полное звукопоглощение
определяется по следующей формуле:
Л, - 0,35 1^/з
С помощью звукопоглощающих материалов акустические
свойства помещения можно приблизить к условиям свободного звуково-
182 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
го поля. С этой целью поверхности помещения облицовывают
специальными звукопоглощающими материалам.
Если в свободном звуковом поле ослабление звуковой энергии
по мере удаления от источника звука прямо пропорционально
квадрату расстояния от источника, то в закрытом помещении, даже не
облицованном звукопоглощающими материалами, этот закон
распространения звука нарушается, и только на небольших
расстояниях от источника, где энергия прямых звуковых волн значительно
превышает энергию отраженных, звуковая энергия уменьшается с
увеличением расстояния от источника. На некотором расстоянии от
источника энергия прямой волны становится равной энергии
отраженной волны, поэтому при дальнейшем увеличении расстояния от
источника сила звука в помещении не убывает.
Увеличивая звукопоглощение в помещении путем облицовки его
поверхностей материалами с большим коэффициентом а, можно
заметно ослабить энергию отраженных звуковых волн, а
следовательно, и шумность помещения. Ослабление шума в помещении при
увеличении звукопоглощения стен рассчитывается по формуле
AL= Wlg(A2/Al) = 10 1g(a,/a2),
где А2иАх — полное звукопоглощение помещения соответственно
до и после внесения звукопоглощающих материалов; щ и а2 —
коэффициент звукопоглощения помещения соответственно до и после
внесения звукопоглощающих материалов.
В помещении, ограничивающие поверхности которого имеют
аср= 0,02...0,03, источник шума будет создавать шум примерно на
15 дБ выше по сравнению с шумом того же источника,
установленного в том же помещении, но облицованном звукопоглощающим
материалом с аср = 0,9. Эффективность звукопоглощающих
материалов по уменьшению шума в помещениях тем выше, чем меньше
объем помещений.
В ряде случаев при решении задач по звукоизоляции в бытовых
и производственных помещениях можно пользоваться упрощенной
методикой расчета звукоизолирующей способности различных
перегородок между смежными помещениями. Принимая в качестве
исходных данных L\ и L2 — средние уровни шума соответственно до
и после звукоизолирующих перегородок, определим
звукоизолирующую способность перегородки из соотношения
R = Ll-L2=lO\g(S/Ao6u),
где S — площадь звукоизолирующей перегородки, м2; Аобщ —
общее звукопоглощение в тихом помещении, м2; рассчитывается
аналогично (5.65).
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 183
В табл. 5.27 приведены характеристики некоторых
звукоизолирующих материалов, которые достаточно широко применяются на
практике.
Таблица 5.27
Звукоизолирующий материал
ограждения
Бетон и железобетон
Бетон и железобетон
Кирпичная кладка 1 кирпич
То же 1,5 кирпича
Гипсовые перегородки из двух плит
Гипсовые перегородки с воздушным
промежутком между ними 60 мм
Перегородка из железобетонных блоков
Стальной лист
То же
Деревянная оштукатуренная стенка
Стекло
Толщина,
мм
50
- 100
250
380
80
80
9
0,7
2
40
4
Средняя
звукоизолирующая
способность, дБ
44
47
43
49
44
49
42
25
33
32
28
При расчете звукоизоляции ограждения R используют
эмпирические выражения, приведенные в табл. 5.28. Рассмотрим случай,
когда уровень шума на рабочем месте составляет 120 дБ. Оценить
эффективность звукоизоляции стены, отделяющей смежное
помещение и выполненной из кирпича толщиной 370 мм и массой 834 кг 1 м2
кладки. Используя данные табл. 5.28, определяем звукоизоляцию
R = 23 \g т - 9 = 23 lg 834 - 9 = 58 дБ.
Следовательно, уровень шума в смежном помещении
L = Lx-R= 120-58 = 62 дБ.
Таблица 5 28
Вид ограждений
Сплошные ограждения 1 м2, имеющие массу т
материала меньше 200 кг
Сплошные ограждения 1 м2, имеющие массу т
материала более 200 кг
Двойное ограждение 1 м2 и массами первой и второй
перегородок, соответственно, /я, и m2* кг. с воздушной
прослойкой 80 100 мм
Эмпирическое
выражение для расчета
R = 13,5 Igm - 13
R = 23 \gm - 9
/? = 26 Ig(w| - т.4) - 6
При необходимости для определения требуемой звукоизоляции
с помощью ограждающих конструкций можно пользоваться
соотношением
184 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
R = Ll-LA, La = L„- (5...10), (5.67)
где Lx — уровень шума в шумном помещении; LA — допустимый
уровень шума, проникающего в тихое помещение; LH — нормируемый
уровень шума для соответствующего помещения (см. табл. 5.21).
В случае облицовки звукопоглощающими материалами и при
требуемом снижении уровня шума AL в помещении с помощью
звукопоглощающего покрытия (материала)
Й = Lj - AL - Lv
AL = 10 lg[a2S2/(a1S,)], (5.68)
где a[,a2 — коэффициенты звукопоглощения внутренними
поверхностями помещения до и после применения звукопоглощающей
изоляции соответственно (табл. 5.29); остальные величины были
определены в вышеприведенных формулах.
Таблица 5.29
Материал
Железобетон
Гипсолитовые плиты
Штукатурка
Метлахская плитка
Металлические воздуховоды
Шлакоалебастровые плиты
Кирпичная кладка
a
0,015
0,020
0,025
0,025
0,027
0,032
0,032
Материал
Штукатурка акустическая толщиной
35 мм
Стальные перфорированные листы с
прослойкой из минеральной ваты
толщиной 25 мм
Шерстяной войлок толщиной 25 мм
Стальные перфорированные листы с
прослойкой из асбестовой ваты
толщиной 100 мм
Доски толщиной 5 мм
Асбестовый войлок
Штукатурка по металлической сетке
a
0,310
0,480
0,550
0,790
0,310
0,060
0,033
Следовательно, если, например, перед нами поставлена задача
подбора конструкции стенок вентиляционной камеры с целью
снижения уровня шума от вентилятора с Lx = 85 дБ до L2 = 45 дБ, то
согласно (5.67) допустимый .уровень шума, проникающего в
смежное помещение La = LH - 5 = 45 - 5 = 40 дБ.
Несложно убедиться, что в случае устройства ограждающей
перегородки из кирпича
R = L, - La = 85 - 40 = 45 дБ.
Согласно табл. 5.30, для кирпичной кладки (при т > 200 кг/м2)
R = 23 \gm - 9,
следовательно, lg Р = (/? + 9)/23 = 2,35, откуда масса т 1 м2 кладки
должна быть равна 224 кг.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 185
Используя данные табл. 5.30, можно рассчитать толщину
стен, выполненных из кирпича и удовлетворяющих необходимым
требованиям по звукоизоляции. В рассматриваемом случае при
Y = 1800 кг/м3 толщина кирпичной стены должна быть
b = m/1800 = 224/1800 = 0,125 м =125 мм, т.е. 0,5 кирпича.
Таблица 5.30
Звукоизолирующий материал
Кирпичная стена, имеющая объемную
массу — у = 1800 кг/м3, толщиной 0,5 кирпича
То же толщиной 1 кирпич
То же толщиной 1,5 кирпича
То же толщиной 2 кирпича
То же толщиной 2,5 кирпича
Шлакобетонная стена, имеющая объемную
массу у = 1000 кг/м3
То же
Железобетонная стена, имеющая объемную
массу у = 2400 кг/м3
То же
Толщина,
мм
120
250
380
510
640
40
70
120
150
70
150
Масса
1 м2, кг
216
450
685
920
1150
40
70
120
150
168
240
Я. дБ
44
52
56
59
61
34
38
41
43
43
46
ЛИТЕРАТУРА
1. Астахов Н.В. и др. Вибрации и шум электрических машин. М/ МЭИ,
1984.
2 Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах. М : Радио и связь,
1981.
3. Медведев В.Т. и др. Методы и средства защиты от шума. М.. МЭИ, 1997.
4. Каралюнец А.В., Корочков В.В. Методы и средства снижения шума на
производстве. М.: МЭИ, 1992.
5. Янг С, Эллисон А. Измерение шума машин. М . Энергоатомиздаг, 1988.
6. ГОСТ 27818-88 Допустимые уровни шума на рабочих местах и методы
определения.
7. Радиовещание и электроакустика / Под ред. М.В. Гитлица М/ Радио
и связь, 1989.
8. Контроль шума в промышленности / Под ред Дж.Д Вебба; Пер. с англ.
под ред. И И. Боголепова. Л.: Судостроение, 1961.
9. Борьба с шумом на производстве Справочник / Под ред. Е.Я Юдина.
М/ Машиностроение, 1985
10. Тупое В.Б., Рихтер Л.А. Охрана окружающей среды от шума
энергетического оборудования. М/ Энергоатомиздат, 1993.
11 Рыбальский Н.Г. и др. Экология и.безопасность М.ВНИИПИ, 1992
186 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Приложение 5.1
Допустимые уровни звука в помещениях жилых и общественных
зданий на территории жилой застройки [Л]
Назначение помещений и территорий
Палаты больниц и санаториев
Кабинеты врачей поликлиник, амбулаторий,
диспансеров, больниц, санаториев
Классные помещения, учебные кабинеты,
учительские комнаты, аудитории школ и других
учебных заведений, конференц-залы,
читальные залы библиотек
Жилые комнаты квартир, жилые помещения
домов отдыха, пансионатов, домов-интернатов
для престарелых и инвалидов, спальные
помещения в детских дошкольных учреждениях и
школах-интернатах
Номера гостиниц и жилые комнаты общежитий
Залы кафе, ресторанов, столовых
Торговые залы магазинов, пассажирские залы
аэропортов и вокзалов, приемные пункты
предприятий бытового обслуживания
Территории, непосредственно прилегающие к
зданиям больниц и санаториев
Территории, непосредственно прилегающие к
жилым домам, зданиям поликлиник,
амбулаторий, диспансеров, домов отдыха, пансионатов,
домов-интернатов для престарелых и
инвалидов, детских дошкольных учреждений, школ и
других учебных заведений, библиотек
Территории, непосредственно прилегающие к
зданиям гостиниц и общежитий
Площадки отдыха на территории больниц и
санаториев
Площадки отдыха на территории микрорайонов
и групп жилых домов, домов отдыха,
пансионатов, домов-интернатов для престарелых и
инвалидов, площадки детских дошкольных
учреждений, школ и других учебных заведений
Время суток
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 21 ч
То же
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
То же
С 7 до 23 ч
То же
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
То же
Уровень
звука,
дБ
35
25
35
40
40
40
45
55
60
45
55
45
60
50
55
45
Максимальный
уровень
звука, дБА
50
40
50
55
55
45
60
70
75
60
70
60
75
65
50
60
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 187
Приложение 5.2
Снижение уровня шума различными видами зеленых насаждений 111 ]
Ширина
полосы, м
10
15
15
20
20
25
30
Конструкция и дендрологический состав полосы
Три ряда лиственных деревьев —• клена остролистного, вяза
обыкновенного, липы мелколистной, тополя
бальзамического (в рядовой конструкции посадок), с кустарником в живой
изгороди и подлеском из клена татарского, спиреи калино-
листной, жимолости татарской
Четыре ряда лиственных деревьев —¦ липы мелколистной,
клена остролистного, тополя бальзамического (в рядовой
конструкции посадок), с кустарником в двухъярусной живой
изгороди и подлеском из акации желтой, спиреи калино-
листной, гордовины, жимолости татарской
Четыре ряда хвойных деревьев — ели, лиственницы
сибирской (в шахматной конструкции посадок), с кустарником в
двухъярусной живой изгороди из дерна белого, клена
татарского, акации желтой, жимолости татарской
Пять рядов лиственных деревьев —липы мелколистной,
тополя бальзамического, вяза обыкновенного, клена
остролистного (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в живой изгороди и подлеском из спиреи калино-
листной, жимолости татарской, боярышника сибирского
Пять рядов хвойных деревьев — лиственницы сибирской,
ели обыкновенной (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в двухъярусной живой изгороди и подлеском
из спиреи калинолистной, акации желтой, боярышника
сибирского
Шесть рядов лиственных деревьев — клена остролистного,
вяза обыкновенного, липы мелколистной, тополя
бальзамического, (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в живой изгороди и подлеском из дерна белого,
боярышника сибирского, клена татарского
Семь-восемь рядов лиственных деревьев —липы
мелколистной, клена остролистного, тополя бальзамического,
вяза обыкновенного, (в шахматной конструкции посадок),
с кустарником в живой изгороди и подлеском из клена
татарского, жимолости татарской, боярышника сибирского,
дерна белого
Снижение
уровня
шума, дБА
4,..5
5...6
8..10
6...7
9..11
7..8
8...9
188 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Приложение 5.3
Допустимые уровни шума на территориях различного назначения
Территория
Селитебные зоны населенных мест
Зоны массового отдыха
Территории сельскохозяйственного назначения
Заповедники и заказники
Допустимые уровни шума, дБА
Ночь
45
35
45
До 30
День
60
50
50
До 35
Приложение 5.4
Снижение уровня звука наружными ограждениями с оконными
проемами [ 11J
Тип заполнения
оконного проема
Открытое окно
Открытая форточка
Одинарный
переплет
Спаренный
переплет
Двойной переплет
Конструкция окна
Толщина
окна, мм
_
—
1,5 2
4 5
6 8
1,5 2
4 5
6 8
! 5 2
4 5
6 8
Воздушный
промежуток
между
стемами
__
—
—
—
—
3 5
3 5
3 5
10 12
20 25
10 12
20 25
10 12
20 25
Снижение уровня звука, дБА
Притворы
без
прокладок
5
10
20
21
24
21
23
25
31
34
35
38
37
40
Притворы с
уплотняющими про
кладками
—
—
20
23
27
22
25
28
36
39
40
44
42
46
Глухое
остекление
—
—
22
26
29
24
27
30
38
41
43
46
45
48
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 189
Приложение 5.5
Стандартные характеристики и эффективность различных типов и
групп противошумов 111 ]
Тип
Наушники
Вкладыши
Шлемы
Группа
А
Б
В
А
Б
В
—
Ослабление шума, дБ, на частотах, Гц
125
12
5
—
10
5
5
17
250
15
7
—
12
7
5
20
500
20
15
5
15
10
5
25
1000
25
20
15
17
12
7
30
2000
30
25
20
25
20
15
35
4000
35
30
25
30
25
20
40
8000
35
30
25
30
25
20
40
Масса,
кг (не
более)
0,35
0,28
0,15
—
—
—
0,85
Сила
прижатия,
Н«)
8
5
4
—
—
—
Приложение 5.6
Частотные характеристики звукоизолирующей способности
ограждений [11|
Материал или тип
ограждения
Толщина,
мм
Средняя геометрическая частота, Гц
63 i 125 | 250 | 500 | 1000 I 2000 | 4000 I 8000
Звукоизолирующая способность, дБ
Однослойные ограждения
Железобетонные
плиты
Стеклоблоки БК-98
Фанера
Сталь
Дюралюминий
50
100
200
300
400
98
3
5
10
0,7
1,0
2
3
5
8
1
2
3
32
36
39
41
42
36
9
13
17
8
13
16
19
22
24
6
10
12
36
36
39
41
42
37
12
16
20
15
17
20
23
26
38
10
15
16
36
36
39
41
43
40
16
19
23
19
21
24
27
32
41
14
19
20
36
36
41
45
43
42
18
22
26
23
25
28
31
35
42
18
23
24
36
40
47
50
53
45
21
25
28
26
28
32
35
35
39
22
26
28
41
46
52
55
38
48
24
27
28
30
32
36 .
37
33
38
25
31
31
46
52
57
60
63
50
27
25
29
34
36
35
38
35
41
29
35
22
52
57
62
65
68
—
26
29
33
37
35
33
39
—
—
28
—
30
190 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение приложения 5.6
Материал или тип
ограждения
Стекло органическое
Стекло силикатное
Оконный блок (2
стекла по 3 мм, воздушный
промежуток 170 мм,
притворы с
уплотняющими прокладками)
Толщина,
мм
4
5
10
20
3
6
Средняя геометрическая частота, Гц
63 | 125 | 250 | 500' | 1000 | 2000 | 4000 | 8000
Звукоизолирующая способность, дБ
13
15
11
16
8
12
27
17
19
17
21
12
18
33
22
23
22
28
16
18
33
25
27
30
33
18
20
36
29
30
33
33
20
23
38
28
25
33
33
22
25
38
24
27
33
33
20
25
38
31
33
37
42
18
24
Слоистые конструкции
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Стальной лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Стальной лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Дюралевый лист
Стальной лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Стальной лист
2
80
2
160
5
80
5
160
2
80
3
3
80
5
—
—
—
—
15
17
25
28
28
37
20
26
34
39
41
43
28
37
43
49
51
51
36
45
48
53
55
55
43
52
50
53
56
53
50
55
50
54
52
58
—
57
—
—
55
60
Перекрытия
Тип 1
Тип II
Тип III
Тип IV
—
—
—
—
—
—
37
44
38
50
42
54
39
55
46
60
46
56
52
68
54
60
58
75
63
68
67
83
68
67
74
92
—
_
78
97
Глава 6. Электричество и окружающая среда
191
Глава 6. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
6.1. Электрический ток и человек
Современное производство характеризуется широким
применением различных электроустановок. В этой связи большое значение
в общей системе инженерно-экологических мероприятий
приобретают вопросы обеспечения электробезопасности. Согласно ГОСТ
12.1.009-76 «ССБТ. Электробезопасность. Термины и определения»
электробезопасность — это система организационных и
технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от
вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической
дуги, электромагнитного поля и статического электричества.
Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает
термическое, электролитическое, динамическое и биологическое
воздействия. Термическое действие тока проявляется в ожогах
отдельных участков тела человека, нагреве отдельных тканей и
органов. Электролитическое действие тока проявляется в разложении
органической жидкости, в том числе крови и лимфы, что вызывает
нарушение ее физико-химического состава. Биологическое
действие тока проявляется в рефлекторной реакции центральной нервной
системы на действие тока: в нарушении внутренних
биоэлектрических процессов в организме человека; в раздражении и возбуждении
живых тканей, что приводит к нарушениям нормального
функционирования жизненно важных органов, таких как сердце, легкие и т.д.
Отличие действия электрического тока на человека от действия
других опасных производственных факторов заключается в том, что
человек без специальных приборов не может определить наличие
или отсутствие напряжения на электроустановке. Следовательно,
защитная реакция организма проявляется уже после того, как
человек попал под действие тока, или после превращения электрической
энергии в другие виды энергии — тепловую, световую и др.
Действие электрического тока, электрической дуги,
электромагнитного поля и статического электричества на человека приводит к
электротравме [1]. Электротравмы можно условно разделить на три
группы: местные электротравмы; общие электротравмы, или
электрические удары, и смешанные электротравмы, т.е.
одновременные местные электротравмы и электрические удары (рис. 6.1).
Из общего числа учитываемых электротравм 80% приходится на
192 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Электротравмы
Общие
(электрические удары)
Электрические знаки
Местные
Механические
повреждения
Смешанные
Металлизация кожи
Электрические
ожоги
Электроофтальмия
Рис 6 1 Виды электротравм
Сопротивление тела
человека
Продолжительность
прохождения тока
Значение тока,
проходящего через
тело чеолвека
Напряжение,приложенное
к телу человека
Факторы, влияющие на исход
поражения электрическим током
Путь прохождения тока
Род и частота тока
Индивидуальные
свойства человека
Рис 6 2 Факторы влияющие на исход поражения током
электрические удары (25% — электрические удары без местных
электротравм, 55% — смешанные) Электрический удар
представляет собой общую электротравму, вызванную возбуждением живых
тканей организма человека проходящим через него электрическим
током, сопровождающуюся судорожными сокращениями мышц
Исход поражения человека электрическим током и тяжесть
электротравмы зависят от многих факторов (рис 6 2)
Правильно оценить опасность поражения электрическим током
позволяют предельно допустимые значения напряжений принос-
Глава 6 Электричество и окружающая среда
193
новения и токов, протекающих через тело человека в нормальном
и аварийном режимах работы производственных и бытовых
электроустановок напряжением до и выше 1 кВ в зависимости от
продолжительности воздействия тока [1] Напряжения прикосновения Unp и
токи /А, протекающие через тело человека при нормальном
(неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений,
указанных в табл 6 1 Предельно допустимые уровни напряжении
прикосновения и токов при аварийном режиме производственных
электроустановок напряжением до 1 кВ с заземленной или
изолированной нейтралью и выше 1 кВ с изолированной нейтралью не
должны превышать значений, указанных в табл 6 2 и 6 3 соответственно
Таблица 6 1
Род и частота тока
Переменный 50 Гц
Переменный 400 Гц
Постоянный
Допустимое Un„ В, не
более
2,0
30
8,0
Допустимый /Л мА, не
более
03
04
1,0
Примечания 1 Значения Un и //, установлены исходя из реакции человека
на воздействие не более Ю мин в сутки
2 Значения Un„ и /л для лиц, выполняющих работу в условиях высоких темпе
ратуры (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны
быть уменьшены в три раза
Условия поражения человека электрическим током возникают
при включении его в электрическую цепь электроустановки или при
попадании в зону действия электрической дуги
Опасность поражения человека электрическим током зависит от
целого ряда факторов (рис 6 3)
Схема включения
человека в цепь
электрического тока
Напряжение сети,
питающей электрическую
установку
I
Сопротивление
проводов сети
относительно земли
Факторы, влияющие на исход
поражения электрическим током
Режим работы сети
(нормальный
или аварийный)
Тип сети
и режим нейтрали
Емкость проводов
отностительно
земли
Рис 6 3 Факторы характеризующие опасность поражения человека
электрическим током
7-4910
194 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 6 2
Род и частота
тока и
нормируемая
величина
Переменный
50 Гц
^пр.в
4, мА
Переменный 400 Гц
"„„в
//,, мА
Постоянный
ипр, в
4, мА
Выпрямленный
двухполупериодн ый
^пр ампл, °
Выпрямленный
однополупериодный
ипр ампл' D
Примечание 3
(переменным) и не?
0,01.
0,08
650
650
650
650
650
начени
юлевы
Допустимые значения (/пр, Ih, не более, при
продолжительности воздействия г, с
0,1
500
500
500
500
500
я U„
и (по
0,2
250
500
400
400
400
р и 4
стоя
0,3
165
330
350
300
300
, при
гШЫМ
0,4
125
250
300
270
250
1 >
) ток
0,5
100
200
250
230
200
1,0 с
ам.
0,6
85
170
240
220
190
C001
0,7
70
140
230
210
180
0,8
65
130
220
200
170
0,9
55
ПО
210
190
160
гветствуют отп
1,0
50
100
200
180
150
>1,0
36
6
36
8
40
15
ускающим
Таблица 6 3
Продолжительность
воздействия t, с
0,01 0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Примечание
Допустимые значения
^„р. В
220
200
100
70
55
50
Значения U
lh, мА
220
' 220
100
70
55
50
1р и /,, устан
Продолжительность
воздействия /, с
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Свыше 1,0
эвлены для людей
Допустимые значения
"пр. В
40
35
30
27
25
12
с массой от
4, ыА
40
35
30
27
25
2
15 кг
Существуют различные «схемы включения» человека в
электрическую цепь тока (наиболее характерные «схемы включения»
показаны на рис. 6.4. на примере трехфазной сети с изолированной
нейтралью):
• двухфазное (двухполюсное) прикосновение — одновременное
прикосновение к проводникам двух фаз (двум полюсам)
действующей электроустановки (поз. /);
Глава 6. Электричество и окружающая среда
195
i t t i i
Рис 6.4. Характерные схемы включения человека в электрическую сеть
• однофазное (однополюсное) прикосновение — прикосновение
к проводнику одной фазы (одному полюсу) действующей
электроустановки (поз. 2);
• прикосновение к нетоковедущим частям электроустановок,
оказавшимся под напряжением в результате повреждения изоляции
(прикосновение к корпусу электроустановки с поврежденной
изоляцией) (поз. 3);
• включение под напряжение шага — включение между двумя
точками земли (грунта), находящимся под разными потенциалами.
Анализ опасности поражения человека электрическим током в
электроустановках сводится к определению силы тока,
протекающего в теле человека /А, которое зависит от напряжения прикосновения
или напряжения шага.
Напряжение прикосновения — это разность потенциалов
между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается
человек, или иначе — это падение 'напряжения на сопротивлении
тела человека Rh:
Uh = IhRh, (6.1)
где Uh — напряжение прикосновения, В; Ih — ток, протекающий
через тело человека путями рука—ноги или рука—рука, мА; Rh —
активное сопротивление тела человека, Ом (для расчетов обычно
принимают Rh = 1 кОм).
Если человек стоит на земле и касается заземленного корпуса
электроустановки, на который замкнулся фазный провод (в
дальнейшем будем употреблять стандартизированный термин «при замыка-
7-
196 Часть I Место инженерной экологии в системе знани/i о человеке и природе
Рис 6 5 Напряжение прикосновения при замыкании на заземленный корпус
нии на корпус»), как это показано на рис. 6.5, то напряжение
прикосновения
Uh = Фз ~ Фос <6-2)
где фз — потенциал заземленного корпуса, т.е. потенциал рук
человека, В; фос — потенциал основания в том месте, где стоит
человек, т.е. потенциал ног, В.
Проведя простые преобразования, выражение (6.2) можно
записать в виде
Uh = Фз (1 - Фос/Фз) = Ф3а- (6.3)
где а— коэффициент напряжения прикосновения.
Напряжением шага называется разность потенциалов между
двумя точками электрической цепи, которых одновременно касается
ногами человек, или иначе — это падение напряжения на
сопротивлении тела человека:
иш = к ДЛ, (6.4)
где Uш — напряжение шага, В; lh — ток, протекающий через тело
человека по пути нога—нога, мА.
Если человек стоит на земле вблизи заземленного корпуса
электроустановки, на который замкнулся фазный провод, как это
показано на рис. 6.6, то уравнение для определения напряжение
шага может быть записано как
^ш = Ф* ~ Ф*+а. (6-5)
Глава 6 Электричество и окружающая среда
197
Ф-/ Р
~3 '3*3
Рис 6 6 Напряжение шага
где фг — потенциал точки на поверхности земли на расстоянии от
заземлителя, В; ipx+a — потенциал точки на поверхности земли на
расстоянии х + а от заземлителя, В; а — длина шага, обычно
принимается равной 0,8 м.
По аналогии с напряжением прикосновения выражение для
напряжения шага можно записать в виде
иш = ФзР, 6.6)
где (3 — коэффициент напряжения шага:
Р = (ф1-ф1 + 0уф, (6.7)
Коэффициент напряжения шага (3 < 1 зависит от характера
распределения потенциалов на поверхности грунта вблизи
заземлителя и места нахождения человека по отношению к заземлителю.
Из (6 3) и (6 7) следует, что напряжение прикосновения и
напряжение шага являются частью потенциала заземленного корпуса
электроустановки или, что одно и тоже, потенциала заземлителя,
который можно определить через ток, стекающий по нему в землю:
Фз = hK (6.8)
где /3 — ток замыкания на землю, мА; /?3 — сопротивление
заземлителя растеканию тока', Ом
198 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Учитывая (6 8), напряжение прикосновения и напряжение шага
можно определить из уравнений-
Uh = /3 /?3а, (6.9)
?/ш = /3Я3Р (6.10)
При двухфазном прикосновении (см рис. 6.4) ток, протекающий
через тело человека, и напряжение прикосновения определяются из
уравнений:
lh = y[3U/Rh, (6.11)
Uh = <3 U, (6 12)
где U — фазное напряжение сети, В.
Из (6.11) и (6.12) следует, что при двухфазном прикосновении
человек попадает под линейное напряжение сети вне
зависимости от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети,
сопротивлений изоляции проводов относительно земли. Такая схема
включения человека в электрическую цепь электроустановки
представляет большую опасность. Случаи двухфазного
(двухполюсного) прикосновения происходят сравнительно редко и являются,
как правило, результатом работы под напряжением в
электроустановках до 1 кВ, что является нарушением правил и инструкций
выполнения работ.
При однофазном прикосновении человек попадает под
напряжение Uh, значение которого зависит от многих факторов. Эта схема
включения человека в электрическую цепь тока является менее
опасной, чем двухфазное прикосновение, и на практике она
встречается значительно чаще. Например, электротравмы со
смертельным исходом при однофазном прикосновении составляют 70...80%.
Причем большинство из них происходит в^ сетях 380/220 В.
Для трехфазной трехпроводнои сети с изолированной
нейтралью, напряжением до 1 кВ (рис 6.7) характерным является то, что
при однофазном прикосновении значение тока /А, проходящего через
тело человека при нормальном режиме работы сети, тем меньше,
чем меньше рабочее напряжение сети (фазное напряжение) и чем
больше сопротивление изоляции проводов относительно земли.
Действительно, ток, протекающий через тело человека, и напряжение
прикосновения описываются следующими выражениями [2]:
Уд(1 -а2)+ Yc(\ -a)
L=UGh— —— -, 6.13
h YA + YB+Yc + Gh
Глава 6 Электричество и окружающая среда
199
О
I <в!
п
-о В
Рис 6 7 Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью
и. =и
Уд (1 - дД) + Ус (1 - Д)
YA + YB+Yc + Gh '
где YA, YB, Yc — полные проводимости изоляции фазных проводов
относительно земли в комплексной форме:
ya = Jf + 1®СА' yb = Jf + 1<*св< Yc = -ff + /<oCc,
U — фазное напряжение сети, В; Gh = 1 /Rh — проводимость тела
человека; а — фазный коэффициент, учитывающий сдвиг фаз.
При равенстве проводимостей фазных проводов относительно
земли (YA = YB = Yc = Y) ток, протекающий через тело человека,
и напряжение прикосновения определяются следующим образом.
или
L = UGh
I,
3Y
3K+G,
U
Rh + Z/3
(6 14)
(6.15)
где Z — комплекс полного сопротивления фазного провода
относительно земли, Ом:
Y 1/Я + ушС'
(6.16)
где R — активное сопротивление изоляции фазного провода
относительно земли; С — емкость фазного провода относительно
земли.
200 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 8 Сеть с изолированной нейтралью (аварийный режим работы)
При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводов
относительно земли (RA - RB = Rc - R) и отсутствии емкостей (СА =
= СВ = Сс = С = 0)
L = . (6.17)
h Rh + Я/3
При аварийном режиме работы сети (рис. 6.8), когда один из
фазных проводов, например провод В, замкнулся на землю,
опасность поражения током человека, прикоснувшегося к исправным
фазным проводам, значительно возрастает. В этом случае ток,
протекающий через тело человека:
U* (6.18)
L
Д/, + Д3
где /?зм — сопротивление в месте замыкания фазного провода В на
V3M
землю.
Так как обычно выполняется условие R3M <3C Rh, то
/A = (i/V3)/aA; f/h=f/V3.
Для трехфазной сети с заземленной нейтралью, напряжением
до 1 кВ значения тока, протекающего через тело человека, и
напряжение прикосновения определяются фазным напряжением сети
и не зависят от сопротивления изоляции и емкости проводов
относительно земли (рис. 6.9). Действительно, проводимости фазных
и нулевого (PEN)1 проводников относительно земли по сравнению
1 PEN — проводник, сочетающий свойства нулевого рабочею и нулевого
защитного проводников.
Глава 6 Электричество и окружающая среда
201
О
-° с
-° PEN
In с 6 9 Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпровод-
ной сети с заземленной нейтралью
с У0 = 1//?0 (проводимостью заземления нейтрали) малы (YA, YB,
УС<5С У0), а выражение для тока, протекающего через тело человека,
имеет вид
К = U/(Rh + R0),
(6.19)
где R0 — рабочее сопротивление заземления нейтрали.
Напряжение прикосновения в этом случае определяется из
уравнения
U„ = URh/(Rh + Д0). (6.20)
Так как обычно R0 <SC Rh, то можно считать, что человек в этом
случае попадает практически под фазное напряжение сети. В
аварийном режиме работы сети при прикосновении человека к
исправному проводу сети напряжение прикосновения всегда меньше
линейного, но больше фазного, т.е. t/V3" > U\ > U. Конкретное
значение напряжения прикосновения зависит от соотношения
сопротивлений в месте замыкания на землю Rm и заземления
нейтрали R0.
Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) определено
понятие «электроустановка». Электроустановкой принято называть
совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного
оборудования (вместе с сооружениями и помещениями),
предназначенных для производства, преобразования, трансформации,
распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды
энергии.
202 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Все электроустановки по условиям электробезопасности
подразделяются:
• на электроустановки напряжением до 1 кВ с заземленной
нейтралью;
• электроустановки напряжением 1кВ с изолированной
нейтралью;
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с
эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на
землю);
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с
изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).
Нейтральной точкой, или просто нейтралью, называется
общая точка обмоток многофазных электрических генераторов или
трансформаторов, в которой электрические напряжения по
отношению ко всем внешним зажимам в нормальном режиме одинаковы по
абсолютному значению.
Изолированной нейтралью называется нейтраль
трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему
устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации,
измерения, защиты, заземляющие дугогасящие и подобные им
устройства, имеющие большое сопротивление.
Заземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора
или генератора, присоединенная к заземляющему устройству
непосредственно или через малое сопротивление, например через
трансформаторы тока.
Условия поражения людей электрическим током в большой
степени зависят от характера окружающей среды и окружающей
обстановки. Опасность поражения током в зависимости от этих
факторов может возрастать или ослабляться. Это объясняется тем, что
характер окружающей среды оказывает значительное влияние
на состояние изоляции электроустановки. Например,
неблагоприятные условия в окружающей среде приводят к снижению
сопротивления изоляции, создавая опасность появления напряжения
на нетоковедущих частях электроустановок. Состояние
окружающей среды влияет на электрическое сопротивление тела человека.
Например, при повышенной температуре окружающего воздуха и
повышенной влажности сопротивление уменьшается.
Опасность поражения людей электрическим током усиливается
при наличии токопроводящих полов, а также в тех случаях, когда
имеется возможность одновременного прикосновения к
электроустановке и электропроводящим предметам, имеющим связь с землей.
Например, если человек одновременно коснется электроустановки,
Глава 6. Электричество и окружающая среда
203
случайно оказавшейся под напряжением, и металлической
конструкции, имеющей связь с землей, то через тело будет протекать
ток, который может вызвать электротравму.
В отношении опасности поражения людей электрическим током
все помещения разделяются на три группы: помещения без
повышенной опасности; помещения с повышенной опасностью; особо
опасные помещения.
В помещениях без повышенной опасности* отсутствуют
условия, создающие повышенную или особую опасность.
Помещения с повышенной опасностью характеризуются
наличием в них одного из следующих условий, создающих повышенную
опасность:
• токопроводящая пыль или сырость;
• токопроводящие полы (металлические, земляные,
железобетонные, кирпичные и т.п.);
• высокая температура (жаркие помещения);v
• возможность одновременного прикосновения к имеющим
соединения с землей металлоконструкциям зданий, технологическим
аппаратам, механизмам, с одной стороны, и к металлическим
корпусам электрооборудования — с другой.
Особо опасные помещения характеризуются наличием одного
из условий:
¦ повышенная сырость;
• химически активная или агрессивная среда;
• наличие одновременно двух или более условий повышенной
опасности.
Примеры особо опасных помещений: котельные, мазутно-насо-
сные цехи.
Электроустановки могут быть открытыми (наружными), если
они не защищены зданиями от атмосферных воздействий, или
закрытыми (внутренними), если они размещены внутри зданий,
защищающих их от атмосферных воздействий. В отношении
опасности поражения электрическим током территории наружных или
открытых электроустановок приравниваются к особо опасным
помещениям.
Электробезопасность должна обеспечиваться: конструкцией
электроустановок; техническими мероприятиями, способами и
средствами; организационными мероприятиями [2].
Для обеспечения защиты от поражения электрическим током в
электроустановках должен применяться по крайней мере один из
технических способов и средств защиты, классификация которых
представлена на рис. 6.10, или их сочетания. Выбор того или иного
Технические способы и средства защиты
от поражения электрическим током
Защита от прикосновения
к токоведущим частям
Защитные оболочки
Электрозащитные ограждения
(временные или стационарные)
Безопасное расположение
работающих и используемых
механизмов и приспособлений
Индикация напряжения
и сигнализация об опасности
поражения электрическим током
Изолирование рабочего места
Защитная изоляция
Электрозащитные средства
Защита при прикосновении
к токоведущим частям
Защитное отключение
Применение малых напряжений
Защитное шунтирование
Защитное разделение сетей
Изолирование рабочего места
Выравнивание потенциалов
Электрозащитные средства,
блокировки аппаратов
и ограждающие устройства
Защита при прикосновении
к нетоковедущим частям, могущим
оказаться под напряжением
Защитное заземление
Зануление
Защитное отключение
Выравнивание потенциалов
Защитное разделение сетей
Защитное изолирование
Применение малых напряжений
Компенсация токов
замыкания на землю
Рис 6 10 Классификация технических способов и средств защиты от поражения электрическим током
Глава 6 Электричество и окружающая среда
205
способа или средства защиты в конкретной электроустановке и
эффективность его применения зависят от ряда факторов, в том числе:
номинального напряжения; рода, формы и частоты тока
электроустановки; способа электроснабжения (от стационарной сети, от
автономного источника питания электроэнергией); режима нейтрали
(средней точки истрчника постоянного тока) источника тока —
изолированная нейтраль, заземленная нейтраль; вида исполнения
(стационарные, передвижные, переносные); условий внешней среды;
схемы возможного включения человека в цепь протекания тока
(однофазное, двухфазное прикосновение; включение под
напряжение шага); вида работ (монтаж, наладка, испытания) и др.
Рассмотрим некоторые технические способы и средства защиты
от поражения электрическим током.
Защитное заземление — это преднамеренное электрическое
соединение с землей или ее эквивалентом нетоковедущих
электропроводящих частей, а также отключенных токоведущих частей,
которые могут оказаться под напряжением. Основным назначением
защитного заземления является обеспечение защиты от поражения
электрическим током при замыкании на корпус. Принцип действия
защитного заземления заключается в снижении напряжения
прикосновения и шага при замыкании на корпус до допустимых
значений.
Рассмотрим два случая Корпус электроустановки не заземлен.
В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также
опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети. Корпус
электроустановки заземлен (рис. 6.11) . В этом случае напряжение
корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет
U3 = I3R3, (6.21)
а напряжение прикосновения и ток, протекающий через тело
человека, будут определятся выражениями:
Uh = I3R3a,Ih = I3^-a, (6.22)
где а — коэффициент напряжения прикосновения.
Уменьшая сопротивление заземлителя растеканию тока R3,
можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки
относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение
прикосновения и ток, протекающий через тело человека. Заземление будет
эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю /3
практически не увеличивается с уменьшением сопротивления
заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной ней-
206 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 11 Схема сети с изолированной нейтралью и защитным заземлением
электроустановки
тралью, напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю
в основном определяется сопротивлением изоляции проводов
относительно земли, которое значительно больше сопротивления зазем-
лителя (рис. 6.11).
В сетях переменного тока с заземленной нейтралью,
напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве защиты от
поражения электрическим током не применяется, так как
неэффективно (рис. 6.12).
Область применения защитного заземления:
• электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трех-
проводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью;
а
о
г*
МУ
? ?00
-° в
-° с
-о PEN
Рис 6 12 Схема сети с заземленной нейтралью и защитным заземлением
электроустановки
Глава 6 Электричество и окружающая среда
207
Рис 6 13 Выносное заземляющее устройство
• электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных
двухпроводных сетях переменного тока, изолированных от земли;
• электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных
сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток
источника тока;
• электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ
переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней
точки обмоток источников тока.
Заземляющим устройством называется совокупность за-
землителя и заземляющих проводников. Различают два типа
заземляющих устройств, выносное и контурное.
Выносное заземляющее устройство (сосредоточенное) (рис. 6.13)
характеризуется тем, что заземляемое оборудование располагается
на определенном удалении от заземляющего устройства, вне зоны
растекания тока заземлителя. Зона растекания тока — зона
земли, в пределах которой возникает электрический потенциал при
прохождении тока замыкания на землю На практике эта зона
растекания тока ограничена радиусом 20 м. Особенность выносного
заземляющего устройства заключается в том, что человек,
касающийся корпуса электроустановки, на который произошло замыкание,
всегда попадает под напряжение прикосновения, равное полному
напряжению корпуса относительно земли. Это объясняется тем, что
потенциал грунта, на котором расположена электроустановка, равен
нулю, а корпус электроустановки имеет потенциал заземлителя.
В этом случае а = 1 (см. рис. 6.13). Это обстоятельство можно
отнести к недостаткам выносного заземляющего устройства. Досто-
208 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Та
Рис 6 14 Контурное заземляющее устройство
инством выносных заземляющих устройств является возможность
размещения электродов заземляющего устройства в местах с
наименьшим удельным сопротивлением грунта.
Контурное заземляющее устройство (распределенное)
характеризуется тем, что заземлители располагаются по контуру вокруг
заземляемого оборудования в непосредственной близости от него, в
зоне растекания тока (рис. 6.14). Основной особенностью
контурного заземляющего устройства является то, что грунт внутри
контура заземления при замыкании на корпус приобретает некоторый
потенциал, близкий по значению к потенциалу заземленного
электрооборудования. При этом напряжение прикосновения
уменьшается, а коэффициент напряжения прикосновения а < 1.
Искусственные заземлители могут быть выполнены в виде
вертикальных и горизонтальных электродов и применяются
исключительно для целей заземления. В качестве вертикальных электродов
используются стальные трубы, угловая сталь, прутковая сталь
диаметром не менее 10 мм. Горизонтальные электроды
предназначаются для связи вертикальных электродов или работают
самостоятельно и выполняются из полосовой стали или стали круглого сечения.
Естественные заземлители — это находящиеся в
соприкосновении с землей токопроводящие части коммуникаций, зданий и со-
аТ
Глава 6 Электричество и окружающая среда
209
оружений производственного или иного назначения, используемые
для целей заземления. В роли качестве естественных заземлителей
могут выступать водопроводные и другие металлические трубы (за
исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или
взрывоопасных газов), металлические и железобетонные конструкции
зданий и сооружений, имеющие связь с землей, свинцовые оболочки
кабелей и т.п. Использование естественных заземлителей дает
существенную экономию металла
Естественные и искусственные заземлители могут применяться
совместно или отдельно. Но в любом случае должно обеспечиваться
требуемое значение сопротивления заземляющего устройства
растеканию тока, установленное ПУЭ и ГОСТ 12.1.030-81. Так, в
соответствии с ПУЭ наибольшее допустимое сопротивление
заземляющих устройств в электроустановках напряжением до 1 кВ в сетях с
изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом, а при
мощности генераторов и трансформаторов, питающих данную сеть,
100 кВ • А и менее заземляющие устройства могут иметь
сопротивление не более 10 Ом.
В процессе эксплуатации может произойти повышение
сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного значения,
поэтому необходимо периодически контролировать значение
сопротивления заземлителя. Измерение сопротивления растеканию тока
заземлителя R3 проводится в сроки, установленные в нормативно-
технической документации (ПУЭ, СНиП и др.). Одним из наиболее
распространенных методов измерения R3 является метод
«амперметра — вольтметра». Схема измерения сопротивления растеканию
тока заземлителя по методу «амперметра—вольтметра»
представлена на рис. 6.15. Измеряя ток /3, стекающий в землю через зазем-
литель 3 и протекающий через Rh а также потенциал заземлителя
?/3, представляющий собой падение напряжения на сопротивлении
R3, можно рассчитать искомое значение сопротивления R3 = U\/' 13.
Погрешность измерения R3 данным методом тем больше, чем
меньше внутреннее сопротивление вольтметра и чем больше
сопротивление растеканию тока R2 электрода 2. Следовательно,
необходимо подбирать вольтметр с возможно большим внутренним
сопротивлением — электронный или электростатический. Внутреннее
сопротивление вольтметра должно приблизительно в 50 раз
превышать сопротивление R2, при этом погрешность измерения не должна
превышать 2%. На точность измерения оказывает влияние источник
питания. Не рекомендуется в качестве источника питания
использовать непосредственно сеть, так как в этом случае на результаты
210 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис. 6 15 Схема измерения сопротивления растеканию тока заземлителя
по методу «амперметра—вольтметра»
измерения оказывают влияние такой параметр, как сопротивление
изоляции проводов сети относительно земли или сопротивление
заземления нейтрали В качестве источника питания рекомендуется
однофазный понижающий трансформатор, например сварочный.
Методом «амперметра—вольтметра» можно производить измерение
сопротивления растеканию тока при использовании групповых за-
землителей. На основе метода «амперметра—вольтметра»
разработаны и широко применяются измерители сопротивлений заземлите-
лей типов МС-07, МС-08, М-416.
Зануление — это преднамеренное электрическое соединение с
нулевым защитным проводником нетоковедущих
электропроводящих частей электроустановок, которые могут оказаться под
напряжением вследствие замыкания на корпус. Нулевым защитным
проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части
с заземленной нейтральной точкой источника трехфазного тока или
с заземленным выводом источника однофазного тока, или с
заземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.
Зануление необходимо для обеспечения защиты от поражения
электрическим током при замыкании на корпус за счет снижения
напряжения корпуса относительно земли и быстрого отключения
электроустановки от сети.
Глава 6 Электричество и окружающая среда
211
Область применения зануления:
• электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных четы-
рехпроводных сетях переменного тока с заземленной нейтралью
(обычно это сети 220/127, 380/220, 660/380 В);
• электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных сетях
переменного тока с заземленным выводом; электроустановки
напряжением до 1 кВ в сетях постоянного тока с заземленной средней
точкой источника.
При замыкании фазного провода на зануленный корпус
электроустановки образуется цепь однофазного короткого замыкания (т.е.
замыкания между фазным и нулевым защитным проводниками). Ток
однофазного короткого замыкания вызывает срабатывание
максимальной токовой защиты, в результате чего происходит отключение
поврежденной электроустановки от питающей сети. Кроме того, до
срабатывания максимальной токовой защиты ток короткого
замыкания вызывает перераспределение напряжений в сети, и, как
следствие, происходит снижение напряжения поврежденного корпуса
относительно земли. Следовательно, зануление обеспечивает
защиту от поражения электрическим током при замыкании на
корпус за счет ограничения времени протекания тока через
тело человека и за счет снижения напряжения прикосновения.
В качестве максимальной токовой защиты, обеспечивающей
быстрое отключение электроустановки в аварийном режиме, могут
использоваться плавкие предохранители и автоматические
выключатели, устанавливаемые для защиты от токов короткого замыкания,
и др.
Элементом системы зануления является повторное заземление
нулевого защитного проводника (рис. 6.16, где /к — ток,
протекающий через PEN — проводник). Повторное заземление нулевого
защитного проводника практически не влияет на время
отключения электроустановки от сети. Однако при эксплуатации зануления
могут возникнуть такие ситуации, когда повторное заземление
нулевого защитного проводника необходимо, например при обрыве
нулевого защитного проводника. Повторному заземлению
подвергаются нулевые рабочие провода воздушных линий, которые
одновременно используются как нулевые защитные проводники. При этом
в соответствии с ПУЭ повторные заземления выполняются на
концах линий или ответвлений длиной более 200 м, а также на вводах
в здания, электроустановки которых подлежат занулению.
В процессе эксплуатации зануления сопротивление петли
фаза—нуль может меняться, следовательно, его необходимо пери-
212 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 16 Схема зануления электроустановок
одически контролировать Измерения сопротивления петли фаза—
нуль проводят как после окончания монтажных работ, т.е. при
приемосдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатации в сроки,
установленные ПТЭ и ПТБ, а также при проведении капитальных
ремонтов и реконструкций сети.
Надежность зануления определяется в основном надежностью
нулевого защитного проводника. В связи с этим требуется
тщательная прокладка нулевого защитного проводника, чтобы исключить
возможность его обрыва. Кроме того, в нулевом защитном
проводнике запрещается ставить выключатели, предохранители и
другие приборы, способные нарушить его целостность При
соединении нулевых защитных проводников между собой должен
обеспечиваться надежный контакт Присоединение нулевых
защитных проводников к частям электроустановок, подлежащих зануле-
нию, осуществляется сваркой или болтовым соединением, причем
значение сопротивления между зануляющим болтом и каждой
доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью
электроустановки, которая может оказаться под напряжением, не
должно превышать 0,1 Ом. Присоединение должно быть доступно
для осмотра
Открыто проложенные нулевые защитные проводники
должны иметь отличительную окраску, по зеленому фону
желтые полосы.
Защитным отключением называется автоматическое
отключение электроустановок при однофазном (однополюсном)
прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для
Глава 6 Электричество И окружающая среда
213
человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока
утечки (замыкания), превышающего заданные значения. Назначение
защитного отключения — обеспечение электробезопасности, что
достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока
на человека. Защита осуществляется специальным устройством
защитного отключения (УЗО), которое, работая в дежурном режиме,
постоянно контролирует условия поражения человека
электрическим током. Область применения- электроустановки в сетях с любым
напряжением и любым режимом нейтрали. Наибольшее
распространение защитное отключение получило в электроустановках,
используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или
изолированной нейтралью.
Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно
контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданным
значением (уставкой). Если входной сигнал превышает уставку, то
устройство срабатывает и отключает защищенную электроустановку от
сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения
используют различные параметры электрических сетей, которые
содержат информацию об условиях поражения человека
электрическим током.
Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на
несколько типов (рис. 6.17).
Основными элементами любого УЗО являются датчик,
преобразователь и исполнительный орган. Основными параметрами, по ко-
Реагирующие на
напряжение корпуса
относительно земли
Реагирующие на
ток нулевой
последовательности
Реагирующие на
комбинированный
входной сигнал
I
Устройства защитного отключения
(УЗО)
Реагирующие на
ток замыкания
на землю
Реагирующие на
оперативный ток
(постоянный,
на раб<
электро-
эчий ток
становки
Реагирующие на
напряжение нулевой
последовательности
Рис 6 17 Классификация УЗО по виду вхрдного сигнала
214 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 18 Схема УЗО, реагирующего на потенциал корпуса
торым подбирается то или иное УЗО являются: уставка,
номинальный ток нагрузки, т.е. рабочий ток электроустановки, который
протекает через нормально замкнутые контакты УЗО в дежурном
режиме; время срабатывания устройства
Рассмотрим более подробно УЗО, реагирующее на потенциал
корпуса относительно земли, предназначенное для обеспечения
безопасности при возникновении на заземленном (или зануленном)
корпусе электроустановки повышенного потенциала. Датчиком в
этом устройстве (рис. 6.18) служит реле Р, обмотка которого
включена между корпусом электроустановки и вспомогательным зазем-
лителем /?всп, электроды которого располагаются вне зоны
растекания токов заземлителя R3.
При замыкании на корпус защитное заземление R3 снизит
потенциал корпуса относительно земли до значения <р3 = I3R3. Если по
каким-либо причинам окажется, что ф3 > ФЗД0п' гДе Фздоп —
потенциал корпуса, при котором напряжение прикосновения не
превышает допустимого, то срабатывает реле Р, которое своими контактами
замкнет цепь питания катушки коммутационного аппарата К, и
произойдет отключение поврежденной электроустановки от сети.
Фактически этот тип УЗО дублирует защитные свойства заземления или
зануления и применяется в качестве дополнительной защиты,
повышая надежность заземления или зануления.
Данный тип УЗО может применяться в сетях с любым
режимом нейтрали, когда заземление или зануление неэффективно.
Глава 6 Электричество и окружающая среда 215
*п
-° PEN
-ТТНП
ьУЗО
ио
¦frti
Рис 6 19 Схема подключения к сети УЗО, реагирующего
на дифференциальный ток
Устройство защитного отключения, реагирующее на
дифференциальный (остаточный) ток, находит широкое применение
во всех отраслях промышленности (как правило, в сетях с
заземленной нейтралью, напряжением до 1 кВ). Характерной их
особенностью является многофункциональность. Такие УЗО могут
осуществлять защиту человека от поражения электрическим током при
замыканиях на корпус, при несимметричном снижении
сопротивления изоляции проводов относительно земли в зоне защиты
устройства, при замыканиях на землю, при однофазном прикосновении,
при замыкании на корпус электроустановки.
Схема включения УЗО, реагирующего на дифференциальный ток
в сети с заземленной нейтралью, представлена на рис 6.19.
Датчиком такого устройства является трансформатор тока нулевой
последовательности (ТТНП), на выходных обмотках которого
формируется сигнал, пропорциональный току, протекающему через тело
человека /Л. Преобразователь УЗО П сравнивает значение входного
сигнала с уставкой, значение которой определяется допустимым
значением тока, протекающего через человека, усиливает входной сигнал
до уровня, необходимого для управления исполнительным органом
ИО. Исполнительный орган, например магнитный пускатель,
отключает электроустановку от сети в случае возникновения опасности
поражения электрическим током в зоне защиты УЗО.
216 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
В настоящее время отечественной промышленностью
выпускается целый ряд УЗО различного назначения. Кроме того, широко
используются УЗО известных зарубежных фирм (ABB и др.).
Для защиты людей, работающих с электроустановками, от
поражения электрическим током, воздействия электрической дуги,
электромагнитного поля и статического электричества применяются
электрозащитные средства, к которым относятся:
• изолирующие штанги (оперативные для наложения
заземления и измерительные),
• изолирующие клещи для операций с предохранителями и
электроизмерительные клещи;
¦ указатели напряжения;
• указатели напряжения для фазировки и др.;
• изолирующие устройства и приспособления для ремонтных
работ под напряжением выше 1 кВ и слесарно-монтажный
инструмент с изолирующими рукоятками для работы в электроустановках
до 1 кВ;
• диэлектрические перчатки, боты, галоши, ковры,
изолирующие накладки и подставки;
• индивидуальные экранирующие комплекты;
• переносные заземления;
• оградительные устройства и диэлектрические колпаки;
• плакаты и знаки безопасности.
Отличие электрозащитных средств от предохранительных
приспособлений заключается в том, что первые имеют только защитные
функции, а вторые — защитные и технологические. Например,
диэлектрические перчатки — это средства защиты, а изолирующие
клещи — это приспособление.
Кроме перечисленных электрозащитных средств при работах в
электроустановках можно применять такие средства
индивидуальной защиты, как очки, каски, противогазы, рукавицы,
предохранительные пояса и страховочные канаты. Перечисленные
электрозащитные средства могут быть как основными, так и дополнительными
средствами.
В процессе эксплуатации средства защиты следует подвергать
периодическим и внеочередным (проводимым после ремонта)
испытаниям. Порядок и периодичность проведения испытаний должны
соответствовать «Правилам применения и испытания средств
защиты, используемых в электроустановках». Электрозащитными
средствами следует пользоваться по их прямому назначению в
электроустановках напряжением не выше того, на которое они
Глава 6 Электричество и окружающая среда
217
рассчитаны. Прежде чем воспользоваться средствами защиты,
необходимо проверить их исправность, отсутствие внешних
повреждений, очистить от пыли и проверить по штампу срок годности, так
как пользоваться средствами защиты, срок годности которых истек,
запрещается.
6.2. Природное и статическое электричество.
Защита от его воздействия
В летний грозовой период различные здания и сооружения могут
оказаться под воздействием грозовых атмосферных электрических
зарядов Молния представляет собой электрический разряд в
атмосфере между заряженным облаком и землей или между разноименно
заряженными частями облака, а также между соседними облаками.
Длина канала молнии достигает нескольких километров..
Для равнинных районов различают разряды молнии
непосредственно в землю или в здания и сооружения высотой до 100 м и
разряды молнии в высотные здания и сооружения (радиомачты,
заводские трубы и др.). Можно указать на два вида воздействия молнии
на здания и сооружения:
• первичное воздействие, которое связано с прямым,
непосредственным воздействием ударом молнии;
¦ вторичное воздействие, обусловленное электрической и
электромагнитной индукцией, а также выносом высоких
потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации.
При прямом ударе молнии могут возникнуть: пожары, взрывы,
механические разрушения, поражения людей электрическим током
за счет появления высоких потенциалов на отдельных участках
зданий, оборудования и перенапряжения на проводах электрических
сетей. Особую опасность при прямых ударах молнии представляют
здания и наружные установки, в которых по условиям
технологического процесса может образовываться взрывоопасная среда.
Взрывоопасные наружные установки могут быть поражены прямым
ударом молнии при проплавлении металлических поверхностей, при
перегреве их внутренних стенок или воспламенении взрывоопасных
смесей паров и газов, выделяющихся через предохранительные
клапаны, газоотводные трубы, свечи К таким установкам относятся
металлические и железобетонные резервуары для хранения
нефтепродуктов; газгольдеры и резервуары со сжиженными горючими газами;
многие аппараты наружных технологических установок
нефтеперерабатывающих, химических, других производств.
218 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Для снижения опасности как для человека, так и для
окружающей среды используют молниезащиту. Молниезащита учитывает
такие факторы как: важность объекта; его высота; расположение
относительно соседних объектов; интенсивность грозовой
деятельности и др. Защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии
осуществляют с помощью специальных молниеотводов.
Конструктивно каждый молниеотвод состоит из молниеприемника,
непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, соединяющего
молниеприемник с заземлителем; заземлителя, через который ток
молнии стекает в землю; опоры молниеотвода, предназначенной для
закрепления молниеприемника и токоотвода. Опоры молниеотвода
могут быть деревянными, металлическими и железобетонными.
Различают следующие типы молниеприемников: стержневые,
тросовые и сеточные. Молниеприемники должны выдерживать тепловое
и динамическое воздействие молнии, а также быть надежными в
эксплуатации. Например, стержневые молниеприемники выполняются
из полосовой, круглой, угловой стали, покрытой антикоррозионной
краской. При этом сечение молниеприемника должно быть не менее
100 мм2, а длина не менее 200 мм.
Если здания и сооружения имеют металлическую кровлю или
железобетонные несущие конструкции, то с целью молниезащиты
их заземляют. Токоотводы выполняют из стали любого профиля. Их
рассчитывают на пропускание полного тока молнии без нарушений
и существенного перегрева. Они должны иметь антикоррозионное
покрытие. Токоотводами могут служить металлические элементы
конструкций (направляющие лифтов; пожарные лестницы;
водопроводные, водосточные и канализационные трубы и др.). При этом по
всей длине должна обеспечиваться надежная электрическая связь
токоотводов с заземлителями, которую осуществляют только
сваркой. Защитная функция молниеотвода основана на свойстве
молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные
металлические сооружения.
Различные технологические процессы, связанные с
размельчением твердых частиц, пересыпанием, просеиванием, смешиванием
сыпучих тел, переливанием или фильтрацией
жидкостей-диэлектриков, трением элементов оборудования или материалов друг о друга,
сопровождаются статической электризацией, т.е. возникновением и
разделением положительных и отрицательных зарядов.
Статическое электричество представляет собой совокупность явлений,
связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (стеканием)
свободного электрического заряда, на поверхности и в объеме диэ-
Глава 6. Электричество и окружающая среда
219
лектрических и полупроводниковых веществ, материалов, изделий
или на изолированных проводниках. В ряде технологических
процессов при статической электризации потенциалы отдельных
элементов оборудования, материалов, веществ относительно земли или
электропроводящих предметов, имеющих связь с землей, достигают
десятков киловольт, а токи, стекающие в землю при статической
электризации, составляют обычно десятки микроампер.
Внешние признаки статического электричества могут
проявляться в виде:
• силового взаимодействия между заряженными телами или их
отдельными участками;
• разряда статического электричества (искра или корона);
• воздействия на организм человека.
Разряды статического электричества наиболее опасны,
если они развиваются в атмосфере горючего газа или пожаро-
и взрывоопасных пылей.
Токи, обусловленные статической электризацией, Не превышают
10 мкА и при длительном, систематическом воздействии их на
организм человека могут возникнуть различные патологии, хотя
значения этих токов меньше значений пороговых ощутимых токов.
Разряд с наэлектризованного человека на заземленный
электропроводящий предмет или, наоборот, с наэлектризованного элемента
оборудования на человека, стоящего на земле, может вызвать
неприятные ощущения (слабые, умеренные или сильные уколы или удары,
зависящие от энергии разряда). Непосредственной опасности для
человека такие разряды не представляют, так как значения токов,
стекающих через тело человека в землю, небольшие. Однако
неожиданность воздействия разряда статического электричества может
вызвать испуг, сопровождающийся некоординированными
непроизвольным действиями, приводящими к соприкосновению с
вращающимися или перемещающимися элементами оборудования, падению
с высоты и др.
Существуют различные способы защиты от статического
электричества:
- заземление металлических и электропроводящих
неметаллических элементов оборудования, а также обеспечение постоянного
электрического контакта тела человека с заземлением;
• увеличение поверхностной и объемной проводимости
диэлектриков;
• нейтрализация зарядов путем использования радиоизотопных,
индукционных и других нейтрализаторов;
220 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• ионизация воздуха или среды, в частности, внутри аппаратов,
сосудов;
• применение средств индивидуальной защиты
(антиэлектростатические халаты и антистатическая обувь).
Наиболее распространенным способом защиты от
статического электричества является заземление, которое
объединяется с защитными заземляющими устройствами.
ЛИТЕРАТУРА
1 Долин ПА Основы техники безопасности в электроустановках М
Энергоатомиздат, 1984
2 Князевский Б А и др Электробезопасность в машиностроении М
Машиностроение, 1980
\
Глава 7. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
7.1. Основные понятия, термины
Что такое электромагнитное поле
Электромагнитные поля описываются при помощи нескольких
физических величин, которые могут быть скалярными или
векторными. Само понятие «поле» состоит в том, что в некоторой области
задано (известно, измерено, имеется) распределение какой-то
физической величины, например температуры. В таком случае говорят,
что имеется температурное поле или поле температур
Множественное число слова «температура» означает, что в разных точках
температура разная. Строго говоря, если задан источник поля
(например, электрический заряд), то, согласно современным
представлениям, область существования поля неограниченна. Однако на
больших расстояниях от источника интенсивность поля может быть так
мала, что ее невозможно зарегистрировать никаким известным
способом Тогда говорят, что в данной области поля нет
Электромагнитные поля создаются электрическими зарядами
и токами, которые (за исключением так называемого тока
смещения) создаются движущимися зарядами. В зависимости от
постановки задачи могут рассматриваться отдельно электрические или
магнитные поля, или же говорят об электромагнитном поле Последний
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 221
случай имеет место, когда рассматриваются электромагнитные
волны, в которых электрическое и магнитное поле жестко связаны.
Покоящаяся система электрических зарядов создает
электростатическое поле (часто его называют просто
электрическим полем) Электростатическое поле описывается при помощи
распределения потенциала и напряженности.
Потенциал электрического поля равен работе сил поля при
перемещении заряда 1 Кл (кулон) из бесконечности в данную точку
поля Потенциал измеряется в вольтах (В) и обозначается буквой (р.
Напряженностью электрического поля называется сила,
действующая на единичный неподвижный положительный заряд,
помещенный в данную точку поля. Напряженность измеряется в
вольтах на метр (В/м) и обозначается буквой Е. В поле с
напряженностью 1 В/м на заряд 1 Кл действует сила 1 Н (ньютон).
Из приведенных определений ясно, что потенциал является
скалярной величиной, а напряженность — векторной
Пусть точечный заряд Q расположен в однородной среде Тогда
потенциал и напряженность поля точечного заряда будут равны
соответственно.
„.-S-. в. О (7.0
4лег 4лег2
где е = г'е0 — произведение относительной диэлектрической
проницаемости среды на электрическую постоянную; г — расстояние
от рассматриваемой точки до заряда Q
Если в однородной среде (а в дальнейшем нас будет
интересовать именно этот случай) расположена система зарядов, то поле в
произвольной точке находится по принципу суперпозиции с
помощью (7.1)
Магнитное поле постоянных токов описывается при помощи
таких величин, как напряженность поля и индукция1. Обе эти
величины являются векторными и обозначаются буквами Н и В.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м),
а индукция — в теслах (Т). Связь между напряженностью
магнитного поля и индукцией выражается формулой
В = ц'моЯ,
где \х' — относительная магнитная проницаемость среды; ц0 —
магнитная постоянная Немагнитным средам ц' = 1 и напряженности
1 А/м соответствует индукция 1,25 мкТ.
Для интересующих нас задач
222 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Пусть магнитное поле создается прямолинейным бесконечным
проводом, по которому течет ток /. Напряженность вокруг провода
определяется выражением
7/(2яг), (7.2)
где г — расстояние до провода.
Токи, протекающие в проводящей среде (например, в
человеческом теле), создают в ней кроме магнитного также и электрическое
поле. Если источник тока можно представить как точечный, то
потенциал и напряженность электрического поля можно вычислить по
(7.1), если заменить в них заряд Q на ток / и проницаемость е на
проводимость среды а. Кроме того, в любой точке напряженность
электрического поля и плотность тока связаны выражением
/ = ст Е.
В рассмотренных выше частных случаях напряженности
магнитного и электрического полей не связаны между собой. Если же
заряды и токи изменяются во времени, то напряженности
электрического и магнитного полей становятся связаны между собой. Эта связь
выражается уравнениями Максвелла. Приведем их здесь в самом
простом виде. Первое из уравнений Максвелла известно как закон
полного тока и может быть записано в виде
§Ш/ = / + /ем = /П0ЛН, (7.3)
/
где / — ток проводимости; /сч — ток смещения, плотность которого
дЕ i ,
/см = е ~^~'< 'поли — полный ток через сечение, контура /.
at
Если в рассматриваемой области отсутствует ток проводимости,
но существует изменяющееся во времени электрическое поле, то
возникает и магнитное поле.
Второе уравнение Максвелла обобщает закон электромагнитной
индукции Фарадея. Его смысл состоит в том, что для произвольного
контура, независимо от того, является ли он проводящим или вы*
бран произвольно, в диэлектрической среде выполняется
соотношение
§ Hdl = -[ — dS. (7.4)
/ dt
5
Смысл этого уравнения в том, что изменение во времени
магнитного поля приводит к появлению электрического поля. Таким
образом, мы видим, что в общем случае электрическое и магнитное
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 223
поля зависят друг от друга. Случаи неизменных во времени токов и
зарядов являются частными, а возникающие при их расчетах задачи
называют соответственно магнитостатическими и
электростатическими.
Задачи, для решения которых необходимо применять уравнения
Максвелла, называют задачами электродинамики Они, как
правило, намного сложнее задач статики. По этой причине там, где это
возможно, практические задачи часто сводят к задачам магнито- или
электростатики При этом возникает естественный вопрос: а когда
это можно делать? Ответ следует искать в формулах (7.3) и (7.4).
Непосредственно из них следует, что при медленном изменении,
например, магнитного поля индуцированное им электрическое поле
может быть очень маленьким по значению (аналогично при малом
значении тока смещения мало и индуцированное магнитное поле).
При рассмотрении проблем влияния электромагнитных полей
основное внимание уделяется длительным воздействиям
синусоидально изменяющихся во времени полей. Поэтому вопрос о том,
медленно или быстро изменяется во времени поле, можно решать,
используя значение круговой частоты со = 2р[.
Рассмотрим простой пример. Пусть напряженность
электрического поля равна 10 кВ/м, а частота его изменения 50 Гц (чему
соответствует со = 314 рад/с). Найдем значение напряженности
магнитного поля на периферии окружности радиусом 1 м Решение
следует из (7.3). После подстановки числовых значений получим
Н = 1,6 • Ю-5 А/м, что является очень маленьким значением.
Данный пример показывает, что на промышленной частоте достаточно
интенсивные (в отношении экологических воздействий)
электрические поля порождают слабые магнитные поля. Аналогичный
результат можно получить и в отношении индуцированных магнитным
полем электрических полей. Поэтому для низких частот
магнитные и электрические поля рассматриваются как практически
независимые.
Можно ли говорить, что на промышленной частоте магнитные и
электрические поля следует рассматривать как статические? Да,
практически так и поступают в расчетах. При частоте 50 Гц длина
волны равна 6000 км. Поэтому поля, например под линиями
электропередачи, безусловно, можно рассматривать как статические
(точнее, квазистатические, поскольку напряженность поля «в такт» с
источником поля изменяется синусоидально).
Человечество в своих технических целях научилось
использовать диапазон частот от единиц герц до частот, соответствующих
224 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
частотам видимого спектра. Данные по градации частот приведены
в табл. 7.1. Названия частот соответствуют принятым в
гигиенической практике.
Таблица 7 1
Диапазон частот, Гц
3 3 • 104
3-Ю4 3- 107
3-Ю7. 3- 108
3-108...3 - 1011
Диапазон волн, м
10« 107
107 101
10 1
1 1(Г3
Название частотного диапазона
Инфразвуковые,
звуковые частоты
Высокие частоты
Ультравысокие частоты (УВЧ)
Сверхвысокие частоты (СВЧ)
Применительно к излучающим устройствам (их нижнюю частоту
можно ограничить значением около 10 кГц) различают так
называемые ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне, длина которой
меньше длины волны, соотношение между напряженностями ? и Я
зависит от конструктивного исполнения излучателя. В дальней зоне
при расстояниях, существенно превышающих длину волны,
например для плоской волны в воздухе, справедливо Е = ZH, где
Z = 377 Ом — волновое сопротивление среды. Данное
соотношение показывает взаимосвязь электрического и магнитного полей в
электродинамике.
Прежде всего следует привести характеристики электрического
и магнитного полей Земли. Известно, что Земля обладает
избыточным электрическим зарядом, поэтому на ее поверхности существует
напряженность электрического поля. Эта величина — слабо
переменная во времени, с эквивалентной частотой, которая составляет
единицы или доли герца. В качестве характерной обычно приводится
«напряженность поля хорошей погоды», равная 100-200 В/м. При
грозовой облачности напряженность на поверхности земли может
возрастать до нескольких киловатт на метр. В горах, когда нижняя
кромка облаков находится вблизи поверхности Земли, отмечаются
случаи коронирования выступающих металлических предметов
(например, ледорубов), что указывает на напряженность 10...20 кВ/м.
Магнитное поле Земли также слабо изменяется во времени. При
спокойной магнитной обстановке в средних широтах напряженность
достигает 40 А/м. Во время магнитных бурь напряженность
увеличивается как минимум на порядок.
И электрическое, и магнитное поля Земли относят к
постоянным полям, поскольку во времени они изменяются очень мед-
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 225
ленно. Они являются «обязательными» элементами среды обитания,
в которой человек сформировался как биологический вид. Поэтому
за длительное время он адаптировался к их наличию.
Воздействие электромагнитных полей
на биологические объекты
Электромагнитные поля (ЭМП) оказывают воздействие на
насекомых, рыб, животных и человека. Одними из самых
чувствительных к воздействию ЭМП являются рыбы [1]. Для них порог
чувствительности по внешнему электрическому полю составляет единицы
вольт на метр. Воздействие ЭМП на животных (на мышей, крыс,
собак) изучалось в отношении их влияния на нервную, иммунную
и эндокринную системы, нейрогуморальные реакции, половую
функцию и на эмбрион. Кроме того, широко проводились клинико-физио-
логические исследования влияния ЭМП на человека [4]. Однако
нельзя сказать, что механизмы воздействия ЭМП на человека в
настоящее время полностью выяснены. Это объясняется сложностью
человеческого организма, с одной стороны, и неоднозначностью
некоторых воздействий ЭМП — с другой. Здесь имеется в виду, что
воздействие слабыми токами и магнитными полями низкой частоты
используется в лечебных целях. Также хорошо известна такая
лечебная процедура, как УВЧ, применяемая для прогревания участков
тела. Тем не менее существуют экспериментальные факты
отрицательного воздействия ЭМП, например протекание в теле человека
токов под воздействием низкочастотных полей или выделение в теле
человека тепла при воздействии СВЧ. Рассмотрим эти механизмы
подробнее.
Известно [3], что организм человека электрически активен, как,
впрочем, у всех млекопитающих и рыб. Его нормальное
функционирование связано с протеканием в нервных клетках и в мозгу слабых
электрических токов. Последние регистрируются как
электроэнцефалограммы. Также известно, что протекание через организм
сравнительно больших токов может вызывать различные болезненные
явления: фибрилляция и остановка сердца, а также спазм
дыхательных путей (см. гл. 6).
При объяснении влияния ЭМП удобнее оперировать не
значениями токов, протекающих через организм, а значениями плотности
тока. Согласно современным представлениям [4] различают
следующие градации плотности тока в организме человека в соответствии
с тяжестью их воздействия:
8-4910
226 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• / = 0,1 мкА/см2 — безопасная плотность тока, соизмеримая
с плотностью тока, протекающего в организме в процессе его
нормального функционирования;
• / ~ 1 мкА/см2 — нижний предел плотности тока, вызывающего
электро- и магнитофосфены, при длительном воздействии может
привести к существенным нарушениям развития и поведения;
• / = 10...50 мкА/см2 — порог стимуляции сенсорных
рецепторов нервных и мышечных клеток; при протекании тока с такой
плотностью через мозг вызванный эффект может быть соизмерим с
электрическим шоком;
• / = 100...1000 мкА/см2 — вызывает фибрилляцию сердца.
Эти данные приведены здесь в связи с тем, что при нахождении
человека в переменном электрическом или магнитном поле в его
организме индуцируются (наводятся) токи, плотность которых
пропорциональна напряженности поля и может достигать опасных
значений. Это, собственно, и служит объяснением факта
отрицательного влияния низкочастотного ЭМП на человека.
Перейдем теперь к изложению результатов экспериментов,
иллюстрирующих влияние ЭМП СВЧ-диапазона. Опыты [2)
производились на лабораторных животных: мышах, крысах и собаках.
Частота ЭМП изменялась от 0,1 до 24 ГГц. Плотность потока энергии,
облучавшей животных, изменялась от 10 до 100 мВт/см2.
Зависимость плотности потока энергии, вызывающей смерть животных, от
времени воздействия носила падающий характер. При длительности
облучения 100...1000 мин животные погибали, если плотность
энергии превышала 10 мВт/см2. Увеличение плотности энергии
приводило к сокращению времени, через которое наступала смерть
животных. Приведенные результаты настолько убедительны, что не
возникает необходимость в каких-то дополнительных обоснованиях
влияния ЭМП.
Диапазон частот, используемый в технических целях, как
показано выше, очень широк. Мы же говорили о неких интегральных
эффектах, отнесенных как бы к краям этого диапазона. Между тем
на организм человека, видимо, воздействует весь диапазон, но в
разной степени [5].
Нормирование допустимых значений интенсивности ЭМП
Все промышленно развитые страны мира имеют нормы по
допустимым значениям воздействующих на человека интенсивностей
ЭМП. Имеются региональные, национальные и глобальные
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 227
нормы. Например, в США свои нормы по ЭМП устанавливает
каждый штат. Примером глобальных норм являются нормы,
рекомендуемые ВОЗ.
Следует понимать, что конкретные значения нормируемых
параметров зависят от большого числа причин и являются
предметом соглашения для конкретной страны или региона.
Так, относительно воздействий радиотелефонов ведется «борьба»
между их производителями и специалистами в области
радиогигиены. Общая ситуация состоит в том, что фирмы, производящие ту
или другую продукцию и заинтересованные в ее сбыте, борются за
высокие значения устанавливаемых ограничительных параметров.
На практике эти параметры могут приводить к такому уровню
воздействий, который гигиенисты считают недопустимым. Результат
борьбы зависит от уровня экономического развития страны,
воздействия на фирмы-производители общественного мнения и от других
подобных причин.
Как итог — в настоящее время нормы разных стран
отличаются друг от друга и от рекомендаций ВОЗ, которые, как
правило, являются самыми жесткими. Вместе с тем различные
нормы содержат практически одни и те же элементы, нормируют
одни и те же величины, изменение, например, нормируемой
напряженности ЭМП от частоты носит один и тот же характер.
Следовательно, эти зависимости объективно отражают общепринятые к
настоящему времени взгляды на воздействие ЭМП.
Рассмотрим общие тенденции и общие элементы существующих
норм по ограничению воздействий ЭМП (конкретные нормы для
каждого диапазона излагаются в последующих параграфах). Общим
для всех норм является ограничение по напряженности
электрического и магнитного полей, причем имеются отдельные
нормы для напряженности электрического и магнитного полей.
Другими словами, нормы содержат допустимые значения
напряженности, превышение которых так или иначе запрещается.
Нормирование напряженностей ЭМП производится в
зависимости от частоты. Характерная черта всех существующих
норм состоит в том, что с ростом частоты допустимые значения
напряженности уменьшаются.
Для диапазона СВЧ нормируются плотность мощности,
Вт/см2 и энергетические экспозиции для электрических полей
(ЭП), (В/м)2 • ч, и для магнитных полей (МП), (А/м)2 • ч.
Применительно к лазерному излучению нормируют энергетическую
8'
228 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
экспозицию, Дж/м2, облученность, Вт/м2, а также энергию
облучения, Дж, и мощность, Вт.
При воздействии низкочастотных полей некоторые нормы
содержат зависимость допустимой напряженности от времени
воздействия. Детализация этой зависимости в разных нормах различна.
Одни выражают ее в виде аналитической зависимости, другие
включают дискретный набор значений допустимой напряженности для
разных значений времени нахождения в ЭМП.
Еще одной общей чертой норм является их «деление» на
нормы для персонала, обслуживающего установки
(профессионалы), и нормы для населения. Нормы для населения всегда
ниже норм для профессионалов. Это объясняется тем фактом, что
к населению относятся заведомо ослабленные люди — больные,
инвалиды, беременные женщины и другие категории лиц, для которых
по ряду причин воздействия ЭМП могут оказаться более вредными,
чем для здоровых людей. Персонал, обслуживающий установки, как
правило, состоит (или должен состоять) из людей, отобранных и по
признаку определенного уровня здоровья.
Перечень действующих в Российской Федерации документов по
нормированию и контролю в области электромагнитных полей
приведен в приложении.
7.2. Электромагнитные поля промышленной частоты
Источники ЭМП
Электромагнитные поля промышленной частоты создаются
энергетическими установками, т.е. установками, связанными с
процессами производства, распределения и потребления электрической
энергии. Так как в бытовых приборах для нагрева и других
функциональных действий используется ток промышленной частоты, а
число работающих электроприборов громадно, то целесообразно
говорить о них как об особом классе установок, создающих ЭМП.
Наконец, персональные компьютеры также являются источниками
ЭМП, в том числе и промышленной частоты. Приведем далее обзор
ЭМП, создаваемых всеми этими источниками.
Электромагнитные поля, создаваемые воздушными линиями
электропередачи (ВЛ). Эти линии создают электромагнитные
поля так называемой промышленной частоты. Для европейских
стран она равна 50 Гц, в США — 60 Гц. На промышленной частоте
электрическое и магнитное поля можно считать не связанными друг
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 229
с другом, рассматривать их отдельно. Электрические поля
создаются зарядами на проводниках, а магнитные — токами в проводниках.
В силу этого каждое из полей рассчитывается по разным формулам
и рассматривается отдельно. Таким образом, объектом нашего
анализа будут электрические и магнитные поля вблизи ВЛ и на
территории ОРУ (открытых распределительных устройств).
Достаточно сильные электрические и ма/нитные поля
промышленной частоты создают условия, нахождение в которых наносит
или может нанести вред здоровью человека. Кроме того, они
оказывают влияние на животных, насекомых, растения. Более детально
воздействия электромагнитных полей на человека будет описано
ниже, а сейчас определим, кто и в каких обстоятельствах может
подвергнуться воздействию электромагнитных полей
энергетических объектов.
Будем рассматривать следующие категории лиц:
• ремонтный персонал;
• население.
Каждая из этих групп в силу своих профессиональных
обязанностей имеет доступ к различным объектам и поэтому может
находиться в разных ситуациях, связанных с электромагнитными
полями.
В наибольшей степени подвержен влиянию электромагнитных
полей ремонтный персонал. Это вызвано тем, что ремонтные работы
могут производиться в самых различных условиях: под проводами
ВЛ, а также и с подъемом на высоту. Ремонтные работы могут
выполняться на отключенной линии при наличии идущих рядом линий,
находящихся под напряжением; на опорах линий как отключенных,
так и находящихся под напряжением; на линиях, находящихся под
напряжением (этот вид работ называется «ремонт под
напряжением»). В нем участвует бригада, состоящая из шести-семи человек.
Члены бригады находятся как на земле у опоры, так и на самой опоре
и непосредственно на проводах или, как говорят, «на потенциале
провода» (рис. 7.1).
Наибольший объем работ под напряжением на ВЛ 330...750 кВ
связан с ремонтом гирлянд изоляторов (замена гирлянд целиком,
отдельных дефектных изоляторов, ремонт арматуры и т.д.) и
заменой распорок на расщепленных проводах. В отдельных
энергосистемах объем работ под напряжением (имеются в виду только члены
бригады, непосредственно работающие «на потенциале провода»)
достигает десятков тысяч человеко-часов.
230 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Тросы
Рис 7 1 Варианты расположения ремонтной бригады
Воздействию наиболее интенсивных электромагнитных полей
подвергаются, естественно, те люди, которые работают в
непосредственной близости от проводов. Максимальные значения
напряженности электрического поля могут достигать 2000...2500 кВ/м, а
магнитного — более 1000 А/м. Большие напряженности
электрического и магнитного полей могут также воздействовать на членов
бригады, находящихся на опоре.
Вторая категория лиц, подвергающихся воздействию
электромагнитных полей, — население. По данным Международного
комитета по большим электрическим сетям (СИГРЭ) протяженность ВЛ
с номинальным напряжением 300 кВ и выше в развитых
промышленных странах составляет тысячи и десятки тысяч километров.
Так, в Австралии, ФРГ, Японии — около 10 000 км; Бразилии,
Южной Африке — около 15 000 км; Канаде — около 25 000 км;
США и России — около 80 000 км. Ни в одной стране не
принимается никаких мер, препятствующих нахождению людей под
проводами ВЛ. Если приближенно принять ширину санитарной зоны
вблизи ВЛ (т.е. зоны, в которой напряженность выше нормируемой
для населения) около 50 м, то ее площадь для России составит около
4000 км2. Это примерно в четыре раза больше территории Москвы
в границах кольцевой автодороги. Приведенный пример показывает,
что воздействию электромагнитных полей ВЛ может подвергаться
достаточно большое число людей. В последние годы в России сти-
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 231
хийно сложилась практика строительства дачных домов вблизи ВЛ,
а иногда прямо под проводами линий, включая линии 500 кВ. При
этом в зоне влияния электромагнитных полей оказываются дети и
больные люди, т.е. лица, наиболее подверженные вредным
воздействиям. С учетом этих обстоятельств следует признать проблему
воздействия электромагнитных полей весьма серьезной.
Кроме непосредственного влияния электромагнитного поля на
людей, существует еще один эффект, связанный с потенциальной
опасностью. Он состоит в том, что автомобили, автобусы и другие
механизмы на резиновых колесах приобретают в электрическом
поле ВЛ некоторый потенциал относительно земли. В случае
прикосновения человека, имеющего хороший контакт с землей, к
машине по телу человека будет протекать ток. Как правило, этот ток
не превышает нескольких миллиампер и сам по себе для жизни не
представляет прямой опасности. Однако он может быть выше порога
чувствительности.
Неожиданное прикосновение, связанное с протеканием тока,
может вызвать непроизвольные движения. По этой причине
возможны травмы, падения и т.п Таким образом, об этом явлении следует
иметь четкое представление и знать, как избежать различных
неприятных последствий.
Распределение напряженности электрического и магнитного
полей под проводами ВЛ многократно измерялось различными
авторами во многих странах. Кроме измерений проводились также и
расчеты этих полей на расчетных моделях различной степени
сложности. Результаты расчета, как правило, довольно хорошо
совпадают с экспериментальными. Для того чтобы получить представление
о влиянии различных факторов, изложим простейший вариант
расчета.
Наибольшие ЭМП у поверхности земли создаются линиями,
имеющими горизонтальное расположение проводов всех фаз. Такие
линии в России имеют номинальное напряжение 220 кВ и выше.
Линии с горизонтальным расположением фаз являются одноцепны-
ми. В ряде стран (США, Канаде, Германии и т.д.) ВЛ, как правило,
являются двухцепными, т.е. на одной опоре подвешиваются две
линии, в результате чего на опоре подвешены шесть фазных
проводов и один или два молниезащитных троса. В этом случае ЭМП под
линией обычно меньше, чем под одноцепными ВЛ.
Простейшая расчетная модель состоит из трех фазных проводов,
расположенных горизонтально (т.е. не учитываются ни провес
проводов в пролете, ни влияние опор). Таким образом, с ее помощью
232 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
можно оценить максимальные значения напряженности в середине
пролета Порядок расчета [6] следующий Вначале составляется
система линейных алгебраических уравнений относительно зарядов
проводов Для принятой упрощенной расчетной модели число
уравнений равно числу проводов Далее путем решения системы
уравнений определяются заряды проводов и рассчитывается
напряженность с учетом сопротивления земли в любой точке Поскольку
напряжение на проводах изменяется по синусоидальному закону,
расчет производится в нескольких точках (по времени) в течение всего
периода синусоиды Это необходимо еще и потому, что электричес
кое поле трехфазной ВЛ (как и магнитное) является вращающимся
Это значит, что в общем случае вектор напряженности в разные
моменты периода промышленной частоты направлен в пространстве
по-разному, а его конец описывает эллипс У поверхности земли
большая полуось эллипса поляризации много больше малой и
направлена вертикально
Распределение напряженности электрического поля у земли
(заметим, что до высоты около 2 м поле практически является
равномерным) имеет характерную «трехгорбую» форму с максимумами
под средним проводом и почти под крайними (рис 7 2)
Следующим этапом упрощения модели является расчет
максимального значения напряженности по формуле
Е _ 1ЛСср^ф[5(^//г)2 + 8(^//г)Я
max 2m0h[l+b(d/hy- + 4(d/h)4]'
где
ср f l,26rf
П |гпр V [1 + (rf/A)P V 1 +(d/hf\
средняя емкость фазы, гпр — радиус провода, d — расстояние
между фазами, h — высота подвеса (габарит) проводов ВЛ
Формула (7 5) дает погрешность, не превышающую 10%, что
вполне приемлемо для инженерных оценок
Распределение напряженности магнитного поля определяется
токами в фазах Анализ показывает, что в этом случае влиянием
сопротивления земли можно пренебречь не внося большой ошибки
в результат Поэтому напряженность магнитного поля в любой точке
рассчитывается как сумма напряженностей, созданных каждым из
фазных токов На практике расчет ведется для составляющих на-
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 233
4,38
33 44
Протяженность, м
Рис 7 2 Распределение напряженности электрического поля
(электрическое поле лиии 500 кВ высота подвеса проводов h = 8 м,
расстояние между фазами d = 12 м)
пряженности по осям координат Для прямого провода в
прямоугольной системе координат составляющие выражаются формулами
Н =
1 (Уо~У\)
2пг '
И« =
f(x0
¦*,)
2ш
(7 6)
где х0, г/0 — координаты рассматриваемой точки, х,, ух —
координаты точки, в которой находится провод с током I, r — расстояние
от рассматриваемой точки до провода
После расчета составляющих от всех проводов производится их
арифметическое суммирование и далее находится модуль
напряженности магнитного поля Этот процесс описывается формулами
3 3
"1Г = ?Я»' "z, = Z'V "^"L + Hly (77)
<=i /=i
Типичная картина распределения напряженности магнитного
поля под проводами ВЛ приведена на рис 7 3
Из (7 5) (7 7) следует, что основными влияющими параметрами
являются номинальное напряжение ВЛ, высота подвеса проводов,
расстояние между фазами и ток в линии Последний определяется
мощностью S, передаваемой по ней, как Уф = S/(/il0MV~3
Согласно ПУЭ [7], напряженность электрического поля под
проводами ВЛ ограничивается 10 кВ/м для населенной местности,
15 кВ/м — для ненаселенной и 20 кВ/м для труднодоступной
местности Таким образом, приведенные цифры являются предельными
234 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природ*
|Н|,А/м
31,3 г
23,5
15,6
7,83 ' 1 1 1 1
О 11 22 33 44
Протяженность, м
Рис 7 3 Распределение напряженности магнитного поля
(магнитное поле линии 500 кВ, высота подвеса прводов А = 8 м,
расстояние между фазами d = 12 м)
для правильно выполненных ВЛ. Следует заметить, что, например,
«ненаселенной» является вся территория Московской (и не только
Московской) области, где проходят ВЛ 500 кВ.
Напряженность магнитного поля под ВЛ до настоящего
времени не нормируется. Расчеты и измерения показывают, что и
зависимости от класса напряжения максимальные значения
напряженности могут достигать 20...50 А/м.
Электромагнитные поля под ВЛ могут оказывать влияние как
на работающих под ними, так и на население Однако есть одна
категория лиц, которые могут находиться либо очень близко (на
расстоянии нескольких метров), либо непосредственно около проводов,
находящихся под напряжением. Эти лица входят в состав
ремонтных бригад, выполняющих различные работы на ВЛ, в том числе и
под напряжением (см. рис. 7.1). Условия выполнения работ таковы,
что напряженность электрического поля в месте нахождения
монтера достигает 1000...1500 кВ/м, а магнитного — нескольких
тысяч ампер на метр
Электромагнитные поля на ОРУ. Эти устройства являются
неотъемлемой частью электрических систем. На их территории
устанавливаются коммутационная аппаратура, измерительные
трансформаторы тока и напряжения, защитные аппараты, силовые транс
форматоры. Все эти устройства обеспечивают передачу
электроэнергии по разным линиям, подходящим к ОРУ, создавая тем самым
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 235
возможность изменять схемы соединений внутри электрической
системы.
Электрические аппараты устанавливаются на ОРУ на
минимально возможном расстоянии друг от друга. Поэтому ЭМП на
территории ОРУ могут быть значительно интенсивнее, чем под ВЛ.
Так, напряженность электрического поля согласно проводившимся
измерениям может достигать у поверхности земли 20, а в отдельных
местах 30 кВ/м. Дело осложняется тем, что оперативный и
ремонтный персонал могут не только находиться на земле, но и, например
в процессе ремонта, подниматься на оборудование. При этом
аппараты в соседней ячейке могут оставаться под напряжением.
Вследствие этого на рабочем месте напряженность электрического поля
может превосходить 30 кВ/м.
Магнитные поля на ОРУ могут существенно превышать 50 А/м
у поверхности земли. Максимальные значения напряженности
магнитного поля наблюдаются вблизи мощных силовых
трансформаторов, к которым может быть подключено несколько ВЛ.
Подчеркнем, что ОРУ являются территорией, доступ на
которую для населения категорически воспрещен. Работающий там
эксплуатационный и ремонтный персонал обязательно проходит
соответствующую профессиональную подготовку, и на него
распространяются специальные нормы по допустимых значениям
напряженности ЭМП.
Электроприборы промышленного и бытового назначения,
создающие ЭМП промышленной частоты. Как правило (это в
первую очередь относится к бытовым электроприборам), они работают
при сравнительно низких рабочих напряжениях, порядка
напряжения питающей сети. Поэтому их электрические поля невелики и
составляют десятки или сотни вольт на метр. На этом
основании их считают вполне безопасными источниками электрического
поля.
Возрастание единичной мощности электроприборов при низком
рабочем напряжении привело к тому, что их рабочие токи стали
создавать заметные магнитные поля. Применительно к разным
типам электроприборов имеются разноречивые данные. Это вполне
объяснимо, поскольку и номенклатура электроприборов постоянно
расширяется, и их технические характеристики со временем
совершенствуются. Однако характерные значения лежат в интервале
от десятков до сотен ампер на метр. Так, в качестве прибора,
создающего наибольшие поля, обычно называют фен для сушки
волос.
236 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Ниже будет показано, что проблема адекватного нормирования
напряженности магнитного поля промышленной частоты к
настоящему времени еще не нашла полного решения. Это обусловлено
имеющимися в некоторых источниках данных о влиянии магнитных
полей низкой интенсивности. По этой причине в данной книге не
приводятся какие-то рекомендации и заключения о допустимости
или недопустимости использования тех или иных приборов.
Механизм влияния ЭМП промышленной частоты на человека
Современные представления сводятся к тому, что основным
механизмом влияния являются токи, возникающие в организме
человека, находящегося в ЭМП. Рассмотрим этот вопрос отдельно для
электрического и магнитного полей.
Влияние электрического поля. Пусть человек находится в
однородном поле и имеет хороший контакт с землей. Расчетные
модели для этого случая приведены на рис. 7.4.
Равномерное внешнее поле принято, с одной стороны, для
упрощения задачи, а с другой — потому что реальные поля ВЛ и ОРУ
у поверхности земли слабо отличаются от равномерных. Различные
органы человеческого тела имеют проводимость в пределах
0,01...0,7 См/м. Наибольшая проводимость у мозга, крови, сердца,
а наименьшая — у костных и жировых тканей. Если
ориентироваться в приближенных оценках на проводимость около 0,1 См/м, что
характерно для мышечных тканей и внутренностей, то комплексная
проницаемость тела человека будет примерно на семь порядков
больше, чем проницаемость воздуха. Отсюда следует, что в расчетах
тело человека можно рассматривать как проводник.
Для вычисления тока, протекающего по телу человека,
находящегося во внешнем электрическом поле, использовались различные
расчетные модели (см. рис. 7.4). Впервые профессор П.А.Долин
О
Рис 7 4 Модели для расчета влияния
электрического поля на человека
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 237
предложил в качестве модели тела человека рассматривать
половину вытянутого эллипсоида вращения на проводящей плоскости (см.
рис. 7.4,а). Выбор такого варианта обусловлен тем, что было
известно его аналитическое решение. Геометрические размеры модели
(большая и малая полуоси эллипсоида) выбраны исходя из роста
1,8 м и массы 80 кг. При средней плотности тканей 1,05 кг/м это
дает малую полуось эллипсоида b = 0,14 м (большая полуось
а = 1,8 м). Вторая расчетная модель (рис. 7.4,6) представляет собой
цилиндр радиусом 0,12 м и высотой 1,8 м, имеющий сферическое
скругление. Для нее известны результаты подробных численных
расчетов.
Надо сказать, что в литературе встречаются описания и других
моделей, которые использовались как в расчетах, так и
экспериментах. В последнем случае модели (или фантомы) воспроизводили
достаточно подробно строение человеческого тела. Несмотря на
различие форм расчетных моделей, их использование приводит к
достаточно близким результатам. Они сводятся к следующему. В
электрическом поле на «заземленной» расчетной модели тела человека
индуцируется электрический заряд. Так, для показанного на рис. 7.4
направления силовых линий поля (от положительных зарядов к
отрицательным) знак индуцированного заряда будет отрицательным.
При переменном напряжении низкой частоты картина поля
изменяется во времени, оставаясь в каждый момент времени
соответствующей законам электростатики. Это значит, что
индуцированный зар-яд будет изменяться синусоидально с той частотой, с
которой изменяется внешнее поле. Полный заряд, индуцированный на
модели тела человека, можно представить в виде
Ополи = ЬУ^оКф- (7.8)
где h — высота; /?ч — эквивалентный радиус; 'К^ — безразмерный
коэффициент, зависящий от формы модели; ?0 — напряженность
ннешнего однородного поля.
Полный ток, стекающий в землю, при синусоидально
изменяющемся поле
/полн = со?0Л/?эе0/Сф. (7.9)
Выражения (7.8) и (7.9) показывают, что полный заряд и
полный ток пропорциональны напряженности внешнего поля Е0 и
характерным размерам модели. Для геометрически подобных
моделей коэффициент Кфсохраняет свое значение. Отсюда, например,
следует, что для ребенка при уменьшении вдвое величин h и R3 пол-
238 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ные заряд и ток при неизменном Е0 уменьшатся в четыре раза. В
экспериментах с фантомами, выполненными в натуральную величину,
установлено, что полный ток, стекающий с человека ростом 1,8 м и
находящегося в однородном поле частотой 50 Гц и напряженностью
5 кВ/м, составит 80 мкА.
Перейдем к оценкам плотности тока внутри тела. Их средние
значения также были установлены в экспериментах с фантомами,
имеющими такую же проводимость, как и тело человека [8]. В поле
напряженностью 10 кВ/м при частоте 60 Гц плотность тока на
уровне груди составляла 100...160, а на уровне талии 350...370 нА/см2.
Не вызывает затруднений и оценка плотности тока в отдельных
участках тела. Согласно данным разных авторов, максимальная
напряженность на макушке фантома примерно в 20 раз больше
напряженности внешнего поля. Из непрерывности тока следует, что в
этой точке при напряженности Е0 = 1 кВ/м и частоте 50 Гц
плотность тока проводимости.
/ = toe0?max = 5,55 нА/см2.
По тем же данным на кончике носа максимальная
напряженность в 250 раз больше напряженности внешнего поля. Тогда в тех
же условиях плотность тока на кончике носа составит примерно
70 нА/см2, а при увеличении напряженности внешнего поля до
20 кВ/м будет равна 1,4 мкА/см2.
Сравним приведенные цифры с пороговыми значениями (см.
«Источники ЭМП» в § 7.2). Среднее значение плотности тока на уровне
груди составляет на частоте 50 Гц около 100 нА/см2. За счет того,
что проводимость крови и кровеносных сосудов больше
проводимости мышечной ткани, плотность тока в кровеносных сосудах
и в сердце увеличится по сравнению со средней. По разным
оценкам, это увеличение может составлять от 3 до 5 раз. Отсюда следует,
что при напряженности внешнего поля 10 кВ/м плотность тока,
протекающего через сердце, может достигать 0,3...0,5 мкА/см2, что
приближается к нижнему пределу плотности тока (1 мкА/см2), при
которой могут возникать отрицательные последствия.
Влияние магнитного поля. В данном случае оценки средних
значений плотности наведенных токов могут быть сделаны на основе
применения (7.5). При синусоидальном изменении индукции с
частотой со — это выражение можно переписать в виде
§ Edl = a>\ BdS..
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 239
Теперь рассчитаем максимальную плотность тока для случая,
когда имеется проводящий цилиндр, а вектор индукции магнитного
поля направлен по оси цилиндра. Из приведенного соотношения
получим Et = ыгВ/2. Здесь г — радиус цилиндра. Это же выражение
справедливо и для сферы.
Согласно приведенным формулам при индукции 100 мкТ средняя
плотность тока для головы (г = 0,1 м, ст = 0,1 См/м) будет равна
0,015 мкА/см2. За счет различия проводимостей тканей организма
максимальная плотность тока может увеличиться примерно в три
раза и составить около 0,05 мкА/см2. Следует подчеркнуть, что
ориентация вектора индукции магнитного поля у поверхности земли
(в отличие от вектора напряженности электрического поля) может
быть произвольной. Это влечет увеличение средних плотностей тока
при горизонтальной ориентации вектора магнитной индукции В.
В работе французских исследователей [10] проводились расчеты
плотности наведенных магнитным полем вихревых токов с учетом
различий в проводимости разных органов и при достаточно полном
описании анатомического строения тела. Согласно их данным, в
магнитном поле с индукцией 100 мкТ и частотой 50 Гц максимальная
плотность тока в теле достигает около 0,2 мкА/см2 при среднем
значении 0,015 мкА/см2.
Таким образом, переменное магнитное поле, так же как и
электрическое, индуцирует в организме переменные токи,
плотность которых пропорциональна напряженности внешнего
поля. Различие между влиянием магнитного и электрического
полей состоит в том, что пути протекания индуцированных
токов в организме различны. При влиянии электрического поля
гок протекает вдоль тела и его заметная часть протекает через
сердце и кровеносную систему. Под влиянием магнитных полей
максимальная плотность тока сосредоточена в основном в периферийных
областях. Не исключено, что именно различия в распределении
плотности тока в этих двух случаях могут приводить к разным
эффектам.
Следует также указать, что в литературе появились данные о
повышении риска онкологических заболеваний у лиц (в первую
очередь у детей), длительное время проживающих вблизи линий
«лектропередачи. Однако многие исследователи подвергают эти
результаты сомнению. С целью внесения окончательной ясности в эту
проблему ВОЗ считает необходимым проведение в жизнь
специальной программы для дальнейшего изучения этого вопроса.
240 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Допустимые уровни напряженности электрических полей
Допустимые уровни воздействующих полей
устанавливаются отдельно для персонала, обслуживающего
электроустановки, и населения. В понятие «население» включают лиц,
проживающих, работающих или временно находящихся вблизи ВЛ. В первом
случае руководствуются ГОСТ 12.1.002-84 «ССБТ. Электрические
поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и
требования к проведению контроля на рабочих местах».
Предельно допустимый уровень напряженности
воздействующего поля устанавливается равным 25 кВ/м. Пребывание в
поле с напряженностью более 25 кВ/м без средств защиты не
допускается. При напряженности поля от 20 до 25 кВ/м время
пребывания персонала в нем не должно превышать 10 мин.
Допустимое время Т, ч, пребывания в поле напряженностью от 5 до
20 кВ/м включительно вычисляется по формуле
Т = 50/?-2,
где Е — напряженность воздействующего поля в контролируемой
зоне, кВ/м.
Пребывание в поле с напряженностью до 5 кВ/м включительно
допускается в течение рабочего дня.
При нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с
различной напряженностью время пребывания вычисляется по
формуле
Tnp = 8(tEi/TEt + tE2/TE2 + . +tE/TE),
где Г — приведенное время, эквивалентное по биологическому
эффекту пребыванию в поле с нижней границей нормируемой
напряженности, ч; tE, tE ..., tE — время пребывания в
контролируемых зонах с напряженностью ?,, ?2,.. , Еп, ч; ТЕ , TEi, . , ТЕ —
допустимое время пребывания для соответствующих кбнтролируемых
зон.
Значения напряженности на рабочих местах
контролируются посредством измерений Напряженность должна измеряться
в зоне нахождения человека при выполнении им работы. Во всех
случаях измерению подлежит напряженность неискаженного поля
(т.е. в отсутствии человека).
При выполнении работ без подъема на конструкции или
оборудование измерения напряженности должны проводиться:
• при отсутствии средств защиты — на высоте 1,8 м от
поверхности земли;
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 241
• наличии коллективных средств защиты — на высоте 0,5; 1,0
и 1,8 м от поверхности земли.
Если работы выполняются с подъемом на конструкции или
оборудование (независимо от наличия средств защиты), измерения
проводятся на высоте 0,5; 1,0 и 1,8 м от площадки рабочего места и
расстоянии 0,5 м от заземленных частей.
Для определения напряженности следует применять приборы,
измеряющие действующие значения и имеющие погрешность не
более 20%.
Применительно к населению нормирование напряженности
электрического поля осуществляется «Санитарными нормами и
правилами защиты населения от воздействия электрического поля,
создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного
тока промышленной частоты (СН 2971-84)». Они устанавливают
предельно допустимые уровни напряженности поля. В качестве
предельно допустимых уровней приняты следующие значения
напряженности:
• 0,5 кВ/м внутри жилых зданий;
• 1 кВ/м на территории зоны жилой застройки;
• 5 кВ/м в населенной местности вне зоны жилой застройки, а
также на территории огородов и садов;
• 10 кВ/м на участках пересечения ВЛ с автомобильными
дорогами;
• 15 кВ/м в ненаселенной местности;
• 20 кВ/м в труднодоступной местности и на участках,
специально выгороженных для исключения доступа населения.
При напряженности поля выше 1 кВ/м должны быть приняты
меры по исключению воздействия на человека ощутимых
электрических разрядов и токов отекания в случаях касания изолированных
от земли объектов — крупногабаритных предметов, машин и
механизмов.
Предельно допустимые значения напряженности
нормируются для неискаженного поля. Напряженность определяется
на высоте 1,8 м от уровня земли, а для помещений — от уровня
пола
В целях защиты населения от воздействия электрического поля
устанавливаются санитарно-защитные зоны, т.е. территории
вдоль трассы ВЛ, где напряженность поля превышает 1 кВ/м
Согласно СН 2971-84 для проектируемых ВЛ, а Также зданий и
сооружений допускается принимать границы санитарно-защитных зон
242 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вдоль трассы ВЛ с горизонтальным расположением проводов на
следующих расстояниях от проекции крайней фазы:
Номинальное напряжение ВЛ, кВ . . . 330 500 750
Расстояние, м 20 30 40
В пределах санитарно-защитной зоны запрещается:
размещать жилые и общественные здания и сооружения, площадки для
стоянки и остановки всех видов транспорта, предприятия по
обслуживанию автомобилей и склады нефти и нефтепродуктов,
производить операции с горючим, выполнять ремонт машин и механизмов.
Допустимые уровни напряженности магнитных полей
Поскольку проблемы биологического влияния магнитных полей
про-мышленной частоты к настоящему времени нельзя считать
окончательно решенными, существующие нормы также следует
рассматривать как переходные, поскольку намечаются тенденции к их
ужесточению. Предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности
поля для условий выполнения работ под напряжением [9]
установлены на уровне 3,2 кА/м при воздействии на тело работающего
и 5,2 кА/м — при воздействии на кисти рук.
Международные рекомендации IRPA/INIRC содержат более
жесткие нормы: 400 А/м для производственных воздействий и
80 А/м — для населения. В настоящее время Институтом
медицины труда РАМН подготовлен проект норм (находящийся в
настоящее время на стадии утверждения), в котором предлагается
регламентировать следующие уровни воздействия:
• при выполнении работ в условиях воздействия переменных
магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) — от 1600 до
80 А/м в зависимости от длительности воздействия (от 1 до 8 ч)
на все тело и от 6400 до 800 А/м при воздействии на конечности;
• 15 А/м для населения;
• 60 А/м для лиц, выполняющих работы в зоне прохождения
трассы ВЛ, но профессионально не связанных с их эксплуатацией.
В заключение приведем действующие европейские нормы по
допустимым значениям напряженностей ЭМП промышленной
частоты. Эти нормы известны как ENV-50166 [111, введены в 1995 г. на
три года. Далее они были приняты как постоянно действующие. Они
содержат одновременно данные по напряженности как
электрического, так и магнитного полей и применимы для нормирования на
рабочих местах.
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 243
Допустимые значения напряженности разделены на три
категории:
' первая: Е = 6,1 кВ/м, Н = 159 А/м — при превышении
данных значений обязательна информация персонала;
• вторая: Е = 12,3 кВ/м, Н = 320 А/м — при превышении
обязательны мероприятия по ограничению времени пребывания в
поле;
• третья: Е = 19,6 кВ/м, Н = 480 А/м — помимо ограничения
времени пребывания обязательно предупреждение «опасная
работа».
Различие между отдельными нормами показывает, что на
настоящий момент не существует единого мнения по допустимым
значениям напряженности ЭМП.
7.3. Электромагнитные поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов
Источники излучения
Диапазон частот от десятков до сотен килогерц уже использу-
«?тся в радиотехнике. Так, для связи с подводными лодками в
Австралии была построена радиостанция, принадлежащая США,
работающая на частотах десятки килогерц, излучающая мощность
несколько сотен киловатт. Вблизи антенны (на границе волновой
зоны) напряженности составляют доли ампера на метр и киловатт
на метр. На территории самой антенны эти цифры увеличиваются
на порядок.
На частотах, соответствующих длинам волн от десятков метров
до долей метра, осуществляются различные виды передачи
информации с помощью радио, телевидения, радиотелефонной связи. Этот
же диапазон используется в различных приборах и установках,
имеющих самое разнообразное предназначение. Так, диапазон волн
порядка десятков метров (20...60 МГц) применяется в технологии
обработки различных пластмасс для нагрева, сварки и т.д.
Измерения показывают возможность существования полей вблизи таких
установок с напряженностью порядка долей киловатт на метр.
Диапазон СВЧ используется не только в технике связи, но и для.
различных технологических приложений. Генераторы СВЧ нашли
широкое применение в электронной промышленности,
радиолокации, ядерной физике и т.п. Бытовые СВЧ-печи, переносные
радиотелефоны являются в настоящее время широко применяемыми
бытовыми приборами.
244 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Поскольку биологическое действие ЭМП СВЧ-диапазона
носит ярко выраженный «тепловой» характер, то принято для
описания этого диапазона использовать такую величину, как
плотность энергии на единицу площади, мВт/см2 Значения этого
параметра вблизи от установок СВЧ могут изменяться в широких
пределах, что в первую очередь зависит от их мощности, а также от
конструктивного исполнения
Персональные компьютеры являются источником электро-
магнитных излучений в широком диапазоне частот. Не
вызывает сомнений, что персональные компьютеры только начали свое рас
пространение и в недалеком будущем их число многократно увели
чится. Вблизи персональных компьютеров ЭМП нормируется в диа
пазоне до 400 кГц.
Мощные ЭМП могут генерироваться передающими радиола
кационными станциями (РЛС). Они работают на частотах от 0,5
до 15 ГГц.
Приведенное краткое перечисление источников ЭМП
радиочастотного диапазона содержит десятки разнообразных по своим тех
ническим характеристикам объектов. По этой причине в данном
учебном пособии не имеет смысла приводить значения напряжен
ностей полей и другие параметры. Это тема отдельного рассмотре
ния. Можно только сказать, что в любой части радиочастотного
спектра можно указать источники очень мощных излучений, подвер
гаться которым опасно для здоровья.
Биологическое действие
Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологи
ческими объектами осуществляется [9] путем наведения внутренних
полей и электрических токов, значение и распределение которых и
теле человека и животных зависят от ряда параметров, таких как
размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и маг
нитные свойства тканей (электрическая/магнитная проницаемость
и электрическая/магнитная проводимость), ориентация объекта от
носительно поляризации тела, а также от характеристик ЭМП (час
тота, интенсивность, модуляция и др.). Поглощение энергии ЭМП
в тканях определяется главным образом двумя процессами: ко
лебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов
с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к
возникновению токов проводимости и связанным с электрическим
сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимое
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 245
ти), тогда как второй — к потерям энергии за счет трения диполь-
ных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери).
На низких частотах основной вклад в поглощение энергии
электромагнитного излучения (ЭМИ) вносят потери,
связанные с ионной проводимостью. Ионная проводимость возрастает с
увеличением частоты поля до 106... 107 Гц в связи с уменьшением
емкостного сопротивления мембран и со все большим участием
ннутриклеточной среды в общей проводимости, что ведет к
увеличению поглощения энергии. При дальнейшем увеличении частоты
ионная проводимость средк остается практически постоянной, а
поглощение энергии продолжает расти за счет потерь на вращение ди-
польных молекул среды, главным образом молекул воды и белков.
Поглощение и распределение поглощенной энергии внутри тела
существенно зависит также от формы и размеров облучаемого
объекта, от соотношения этих размеров с длиной волны излучения. С
ггих позиций в спектре ЭМИ РЧ выделяют три области. ЭМИ с
частотой до 30 МГц, ЭМИ с Частотой более 10 ГГц и ЭМИ с частотой
30 МГц... 10 ГГц. Для первой области характерно быстрое падение
поглощения с уменьшением частоты (приблизительно
пропорционально квадрату частоты) Отличительной особенностью второй
области является очень быстрое затухание энергии ЭМИ при
проникновении внутрь ткани: практически вся энергия поглощается в по-
иорхностных слоях биоструктур. Для третьей, промежуточной по
частоте области, характерно наличие ряда максимумов поглощения.
Условия возникновения локальных максимумов поглощения в голо-
le имеют место на частотах 750...2500 МГц, а максимум,
обусловленный резонансом с общим размером тела, лежит в диапазоне
частот 50...300 МГц.
Организм животных и человека весьма чувствителен к
воздействию ЭМИ РЧ. Биологическому действию ЭМИ посвящены тысячи
работ отечественных и зарубежных авторов. К критическим органам
и системам относят центральную нервную систему, глаза, гонады
Некоторые авторы считают критической кроветворную систему.
Описаны эффекты со стороны сердечно-сосудистой и нейроэндо-
Кринной системы, иммунитета, обменных процессов. В последние
Годы появились данные об индуцирующем влиянии ЭМИ на
процессы канцерогенеза. Отмечено, что биологическая активность ЭМИ
убывает с увеличением длины волны (или снижением частоты)
излучения. В свете сказанного понятно, что наиболее активными
являются санти-, деци- и метровый диапазоны радиоволн.
246 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о-человеке и природе
Поражения, вызываемые ЭМИ РЧ, могут быть острыми и
хроническими Острые поражения возникают при значительных
тепловых воздействиях ЭМИ. Они встречаются крайне редко — при
авариях или грубых нарушениях техники безопасности. При этом
чаще всего речь идет о пострадавших, работающих в
непосредственной близости от излучающих антенн радиолокационных станций.
Подобный случай облучения двух авиатехников от радара на
Филиппинах описан в [9]. Указаны интенсивности, воздействию
которых подвергались пострадавшие: 379 мВт/см2 в течение 20 мин, 16
Вт/см2 в течение 15...30 с. Острые поражения отличаются поли-
симптомностью нарушений в различных органах и системах, при
этом характерны выраженная астенизация, диэнцефальные
расстройства, угнетение функции половых желез. Пострадавшие
отмечают отчетливое ухудшение самочувствия во время работы РЛС или
сразу после ее прекращения, резкую головную боль,
головокружение, тошноту, повторные носовые кровотечения, нарушение сна.
Эти явления сопровождаются общей слабостью, адинамией, потерей
работоспособности, обморочными состояниями, неустойчивостью
артериального давления и т.д.; в случаях развития диэнцефальной
патологии — приступами тахикардии, профузной потливости, дро
жания тела и др. Нарушения сохраняются до 1,5...2 мес. При воз
действии высоких уровней ЭМИ (более 80... 100 мВт/см2) на глаза
возможно развитие катаракты.
Для персонала характерны хронические поражения. Они
выявляются, как правило, после нескольких лет работы с источниками
ЭМИ микроволнового диапазона при уровнях воздействия, состав
ляющих от десятых долей до нескольких милливатт на сантиметр в
квадрате и превышающих периодически 10 мВт/см2.
Экспертами ВОЗ (WHO/VER/ORPA, Document 16, 1990) h;i
основании анализа 10 работ западных авторов, изучавших состоя
ние здоровья работающих при уровнях ЭМИ, не превышающих, как
правило, 5 мВт/см2, сделан вывод об отсутствии отчетливых дока
зательств неблагоприятного влияния на человека этих воздействий
Эксперты полагают, что патология возникает при более высоких
уровнях. Нельзя, однако, не обратить внимание на приведенные и
том же документе сведения о большей по сравнению с контрольной
частоте изменений в хрусталике глаз у военных, связанных с обслу
живанием радаров, у работающих с источниками микроволн в уело
виях производства, а также у специалистов, обслуживающих радио
и телерадио аппаратуру 558 Гц...527 МГц.
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 247
Нормирование ЭМИ РЧ
Впервые ПДУ ЭМИ РЧ были установлены в середине 1950-х гг.
Однако серьезное внимание научным основам регламентации ПДУ
стало уделяться лишь в 1970-е гг. в соответствии с проводившимися
исследованиями по вопросам методологии гигиенического нормиро-
мания различных факторов производственной среды. К тому времени
Лыл накоплен большой феноменологический материал по
биологическому действию радиоволн. Выявлены наиболее чувствительные
органы, ткани и системы. Достаточно полно описана клиническая
картина расстройств и поражений, возникающих под влиянием
систематического воздействия высоких уровней ЭМИ. Вместе с тем
теоретические и методологические аспекты проблемы оставались в
известной степени нерешенными. Выработка единых подходов к
регламентации ПДУ стала настоятельной необходимостью.
В качестве критерия вредности при экспериментальном
обосновании ПДУ следует использовать порог вредного действия ПДУ с
¦ведением коэффициентов гигиенического запаса. Под порогом
¦редного действия следует понимать такое сочетание нормируемых
Параметров, при котором в организме возникают изменения,
характеризующиеся наличием одного или совокупности следующих
Примаков:
• качественной перестройки протекания жизненных процессов;
• любых количественных изменений состояния жизненных
процессов, выходящих за пределы колебаний физиологической нормы
и обусловливающих снижение способности организма к осущест-
1Лению нормального для него объема компенсаторных
возможностей по уравновешиванию неблагоприятного действия других
факторов окружающей среды или необычных психофизиологических
состояний;
• развития явлений накопления предшествующих эффектов
воздействия, имеющих характер кумулятивных и приводящих при
продолжении воздействия к развитию сдвигов состояния жизненных
процессов, выходящих за пределы количественных изменений.
При переходе от порога вредного действия к ПДУ целесообразно
Пользоваться коэффициентами гигиенического запаса,
дифференцированными с учетом категории облучаемых (профессионалы,
непрофессионалы, население) и биологической активности
воздействия.
Основными нормативными документами, регламентирующими
Допустимые уровни воздействия ЭМИ РЧ в настоящее время явля-
248 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ются ГОСТ 12 1 006-84 «ССБТ Электромагнитные поля
радиочастот Допустимые уровни на рабочих местах и требования к
проведению контроля», СанПиН 2 2 4/2 1 8 055-96 «Электромагнитные
излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)», СН № 5803-91
«Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия
электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10 60 кГц»
В профессиональных ПДУ воздействия в диапазоне частот до
30 кГц основным нормируемым параметром является
напряженность электрического (Е) и магнитного (Я) полей, временной фактор
учитывается в меньшей степени, ПДУ воздействия составляют
500 В/м и 50 А/м для полного рабочего дня и 1000 В/м и
100 А/м — для воздействия до двух часов за рабочий день
В диапазоне частот выше 30 кГц используется энергетический,
или дозовый, подход Наряду с интенсивностными параметрами (Е,
Н, плотностью потока энергии — ППЭ) нормируется
энергетическая экспозиция (ЭЭ), или энергетическая нагрузка, за рабочий день
Последняя выражается в диапазоне частот до 300 МГц
произведением квадрата напряженности ЭП или МП на время воздействия на
организм Т, в диапазоне частот выше 300 МГц — произведением
ППЭ излучения на время воздействия
ЭЭ= = ?27\
ЭЭЯ = #27\
ЭЭППЭ = ППЭ2Г
Предельно допустимые уровни интенсивности ЭМИ РЧ (?пду,
Япду, ППЭпду) в диапазоне частот 30 кГц 300 ГГц определяют в
зависимости от времени воздействия исходя из предельно допустимой
ЭЭП
(табл 7 2) по формулам
ЭЭ р nrrv
''nnv — V
'ПДУ
V
?ПДУ
Т
ЯПДУ
ПДУ
т
ППЭ
ЭЭ
ПДУ
ППЭ ПДУ
т
Таблица 7 2
Диапазон частот,
МГц
0 03 3
3,0 30
30,0 300
300 300 000
ПДУ ЭЭ за рабочий день
ЭЭ?, (В/м)2 ч
20000
7000
800
ЭЭ№ (А/м)2 ч
200
ЭЭППЭ, (мкВт/см2) ч
200
При этом в любом случае они не должны превышать значений,
установленных в качестве максимально допустимых (табл 7 3)
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 249
Таблица 7 3
Диапазон частот,
МГц
0,03 3
3 0 30
30,0 300
300 300 000
Максимально допустимые уровни параметров ЭМП
Е, В/м
500
300
80
Я А/м
IMS
* Для условии локального облучения кистей рук
ППЭ мкВт/см2
1000 5000*
Для случаев облучения от устройств с перемещающейся
диаграммой излучения (вращающиеся и сканирующие антенны с
частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не
менее 20) и локального облучения рук при работах с микрополос-
ковыми устройствами ППЭПдУ рассчитываются по формуле
К ЭЭПП9 пду
ППЭ
ПДУ
Т
где К — коэффициент снижения биологической активности
воздействий, равный соответственно 10 и 12,5
В СН № 2 2 4/2 1 8 055-96 наряду с профессиональными
представлены ПДУ ЭМИ РЧ для населения (непрерывное воздействие),
разработанные в свое время Киевским НИИО и КГ им Марзеева
(табл 7 4)
Диапазон частот, МГц
Епду, В/м
* Кроме телевизионнь
и в зависимости от ча
0,03 0,3
25
IX станций
лоты состг
0,3 3
15
, ПДУ изл
вляют от 2
3 30
10
учения кот
,5 до 5 В/
30 300
3*
орых дифф
м
Таблица 74
300 300 000
10
еренцированы
Уровни ЭМИ радиолокационных станций, работающих в режиме
вращения или сканирования антенны (или луча), на территории
населенных мест не должны превышать
• 100 мкВт/см2для РЛС диапазона 300 МГц 300 ГГц с
частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не
менее 20,
• 10 мкВт/см2 (6 В/м) в ближней и 100 мкВт/см2 (19 В/м) в
дальней зоне для РЛС, предназначенных для контроля космического
пространства и работающих в диапазоне 150 300 МГц
250 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Граница между ближней и дальней зонами диаграмм излучения
определяется из соотношения
r = D2/X,
где г — расстояние от источника; D — максимальный размер
излучающей апертуры; Я — длина волны излучения.
В последние годы широкое распространение получили такие
источники ЭМИ, как радиотелефоны и видеодисплейные терминалы
(ВДТ). Особенности спектральной характеристики излучений ВДТ
(представлен достаточно широкий спектр частот) и особенности
условий использования радиотелефонов с максимальным
приближением к голове пользователя потребовали разработки отдельных
гигиенических регламентов, обеспечивающих безопасность
пользователей.
В соответствии с требованиями ГН 2.1.8/2.2.4-019-94
«Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных
излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи» для
пользователей телефонами сотовой радиосвязи ПДУ создаваемых ими
ЭМИ составляет 100 мкВт/см2. Представляется целесообразным в
дальнейшем по мере накопления необходимых данных заменить
указанный временный норматив стандартом на устройство
(радиотелефон), обеспечивающим безопасные условия пользования им. Тем
более, что всеобъемлющий контроль подобных источников ЭМИ не
представляется возможным.
В 1996 г. утверждены СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические
требования к видеодисплейным терминалам, персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы». В
соответствии с требованиями документа в Российской Федерации с 1 января
1997 г. для регламентации воздействия ЭМИ введены в действие,
нормативные уровни шведских стандартов MPR П 1990:8,10 и
ТСО 95 (табл. 7.5).
Таблица 7.5
Место
измерения
На расстоянии
50 см от стенок
ВДТ
На расстоянии
10 см от экрана
Нормируемый параметр
Напряженности
электрического поля
Плотность магнитного
потока
Поверхностный
электростатический
потенциал
Диапазон частот
4 Гц...2 кГц
2...400 кГц
4 Гц...2 кГц
2...400 кГц
ПДУ ЭМИ,
создаваемых ВДТ
25 В/м
2,5 В/м
250 нТ
25 нТ
500 В
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений' 251
Такое решение вопроса -с регламентацией ЭМИ ВДТ
представляется недостаточно обоснованным с медико-биологических
позиций, поскольку шведские стандарты основаны на критерии
технической достижимости. Представляется, что отечественный стандарт
должен был базироваться на критериях безопасности с учетом
характеристик физических параметров ЭМИ и их биологической
активности. В результате установлены неоправданно жесткие ПДУ,
контроль которых к тому же представляет известные трудности, а
в некоторых условиях (например, при промышленной частоте)
практически невозможен.
Национальные стандарты, регламентирующие ПДУ ЭМИ РЧ,
установлены в большинстве развитых стран мира. Наряду с
национальными разработаны международные рекомендации по линии
INIRC/IRPA (INIRC — Международный комитет по защите от не-
ионизирующих излучений при международной ассоциации по
радиозащите — IRPA) и CENELEC (Европейский комитет по
электромагнитной стандартизации).
Национальные стандарты зарубежных стран и международные
рекомендации устанавливают в одних случаях единые значения
ПДУ для персонала и населения (например, Германия), в других —
дифференцированные для профессионалов и населения (Канада,
Великобритания, INIRC/IRPA) либо для контролируемых и
неконтролируемых условий (США, Австралия, CENELEC).
Зарубежные стандарты (в основе большинства лежат нормативы
США) имеют достаточно четкое обоснование. Для частот более
10 МГц они построены на концепции удельного поглощения
мощности — SAR.
SAR — это мощность, поглощенная единицей массы
(единицей этой величины в системе СИ является ватт на килограмм); SAR
может быть усреднена на массу всего тела или его части, на время
воздействия, ширину импульса, период модуляции и т.д. По
существу этот подход базируется на тепловой концепции. В качестве
порога возможных биологических эффектов рассматривается
значение SAR, равное 4 Вт/кг. В стандартах США, INIRC/IRPA,
CENELEC и ряде других соблюдено требование: SAR не должна
превышать 0,4 Вт/кг (усредненное значение на все тело) для
профессиональных воздействий и 0,08 Вт/кг — для населения (или
неконтролируемых условий). Таким образом, применяется единый подход
к нормированию ЭМИ для профессионалов и населения. Различия
в конкретных значениях ПДУ для обеих категорий составляют 5 раз
по мощности (VIT — по напряженности). Для частот ниже 10 МГц
252 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
значение концепции SAR ограничено, так как биологические
эффекты в этих диапазонах коррелируют с плотностью наведенного тока
Поскольку вопросы взаимодействия внешних и внутренних полей
(или токов) мало изучены, ПДУ представлены в эффективных (или
среднеквадратических) значениях напряженности падающего поля
Зарубежные стандарты и международные рекомендации
допускают существенно более высокие уровни воздействия по
сравнению с установленными в Российской Федерации.
Отечественные нормативы, как известно, базируются на выраженных
функциональных сдвигах, требующих напряжения компенсаторных
систем организма, другими словами, пограничных между
физиологическими и патологическими (порог вредного действия). К сожалению,
ПДУ ЭМИ РЧ не всегда основываются на четких критериальных
оценках Особенно это касается ПДУ для населения.
По мнению экспертов ВОЗ, сформулированному на основании
детального анализа совокупности данных по биологическому действию
и клиническим эффектам ЭМИ, ПДУ радиочастотных воздействий
должны лежать в диапазоне интенсивностей 100.. 1000 мкВт/см2 с
возможным повышением для некоторых частот и условий
воздействия и снижением для населения (WHO 1981, 1990).
7.4. Защитные средства
Технические средства, позволяющие ограничить интенсивность
ЭМП в диапазоне от единиц герц до гигогерц, основаны на очень
простых принципах. В области низких частот (или при условии, что
размеры устройства или защищаемой зоны существенно меньше длины
волны) это принцип индуцирования электрического заряда или тока, в
области повышенных частот — свойство затухания
электромагнитного поля в проводящей среде Рассмотрим эти принципы подробнее.
Применительно к задаче снижения напряженности
электрического поля низкой (например, промышленной) частоты используется
принцип электростатического экранирования. Он состоит в
следующем Над землей подвешивается (закрепляется) некая система
проводников, которые электрически соединяются с землей
(заземляются) При наличии внешнего электрического поля на
проводниках наводится (индуцируется) электрический заряд, знак которого
обеспечивает уменьшение напряженности поля под проводниками
Как правило, такие системы или, как их называют, экраны
выполняются в виде ряда параллельных земле проволок или так
называемых козырьков
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 253
Степень экранирования зависит от размеров экрана, точнее, от
отношения ширины экрана к его высоте. Приведем некоторые
характерные цифры. Пусть, например, экран выполнен из семи
проволок, расстояние между которыми равно 0,5 м, а высота подвеса
равна 3 м. На высоте 0,5 м напряженность поля составит в середине
сетки 0,31, а на краю — 0,42% напряженности внешнего поля. При
уменьшении расстояния между проволоками степень экранирования
увеличивается. Примерно такая же степень экранирования, как в
предыдущем примере, может быть достигнута, если использовать
экран в виде диска радиусом 1,5 м, расположенного на высоте 3 м.
Примеры расчета экранов можно найти в [6].
Хорошо известный термин «клетка Фарадея» означает
замкнутую проводящую оболочку. Из курса физики известно, что
напряженности поля в ней (при условии, что внутри оболочки нет
электрических зарядов) равна нулю. Практическим примером использования
такого экрана является защитный костюм, используемый при работах
в электрических полях с напряженностью больше 25 кВ/м. Костюм
выполняется из ткани, в которую вплетены тонкие проволоки. Таким
образом образуется частая сетка, создающая высокую степень
экранирования электрического поля. Современные костюмы
обеспечивают снижение напряженности внешнего поля более, чем в 100 раз.
Принцип электромагнитной индукции, согласно которому в
замкнутом контуре наводится (индуцируется) ток, может
использоваться для уменьшения напряженности магнитного поля в ограниченной
области. Направление индуцированного тока таково, что
напряженность магнитного поля в части пространства снижается. Такие
экраны носят название «пассивных». С их помощью возможно
уменьшение напряженности в 2...3 раза. Наряду с пассивными используются
и «активные» экраны, ток в которых создается специальным
источником. В частности, такие экраны используются в курортологии для
компенсации магнитных полей во время магнитных бурь.
При экранировании ЭМП используется также известный
принцип скин-эффекта. Плоская электромагнитная волна, падающая на
поверхность проводника, затухает в нем по экспоненциальному
закону. Глубина скин-слоя 8, или расстояние, на котором
интенсивность поля уменьшится в е раз (е = 2,72 — основание натуральных
логарифмов), определяется выражением
S = V2/(coSli),
где со — круговая частота; о — проводимость материала; ц —
магнитная проницаемость материала.
254 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Из формулы следует, что глубина скин-слоя уменьшается с
ростом частоты, проводимости и магнитной проницаемости
материала. Если волна пройдет в материале расстояние, равное 46, то ее
амплитуда уменьшится примерно в 50 раз. Отсюда ясно, что
металлические экраны, расположенные вокруг экранируемых объемов,
позволяют уменьшить напряженности ЭМП до необходимого уровня.
На низких частотах обычно применяются экраны из материалов
с большой магнитной проницаемостью (пермаллой,
электротехническая сталь). В области высоких частот эффективны экраны из меди.
Кроме специальных средств, снижающих интенсивность поля в
определенном объеме, возможно использование таких простых
средств, как удаление от источника поля. Еще одним таким же
простым средством является уменьшение времени нахождения в ЭМП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Протасов В.Р., Бондарчук А.И., Ольшанский В.М. Введение в
электроэкологию. М.: Наука, 1982.
2. Давыдов Б.И., Тихомчук B.C., Анпгипов В.В. Биологическое действие,
нормирование и защита от электромагнитных излучений. М.: Энергоатомиздат,
1984.
3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.:
Энергоатомиздат, 1984.
4. Electromagnetic Compatibility of Biological System. Volume 4.
Electromagnetic Compatibility of Biological System in Weak 50 Hz Magnetic Fields. Berlin;
Offenbach: VDE-VERLAG GMBH, 1995.
5. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения
России / Ю.Г. Григорьев и др. М.: Российская Ассоциация общественного
здоровья. Фонд «Здоровье и окружающая среда», 1997.
6. Колечицкий Е.С. Защита от биологического действия электромагнитных
полей промышленной частоты. М.: МЭИ, 1996.
7. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. М.:
Энергоатомиздат, 1987.
8. Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий. М.:
Энергоатомиздат, 1994.
9. Неионизирующие электромагнитные излучения и поля (экологические
и гигиенические аспекты) / Г.А. Суворов, Ю.П. Пальцев, Л.Л. Хунданов и др.
М.: Вооружение. Политика. Конверсия, 1998.
10. Baraton R., Cahout J., Hutzler B. Three dimensional computation of the
electric fields induced in a human body by magnetic fields. 8-1SH, Jokohama, 1993.
11. Eggert S., Ruppe I. Normung und Regelungen. EMV Kompendium 95 —
KM Verlag, Kongress, Munchen, 1995.
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 255
Приложение
Перечень действующих нормативно-методических документов
1. ГОСТ 12.1.045-84. ССТБ. Электростатическое поле. Допустимые уровни
на рабочих местах и требования к проведению контроля.
2. Санитарно-гигиенические нормы допустимой напряженности
электростатического поля № 1757-77.
3. Допустимые уровни напряженности электростатических полей и
плотности ионного тока для персонала подстанций и ВЛ постоянного тока
ультравысокого напряжения № 6032-91.
4. Предельно допустимые уровни воздействия постоянных магнитных
полей при работе с магнитными устройствами и магнитными материалами №
1792-77.
5. ГОСТ 12.002-84. ССБТ. Электрические поля промышленной частоты,
Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на
рабочих местах.
6. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия
электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи
переменного тока промышленной частоты № 2971-84.
7. Санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия
электрических полей промышленной частоты (50 Гц) № 5802-91.
8. Методические указания по определению электромагнитного поля
воздушных высоковольтных линий электропередачи и гигиенические требования
к их размещению № 4109-86.
9. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц
№ 3206-85.
10. ОБУВ переменных магнитных полей частотой 50 Гц при производстве
работ под напряжением на ВЛ 220—1150 кВ № 5060-89.
11. Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных
полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц №5802-91.
12. ГОСТ 12.1.006-84. ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот
0,3. .300 ГГц. Требования безопасности.
13. СН № 2.2.4/2.1.8 055-96. Электромагнитные излучения
радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ).
14. СН № 2.2.2.542-96. Гигиенические требования к видиодисплейным
терминалам, персональным и электронно-вычислительным машинам и организация
работы.
15. ГН 2.1.8/2.2.019-94. Временные допустимые уровни (ВДУ)
воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи.
16. СН № 001-96. Санитарные нормы допустимых уровней физических
факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях.
256 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
17 МУК 4 3 679-97 Определение уровней магнитного поля в местах
размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и де-
каметрового диапазонов
18 МУК 4 3 680-97 Определение плотности потока мощности ЭМП в
местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот
700 МГц 300 ГГц
19 МУК 4 3 678-97 Определение уровней напряжений, наведенных ЭМП
на проводящие элементы здании и сооружений в зоне действия мощных
источников радиоизлучении
20 МУК 4 3 677-97 Определение уровней ЭМП на рабочих местах
персонала радиопредприятий, технические средства которых работают в НН, СЧ и
ВЧ диапазонах
21 МУК4 3 045-96 Определение уровня электромагнитного поля в местах
размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания
22 МУК 4 3 044-96 Определение уровня электромагнитного поля, границ
санитарно-защитнои зоны и зон ограничения застройки в местах размещения
радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов
23 Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров
СН № 5904-91
24 Методические указания для органов и учреждений
санитарно-эпидемиологических служб по проведению дозиметрического контроля и гигиенической
оценке лазерного излучения № 5309-90
Глава 8. ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
В ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
8.1. Лазерное излучение
и особенности его распространения
Лазеры являются генераторами оптического диапазона, в
которых используется вынужденное электромагнитное излучение
молекул активного вещества, приводимого в возбужденное
состояние источником накачки Активное вещество помещено в
оптический резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами
(рис. 8.1), благодаря чему происходит взаимная синхронизация
излучения отдельных молекул Все молекулы активного вещества
излучают синфазно, в результате чего формируется
остронаправленный пучок излучения с очень малой шириной спектра. Такое
излучение называют когерентным, а нерасходящийся пучок
излучения — коллимированным
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 257
3
1
2
Л-
5
/
6
\,
\
\
I
7
Рис 8 1 Схема лазерной установки
/ — активное вещество, 2 — источник накачки, 3 — оптический резонатор, 4 —
лазерный луч, 5 — бленда, 6 — линза, 7 — диафрагма, 8 — мишень
В отличие от обычных, некогерентных источников света,
когерентное излучение лазера с помощью системы линз может быть
сфокусировано на малую сравнимую с длиной волны площадку.
Плотность мощности излучения в центре площадки для мощных лазеров
может достигать 1010.. 1015 Вт/см2, что значительно больше
плотности мощности излучения на поверхности Солнца. При этом
напряженность электрического поля 106...108 В/см.
При столь большой напряженности поля происходит
электрический пробой любых материалов и дальнейшее их разрушение. В
ничтожно малом объеме вещества выделяется большая мощность, что
приводит к очень быстрому повышению температуры вплоть до
105... 106 К, испарению вещества и его ионизации. Испарение носит
взрывной харак-тер, в результате чего на поверхности материала
образуется микрократер и возникает ударная волна.
При дальнейшем действии лазерного излучения испаряющееся
под действием лазерного излучения вещество образует факел,
который экранирует облучаемый материал от непосредственного
воздействия лазерного излучения Факел интенсивно нагревается
лазерным лучом, ионизируется, аккумулирует тепло и передает его
основному материалу Нагревание материала становится более
плавным, начинается стационарный процесс обработки.
При распространении несфокусированного излучения пробой
материала может не возникать, но вследствие нелинейной
зависимости показателя преломления материала от напряженности поля
может возникать самофокусировка излучения и дальнейшее
распространение пучка в сфокусированном виде (самоканализация).
При распространении лазерного излучения в атмосфере
происходит рассеяние луча на частицах пыли и капельках воды (тумана).
Под действием энергии луча происходит испарение капелек воды и
9-4910
258 Часть Л Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
просветление канала распространения. Однако при этом оптическая
плотность (коэффициент преломления) среды в середине канала
уменьшается, что приводит к дефокусировке луча.
При высокой плотности мощности лазерного излучения
возможны пробой и ионизация воздуха. Лазерный пробой является очень
нежелательным явлением, так как при этом лазерный луч
поглощается, не доходя до цели. Для предотвращения лазерного пробоя
лазерное излучение большой мощности следует передавать к месту
назначения в пучках большого диаметра.
Распространение лазерного излучения в воде и других
жидкостях сопровождается довольно сильным затуханием и рассеянием,
причем рассеяние определяется в основном содержащимися в воде
взвесями. Вода наиболее прозрачна при длине волны 0,48 мкм; в
этом случае затухание составляет 0,05 м-1. Для ультрафиолетового
и инфракрасного излучения затухание очень сильное. Благодаря
возможности интенсивного перемешивания воды в ней может
распространяться лазерное излучение довольно большой мощности.
При плотности потока мощности, превышающей 1010 Вт/см2,
происходит закипание и ионизация воды.
8.2. Краткая характеристика различных типов лазеров
Типы лазеров различаются видом активного вещества и
способом накачки.
В твердотельных лазерах в качестве активного вещества
используются кристаллы рубина, иттриево-алюминиевый гранат или
стекло, активированное неодимом или эрбием. Резонатор лазера
образован полированными торцевыми поверхностями кристалла,
покрытыми тонким слоем отражающего материала. Для возбуждения
активного вещества используются импульсные ксеноновые лампы.
В режиме свободной генерации твердотельные лазеры генерируют
импульсы длительностью 0,1...I мс, с энергией десятки джоулей и
мощностью в импульсе — десятки или сотни киловатт. КПД
твердотельных лазеров составляет обычно 1...2 %. Для получения очень
коротких импульсов длительностью 1...20 не используется режим
модуляции добротности. При этом мощность в импульсе может
достигать 109...1010 Вт. Угол расходимости луча в твердотельных
лазерах составляет 20...30°.
В газовых лазерах активным веществом является газ или смес!
газов, которые приводятся в возбужденное состояние с помощью гаш
зового разряда. Газовые лазеры характеризуются малым углом рая
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 259
ходимости луча — всего 1...3°. Наибольшее распространение
получили лазеры на смеси гелия и неона с длиной волны генерации
0,63 мкм и лазеры на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм.
Мощность гелий-неоновых лазеров невелика и составляет десятки
или сотни милливатт. Лазеры на углекислом газе, напротив,
характеризуются большой мощностью — сотни ватт в непрерывном
режиме и высоким КПД — 20...30 %. Мощность этих лазеров можно
еще более повысить, если использовать для возбуждения активного
вещества энергию сгорания окиси углерода в специальной камере,
напоминающей реактивный двигатель. При этом удается получить
мощность генерации в импульсе до сотен киловатт. Лазеры такого
типа называются газодинамическими.
В полупроводниковых лазерах активным веществом является
полупроводниковый кристалл размером около 1 мм3. Резонатор
лазера образован торцевыми поверхностями кристалла. Возбуждение
лазера осуществляется электрическим током, проходящим через
кристалл. Максимальная мощность составляет около 100 Вт в
импульсном режиме и несколько ватт в непрерывном. Вследствие
малых размеров резонатора угол расходимости луча равен
нескольким градусам.
В жидкостных лазерах в качестве активного вещества
используются обычно органические красители. Возбуждение активного
вещества осуществляется или когерентным излучением другого
лазера, или некогерентным излучением импульсных ламп.
Особенностью жидкостных лазеров является возможность при
соответствующем выборе активного вещества получить когерентное излучение с
волной почти любой длины — от 0,34 до 11,75 мкм. Энергия
излучения в импульсе до 10 Дж.
8.3. Применение лазеров
Лазеры широко применяются в самых различных областях
человеческой деятельности благодаря таким уникальным свойствам, как
высокая степень когерентности и монохроматичности излучения,
малая расходимость луча, острая фокусировка излучения и
возможность получения огромной плотности мощности излучения, которые
не встречаются у природных источников.
Благодаря монохроматичности излучения лазеры используются
в качестве генераторов сигнала в волоконно-оптических линиях
связи, дальномерах, измерителях скорости жидкостей и газов,
голографических установках.
9*
260 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Возможность острой фокусировки лазерного излучения
позволила создать лазерный «скальпель» и перейти к бескровным
операциям в медицине, открыла новые направления в микрохирургии
глаза.
Острая фокусировка в сочетании с большой мощностью
излучения используется в технологических процессах при резке, сварке и
прошивке отверстий в самых разнообразных, в том числе и очень
твердых, материалах, в установках для управляемого термоядерного
синтеза.
8.4. Действие лазерного излучения на организм человека
Лазерное излучение является для любого живого организма
непривычным раздражителем, не встречающимся в естественных
условиях. Его биологическое действие зависит от длины волны и
интенсивности излучения. В связи с этим весь диапазон длин волн
делится на ряд областей: от 180 до 380 нм — ультрафиолетовая
область; от 380 до 780 нм — видимая область; от 780 до 1400 нм —
ближняя инфракрасная область, свыше 1400 нм — дальняя
инфракрасная область.
Различают шесть видов воздействия лазерного излучения на
живой организм;
• термическое (тепловое) — выделение значительного
количества теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;
• энергетическое — большая напряженность электрического
поля, вызывающая поляризацию молекул и другие эффекты;
• фотохимическое — выцветание ряда пигментов;
• механическое — возникновение колебаний типа
ультразвуковых в облучаемом организме;
• электрострикция — деформация молекул в электрическом
поле лазерного излучения;
• образование микроволнового электромагнитного поля в
пределах клетки.
Под воздействием лазерного излучения может происходить
нарушение нормальной жизнедеятельности как отдельных органов,
так и организма в целом. При этом наиболее уязвимы глаза и кожа.
Характер поражения глаз в сильной степени зависит от длины
волны излучения. В ультрафиолетовом диапазоне при длине
волны от 180 до 380 нм ткани глаза для лазерного излучения
непрозрачны, поэтому поражение глаз носит характер поверхностных
ожогов. При этом обычно поражаются роговица и конъюнктива (ели-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 261
зистая оболочка глаза). В результате ожога возникает
воспалительный процесс, сильное жжение в глазах.
При импульсно-периодическом или прерывистом воздействии
ультрафиолетового излучения наблюдается накопление его
действия, суммарный биологический эффект при этом приблизительно
пропорционален суммарной плотности энергии излучения.
Диапазон видимого излучения (380...780 нм) является
наиболее опасным для глаз, так как свободно проходит через оптические
ткани глаза и фокусируется на поверхности сетчатки. При этом
плотность потока мощности на сетчатке может быть на 4...5
порядков выше, чем на роговице глаза за счет фокусировки.
При относительно небольшой энергии лазера наблюдается
явление «вспышечной слепоты» — под действием излучения
обесцвечиваются зрительные пигменты, и глаз на некоторое время теряет
способность различать предметы. При плотности энергии на
сетчатке более 2 Дж/см2 (при импульсной работе) происходит ожог
сетчатки. Чувствительность пораженного места к свету полностью
утрачивается и в дальнейшем не восстанавливается.
Энергия лазерного луча, попадающая в глаз, зависит от
диаметра зрачка, который в зависимости от освещенности окружающих
предметов изменяется от 1,6...2 до 7...8 мм. При этом энергия,
попадающая в глаз, изменяется в 15...20 раз. Таким образом, лазерное
излучение более опасно в затемненных помещениях.
Лазерное излучение ближней части инфракрасного диапазона с
длиной волны от 780 до 1400 нм довольно хорошо проходит через
оптические ткани глаза, при этом возможен ожог сетчатки.
Излучение этого диапазона особенно опасно, так как оно невидимо для
глаза. При длине волны больше 1,4 мкм излучение поглощается
тканями, содержащими воду: роговицей, хрусталиком и жидкостью в
передней камере глаза и не доходит до сетчатки. Особенно сильно
нагревается при этом радужная оболочка, содержащая пигмент. При
плотности энергии выше 4 Дж/см2 происходит термический ожог,
который может привести к помутнению хрусталика. Лазерное
излучение с длиной волны более 1700 нм полностью поглощается
роговицей и в ткани, расположенные глубже, не проникает, поэтому
менее опасно для глаз; однако излучение мощного лазера может
вызвать серьезный ожог роговицы.
Поражения кожи наблюдаются обычно на лице вокруг защитных
очков, на внешней поверхности рук, выше линии воротника, т.е. на
тех же местах, которые подвергаются солнечному облучению.
Наиболее сильно действует на кожу излучение ультрафиолетового диа-
262 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
пазона. Относительно небольшие дозы ультрафиолетового
облучения вызывают покраснение (эритемный эффект), исчезающее на
следующие сутки. Более мощное излучение приводит к распаду
некоторых молекул, входящих в состав тканей. Воздействие излучения
видимого и инфракрасного диапазонов сводится в основном к
нагреванию кожи и может привести к ожогам, имеющим резко
очерченные границы и напоминающим обычные термические ожоги.
Кожа человека достаточно хорошо противостоит
непрерывному инфракрасному облучению, так как она способна
рассеивать тепло благодаря кровообращению и понижать
температуру вследствие испарения влаги с поверхности. Импульсное
излучение и особенно излучение лазеров в режиме модуляции
добротности более опасны для кожи, так как тепло не успевает
распространяться в соседние ткани. При этом возникают
ожоги с резко очерченными границами, очаги ограниченного
омертвления (некроза) тканей, пузырьки, наполненные
серозной жидкостью (результат нарушения целостности стенок
капилляров).
Под действием излучения лазеров с энергией от 3 до 100 Дж на
коже возникают кровоизлияния различных размеров. При энергии
излучения менее 3 Дж структурных изменений в коже не
наблюдается, а происходит нарушение деятельности ферментов. Это
понижает антимикробную сопротивляемость кожи, ухудшает ее питание
и повышает чувствительность к повышенной температуре,
раздражающему действию различных химических реактивов. Нарушение
деятельности ферментов в коже может приводить к образованию
токсических веществ, которые, распространяясь по всему
организму, ухудшают общее состояние человека,' вызывают чувство
разбитости, раздражительность, головную боль. Эти неприятные явления
могут сохраняться в течение нескольких часов после окончания
рабочего дня. У людей, работающих с лазерными установками,
обнаружено изменение состава крови, выражающееся в уменьшении
гемоглобина, тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов.
8.5. Классификация лазерных установок
по степени опасности
По степени опасности лазерного излучения для организма
человека все лазерные установки подразделяются на четыре
класса согласно «Санитарным нормам и правилам устройства и
эксплуатации лазеров» СН 5804-91 [1].
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 263
К / классу относятся лазеры, излучение которых не
представляет опасности ни для кожи, ни для глаз человека.
Ко // классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для глаз или кожи при облучении прямым или зеркально
отраженным излучением.
К /// классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для глаз и кожи при облучении прямым или зеркально
отраженным излучением и опасность для глаз при облучении диф-
фузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности. Диффузно отраженное излучение не представляет
опасности для кожи.
К IV классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для кожи и глаз при облучении диффузно отраженным
излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Класс лазера (лазерной установки) устанавливается
предприятием-изготовителем. Деление лазеров на классы позволяет четко
определить мероприятия по обеспечению безопасности при работе
с лазерами различных типов.
8.6. Побочные опасные и вредные
производственные факторы
Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или
диффузно отраженное) является не единственной опасностью,
существующей при работе лазерных установок. В зависимости от
технических параметров и условий эксплуатации на обслуживающий
персонал могут воздействовать следующие побочные опасные и
вредные производственные факторы:
• высокое напряжение электропитания лазерных установок;
• очень высокая яркость импульсных ламп накачки, энергия
которых на порядок превышает энергию излучения лазера;
• повышенные запыленность и загазованность воздуха рабочей
зоны продуктами взаимодействия лазерного излучения с мишенью
(озон, окислы азота и другие токсические вещества);
• ионизирующие излучения, возникающие при взаимодействии
лазерного луча с мишенью;
• ультрафиолетовая радиация от импульсных ламп накачки или
кварцевых газоразрядных трубок;
• электромагнитные излучения ВЧ- и СВЧ-диапазонов;
264 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• повышенная температура поверхностей оборудования и
инфракрасная радиация;
• повышенный уровень шума и вибрации на рабочем месте,
возникающие при работе лазерной установки;
• повышенные пожаро- и взрывоопасность, обусловленные
возможностью попадания лазерного луча на горючие материалы.
Все перечисленные побочные факторы наиболее сильно
проявляются при работе лазерных установок IV класса, но могут
встречаться и при работе установок III класса.
8.7. Нормирование лазерного излучения
Основным документом, устанавливающим предельно
допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения, являются «Санитарные
нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» [1]. В
соответствии с этим документом для определения предельно допустимых
уровней воздействия используются следующие параметры
излучения.
Для импульсного или кратковременного воздействия, когда
суммарный биологический эффект определяется в основном общей
энергией излучения, нормируется энергетическая экспозиция Н,
Дж/м2, — плотность потока энергии излучения.
При кратковременном облучении глаз видимым светом
нормируется энергия лазерного излучения W, Дж, приходящаяся на
апертуру (площадку) диаметром 7 мм (зрачок глаза).
При длительном облучении, когда организм адаптируется к
действию лазерного излучения, нормируется облученность Е, Вт/м2,
т.е. плотность потока мощности излучения.
При длительном облучении глаз видимым светом
нормируется мощность лазерного излучения Р, Вт, приходящаяся на
апертуру диаметром 7 мм.
В ультрафиолетовом диапазоне волн при однократном
воздействии в широком диапазоне длительностей облучения Ю-9.. 104с ПДУ
энергетической экспозиции И определяются из табл. 8.1
Таблица 8 1
Спектральный интервал Л, нм
180 302,5
302,5 315
315 380
#пду, Дж/м2
25
0,8 • 10°2tt-295)
8 103
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 265
При очень коротких воздействиях длительностью менее 10~9 с
для диапазона волн 180...380 нм НПдУ, Дж/м2, определяется
выражением
ЯцдУ= 2.5-10^2/3
где t — длительность воздействия, с.
В диапазоне видимого и ближнего инфракрасного излучения
(длина волны от 380 нм до 1400 нм) нормй ПДУ устанавливаются
различными для глаз и для кожи. При однократном воздействии на
глаза коллимированного лазерного излучения при длительности
облучения менее 1 с нормируется энергия излучения W, Дж,
попадающая в глаза. Значения 1^Пду могут быть определены из графика на
рис. 8 2. При длительности облучения более 1 с нормируется
мощность излучения Р, Вт, попадающая в глаза. Значения ЯПдУ
определяются из графика на рис. 8.3.
Для неколлимированного, т.е. расходящегося широким пучком,
излучения 1^Пду(или Яцду) увеличивается в В раз, значения
коэффициента В определяются из табл. 8.2, где а — видимый размер
источника излучения. Если а < апред, то В принимается равным 1.
В инфракрасном диапазоне (для глаз и кожи) и видимом (для
кожи) при длительности воздействия менее 1...3 с нормируется
энергетическая экспозиция И, Дж/м2, а при большей длительности
ю
"ПДУ
Дж
ю
ю
ю
ю -
/
/
/
/
/
0,7
i 1,0
мкм
1,0
ч
\о
1,4мк
,38 С
м
/\
,6 мкк
у/
//у/
//у
~~0,6 0,75 г
Л
ЛКМ
-11 10 -9 -8-7-6 5 4 3 -2 -1
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1
Длительность облучения f, с
Рис. 8 2 Предельно допустимые уровни энергии при однократном воздействии
на глаза коллимированного лазерного излучения
266 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Длительность облучения t, с
Рис. 8.3. Предельно допустимые уровни мощности при однократном воздействии
на глаза коллимированного лазерного изучения
воздействия — облученность (плотность потока мощности
излучения) Е, Вт/м2. Значения предельно допустимых уровней облучения
#Пду и ?Пду Для указанного диапазона приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.2
Длительность облучения, с
Менее 10~9 и более 1
Ю-9. Ю-7 и Ю-2... 1
10-7...10-5и 10-4...10-2
Ю-5... 10"4
В
103a2 + 1
2,8 103а2 + 1
8,2 103 а2 + 1
2,5 104а2 + 1
оспред рад
Ю-2
5 10-3
3,5 КГ3
2 10-3
Таблица 8.3
Диапазон длин
волн, мкм
0,38,..0,5 и 2,5 100
0,5 .0,9 и 1,8.. 2,5
0,9...1,8
Длительность
облучения t, с
Ю-10. .0,1; 0,1 , 1, 1 ,.100
Более 100
10"10. .3; 3...100
Более 100
10-'°.. 1; 1. .100
Более 100
Нормы ПДУ Я, Дж/м2,
или Е, Вт/м2
Н = 2,5 Kfi'Tt, Н=5 103 V-/
? = 5 103/>Гг, ? = 5 102
Н = 7 103\[-t. я= 5 103Tt
? = 5 102
Н = 2 104V~>
? = 2 104V7T; ? = 5 102
Для лазерного излучения в виде серии -импульсов методика
расчета ПДУ несколько усложняется. Рассмотрим сначала ПДУ
воздействия на глаза лазерного излучения в видимом и ближнем ин-
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 267
фракрасном диапазонах волн (0,38 мкм < Я < 1,4 мкм). Если период
повторения импульсов Т не превышает 200 с, а длительность одного
импульса Ги меньше 0,25 с, то предельно допустимое значение
энергии серии импульсов 1^Пду определяется как наименьшее из двух
значений:
Wx = Wmy(t) и W2 = Wmy(Tj (ЛГД)2/3, (8.1)
где И^пду (0 ~~ ПДУ для однократного воздействия с
длительностью, равной длительности серии импульсов (см. рис. 8.2); ^пду
(7И) — ПДУ для импульса длительностью Ти; N — число импульсов
в серии; ^ — отношение максимальной энергии импульса в серии
к средней энергии импульса:
^«^„U/tt^V (8.2)
В тех случаях, когда ^ неизвестно, полагают \ - 1.
Если длительность серии импульсов t превышает 1 с,
нормируется предельно допустимая средняя мощность как наименьшее из
двух значений:
Рх = РПдуО и Р2 = W2/t,
где Рпду (^) — предельно допустимая мощность излучения
длительностью t, определяемая из рис. 8.2; W2 определяется выражением
(8.1).
Если период повторения импульсов больше 200 с, то воздействие
импульсов считается независимым и нормируется значение энергии
импульса, имеющего максимальную амплитуду.
При воздействии серии импульсов на глаза в
ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах и на кожу — во всех диапазонах
волн ПДУ определяется аналогичным образом.
Если длительность одного импульса менее 10 с, а период
повторения импульсов менее 10 мин, то предельно допустимая суммарная
энергетическая экспозиция Япдудля серии импульсов определяется
как наименьшее из двух значений:
я1 = япду (/) и я2 = япду (ги) (yvA)1/2, (8.з)
где ЯПдУ0) — предельно допустимое значение энергетической
экспозиции для однократного облучения длительностью t; Япду (ТИ) —
предельно допустимое значение энергетической экспозиции для
импульса длительностью Ги; t — длительность серии импульсов; ^ —
коэффициент, определяемый соотношением (8.2).
Если длительность серии импульсов превышает 1 с, то
нормируется значение облученности ЕПдУ, определяемое как наименьшее из
268 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
(t) и En = H2/t. Если
двух значении: tx - сПду U)Hc2 = n2/i. если период следования
импульсов в серии превышает 10 мин, то воздействие импульсов
считается независимым и нормируется значение энергетической
экспозиции //цдудля импульса, имеющего максимальную амплитуду.
При хроническом (повторяющемся изо дня в день) воздействии
лазерного излучения все значения ПДУ уменьшаются в 10 раз для
ультрафиолетового излучения и в 5 раз для видимого и
инфракрасного диапазонов волн.
8.8. Расчет плотности энергии лазерного излучения
конкретных установок
Для оценки степени опасности конкретной лазерной установки
необходимо плотность потока энергии (или мощности) данной
установки сравнить с ПДУ. В тех случаях, когда параметры лазера
известны, это может быть сделано расчетным путем. Наиболее просто
рассчитать плотность потока энергии (энергетическую экспозицию)
для прямого лазерного луча: достаточно энергию излучения лазера
разделить на площадь сечения луча. В случае зеркального
отражения коллимированный характер луча сохраняется, но
энергетическая экспозиция уменьшается пропорционально коэффициенту
отражения.
При диффузном отражении лазерного излучения плотность
потока энергии может быть вычислена по формуле
pWcos 9
Я = -
Л/о
(8.4)
Рис. 8.4. Падение лазерного луча на диффузно отражающую поверхность
(Р — точка наблюдения)
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 269
где W — полная энергия излучения лазера; р — коэффициент
отражения от поверхности; 0 — угол между нормалью к поверхности
и направлением на точку наблюдения Р\ 12 — расстояние от
рассеивающей поверхности до точки наблюдения (рис. 8.4).
Значения коэффициента отражения для некоторых материалов
приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Материал
Белая бумага
Светлая штукатурка
Белая ткань
Неокрашенное дерево
Черная бумага
Черный бархат
Коэффициент отражения
0,95...0,98
0,4.. 0,9
0,55...0,65
0,65. 0,8
0,04 0,05
0,002
Примеры расчета плотности энергии излучения для конкретных
лазерных установок приведены в [2].
8.9. Средства контроля уровня лазерного излучения
В тех случаях, когда рассчитать плотность энергии лазерного
излучения не удается, проводятся измерения с помощью
специальной дозиметрической аппаратуры. Наибольшее распространение
получили калориметрические и фотометрические дозиметры.
Принцип действия калориметрических приборов основан на
нагревании рабочего элемента лазерным излучением. Такие
приборы характеризуются широким диапазоном длин волн измеряемого
излучения — от ультрафиолетового до инфракрасного. Например,
дозиметр ИМО-2 имеет рабочий диапазон длин волн от 330 нм до
10,6 мкм и пределы измерения энергии от 3 • 10_3 до 10 Дж. В
фотоэлектрических дозиметрах для регистрации излучения
используются фотоэлементы и фотодиоды. Фотоэлектрические дозиметры
характеризуются высокой чувствительностью, однако рабочий
диапазон длин волн простирается не выше 1,1 мкм. Примером является
дозиметр СИФ-1 с рабочим диапазоном длин волн 0,35...1,1 мкм и
диапазоном измеряемой энергии импульса 10~13...10 Дж.
Методика измерения характеристик лазерного излучения
на рабочих местах определяется ГОСТ 12.1.031-81, где
изложены также требования к измерительной аппаратуре.
270 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Различают две формы дозиметрического контроля,
предупредительный контроль и индивидуальный контроль. Предупредительный
дозиметрический контроль заключается в определении
максимальных уровней энергетических параметров лазерного излучения на
границе рабочей зоны. Индивидуальный контроль состоит в
измерении уровней энергетических параметров излучения, действующего
на глаза и кожу конкретного работающего в течение рабочего дня
Предупредительный контроль проводится для лазерных
установок II—IV классов в режиме максимальной отдачи мощности
периодически не реже одного раза в год, а также при вводе новых
установок в эксплуатацию, модернизации конструкции, при
экспериментальных и наладочных работах и организации новых рабочих мест.
Индивидуальный дозиметрический контроль проводится при работе
на открытых лазерных установках, а также в тех случаях, когда не
исключено случайное попадание лазерного излучения на глаза или
кожу. На основании результатов контроля составляются
конкретные рекомендации по применению защитных мер и средств при
работе на данной установке.
8.10. Меры и средства защиты от лазерного излучения
Меры и средства защиты от лазерного излучения
подразделяются на три группы: организационные, технические коллективные
и индивидуальные.
Организационные меры включают создание условий для работы
персонала, разработку правил и инструкций по технике
безопасности и контроль их выполнения, ознакомление персонала с
особенностями биологического действия лазерного излучения и обучение
пользованию индивидуальными и коллективными средствами защиты.
Лазеры II—IV классов перед вводом в эксплуатацию должны
быть приняты специальной комиссией, назначенной руководством
предприятия, которая проверяет соблюдение правил техники
безопасности, относит лазер к соответствующему классу и решает
вопрос о вводе его в эксплуатацию.
К работе с лазерными установками должен допускаться только
специально подготовленный персонал. При входе в помещение, где
работает лазер, должен быть установлен знак лазерной опасности
(рис. 8.5), а на самой лазерной установке — предупреждающая
надпись с указанием класса лазера. На лазерных установках,
работающих в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах, должна
быть надпись «НЕВИДИМОЕ ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ».
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 271
Лазерные установки IV класса должны
располагаться в отдельных помещениях с
блокировкой входных дверей. В этих помещениях
запрещается проведение каких-либо иных работ,
не связанных с эксплуатацией лазеров.
Запрещается использовать лазеры III и IV
классов при театрально-зрелищных мероприятиях,
учебных демонстрациях, а также при работе на
J r г г нои опасности
открытом воздухе, например при геодезических
работах, для целей связи, локации и др.
Как известно, наибольшую опасность представляет прямой
лазерный луч, поэтому должна быть исключена всякая возможность
попадания прямого луча на человека. Это особенно важно при
эксплуатации мощных лазеров Для этого на всем пути от лазера до
мишени луч должен быть огорожен экранами, блендами и другими
непрозрачными предметами. На конечном участке лазерного луча
рекомендуется устанавливать мишень.
При работе мощных лазеров существует опасность поражения
персонала отраженным или рассеянным лазерным излучением.
Особенно опасен зеркально отраженный луч, имеющий почти такую же
плотность потока энергии, что и основной луч лазера. Это нужно
учитывать в первую очередь при конструировании мишеней и
других элементов конструкции, на которые может попасть луч лазера.
Для уменьшения интенсивности рассеянного лазерного
излучения все элементы конструкции, кожухи приборов, стены помещения
рекомендуется окрашивать в темные цвета, поверхность их должна
быть матовой. Помещение, где работает лазерная установка, должно
быть хорошо освещено. В этих условиях размеры зрачка глаза
небольшие, что способствует уменьшению энергии излучения, которая
может случайно попасть в глаз.
При проведении экспериментов с лазерами запрещается
вводить блестящие предметы в зону луча. Следует иметь в виду, что
под действием лазерного излучения состояние поверхности может
сильно измениться. Например, шероховатая стальная поверхность
в зоне действия мощного сфокусированного лазерного луча
расплавляется и становится зеркальной, в результате чего энергия
отраженного излучения, попадающая в глаз, может сильно возрасти.
Поэтому категорически запрещается смотреть на мишень или
обрабатываемый материал без защитных очков.
Защитные очки должны удовлетворять ряду требований. Они
должны сильно (на несколько порядков) ослаблять излучение лазера
А
272 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
и хорошо пропускать излучение остальной части видимого спектра,
чтобы работающий мог достаточно хорошо видеть предметы, с
которыми он манипулирует, а также свет ламп, используемых в
системе световой сигнализаций. Светофильтры в очках должны быть
устойчивыми к лазерному излучению, не разрушаться и не изменять
под действием излучения своих характеристик.
В качестве светофильтров для защитных очков применяются
поглощающие стекла, многослойные диэлектрические
тонкопленочные отражатели и их комбинации. Поглощающие стекла и
пластмассы наиболее дешевы и употребительны. В защитных очках,
предназначенных для работы с различными типами лазеров,
используются разные сорта стекол, каждый со своей полосой поглощения.
Например, для поглощения ультрафиолетового излучения
используются стекла типа ЖС-17 иЖС-18, поглощающие излучение с длиной
волны менее 0,45 мкм. Несколько более широкой полосой
поглощения — до 0,54 мкм — обладают оранжевые стекла ОС-11 и ОС-12.
Для области длин волн 0,63...1,06 мкм в защитных очках могут быть
использованы светофильтры СЗС-21 и СЗС-22, а в диапазоне 1,06-
1,54 мкм — СЗС-24, СЗС-25, СЗС-26. В инфракрасном диапазоне
для поглощения энергии химических и жидкостных лазеров с
длиной волны 2 ..5 мкм используется материал люсит, прозрачный в
видимом диапазоне. Для защиты от излучения лазера на углекислом
газе с длиной волны 10,6 мкм лучше всего применять плавленый
кварц, который хорошо пропускает видимый свет, поглощает
излучение инфракрасного диапазона и не разрушается под действием
мощного луча лазера.
Светофильтры из поглощающих материалов обладают
серьезным недостатком: мощное лазерное излучение, поглощаясь в
материале фильтра, приводит к его разрушению. Большинство
оптических стекол разрушается при энергии излучения 30...60 Дж. Можно
повысить устойчивость светофильтров к мощному лазерному
излучению, покрывая их наружную поверхность пленкой отражающего
материала. При этом основная часть падающей энергии отражается
от светофильтра.
Очень хорошими качествами обладают многослойные
интерференционные тонкопленочные светофильтры, которые отражают до
95% энергии на рабочей частоте. Диэлектрические многослойные
светофильтры имеют очень высокую частотную избирательность,
отражая излучение с длиной волны, на которую они рассчитываются,
и пропуская излучение других длин волн. Такие светофильтры могут
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 273
выдержать большие потоки энергии, так как они почти не
поглощают излучение, а отражают его. Недостатком интерференционных
светофильтров является сравнительно небольшая оптическая
плотность на рабочей частоте
Наилучшие параметры имеют комбинированные светофильтры,
в которых отражающие диэлектрические слои чередуются с
поглощающими. Применяя пленки из различных материалов, в таких
фильтрах можно получить любую оптическую плотность в заданном
диапазоне волн
Очки для защиты от лазерного излучения персонал должен
носить постоянно, поэтому они должны быть удобными и легкими.
Форма оправы должна быть такой, чтобы полностью исключить
возможность попадания лазерного излучения внутрь очков через щели
между оправой и лицом, обеспечить широкое поле зрения, а также,
чтобы люди, пользующиеся обычными корригирующими очками,
могли надевать защитные очки поверх них.
При работе с мощными лазерами приходится принимать
специальные меры для защиты кожи рук и лица. Хорошими
защитными свойствами обладает белый, фетр толщиной 2...3 мм, который
хорошо выдерживает плотность излучения до 100 Дж/см2. Для
защиты рук можно применять обычные кожаные перчатки, которые
уменьшают опасность поражения кожи в 100 раз. Кроме того, для
защиты кожи применяются кремы с двуокисью титана и двуокисью
цинка.
8.11. Лазеры в химическом анализе
В настоящее время на основе применения лазеров в химическом
анализе разработано большое количество аналитических методов.
Однако следует иметь в виду, что все эти методы имеют локальный
характер. При этом определение химического состава проб может
осуществляться как в лабораторных условиях, так и в полевых,
когда анализ проводится непосредственно в месте забора проб.
Основные методы анализа газов и твердых веществ с помощью
лазеров приведены в табл. 8.5 и 8.6. Некоторые методы имеют
неоспоримые преимущества по сравнению с традиционными методами
анализа, другие — еще только развиваются. Рассмотрим ряд методов
более подробно и отметим положительные и отрицательные
моменты с точки зрения применения их для решения экологических
проблем [11].
274 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Например, в абсорбционной спектроскопии используют
соотношение между интенсивностью /0 падающего излучения и
интенсивностью излучения /, прошедшего через поглощающую среду:
/ = /0 exp(-ceL), (8.5)
где L — длина поглощающей среды; а — коэффициент поглощения.
Таблица 8 5
Лазерный метод анализа газов
Поглощение
Внутрирезонансное поглощение
Лазерное возбуждение флуоресценции
Мнофотонная ионизация
Когерентная спектроскопия
антистоксового комбинационного рассеяния
Лазерная штарковская спектроскопия
Лазерная фотоакустическая
спектроскопия
Область применения
ИК-определение атмосферных примесей
Диагностика пламени, исследование
изотопов
Анализ следов элементов в пламени
Обнаружение многоатомных молекул
Диагностика горения и плазмы
Анализ следов органических молекул
Определение загрязнений в газах,
поглощение в аэрозолях
Таблица 86
Лазерный метод анализа жидких и
твердых веществ
Лазерное возбуждение флуоресценции
Зондирование люминесценции ионов
при селективном возбуждении
Лазерный микроанализ
Лазерный масс-спектрометрический
анализ
Лазерная фотоакустическая
спектроскопия
Область применения
Флуориметрия, фосфориметрия
Анализ следов лантаноидов
Локальное определение малых примесей
в твердых образцах, атомная
абсорбционная спектрометрия
Локальный микроанализ
Анализ микрокомпонентов в жидкостях,
биологических и медицинских образцах
При поперечном сечении поглощающих частиц а и их
концентрации N выражение (8 5) принимает вид
/ = /0 exp(-ajVL). (8.6)
Чувствительность прямого абсорбционного метода измерений
ограничена необходимостью регистрации сигнала на сильном фоне.
Основное ограничение применения такого метода при
количественном определении малых концентраций примесей вещества
обусловлено сложностью измерения малых величин: (/0 - /)//0 = ///0. Это
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 275
Рис 8 6 Схематическое изображение кюветы Уайта
/ и 2 — вход и выход лазерного излучения, 3, 4 и 5 — зеркала внутри
кюветы, 6 и 7 — вход и выход анализируемого газа. 8 — стенки кюветы
ограничение частично можно преодолеть увеличением длины L
поглощающей среды или проведением измерений с помощью кюветы
Уайта (рис. 8.6), которая увеличивает длину пути, проходящего
лучом.
В ряде случаев используется метод внутрирезонансного
поглощения, который основан на чувствительности лазерного излучения
к потерям в резонаторе. При введении кюветы с анализируемым
веществом в резонатор лазера на красителе (рис. 8.7) резонансное
поглощение вызывает потери на характерных для поглотителя длинах
волн, в результате чего происходит затухание колебаний. В тех слу-
a
б
в
X
х
Рис 8 7 Схема лазерного резонатора с анализируемой средой в резонаторе (а)
/ и 2 — зеркала резонатора, 3 — усиливающая среда, 4 — кювета с
анализируемой средой, 5 — выходной сигнал, поперечное сечение поглощения в
зависимости от длины волны (б), кривая усиления лазера (в), спектр излучения с
провалом в области линии поглощения (г)
276 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
чаях, когда лазер на красителе излучает в широкой полосе длин
волн, спектр выходного сигнала будет характеризоваться
уменьшением (провалом в спектре) излучения на частотах, которые
являются резонансными.
Повышение чувствительности в данном методе достигается
увеличением эффективной длины пути при многократном
прохождении луча через образец внутри резонатора, а также пороговым
характером лазерного излучения с учетом конкуренции резонансных
мод:
dNl/Nl = -rfti,2/a/[Ti(a - л)1, (8.7)
где dNt — уменьшение числа фотонов в i-й резонансной моде; Nt —
полное число фотонов в г'-й моде; a — коэффициент усиления; г\ —
коэффициент потерь; / — число генерируемых мод в пределах
контура спектрального излучения лазера; dr\t — селективное
возрастание потерь в г'-й резонансной моде, связанных с поглощением.
Следовательно, эффект усиления обусловлен большим
количеством генерируемых мод в пределах контура спектрального
излучения лазера и примерным равенством а и ц. Например, при / = 104
и a - г) = 10~3 может быть достигнуто усиление порядка 107.
В процессе поглощения атомом или молекулой фотона
происходит их переход из начального состояния в состояние с более высокой
энергией, в результате чего может возникнуть излучение на той же
самой длине волны, которое называется резонансной
флуоресценцией, или на других длинах волн. Перед этим излучением молекула
может перейти в более долгоживущее состояние с последующим
испусканием фосфоресцентного излучения. Спектры поглощения и
флуоресценции многоатомных молекул являются обычно
зеркальным отображением друг друга (рис. 8.8). Возбуждение внутри
полосы поглощения приводит к испусканию излучения в пределах
полосы флуоресценции. В ряде случаев контур полосы флуоресценции
не зависит от длины волны возбуждения, что позволяет использо-
Рис 8 8 Спектры поглощения и флуоресценции
многоатомных молекул
/ — кривая поглощения, 2 — кривая
флуоресценции, / — интенсивность процессов,
Л —"длина волны
Я, нм
m
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 277
-2
-1
~0
Рис 8 9 Различные атомные переходы при лазерном возбуждении атомной
флуоресценции
вать'лазерное возбуждение флуоресценции для получения
информации о полосах поглощения флуоресцирующих молекул при
изменении длины волны лазера, а также для контроля интенсивности
флуоресценции на конкретной длине волны внутри ее полосы. В
результате получают спектр фотовозбуждения поглотителя.
Поскольку лазерное возбуждение флуоресценции является
чувствительным методом, то он используется для обнаружения слабых
полос поглощения в спектре фотовозбуждения даже при
незначительном поглощающем столбе.
Возможны различные виды лазерного флуоресцентного
возбуждения атомов (уровни /—6 на рис. 8.9). Так, на рис. 8.9,а показан
случай резонансной флуоресценции с основного состояния на
возбужденный уровень. Флуоресцентный переход с верхнего
возбужденного уровня на промежуточный возбужденный уровень (рис.
8.9,6) часто называют стоксовой линейчатой флуоресценцией.
При двухфотонном переходе (рис. 8.9,в) с основного уровня на
возбужденный (0 —> 1) суммируются энергии двух длинноволновых
фотонов. При этом излучение может происходить в ультрафиолетовой
(УФ) области или двухступенчатым процессом в видимой и
инфракрасной (ИК) областях Резонансная флуоресценция имеет место и с
возбужденных состояний (рис. 8.9,г). Флуоресцентные переходы на
основное состояние (рис 8.9,(3) или на другое состояние,
расположенное ниже возбужденного состояния (рис. 8.9,е), называют
антистоксовой линейчатой флуоресценцией с возбужденного
состояния. Существенное повышение чувствительности может быть
достигнуто при сильном отличии энергии фотонов флуоресценции
от энергии фотонов возбуждения вследствие лучшей отсечки фона.
С помощью метода лазерного возбуждения флуоресценции
определяют концентрацию атомов и молекул в пламени.
В ряде случаев используется метод лазерно-ионизационной
спектрометрии. В этом методе длина волны лазера настраивается
278 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 8 10 Схема лазерного ионизационного спектрометра
/ — импульсный лазер на красителе, 2 — лазерный луч, 3 — пламя, 4 —
электроды, 5 — источник высокого напряжения 6 — камера предварительного
смешения, 7 — раствор с исследуемым образцом, 8 — усилитель тока, 9 — се
лективное регистрирующее устройство, 10 — выход
на электронный переход атома или молекулы В свою очередь,
электрическая проводимость пламени, которая может быть измерена с
помощью внешних электродов, зависит от концентрации ионов и
электронов При настройке лазера на электронный переход атома
или молекулы возбужденные частицы легко ионизируются
Следовательно, лазерное излучение изменяет электрическую
проводимость пламени или разряда Чувствительность этого метода при
определении атомов металла составляет 10~3 нг/мл
На рис 8 10 представлена схема лазерного ионизационного
спектрометра Луч перестраиваемого лазера на красителе проходит
сквозь пламя вблизи двух электродов, имеющих потенциал
относительно горелки 103 В Импульсы тока, возникающие при лазерной
ионизации, налагаются на большой фон постоянного тока,
связанного со статической проводимостью Эти импульсы усиливаются и
регистрируются селективным интегратором в случае возбуждения
импульсным лазером или синхронным детектором при
возбуждении модулированным излучением непрерывного лазера При на-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 279
Я
я
а б в
Рис 8 11 Схемы двухфотонных ионизационных переходов в молекуле
a -— переход через промежуточный резонанс Sq —» S) без релаксации, б — пере
ход через промежуточный резонанс с релаксацией на более низкий
колебательный уровень состояния Sj, в — нерезонансный переход, / — ионизаци
онный континуум
стройке лазера на спектральный резонанс одного из компонентов
пламени происходит увеличение (или уменьшение) тока
Применение лазерно-ионизационной спектрометрии по
сравнению с абсорбционным или эмиссионным анализом обеспечивает
снижение реальных пределов обнаружения концентрации вещества на
1 2 порядка
Метод многофотонной ионизации, основанный на лазерной
двухфотонной ионизации, имеет теоретический порог обнаружения
1 молекула на 1 см3 Схемы ионизационных переходов в молекуле
при двухфотонной резонансной ионизации приведены на рис 8 11
Первый фотон резонансно поглощается молекулой в молекулярной
полосе Sq —> S[ При высокой интенсивности лазерного излучения
может произойти поглощение второго фотона в момент, когда
молекула находится в состоянии St Этот процесс является резонансным,
если энергии фотона достаточно для осуществления перехода в
ионизационный континуум Поперечное сечение зоны ионизации
может быть больше только в том случае, если переход происходит
через реальные промежуточные состояния Следовательно, при
сканировании энергии фотонов в области переходов полосы S0^> St в
ионизационном токе будут наблюдаться максимумы, связанные с
конкретными молекулярными состояниями
При настройке длины волны лазера на острый молекулярный
резонанс можно повысить чувствительность обнаружения
данной молекулы
В устройстве для обнаружения ионов методом двухфотонной
ионизации используются два электрода с потенциалом около 50 В Об-
280 Часть I Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе
разующиеся ионы могут также анализироваться масс
спектрометром При двухфотонной ионизации требование наличия двух фото
нов с одинаковой энергией является необязательным, так как
фотоионизационный континуум простирается на многие электрон
вольты, следовательно, резонансная ионизация возможна даже в
том случае, когда достигнутое после поглощения второго фотона со
стояние лежит значительно выше порога ионизации Чувствитель
ность рассмотренного метода при определении микроколичеств ор
ганических молекул в газовой фазе пока еще может быть оценена
только приблизительно Минимально регистрируемый коэффициент
поглощения для молекул составляет 10~14 см-1
Если молекулярный газ, находящийся в поле оптического
излучения, взаимодействует с этим полем путем поглощения или
рассеяния, то при малой интенсивности излучения рассеяние бывает
двух типов
• рэлеевское рассеяние — без изменения длины волны
рассеянного света
• комбинационное рассеяние (КР) — с изменением длины
волны рассеянного света, что соответствует увеличению или
уменьшению энергии молекулы
Если молекулы облучаются монохроматическим светом с
частотой со, то при КР в рассеянном излучении возникают новые
частоты
• (Os = (О - (0R — стоксовы компоненты,
• 00/15 = (О + a>R — антистоксовы компоненты, где соя —
комбинационная частота молекулы
Установка по исследованию КР состоит из лазера, облучаемой
кюветы и светособирающей оптики со спектрометром
В методе когерентного антистоксова КР два лазерных луча
с частотами (0\ и со2 фокусируются на образец, при этом в образце
возникает когерентное излучение с частотой 20^ - 0)2 = со3
Интенсивность этого излучения зависит от молекулярных колебаний на
частоте оой ~ w( - со2 При (0R = (йу - со2 когерентно рассеянное
излучение усиливается Таким образом, при изменении со2 частота,
равная со, - со2, будет сканировать по молекулярным
комбинационным модам соя Узконаправленность излучения при когерентном
антистоксовом КР является его преимуществом по сравнению с
обычным КР, при котором излучение происходит в полном телесном
угле 4л ср (Стерадиан) Основные виды рассеяния и частотные
характеристики процессов при когерентном КР приведены в табл 8 7
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 281
Таблица 8 7
Вид рассеяния
Когерентное антистоксово рассеяние
Когерентное стоксово рассеяние
Комбинационное рассеяния высших
порядков
Наведенный керр эффект
Частотная характеристика процесса
2(0! - 0)2 = Щ
2ш2 - СО] = 0)3
ЗсО] - 2со2 = <|>з Зо)2 - щ = о>з
Поляризованная 0)3
Во всех веществах при определенных значениях энергии фотона
возникает фотоакустический эффект (оптоакустическии), который
обусловлен тем, что поглощение электромагнитною излучения
твердым, жидким или газообразным образцом не приводит к флуоресцен
ции или фосфоресценции со стопроцентным КПД, так как некоторая
доля поглощенного излучения переходит в тепло, которое затрачи
вается на увеличение энергии движения молекул В жидком или
твердом веществе это тепло вызывает повышение температуры,
которая при необходимости может быть измерена
Процесс поглощения излучения газовой средой сопровождается
образованием акустической энергии, которая может быть
обнаружена с помощью микрофона, находящегося в замкнутом объеме
(камере), заполненном газом, и реа1ирующего на изменение давления
в процессе поглощения излучения газом График зависимости вы
ходного сигнала микрофона от длины волны падающего излучения
является фотоакустическим спектром поглощающего образца
При этом поглощенное образцом излучение будет влиять на
фотоакустический сигнал и, следовательно, не будет помехой при изме
рениях значений близких к порогу чувствительности
На рис 8 12 показана схема фотоакустического спектрометра с
перестраиваемым лазером При определении оптимальной частоты
Рис 8 12 Схема фотоакустического спектрометра с длиной волны лазера,
настроенного на линию поглощения образца
/ — прерыватель луча (обтюратор) 2 — кювета с образцом, 3 — микрофон,
4 — предусилитель 5 — синхронный усилитель, 6 — регистрирующее устройст
во или многоканальный анализатор, 7 — лазер
\,
5~1 -ГбП
282 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
прерывания луча лазера обтюратором исходят из требований
получения максимального отношения сигнала к шуму. В хорошо
сконструированном приборе уровень шума определяется броуновским
движением молекул, сталкивающихся с диафрагмой микрофона.
Лазерная фотоакустическая спектроскопия применяется также
в исследованиях вынужденного комбинационного рассеяния
(ВКР). Этот метод называется фотоакустической спектроскопией
КР и основан на том, что ВКР изменяет заполненность
(заселенность) возбужденных колебательных уровней газовых молекул.
Перенос энергии от колебательных уровней в кинетическую
энергию частиц превращает эту энергию в акустическую, которая
регистрируется обычным способом с помощью микрофона. Этот метод
является локальным, так как требует наличия микрофона и
фотоакустической кюветы с исследуемым газом.
Для определения содержания микропримесей был разработан
лазерный спектральный метод микроанализа, который сочетает
в себе чувствительность атомного эмиссионного спектрального
анализа и пространственную селективность, достигаемую с помощью
сфокусированного лазерного луча. При лазерном отборе микропроб
используется импульсный лазер, обеспечивающий испарение пробы.
Вещество, выброшенное из области лазерного фокуса, вводится в
разрядную дугу с целью его возбуждения. Преимуществом этого
способа является возможность облучения образцов на
открытом воздухе.
Для селективного возбуждения выброшенного вещества можно
применять второй лазер, излучение которого настраивается на
резонансную линию определяемого элемента в струе пара. Поглощенная
атомами элемента энергия излучается в виде резонансной
флуоресценции. Серия импульсов флуоресцентного сигнала регистрируется
фотоумножителем, расположенным на выходе монохроматора.
Сигналы флуоресценции слабо зависят от основы исследуемой породы.
К недостаткам химических методов газового анализа можно
отнести.
• низкую чувствительность к обнаружению малых примесей;
• большую инерционность;
• малую точность измерений;
• недостаточную селективность;
• необходимость накопления в пробе больших объемов воздуха;
• сложность калибровки приборов с помощью эталонных газов.
Достоинства методов — простота и дешевизна аппаратуры.
Однако, химические методы, как и методы с применением лазеров, яв-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 283
ляются локальными, так как требуют забора проб лишь в
определенном месте. При использовании локальных методов, основанных
на заборе проб аэрозоля в определенных точках пространства,
возникает много трудностей, связанных с необходимостью обеспечения
сети постов одновременного забора проб на различных высотах. При
этом результаты замеров, как правило, требуют их длительной и
трудоемкой обработки в лабораторных условиях.
8.12. Лазерное зондирование параметров атмосферы
Дистанционный лазерный контроль можно охарактеризовать как
качественное или количественное измерение химических или
физических параметров окружающего пространства, когда
контролирующий прибор и объем, параметры которого исследуются,
пространственно разделены. В зависимости от источника излучения методы
дистанционного зондирования делятся на активные и пассивные,
причем с помощью лазера реализуются в основном только активные
методы. К пассивным относятся методы анализа атмосферного
излучения (солнечное или отраженное излучение).
Как известно, атмосфера Земли представляет собой смесь
взаимодействующих друг с другом компонентов. С позиций оптики и
динамики атмосферы среди ее компонентов можно выделить четыре
отдельные части: сухой незасоренный воздух; оптически активные
малые газовые примеси; водяной пар, атмосферный аэрозоль [7—10,
13]. Вертикальная структура атмосферы характеризуется
послойным делением- тропо-, страто-, мезо-, термо- и экзосфера. По
характеру ионизации в атмосфере выделяют несколько ионосферных
слоев. По характеру фотохимических процессов выделяют хемосфе-
ру, которая включает в себя озоносферу и др.
В самом нижнем слое атмосферы температура уменьшается с
увеличением высоты над земной поверхностью (примерно до
10... 12 км). При дальнейшем увеличении высоты температура
возрастает. Эту область принято называть тропопаузой (рис. 8.13). Она
определяет границу между тропосферой (самый нижний слой) и
стратосферой, расположенной выше. Воздух в тропосфере
находится в состоянии, близком к равновесию. Этот слой обладает хорошим
турбулентным перемешиванием Кроме того, под действием
дождевых осадков происходит вымывание различных компонентов,
попадающих в воздух. Время пребывания примесей в воздухе может быть
несколько часов или дней. Время пребывания малых примесей в
стратосфере колеблется от нескольких недель до нескольких лет,
284 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
/), КМ
100
80
60
40
20
160 200 240 280 320 Г,К
Рис 8 13 Зависимость средней температуры от высоты для 45° с ш в июле
/ — тропосфера, 2 — тропопауза, 3 — стратосфера
поскольку воздух в стратосфере довольно устойчив и его
перемешивание в ней незначительно. Другое существенное отличие
стратосферы — это высокий уровень УФ излучения, обеспечивающий
протекание фотохимических реакций.
Чистый сухой воздух на 99% состоит из азота и кислорода
Содержание малых составляющих подвержено временным и
пространственным изменениям
Аэрозоли снижают прозрачность воздуха и являются центрами
протекания химических реакций. Выступая в роли ядер
конденсации, они изменяют количество осадков Аэрозоли представляют
опасность для человека, попадая внутрь организма через
дыхательные пути. Естественными источниками аэрозолей и частиц являются
морские брызги, выветривание почвы, цветочная пыльца, лесные
пожары, вулканы и др. Человек увеличивает количество аэрозолей
путем сжигания топлива, при строительстве, обработке земли и др.
Химический состав тропосферы колеблется из-за попадания в
нее твердых частиц, таких как зола, свинец, сульфаты и нитраты, а
также жидких, включая серную и азотную кислоты и растворенные
соли этих и других кислот Присутствуют также твердые частицы с
жидкой оболочкой Форма частиц колеблется от очень
неправильной, например у золы, до сферической у жидкости в виде капель.
Разнообразен и размер частиц аэрозоля Однако в условиях
устойчивого состояния среды радиус частиц лежит обычно в пределах
0,01 20 мкм, что обусловлено естественными процессами,
например мелкие частицы стремятся коагулировать, а более крупные —
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 285
гравитационно осаждаются. Концентрация аэрозолей и частиц
изменяется в широких пределах и зависит от метеорологических условий
и расположения локальных источников
В состав стратосферы входят азот, кислород, аргон и углекислый
газ, которые достаточно хорошо перемешаны до высоты 100 км.
Содержание водяных паров и других второстепенных газов, аэрозолей
и частиц в стратосфере подвержено пространственно-временным
вариациям Во всей стратосфере существуют аэрозоли и частицы,
максимумы концентраций которых наблюдаются на высоте 20 км, и
этот слой называют 20-километровым аэрозольным слоем или слоем
Юнге. Аэрозоли представляют собой в основном сульфаты —
продукты окисления S02 и H2S. При извержениях вулканов в
стратосфере наблюдается резкое увеличение количества аэрозолей. Кроме
соединений серы, в стратосферу поступают соединения азота (N0
и N02), азотной кислоты, метан, озон и др
Содержание водяного пара в атмосфере претерпевает
существенные пространственные вариации от 0 до 4% по объему. Водяной
пар не всегда может рассматриваться как идеальный газ Если его
пары не насыщены, то его характеристики почти строго
соответствуют идеальному газу, а при насыщении заметно отклоняются. Пар
может менять свое агрегатное состояние, превращаясь в воду или
кристаллы льда, и вновь испаряться Эти процессы в значительной
мере определяют оптико-метеорологическое состояние атмосферы
как в видимом, так и в ИК-диапазоне [7, 15].
В атмосфере всегда в виде взвеси или гидрометеоров
присутствует аэрозоль, которая интенсивно рассеивает и поглощает
оптическое излучение. Гигроскопические активные малые частички
являются центральными процессами конденсации и сублимации водяного
пара. Они способствуют образованию туманов и облаков. Аэрозоль
и вещества на его основе играют решающую роль в
пространственно-временных трансформациях прозрачности атмосферы.
Хотя атмосфера состоит из атомов, молекул и аэрозольных
частиц, являясь тем самым дискретной средой, однако при ее
математическом описании удобно использовать гипотезу сплошности. Это
позволяет ввести в рассмотрение ряд измеряемых на практике
макроскопических величин, плотность, давление, температуру,
показатель преломления, коэффициенты поглощения и рассеяния и т.д.
Следовательно, можно перейти к рассмотрению полей этих величин
и сформулировать уравнения, описывающие их изменения в
пространстве и времени.
286 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
При усреднении параметров" атмосферы объем усреднения
выбирается с характерным размером L, который значительно больше
характерного масштаба рассматриваемого явления:
L = 6/grad b,
где b — исследуемая величина. Такой выбор объема усреднения
исключает флуктуации определяемых величин за счет теплового
движения молекул воздуха.
Не следует забывать, что атмосфера подвержена влиянию силы
тяготения. Оседание в ней газовых частиц уравновешивается
молекулярной диффузией. При равновесии по закону Дальтона
парциальные давления компонентов смеси не зависят друг от друга:
dPl = -gp, dh, (8.8)
где Рх — давление /-го компонента воздуха; р, — плотность г'-го
компонента воздуха; g — ускорение свободного падения; h — высота.
Полное давление воздуха Р = V Рг Следовательно,
dP = -gpdh. (8.9)
При этом уравнение состояния может быть записано в
следующем виде:
P, = p,/?*7YAf„ (8.10)
где Т — температура; R* — универсальная газовая постоянная;
Mt — молекулярная масса г'-го компонента.
Среднее значение давления определяется из уравнения
P = R'pT/M. (8.11)
Если взять удельную газовую постоянную R = R* /М, то
P = RpT. (8.12)
Для влажного воздуха уравнение состояния записывается в виде
P = RpTv, (8.13)
где Tv = Т (1 + 0,608д) — виртуальная температура; q — удельная
влажность воздуха.
Энергетическое ослабление электромагнитного излучения
атмосферой обусловлено главным образом его поглощением и
рассеянием молекулами газов и разнообразными аэрозольными
частицами [14]. Коэффициентом поглощения а для излучения с
частотой va называется коэффициент пропорциональности в выра-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 287
жении закона поглощения Бугера, который для однородного столба
атмосферы описывается уравнением
/(/) = /0 ехр(-а/), (8.14)
где /0 — начальная интенсивность излучения; / (/) —
интенсивность после прохождения некоторого расстояния; а —
коэффициент поглощения. Показатель экспоненты называют оптической
толщей среды.
При этом для анализа атмосферы используют такие понятия, как
спектральное пропускание
T(v) = ///0 = ехр(-а/) (8.15)
и спектральное поглощение
A(v) = (I - /0)//0 = 1 - ехр(-а/). (8.16)
При лазерном зондировании атмосферы необходимо, чтобы
длина волны излучения лазера соответствовала спектральному окну
прозрачности атмосферы [8,15].
Рассеяние оптических волн обычно подразделяют на три вида:
рассеяние Ми, рэлеевское и комбинационное Первые два вида
рассеяния происходят на длине волны падающего излучения и
относятся к классу упругих взаимодействий поля с веществом. При рэле-
евском рассеянии наблюдается некоторое уширение спектра
излучения вследствие эффекта Доплера, однако в условиях земной
атмосферы частотное смещение спектра незначительно. Поскольку
комбинационное рассеяние сопровождается обменом энергией с
энергетическими уровнями молекул или атомов, то частотный
спектр комбинационного рассеяния представляет собой набор
линий, смещенных относительно частоты падающего излучения в ту
или иную сторону на значение, равное собственным частотам
взаимодействующих с излучением частиц Хотя интенсивность
спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на два—три порядка
меньше интенсивности рэлеевского рассеяния, использование этого
явления перспективно для дистанционной диагностики атмосферы,
поскольку интерпретация данных лазерного зондирования в этом
случае сильно упрощается. Эффективность рассеяния оптического
излучения на отдельной частице зависит от ее относительного
размера по сравнению с длиной волны X Для сферических частиц
радиусом а эта зависимость выражается через параметр р = 2па/Х.
Если р > 1, то наблюдается рассеяние Ми, а при р < 0,3...0,5 —
рэлеевское рассеяние.
288 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Для существования рэлеевского рассеяния необходимо
одновременное выполнение двух условий:
р« 1 и \тр\ « 1, (8.17)
где т — комплексный показатель преломления в веществе частицы.
Физически это означает, что фазовый сдвиг между внешним полем,
облучающим частицу, и внутренним должен быть очень малым.
Линейные размеры частиц аэрозоля в атмосфере находятся в
диапазоне 10~3...104 мкм. Поэтому в общем виде расчеты
взаимодействия излучения с аэрозолем следует проводить с использованием
основных положений теории рассеяния Ми. Такой подход позволяет
при выполнении условия (8.17) получить приближение рэлеевского
рассеяния.
Следует отметить, что при рассеянии излучения с длинами волн
оптического диапазона на молекулах воздуха (вне резонансов)
всегда справедливы условия (8.17), т.е. теория Рэлея. При расчетах
необходимо разделять рассеяние на ансамбле взвешенных в воздухе
твердых или жидких частиц и рассеяние на газовом компоненте
атмосферы.
Теория молекулярного рассеяния света Кабанна — Рэлея
позволяет записать уравнение для расчета коэффициента объемного
рассеяния в газах:
8Лз (т2 - 1) 6 + ЗА ,-1я.
Оп(Л) = , (8.18)
й ЗМ.4 6 - 7Д
где ./V — число молекул в единице объема; тс — показатель
преломления среды; А, — длина волны излучения; А — фактор
деполяризации рассеянного излучения (для молекул воздуха А = 0,035).
Величина (т2. - 1) в числителе пропорциональна концентрации
молекул N или плотности воздуха рв Поэтому aR (А.) при заданной
длине волны А, пропорционален плотности воздуха. Если, например,
известно значение aR (А) на какой-то одной длине волны А0 при
нормальных условиях в атмосфере (Р = PQ} T = Г0), то для других
значений Р и Т — коэффициент aR(X) определяется с помощью
уравнения
Р то
°дМ = ат(Ю -р-у
(8.19)
о
Для X = 0,55 мкм поперечное сечение рассеяния на молекулах
aR0 (X = 0,55 мкм) = 4,56 • Ю"27 см2. (8.20)
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 289
Принимая во внимание, что концентрация молекул воздуха на
уровне моря jV0 = 2,55 • 1019 см-3, можно записать
о0 (X = 0,55 мкм) = 1,16 • Ю-7 см"1. (8.21)
Нормированная матрица молекулярного рэлеевского рассеяния
для непоглощающих газов имеет вид
1 + cos2 у + A -sin2Y 0 0
-sin2 у 1 + cos2 у 0 0
4 + ЗД 0 0 2cos y 0
0 0 0 2cos y
Индикатриса молекулярного рассеяния описывается
выражением
/(Y)
(8.22)
X(Y) = /ii(Y)=T(1 +cos2y)
(8.23)
и симметрична относительно плоскости, перпендикулярной
направлению падающего светового пучка и проходящей через центр
рассеивающего объема.
Коэффициенты общего aR(X) и обратного oRn(X) молекулярного
рассеяния связаны соотношением
оДя(А.) = 0,119од(Х). (8.24)
При лазерном зондировании обычно измеряется интенсивность
излучения, рассеянного в направлении «назад». Поэтому выражение
(8.24) используется для определения од(А.) по измеренным
значениям од „(А,) в случае дистанционного зондирования атмосферного
воздуха [12].
Рассеяние оптического излучения в атмосфере существенно
зависит от пространственно-временных вариаций макроскопических
частиц, взвешенных в воздухе. Современное представление об
образовании атмосферного аэрозоля базируется на предположении
существования двух процессов: внедрения частиц в атмосферу и
генерации их внутри атмосферы из газовой фазы. В результате первого
процесса появляются частицы грубодисперсной пылевой фракции
радиусом 0,5... 10 мкм. Спектр их размеров описывается нормальным
распределением с модальным радиусом ат - 2...3 мкм.
Составляющие этой фракции почти нечувствительны к колебаниям
относительной влажности. Однако при достижении точки росы фракции
выступают в качестве ядер конденсации, способствующих образованию
облаков и туманов.
Ю-4910
290 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Генерация частиц в атмосфере происходит в основном за счет
фотохимических реакций непрерывно во всем объеме атмосферы.
Образующаяся затем микродисперсная фракция с радиусом частиц
от 5 до 50 нм в результате коагуляции и конденсации паров
малолетучих веществ приводит к разрастанию частиц по радиусу до
50...500 нм. Время жизни каждой фракции в тропосфере —
несколько дней, в страто- и мезосфере — около года. Эти фракции из
атмосферы удаляются вымыванием осадками и частично в результате
сегментации (секционирования).
Из теории рассеяния электромагнитных волн на аэрозольных
частицах в приближении диэлектрических сфер формула для
расчета объемного коэффициента рассеяния при заданной длине волны
имеет вид
СТ<Д) = Na! ™2Кр(а, т, X) f(a)da, (8.25)
о
где Na — число частиц в единице объема; Кр(а, т, X) — фактор
эффективности рассеяния излучения на частице радиусом а,
зависит от длины волны, размера частицы и ее показателя
преломления; f(a) — функция распределения аэрозольных частиц по
размерам.
Энергетическое ослабление лазерного излучения атмосферой
приводит к ограничению его дальности действия. Кроме этого,
различные атмосферные явления, такие как рефракция и
взаимодействие лазерного излучения с турбулентной атмосферой, влияют на
структуру пучка и траекторию его распространения Световой луч
при своем прохождении искривляется в атмосфере из-за
неоднородности ее показателя преломления, обусловленной градиентами
температуры воздуха и давления. Вследствие турбулентности
атмосферы световая волна испытывает флуктуации амплитуды и фазы
благодаря случайному пространственно-временному распределению
показателя преломления Турбулентность атмосферы вызывает
искажение фронта волны, что ведет к увеличению расходимости
лазерного пучка и пространственному перераспределению эцергии
внутри пучка. Кроме того, возможны флуктуации направления
распространения или расщепления лазерного пучка.
При создании систем контроля атмосферы находит применение
метод резонансного рассеяния, основанный на эффектах
резонансного взаимодействия, под которым понимают рассеяние, при кото-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 291
ром частота падающего на атомные или молекулярные частицы
излучения равна или близка одной из частот их собственных
электронных переходов. Резонансное рассеяние может наблюдаться и на
колебательных частотах молекул в ИК-области спектра. При этом
существует трудность интерпретации измерений из-за перекрытия
отдельных полос, которые часто имеют большую ширину. Используя
эффекты, сопровождающие резонансное рассеяние, определяют
концентрацию и температуру резонансно рассеивающих
компонентов атмосферы.
При определении этим методом характеристик атмосферы
применяют аппаратуру, имеющую оптимальные параметры, и
учитывают предполагаемые эффекты, возникающие при распространении
лазерного излучения. При этом необходимо знать поперечное
сечение исследуемых резонансных реакций а 2. Для определения
поперечных сечений резонансного рассеяния с достаточной точностью
можно пользоваться выражением
г2 =.
4Ave0mec
(8 26)
где е0 — диэлектрическая постоянная; е и те — заряд и масса
электрона; / — сила осциллятора; v — спектральная ширина
резонансной линии при условии Av > Аул; при Аул > Av в (8.26) Av
необходимо заменить на лазерную Av„.
Спектральная ширина резонасной линии для верхней
стратосферы и мезосферы будет определяться доплеровским уширением.
Эффективное поперечное сечение резонасного рассеяния для доплеров-
ского уширения записывается в виде
ал° = 7,5 • Ю-з о 8.27
Д (2ДГ)1/2
где R — газовая постоянная (8,32 ¦ 107 эрг ¦ град-1 • моль-1); М —
молекулярная масса.
В конкретном случае, например для Д-линий натрия, расчеты
Од необходимо проводить с учетом сверхтонкого расщепления.
В отличие от резонансного рассеяния при резонансном
поглощении не происходит изотропного переизлучения энергии на
зондирующей частоте В этом случае поглощенная молекулами
световая энергия переходит в тепловую. Эффект поглощения излучения
на практике чаще всего используется для определения
загрязняющих примесей в приземном слое воздуха При этом измерения про-
ю*
292 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
водятся на трассе, в конце которой находится отражатель (зеркало,
стена здания и др.), путем экспериментального определения
интегрального поглощения лазерного излучения.
Эффект спонтанного комбинационного рассеяния (СКР)
заключается в том, что при рассеянии излучения происходит
поглощение или отдача части энергии падающего излучения. Поскольку
энергетические состояния частиц квантованы, то в спектре
рассеянного излучения, помимо частоты падающего излучения
появляются добавочные составляющие. В частности, наблюдаются две
системы линий, симметрично лежащих по обе стороны от частоты
возбуждающего излучения (стоксовы и антистоксовы компоненты).
Вращения и колебания молекул при рассеянии приводят к
вращательной структуре колебательных линий спонтанного
комбинационного рассеяния.
Измерения концентрации газовой составляющей атмосферы
методом СКР основаны на анализе связи между интенсивностью
сигналов на длине волны СКР и концентрацией атмосферной
компоненты, вызывающей это рассеяние.
Одним из важных преимуществ метода спонтанного
комбинационного рассеяния является определение абсолютных концентраций
газовых компонентов сравнением интенсивности сигнала обратного
рассеяния с интенсивностью сигнала, обусловленного основными
атмосферными газами (азотом или кислородом). Это позволяет не
учитывать геометрический фактор, одинаково влияющий на
значение сигнала, обусловленного СКР как на исследуемом компоненте,
так и на основных газах (азоте или кислороде). Сдвиги спонтанных
комбинационных рассеяний лежат в сравнительно малом
спектральном диапазоне, где коэффициент аэрозольного и молекулярного
рассеяния близки друг к другу.
Погрешность определения концентрации, обусловленная
изменением прозрачности атмосферы на длинах волн излучения лазера
и спонтанным комбинационным расширением для малых расстояний
и больших МДВ, незначительна При увеличении трассы
зондирования и ухудшении прозрачности атмосферы ошибка возрастает, и
ее необходимо учитывать.
Многообразие эффектов, возникающих при прохождении
лазерного излучения в атмосфере, обеспечивает принципиальную
возможность лазерного зондирования практически любого параметра
атмосферы: температуры; давления; плотности; скорости ветра,
влажности, содержания газовых компонентов атмосферы;
характеристик турбулентности; аэрозолей с их многообразием форм устой-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 293
чивого состояния (облака, туманы, дымка, дым, осадки и др.),
оптических параметров (коэффициенты ослабления, индикатрисы
рассеяния, компоненты матрицы рассеяния) и микрофизических
характеристик (спектры размеров частиц, концентрация, комплексный
показатель преломления и форма частиц).
Лазерное зондирование атмосферы позволяет получить данные
с высокими пространственным и временным разрешением.
Пространственное разрешение определяется длительностью
зондирующих лазерных импульсов и может составлять около 1 м. Временное
разрешение зависит от частоты повторения лазерных импульсов
(вплоть до 104 Гц для лазеров на парах металлов).
Для решения каждой конкретной задачи по контролю атмосферы
необходимо использовать конкретную схему лидара, состоящую
обычно из трех основных блоков: лазерного источника излучения с
передающей антенной; приемной антенны с фотодетектором;
регистратора лидарных сигналов. Для обеспечения селективности ли-
дарного сигнала по спектральным частотам или поляризации на
выходе приемной антенны лидара устанавливают анализаторы спектра
или поляризации принимаемого оптического сигнала. Регистрация
таких быстрых процессов, каким является лидарный сигнал, требует
использования современных компьютерных систем, позволяющих
автоматизировать процесс обработки, хранения, визуализации
данных, а также осуществлять контроль параметров и управление
лидером в автоматическом режиме. Таким образом, обобщенную
структурную схему лидара можно представить состоящей из пяти
основных блоков (рис. 8 14).
Все основные энергетические, временные, пространственные,
спектральные и поляризационные характеристики лазерного
излучения реализуются в самом лазере и контролируются на выходе с
помощью блока контроля. Чаще всего такой блок используется для
измерения опорного сигнала и выработки сигнала запуска
регистрирующей аппаратуры, а также для контроля длины волны лазерного
излучения.
Распространяясь в земной атмосфере, лазерный луч частично\по-
глощается и рассеивается. Часть рассеянного назад излучения
попадает на приемную антенну (телескоп), с нее на фотодетектор,
преобразующий световой поток в электрические сигналы,
пропорциональные этому потоку Расстояние до любого рассеивающего объема
на трассе определяется по времени, за которое световая волна
проходит расстояние до объекта и назад Интенсивность принятого
сигнала зависит от свойств конкретного рассеивающего объема атмо-
294 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
5
1 1b-
8
9
ПГ~1 Г"] ПГ~1
Рис 8 14 Обобщенная схема лидара
/ — лазер, 2 — делитель пучка, 3 — блок контроля лазерного излучения, 4 —
передающая антенна (телескоп), 5 — зондирующий лазерный луч, 6 —
излучение, рассеянное назад атмосферой, 7 — приемная антенна (телескоп), 8 —
анализатор спектра или поляризации, 9 — блок детекторов, 10 — дисплей, // —
процессор, 12 — блок памяти
сферы и от характеристик трассы зондирования атмосферы на пути
от лидара до рассеивающего объема и обратно.
Функциональная связь между параметрами лидара
устанавливается уравнением лазерного зондирования
г
СХ Г
Р(г) = г]Р0А — г-2ря(0 exp [-2J a(r') dr\ (8.28)
о
где Р(г) — мощность эхосигнала; Р0 — мощность зондирующего
импульса; А — площадь приемной антенны лидара; г —
расстояние от лидара до зондирующего объема атмосферы; с — скорость
света; х — длительность импульса; Ря(г') — сечение взаимодейст-
г
вия в направлении назад; exp [-2J a(r') dr'\ — экспоненциальный
о
член, характеризует квадрат прозрачности атмосферы между лида-
ром и зондируемым объемом; а(г') — объемный коэффициент
ослабления; г) — калибровочная константа.
Выражение (8.28) записано для одной длины волны, поэтому
знак А, опущен.
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 295
В табл. 8.8 приведены характеристики основных методов
лазерного зондирования окружающей среды
Таблица 8 8
Лазерный метод
контроля ОС
Оптическая локация
Комбинационное
рассеяние
Резонансная
флуоресценция
Поглощение с одно
кратным
прохождением
Поглощение с отра
жением от местных
объектов
Дифференциальный
Идентификация
Невозможна
Возможно
Возможно
Возможно
Возможно
Возможен
Разрешающая
способность
по дальности
Имеется
Имеется
Имеется
Отсутствует
Отсутствует
Имеется
Тип системы
контроля
Однопозиционная
Однопозиционная
Однопозиционная
Двухпозиционная
Однопозиционная,
но требует
местных
отражателей
Однопозиционная
Чувствительность
метода
Средняя
Низкая
Средняя
Высокая
Высокая
Высокая
В методе оптической локации лазер используется только в
качестве импульсного источника энергии, которая затем рассеивается
атмосферой обратно в направлении системы контроля и
регистрируется фотоприемником. Принимаемый сигнал является функцией
>ремени, прошедшего с момента излучения короткого светового им-
[ульса, подобно тому, как это осуществляется в локаторах
радиодиапазона. Обычно в оптических локаторах источником рассеянного
назад излучения служит рассеяние Ми. Поэтому оптические
локаторы наиболее часто используются для определения концентрации
атмосферных частиц. Эти локаторы не позволяют установить
природу частиц, рассеивающих излучения лазера.
Чаще всего лидарные системы применяются в тех случаях, когда
необходимо определить суммарную концентрацию атмосферных
частиц как функцию расстояния от измерительной системы.
Основная схема построения системы для измерения степени
загрязненности воздуха и ее наиболее важные составляющие
показаны на рис. 8.15
В систему входит импульсный лазер, имеющий короткие
импульсы излучения Излучение, приходящее от исследуемого объема,
собирается телескопом Система должна иметь элемент, который
выделяет излучение с заданной длиной волны при наличии фоновых
излучений. Таким элементом может служить интерференционный
296 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 8 15 Схемы трассового зондирования атмосферных газов методом дифферен
циального поглощения с использованием в качестве отражателя поворотного зер
кала (а) или диффузно рассеивающего отражателя (б)
1 — лазер 2 — атмосфера, 3 — зеркальный отражатель 4 — приемная антенна
(зеркало телескопа), 5 — фотодетектор, 6 — топографическая мишень
узкополосный фильтр с высоким уровнем режекции В ряде случаев
в качестве такого элемента используется монохроматор Кроме того,
система должна включать фотоприемник и устройство для
обработки и воспроизведения данных
Мощность принимаемого системой сигнала как функция
расстояния описывается следующей формулой
Pr(R) = P0KT(R) A Y(R)N(R)oAR/(4n№), (8 29)
где PQ — излучаемая мощность, К — эффективность оптической
системы, Т— коэффициент пропускания атмосферы, А — площадь
приемника, Y(R) — фактор, учитывающий перекрытие излучаемого
и рассеянного пучков, N(R) — концентрация рассеивающих
центров как функция расстояния, а — сечение обратного рассеяния
Величина А/? характеризует глубину зондирования, т е
расстояние, с которого можно получить рассеянный сигнал в течение
заданного промежутка времени Глубина зондирования вычисляется с
помощью уравнения
А/? = ст/2, (8 30)
где х — длительность импульса
Сечение рассеяния представляет собой сечение рассеяния Ми
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 297
Коэффициент пропускания атмосферы
R
T{R) = ехр [-2 J" a(r) dr], (8 31)
о
где а(г) — коэффициент экстинкции, представленный в виде
функции расстояния и содержащий члены, описывающие поглощение,
рассеяние Ми и рассеяние Рэлея
Если длина волны лазерного излучения попадает в окно
прозрачности атмосферы, то вклад поглощения будет мал и а(г) будет
описываться функцией рассеяния Ми Из за присутствия в атмосфере
частиц постоянных форм и размеров связь между обьемным
коэффициентом обратного рассеяния и коэффициентом поглощения
остается неопределенной Это приводит к затруднениям при
идентификации результатов измерения абсолютных концентраций частиц
Поскольку комбинационный сдвиг частоты является характерис-
•тикой молекул данного типа, то спектры комбинационного
рассеяния атмосферных газов служат основой высокочувствительного
метода определения их состава Например, лидарная система на КР
японского производства смонтирована на основе лазера на стекле,
излучающего вторую гармонику 530 нм Принимаемый системой
сигнал образуется в результате комбинационного рассеяния на
различных газах, создающих этот эффект Для выделения участка
спектра, соответствующего линии КР исследуемого газа,
используется монохроматор Интенсивность сигнала регистрируется
фотодиодом Из-за малого сечения КР такие системы в основном пригодны
для измерений на небольших расстояниях (порядка нескольких
десятков метров) Чаще всего такие системы используются для
дистанционного контроля выброса из дымовых труб
С помощью мощных импульсных перестраиваемых лазеров
можно исследовать загрязнения при малых концентрациях или на
увеличенных расстояниях Чувствительность систем, основанных на
КР, может быть значительно увеличена при условии интегрирования
импульсов слабоэнергетического лазера до 104 и возможности
независимой настройки лазера на резонансную частоту молекул каждого
типа Системы на основе КР обладают хорошей разрешающей
способностью по дальности и позволяют определять концентрацию
загрязняющих веществ как функцию рассеяния
Для описания зависимости сигнала КР от расстояния можно
воспользоваться соотношением (8 29), в котором в роли сечения
рассеяния выступает сечение КР Абсолютное значение сечения рас-
298 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
сеяния для конкретного газа мало — обычно не превышает 1030см2.
Роль плотности рассеивающих центров играет плотность
исследуемого комбинационно-активного газа.
Температура однозначно связана с двумя другими физическими
параметрами атмосферы — давлением и плотностью, поэтому ее
определение позволяет вычислить давление и плотность. Измерение
температуры атмосферы является не простым процессом, так как
температура претерпевает изменения, особенно в пограничном слое
атмосферы. На высотах порядка нескольких десятков и сотен метров
часто встречаются слои с температурной инверсией, создающие
барьеры для переноса масс вверх и обуславливающие аккумуляцию
загрязнений.
Известно, что интенсивности линий двух ветвей чисто
вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР)
основных газов атмосферы, а также молекулярных азота и
кислорода, концентрация которых в воздухе достигает 99%, имеют
обратную зависимость от температуры. Следовательно, при проведении
измерений эхосигналов СКР в указанных ветвях N2 и 02 можно
извлечь информацию и о температуре. Для этого нужно иметь мощный
лазер и создать режим накопления эхосигналов с высоким
быстродействием.
В ряде случаев для анализа состояния атмосферы применяется
резонансная флуоресценция. В этом методе лазерный пучок
направляется в газовый объем, где имеются флуоресцирующие молекулы.
Для описания метода измерения, основанного на резонансной
флуоресценции, можно воспользоваться соотношением (8.29), в котором
в качестве сечения рассеяния следует учитывать сечение
возбуждения флуоресценции. Типичные значения этого сечения составляют
10-13...10"16 см2/ср. Чувствительность данного метода значительно
выше, чем метода КР. Роль плотности в данном случае играет
плотность молекул флуоресцирующего газа N(r), представленная как
функция расстояния. Хотя рассматриваемая система также
обладает разрешающей способностью по дальности, тем не менее степень
этого разрешения снижается вследствие ограниченности по времени
процесса флуоресценции Разрешение системы по дальности можно
представить формулой Д/? = с(х + xF), где xF — время высвечивания
флуоресценции. Поскольку характерное время высвечивания
флуоресценции может достигать 50 мкс, то это приводит к значительному
снижению разрешающей способности по дальности.
Чрезвычайно высокую чувствительность обнаружения ряда
газов обеспечивают методы, основанные на поглощении лазерного
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 299
пучка при пропускании через исследуемый газовый объем. Для"
этого излучатель и приемник размещают по разные стороны
газового объема. Такая система дистанционного обнаружения не всегда
удобна, так как различные элементы системы размещаются в разных
точках пространства. Одним из способов решения этой проблемы
при дистанционном зондировании может быть использование
отражателя (холма, стены здания, границы леса и т.д.), который
расположен в удаленной точке. Такой способ позволяет создать однопо-
зиционную систему.
Соотношения для мощности сигнала, принимаемого при работе
по методу поглощения на трассе большой протяженности, имеют вид
РоП = КР0А/№; (8.32)
R
Роп = KPqA exp [-J N(r)a dr]/R2, (8.33)
о
где РоП и Роп — соответственно мощность сигнала, принимаемого
в тех случаях, когда частота лазерного излучения находится вне
частоты поглощения и когда совпадает с этой частотой; Р0 —
излучаемая мощность; А — площадь антенны, К — эффективность
оптической системы; R — длина трассы; N(r) — плотность
поглощающих молекул как функция расстояния; а — сечение
поглощения.
Концентрация загрязняющих веществ определяется с помощью
следующего выражения:
R
JN(r)dr = (l/a)ln[Poii/Pj. (8.34)
о
Рассмотренный метод позволяет определять лишь
интегральную концентрацию загрязнений вдоль всей трассы.
На практике зондирование атмосферы может быть осуществлено
методом дифференциального поглощения, который реализуется
двумя способами:
• дифференциальным поглощением на длинных трассах;
• лидарным дифференциальным поглощением.
На рис. 8.15 изображены две схемы трассового зондирования,
использующие в качестве контротражателя поворотное зеркало
(рис. 8.15,а) и диффузный рассеивающий отражатель (рис. 8.15,6),
которым может быть любой топографический объект (стена здания,
склон горы, плотная чаща леса и др ). Схема с зеркальным отража-
300 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
телем обычно реализуется с полным перехватом лазерного луча. Это
ограничивает длину трассы из-за расходимости лазерного луча и
турбулентности атмосферы и требует точной юстировки всей
системы: лазер — отражатель — антенна с детектором. Преимуществом
такой системы трассового зондирования является возможность
использования лазеров малой мощности, в том числе непрерывных,
поскольку основные потери мощности обусловлены только
пропусканием атмосферы. При работе с топографической мишенью
регистрируется лишь та часть лазерного излучения, которая
рассеивается от мишени в направлении «назад» и попадает в поле зрения
приемной антенны.
Лидарный метод дифференциального поглощения позволяет
получать информацию о пространственном распределении
атмосферного газа вдоль трассы зондирования. В этом методе роль
Контротражателей, распределенных по всей трассе зондирования,
играют аэрозоли и молекулы атмосферы. Рассеянная ими назад часть
энергии лазерного импульса, распространяющегося вдоль трассы
зондирования, улавливается приемной антенной и регистрируется
детектором. Для практической реализации главного метода
лазерного газоанализа с использованием дифференциального поглощения
независимо от диапазона длин волн и высот необходимо обеспечить
выполнение сразу нескольких важных условий:
• молекулы зондируемого газа должны обладать разрешенным
спектром поглощения с достаточно сильными линиями резонансного
поглощения;
• спектр должен попадать в микроокна прозрачности
атмосферы;
• необходимо наличие эффективных перестраиваемых лазеров,
частоты излучения которых совпадают с резонансными линиями
поглощения зондируемого газа.
Кроме этого, выбранные спектральные интервалы должны быть
обеспечены эффективными детекторами. В этом смысле вполне
обеспеченным в настоящее время можно считать спектральный
диапазон от 200 нм до 12 мкм. В этом же диапазоне находятся основные
окна и микроокна прозрачности атмосферы, а также разрешенные
полосы поглощения практически всех газов природного и
антропогенного происхождения.
Высота зондирования лидара с приемной антенной диаметром
1 м, энергией в импульсе 1 Дж при длине волны 0,7 мкм (остальные
параметры среднестатические) может достигать 20...30 км. При сум-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 301
мировании эхосигналов от совокупности зондируемых импульсов
высота зондирования может достигать 100 км.
Все протекающие в атмосфере процессы, включая динамику
аэрозольного загрязнения, образования облаков, загрязнения
атмосферы и т.д., существенным образом зависят прежде всего
от поля влажности (распределения концентрации молекул
водяного пара в пространстве). Для получения поля влажности
необходимо иметь набор профилей, которые характеризуют ее
распределение по линии прямолинейно распространяющегося зондирующего
лазерного импульса. Если изменять направления зондирования в
пространстве, то можно получить набор профилей, с помощью
которых нетрудно построить поле влажности.
Методы лазерного зондирования скорости ветра
развиваются в двух направлениях: доплеровском и корреляционном. Лазерное
зондирование с использованием доплеровской теории основывается
на зависимости частоты принимаемого эхосигнала от скорости
движения зондируемых объектов атмосферы. Идея корреляционных
методов связана со статистическим анализом эхосигналов от
различных объектов, через которые эти сигналы переносятся ветром
К преимуществам таких методов следует отнести следующее:
• измерения являются бесконтактными и не требуют тарировки;
• малая длина волны излучения обеспечивает достижение
большой локальности измерений;
• большая частота световых колебаний обеспечивает
проведение измерений ,в очень большом диапазоне скоростей (от 10~6 до
106м/с).
Еще один высокочувствительный метод лазерного
дистанционного газового анализа основан на функциональном совмещении
блоков передатчика и приемника лидара, когда отраженный эхосигнал
принимается лазером, который играет роли фильтра и усилителя
(ЛП-лидар или лидар с приемом на лазер).
8.13. Мониторинг окружающей среды с использованием
лазеров
Главная стратегия мониторинга загрязнения окружающей среды
заключается в последовательности: наблюдать — изучать —
описывать. Для реализации такого мониторинга необходима сеть станций,
которая давала бы четырехмерный массив данных об интересующем
веществе в атмосфере или воде.
302 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Существует несколько вариантов классификации
наблюдательных систем: по типу платформ, по способу измерения
физических параметров и по регулярности наблюдений.
По типу платформ системы делятся на: приземную,
надводную, подводную, воздушную и космическую. Системы измерений
могут быть подвижными (мобильными) или стационарными.
По способу измерения системы подразделяются на:
• прямые (контактные, локальные);
• дистанционные (пассивные и активные измерения);
• визуальные.
Прямые измерения проводятся у поверхности земли с помощью
самолета-лаборатории или шара-зонда. Визуальные измерения
осуществляются при оперативном контроле оптических явлений.
Наибольшую ценность имеют дистанционные методы наземного,
корабельного, самолетного и космического базирования [6,8,12].
По регулярности наблюдений системы разделяются:
• на регулярные;
• регулярные синхронные (одновременно в разных местах);
• асинхронные;
• экспериментальные;
• нерегулярные.
Всемирной метеорологической организацией рекомендовано
создавать станции двух типов: базовые и региональные. Базовые
станции размещают в местах с наиболее чистой атмосферой.
Основное назначение этих станций — выявление изменений в составе
воздуха, которые могут оказать воздействие на изменение климата.
Региональные станции организуются в местах с источниками
загрязнений.
Лазерно-локационные методы измерений не имеют
конкурентоспособных дистанционных аналогов определения профиля
аэрозольных (облаков, туманов, пара градирен) и газовых компонентов
атмосферы. Они не требуют подъемных средств или шаровых зондов
и др. Лидарные методы оперативны. Малогабаритная аппаратура
может быть размещена на автомашинах, что позволяет проводить
экспресс-анализ локальных источников загрязнений.
На рис. 8.16 приведена схема использования лазерных
наблюдений в глобальном мониторинге.
Первой задачей является наблюдение за аэрозолями в городской
атмосфере. Они влияют на тепловой и радиационный режим
атмосферы. По прогнозам концентрация аэрозолей антропогенного
происхождения к концу текущего столетия достигнет 30%. В городах
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 303
Географические и физико-географические данные
Состояние окружающей среды
Геохимические данные о составе и характере загрязнений
Наблюден
Наземные *
ия в горах
змерения
(включая измерения
в интересах различных
ведомств)
1. Вариации аэрозоля
в тропосфере
и стратосфере
2. Прозрачность
3 Микроструктура
аэрозоля
4. Газовый состав
тропосферы
5. Характеристики
облачности,
тумана, смога
6 Температура,
ветер,влажность
в тропосфере
Наблюдения
на фоновых станциях
Наземные
измерения
1 Вариации аэрозоля
в тропосфере
и стратосфере
2. Прозрачность
3. Микроструктура
аэрозоля
4. Газовый состав
тропосферы
5. Поступления
метеорной материи
6. Наблюдение
серебристых
облаков
7 Температура
мезосферы
Наблюдения
в Мировом океане
it
Измерения
с самолетов
и кораблей:
1. Загрязнения
нефтяной пленкой
2.Содержание
планктона
3. Вариации аэрозоля
в тропосфере
и стратосфере
4 Газовый состав
тропосферы
и стратосферы
5. Характеристики
облачности
6. Микроструктура
аэрозоля
Рис 8 16 Схема использования лазерных наблюдений в глобальном мониторинге
твердые примеси снижают солнечную радиацию на 10...20%. В
результате этого в крупных промышленных городах наблюдается
двух—трехкратное уменьшение ультрафиолетовой радиации.
Средний коэффициент прозрачности в городах на 2...5% меньше, чем в
сельской местности.
Аэрозоли в атмосфере приводят к изменению температурного
режима. Для аэрозолей свойственно поглощение радиации в окне
прозрачности атмосферы в диапазоне 8...12 мкм, сравнительно
прозрачном для водяного пара, который является основным поглощающим
компонентом чистой атмосферы. Поэтому в городе ночью
уменьшается эффективное излучение подстилающей поверхности — ночное
304 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
выхолаживание происходит слабее, чем за городом. Это приводит к
увеличению температуры приземного слоя, ослаблению приземной
и образованию приподнятой инверсий температуры над
аэрозольным слоем.
Определение концентрации и спектра частиц по размерам
аэрозолей необходимо для контроля процесса изменения аэрозолей при
их распространении от локальных источников загрязнений,
конденсации влаги на аэрозолях и образования твердых аэрозолей в
результате химических реакций между газовыми составляющими.
Такие процессы способствуют образованию в городском смоге
твердых частиц нитратов и сульфатов. Следовательно, параллельно с
определением микроструктуры аэрозолей целесообразно исследовать
их химический состав, например, методом резонансной
флуоресценции, возбуждаемой лазерным излучением.
В некоторых случаях аэрозоли антропогенного происхождения
могут либо интенсифицировать осадки, либо приводить к
перераспределению частиц в облаках. Влияние облачности на приземную
концентрацию газовых загрязнений проявляется прежде всего в
поглощении примесей водяными каплями. В результате возникает
необходимость определения нижней границы облаков, а также
структуры нижней границы водности и фазового состояния облачности.
Измерение этих параметров при совместном изучении
характеристик газовых и аэрозольных примесей позволяет определить
особенности взаимодействия облачных масс над городом с загрязняющими
веществами антропогенного происхождения.
Известно, что туманы в городе возникают чаще, чем вне его.
Следовательно, возрастает опасность загрязнения атмосферы.
Повторяемость туманов в городах больше, чем в сельской местности, а
вредное действие дымовых и газовых примесей при туманах проявляется
сильнее, чем при других погодных условиях. Густые и длительные
туманы повышают загрязненность воздуха, так как примеси,
поглощаясь водяными каплями, при растворении образуют новые, иногда
более токсичные вещества. Основными параметрами туманов
являются: интенсивность, пространственное распределение, водность,
которые можно анализировать лазерно-локационными методами.
Задачами наблюдения на фоновых станциях являются:
• накопление статистических данных о прозрачности атмосферы
в различных спектральных диапазонах, об интенсивности и высоте
появления аэрозольных слоев в тропосфере и стратосфере с
последующим установлением связи пространственно-временной
изменчивости микроструктуры аэрозоля и термического режима атмосферы;
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 305
* определение малых вариаций углекислого газа в атмосфере и
связи этих вариаций с термическим режимом атмосферы;
• определение газового состава тропосферы и стратосферы для
выяснения дислокации газовых антропогенных примесей в
атмосфере Земли.
Стандартные параметры атмосферы измеряются традиционными
средствами.
Одновременно на фоновых станциях с помощью лазерных
методов можно наблюдать поступление метеорной материи в атмосферу
Земли, а также регистрировать высоту, мощность и протяженность
серебристых облаков, а с помощью методов резонансного
рассеяния — контролировать температуру мезосферы на высотах
80... 100 км. Эти измерения не являются приоритетными для
глобального мониторинга. Они могут использоваться другими
службами в системе наблюдений состояния окружающей среды.
Измерения аэрозольного и газового состава атмосферы над
Мировым океаном необходимы для установления его влияния на
специфику распределения аэрозолей и газовых примесей в
атмосфере, а также на взаимодействие газовых компонентов с морской
поверхностью. К специальным наблюдениям относятся измерения
границ (а возможно, толщины и сорта) нефтяной пленки, определение
содержания и вида планктона и др.
?амолетные измерения следует проводить в соответствии с
программами городских фоновых измерений. Наблюдения за
газовым составом верхней тропосферы и стратосферы особенно важны
в тех случаях, когда проведение измерений с поверхности земли не
могут быть осуществлены. Не следует забывать о необходимости
контроля выбросов сверхзвуковых самолетов, а также изменений
концентрации 03, оксидов азота, фреонов. К числу специальных
самолетных измерений относится определение характеристик
подстилающих поверхностей с целью изучения влияния эффективного
альбедо на радиационный режим атмосферы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров
№ 5804-91. М/ МИОТ, 1993.
2. ГОСТ 12 1.040-83. ССБТ Лазерная безопасность. Общие положения.
3. ГОСТ 12.1 031-81. ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического контроля
4. Карташева Н.Н. Охрана труда при эксплуатации лазерных установок.
М.: МЭИ, 1988.
306 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
5. Карташева Н.Н. Методика анализа степени опасности лазерных
установок. Методические указания по дипломному проектированию по курсу
«Охрана труда». М.: МЭИ, 1990.
6. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей / В.Е. Зуев,
Б.В. Кауль, И.В. Самохвалов и др. Новосибирск1. Наука, 1986.
7. Зуев В.Е., Белан Б.Д., Задде Г.О. Оптическая погода. Новосибирск:
Наука, 1990.
8. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир, 1979.
9. Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация. Л.:
Гидрометеоиздат. 1977.
10. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М : Мир, 1986.
П. Реджи Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981.
12. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987.
13. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель
континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982.
14. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.:
Радиосвязь, 1981
15. Зуе'в В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Л.:
Гидрометеоиздат, 1987.
Глава 9. ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
9.1. Общие сведения об ионизирующих излучениях
Радиационная опасность обусловлена воздействием на
окружающую среду ионизирующих излучений, которые составляют часть
общего понятия радиация (лат. radiatio — излучение), включающего
в себя также радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое и
инфракрасное излучения [4).
Ионизирующим называется излучение, взаимодействие
которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков.
(Возможно использование термина «ионизирующая радиация».)
К ионизирующим излучениям относятся:
• альфа (а)-, бета ((3)- и гамма (р)-излучения, обусловленные
естественной и искусственной радиоактивностью химических
элементов;
• рентгеновские (X) излучения, создающиеся в рентгеновских
аппаратах, а также образующиеся при радиоактивном распаде ядер
некоторых элементов;
Глава 9. Основы радиационной безопасности
307
• потоки нейтронов (п) и гамма-квантов, возникающие при
ядерных реакциях деления и синтеза;
• излучения, генерируемые на ускорителях;
• излучения, приходящие из космоса и др.
Различают корпускулярное и фотонное ионизирующие
излучения. Корпускулярное ионизирующее излучение представляет собой
поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля (а- и
(3-частиц, нейтронов, протонов, электронов и др.). Корпускулярное
излучение, состоящее из потока заряженных частиц (а- и (3-частиц,
протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна
для ионизации атомов при столкновении, называется
непосредственно ионизирующим излучением.
Фотонное ионизирующее излучение является
электромагнитным излучением. К нему относятся: гамма-излучение, возникающее
при изменении энергетического состояния атомных ядер или при
аннигиляции частиц; тормозное излучение, возникающее при
уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;
характеристическое излучение, возникающее при изменении энергетического
состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из
тормозного и (или) характеристического излучений. Фотоны (кванты
электромагнитного излучения) имеют массу покоя, равную нулю.
Фотонное излучение, а также нейтроны и другие незаряженные
частицы непосредственно ионизацию не производят, но в процессе
взаимодействия со средой они высвобождают заряженные 'частицы
(электроны, протоны и т.д.), способные ионизировать атомы и
молекулы среды, через которую они проходят. Таким образом,
ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц
(например, нейтронов) или фотонов, которые в свою очередь могут
создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать
ядерные превращения, называется косвенным ионизирующим
излучением.
Частицы корпускулярного ионизирующего излучения и фотоны
принято называть ионизирующими частицами. Различают
моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующие излучения. Под
моноэнергетическим понимается излучение, состоящее из фотонов
одинаковой энергии или частиц одного вида (например, электронов)
с одинаковой кинетической энергией. Немоноэнергетическое
излучение имеет фотоны разной энергии или частицы одного вида
(например, бета-частицы) с разной кинетической энергией.
308 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
9.2. Строение и свойства атомов
Ниже рассматриваются ионизирующие излучения,
обусловленные в основном радиоактивностью химических элементов [6, 10].
Как известно, наименьшей частицей вещества, обладающей всеми
химическими свойствами данного химического элемента, является
атом. По современным представлениям атомы всех химических
элементов имеют одинаковую структуру. Они состоят из положительно
заряженного ядра, где сосредоточена практически вся масса атома
(99,9%), и отрицательно заряженных электронов, вращающихся
вокруг ядра по круговым орбитам. Располагаясь в зависимости от
энергетического состояния на различных расстояниях от ядра,
электроны образуют электронные слои, а внутри слоя они распределяются
по электронным оболочкам. Линейные размеры атомов составляют
примерно 10~10 м, а атомные ядра меньше атомов на 4-5 порядков.
Размеры электронов до сих пор неизвестны. Массы атомов имеют
значения в пределах от 2- 10~27 до 5- Ю-25 кг. Масса электрона
равна 9,1 • 10"31 кг.
Ядро атома состоит из нуклонов — положительно заряженных
протонов и электрически нейтральных нейтронов, по массе они
примерно равны, и масса каждого из них в 1840 раз больше массы
электрона. Протон обладает элементарным электрическим зарядом
е - 1,6 • 10"19 Кл. Заряд электрона равен -е.
Атом химического элемента характеризуется атомной массой М
(массовым числом) и атомным номером Z (зарядом ядра)
химического элемента в Периодической системе элементов Д.И.
Менделеева. Общий символ для обозначения ядра ^Х, где X — символ
химического элемента. Атомный номер Z равен количеству протонов
в ядре, при этом количество нейтронов в ядре N = М - Z. Атомный
номер Z при символе химического элемента может и не указываться.
Например, запись §^8U равнозначна записи 238U. Кроме того,
возможно и такое обозначение: уран-238.
Ядра с одинаковыми числами Z, но разными М и N называют
изотопами. Изотопы, обладающие радиоактивностью, называются
радиоизотопами. Например: йод-125, йод-129, йод-131 и т.п. Атомы
с изотопными ядрами имеют одинаковые химические свойства.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь
идет об атомах (ядрах) одного и того же элемента.
Ядра атомов (по другим определениям — атомы) разных
химических элементов имеют общее название — нуклиды.
Нуклиды,,обладающие радиоактивностью, называются радионуклидами. Напри-
Глава 9. Основы радиационной безопасности 309
мер, стронций-90, йод-131, цезий-137 и т.п. Под термином
«радионуклид» понимают также некоторое радиоактивное вещество, когда
говорят, например, что масса радионуклида составляет столько-то
граммов, килограммов и т.д. Термины «радиоизотоп» и
«радионуклид» часто используются как синонимы.
Состояние атомов, при котором число обращающихся вокруг
ядра электронов равно числу протонов, называется основным
(нормальным). Атом в этом случае электрически нейтрален.
Энергия связи электронов/в атоме тем меньше, чем на более
удаленной от ядра оболочке он^находится. Если один или несколько
электронов оторвать от электронной оболочки, приложив
соответствующую энергию, произойдет ионизация атома, в результате
которой атом станет положительно заряженным ионом. Если атом,
наоборот, присоединяет электрон, он превращается в отрицательно
заряженный ион.
Если энергия внешнего воздействия недостаточна для ионизации
атома, электрон может быть переведен на более удаленную от ядра
оболочку. Такой атом называется возбужденным. При переходе в
невозбужденное состояние, т.е. когда освободившееся вакантное
место на электронной оболочке занимает другой электрон, избыток
энергии, равный энергии возбуждения, испускается в виде одного
или нескольких квантов фотонного излучения.
Химические свойства атомов определяются внешними
(валентными) электронами. При химических превращениях происходит
перестройка внешних оболочек атома, обусловленная отдачей или
присоединением валентных электронов. При ядерных превращениях
происходит переход одних ядер в другие в результате либо ядерных
реакций деления и синтеза, либо радиоактивного распада,
вызванного неустойчивостью атомных ядер.
9.3. Радиоактивность
Устойчивость атомного ядра обусловлена действующими между
нуклонами ядерными силами притяжения. Эти силы в пределах
размера ядра во много раз превосходят кулоновские силы отталкивания
одинаково заряженных частиц — протонов. Для ядер атомов начала
и середины Периодической системы элементов Д.И. Менделеева их
устойчивость (за некоторым исключением) обеспечивается при
равенстве числа нейтронов и числа протонов в ядре, т.е. при N ~ Z.
С увеличением числа протонов силы их кулоновского отталкивания
растут примерно пропорционально Z2. Поэтому для компенсации
310 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов в ядре
растет быстрее числа протонов. В результате устойчивость таких
ядер обеспечивается при N > Z. Всего известно около 300
устойчивых изотопов химических элементов.
Однако у некоторых элементов ядерные силы притяжения уже
не способны обеспечить полную устойчивость ядер. Вследствие
этого такие элементы становятся радиоактивными.
Радиоактивность [3, б, 10] есть свойство неустойчивых атомных ядер данных
химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра
атомов других химических элементов с испусканием одной или
нескольких ионизирующих частиц. Процесс такого спонтанного ядерного
превращения называется радиоактивным распадом. При этом
образовавшееся новое (дочернее) ядро оказывается в более
устойчивом состоянии, чем исходное (материнское) ядро.
Радиоактивность может быть естественной и искусственной.
Естественной называется радиоактивность, наблюдающаяся у
существующих в природе неустойчивых изотопов. К ним относятся
тяжелые ядра элементов, расположенных в Периодической системе за
свинцом (Z > 82), а также некоторые легкие и средние ядра
(например, ядро калия-40). Искусственной называется радиоактивность
изотопов, полученных в результате ядерных реакций в ядерных
реакторах, на ускорителях, при ядерных взрывах и др.
В настоящее время для всех элементов известны радиоактивные
изотопы. Всего их более 2000 (естественных и искусственных). По-
видимому, на заре образования Солнечной системы все химические
элементы имели свои радиоактивные аналоги, но с течением
времени короткоживущие радиоизотопы распались, а долгоживущие
сохранились до наших дней.
Основными характеристиками радионуклидов (радиоизотопов)
являются: активность, тип (способ) распада, период полураспада,
вид и энергия излучения.
Активность радионуклида А в источнике (образце) есть
отношение числа dN спонтанных ядерных превращений,
происходящих в источнике (образце) за интервал времени dt, к этому
интервалу:
A = dN/dt. (9.1)
Единица активности радионуклида в СИ — беккерель (Бк). Бек-
керель равен активности радионуклида в источнике (образце), в
котором за 1с происходит одно спонтанное ядерное превращение.
Глава 9. Основы радиационной безопасности 311
Внесистемная единица активности — кюри (Ки), при этом
1 Ки = 3,7 • 1010 Бк. Используются также кратные и дольные
единицы (табл. 9.1).
Таблица 9 1
Множитель
1018
1015
1012
109
106
103
102
10'
Приставка
наименование
экса
пета
тера
гига
мега
кило
гекто
дека
обозначение
Э
П
Т
Г
М
к
г
Да
Множитель
ю-'
10"2
10-3
ю-6
10-9
10-'2
10-15
10-18
Приставка
наименование
деци
санти
МИЛЛИ
микро
нано
пико
фемто
атто
обозначение
Д
с
м
мк
н
п
ф
а
Активность радионуклида с течением времени уменьшается по
закону радиоактивного распада:
А (0 = А0ехрШ), (9.2)
где A(t), A0 — активность нуклида в источнике в текущий и
начальный (t = 0) моменты времени соответственно; X = In 2/7,1/2 =
= 0,693/ 7*!/2— постоянная распада, имеющая смысл вероятности
распада ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся за единицу
времени; Т{/2— период полураспада — время, в течение которого
распадается половина первоначального количества ядер, при этом
активность радионуклида уменьшается в два раза.
Для смеси радионуклидов суммарная активность А определяется
из уравнения
MV = X A0l exp (-V); (9.3)
где Л0( — активность /-го нуклида в момент времени t = 0; \ —
постоянная распада г'-го нуклида.
Поскольку радиоактивные вещества могут находиться в
различных физических состояниях, то наряду с основным понятием
активности используются производные от нее величины. Отношение
активности радионуклида в источнике к массе т, объему V или к
площади поверхности S источника называется удельной Ат - А/т,
Бк/кг, объемной Av = A/V, Бк/м3, и поверхностной As = A/S,
Бк/м2, активностью радионуклида соответственно.
312 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
По аналогии с вредными химическими веществами объемная
активность называется также концентрацией радионуклида (в воде
или в воздухе), а поверхностная активность — плотностью
радиоактивного загрязнения.
Массу т радиоактивного вещества в граммах с периодом
полураспада Ti/2, выраженным в секундах, и имеющего активность А,
выраженную в беккерелях, без учета массы неактивного носителя
можно рассчитать по формуле
т = 2,4 • 10"24 АТ1/2М, (9.4)
где М — атомная масса (массовое число).
Каждый радионуклид распадается вполне определенным
способом, при этом распад ядер сопровождается испусканием:
• а-частиц (ядер атомов гелия ^Не) при а-распаде;
• Р~-частиц (электронов) — при электронном ((3~)-распаде;
• Э+-частиц (протонов) — при протонном (|3+)-распаде и др.
Образующиеся в результате указанных распадов дочерние ядра,
как правило, оказываются возбужденными. Снятие энергии
возбуждения и переход дочернего ядра в основное (стабильное) или менее
возбужденное состояние происходит путем испускания
гамма-кванта (фотона). Таким образом, радиоактивный распад сопровождается
испусканием корпускулярных частиц и (или) фотонов, причем число
ядерных превращений далеко не всегда совпадает с числом
испускаемых ионизирующих частиц. Например, при распаде
радионуклида 64Си активностью 1 ГБк образуется в секунду 36,8 • 107 |3~-частиц,
18,1 • 107 Э+-частиц и 0,4 • 107 фотонов.
Общая картина радиоактивного распада еще более усложняется,
когда имеется цепочка радиоактивных превращений, т.е когда
дочернее ядро также радиоактивно и распадается с образованием
нового ядра (радиоактивного или стабильного).
9.4. Дозиметрические величины и их единицы
Результатом воздействия ионизирующих излучений на
облучаемые объекты являются различные радиационные эффекты —
обратимые и необратимые физико-химические или биологические
изменения в этих объектах, зависящие от силы воздействия и условий
облучения.
Физические величины, функционально связанные с
радиационным эффектом, называются дозиметрическими [1,6, 7]. Основной
Глава 9 Основы радиационной безопасности
313
физической величиной, определяющей степень радиационного
воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения
D — отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим
излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества
в этом объеме:
D = IW/dm. (9.5)
Единица поглощенной дозы в СИ — грей (Гр). Грей равен
поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу
массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж,
т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг.
Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего
излучения является рад1. Рад равен поглощенной дозе
ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается
энергия ионизирующего излучения 100 эрг. Таким образом, 1рад =
= 0,01 Гр.
Поглощенная доза ионизирующего излучения является мерой
ожидаемых последствий облучения объектов как живой, так и
неживой природы. Она не зависит от вида ионизирующего излучения
(а, (3, у, X, п и др.) и его энергии, но для одного и того же вида и
энергии излучения зависит от вида вещества. Поэтому, когда
говорят о поглощенной дозе, необходимо указывать, к какой среде это
относится: к воздуху, воде или другой среде. Например, между
поглощенной дозой в мягкой биологической ткани (мышцах) условного
человека2 — «тканевой дозой» DT и поглощенной дозой з воздухе
DB существует следующее соотношение:
DT= 1,09 - ?>в. (9.6)
В повседневной жизни человек подвергается хроническому
облучению естественными и искусственными источниками
ионизирующих излучений в малых дозах. Установлено, что в этом случае
биологический эффект облучения зависит от суммарной поглощенной
энергии и вида (качества) излучения. По этой причине для оценки
радиационной безопасности при хроническом облучении человека в
малых дозах, т.е. дозах, не способных вызвать лучевую болезнь,
используется эквивалентная доза ионизирующего излучения Ят —
' Рад — аббревиатура слов «радиоабсорбированная доза», наименование и
обозначение одинаково.
2 Массовый состав условного человека, %: водород — 10,1, углерод — 11,1, азог —
2,6, кислород — 76,2
314 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
произведение «тканевой дозы» (дозы на орган) DTHa взвешивающий
коэффициент wR для излучения R:
Н= wRDT. (9.7)
При этом доза на орган — средняя поглощенная доза в
определенной ткани или органе человеческого тела задается в виде
D=—\Ddm, (9.8)
т
т
где тТ — масса ткани или органа; D — поглощенная доза в
элементе dm.
_Если в пределах органа или ткани D = const, то DT= D или DT =
= W/m1, где W — средняя энергия, поглощенная массой тт.
Если поле излучения состоит из нескольких излучений с
различными значениями wR, то эквивалентная доза определятся в виде
"т = 5>/А- 0-9)
R
Единица эквивалентной дозы в СИ — зиверт (Зв). Зиверт равен
эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы
в биологической ткани стандартного состава на взвешивающий
коэффициент wRравно 1 Дж/кг. Следовательно,
1 Зв =1 Tp/wR. (9.10)
Взвешивающие коэффициенты wR для отдельных видов
излучения при расчете эквивалентной дозы:
Фотоны, электроны и мюоны любых энергий 1
Нейтроны в зависимости от энергии 5...20
Протоны с энергией более 2 МэВ 5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра 20
Внесистемной единицей эквивалентной дозы ионизирующего
излучения является бэр1. Бэр равен эквивалентной дозе, при которой
произведение поглощенной дозы в биологической ткани
стандартного состава на взвешивающий коэффициент wR равно 100 эрг/г.
Таким образом, 1 бэр = 0,013в = 1рад/а'я. Безразмерная единица
коэффициента wrb СИ — зиверт на грей (Зв/Гр), во внесистемных
единицах — бэр на рад (бэр/рад).
1 Бэр — аббревиатура слов «биологический эквивалент рада» (первоначально —
реттена), наименование и обозначение одинаково.
Глава 9. Основы радиационной безопасности
315
Разные органы или ткани человека могут облучаться
неравномерно, причем они имеют разную чувствительность к облучению
(радиочувствительность). Например, при одинаковой
эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в
щитовидной железе, а облучение гонад (половых желез) особенно опасно
из-за риска генетических повреждений. Для учета указанных
обстоятельств введена эффективная доза ионизирующего излучения
Е — величина, используемая как мера риска возникновения
отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его
органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет
собой сумму произведений эквивалентной дозы НТ в органе или
ткани Т за время т на соответствующий взвешивающий
коэффициент wTnnn данного органа или ткани:
т
Единицы эффективной дозы совпадают с единицами
эквивалентной дозы. Взвешивающий коэффициент wT равен отношению
стохастического (вероятностного) риска смерти гт в результате
облучения 7-го органа или ткани к риску смерти V гт от равномерного
г
облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах:,
wT = гг/]Г гт. (9.12)
т
Таким образом, дагопределяет весовой вклад данного органа или
ткани в риск неблагоприятных последствий при равномерном
облучении человека. При этом
5>г=1. (9.13)
т
Поскольку при равномерном облучении тела эквивалентная доза
в каждом органе или ткани одна и та же, т.е. Нт - Н, то в этом
случае Е - Н.
Взвешивающие коэффициенты шу-позволяют выравнять риск
облучения независимо от того, облучается все тело равномерно или
неравномерно. Следовательно, эффективная доза при
неравномерном по органам и тканям облучении равна такой эквивалентной дозе
при равномерном облучении организма, при которой риск
неблагоприятных последствий будет таким же, как и при данном
неравномерном облучении.
316 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Взвешивающие коэффициенты wT для тканей и органов при
расчете эффективной дозы:
Гонады 0,20
Костный мозг (красный), толстый кишечник, легкие, желудок . ... 0,12*
Мочевой пузырь, грудная железа, печень', пищевод, щитовидная железа 0,05*
Кожа, клетки костных поверхностей 0,01*
Остальное 0,05
Сумма 1,00
* Для каждого органа.
В рубрику «остальное» входят надпочечники, головной мозг,
верхний отдел толстого кишечника, тонкий кишечник, почки,
мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая
железа и матка.
Поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы
характеризуют меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума.
Эти величины являются индивидуальными дозами.
Для оценки меры ожидаемого эффекта при облучении больших
групп людей, вплоть до целых популяций, используется
коллективная эффективная доза S — величина, определяющая полное
воздействие от всех источников на группу людей. Она представляет
собой сумму произведений средней эффективной дозы Е, для i-й
подгруппы большой группы людей на число людей N, в подгруппе:
S = J^E,N,. (9.14)
Единица коллективной эффективной дозы в СИ — человеко-зи-
верт (чел. • Зв), внесистемная единица — человеко-бэр (чел. ¦ бэр).
На практике до настоящего времени применяется
экспозиционная доза X фотонного излучения — это отношение суммарного
заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в сухом атмосферном
воздухе при полном торможении электронов и позитронов, которые
были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха с массой
dm, к массе воздуха в указанном объеме:
X = dQ/dm. (9.15)
Единица экспозиционной дозы в СИ — кулон на килограмм
(Кл/кг). Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при
которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в
воздухе массой 1 кг, производят в воздухе ионы, несущие
электрический заряд 1 Кл каждого знака.
Глава 9. Основы радиационной безопасности
317
Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген (Р).
Рентген — это единица экспозиционной дозы фотонного излучения,
которая в 1см3 сухого воздуха при температуре 0°С и давлении
760 мм рт.ст. (1013 гПа) приводит к образованию 2,08- 109 пар
ионов, несущих заряд в одну электростатическую единицу
электричества каждого знака.
Примечание. Такое количество пар ионов в 1 см воздуха создает точечный
источник радия-226 массой 1 г на расстоянии 1м за время экс-позиции (выдержки)
1 ч. Активность 1 г радия-226 составляет 1 Ки.
Соотношение внесистемной единицы и единицы экспозиционной
дозы в СИ имеет вид: 1 Р = 2,58 • Ю-4 Кл/кг.
Экспозиционная доза характеризует ионизационную
способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе, т.е. является
характеристикой поля фотонного, а не всех видов ионизирующего
излучения, причем только в диапазоне энергий от нескольких
килоэлектронвольт до ЗМэВ и только для воздуха. По этим причинам
экспозиционная доза и ее мощность (см. н*иже), а также все
внесистемные единицы (кюри, рад, бэр, рентген и др.) с 1.01.1990 г.
должны были быть изъяты из употребления. Однако в обращении
находится еще много приборов радиационного контроля, шкалы которых
проградуированы во внесистемных единицах — рентгенах, радах,
рентгенах в час, а также в кратных или дольных единицах
(например, в миллирентгенах или в микрорентгенах в час). Чтобы оценить
при этом поглощенную дозу в биологической ткани, следует знать,
что в условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р
соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,95 рад в
биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5%
экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в ткани в радах можно
считать совпадающими.
Примечание. В связи с изложенным иногда записывают, что 1 Р ~ 1 рад, но
это не совсем корректно, так как экспозиционная и поглощенная дозы — разные
физические величины.
Таким образом, соотношение между внесистемными единицами
экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз имеет вид
1 Р —> 1 рад = 1 бэр • wR. (9.16)
Здесь «—>» — знак соответствия.
Человек подвергается внешнему и внутреннему облучению,
однако полученную им дозу непосредственно измерить очень
трудно — в человека не вставишь измеритель дозы. Поэтому для опре-
318 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
деления дозы измеряют функционально связанные с ней
величины — мощность дозы, объемную и удельную активности и др. Так,
при внешнем облучении используют производную от дозы
величину — мощность дозы (уровень радиации).
Мощность дозы — отношение приращения поглощенной dD,
эквивалентной dH, эффективной dE и экспозиционной dX доз за
интервал времени dt к этому интервалу соответственно:
D = dD/dt, H = dH/dt, Е = dE/dt, X = dX/dt. (9.17)
Единицы мощности дозы — частное от деления единицы дозы
на единицу времени. Например, единица мощности эффективной
дозы в СИ — зиверт в секунду (Зв/с) и т.п.
Из (9.17) следует, что ожидаемая эффективная доза внешнего
облучения ?вн за время х (как и любая другая) находится с помощью
интегрирования по времени:
т
Em=JE(t)dt. (9.18)
о
Мощность дозы, создаваемая отдельным нуклидом, изменяется
по закону радиоактивного распада; см. (9.2)
E(t) = E0exp(-Xt), (9.19)
где E(t), E0 — мощность дозы в текущий и начальный моменты
времени соответственно; X — постоянная распада.
Для долгоживущих радионуклидов или при небольшом
промежутке времени х мощность дозы практически постоянна, т.е.
Е = const. Поэтому в этих случаях
Евн = Ex. (9.20)
Аналогичное соотношение справедливо и при среднем значении
мощности дозы ?ср за время т, например за год.
Внутреннее облучение обусловлено поступлением
радионуклидов в организм человека с воздухом, водой и пищей. Ожидаемая
эффективная доза внутреннего облучения при этом определяется из
уравнения
т т
^ = En\AK(t)dt + En\An(t)dt, (9.21)
о о
где Ли = AVV — активность радионуклида, поступившего в организм
с воздухом объемом V (ингаляционным путем) за время х, Бк;
Глава 9 Основы радиационной безопасности
319
Ап = Атт — активность радионуклида, поступившего в организм с
водой и пищей массой т (пероральным путем) за время х, Бк; Еи —
дозовый коэффициент — эффективная доза внутреннего облучения
при ингаляционном пути поступления, отнесенная к единице
активности, Зв/Бк; Еп — дозовый коэффициент — эффективная доза
внутреннего облучения при пероральном пути поступления,
отнесенная к единице активности, Зв/Бк.
9.5. Фоновое облучение человека
Развитие жизни на Земле всегда происходило в присутствии
естественного радиационного фона окружающей среды. Поэтому есть
все основания полагать, что живые организмы достаточно хорошо
приспособились к воздействию радиации при условии, что ее
уровень не слишком высок. По этой причине уровни облучения
человека от естественного фона служат основой для его сравнения с
облучением от искусственных источников радиации. Так,
установленные в настоящее время нормативы радиационной безопасности для
населения сравнимы с воздействием естественного фона [2, 4, б, 7].
Естественный фон обусловлен космическим излучением и
излучением естественно распределенных природных радиоактивных
веществ (в горных породах, почве, атмосфере, а также в тканях
человека). Естественный фон создает внешнее (—60%) и внутреннее
(-40%) облучение: внешнее — за счет воздействия на организм
излучений от внешних по отношению к нему источников (космическое
излучение и естественные радионуклиды в горных породах, почве,
атмосфере и др.); внутреннее — за счет воздействия на организм
излучений естественных радионуклидов, находящихся в организме
(калий-40) и радионуклидов семейства урана и тория (в основном
радон-222 и радон-220 — торон), поступающих в организм с
воздухом, водой и пищей.
Мощность дозы естественного фона зависит от высоты над
уровнем моря, широты места, активности Солнца, количества и вида
радионуклидов в горных породах и почве и их поступления в организм
человека с воздухом, водой и пищей. При этом многолетние средние
значения уровней естественного фона для определенного места
практически не изменяются, однако в разных районах они могут
существенно различаться (на 1-2 порядка и более). По данным за
1980—1981 гг. суммарная средняя индивидуальная эффективная
доза облучения от естественного фона на уровне моря для населения
нашей страны составляет 1 мЗв в год.
320 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Изменение человеком окружающей среды и его деятельность
привели к новой составляющей фонового облучения, обусловленной
естественными источниками, называемой техногенным
радиационным фоном от естественных радионуклидов. Примерами такой
деятельности являются: добыча полезных ископаемых,
использование строительных материалов минерального происхождения в
домостроении, применение минеральных удобрений, содержащих
радионуклиды уранового и ториевого рядов, сжигание ископаемого
топлива, в частности угля, приводящее к выбросу естественных
радионуклидов (радия-226,228, тория-232 и др.) и т.д Суммарная средняя
индивидуальная эффективная доза облучения человека за счет
техногенного радиационного фона от естественных радионуклидов
составляет 1,05 мЗв в год.
В конце семидесятых годов установлено, что наиболее весомым
из всех естественных источнике радиации является не имеющий
вкуса и запаха тяжелый газ радон-222 и его изотоп радон-220
(торон). Для удобства под радоном понимают оба указанных
изотопа. Высвобождаясь из земной коры, радон концентрируется в
наружном воздухе и в воздухе неизолированных помещений. Если
помещение изолировано, то радон поступает внутрь него,
просачиваясь через фундамент и пол из грунта (что существенно для
одноэтажных домов и первых этажей многоэтажных зданий) или, реже,
диффундируя из материалов, использованных в конструкции дома.
В зонах с умеренным климатом объемная активность
(концентрация) радона в закрытых непроветриваемых помещениях в среднем
в 8 раз выше, чем в наружном воздухе.
Средняя индивидуальная эффективная доза облучения от радона
и его дочерних продуктов составляет около 1,00 мЗв в год, т.е.
согласно современным оценкам около половины всей годовой дозы,
получаемой человеком в среднем от всех естественных источников
радиации. Основное воздействие радон оказывает на легкие.
Третья составляющая фонового облучения — искусственный
фон, обусловленный искусственными источниками, созданными
человеком. Наибольший вклад среди источников искусственного фона
принадлежит рентгенодиагностическому облучению в медицине, за
счет которого создается годовая эффективная доза 1,4 мЗв. Пример*,
но 2% дозы от искусственного фона формируется за счет
глобальных радиоактивных выпадений от испытательных взрывов ядерного,
оружия. Эксплуатация АЭС при нормальных режимах обуславч
ливает крайне низкие дозы облучения населения, значения
которых намного меньше флуктуации естественного фона.
Глава 9 Основы радиационной безопасности 321
Таким образом, средняя для населения нашей страны годовая
индивидуальная эффективная доза за счет всех источников
фонового облучения Е = 3,5 мЗв. Из них: за счет естественного фона
1,0 мЗв; за счет использования строительных материалов,
содержащих естественные радионуклиды, 1,05 мЗв; за счет рентгенодиаг-
ностического облучения в медицине 1,4 мЗв. При этом по статистике
на 1 млн человек естественный фон может быть причиной 12,5
случаев смерти в год от злокачественных опухолей, использование
строительных материалов с естественными радионуклидами —
17 случаев, рентгенодиагностика — 19 случаев.
\
9.6. Радиационные эффекты облучения людей
Первичным этапом — спусковым механизмом, инициирующим
многообразные физико-химические и биологические последствия
облучения живого организма, являются ионизация и возбуждение
атомов и молекул тканей биологического объекта. В конечном счете
воздействие радиации на живой организм осуществляется на
клеточном уровне и обладает очень высокой эффективностью [2, 3, 5,
10, 11]. Так, клетка теряет способность делиться, получив дозу, при
которой в клетке поражается только одна белковая молекула из
миллиона. В этом заключается так называемый радиобиологический
парадокс: ничтожная по значению энергия ионизирующего излучения
способна вызвать в организме человека серьезные последствия,
вплоть до летального исхода. Например, минимальная смертельная
для человека однократная доза, равная 6 Гр, соответствует
поглощенной энергии 6 Дж/кг. Если эту энергию подвести к человеку в
виде тепла, то она нагрела бы тело примерно на 0,001 °С. Такая
тепловая энергия заключена в стакане горячего чая'
Большая эффективность ионизирующих излучений объясняется,
по современным представлениям, тем, что при общем небольшом
значении энергия ионизирующего излучения концентрируется в его
отдельных частицах или квантах, действующих локально на
макромолекулы живых клеток, в том числе и на гигантские молекулы ДНК
(дезоксирибонуклеиновой кислоты), несущие в себе всю
генетическую информацию. Разрыв одной или обеих нитей молекулы ДНК
вследствие ее ионизации препятствует дальнейшему
воспроизводству нормальных клеток, что и приводит к гибели организма.
Следует иметь в виду, что действие одной и той же дозы
облучения зависит от времени ее накопления. Если время большое, то
общее поражающее действие меньше, чем при однократном облуче-
11-4910
322 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
нии суммарной дозой. Кроме того, это действие, за исключением
случаев, когда оно вызывает необратимые генетические изменения,
частично блокируется восстанавливающими реакциями организма.
Некоторая часть населения (возможно, значительная) может
быть подвергнута, кроме фонового облучения, облучению в
результате аварий на предприятиях ядерного топливного цикла (например,
на АЭС) и в других случаях. При внешнем облучении на человека
воздействует фотонное излучение от струи выброса или
радиоактивного облака, а также от радионуклидов, выпавших на поверхность
Земли и на окружающие предметы. Кроме того, попадание
значительного количества альфа- и бета-частиц на кожу вызывает
радиационные ожоги. Внутреннее облучение обусловлено поступлением
радионуклидов в организм ингаляционным (при вдыхании) и перо-
ральным (при заглатывании с водой и пищей) путями.
При воздействии на организм человека ионизирующая радиация
может вызвать два вида эффектов: детерминированные пороговые и
стохастические беспороговые эффекты. Детерминированные
эффекты (нестохастические соматические1) — биологические
эффекты излучения, в отношении которых предполагается существование
дозового порога (0,5.. 1 Гр), выше которого тяжесть эффекта
зависит от дозы К детерминированным эффектам относятся- острая и
хроническая лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта,
лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др. Эти эффекты
оцениваются значениями поглощенной дозы.
1. Острая лучевая болезнь (ОЛБ) проявляется как при
внешнем, так и при внутреннем облучении. В случае однократного
равномерного внешнего фотонного облучения ОЛБ возникает при
поглощенной дозе D ~> 1 Гр и подразделяется на четыре степени: I —
легкую (D = 1...2 Гр), II — среднюю (D = 2...4 Гр), III — тяжелую
(D = 4...6 Гр) и IV — крайне тяжелую (D > 6 Гр).
Первичные симптомы ОЛБ — тошнота и рвота. При легкой
степени ОЛБ смертельные исходы отсутствуют. При средней — в 20%
случаев возможен смертельный исход через 2-6 недель после
облучения. При тяжелой — в 50% случаев возможен смертельный исход
в течение месяца (30 дней) после облучения; доза, приводящая к
тяжелой степени ОЛБ, называется средней летальной дозой и
обозначается ЛД5о(30). Однократная доза 6 Гр и более является
абсолютно смертельной — в 100% случаев наступает смерть от крово-
1 Греч, soma — тело.
Глава 9 Основы радиационной безопасности
323
излияний или от инфекционных заболеваний вследствие потери
иммунитета. Приведенные данные относятся к случаю, когда
отсутствует лечение. В настоящее время имеется ряд противолучевых
средств (радиопротекторов) и накоплен опыт комплексного лечения
острой лучевой болезни, позволяющий исключить смертельный
исход при дозах около 10 Гр.
2. Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) формируется
постепенно при длительном облучении дозами, значения которых ниже доз,
вызывающих ОЛБ, но выше предельно допустимых для
профессионального облучения Она может возникнуть как при общем
(внешнем или внутреннем) облучении всего тела, так и при
преимущественном поражении отдельных органов. Период формирования ХЛБ
совпадает со временем накопления дозы облучения. Признаки
ХЛБ (уменьшение числа лейкоцитов, малокровие и др.)
неспецифичны и встречаются при болезнях, развивающихся вследствие
других причин. Отдаленными последствиями ХЛБ могут быть лейкоз,
опухоли и другие заболевания, приводящие к летальному исходу
через 10...25 лет после облучения.
3. Локальные лучевые повреждения характеризуются
длительным течением заболевания и могут приводить к лучевым ожогам и
некрозу (раку) кожи, помутнению хрусталика глаз (лучевой
катаракте) и др. Локальное облучение отдельных участков тела или
отдельных органов вызывает заведомо более мелкие общие
последствия, зависящие от степени поражения наиболее
радиочувствительных органов (половых желез — гонад, костного мозга, селезенки).
На этом базируется лучевая терапия рака, когда локально
расположенные опухоли облучают большими дозами (10...102 Гр), а человек
затем переносит лучевую болезнь в легкой форме.
Стохастические (вероятностные) эффекты — это
биологические эффекты излучения, не имеющие дозового порога.
Принимается, что вероятность этих эффектов пропорциональна дозе, а тяжесть
их проявления не зависит от дозы. Основными стохастическими
эффектами являются канцерогенные (злокачественные опухоли,
лейкозы — злокачественные изменения кровообразующих клеток) и
генетические (наследственные болезни, обусловленные генными
мутациями) эффекты. Оцениваются они значениями эффективной
(эквивалентной) дозы. Поскольку стохастические эффекты имеют
вероятностную природу и длительный латентный (скрытый) период,
измеряемый десятками лет после облучения, они трудно
обнаруживаемы.
\Т
324 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
9.7. Нормирование радиационного облучения
Принятые в нашей стране в 1996 г. Нормы радиационной
безопасности НРБ-96 (в дальнейшем Нормы) основаны на
рекомендациях Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ),
в соответствии с которыми для обеспечения радиационной
безопасности при нормальной эксплуатации источников ионизирующего
излучения необходимо руководствоваться следующими основными
принципами.
Принцип нормирования — непревышение допустимых
пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников
ионизирующего излучения [1,2, 10].
Принцип обоснования — запрещение всех видов деятельности
по использованию источников ионизирующего излучения, при
которых полученная для человека и общества польза не превышает риск
возможного вреда, причиненного дополнительным к естественному
радиационному фону облучением.
Принцип оптимизации — поддержание на возможно низком и
достижимом уровне с учетом экономических и социальных факторов
индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при
использовании любого источника ионизирующего излучения (ИИ).
В нормальных условиях эксплуатации источников ИИ Нормами
установлены следующие категории облучаемых лиц:
¦ персонал — лица, работающие с техногенными источниками
ИИ (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их
воздействия (группа Б);
• все население, включая лиц из персонала, вне сферы и
условий их производственной деятельности.
Для указанных категорий облучаемых лиц приняты три класса
нормативов:
• основные дозовые пределы — предел годовой эффективной
или эквивалентной дозы (ПГД) — значение эффективной или
эквивалентной дозы, которая не должна превышаться за год (табл. 9.2);
• допустимые уровни монофакторного воздействия (т е. для
одного вида внешнего излучения или для одного радионуклида,
одного пути поступления радионуклида в организм), являющиеся
производными от основных дозовых пределов: допустимая мощность дозы
внешнего облучения, пределы годового поступления, допустимые
среднегодовые объемные и удельные активности и т.д.;
• контрольные уровни (дозы) — устанавливаются
администрацией учреждения по согласованию с органами Госсанэпиднадзора;
Глава 9 Основы радиационной безопасности
325
их численные значения должны учитывать достигнутый в
учреждении уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия,
при которых радиационное воздействие будет ниже достигнутого.
Таблица 9 2
Нормируемая
величина
Эффективная доза
Эквивалентная доза за год
в хрусталике глаза
коже, кистях и стопах
Дозовые пределы (ПГД)
Лица из персонала
(группа А)*
20 мЗв в год в среднем
за любые
последовательные 5 лет,
но < 50 мЗв/г
150 мЗв
500 мЗв
Лица из населения
1 мЗв в год в среднем
за любые
последовательные
5 лет, но < 5 мЗв/г
15 мЗв
50 мЗв
Для лиц группы Б все дозовые пределы не должны превышать 0,25 дозовых
пределов для группы А
Основные дозовые пределы облучения лиц из персонала и
населения не включают в себя дозы от природных источников ИИ, на
которые практически невозможно влиять (космическое излучение
на поверхности Земли и облучение, создаваемое содержащимся в
организме человека калием-40), от медицинских источников ИИ и
дозу вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения
устанавливаются специальные ограничения. Соблюдение предела
годовой дозы предотвращает возникновение детерминированных
эффектов, а вероятность стохастических эффектов сохраняется при
этом на приемлемом уровне.
Для каждой категории облучаемых лиц значение допустимого
уровня для данного пути облучения определено таким образом,
чтобы при таком уровне воздействия только одного данного
фактора облучения в течение года значение дозы, накопленной за год,
равнялось значению соответствующего дозового предела,
указанного в табл.9.2.
Значения допустимой мощности дозы (ДМД) при внешнем
облучении всего тела от техногенных источников представлены в
табл. 9.3.
Таблица 93
Назначение помещений
Помещения постоянного пребывания лиц из персонала
Жилые помещения и территории, где постоянно находятся
лица из населения
ДМД, мкГр/ч
10
0,1
326 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Значения допустимых уровней внутреннего облучения лиц из
населения: пределов годового поступления (ПГП), а также допустимых
среднегодовых объемных (ДОА) и удельных (ДУА) активностей для
некоторых радионуклидов представлены в табл. 9.4,
Таблица 9 4
Радионуклид,
Tl/2
Sr-90,
28,1 года
1-131,
8,04 сут.
Cs-137,
30,2 года
Pu-239,
2,4 + 4 года
Ин
Дозовый
коэффициент
Си,
Зв/Бк
2,4 Ю-8
7,6 Ю-9
4,8 • Ю-9
4,7 • Ю-5
-аляционный
Предел
годового
поступления
ПГПнас,
Бк/год
4,2- 104
1,3- 105
2,1 • 105
2,1 101
путь
Допустима
объемная
активность
ДОАнас,
Бк/м3
5,7
1,8- 10
2,9- 10
2,9 • Ю-3
Пероральный
Дозовый
коэффициент
Зв/Бк
2,8- 10~8
2,2-Ю-8
1,3- Ю-8
2,5 Ю"7
Предел
годового
поступления
ПГПнас,
Бк/год
3,6- 104
4,5 ¦ 10*
7,7- 10*
4,0- 103
ггуть
Допустимая
удельная
активность
ДУАнас,
Бк/кг
4,5- 10
5,7 • 10
9,6- 10
5,0
Годовая эффективная доза облучения Е, Зв, равна сумме
эффективной дозы внешнего облучения ?вн, накопленной за календарный
год, и ожидаемой эффективной дозы внутреннего облучения Евнут,
обусловленной поступлением в организм за этот же период:
Е = Евн + EBHyv (9.22)
т
где ?вн = J E(t)dt ~ ECpt; ?rp — среднегодовое значение мощности
дозы, ЗВ/с;
внут
= ll(El«niil + E,„n„
-Хт
Я, — постоянная распада /-го радионуклида, с-1; Еш, Еш —дозовые
коэффициенты для г'-го радионуклида при ингаляционном и перо-
ральном путях поступления, Зв/Бк; П1И = AVlV— годовое
поступление i-ro радионуклида (численное значение активности i-ro
радионуклида), проникшего внутрь организма ингаляционным путем,
Бк; /7Ш = AmiM — то же для перорального пути, Бк; A Vl — объемная
активность г'-го радионуклида, Бк/м3; Аш — удельная активность
i-ro радионуклида, Бк/кг; т — интервал времени для определения
значения ожидаемой эффективной дозы, равный 50 годам для лиц
Глава 9 Основы радиационной безопасности
327
из персонала и 70 годам для лиц из населения; t, V, М —
стандартные значения времени облучения, объема воздуха и массы воды и
пищи (рациона), с которыми радионуклид попадает в организм на
протяжении календарного года. Для лиц из персонала установлены
следующие значения стандартных параметров: ?перс = 1700 ч =
= 1 • Ю5 мин = 6,1 • 106 с, Уперс = 2,5 • 106 л в год = 2,5 • 103 м3 в
год, Мперс= 0. Для лиц из населения: tH3z= 8800 ч = 5,3 • 105 мин
= 3,2- 107с, 1/нас = 7,3- 106лвгод = 7,3- 103м3в год, Мнас = 800 кг.
При одновременном воздействии источников внешнего и
внутреннего облучения должно выполняться условие, чтобы отношение
годовой дозы внешнего облучения ?вн к пределу годовой дозы ПГД
и отношение годовых поступлений нуклидов ингаляционным путем
Пт и пероральным путем Пт к их годовым пределам ПГПШ и ПГП,П
в сумме не превышали 1:
¦Е-
Г /7,„ Л.„ ^
ПГД
ПГП,„ ПГП.,
< 1. (9.23)
В аварийных ситуациях для персонала и лиц, привлекаемых для
проведения аварийных и спасательных работ, может быть
разрешено планируемое повышенное облучение, которое выше
установленных дозовых пределов (см. табл. 9.1). Повышенное облучение
допустимо только в тех случаях, когда нет возможности его исключить
и может быть оправдано лишь спасением людей, предотвращением
дальнейшего развития аварии и облучения большого числа людей.
Повышенное облучение допускается только для мужчин старше
30 лет и только при их добровольном письменном согласии после
информирования о возможных дозах облучения при ликвидации
аварий и риске для здоровья.
Планируемое повышенное облучение в дозе не более 100 мЗв в
год допускается с разрешения территориальных органов
Госсанэпиднадзора, а облучение в дозе не более 200 мЗв в год — только с
разрешения Госсанэпиднадзора России.
9.8. Методы и средства контроля
радиационной обстановки
Для регистрации ионизирующих излучений и измерения их
параметров используются приборы, основанные на
ионизационном, сцинтилляционном, люминесцентном, фотографическом,
химическом и других методах [4, 6, 81.
328 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
При ионизационном методе под воздействием излучения
ионизируется газовая среда или кристаллы полупроводников и
диэлектриков, в результате чего резко увеличивается их
электропроводность.
При сцинтилляционном методе в некоторых органических или
неорганических веществах под воздействием ионизирующего
излучения возникают вспышки света — сцинтилляции
При люминесцентных методах в некоторых веществах под
воздействием излучения образуются центры люминесценции. При
освещении этих веществ ультрафиолетовым излучением либо при их
нагреве возникают различные оптические эффекты, в результате
которых изменяется интенсивность свечения (фотолюминесценция)
или цвет (термолюминисценция)
При фотографическом методе воздействие ионизирующего
излучения на фотоэмульсию приводит к эффекту, аналогичному от
воздействия видимого света — почернению фотоматериала
Поглощенная энергия излучения определяется по плотности почернения.
При химическом методе воздействие излучения на вещество
вызывает различные химические реакции, приводящие, например, к
изменению его окраски.
Прибор для обнаружения и измерения параметров
ионизирующего излучения состоит из детектора (лат detectio —
обнаружение) и измерительной аппаратуры. Веществом детектора может
быть газ, жидкость или твердое тело, что и дает соответствующее
название детекторам, газовые, жидкостные, твердотельные.
Приборы радиационного контроля классифицируют по:
назначению, типу детектора; виду регистрируемого излучения; способу
индикации, области применения и другим признакам.
По назначению приборы подразделяют на дозиметры,
радиометры, спектрометры и комбинированные приборы.
Дозиметры служат для измерения дозы излучения
(поглощенной, эквивалентной, экспозиционной) и (или) мощности
соответствующей дозы (уровня радиации).
Радиометры служат для измерения активности радионуклидов
в источнике, удельной, объемной и поверхностной активности
предметов окружающей среды и материалов (в том числе продуктов), а
также плотности потока ионизирующих излучений
Спектрометры служат для измерения распределения
ионизирующих излучений по энергии частиц или фотонов, массе и заряду
элементарных частиц с целью их идентификации.
Глава 9 Основы радиационной безопасности
329
?
±
Рис 9 1 Схема включения токовой ионизационной камеры в измерительную цепь
1,2 — электроды, 3 — измерительный прибор, 4 — источник питания
Достаточно широкое применение нашли приборы, основанные
на ионизационном и сцинтилляционном методах. Ионизационный
метод реализован в ионизационных камерах и в газоразрядных
счетчиках.
Ионизационная камера (рис. 9.1) — это в простейшем случае
газовый детектор, состоящий из двух параллельных металлических
пластин (электродов), пространство между которыми заполняется
воздухом или другим газом и является чувствительным объемом
детектора. К электродам камеры прикладывается некоторая разность
потенциалов от источника постоянного напряжения. В нормальных
условиях газ, заполняющий камеру, является изолятором, поэтому
в измерительной цепи ток отсутствует.
При ионизации газа в нем образуются электроны и
положительные ионы — газ становится электропроводным. Поскольку к
электродам приложена разность потенциалов, то электроны и ионы
будут двигаться к соответствующим электродам и в цепи возникнет
ток.
Суммарный ионизационный эффект, который создается большим
числом ионизирующих частиц, оценивают по среднему току i
(токовые камеры) или по изменению разности потенциалов At/ на
электродах за определенный промежуток времени (интегральные камеры).
В токовых камерах ток i пропорционален мощности поглощенной
дозы. В интегральных камерах изменение (уменьшение) разности
потенциалов At/ пропорционально поглощенной дозе излучения.
Рассмотрим принцип работы токовой камеры. Зависимость
ионизационного тока i от напряжения U на электродах, полученная
330 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
91
/,А I '
'н
Рис 9 2 Вольт амперная характеристика токовой ионизационной камеры
при постоянной мощности дозы излучения, называется
вольт-амперной характеристикой токовой камеры (рис 9 2) На участке / этой
характеристики значение ионизационного тока зависит от
напряжения на электродах Поэтому этот участок является нерабочим На
участке // значение ионизационного тока, называемого в этом
случае током насыщения iH, не зависит от напряжения, приложенного
к электродам, а определяется мощностью дозы ионизирующего
излучения Пропорциональная зависимость тока насыщения от
мощности дозы на участке // (этот участок называется «плато») и
используется в ионизационных токовых камерах Основной недостаток
ионизационных камер — низкое значение выходного сигнала, что
требует его усиления
С увеличением напряженности электрического поля
ионизационного детектора скорость дрейфа ионов, образованных первичным
ионизирующим излучением, будет возрастать Электроны,
обладающие небольшой массой по сравнению с массой положительно
заряженных ионов газа-наполнителя, будут с большей скоростью
двигаться к собирающему электроду (аноду) При достижении
определенной разности потенциалов кинетическая энергия ускоренных в
электрическом поле электронов достигнет значения, при котором
наступит ударная ионизация (III) Вновь образованные вторичные
электроны также будут ускоряться в электрическом поле и
производить ионизацию атомов газа-наполнителя В результате возникает
лавинный процесс — газовое усиление первичной ионизации
Коэффициент газового усиления, представляющий собой отношение
количества электронов, дошедших до анода, к количеству первичных
электронов, может достигать 106 107
Глава 9 Основы радиационной безопасности
331
Рис 9 3 Схема включения газоразрядного счетчика в измерительную цепь
/ — анод, 2 — катод
Ионизационные детекторы, в которых используется принцип
газового усиления, называются газоразрядными счетчиками
Конструктивно газоразрядный счетчик (рис 9 3) выполняется в виде
металлического или стеклянного, покрытого внутри слоем металла,
цилиндра, по оси которого натянута тонкая металлическая нить,
выполняющая роль анода Катодом служит металлический цилиндр
Выполнение анода в виде тонкой металлической нити позволяет
получить большое значение напряженности электрического поля у
поверхности анода, необходимое для создания условий ударной
ионизации при сравнительно небольшом напряжении на электродах
счетчика В качестве наполнителей внутренней полости счетчика
используются некоторые благородные газы, в частности аргон, неон
и др
Эффект газового усиления резко увеличивает чувствительность
газоразрядных счетчиков по сравнению с ионизационными
камерами и позволяет регистрировать отдельные частицы При попадании
в рабочий объем счетчика ионизирующих частиц в измерительной
цепи на сопротивлении анодной нагрузки R возникают импульсы
напряжения, частота которых пропорциональна мощности
поглощенной дозы, а их количество за определенный промежуток времени
соответствует дозе излучения Эти параметры отображаются
регистрирующим устройством в аналоговой или цифровой форме,
которое называется газоразрядным счетчиком Гейгера — Мюллера
Рассмотрим принцип действия сцинтилляционного счетчика
(детектора), принципиальная схема которого изображена на
рис 9 4 Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом
сцинтиллятора /, вызывает в нем вспышки света Некоторая часть
фотонов света через светопровод 2 попадает на фотокатод 3
фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и вырывает из него фотоэлектроны
Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму 4 и уско-
332 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
1 2\ Зч 4
Рис 9 4 Принципиальная схема сцинтиляционного детектора
ряются электрическим полем, существующим между умножающими
электродами (динодами) 5. Каждый ускоренный электрон, тормозясь
в диноде, выбивает из него несколько вторичных электронов,
которые благодаря специальной геометрии динода направляются на
последующий динод. Поток электронов собирается на последнем
диноде 6, называемом анодом. Питание ФЭУ осуществляется от
источника высокого стабилизированного напряжения с делителем 8.
Таблица 9 5
Наименование
прибора
Диапазон измерения
дозы гамма-
излучения для
населения, мкЗв/ч
Детектор
Индикация
Габариты, мм
Масса, г
ИМД-70
ИР-03(СИМ-07).
«Белла-2»,
ДБГ-01Н
АНРИ-01,
«СОСНА»
РКСБ-104 (имеет
режим оценки
плотности потока
бета-частиц)
0,2 1000
Режим
¦ИЗМЕРЕНИЕ»
0,1 100 Режим
«ПОИСК» 0,1 1000
0,1 100 Оценка
объемной
активности
j 5 t <">2 ч i <">3
0,1
удельной
активности
2 103 2 106 Бк/кг
10z 3 \0Л Бк/л
00 Оценка
Газоразрядный
счетчик
СМБ-20
2
газоразрядных
счетчика
СМБ-20
4 газораз
рядных
счетчика
СМБ-20
2
газоразрядных
счетчика
СМБ-20
Стрелочная.
звуковая
на каждый
импульс
Цифровая,
звуковая
(световая)
на каждый
импульс
Цифровая,
звуковая
на каждый
импульс
Цифровая,
звуковая
(31 порог
сигнализации)
140X70X37
280
150X66X36
280
132 х 82 х 45
300
154X77X38
400
Глава 9 Основы радиационной безопасности
333
В цепь анода 6 включается сопротивление нагрузки 7, на котором
формируется импульс напряжения Коэффициент умножения ФЭУ
лежит в пределах 105...106. Таким образом, с помощью сцинтилля-
ционного детектора можно измерить поглощенную дозу (по
количеству импульсов за определенное время) и ее мощность (по частоте
следования импульсов).
Описанные методы и принципы работы измерителей параметров
ионизирующих излучений используются в приборах,
предназначенных для персонала. В приборах для населения в качестве детекторов
применяются газоразрядные счетчики (табл. 9.5).
Показания дозиметрического прибора от измерения к
измерению могут значительно отличаться, особенно при измерении малых
значений, так как радиоактивный распад — процесс вероятностный.
Поэтому для получения более достоверного результата
рекомендуется проводить измерения несколько раз. В качестве результата
измерения принимают среднее значение т измерений (т = 3. 10 раз)
Кроме того, следует учитывать, что дозиметрические приборы для
населения обеспечивают измерения или оценку мощности дозы
внешнего гамма-излучения и практически не чувствительны к
альфа-, бета- и нейтронному излучениям, а также к «мягкому»
рентгеновскому и тормозному излучениям (цветного телевизора,
цветных дисплеев компьютеров, рентгеновских установок с ускоряющим
напряжением на трубке менее 60...80 кВ и др ).
9.9. Прогнозирование радиационной обстановки
при ядерных катастрофах
При ядерных авариях и катастрофах на предприятиях ядерного
топливного цикла и при ядерных взрывах необходимо решать ряд
задач по прогнозированию и оценке радиационной обстановки [6, 9].
Основные задачи рассматриваются ниже.
Определение (уточнение) закона спада уровня радиации
При делении ядерного топлива в реакторах и ядерных зарядах
образуется несколько сотен радионуклидов с периодами полураспада
от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Поэтому в случае
ядерных взрывов и аварий из радиоактивного облака на землю
выпадает смесь радионуклидов, состав которой с течением времени
изменяется как вследствие естественного распада радиоактивных
веществ, так и вследствие образования новых нуклидов при ядерных
превращениях
334 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
В общем случае при неизвестном нуклидном составе закон
спада уровня радиации (рис. 9.5) описывается уравнением
?>(0 = Ьисх(Шисх)- (9.24)
где t, tmx — текущий и исходный моменты времени; D(t), ?)исх —
соответствующие им уровни радиации (мощности дозы); п —
показатель спада уровня радиации.
Исходное время установившегося процесса спада уровня
радиации при ядерной аварии в общем случае неизвестно, а для аварии
на Чернобыльской АЭС tmx = 15 сут. после аварии; при ядерном
взрыве ?исх = 1 ч после взрыва.
Закон спада уровня радиации можно записать и так:
Dt2 = Dti {t2/txy«, (9.25)
где Dt2, Dn — уровни радиации в моменты времени th t2
соответственно, t2 > tx > гисх.
Ввиду указанных выше причин значение п после
установившегося процесса спада уровня радиации необходимо определить и
периодически уточнять по измеренным значениям Ьп и ?>(9, используя
следующее соотношение:
Я= ,1 ' Ч (9.26)
Для прогнозирования радиационной обстановки до момента
загрязнения данной местности могут быть приняты следующие
значения п:
• при ядерной аварии п - 0,5;
• при ядерном взрыве п = 1,2.
Определение ожидаемой поглощенной дозы внешнего гамма-
облучения. Доза облучения на открытой местности за время
х= t2 ~ tl (см. рис. 9.5) может быть определена из уравнения
Dx = J D(t)dt - —j- (btt2 - Dtt\ n*l. (9.27)
'i
При использовании защитных средств происходит ослабление
облучения, и доза внешнего гамма-облучения рассчитывается по
формуле
где Косл — коэффициент ослабления облучения.
Глава 9 Основы радиационной безопасности
335
Рис 9 5 К определению дозы облучения
Определение допустимого времени пребывания людей на
местности, загрязненной радиоактивными веществами, при
допустимой (заданной) дозе облучения ?)доп (рис. 9.6).
Из рис. 9.6 следует, что допустимое время
\оп= tK~tH, (9.29)
где tH, tK — время начала (известное, прошедшее после аварии или
взрыва) и окончания пребывания людей на загрязненной
территории:
_i
1-я
-) (9.30)
-'¦(
1 +
Г) К
доп осд
1
1
DJ»
Подставив найденное значение tK в (9.29), получим искомое
время тдоп.
Определение времени входа на загрязненную территорию
(возобновления работы, проживания) при заданных значениях дозы
облучения и продолжительности работы. Такая задача возникает,
если продолжительность работы т3 при допустимой (заданной) дозе
Daon больше допустимого времени пребывания тдоп (см. рис. 9.6).
В этом случае время входа на загрязненную территорию может быть
определено по формуле
1
t„~(t,}-"-T,l-" + Го'-'Л1-", (9.31)
ще Tx = tH(D4xam/DaonKOCR
1/и
; T2 = tH(DHb/DaonKol
1/и
336 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
0(1)
Рис 9 6 К определению тдоп и /вх
При внешнем гамма-облучении известным радионуклидом
закон спада уровня радиации аналогичен закону радиоактивного
распада
D(t) = D0e",
(9 32)
где D(t), D0 — мощность поглощенной дозы для текущего и
исходного U = 0) моментов времени соответственно, X = \п2/Т{/2 —
постоянная распада радионуклида, Tj/2— период полураспада
Отсюда ожидаемая поглощенная доза внешнего фотонного
облучения за время т = t2 - tl (см рис 9 5) определяется из
уравнения
D
Dx = \b(t)dt = D0 J e~x4t = -y(l -e-
¦At
(9 33)
Из (9 33) следует, что (см рис 9 6) допустимое время
пребывания на загрязненной территории
= 2.1 1
Тяоп^п1-^яоп/д
о
время входа на загрязненную территорию
1 , А
*„. =¦
X \D„
1 -е"Лтз
(9 34)
(9 35)
Глава 9 Основы радиационной безопасности
337
9.10. Защита населения от ионизирующих излучений
В настоящее время радиоактивное загрязнение окружающей
среды обусловлено в основном деятельностью предприятий ядерного
топливного цикла (ЯТЦ) Для максимального снижения доз
облучения и охраны окружающей среды для каждого предприятия ЯТЦ при
работе в нормальных условиях нормативными актами
устанавливаются санитарно-защитная зона и зона наблюдения [1, 2, 4, 7]
Санитарно-защитная зона (СЗЗ) — территория вокруг
предприятия или источников радиоактивных отходов, поступающих во
внешнюю среду, на которой уровень облучения может превысить
предел годовой дозы для лиц из населения (ПГДнас) В СЗЗ
устанавливается режим ограничений запрещается размещение жилых
зданий, детских и лечебно-оздоровительных учреждений и других
объектов, не относящихся к деятельности предприятия Размеры СЗЗ
определяются для каждого конкретного предприятия в зависимости
от его типа и мощности, а также от климатических,
метеорологических, топографических и других условий Так, радиус СЗЗ для
АЭС может быть равен 3 5 км
Зона наблюдения (ЗН) — территория, где возможно влияние
радиоактивных газоаэрозольных выбросов и жидких сбросов
учреждений и где облучение может достигать ПГДнас Минимальный
радиус ЗН для АЭС должен быть не менее 30 км
На территориях СЗЗ и ЗН проводится радиационный контроль,
который включает в себя контроль загрязнения атмосферного
воздуха, почвы, растительности, воды открытых водоемов, продуктов
питания и кормов местного производства
Наиболее опасным элементом ЯТЦ является ядерный реактор в
составе атомной станции По данным Международного агентства по
атомной энергии (МАГАТЭ) за период с 1971 по 1985 г в 14 странах
мира на АЭС имели место более 150 аварий различной тяжести По
этим же данным причиной аварий являлись
Ошибки в проектах, дефекты, % 30,7
Износ оборудования, корро^шонные процессы, % 25,5
Ошибки оператора, % 17,5
Ошибки в эксплуатации, % 14 7
Прочие % 116
В результате аварийного выброса радионуклидов в атмосферу
возможны следующие виды радиационного воздействия на
население (в порядке очередности)
338 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
1) внешнее у-облучение при прохождении радиоактивного
облака;
2) внутреннее а-, {3-облучение при вдыхании радиоактивных
аэрозолей продуктов деления;
3) контактное а-, Р-облучение вследствие радиоактивного
загрязнения кожных покровов и одежды;
4) внешнее у-облучение, обусловленное радиоактивным
загрязнением поверхности земли, зданий, сооружений и т.п.;
5) внутреннее а-, Р-облучение в результате потребления
загрязненных продуктов питания и воды.
На людей, находящихся вблизи реактора (персонал,
ликвидаторы), действует еще и внешнее нейтронное облучение.
Нуклидный и количественный состав выброса зависит от многих
факторов. При аварии на Чернобыльской АЭС наиболее дозообра-
зующими радионуклидами стали Р-, у-излучатели йод-131
(7*1/2 = 8,04 сут.) и цезий-137 (7"i/2 = 30,2 года), а также «чистый»
Р-излучатель стронций-90 (Т1/2= 28,1 года) и очень долгоживущий
сс-излучатель плутоний-239 (Т1/2 = 2,4 • 104 лет).
При организации защиты от ионизирующей радиации следует
учитывать разную проникающую способность излучений разных
видов. Так, сс-частицы обладают настолько малой проникающей
способностью, что их поглощает даже лист бумаги. Проникающая
способность Р-частиц несколько больше, однако свинцовая пластинка
толщиной более 1 мм их полностью поглощает. Наибольшей
проникающей способностью обладают фотоны (у-излучение) и нейтроны,
поскольку они не имеют электрического заряда. Их проникающая
способность зависит от энергии излучений.
Для защиты от у-излучения используются материалы, имеющие
большой атомный номер (например, свинец), а от потока
нейтронов — водородосодержащие материалы (вода, полиэтилен,
парафин, каучук и др.).
В зависимости от складывающейся обстановки для защиты
населения от радиационного воздействия применяют:
• временное укрытие в домах и убежищах (стены деревянного
дома ослабляют ионизирующее излучение в 2 раза, а кирпичного —
в 10 раз; подвалы с деревянным покрытием — в 7 раз, а с кирпичным
или бетонным — в 40. 100 раз);
• максимально возможную герметизацию помещений (плотное
закрытие дверей, окон, дымоходов и вентиляционных отверстий),
которая препятствует проникновению в помещение радиоактивных
веществ с воздухом;
Глава 9 Основы радиационной безопасности
339
• лекарственные препараты, препятствующие накоплению
биологически опасных радионуклидов в организме (например, йодная
профилактика — прием внутрь препаратов стабильного йода);
• защиту органов дыхания с помощью противогазов,
респираторов или подручных средств (например, защитная эффективность
мужского носового платка, свернутого в 16 слоев, равна 17, а двух
слоев туалетной бумаги — 12);
¦ эвакуацию населения;
• регулирование и ограничение доступа в район загрязнения;
• санитарную обработку людей в случае радиоактивного
загрязнения их одежды и кожных покровов;
¦ простейшую обработку поверхностно загрязненных продуктов
питания (обмыв, удаление поверхностного слоя и др.);
• исключение или ограничение употребления в пищу
загрязненных продуктов питания;
¦ перевод молочнопродуктивного скота на незагрязненные
пастбища или фуражные корма;
• дезактивацию загрязненной местности;
• переселение.
Принятие решений о мерах защиты населения в случае крупной
радиационной аварии с радиоактивным загрязнением территории
производится на основании сравнения прогнозируемой дозы,
предотвращаемой защитным мероприятием, с уровнями А и Б,
приведенными в табл. 9.6-9.8. Если уровень облучения, предотвращаемого
защитным мероприятием, не превосходит уровня А, нет
необходимости в выполнении мер защиты, связанных с нарушением
нормальной жизнедеятельности населения, хозяйственного и социального
функционирования территории. Если предотвращаемое защитным
мероприятием облучение превосходит уровень А, но не достигает
уровня Б, решение о выполнении мер защиты принимается по
принципам обоснования и оптимизации с учетом конкретной обстановки
и местных условий. Если уровень облучения, предотвращаемого
защитным мероприятием, достигает и превосходит уровень Б,
необходимо выполнение соответствующих мер защиты, даже если они
связаны с нарушением нормальной жизнедеятельности населения,
хозяйственного и социального функционирования территории.
На поздних стадиях радиационной аварии, повлекшей за собой
загрязнение обширных территорий долгоживущими
радионуклидами, решения о защитных мероприятиях принимаются с учетом
сложившейся радиационной обстановки и конкретных
социально-экономических условий.
340 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 96
Мера защиты
Укрытие
Йодная профилактика
взрослые
дети
Эвакуация
* ТОЛЬКО ДЛЯ ЩИТОВИ^
Прогнозируемая доза за первые 10 суток, мГр
На все тело
Уровень А
5
—
—
50
тй железы
Уровень Б
50
—
—
500
Щитовидная железа,
легкие, кожа
Уровень А
50
250*
100*
500
Уровень Б
500
2500*
1000*
5000
Таблица 9 7
Мера защиты
Ограничение потребления
загрязненных продуктов
питания и питьевой воды
Отселение
Эффективная доза, мЗв
Уровень А
Уровень Б
5 за первый год и по 50 за первый год, по 10
одному в год в в год в последующие годы
последующие годы
50 за первый год 500 за первый год
1000 за все время отселения
Таблица 9 8
Мера защиты
Ограничение потребле
ния загрязненных про
дуктов питания в первый
год после аварии
Радионуклид
Йод 131, цезий 134,
Стронций 90
Содержание радионуклида в
пищевых продуктах, кБк/кг
Уровень А
1
0,1
Уровень Б
3
0,3
В 1990 г группой экспертов МАГАТЭ и Европейского агентства
по атомной энергии была предложена Международная шкала
ядерных событий (табл 9 9) в качестве средства оперативного
информирования общественности о значимости с точки зрения
безопасности событии, происходящих на ядерных установках Шкала
разделена на две большие части и включает семь уровней событий
Нижние три уровня (1-3) относятся к инцидентам, а верхние уровни
Таблица 9 9
Уровень события
7 Крупная авария (Черно
быльская АЭС, СССР,
1986 г)
6 Серьезная авария (ПО
«Маяк» СССР, 1957 г )
5 Авария с риском за преде
лами площадки (Уиндскейл,
Великобритания, 1957 г)
4 Авария без значительного
риска за пределами площад
ки (АЭС «Сен-Лоран», Фра
нция, 1980 г)
3 Серьезный инцидент (Си
бирский химический комби
нат, 1993 г)
2 Инцидент
1 Аномалия
0 Событие ниже шкалы,
отклонение
Событие, выходящее
за рамки шкалы
Критерии безопасности
Воздействие за пределами
площадки
Крупный выброс (по !311 —
более 104 ТБк) — обширные
последствия для здоровья и
окружающей среды
Значительный выброс (по
Щ _ от юз до 104 ТБк)
возможно требуется полное
осуществление
запланированных контрмер
Ограниченный выброс (по
I3if _ от 102 д<) 103 ТБк) _
возможно, требуется
частичное осуществление
запланированных контрмер
Незначительный выброс
облучение населения сравнимо с
установленными пределами
Очень малый выброс облуче
ние населения на уровне доли
установленных пределов
Воздействие на площадке
Тяжелое повреждение активной
зоны, радиологических барьеров
Значительное повреждение ак
тивной зоны, радиологических
барьеров, облучение персонала
со смертельным исходом
Крупное распространение за
грязнения, острые последствия
для здоровья персонала
Значительное расположение за
грязнения, переоблучение
персонала
Ухудшение
глубокоэшелонированной
защиты
Близко к аварии — не оста
лось уровней (эшелонов) за
щиты
Инциденты со значительным
нарушением мер обеспечения
безопасности
Отклонение от разрешенного
режима эксплуатации
Несущественно для безопасности
Не имеет отношения к безопасности
342 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
(4-7) — к авариям. События рассматриваются по трем критериям.
Первый критерий связан с количественной оценкой выброса
радиоактивных веществ во внешнюю среду, т.е. фиксирует наиболее
опасную сторону аварийной ситуации, затрагивающую непричастных к
объекту людей. Второй критерий характеризует обстановку на
самом объекте, имеющую отношение прежде всего к персоналу.
Третий критерий является показателем состояния технических систем
объекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-96): Гигиенические
нормативы. М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России,
1996.
2. Ядерная энциклопедия / Автор проекта, руководитель и главный
редактор А.А. Ярошинская. М.: Благотворительный фонд Ярошинской, 1996.
3. Радиация Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ. / Под ред. Ю.А.Банникова.
М.. Мир, 1990.
4. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. 4-е изд., пере-
раб. и доп М.. Энергоатомиздат, 1991.
5. Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной
гигиене. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990
6. Машкович В.П., Панченко AM. Основы радиационной безопасности:
Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.
7. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. Защита от ионизирующих излучений:
Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1995.
8. Поленов Б.В. Дозиметрические приборы для населения. М.:
Энергоатомиздат, 1991.
9. Защита от оружия массового поражения. 2-е изд., перераб. и доп. / Под
ред. В.В. Мясникова. М.: Воениздат, 1989.
10 Маргулис У.Я. Атомная энергия и радиационная безопасность. 2-е изд.,
перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988.
11. Холл Э.Дж. Радиация и жизнь: Пер. с англ. М.: Медицина, 1989.
BOOKS.PROEKTANT.ORG
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ
КОПИЙ КНИГ
для проектировщиков
и технических специалистов
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 343
Глава 10. ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ
В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
10.1. Экологическая опасность лесных пожаров
и технологических производств, связанных с горением
Возможность прогнозирования развития пожароопасной
ситуации, влияния ее на окружающую среду и своевременное принятие
решений, направленных на снижение опасности от возникновения
и развития пожара,'во многом зависит от информированности о:
наиболее вероятных стихийных бедствиях, авариях, технологических
катастрофах; данных о пожаро- и взрывоопасное™ объекта и его
элементов; окружающей среде, особенно лесах и населенных
пунктах; метеорологических условиях; рельефе местности; наличии
различных преград, водоисточников и др.
Основными видами пожаров как стихийных бедствий,
охватывающих, как правило, обширные территории (несколько сотен тысяч
и миллионов гектаров), являются ландшафтные, лесные (низовые,
верховые, подземные) и степные (полевые) пожары. Так, лесные
пожары в Западной Сибири в 1913 г. за лето уничтожили около
15 млн гектаров. Летом 1921 г. при длительной засухе и ураганных
ветрах пожарами было уничтожено более 200 тыс. гектаров
ценнейшей марийской сосны. Летом 1972 г. в Подмосковье развившиеся
при длительной засухе торфяные и лесные пожары охватили
значительные площади лесов, уничтожив при этом некоторые
месторождения торфа.
Лесные пожары по интенсивности горения подразделяются
на слабые, средние и сильные, а низовые и верховые пожары по
характеру горения — на беглые и устойчивые.
Лесные низовые пожары характеризуются горением лесной
подстилки, надпочвенного покрова и подлеска без захвата крон
деревьев. Скорость движения фронта низового пожара составляет от
0,3... 1 м/мин (при слабом пожаре) до 16 м/мин (при сильном
пожаре), высота пламени — 1...2 м, максимальная температура на
кромке пожара достигает 900°С.
Лесные верховые пожары развиваются, как правило, на
низовых и характеризуются горением крон деревьев. При беглом
верховом пожаре пламя распространяется главным образом с кроны на
крону с большой скоростью, достигающей 8...25 км/ч, оставляя
иногда целые участки нетронутого огнем леса. При устойчивом по-
344 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
жаре огнем охвачены не только кроны, но и стволы деревьев. Пламя
распространяется со скоростью 5...8 км/ч, охватывая весь лес от
почвенного покрова и до вершин деревьев.
Подземные пожары возникают как продолжение низовых и
верховых лесных пожаров и распространяются по находящемуся в
земле торфяному слою на глубину до 50 см и более. Горение идет
медленно почти без доступа воздуха, со скоростью 0,1...0,5 м/мин
с выделением большого количества дыма и образованием
выгоревших пустот (прогаров). Поэтому подходить к очагу подземного
пожара надо с большой осторожностью, постоянно прощупывая грунт
шестом или щупом. Горение может продолжаться длительное время
даже зимой под слоем снега.
Степные (полевые) пожары возникают на открытой местности
при наличии сухой травы или созревших хлебов. Они носят
сезонный характер и чаще бывают летом по мере созревания трав
(хлебов), реже весной и практически отсутствуют зимой. Скорость их
распространения может достигать 20...30 км/ч.
Методы, средства и способы борьбы с лесными пожарами также
несут в себе определенную экологическую опасность.
Основными способами борьбы с лесными низовыми пожарами
являются: захлестывание кромки огня, засыпка его землей, заливка
водой (химикатами), создание заградительных и минерализованных
полос, пуск встречного огня (отжиг). Отжиг чаще применяется при
крупных пожарах и недостатке сил и средств для пожаротушения.
Он начинается с опорной полосы (реки, ручья, дороги, просеки), на
краю которой, обращенном к пожару, создают вал из горючих
материалов (сучьев валежника, сухой травы) Когда начнет ощущаться
тяга воздуха в сторону пожара, вал поджигают вначале напротив
центра фронта пожара на участке 20...30 м, а затем после
продвижения огня на 2...3 м и соседние участки. Ширина выжигаемой
полосы должна быть не менее 10...20 м, а при сильном низовом
пожаре — 100 м.
Тушение лесного верхового пожара осуществляется сложнее.
Его тушат путем создания заградительных полос, применяя отжиг
и используя воду. При этом ширина заградительной полосы должна
быть не менее высоты деревьев, а выжигаемой перед фронтом
верхового пожара — не менее 150...200 м, перед флангами — не менее
50 м. Степные (полевые) пожары тушат теми же способами, что и
лесные.
Тушение подземных пожаров осуществляется в основном
двумя способами. При первом способе вокруг торфяного пожара
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 345
на расстоянии 8...10 м от его кромки роют траншею (канаву)
глубиной до минерализованного слоя грунта или до уровня грунтовых вод
и заполняют ее водой Второй способ заключается в устройстве
вокруг пожара полосы, насыщенной растворами химикатов. Для
этого с помощью мотопомп, оснащенных специальными
сводами-пиками (иглами) длиной до 2 м, в слой торфа сверху нагнетается
водный раствор химически активных веществ- смачивателей (сульфа-
нол, стиральный порошок и др.), которые в сотни раз ускоряют
процесс проникновения влаги" в торф. Нагнетание осуществляют на
расстоянии 5...8 м от предполагаемой кромки подземного пожара и
через 25...30 см друг от друга. Этот способ с целью повышения
производительности можно усовершенствовать, проложив на участке
100 м специальный пожарный рукав с отводами для подключения
питательных шлангов-игл, предварительно установленных в грунте.
Одна пожарная машина с комплектом игл (300...500 шт.) и рукавов
может перемещаться вдоль кромки подземного пожара и нагнетать
раствор.
Техногенные чрезвычайные ситуации (ЧС), вызванные
пожарами или взрывами, подразделяют на следующие:
• пожары (взрывы) в зданиях, на коммуникациях и
технологическом оборудовании промышленных объектов;
• пожары (взрывы) на объектах добычи, переработки и хранения
легковоспламеняющихся, горючих и взрывчатых веществ;
• пожары (взрывы) на транспорте;
• пожары (взрывы) в шахтах, подземных и горных выработках,
метрополитенах;
• пожары (взрывы) в зданиях и сооружениях жилого,
социально-бытового и культурного назначения.
Пожары и взрывы являются самыми распространенными
чрезвычайными событиями в современном индустриальном обществе.
Чрезвычайные события техногенного характера составили в 1990 г.
более 75% всех зарегистрированных штабом ГО СССР
(оперативной службой) аварий, катастроф и стихийных бедствий. Число
чрезвычайных событий техногенного характера, при которых имели
место человеческие жертвы, составило также более 75% общего
числа аварий с трагическим исходом. В авариях, катастрофах и
прочих событиях техногенного характера за 1990 г. погибли 87%
общего числа жертв.
Из-за несоблюдения правил безопасности труда и
технологических норм эксплуатации техники и оборудования продолжает
увеличиваться число аварий, связанных с пожарами и взрывами как на
346 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
промышленных предприятиях, так и на объектах
жилищно-коммунального строительства. По сравнению с 1989 г. в 1990 г.
увеличилось на 30% общее число аварий, связанных с пожарами и
взрывами, в том числе с человеческими жертвами — на 80%. При этом
жертв оказалось в два раза больше, чем в 1989 г. В два раза
увеличилось число пожаров и взрывов, приведших к человеческим
жертвам на объектах народного хозяйства, а число жертв на них — в
4,5 раза по сравнению с 1989 г. (табл. 10.1).
Таблица 10 1
Чрезвычайные ситуации
техногенного характера
Всего
1990 г
1989 г
В том числе пожары, взрывы
с последующим горением
1990 г
1989 г
Количество
ЧС
261
225
96
76
Количество
ЧСс
жертвами
106
98
56
31
Число
пострадавших
при ЧС
человек
1446
5865
426
410
Число
привлекавшихся
для ликвидации
ЧС человек
13 090
17 363
4304
6853
В результате взрыва и пожара на станции Арзамас-1 погибли 806,
травмированы более 700 человек, остались без крова свыше
700 семей. Взрыв на станции Свердловск-Сортировочная привел к
одновременному разрушению и значительному повреждению
20 больниц и поликлиник, 55 школ, 30 дошкольных учреждений,
239 предприятий торговли и общественного питания. Более 1200
человек получили колотые и резаные раны, ушибы и другие тяжелые
травмы. Около 10 тыс. жителей города нуждались в срочном
обеспечении жильем. У детей и взрослых в зоне разрушений в первые дни
после катастрофы зафиксировано резкое увеличение частоты
психических нарушений. Во время катастрофы под Уфой в июне 1989 г.
пострадали более 1220 человек. Из 806 госпитализированных
удалось спасти только 663 человек. Ожоги различной тяжести получили
более 97% пострадавших, каждый пятый из них умер.
В результате технологической аварии и выброса водорода 12
сентября 1990 г. произошел взрыв с последующим пожаром на Экибас-
тузской ГРСЭ-1. Обрушилась кровля над тремя энергоблоками.
Ущерб составил 3,0 млн руб. (в ценах 1990 г.). 28 сентября 1990 г.
в результате аварии произошел пожар на турбогенераторе Сырда-
рьинской ГРЭС (Узбекистан). Предполагаемая причина случивше-
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 347
гося — обрыв лопаток паровой турбины с последующей
разгерметизацией и выбросом водорода. Ущерб — около 1 млн руб.
В 1996 г. на охраняемой площади лесного фонда России
зафиксировано 32 834 лесных пожара (в том числе 29 299 на землях
Рослесхоза), что на 26,5% больше чем в 1995 г. При этом площадь
лесных земель, пройденная лесными пожарами, возросла более чем
в 5 раз и составила 1853,5 тыс. гектаров. Кроме того, пожарами
пройдено 458,8 тыс. гектаров нелесных земель. Налицо тенденция
возрастания количества пожаров. Например, в 1994 г. на
территории Гослесфонда было зафиксировано 20 287 пожаров, в 1995 г. —
24 299, в 1996 г. — 32 834. Наиболее распространенными были
низовые пожары — 1523,5 тыс. гектаров, верховые пожары отмечены
на 204,9 тыс. гектаров, подземные — на 8,8 тыс. гектаров. Основной
причиной возникновения пожаров по-прежнему являются факторы
антропогенного воздействия (93% числа всех пожаров). Почти
78,2% возгораний происходит по вине местного населения.
Ущерб от лесных пожаров (в ценах на ноябрь 1996 г.) в целом
по России достиг 1456,4 млрд руб. При этом расходы по тушению
пожаров составили 166,2 млрд руб., стоимость работ по очистке
территорий, пройденных пожарами — 356,5 млрд руб., на корню
сгорело 55,9 • 106 м3 леса на сумму 391,7 млрд руб.
Сохраняются неблагоприятные тенденции в Российской
Федерации и в сфере промышленной безопасности. Это подтверждается
данными МЧС России о чрезвычайных ситуациях, в том числе
связанных с пожарами и взрывами. По сравнению с 1995 г. в 1996 г.
отмечен рост в 1,3 раза ЧС техногенного характера, связанных с
авариями на магистральных трубопроводах. Например, в 1996 г. на
магистральных трубопроводах произошло 62 категорированных
аварии, в том числе на газопроводах — 38, нефтепроводах — 18, про-
дуктопроводах — 6. Крупнейшие аварии, сопровождавшиеся
взрывом и возгоранием газа, произошли на газопроводах Пунга—Ухта I
(21 января 1996 г.) и Уренгой—Центр 2 (21 февраля 1996 г.). Взрыв
на строящемся газопроводе Перегребная—Пунга—Ухта (при
испытании газом 1 июня 1996 г.) стал причиной взрыва и возгорания газа
на расположенном рядом газопроводе Пунга—Вуктыя—Ухта I. На
нефтеперерабатывающем заводе (ОАО «Орскнефтеоргсинтез») при
подготовке к плановому капитальному ремонту установки
газофракционирования произошла загазованность помещения насосной и
территории установки с последующим взрывом и пожаром. Ущерб
равен 194 млн руб.
348 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
X
ожара
о.
се
S
О
к
\о
Поги
*
руб
о
г
ров,
43
О
о
о.
о>
3
>5
m
о
о.
та
о
с
о
m
ест
т
S
с^
О
К
1
L-
i
—i
¦—
-
д.
I-
Л
.
ст>
&
_
о
о
—
S
д.
+
V
Л
L-
——
СП
СП
и.
Q
СГз
СГ>
СЗ
<ъ m
Назв
-ос уда
><
СО
I-
v сг>
сг>
>5
ш
V СП
о
^
03
I-
v сп
СП
о
О
^Г
<N
¦^f
СМ
СМ
)
СО
г--"
t-~-
см
оо
с-"
ю
со
~-
W
lo"
1
со
<—1
см
СМ
со
см
<-ч
X
та
X
d
S
га
\о
о.
ш
m
<
о
1
со
"~*
О
со
°1
см"
LO
1
est
о"
ГГ
00
°1
со"
о
СП
со
'О
+
о
о
СП
" '
о
СП
со
—
к
ГС
ш
Е
О-
<
сп
оо"
СО
00
см
ОО
со
ем
00
о"
°1
со"
Ю
со
СО
СП
t-~-
Ю
СП
СП
1
^г
о
тг
оо
оо
со
Ю
00
к
о.
о
ш
да
со
"+
LO
LO
¦Ч"
LO
см
lO
+
со
СП
СО
¦Ч"
со"
LO
о
СО
сэ
со'
1
СО
см
со
со
см
см
со
сх
и,
СО_
см"
1
СП
см
см
см
со
см
с^
см"
+
о"
СО
см
СЭ
П-"
•ч-
СП
00
СО_
+
Ю
оо
СО
СО
со
N-
со
со
X
та
та
m
та
«
"*
со"
+
со
со
со
см
t~-_
СО
1
СО
1—1
CN
Ю
о"
СП
о
С~
LO
о"
со
1
СО
СП
lO
CN
со
со
с^
со
X
га
н
и
с
3
«
со
см"
+
¦Ч"
с^
см
с^
СО_
оо"
LO
+
LO
¦Ч"
¦4е
со
со_
Г-"
с^
см
СО
со"
1
о
¦Ч"
см
см
с^.
00
СО
см
ее
та
с:
с^
-*"
см
1
о
f~
со
СП
о_
+
сэ
^г"
со
СО
со
—
0О
оо
со
—
о"
1
СП
со
о
со
со
со
со
со
та
н
с;
с^
сч"
т
см
СО
¦Ч"
СП
иэ
со"
СО
+
1С
—•
СО
см
со_
со"
о
1Л
—•
со
со"
см
1
см
о
с^
см
¦Ч"
СП
СО
со
m
о
=1
о
s;
СО
1
CN
^~"
со
CN
см
см"
со
1
со_
гч"
см
00
'Г
со"
1—1
CN
—.
°ч
со"
1
см
м
¦Ч"
о
m
LO
—-<
СП
та
CJ
1-1
CS
н
о
СО
+
^_
со
о
см
ет
ю
+
Сп"
СП
1^-
г-_
оо"
ю
—¦
in
со"
1
_
—'
см
™"
со
см
со
'—'
о:
X
0J
>,
н
СП
Ч1"
1
СО
со
СО
00_
со
1
со"
о
СО
ю"
lO
со_
со"
1
1Л
СП
со
lO
ю
СП
со
X
п:
Е-
и
ш
со
>,
с^
см
+
со
о
СП
см
¦Ч"
о-
^1
+1
со"
СО
с^-
1Л
ю_
—
1
со
о
cvj
о
о
со
та
X
са
О-
^
>,
СП
со"
+
¦Ч"
lO
см
Ю
¦Ч"_
оо"
СО
+
см
оо"
СО
см
со
•Ч"
о"
•ч-
СП
.—1
с^
см"
1
о
—¦
¦Ч"
СП
¦Ч"
•ч-
~->
IX
X
о
н
и
cTi
¦*
+
со
ю
СО
¦ч-
СО
т
о
ОО
см
см
ио"
см
см
см
со
см
СМ
о"
+
СО
¦Ч"
с^
00
СП
о
со
~—
ОО
се
и
и
о
а.
¦ч-
ь-"
+
Ю
СО
¦Ч"
СО
о
см
о
со
см_
со*
+
оо
оо
с^
со
сэ
Сп"
о
оо
о
со
LO
см"
1
о
см
СП
СП
СО
см
СП
оо
оо
СО
с^
СМ
о
1)
CJ
CQ
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 349
Пожары являются сегодня одной из серьезнейших причин
разбазаривания ресурсов, богатств и сил России, а пожарная опасность
техносферы достигла угрожающих размеров и стала в один ряд с
другими национальными проблемами (табл 10 2)
10.2. Критерии крупных пожаров и их последствий
Сегодня пожарные бедствия становятся важнейшей
общенациональной проблемой. Россия имеет самый высокий уровень в мире
гибели и травмирования людей на пожарах, более чем в три раза
превышающий средний уровень развитых зарубежных стран.
К 1990 г. количество погибших на пожарах увеличилось на 13% и
достигло 6,9 тыс человек, не менее 65 тыс. человек получили ожоги
и травмы Среди погибших — более 3 тыс стариков и детей. При
сохранении имеющихся тенденций следует ожидать увеличения
количества людей, погибших и травмированных на пожарах При этом
экономические потери от гибели и травмирования людей, по самым
скромным оценкам, возрастут с 359 млн руб в настоящее время до
1 млрд руб. в 2005 г.
Аналогичное положение складывается и в экономических
категориях оценки потерь от пожаров В 1990 г потери от пожаров в
России (по методике оценки потерь, сопоставимой с зарубежными,
и с учетом действующих государственных цен и стоимости основных
фондов) превысили 5,3 млрд руб , что составило более половины
ассигнований республиканского бюджета на социально-культурные
мероприятия. Если же учесть действительную (рыночную)
стоимость уничтоженных объемов материальных ценностей, ежегодные
потери превысят, по оценкам экономистов, 20 млрд руб И это без
учета весьма значительного экологического ущерба, который часто
становится катастрофическим (пожары в лесах, на нефтяных
месторождениях, предприятиях, ядерных электростанциях и др )
Относительный уровень потерь от пожаров в России также
самый высокий среди развитых стран мира, он превышает
сопоставимые показатели потерь (без учета потерь от гибели и
травмирования людей): в Японии — в 6,3 раза; в Великобритании — в
4,5 раза; в США — в 3 раза; в Венгрии —• в 6 раз. Темпы роста
количества пожаров и ущерба от них в 2,8. 3 раза превышают
аналогичные показатели для США Среднегодовой темп прироста
количества пожаров за последние 5 лет увеличился в 2,2 раза, что
соответствует приросту на 12% в год и многократно превышает темпы
роста экономики в этот период При сохранении существующих тен-
350 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
денций количество пожаров в России удвоится за 7 лет, а ущерб от
них (без учета инфляции) — за б лет. К 2000 г. количество пожаров
по сравнению с существующим уровнем возросло в 2,6...3 раза, а
ущерб от них — в 3,5...4 раза.
Таблица 10 3
Критерий
крупных пожаров
Социально-
экологический
Социально-
психологический
Социально-
политический
Экономический
Организационно-
управленческий
«Специфический»
Последствия пожаров
1 Травмы и гибель людей Гибель животных
2 Загрязнение окружающей среды
3 Вывод из воспроизводства значительной части природных
ресурсов, сельскохозяйственных угодий, культур и т д
1 Стрессовое состояние (страх, депрессии, паника), резкое
падение производительности труда
2 Дестабилизация психологической устойчивости населения
и посткризисный период
1 Определенная напряженность в обществе и усиление
внутриполитической напряженности
2 Широкий международный резонанс и падение политического
престижа страны
1 Значительный экономический ущерб в денежном и
натуральном выражении, то есть прямой и косвенный ущерб
1 Может возникнуть неопределенность ситуации, сложность
прогнозирования хода событий и принятия решений
2. Необходимость привлечения большого количества сил и
средств
3 Необходимость масштабных эвакуационных и аварийно-
спасательных работ
1 Разнопорядковость последствий, их цепной характер
(например взрыв, пожар, или наоборот)
Реальный экономический ущерб от пожаров состоит из
многих слагаемых и при оценке последствий пожаров необходимо
учитывать целый ряд критериев (табл. 10.3). Ущерб от пожара
может быть связан с гибелью и травмами людей на пожарах
(стоимость невоспроизведенного общественного продукта,
единовременное пособие, выплата государственных пенсий, стоимость
медицинского обслуживания и т.д.). Прямой ущерб включает в себя
стоимости основных фондов, поврежденных пожарами, обращаемых и
оборотных фондов, поврежденных пожарами, стоимость
невыпущенной продукции на объектах смежников и т.д. Косвенный ущерб от
пожаров включает в себя стоимость обеспечения противопожарной
защиты, стоимость невыпущенной продукции из-за простоя, плату
рабочим за участие в тушении пожаров и ликвидации их
последствий и т.д.
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 351
Говоря об экономическом ущербе, нельзя не затронуть и
экологические последствия. Значительный ущерб наносят лесные,
торфяные и другие пожары на открытой местности. До сих пор не
выяснены в полной мере последствия одного из крупнейших стихийных
бедствий XX в — лесного пожара в Индонезии. Четыре месяца
бушевал огонь, истребивший тропические леса и все живое на
площади более 3 млн гектаров. Тяжелыми оказались и косвенные
последствия этого бедствия. Облака, образовавшиеся под действием дыма,
привели к обильным дождям, затопившим многие деревни и
уничтожившим посевы.
Следует отметить, что особую опасность представляют крупные
пожары, так как они имеют ярко выраженные критериальные
оценки. Крупные пожары способствуют и возникновению определенных
негативных отношений' у людей создается неверие в деятельность
пожарной охраны, комплекс правовых, организационных,
инженерно-технических мер и мероприятий, направленных на уменьшение
вероятности возникновения пожара, обеспечение успешной его
ликвидации.
10.3. Антропогенные факторы пожаров и взрывов
Пожар — это неконтролируемое горение вне специального
очага, наносящее материальный ущерб. Одновременно под пожаром
понимается процесс, характеризующийся социальным и (или)
экономическим ущербом в результате воздействия на людей и (или)
материальные ценности факторов термического разложения и
(или) горения, развивающийся вне специального очага, а также без
применяемых огнетушащих веществ
Взрыв — быстрое превращение вещества (взрывное горение),
сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых
газов, способных производить работу.
Пожары на промышленных предприятиях возникают в
большинстве случаев от неисправностей технологического оборудования,
электроустановок, контрольно-измерительных и защитных
приборов, неосторожного обращения с огнем обслуживающего персонала
и нарушений правил пожарной безопасности при проведении
огневых работ. Часто причиной возникновения пожаров является
нарушение герметичности аппаратов и коммуникаций в результате
износа отдельных деталей или повышения давления и температуры
сверх допустимых значений. В таких случаях появляется
возможность образования сгораемой среды, что при наличии источника за-
352 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
жигания приводит к возникновению пожара, особенно в тех
технологических установках, приборах и аппаратах, в которых
применяются легкогорючие жидкости или газы.
Самыми распространенными источниками зажигания на
промышленном предприятии являются-
• искры при коротких замыканиях (возникают при
неправильном подборе и монтаже электросетей, износе, старении и
повреждении изоляции электропроводов и оборудования);
• теплота, выделяющаяся при перегрузках электрических сетей,
машин и аппаратов, больших переходных сопротивлениях (наиболее
часто перегрузки возникают при токовых нагрузках, превышающих
в течение длительного времени допустимые значения, а большие
сопротивления — при плохих контактах в соединениях проводов, на
зажимах, на шинах распределительных, групповых щитов и т.п );
• теплота, выделяющаяся при трении во время скольжения
подшипников, дисков ременных передач, а также при выходе газов под
высоким давлением и с большой скоростью через малые отверстия
и щели,
• искры, образующиеся при ударах металлических деталей друг
о друга, о камень и т.п (например, удары лопастей вентиляторов о
кожух, попадание посторонних металлических предметов в
дробилки, жернова мельниц);
• теплота, выделяющаяся при химическом взаимодействии
некоторых веществ и материалов (например, щелочных металлов с
водой, окислителей со сгораемыми веществами), а также при
самовозгорании органических веществ (например, ветоши, применяемой
для изготовления бумаги) при попадании на них растительных и
животных масел; искровые разряды статического электричества и т.п
При некоторых условиях причинами возникновения пожаров
могут быть также пламя, лучистая теплота, искры, образующиеся
при эксплуатации огнедействующих производственных установок,
отопительных приборов, электро- и газосварочных аппаратов [5]
Вероятность возникновения пожара (взрыва) в пожаро- и
взрывоопасном объекте определяют на этапах его проектирования,
строительства и эксплуатации Для расчета вероятности возникновения
пожара (взрыва) на действующих или строящихся объектах
необходимо располагать статистическими данными о времени
существования различных пожаро- и взрывоопасных событий Вероятность
возникновения пожара в проектируемых объектах определяют на
основе показателей надежности элементов объекта, позволяющих
рассчитывать вероятность отказов производственного оборудования,
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 353
систем контроля и управления, а также других устройств,
составляющих объект, которые приводят к реализации различных пожаро-
и взрывоопасных событий.
Под пожаро- и взрывоопасными понимают такие события,
которые приводят к образованию горючей среды и появлению
источника зажигания. Пожаро- и взрывоопасность любого объекта
определяется пожаро- и взрывоопасностью его составных частей
(технологических аппаратов, установок, помещений). Вероятность
возникновения пожара (взрыва) в объекте в течение года вычисляют
по формуле
п
<?(ПЗ) = 1-ПП-<?,(ПП)], (ЮЛ)
I = 1
где Q, (ПП) — вероятность возникновения пожара в г'-м помещении
объекта в течение года; п — количество помещений объекта.
Возникновение пожара (взрыва) в любом из помещений объекта
(событие ПП) обусловлено возникновением пожара (взрыва) в
одном их технологических аппаратов, находящихся в этом
помещении (событие ПТА) или непосредственно в объеме исследуемого
помещения (событие ПО). Вероятность Q, (ПП) вычисляют по
формуле
т
Q, (ПП) = 1 - П И - Q.fllTA,)] [1 - <?,(ПО)], (10.2)
где Q, (ПТАу) — вероятность возникновения пожара в /-м
технологическом аппарате г'-го помещения в течение года; Q, (ПО) —
вероятность возникновения пожара непосредственно в объеме г'-го
помещения в течение года; т — количество технологических
аппаратов (в г'-м помещении).
Возникновение пожара (взрыва) в любом из технологических
аппаратов (событие ПТА ) или непосредственно в помещении (событие
ПО) обусловлено совместным образованием горючей среды
(событие ГС) в рассматриваемом элементе объекта и появлением в этой
среде источника зажигания (событие ИЗ). Вероятность Ql (ПО) или
Q, (ПТА ) возникновения пожара в рассматриваемом элементе
объекта определяют умножением вероятности Q, (ГС) образования
горючей среды на вероятность Q, (ИЗ) появления в ней источника
зажигания. Если события ГС и ИЗ независимы, то
Qt (ПО) = Q, (ГСК?, (ИЗ). (10.3)
12-4910
354 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Если же события ГС и ИЗ взаимозависимы, то
Q((nO) = Q1(rC)Q,(H3/rC) =
= <?,(изк?,(гс/из), (10.4)
где Qt (ГС/ИЗ) — условная вероятность образования горючей
среды в г-м помещении при условии появления в ней источника
зажигания; Q, (ИЗ/ГС) — условная вероятность появления
источника зажигания в г-м помещении при условии образования горючей
среды.
Пожарная безопасность объекта обеспечивается с помощью
систем предотвращения пожара и противопожарной защиты,
включающих организационно-технические мероприятия. Системы пожарной
безопасности характеризуются уровнем обеспечения пожарной
безопасности людей и материальных ценностей, а также
экономическими критериями эффективности этих систем [1]. Требуемый
уровень обеспечения пожарной безопасности людей должен быть не
менее 0,999999 возможности предотвращения пожарной опасности
в год в расчете на каждого человека, а допустимый уровень
пожарной опасности для людей должен быть не более 10~6 в год в расчете
на каждого человека.
При возникновении пожара на окружающую среду и человека
действуют: пламя, ударная волна, обрушение оборудования,
коммуникаций, конструкций зданий и сооружений, повышенная
температура окружающей среды и предметов, токсичность продуктов
горения, дым, пониженная концентрация кислорода, образование при
взрыве и пожаре и выход из поврежденных аппаратов содержащихся
в них вредных веществ. Кроме того, на людей и окружающую среду
воздействуют осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов,
установок, конструкций; радиоактивные и токсичные вещества и
материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок;
электрический ток, возникающий в результате выноса высокого
напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;
опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара; огне-
тушащие вещества.
Среди опасных факторов пожара, повлекших за собой
травмирование и гибель людей, превалируют, как об этом свидетельствует
статистика пожаров, отравление людей токсичными продуктами
горения и ожоги (более 95% случаев), 60% пострадавших погибает
от ожогов и взрывов Как показывает анализ несчастных случаев,
подавляющее большинство пострадавших было травмировано в
результате воздействия высокой температуры нагретых газов и пла-
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 355
мени, теплоты излучения. Опасность для человека высоких
температур и концентраций вредных газообразных продуктов горения
определяется продолжительностью их воздействия на человека
(табл 10 4).
Таблица 10 4
Показатель
Температура, °С
Содержание кислорода, %
Содержание, 10~5%
диоксида углерода
оксида углерода
диоксида серы
диоксида азота
хлорида водорода
цианида водорода
Опасные значения показателей при
продолжительности воздействия, ч
5 10 мин
140
6
50000
3000
400
240
1000
210
0,5
100
11
40000
1600
150
100
1000
100
1 2
65,6
14
35000
800
50
50
40
50
8
48,5
15
32000
100
8
30
7
20
Тепловое воздействие за счет излучения факела пламени
зависит от его температуры, степени черноты, расстояния до объекта
облучения, степени прозрачности окружающей среды и других
факторов. В среднем уже через 20...30 с на расстоянии 5...20 м (в
зависимости от интенсивности теплового потока) человек начинает
испытывать болевые ощущения (табл. 10.5).
Таблица 10 5
Объект теплового
воздействия
Открытые участки кожи
человека
Окрашенные
металлические конструкции
Деревянные конструкции
Резина, одежда
Результат воздействия при плотности теплового
потока, кВт/м2
4,2
Болевые
ощущения через
20 с
Без изменения
То же
8,4
Проявление
волдырей через
20 с
Вспучивание
краски
Разложение
Обугливание
10,5
Обгорание
краски
Обугливание
Загорание
На пожарах горят обычно органические вещества, основными
составными частями которых в подавляющем большинстве являются
углерод, водород, кислород. При сгорании органических веществ вы-
12*
356 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
деляются токсичные газы и другие побочные продукты, которые в
значительной степени изменяют процентное количество газов,
входящих в атмосферный воздух, и которые по-разному воздействуют
на человека (фосген, окислы азота, монооксиды углерода и т.д.).
Ниже рассмотрены свойства газов как входящих в состав
атмосферного воздуха, так и образующихся при горении веществ.
Азот — бесцветный газ, не имеющий запаха, малорастворим в
воде, немного легче воздуха (1,25 г/л). Азот не горит и не
поддерживает горения. В обычных условиях газ физиологически
безвреден, нейтрален, но с увеличением парциального давления
(Р > 0,55 МПа) начинает оказывать токсическое действие.
Кислород — газ, необходимый для жизни человека. При
дыхании он соединяется в легких с гемоглобином крови и разносится по
всем клеткам и тканям организма, где потребляется в процессе
окисления. Это бесцветный газ, не имеющий запаха. Он немного тяжелее
воздуха (1,43 г/л), не горит, но хорошо поддерживает горение. В
больших концентрациях даже в условиях атмосферного давления
кислород действует на организм человека отравляюще. Например,
при Р = 0,1 МПа (1 кгс/см2) дыхание чистым кислородом в
атмосферных условиях в течение трех суток приводит к тому, что в
легких человека развиваются воспалительные процессы. А при
парциальном давлении кислорода более 0,3 МПа (3 кгс/см2) через
15...30 мин. у человека возникают судороги, он теряет сознание. К
факторам, ведущим к возникновению кислородного отравления,
относятся: содержание во вдыхаемом воздухе примеси углекислого
газа, напряженная физическая работа, переохлаждение и
перегревание. При малом парциальном давлении кислорода во вдыхаемом
воздухе (ниже 0,015 МПа (0,15 кгс/см2)) кровь, протекая через
легкие, насыщается кислородом неполностью, что приводит к
снижению работоспособности, а в случаях острого кислородного
голодания — к потере сознания.
Углекислый газ при обычных условиях бесцветный с особым
кислым вкусом. Он не горит и не поддерживает горения, примерно
в 1,5 раза тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде, в организме
человека образуется как конечный продукт окислительных
процессов в тканях и удаляется из организма через легкие в процессе
дыхания и через кожу.
Нормальное содержание углекислого газа в организме человека
поддерживается центральной нервной системой посредством
регуляции деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
При увеличении содержания С02 во вдыхаемом воздухе в организме
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 357
человека накапливается большое его количество. При содержании
углекислого газа во вдыхаемой газовой смеси до 3% обычно
учащается сердцебиение и увеличиваются частота и глубина дыхания. Эти
физиологические реакции направлены на удаление из организма
избыточного содержания углекислого газа. При содержании С02 во
вдыхаемой газовой смеси более 3% и длительном воздействии в
организме возникают патологические изменения в центральной
нервной системе, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, а также
нарушение обменных процессов. Повышенное давление углекислого
газа усиливает токсическое действие кислорода и наркотическое
действие азота. При нормальном атмосферном давлении в организме
человека массой 70 кг растворен 1 л азота.
Количество газа, которое может раствориться в крови, зависит
от значения парциального давления, времени пребывания под
давлением, а также скорости кровотока и объема легочной вентиляции.
При повышении физической нагрузки скорость кровотока
увеличивается, поэтому насыщение организма газами увеличивается.
Снижение давления (декомпрессия) вызывает освобождение организма
от азота. Избыток растворенного газа при этом попадает из тканей
в кровяное русло и током крови выносится в легкие, откуда
удаляется в окружающую среду. При быстром снижении давления
растворенный в тканях газ начинает образовывать пузырьки различной
величины. Током крови они могут разноситься по всему телу и
вызывать закупорку кровеносных сосудов, что приводит к декомпрес-
сионной (кессонной) болезни.
Наряду с углекислым газом в продуктах горения, образующихся
на пожарах, выделяется оксид углерода. Оксид углерода — газ, не
имеющий цвета и запаха, намного легче воздуха (1,25 г/л), почти
не растворяется в воде, хорошо горит. Токсичное (отравляющее)
действие СО основано на том, что этот газ активно соединяется с
гемоглобином крови, образуя нестойкое соединение карбоксигемог-
лобин. В этом случае организм человека испытывает острый
недостаток кислорода. Степень тяжести отравления оксидом углерода в
основном зависит от концентрации его во вдыхаемом воздухе,
продолжительности воздействия и интенсивности легочной
вентиляции. Полноценное дыхание удовлетворяет потребность клеток и
тканей организма человека в кислороде и обеспечивает выведение из
них углекислого газа, образующегося при окислительных процессах.
У человека дыхание обеспечивается специальными органами —
легкими, состоящими из отдельных маленьких легочных
пузырьков — альвеол — диаметром 0,2 мм, общая поверхность которых
358 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
составляет 90 м2 и более. Кровь, совершая по сосудам альвеол
непрерывный кругооборот, захватывает кислород и выделяет
углекислый газ С02. Следовательно, для правильного газообмена
необходимо, чтобы воздух, находящийся в легких, содержал необходимое
количество кислорода и не переполнялся углекислым газом.
При пожарах значительно меняется процентный состав газов,
входящих в атмосферный воздух, уменьшается количество
кислорода, увеличивается количество продуктов полного и неполного
сгорания (табл. 10.6), изменяется физиологическая реакция человека
на эти газы (табл. 10.7).
Таблица 10.6
Непроизводственные
объекты пожара
Подвалы
Чердаки
Этажи
Возможные изменения состава воздуха, % по объему
СО
0,04...0,65
0,01 .0,2
0,01 0,4
С02
0,1.. 3,4
0,1...2,7
0,3.. 10,1
о,
17...20
17,7...20,7
9,9...20,8
Таблица 10.7
Газ
СО
С02
Концентрация в
воздухе, %
0,01
0,05
0,1
0,5
1
0,04
1. .2
4. .5
6
8
10
Результат воздействия на человека
Воздействие в течение нескольких часов без заметного
эффекта
Воздействие в течение 1 ч без заметного эффекта
Головная боль, тошнота после воздействия в течение 1 ч
Воздействие в течение 20.. 30 мин смертельно
Безвредно
Не вызывает заметных изменений в режиме дыхания
Значительно увеличиваются частота и глубина дыхания,
появляется шум в ушах, ощутима пульсация крови
в висках
То же, но в более сильной форме
Головная боль, головокружение
Человек теряет сознание
По степени воздействия на организм человека вредные
вещества подразделяются на четыре класса опасности
(табл. 10.8): 1-й — вещества чрезвычайно опасные; 2-й — вещества
высокоопасные; 3-й — вещества умеренно опасные; 4-й — вещества
малоопасные.
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 359
Таблица 10.8
Показатель
Предельно допустимая
концентрация (ПДК) вредных
веществ в воздухе рабочей зоны,
мг/м3
Средняя смертельная доза при
введении в желудок, мг/кг
То же при нанесении на кожу,
мг/кг
Средняя смертельная
концентрация в воздухе, мг/м3
Коэффициент возможности
ингаляционного отравления
(КВИО)
Норма для класса опасности
1
Менее 0,1
Менее 15
Менее 100
Более 500
Более 300
2
0,1.. 1
(оксиды
азота)
15...150
100...500
500... 5000
300...30
3
1,1.. 10
151.. 5000
501 ..5000
5001...50000
20...3
4
Более 10
Более 5000
Более 2500
Более 50000
Менее 3
При оценке токсичности продуктов горения полимерных
материалов вводят индекс токсичности №ciso, который численно равен
массе материала, необходимой для создания в 100-литровой камере
половины летальной концентрации продуктов термического
разложения для подопытных животных.
На основе указанного токсикометрического показателя
строительные материалы могут быть разделены на четыре класса по
степени воздействия на человека продуктов горения:
• чрезвычайно опасные (регламентирующее значение 1 г) — ви-
ларес, слоистый трудносгораемый пластик;
• высокоопасные (1...3 г) — пенополиуретан ППУ-306,
слоистый декоративный пластик, древесина лиственницы, полиамидные
материалы и пленки, полиэтилентерефталатная пленка;
• опасные (3...9 г) — пластмасса ЛКФ-2, линолеум ТТН,
эпоксидный стеклопластик, теплоизоляционные плиты ФС», пленка
ПТТМ-609, теплозвукоизоляционная композиция АТМ-1;
• малоопасные (9 г) полиэфирный стеклопластик, пентофтале-
вая эмаль ПФ-218, мастичное покрытие «Нева ЗУ».
Следовательно, к классу чрезвычайно опасных материалов
отнесены виларес и слоистый трудносгораемый пластик. Первый
характеризуется высоким уровнем выделения окиси углерода, второй кроме
окиси углерода выделяет чрезвычайно токсичное соединение —
цианистый водород. Цианистый водород выделяют и другие пластмассы
на основе азота (полиакрилонитрил, полиамиды, полиуретаны).
Класс высокоопасных материалов содержит изделия из древеси-
ны (фанера, древесина, лиственница); это свидетельствует о том,
360 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
что материалы из древесины по токсичности продуктов горения
превосходят многие синтетические материалы.
Малоопасные по токсичности материалы характеризуются
низким уровнем выделения летучих веществ и большим зольным
остатком.
10.4. Пожароопасные свойства веществ и материалов
Горение — это сложное, быстро протекающее химическое
превращение веществ, сопровождающееся выделением теплоты и
излучением света. В большинстве случаев горение происходит в
результате взаимодействия горючего вещества с окислителем (кислородом
воздуха, хлором, закисью азота и др.) при наличии источника
зажигания [4].
При определении пожаро- и взрывоопасное/пи веществ и
материалов различают:
• газы — вещества, давление насыщенных паров которых при
температуре 25 "С и давлении 101,3 кПа превышает 101,3 кПа;
• жидкости — вещества, давление насыщенных паров которых
при температуре 25 °С и давлении 101,3 кПа меньше 101,3 кПа; к
жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества,
температура плавления или каплепадения которых меньше 50 °С;
• твердые вещества и материалы — индивидуальные
вещества и их смесевые композиции с температурой плавления или
каплепадения больше 50 °С, а также вещества, не имеющие
температуру плавления (например, древесина, ткани и др.);
• пыли — диспергированные твердые вещества и материалы с
размером частиц менее 850 мкм.
В зависимости от агрегатного состояния (твердое, жидкое,
газообразное) горючего вещества и окислителя различают три
вида горения: гомогенное — горение газов и парообразных
горючих веществ в среде газообразного окислителя; гетерогенное —
горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного
окислителя; горение взрывчатых веществ и порохов.
По скорости распространения пламени горение подразделяют на
три вида:
• дефлаграционное, когда скорость равна нескольким метрам в
секунду;
• взрывное — десятки метров в секунду;
• детонационное — тысячи метров в секунду.
Большинству пожаров свойственно дефлаграционное горение.
Равномерное распространение горения устойчиво лишь в том слу-
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 361
чае, если оно сопровождается повышением давления. Когда горение
происходит в замкнутом пространстве или выход газообразных
продуктов сгорания затруднителен, то повышение температуры
приводит к интенсивному расширению газовых объемов и взрыву.
Возможен также механизм распространения горения, связанный
с ударными волнами. Ударная волна вызывает при своем
прохождении нагревание газа, и повышение его температуры может оказаться
достаточным для возникновения процесса горения. При своем
движении ударная волна как бы поджигает горючую смесь, т.е. горение
распространяется со скоростью, равной скорости волны. Причем
выделяющаяся при этом химическая энергия подпитывает ударную
волну, не давая ей затухать. Такой механизм распространения
горения называют детонацией. Поведение образовавшейся
детонационной волны и ее разрушающее действие не зависят от того, движется
она в открытом или замкнутом объеме. Это обстоятельство влияет
на возникновение волны, для которой необходим преддетонацион-
ный разгон пламени — расстояние от точки зажигания до места
возникновения детонационного горения. Поэтому горение
газообразных сред в емкостях редко переходит в детонацию и в основном
проявляется в трубах.
Для возникновения горения жидкости необходимо образование
горючей паровоздушной смеси около ее поверхности. Внесение
источника зажигания приводит к воспламенению или вспышке
паровоздушной смеси. При устранении источника зажигания в
зависимости от сложившихся условий может произойти либо прекращение
процесса горения, либо его распространение. В установившемся
режиме горение характеризуется двумя взаимосвязанными
процессами — испарением горючей жидкости и горением паровоздушной
смеси вблизи поверхности испарения. Существенное влияние на
скорость горения жидкости оказывает режим движения
газообразного окислителя (естественная, вынужденная конвекция), что
определяет не только тепломассоперенос в парогазовой смеси, но и
интенсивность межфазного теплообмена на свободной поверхности.
Таким образом, горение жидкостей представляет собой гомогенный
химический процесс горения паров этих жидкостей в кислородной
среде. Интенсивность процесса горения определяется скоростью
испарения, зависящей от подводимой к жидкости теплоты.
При анализе горения твердых веществ выделяют две
основные стадии процесса. Первая стадия связана с тем, что любое
твердое горючее вещество содержит компоненты, которые при
нагреве разлагаются и образуют летучую паровоздушную смесь,
горение которой полностью соответствует гомогенной газофазной хими-
362 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ческой реакции. После окончания выхода летучих компонентов
начинается вторая стадия процесса, для которой характерно
взаимодействие между веществами, находящимися в разных агрегатных
состояниях (твердое горючее вещество и газообразный окислитель).
Реакции такого типа называют гетерогенными, а процесс горения —
гетерогенным горением. Необходимо отметить, что при нагреве
пылевидных горючих частиц, который происходит очень быстро,
образование летучих фракций затягивается и продолжается в процессе
гетерогенного горения.
Показатели, применяемые при оценке пожаро- и взрывоопаснос-
ти веществ и материалов, приведены в табл. 10.9.
Таблица 10 9
Показатель пожаро- и взрывоопасное™
веществ и материалов
Группа горючести
Температура вспышки
Температура воспламенения
Температура самовоспламенения
Концентрационные пределы
распространения пламени (воспламенения)
Температурные пределы распространения
пламени (воспламенения)
Температура тления
Условия теплового самовозгорания
Минимальная энергия зажигания
Кислородный индекс
Способность взрываться и гореть при
взаимодействии с водой, кислородом воздуха
и другими веществами
Нормальная скорость распространения
пламени
Скорость выгорания
Коэффициент дымообразования
Индекс распространения пламени
Показатель токсичности продуктов
горения полимерных материалов
Минимальное взрывоопасное содержание
кислорода
Минимальная флегматизирующая
концентрация флегматизатора
Максимальное давление взрыва
Скорость нарастания давления взрыва
Примечание + — наличие показател
Агрегатное состояние веществ и
газы
+
—
—
+
+
—
—
—
+
—
+
—
—
—
—
+
+
+
+
j, — —
материалов
жидкости
+
+
+
+
+
+
+
—
+
—
+
+
+
—
—
—
+
+
+
+
отсутствие п
твердые
+
—
+
+
—
—
—
+
—
+
+
—
—
+
+
+
—
—
—
оказателя
пыли
+
—
+
+
+
—
—
+
—
—
+
—
—
—
—
—
+
+
+
+
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 363
Все вещества и материалы принято объединять в группы
горючести. Горючесть — способность вещества или материала к
горению. По горючести все вещества и материалы подразделяются
на три группы:
• негорючие (несгораемые) — вещества и материалы, не
способные к горению в воздухе (материалы минерального
происхождения и изготовленные на их основе — красный кирпич, силикатный
кирпич, бетон, камень, асбест, асбоцемент, минеральная вата,
большинство металлов и др.); при этом негорючие вещества могут быть
пожароопасными, например вещества, выделяющие горючие
продукты при взаимодействии в водой, кислородом воздуха или друг с
другом;
• трудногорючие (трудносгораемые) — вещества и
материалы, способные возгораться в воздухе от источника зажигания, но не
способные самостоятельно гореть после его удаления (материалы,
содержащие сгораемые компоненты, например древесина при
глубокой пропитке антипиренами, фибролит и т.п.);
• горючие (сгораемые) — вещества и материалы, способные
самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и
самостоятельно гореть после его удаления.
Из группы горючих веществ и материалов выделяют
легковоспламеняющиеся вещества и материалы. Легковоспламеняющимися
называют горючие вещества и материалы, способные воспламеняться
от кратковременного (до 30°С) воздействия источника зажигания с
низкой энергией (пламя спички, искра, тлеющая сигарета и т.п.).
Вспышка — быстрое сгорание горючей смеси, не
сопровождающееся образованием сжатых газов. Для более полного
представления процесса вспышки введено понятие температура вспышки —
самая низкая температура горючего вещества, при которой в
условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются
пары или газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но
скорость их образования еще не достаточна для устойчивого
горения. Этот показатель служит для оценки пожаро- и взрывоопасности
в основном горючих жидкостей, однако некоторые твердые вещества
(нафталин, фосфор, камфора и т.д.), заметно испаряющиеся при
нагреве, также могут оцениваться этим показателем.
Температуру вспышки горючей жидкости можно определить
экспериментально и расчетом с помощью эмпирической формулы Ор-
манди и Грэвена
ТВСП = 0,736 7КИП, (10.5)
где Ткт — температура кипения жидкости, К.
364 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Экспериментальное определение температуры вспышки
жидкости проводят нагреванием определенного количества ее с заданной
скоростью, при этом периодически поднимают температуру,
визуально регистрируя результат зажигания. Экспериментальное
определение температуры проводят как для открытых, так и для
закрытых тиглей. Для однокомпонентных веществ температура вспышки
постоянна, в то время как для сложных веществ она зависит от
состава и свойств компонентов. В табл. 10.10 приведены значения
температуры вспышки некоторых горючих и легковоспламеняющихся
жидкостей (ГЖ, ЛВЖ).
Таблица 10.10
Вещество
ГЖ
Трансформаторное масло (ГОСТ 10121-76)
Масло АМГ-300 (ТУ 38-1Г-1-68)
ЛВЖ
Ацетон
Этиловый спирт
Бензин А-72 (ГОСТ 2084-77)
Керосин (ГОСТ 4753-68)
Температура вспышки, °С
150
170
-18
13
-36
40
Легковоспламеняющимися называются жидкости с
температурой вспышки не более 61 °С в закрытом тигле или 66°С в открытом
тигле. Если жидкость подогреть до температуры более высокой, чем
температура вспышки, скорость образования паров может достичь
значений, достаточных для поддержки устойчивого горения смеси
паров с воздухом.
Не менее важным показателем, характеризующим процесс
горения, является температура воспламенения — наименьшая
температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний
вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что
после их зажигания возникает устойчивое пламенное горение.
Температуру воспламенения определяют экспериментально и
расчетным путем, она всегда выше температуры вспышки горючего
вещества. Для ЛВЖ эта разность составляет 1...5°С, для других веществ
равна 20°С и более За температуру воспламенения принимают
наименьшее ее значение, при котором пары вещества воспламеняются
от газовой горелки и продолжают гореть после ее удаления.
При достижении температуры самовоспламенения происходит
резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчиваю-
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 365
щихся пламенным горением. Экспериментальное определение этого
показателя пожароопасности заключается в измерении
минимальной температуры равномерно прогретого объема исследуемой
горючей смеси, при которой происходит самовоспламенение этого
объема в отсутствии источника зажигания. Температура
самовоспламенения вещества меняется в зависимости от концентрации,
давления, размеров, формы. Температура самовоспламенения
горючих веществ различается в больших пределах. У одних горючих
веществ она превышает 500...700°С, у других лежит в пределах
температуры окружающей среды. Вещества с высокой температурой
самовоспламенения горят только в результате нагрева. Вещества с
температурой самовоспламенения, лежащей в пределах
температуры окружающей среды, могут самовоспламеняться без нагрева, так
как окружающая среда нагревает их до температуры
самовоспламенения. Такие вещества представляют большую пожарную опасность
и называются самовозгорающимися, а процесс самонагревания их
до возникновения горения — самовозгорание. Самовозгорающиеся
вещества способны гореть и взрываться при взаимодействии с
водой, кислородом воздуха и другими веществами, они
представляют большую пожароопасность. К ним относятся бурые и каменные
угли, торф, серный колчедан, щелочные металлы и др.
Многообразие веществ и материалов предопределило различные
концентрационные пределы распространения пламени. Существуют
такие понятия как нижний и верхний концентрационные пределы
распространения пламени (воспламенения) — это соответственно
минимальное и максимальное содержание горючего в смеси
«горючее вещество — окислительная среда», при котором возможно
распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника
зажигания. Интервал концентраций между нижним и верхним
пределами называется областью распространения пламени
(воспламенения).
Важнейшей характеристикой взрывобезопасности паров и газов
горючих веществ является диапазон взрыааемости, который
учитывается при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и
пылей внутри технологического оборудования, трубопроводов, а
также при проектировании вентиляционных систем и при расчете
предельно допустимых взрывобезопасных концентраций горючих
веществ в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками
зажигания (ГОСТ 12.1.010-76 ССБТ. «Взрывобезопасность. Общие
требования»).
366 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Методы экспериментального и расчетного определения
концентрационных пределов распространения пламени установлены
ГОСТ 12 1 044-85 «Пожаро- и взрывоопасность веществ и
материалов Номенклатура показателей и методы их определения» (СТ СЭВ
1495-79). Перед проведением экспериментально-расчетных
процедур оценивают нижний и верхний концентрационные пределы
(в процентах) распространения пламени по газопаровоздушным
смесям исследуемого однокомпонентного вещества по формуле
Ф = —-——, (10.6)
а«Р + К
где 3 — стехиометрический коэффициент кислорода в уравнении
химической реакции горения данного горючего вещества:
(3 = тс + ms +
у + 2,5гар,
(10 7)
где т0т$,т#, тх, т0, тР — число атомов соответственно углерода,
серы, водорода, галогена, кислорода и фосфора в молекуле
соединения, ам, 6М — универсальные константы, значения которых
приведены в табл 10 11.
Таблица 1011
Определяемый предел распространения пламени
Нижний
Верхний при Р < 7,5
То же при р > 7,5
ам
8,684
1550
0,768
ьы
4,679
0,560
6,554
Например, для ацетона С3НбО.
+ 2,5 Шт
3 + 0 + -^-^--|+2,5 0 = 4,
Фн
100
8,6844
+ 4679 = 2,53% , фв
100
1,554 +0,560
= 14,8%
Значения нижнего концентрационного предела для некоторых
веществ приведены в табл. 10 12
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 367
Таблица 10 12
Наименование вещества
¦
Ацетон
Бензин АИ-93 (летний)
Бензин АИ-93 (зимний)
Бензол
Дивиниловый эфир
Дизельное топливо 3
1,2 Дихлорэтан
Диэтиловый эфир
Керосин осветительный КО-25
Ксилол (смеси изомеров)
Метиловый спирт
Толуол
Этиловый спирт
Аммиак
Ацетилен
Н Бутан
Водород
Винилхлорид
Диметиловый эфир
Изобутан
Изобутилен
Метан
Окись углерода
Окись этилена
Пропан
Пропилен
Сероводород
Формальдегид
Хлорэтан
Этан
Молеку
лярная
масса
Температура
вспышки,
°С
Пары ЛВЖ
58,1
98,2
95,3
78,1
70,1
172,3
69,0
74,1
154,7
106,0
32,0
92,1
46,1
Горючие
17,0
26,0
58,1
2,02
62,5
46,1
58,1
66,1
16,0
28,0
44,1
44,1
42,1
34,1
30,0
64,5
30,7
-18
-36
-37
-12
-30
35
12
-43
40
24
8
4
13
газы
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
Нижний
концентрационный предел
воспламенения
% по объему
2,91
1,05
1,1
1,43
2,0
0,61
4,6
1,9
0,66
1,0
6,7
1,25
3,61
17,0
2,5
1,8
4 09
4,0
3,49
1,81
1,78
5,28
12,5
3,66
2,31
2,3
4,0
7,0
3,92
3,07
г/м3
39
43
43
42
57
43
188
38,6
42
44
46,5
38
50
112
16
37
4,5
101
66
43
48
17
145
55
37
35
61
86
101
31
368 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
1 2
Фн, Ф„2
100
с, с2
Фв, Фв„
с„
Фн,
с/
Фв
Концентрационные пределы воспламенения смеси, состоящей из
нескольких взрывоопасных компонентов паров и газов, можно
определить по формулам:
100 ппе\
(10.9)
где С], С2,..., С„ — содержание компонентов в смеси, %; срн ,...,
Фн , фв ,..., фв — соответственно нижние и верхние
концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения)
отдельных компонентов в смеси с воздухом, %.
Пределы распространения пламени горючих смесей
непостоянны и зависят от следующих факторов:
• начальной температуры. Если температура повышается, то
диапазон взрываемости расширяется, причем нижний предел
становится меньше, а верхний — больше. Принято считать, что с
повышением температуры смеси на каждые 100°С нижний предел
уменьшается на 10% исходного значения, а верхний — возрастает на 15%.
Повышение начальной температуры горючей смеси за счет
снижения градиента температур приводит к уменьшению оттока из зоны
горения к исходной смеси. Это увеличивает скорость горения и
соответственно уменьшает время теплообмена горючей смеси с
окружающей средой. Снижение теплопотерь в горючей смеси ведет к
повышению ее температуры, и поэтому разбавленная воздухом
горючая смесь, не взрывающаяся при низкой температуре, становится
взрывоопасной при более высокой;
• давления горючей, смеси. Повышение давления выше
атмосферного для большинства смесей приводит к расширению области
воспламенения, а уменьшение давления сужает эту область. Каждая
смесь при любой концентрации и определенной температуре имеет
пороговое значение давления, ниже которого взрыв невозможен;
• наличия других примесей. Добавление негорючих газов
существенно снижает верхний предел распространения пламени.
При этом нижний предел распространения пламени почти не
изменяется, так как введение негорючей примеси незначительно влияет
на концентрацию кислорода, определяющего способность смеси к
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 369
взрыву. Увеличение концентрации негорючих веществ приводит
или может привести к тому, что смесь становится невзрываемой.
Этот эффект используется при тушении пожаров газов и паров.
В зону горения вводят негорючие газообразные вещества — флег-
матизаторы;
• характера источника воспламенения (например, мощности
электрического разряда). Каждой горючей смеси при определенных
условиях соответствует минимальная энергия воспламенения. Эту
энергию сообщают горючей смеси электрический разряд, дуга,
открытое пламя или другой источник тепла. Чем выше мощность
искры, тем вероятнее возникновение устойчивого горения и взрыва,
шире становится диапазон взрываемости. Опасность взрыва
горючей смеси возрастает, если увеличивается продолжительность
искрового разряда.
Определенной температуре жидкости соответствует
определенная упругость паров над поверхностью жидкости, что позволяет
определить взрывоопасность горючих веществ с учетом
температурных пределов воспламенения, т.е. с учетом температуры вещества,
при которой его насыщенные пары образуют в конкретной
окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему
(нижний температурный предел, %) и верхнему (верхний тем-.
пературный предел, %) концентрационным пределам
распространения пламени (воспламенения), %:
НП = (/>„¦ 100)//>атм; (10.10)
ВП = (/7В- 100)/Яатм, (10.11)
где рн, рв — давление насыщенных паров при температурах,
соответствующих нижнему и верхнему температурным пределам, Па;
Ратм — атмосферное давление, равное 9,8 ¦ 103 Па.
Значения температурных пределов воспламенения веществ
используют при расчете пожаро- и взрывобезопасных режимов работы
технологического оборудования, при оценке аварийных ситуаций,
связанных с разливом горючих жидкостей, а также для расета
концентрационных пределов воспламенения.
Твердые частицы горючего вещества, находясь во взвешенном
состоянии (аэрозоль), в смеси с воздухом (кислородом) могут гореть
с большой скоростью или взрываться.
Пыль, осевшая на поверхностях окружающих предметов,
может взрываться только после перехода во взвешенное
состояние. Взрывопасность пыли характеризуется нижним концентраци-
370 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
онным пределом воспламенения. По опасности воспламенения и
взрыва пыль разделяют:
• на взрывоопасную в состоянии аэровзвеси с нижним пределом
воспламенения до 15 г/м3;
• то же с нижним пределом воспламенения 16...65 г/м3
(древесная мука, угольная пыль и др.);
• пожароопасную с нижним пределом воспламенения, большим
65 г/м3, и температурой самовоспламенения, не превышающей
250°С (хлопковая пыль, элеваторная);
• пожароопасную с температурой самовоспламенения выше
250°С (цинковая пыль, древесная пыль и др.) и пределом
воспламенения ниже 65 г/ м3.
Характеристики пылей необходимо учитывать при разработке
безопасных температурных режимов работы технологического
оборудования, трубопроводов и сооружений, предназначенных для
хранения, транспортировки и работы с пожаро- и взрывоопасными
веществами.
Характеристики пожароопасных свойств некоторых твердых
горючих материалов приведены в табл. 10.13.
Таблица 10 13
Наименования твердых
горючих веществ
Алюминии
Пыли мучных разных культур
Нафталин
Пыль каменного угля марки Д
Сера
Эбонит
Смола эпоксидная
Композиции эпоксидные разные
Этилцеллюлоза
Сера
Мазут топочный
Масло вазелиновое
Масло приборное
Нижний
концентрационный предел
воспламенения, г/м3
40
20-63
25
31
2,3
76
17,2
22,3 32,8
37,8
2,3
—
—
—
Температура
самовоспламенения, °С
550
410
575
720
235
360
47,7
—
657
235
380
290
300
Большую роль в обеспечении экологической безопасности
окружающей среды играют горючесть и огнестойкость
строительных материалов. Согласно действующим в настоящее время
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 371
СНиП 2.01.01-85 строительные материалы подразделяются по
возгораемости на группы:
• несгораемые, которые под воздействием высоких температур
или огня не возгораются и не обугливаются (к ним относятся
большинство металлов и материалы минерального происхождения);
• трудносгораемые, которые способны возгораться и
продолжать гореть только при постоянном воздействии постороннего
источника возгорания (например, конструкции из древесины,
пропитанные или покрытые огнезащитными составами — антипиренами);
• сгораемые, которые способны самостоятельно гореть после
удаления источника возгорания (например, пластические
материалы).
В условиях пожара строительные конструкции подвергаются
воздействию высоких температур, собственной массы, нагрузки от
огнетушащих средств, энергии водяных струй и др. В результате
конструкции теряют прочность, деформируются или в них
возникают сквозные трещины. Способность конструкций зданий и
сооружений сохранять огнепреграждающую и несущую способность во
время пожара называется огнестойкостью, которая характеризуется
пределом огнестойкости, временем (в часах) от начала огневого
стандартного испытания конструкции до возникновения одного из
предельных состояний элементов и конструкций.
Согласно СНиП 2.0102-85 степень огнестойкости зданий
определяется минимальными пределами огнестойкости строительных
конструкций и максимальными пределами распространения огня по
этим конструкциям (табл. 10.14).
За предел распространения огня принимается размер (в
сантиметрах) поврежденной зоны образца в плоскости конструкции от
границы зоны нагрева до наиболее удаленной точки повреждения.
Если конструкция полностью выполнена из негорючих материалов,
то предел распространения огня можно принять равным нулю.
По нормативам, действующим в настоящее время, существует
пять степеней огнестойкости строительных конструкций. С
возрастанием степени предел огнестойкости уменьшается. Несущие
стены, колонны и стены лестничных клеток должны иметь предел
огнестойкости 2...3 ч, а межэтажные и чердачные перекрытия —
1 1,5 ч, противопожарные преграды не менее 2,5 ч. Повысить
огнестойкость зданий и сооружений можно облицовкой,
оштукатуриванием или пропиткой огнезащитными составами строительных
конструкций [2, 3].
Таблица 10 14
оо
to
Степень
огнестойкости
I
II
III
Ilia
IV
IVa
V
Примем
несущие
и
лестничных
клеток
2,5/0
2/0
2/0
1/0
0,5/40
0,5/40
а н и е Сс
самонесущие
1,25/0
1/0
1/0
0,5/0
0,25/40
0,25/40
крашение
Минимальные пределы огнестойкости строительны?
максимальные пределы распространения огня
Стены
наружные
ненесущие
(в том
числе из
навесных
панелей)
0,5/0
0,25/0
0,25/0
0,25/40
0,25/40
0,25/н н
«н н» означа
внутренние
ненесущие
(перегородки)
0,5/0
0,25/0
0,25/40
0,25/40
0,25/40
0,25/40
Колонны
2,6/0
2/0
2/0
0,25/0
0,5/40
0,25/0
Лестничные
площадки,
косоуры,
ступени,
балки и
марши
лестничных
клеток
1/0
1/0
1/0
1/0
0,25/25
0,25/0
Не нормируются
ет, что показатель не нормируется
; конструкций,
по ним, см
Плиты,
настилы
(в том числе
с
утеплителем) и
другие
несущие
конструкции
перекрытий
1/0
0,75/0
0,75/25
0,25/0
0,25/25
0,25/0
ч/
Элементы покрытий
плиты,
настилы
(в том числе
с
утеплителем и
прогоны)
0,5/0
0,25/0
н н/н н
0,25/25
н н/н н
0,25/н н
балки,
фермы,
арки,
рамы
0,5/0
0,25/0
н н/н н
0,25/0
н н/н н
0,25/0
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 373
Здания и сооружения для промышленных производств
выполняются из несгораемых материалов (силикатный кирпич,
железобетон). Например, стены, колонны и другие элементы зданий,
выполненные из красного кирпича, при температуре 900°С снижают
прочность на 15%. Наибольшей деформации при пожарах подвергаются
стальные конструкции, которые при 500. .700°С практически теряют
несущую способность.
Для повышения огнестойкости элементов, изготовленных из
сгораемых материалов (дерево, стеклопластики, пластмассы и др.), их
пропитывают солями фосфорнокислого и сернокислого аммония.
Наибольший эффект достигается, если древесина поглотила до
75 кг/м3 антипиренов.
Строительные материалы относят к негорючим, если они имеют
следующие параметры горючести: прирост температуры в печи не
более 50°С, потеря массы образца не более 50%,
продолжительность устойчивого пламенного горения не более 10 с Строительные
материалы относят к горючим, если они не удовлетворяют хотя бы
одному из указанных значений параметров.
Горючие строительные материалы в зависимости от
значений параметров горючести подразделяют на четыре гриппы
горючести: П, Г2, ГЗ, Г4 (табл 10.15)
Таблица 10 15
Группа
горючести
материалов
Г!
Г2
ГЗ
Г4
Температура
дымовых
газов t, °C
< 135
< 235
< 450
> 450
Парамет
Степень
повреждения
по длине Sw, %
< 65
< 85
> 85
> 85
ры горючести
Степень
повреждения
по массе Sm, %
< 20
< 50
< 50
> 50
Продолжительность
самостоятельного
горения t, "С
0
< 30
< 300
> 300
Определение фактических пределов огнестойкости строительных
конструкций в большинстве случаев осуществляют
экспериментальным путем. Основные положения методов испытаний конструкций на
огнестойкость приведены в ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции
строительные. Методы испытаний на огнестойкость Общие требования» и
ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на
огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции».
Потеря несущей способности определяется обрушением
конструкции или возникновением предельных деформаций и
обозначается R.
374 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Потеря ограждающих функций определяется потерей
целостности или теплоизолирующей способности Потеря целостности
наступает вследствие образования в конструкциях сквозных трещин
или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность
проникают продукты горения или пламя Это предельное состояние
обозначается Е
Потеря теплоизолирующей способности определяется
повышением температуры на необогреваемой поверхности
конструкции в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой
поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции
до испытания и обозначается /.
Класс пожарной опасности конструкции определяют исходя
из следующих факторов.
• температуры в огневой и тепловой камерах, предназначенных
для определения наличия теплового эффекта,
• способности к воспламенению газов, выделяющихся при
термическом разложении материалов образца,
• возможности образования горящего расплава
Одна и та же конструкция может принадлежать к различным
классам пожарной опасности в зависимости от времени теплового
воздействия Например
• КО (15) — конструкция класса КО при времени теплового
воздействия 15 мин (табл 10 16),
• К1 (30) — конструкция класса К1 при времени теплового
воздействия 30 мин,
• К1 (30)/ КЗ (45) — конструкция класса К1 при времени
теплового воздействия 30 мин и класса КЗ при времени теплового
воздействия 45 мин
СНиП 21-01-97 регламентирует классификацию зданий по
степени огнестойкости, пожарной опасности конструкций Степень
огнестойкости здания определяется огнестойкостью его конструкций
в соответствии с табл 10 17 Класс пожарной опасности
конструкций здания определяется степенью участия строительных
конструкций в развитии пожара и образовании его опасных факторов
(табл 10 18) Класс функциональной пожарной опасности здания
определяется его назначением и особенностями размещаемых в нем
технологических процессов
К несущим элементам здания относятся конструкции,
обеспечивающие его общую устойчивость и геометрическую неизменяемость
при пожаре — несущие стены, рамы, колонны, балки, фермы, арки,
связи, диафрагмы жесткости и т п
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 375
Таблица 10 16
Класс
пожарной
опасности
конструкции
КО
К1
К2
КЗ
Примеча
Допускаемый
размер
повреждения
конструкции, см
вертикальной
0
До 40
До 40
> 40,
но < 80
> 40,
но < 80
ние НД
горизонтальной
0
До 25
До 25
> 25,
но < 50
> 25,
но < 50
— не дог
Наличие
теплового
эффекта
НД
НД
HP
HP
HP
Не р
ускается
горения
НД
НД
НД
НД
НД
егламент
HP — н
Допускаемые характеристики
пожарной опасности
поврежденного материала
Горючесть
—
HP
Г2
HP
ГЗ
меняемость
—
HP
В2
HP
ВЗ
Дымообразующая
способность
—
HP
Д2
HP
Д2
ируются
; регламентируется
Таблица 10 17
Степень
огнестойкости
зданий
I
II
III
IV
Максимальные пределы огнестойкости
строительных конструкций, мин
Несущие
элементы
здания
R 120
R45
R 15
Наружные
стены
RE30
RE 15
RE 15
Перекрытия
межэтажные,
чердачные и
над подвалом
REJ 60
REJ 45
REJ 15
Не норм
Покрытия
бесчердачные
RE 30
RE 15
RE 15
ируются
Лестничные клетки
внутренние
площадки
и стены
REJ 120
REJ 90
REJ45
марши и
лестницы
R60
R45
R30
Таблица 10 18
Класс
пожарной
опасности
конструкций
СО
С1
С2
СЗ
Допускаемые классы пожарной опасности строительных
конструкций
Несущие
стержневые
элементы
(колонны,
ригели,
фермы и др )
КО
К2
КЗ
Стены
наружные
с
внешней
стороны
К1
К2
КЗ
Стены,
перегородки,
перекрытия
и
бесчердачные
покрытия
КО
К1
К2
Стены
лестничных клеток
и противо
пожарные
преграды
КО
КО
К1
Не нормируются
Марши и
площадки
лестниц
КО
КО
К1
376 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Пределы огнестойкости заполнения проемов (дверей, ворот,
окон) не нормируются, за исключением проемов в противопожарных
преградах.
В случаях, когда в качестве минимального требуемого предела
огнестойкости указан R15 (RE15 или REJ15), допускается
применять незащищенные стальные конструкции независимо от их
фактического предела огнестойкости за исключением случаев, когда
предел огнестойкости таких конструкций составляет менее R8.
Заполнения проемов в ограждающих конструкциях здания по
пожарной опасности не нормируются, за исключением проемов в
противопожарных преградах.
По функциональной принадлежности все здания и помещения
подразделяются на классы по пожарной опасности в зависимости
от способа их использования и от того, в какой мере безопасность
людей в случае возникновения пожара находится под угрозой. При
этом учитываются их возраст, состояние (сон или бодрствование)
контингента, число и др. Здания и помещения, связанные с
постоянным или временным проживанием людей, а также детские
дошкольные учреждения и больницы относятся к классу Ф1.
Зрелищные и культурно-просветительные учреждения (например, театры,
кинотеатры, концертные залы) относятся к классу Ф2. К классу ФЗ
относятся предприятия по обслуживанию населения, в которые
входят предприятия торговли и общественного питания. Учебные
заведения, научные и проектные организации, учреждения управления
составляют класс Ф4. Производственные и складские здания и
помещения относятся к классу Ф5. К этому же классу принадлежат
производственные и лабораторные помещения, складские здания и
помещения, стоянки автомобилей без технического обслуживания,
книгохранилища и архивы, сельскохозяйственные здания.
Производственные и складские помещения, а также лаборатории и
мастерские в зданиях классов Ф1, Ф2, ФЗ, Ф4 относятся к классу Ф5.
При определении степени огнестойкости зданий следует
руководствоваться СНиП 2ч01.02-85, СНиП 2.08.02-89, СНиП 2.09.02-89.
Строительными нормами и правилами СНиП 21-01-97
«Пожарная безопасность зданий и сооружений» регламентируются
требования к конструктивным, объемно-планировочным и
инженерно-техническим решениям, обеспечивающим в случае пожара:
• возможность эвакуации людей, независимо от их возраста и
физического состояния, из здания до наступления угрозы их жизни
и здоровью вследствие воздействия опасных факторов пожара;
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 377
• возможность спасения людей в случаях, установленных СНиП
2.01.02-85;
• возможность доступа пожарных и подачи средств
пожаротушения к очагу пожара, а также проведения мероприятий по
спасению людей и материальных ценностей;
• ограничение прямого и косвенного материального ущерба,
включая содержимое здания и само здание, при экономически
обоснованном соотношении возможного материального ущерба в
результате пожара и расходов на противопожарные мероприятия,
пожарную охрану и ее техническое оснащение;
• нераспространение пожара на здания, расположенные рядом.
10.5. Установление категорий производств
по пожарной и взрывной опасности
Пожаро- и взрывоопасность производств, зданий и сооружений,
в которых размещаются производства, оценивается с учетом
пожаро- и взрывоопасных свойств и количества обращающихся веществ
и материалов и регламентируется нормативными документами [2,
6]. Оценить пожаро- и взрывоопасность производства можно двумя
методами: установлением количественных показателей категорий
производств и расчетом вероятности достижения определенного
уровня пожаро- и взрывоопасное™. Вероятностный подход более
совершенен, так как позволяет находить оптимальные конструктивные
и технические решения для конкретных объектов. К достоинствам
детерминированного подхода можно отнести сравнительную
простоту, однозначность решений.
Категории пожаро- и взрывопожарной опасности помещений и
зданий определяют для наиболее неблагоприятного в отношении
пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в
аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества
и пожароопасных свойств, особенностей технологических
процессов.
В настоящее время основополагающим документом,
устанавливающим степень пожаро- и взрывоопасное™ проектируемого
объекта, являются нормы «Определение категорий помещений и зданий
по взрывопожарной и пожарной опасности. НПБ 105-95», которыми
предусматривается установление категорий промышленных и
складских помещений, зданий и сооружений в соответствии с табл. 10.19.
Эта методика достаточно проста и универсальна и является основой
378 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
для определения требований к планировке и застройке, этажности,
конструктивным решениям, размещению инженерного
оборудования, безопасности людей
Таблица 10 19
Категория
помещения
А — взрыво
пожароопасная
Б — взрыво
пожароопасная
В1-В4 — по
жароопасная
Г
Д
Характеристика веществ и материалов, находящихся в
помещении
Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с темпера
турой вспышки не более 28°С в таком количестве, что могут
образовывать парогазовоздушные смеси, при воспламенении
которых развивается избыточное давление взрыва в помещении,
превышающее 5 кПа Вещества и материалы, способные
взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом
воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное
избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа
Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости
с температурой вспышки более 28°С, горючие жидкости в таком
количестве, что могут образовывать взрывоопасные
пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении
которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в
помещении, превышающее 5 кПа
Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и
трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и
волокна), вещества, материалы, способные при взаимодействии
с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть при
условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или
обращаются, не относятся к категории А или Б
Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или
расплавленном состоянии, процесс обработки которых
сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени
горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются
или утилизируются в качестве топлива
Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии
При определении категории учитывается возможность
аварийной разгерметизации одной наиболее крупной единицы
технологического оборудования с наиболее пожаро- и взрывоопасным
веществом, а также возможность натекания продуктов из подводящих
коммуникаций за время до отключения соответствующих
трубопроводов Количественным критерием установления категории
является избыточное давление АР, которое может развиваться при
взрывном сгорании максимально возможного скопления взрывоопасных
веществ в помещении
Под пожарной нагрузкой понимается энергия, выделяемая при
сгорании горючих материалов, занимающих 1 м2 пола
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 379
Избыточное давление определяется по формуле
mHrPr.Z 1
АР = — -У, (10 12)
где т — масса горючего газа, пара ЛВЖ или взвешенной в воздухе
горючей пыли, поступившей из разгерметизированного
технологического оборудования, кг, Нг — теплота сгорания истекающего
вещества, кДж/кг, Р0 — атмосферное давление, 101 кПа, Z —
коэффициент участия горючего вещества во взрыве (Z = 0,5 для газов
и пылей, Z = 0,3 для паров жидкости, Z = 1 для водорода), Vn —
свободный объем помещения, принимаемый равным 0,8
геометрического объема, м3, рв — плотность воздуха (принимается равной
1,2 кг/м3), Св — теплоемкость воздуха (принимается равной
1,01 кДж/(кг К)), Т0 — температура в помещении (принимается
равной 293 К), Ки — коэффициент, учитывающий негерметичность
помещения (принимается равным 3), К = At + 1 — коэффициент,
учитывающий аварийную вентиляцию, А — кратность
воздухообмена, с"1, t — время поступления взрывоопасных веществ в
помещение, с
Коэффициент К учитывается, если аварийная вентиляция
оборудована резервными вентиляторами, автоматическим пуском при
достижении взрывоопасной концентрации и электропитанием по
первой категории надежности (по Правилам устройства
электроустановок — ПУЭ)
С учетом численных значений показателей формулу (10 12)
можно представить в виде
0,096 mHTZ 1
АР = тт——^ (Ю13)
Величина m из (10 12), (10 13) рассчитывается в зависимости
от агрегатного состояния горючего вещества
1 При разгерметизации аппарата с горючим газом (ГГ)
m = (V, + VT)p, (10 14)
гдеУ, = Van-fp-^r объем газа, поступившего из аппарата, м3
"о 'о
(Van — объем аппарата, м3, Рап — давление в аппарате, кПа, Т, Т0 —
температура в аппарате и в помещении, К), Vr = Vlr+ У2т — объем
газа, вышедшего из трубопроводов, м3, р — плотность газа при
нормальных условиях, кг/м3, Vb - gt — объем газа, выходящего из
380 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
подводящего трубопровода, м3 (g — расход газа из трубопроводов,
м3/с; t — время отключения трубопроводов, с); У2т = 0,01 rl —
объем г. за, вышедшего из трубопроводов после их отключения (г —
радиус сечения трубопровода, м; / — длина трубопровода от
аппарата до задвижки, м).
2 При разгерметизации оборудования с ЛВЖ
т = тр + тп+ т0, (10.15)
где т — масса жидкости, испарившейся при разливе, кг; тп —
масса жидкости, испарившейся с поверхности аппарата, кг, т0 —
масса жидкости, испарившейся со свежеокрашенной
поверхности, кг.
При этом
тр= ЙТ/Л,, (10.16)
где WH = 10_6 г\*{МРн — скорость испарения, кг/(м2 • с) (г) —
коэффициент учета движения воздуха по табл. 10.20; М —
молекулярная масса ЛВЖ; Рн — давление насыщенных паров при
расчетной температуре, кПа), Fn — поверхность разлива, принимаемая 1
л на 1 м2, если ЛВЖ содержит более 70% растворителя и 1л на
0,5 м2 в остальных случаях, ти — время испарения (принимается
по времени полного испарения, но не более 3600 с).
Таблица 10 20
Скорость
воздуха, м/с
0
0,1
0,2
0,5
1
Значение т| при температу
10
1,0
3,0
4,6
6,6
10,0
5
1,0
3,6
3,8
5,7
8,7
20
1,0
2,4
3,5
5,4
7,7
ре воздуха, °С
30
1,0
1,8
2,4
3,6
5,6
35
1,0
1,6
2,3
3,2
4,6
3. При наличии взрывоопасной пыли
т - твз + тав, (10.17)
где твз = kB3mn — масса взвихрившейся пыли; ?вз=0,9 — доля
взвешенной пыли, тп = kT/ky(ml + m2), kr — доля горючей пыли; k —
коэффициент эффективности уборки, принимаемый при ручной
сухой 0,6, при влажной 0,7, при механизированной на ровном полу
0,9 и на полу с выбоинами 0,7; т{ - М\{{ - ос) ^ — масса пыли,
оседающей за межуборочный период, кг; Mj — масса пыли, выде-
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 381
лившейся за этот период из оборудования, кг; а — доля пыли,
удаляемой вентиляцией, в отсутствие экспериментальных сведений о
значении а полагают а = 0; $х — доля пыли на труднодоступных
местах, обычно Р1 = 1; тав = (тап + gt) Kn (тап — масса пыли,
выброшенной при аварии из аппарата, кг; Кп — коэффициент пы-
ления, равный 0,5 при размере частиц более 350 мкм и 1,0 при
размере частиц менее 350 мкм; g — производительность с которой
продолжается поступление пылевидных веществ в аварийный
аппарат по трубопроводам до момента их отключения, кг • с-1; t —
время отключения, с).
Количество пыли, которое может образовывать
взрывоопасную смесь, определяется из следующих предпосылок:
• расчетной аварии предшествовало пыленакопление в
производственном помещении, происходящее в условиях нормального
режима работы (например, вследствие пылевыделения из
негерметичного производственного оборудования),
• в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные
работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических
аппаратов, за которой последовал аварийный выброс в помещение
всей находившейся в аппарате пыли.
Определение категорий В1-В4 осуществляется путем сравнения
максимального значения удельной пожарной нагрузки q, МДж/м2,
с данными табл. 10 21.
Величина q определяется уравнением
q = Q/S, (10.18)
где Q = GtQH; Gl — количество г'-го материала пожарной нагрузки,
кг; QH — низшая теплота сгорания г'-го материала пожарной
нагрузки, МДж/кг; S — площадь размещения пожарной нагрузки, м2 (но
не менее 10 м2).
Таблица 10 21
Категория
В1
В2
ВЗ
В4
Удельная пожарная нагрузка
q на участке, МДж/ м2
Более 2200
1401 2200
181 1400
1 180
Распределение
Не нормируется
Допускается несколько участков с
пожарной нагрузкой, не превышающей
указанных значений q
То же
На любом участке площадью 10 м2
Расстояние между участками должно быть более / (табл. 10.22).
382 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 10 22
Критическая плотность лучистых
потоков qKp, кВт/м2
V м
5
12
10
8
15
6
20
5
25
4
30
3,8
40
3,2
50
2,8
Значения критической плотности лучистых потоков от очагов
пожара из твердых материалов даны в табл. 10.23.
Таблица 10 23
Материал
Древесина
Древесно-стружечные плиты (плотность
417 кг/м)
Хлопок
Слоистый пластик
Стеклопластик
Пергамин
Резина
Рулонная кровля
Критическая плотность лучистых
потоков qKP, кВт/м2
13,9
8,3
7,5
15,4
15,3
17,4
14,8
17,4
Величина /„принимается при h > 11 м (А — высота помещения),
а при А < 11 м / = /пр + (11 - А). Для пожарной нагрузки с
неизвестным значением q значения /п > 12 м. При проливе горючих
жидкостей /п между соседними участками разлива рассчитывается
по формулам:
/пр> 15 при А > 11 м; /пр> 26 - А при А < 11 м. (10.19)
Если при определении категорий В2 или ВЗ реализуется условие
Q > 0, 64qh2, (10.20)
то помещение должно быть отнесено к категориям В1 и В2
соответственно.
Для веществ и материалов, способных взрываться и гореть при
взаимодействии с водой, воздухом или друг с другом, при расчете
АР значение коэффициента Z принимается равным 1; Ят — энергия
взаимодействия.
После установления категорий помещений устанавливают
категории зданий в целом в соответствии со следующими
правилами. Здание относится к категории А, если в нем суммарная
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 383
площадь помещений категорий А превышает 5% площади всех
помещений или 200 м2. Допускается не относить здание к категории
А, если суммарная площадь помещений категории А в здании не
превышает 25% суммарной площади всех размещенных в нем
помещений (но не более 1000 м2), и эти помещения оборудуются
установками автоматического пожаротушения.
Здание относится к категории Б, если одновременно
выполнены два условия:
• здание не относится к категории А;
• суммарная площадь помещений категорий А и Б превышает
5% суммарной площади всех помещений или 200 м2.
Допускается не относить здание к категории Б, если суммарная
площадь помещений категорий А и Б не превышает 25% суммарной
площади всех размещенных в нем помещений (но не более 1000 м2)
и эти помещения оборудуются установками автоматического
пожаротушения.
Здание относится к категории В, если одновременно
выполнены два условия:
• здание не относится к категориям А или Б;
• суммарная площадь помещений категорий А, Б, В превышает
5% (10%, если в здании отсутствуют помещения категорий А и Б)
суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категории В, если суммарная
площадь помещений категорий А, Б, В в здании не превышает 25%
суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но не
более 3500 м2) и эти помещения оборудуются установками
автоматического пожаротушения.
Здание относится к категории Г, если одновременно
выполнены два условия:
• здание не относится к категориям А, Б или В;
• суммарная площадь помещений А, Б, В и Г превышает 5%
суммарной площади всех помещений.
Допускается не относить здание к категории Г, если суммарная
площадь помещений категорий А, Б, В и Г в здании не превышает
25% суммарной площади всех размещенных в нем помещений (но
не более 5000 м2) и помещения категорий А, Б, В оборудуются
установками автоматического пожаротушения.
Здание относится к категории Д, если оно не относится к
категориям А, Б, В или Г.
Требования технологической взрывобезопасности
регламентируются «Общими правилами взрывобезопасности для взрывоопас-
384 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ных химических и нефтехимических производств». Согласно этому
документу степень взрывоопасное™ технологических блоков
определяется суммарным энергетическим потенциалом ?, кДж, по
формуле
? = ?1' + ?2' + ?1" + ?2" + ?3. (10.21)
Под технологическим блоком понимается аппарат или группа
аппаратов, которые в заданное время могут быть отключены от
технологической схемы без опасных изменений технологического
режима.
Детальный анализ выражения (10.21) показывает, что
существенный вклад в суммарный потенциал дают.
• ?/ = G'q' — энергия сгорания парогазовой фазы (ПГФ),
находящейся в аварийном аппарате, кДж, где С — масса ПГФ в
аварийном аппарате, кг; q' — теплота сгорания ПГФ, кДж/кг;
• ?2' = ^G/i?,' — энергия от сгорания ПГФ из смежных
аппаратов, кДж; G' — масса ПГФ из смежных аппаратов, кг; q/ —
теплота сгорания ПГФ из смежных аппаратов, кДж/кг;
q'
• ?/' = G"C"Q — — энергия сгорания ПГФ, образующейся из
перегретой (выше температуры кипения) жидкой фазы (ЖФ),
поступающей из аварийного и смежных аппаратов, кДж; G" — масса
ЖФ, кг; С" — теплоемкость ЖФ, кДж/ (кг • с); Q — перегрев ЖФ,
с, q' — теплота сгорания кДж/ кг, г — теплота парообразования
кДж/ кг;
• ?3 = Gx"q' — энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ,
кДж; Gx" — масса паров, образуемых при испарении ЖФ, кг; q' —
теплота сгорания, кДж/ кг.
Значения Е используются для определения массы
взрывоопасного парогазового облака т, приведенного к тротиловому
эквиваленту, а также относительного энергетического потенциала QB
технологического блока:
т = ?/(4,6 • 104), (10.22)
QB=VF/16,534 (10.23)
По значениям т и QB устанавливаются категории
технологических блоков по взрывоопасное™ (табл. 10.24).
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 385
В зависимости от категории взрывоопасное™ нормами
устанавливаются определенные ограничения и назначаются необходимые
для обеспечения взрывобезопасности мероприятия.
Таблица 10 24
Категория взрывоопасности технологических блоков
I
II
III
<Эв
> 37
27 37
< 27
т, кг
> 5000
2000 5000
< 2000
С помощью рассмотренных методик и нормативных документов
производится оценка возможности и масштабов образования пожа-
ро- и взрывоопасных сред.
10.6. Классы взрывоопасных зон в соответствии с ПУЭ
Для возникновения пожара или взрыва необходим источник
воспламенения. Наиболее распространенными источниками являются
источники электрического происхождения Правила устройства
электроустановок (ПУЭ) диктуют требования к выбору
электрооборудования с учетом степени взрыво- и пожароопасности объекта.
Степень взрыво- и пожароопасности объекта при этом
характеризуется взрывоопасными и пожароопасными зонами.
Взрывоопасные зоны подразделяются на шесть классов.
Взрывоопасная зона класса 0 — пространство, в котором
газопаровоздушная взрывоопасная среда присутствует постоянно в
течение длительного времени.
Взрывоопасная зона класса 1 — пространство, в котором
газопаровоздушная взрывоопасная среда может образовываться при
нормальной работе.
Взрывоопасная зона класса 2 — пространство, в котором
газопаровоздушная взрывоопасная среда не может образоваться при
нормальной работе, а лишь кратковременно в результате аварийной
ситуации.
Взрывоопасная зона класса 3 — пространство в помещении,
характеризуемое как взрывоопасная зона класса 2, но
отличающееся одной из следующих особенностей:
• горючие газы имеют значение нижнего концентрационного
предела (НКПР) 15% (по объему) и выше и обладают резким
запахом (например, аммиак),
13-4910
386 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• горючие газы и ЛВЖ имеются в таких количествах, что при
их воспламенении и сгорании расчетное избыточное давление не
превысит 5 кПа.
Зоны не относятся к взрывоопасным в случаях, если работа
с горючими газами и ЛВЖ производится в вытяжных шкафах или
под вытяжными зонтами и расчетное избыточное давление не
превышает 0,5 кПа
Взрывоопасная зона класса 5 — пространство в помещениях,
в котором может образоваться взрывоопасная пылевоздушная смесь
при нормальной работе технологического оборудования и при ее
воспламенении и сгорании может развиться избыточное давление
свыше 5 кПа.
Взрывоопасная зона класса 6 — пространство в помещении, в
котором опасные состояния, указанные для зоны класса 5, могут
создаваться лишь при аварийных ситуациях.
Пожароопасные зоны подразделяются на три класса.
Пожароопасная зона класса П-1 — пространство в помещении,
в котором имеются горючие жидкости
Пожароопасная зона класса ПН — пространство в
помещении, в котором может образоваться пылевоздушная смесь, но при
ее воспламенении и сгорании избыточное давление не будет
превышать 5 кПа
Пожароопасная зона класса П-Ш — пространство вне
помещения, в котором имеются горючие жидкости, пыли, волокна,
твердые вещества, в том числе волокнистые горючие материалы.
По ПУЭ принимается, что в том случае, когда АР > 5 кПа,
взрывоопасная зона занимает весь объем помещения. При локальном
образовании взрывоопасной смеси, характеризуемой АР < 5 кПа,
взрывоопасную зону принимают в виде цилиндра вокруг аппарата
радиусом и высотой 5 м. Причем для тяжелых газов и паров высота
берется от пола, а для легких газов (водород) — от потолка.
При избыточном давлении взрыва пылевоздушной смеси, паров
перегретых жидкостей не более 5 кПа принимается пожароопасная
зона класса П-П или П-I соответственно
В основе вероятностного подхода к оценке пожаро- и
взрывоопасное™ различных объектов, предусмотренного ГОСТ 12.1 004-91
«Пожарная безопасность Общие требования», лежит выражение
<?офп= Q„ (1 - Ял) (1 - Ря) < Q<W (Ю.24)
где <2офп — вероятность достижения в течение года предельных
значений опасных факторов пожара (ОФП), год, Qn — вероятность
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 387
возникновения пожара или взрыва, год; Рп, Рг — вероятностная
эффективность противопожарных и противовзрывных
мероприятий профилактического и активного (например, устройство
систем пожаротушения и взрывозащиты) характера соответственно;
Qo<t>n ~ Ю~6 Г°Д — нормативная вероятность воздействия на людей
ОФП.
Предельные значения ОФП, превышение которых с
вероятностью, выше нормативной, не допускается, приведены в табл. 10.25.
Таблица 10 25
ОФП
Обрушение конструкций
Температура, °С
Тепловое излучение, Вт/м2
Содержание СО в воздухе, % (по объему)
Содержание С02 в воздухе, % (по объему)
Содержание кислорода, % (по объему)
Потеря видимости на пожаре, раз
Предельное значение
Недопустимо
70
500
0,1
6,0
Не менее 17,0
2,4
Вероятность возникновения пожара или взрыва в течение года
рассчитывается по формуле
<2П = <2ГС<2ИЗ, (10.25)
где Qrc = QrQ0 — вероятность образования горючей смеси (Qr —
вероятность появления горючего вещества, Q0 — вероятность
появления окислителя, обычно Q0 = 1); QH3 = QT Q_,Qt — вероятность
появления источника зажигания; QT — вероятность появления
теплового источника; Q3 — вероятность достаточности энергии
источника, Qt — вероятность достаточности времени существования
источника
Вероятность появления достаточного для образования
взрывоопасной смеси количества горючего вещества можно рассчитать по
формуле
Q = 1 -е-Ч (10.26)
где X — интенсивность отказов оборудования в течение года, с-1;
т — общее время работы оборудования в течение года, ч.
Значения X вычисляется на основе данных о надежности
технологического оборудования, которые содержатся в документации на
оборудование.
13*
388 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Определение QH3 производится путем анализа условий
появления в соответствующем объекте источника, температура, энергия и
время контакта которого с горючей средой достаточны для
зажигания. Оценка величин Рн и Ра производится по надежности
функционирования соответствующих устройств и систем.
10.7. Установление категорий пожароопасных помещений
Для обеспечения правильного выбора электрооборудования
ПУЭ устанавливают классификацию пожароопасных помещений.
Пожароопасными называют помещения (или наружные
установки) , в которых, применяют или хранят горючие вещества.
Пожароопасные помещения согласно ПУЭ подразделяют на
следующие классы.
Класс П-1 — помещения, в которых применяют или хранят
горючие жидкости с температурой вспышки выше 61°С (например,
склады минеральных масел, установки по регенерации минеральных
масел и т.п.).
Класс П-Н — помещения, в которых происходит выделение
горючей пыли или волокон, переходящих во взвешенное состояние.
Возникающая при этом опасность ограничена пожаром (но не
взрывом) либо из-за физических свойств пыли волокон (степень
измельчения, влажность, при которых нижний предел воспламенения
составляет 65 г/м3), либо из-за того, что содержание их в воздухе по
условиям эксплуатации не достигает взрывоопасных концентраций
(например, малозапыленные помещения мельниц,
деревообделочные цехи и др).
Класс П-Иа — производственные и складские помещения,
содержащие твердые или волокнистые горючие вещества (дерево,
ткани и т.п.), причем признаки, перечисленные для класса П-И,
отсутствуют
Класс П-Ш — наружные установки, в которых применяют или
хранят горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61°С
или твердые горючие вещества.
Зоны в помещениях и зоны наружных установок, в которых
твердые, жидкие и газообразные горючие вещества сжигаются в
качестве топлива или утилизируются путем сжигания, не относятся в
части их электрооборудования к пожароопасным.
В табл. 10.26 представлены сведения по классификации
некоторых характерных для теплоэнергетики взрыво- и пожароопасных
зон, основанные на действующих руководящих материалах.
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 389
Таблица 10 26
Наименование и характеристика
взрыво- и пожароопасной зоны
Котельные Топливоподачи и
дробильные отделения для угля, над-
бункерные и транспортные
галереи, разгрузочные и приемные
устройства
Дробильные отделения для
фрезерного торфа
Пылеприготовительные отделения
Открытые транспортные галереи
угля и торфа
Насосные станции жидкого
топлива и присадок
Наружные приемно-сливные
устройства жидкого топлива
Компрессорные станции
Помещения масляного хозяйства
Ацетиленовые станции,
генераторные установки с
герметизированной загрузкой генераторов и илоу-
даления
То же с газовыделениями при
загрузке генераторов и илоудаления
Компрессия, сушка и очистка аце
тилена
Наполнительные баллоны
газгольдерные установки внутренние), ре-
монтно испытательные устройства
Обращающиеся в производстве
горючие вещества и ЛВЖ
Угли разных марок
Торфяная пыль
Ленинск-Кузнецкие каменные угли
марки Д и другие угли с ниж-ним
концентрационным пределом
воспламенения пыли до 65 г/м3
Угли с нижним
концентрационным пределом воспламенения пы
ли более 65 г/м3
Кусковой уголь, торф
Мазут и другие ГЖ и ЛВЖ
Горючие газы
Ацетилен
Класс
взрыво-
пожаро-
опасных
зон
П-Н
В На
В-На
П-Н
П-Ш
П-1
В-1а
В-1а
П-1
В-1а
В-1
В 1а
В-1а
10.8. Средства и способы огнетушения
Эффективность тушения пожаров, особенно в начальной стадии
его возникновения, зависит от правильного выбора способов и
средств тушения пожара, огнетушащих веществ и умения их
применять, а также оперативности средств связи, сигнализации и пуска
стационарных огнегасительных установок и систем
390 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 10 27
Класс
пожара
А
В
С
D
Е
Характеристика горючей среды
или объекта
Обычные твердые горючие
материалы дерево, уголь, бумага, резина,
текстиль и др
Горючие жидкости и плавящиеся
при нагревании материалы мазут,
бензин, лаки, масла, спирты,
стеарин, каучук, синтетические
материалы и др
Горючие газы водород, ацетилен,
углеводорода и др
Металлы и их сплавы калий,
натрий, алюминий, магний и другие ме-
таллосодержащие соединения
Электроустановки, находящиеся под
напряжением
Огнетушащие средства
Все виды огнетушащих средств,
прежде всего вода
Распыленная вода, все виды пен,
составы на основе галоидалкидов,
порошки, аэрозольные огнетушащие
средства (АОС)
Газовые составы инертные
разбавители N) С02, галоидуглеводоро-
ды, порошки, вода для охлаждения,
АОС
Порошки при спокойной подаче на
горящую поверхность
Галоидуглеводороды. диоксид
углерода, порошки, АОС
Горение прекращается при выполнении одного из следующих
условий ликвидации горючего вещества из зоны горения или
снижения его концентрации, снижения процентного содержания
кислорода в зоне горения до пределов, при которых горение невозможно;
понижения температуры горючей смеси до температуры ниже
температуры воспламенения.
Прекращение горения достигается различными способами и
приемами тушения пожаров, главными из которых являются следующие
1 Охлаждение зоны реакции или самих веществ. Его можно
осуществить охлаждением горящих веществ и материалов путем
нанесения на их поверхность огнетушащих веществ в виде воды или
пены, а также охлаждением горящих жидкостей путем активного
перемешивания. При этом температура верхнего слоя жидкости
понижается и поступление горючих паров в зону сгорания резко
снижается.
2. Разбавление реагирующих веществ. Оно может быть
осуществлено снижением концентрации кислорода при введении в зону
горения негорючих газов (например, азота или углекислого газа)
или разбавлением горючих веществ негорючими (например,
этилового спирта водой).
3 Химическое торможение реакции сгорания. Это происходит
благодаря подаче на поверхность горящих веществ и материалов так
называемых ингибиторов (замедлителей реакции) или подачей
ингибиторов в воздух, поступающий в зону сгорания
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 391
4. Изоляция реагирующих веществ от зоны сгорания. Она
выполняется созданием изолирующего слоя в горючих материалах
путем нанесения на их поверхность огнетушащих веществ, а также
созданием разрывов в горючих материалах путем их разборки или
удаления из зоны пожара.
Для тушения пожаров применяют, воду, водные эмульсии га-
лоидированных углеводородов, химическую и
воздушно-механическую пену, водяной пар, углекислоту, инертные газы, порошки и
различные комбинации этих составов. Необходимое средство тушения
пожара выбирают исходя из условия совместимости его с горящим
материалом, т.е. условия, исключающего появление вредных
побочных явлений (взрывы, образование ядовитых газов и т.п.)
В зависимости от физико-химических свойств горючих
материалов и возможности их тушения различными средствами пожары
классифицируются в соответствии с табл. 10 27.
Вода является наиболее распространенным и дешевым
средством тушения пожаров, она обладает большой теплоемкостью и
высокой теплотой парообразования, что обеспечивает интенсивное
охлаждение зоны горения. Кроме того, образующийся пар вытесняет
воздух и затрудняет доступ кислорода к очагу пожара Воду
применяют для тушения пожаров твердых сгораемых материалов,
создания водяных завес и охлаждения объектов, расположенных вблизи
очага горения. Запрещается тушить водой нефтепродукты, многие
горючие жидкости, не смешивающиеся с водой (например, бензол),
электроустановки, находящиеся под напряжением, щелочные
металлы, гидриды металлов.
Химическую и воздушно-механическую пену используют,
когда применение воды исключено или малоэффективно Пены
являются эффективным и удобным средством тушения пожаров,
область применения их широка. Они обладают стойкостью к
воздействию горючего вещества, лучистой теплоты, открытого пламени,
хорошо растекаются по поверхности.
Химическая пена образуется при контакте пеногенераторного
порошка с водой При растворении порошков в воде происходит
реакция между кислотной и щелочной частями порошка с выделением
углекислого газа, который с пенообразующим средством образует
пену Кислотная часть пеногенераторного порошка представляет
собой соль какой-либо кислоты (обычно серной), а щелочная
часть — углекислую соль со вспенивателем (солодковый экстракт,
белковый пенообразователь) Используют химическую пену для
тушения водонерастворимых малополярных горючих жидкостей
(бензин, нефть и др).
392 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Воздушно-механическая пена является одним из наиболее
эффективных огнетушащих средств. Образуется в результате
интенсивного перемешивания водного растворе пенообразователя с
воздухом в устройстве, называемом пеногенератором. Работа пеногенера-
тора основана на принципе усиленного подсоса воздуха, в результате
которого из раствора пенообразователя выделяются пузырьки,
образующие воздушно-механическую пену. Наиболее устойчивые пены
получаются из белковых пенообразователей, которые производят из
самых разнообразных веществ (например, техническая кровь, кожа,
кости, рога, копыта, рыбья чешуя, жмыхи масличных культур и др.).
Наибольший эффект при тушении пожаров достигается при
кратности (соотношения объемов пены и жидкости, из которой она
получена) пены 100 и более. В настоящее время широкое применение
находят воздушно-механические пены на основе
поверхностно-активных веществ (ПАВ — веществ, способных при растворении в воде
накапливаться на поверхности, уменьшая поверхностное натяжение
на границе с воздухом или другой средой (например, мыла, спирты
амины и другие вещества). Для тушения пожаров горючих и
легковоспламеняющихся жидкостей в резервуарах применяют воздушно-
механическую пену средней кратности. Высокократную пену
используют для тушения пожаров в подвалах, шахтах и других закрытых
объемах и разлитых в небольших количествах жидкостей.
Газовые средства тушения — это водяной пар, двуокись
углерода и инертные газы (азот, аргон, гелий, дымовые и отработанные
газы и др ). Применяются они для локализации пожаров в закрытых
помещениях, бункерах, размолочно-приготовительных отделениях
пылевидного топлива. Тушение пожаров инертными газами
основано на разбавлении воздуха и снижении в нем концентрации
кислорода в зоне горения до уровня, при котором горение прекращается.
Двуокись углерода, являющаяся самым распространенным
средством, применяется для тушения пожаров на складах,
аккумуляторных станциях, в сушильных цехах, электрооборудования. Для
подачи двуокиси углерода используют огнетушители и стационарные
установки Запрещается использовать двуокись углерода для тушения
веществ, в состав молекул которых входит кислород; щелочных и
щелочноземельных металлов, тлеющих материалов.
Порошковые составы можно практически применять для
тушения пожаров всех классов Они особенно эффективны при загорании
масел, урана, тория, металлоорганических соединений. Они
представляют собой сухие порошки, которые изготавливают на основе
карбонатов и бикарбонатов натрия и калия с различными добавками
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 393
Огнетушащее действие порошков наступает из-за разбавления паров
горючего вещества порошковым облаком и газообразными
продуктами разложения порошка, охлаждения зоны горения в результате
нагрева частиц порошка в пламени, изолирующего действия. Порошки
обладают высокой сыпучестью, поэтому из можно транспортировать
по трубам в очаг пожара. Например, для тушения пламени горючих
нефтепродуктов, сжиженных газов, электроустановок напряжением
до 1000 В применяют порошок типа ПСБ на основе бикарбоната
натрия, размеры частиц 75...125 мкм, насыпная масса 0,9 ..1, 2 г/см3.
При пожаре в электроустановках, находящихся под
напряжением, рекомендуется применять порошки типа СИ, которые
представляют собой зерна силикагеля, насыщенные галоидуглеводородными
жидкостями (бромистый метил, четыреххлористый углерод и др ).
Для тушения пожаров на предприятиях сооружают сеть
наружного и внутреннего противопожарного водопровода, состоящую из
запасных резервуаров, насосной станции, водозаборных
сооружений, трасс трубопроводов, на которых через каждые 100 м
размещают пожарные гидранты. Расход воды на наружное
пожаротушение принимается с учетом степени огнестойкости конструкций,
категории зданий и сооружений по пожаро- и взрывоопасное™ и в
зависимости от объема зданий. Он может составлять от 10 до
40 л/с на один пожар. Внутренний пожарный водопровод
сооружается в каждом производственном помещении. Он состоит из ввода,
водомерного узла, разводящей сети и стояков, водоразборной,
запорной и регулирующей арматуры. Рядом с пожарным краном
располагается шкаф для хранения в свернутом виде гибкого шланга
(рукав) длиной не менее 10 м. Он снабжен присоединительным
устройством (гайка Рота) и пожарным стволом
В помещениях для хранения горючих материалов (твердые и
жидкое топливо, различные горючие вещества) сооружают сприн-
клерные и дренчерные установки. Спринклерные установки
являются автоматическими огнегасительными установками с
использованием для тушения пожара распыленной воды или
воздушно-механической пены. Спринклерная установка водяной системы состоит
из сети разветвленных трубопроводов, на которых размещены
спринклерные головки. Выходное отверстие в распылительной
спринклерной головке закрыто легкоплавким замком с помощью
стеклянного клапана При повышении температуры воздуха,
нагретого пламенем пожара, происходит расплавление замка и
освобождается стеклянный клапан, через который вода, падая на розетку,
распыляется и орошает горящее вещество. Сплав, из которого еде-
394 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
лан замок, имеет температуру плавления 72, 93, 141 и 182°С.
Одновременно с помощью контрольно-сигнального аппарата подается
звуковой сигнал, возвещающий о пожаре.
Дренчерные установки группового действия также состоят из
разветвленных трубопроводов, оборудованных дренчерными
распылительными головками, но без замков, с открытыми отверстиями для
выхода воды. Выход воды закрыт клапаном группового действия.
Пуск воды для тушения пожара может осуществляться краном
вручную и автоматически при срабатывании спринклеров,
устанавливаемых в системе побудительного трубопровода.
Установки воздушно-пенного и химического пенотушения
применяют на складах жидкого топлива, легковоспламеняющихся
жидкостей и горючих материалов, где необходимо иметь
интенсивность подачи пены в количестве 75 л/с на 1 м2 поверхности
жидкости, находящейся в резервуаре. В качестве источника воздушно-
механической пены высокой кратности используют пеногенераторы,
например типа ГВП-600 производительностью 600 л/с, кратностью
100. Он представляет собой водоструйный эжекторный аппарат,
устанавливаемый на конце гибкого трубопровода. Пеногенератор
состоит из металлического корпуса, внутри которого установлены
кассеты с сетками. Водный раствор пенообразователя выбрасывается
из распылителя в виде распыленной струи, подсасывая при этом
воздух. Проходя через сетки, пена дробится на мелкие пузырьки.
Рабочее давление перед распылителем должно быть не менее 0,5 МПа,
расход раствора пенообразователя 6 л/с . На конце ствола пеноге-
нератора имеется насадок, предназначенный для прямолинейного
направления образующейся пены к месту очага пожара. В
настоящее время получили применение установки автоматического
воздушно-пенного огнетушителя. Они рекомендуются для тушения
пожаров в кабельных помещениях и тоннелях, а также в установках
масляных трансформаторов и реакторов.
В цехах и складах жидкого топлива и огнеопасных веществ
применяют стационарные пеногенераторные установки, огнегасящая
смесь из которых поступает под давлением до 0,6 МПа.
Продолжительность действия установки в зависимости от размеров очага
пожара до 2 мин, расход пенообразователя до 2 л/с. Стационарная
установка газового пожаротушения типа К 431 состоит из двух
баллонов, заполненных инертным газом (С02 или N2) и баллона со
сжатым воздухом для испытания установки.
Для автоматического тушения пожара силового трансформатора
можно использовать установку тушения горящего масла порошком,
например, типа ПСБ-0,36. Из резервуара емкостью 3 м3 порошок
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 395
под давлением сжатого воздуха поступает по трубам к отверстиям
(впрыски), из которых он выпадает на очаг пожара. Время действия
установки 30 с. Производительность подачи порошка около
100 кг/с. В качестве огнегасительного порошка применяют
углекислую соду с примесью кремнезема, талька или инфузорной земли.
Ручные огнетушители предназначены для тушения загораний и
пожаров в начальной стадии их возникновения. В химических
лабораториях, кладовых при производстве лакокрасочных работ
необходимо иметь не менее двух ручных огнетушителей. По виду
используемого в них средства тушения огнетушители подразделяют на
следующие основные группы: пенные, газовые и порошковые.
Пенные огнетушители применяют для тушения горящих
жидкостей, различных материалов, конструктивных элементов и
оборудования, кроме электрооборудования, находящегося под
напряжением. Огнетушитель действует эффективно около 60 с и дает струю
пены 6...8 м.
Порошковый огнетушитель типа ОПС-10 наполнен в качестве
огнетушащего средства сухим порошком (кальцинированная или
двууглекислая сода, поташ и др.). Продолжительность действия
этого огнетушителя около 30 с. Огнетушитель ОПС-10
предназначен для тушения небольших очагов загорания щелочных металлов,
тушение которых водой не допускается.
Ручной воздушно-пенный огнетушитель типов ОВП-5 и ОВП-20
имеет резервуар объемом соответственно 5 или 10 л, заполненный
5%-ным раствором пенообразователя ПО-1. Огнетушитель
эффективно действует около 20 с, длина пенной струи до 4,5 м.
Воздушно-механическую пену получают с помощью воздушно-
пенных стволов с эжекторами. Генератор пены ГВП-600 подает
600 л/с пены при кратности 100. Рабочее давление перед
распылителем на менее 0,5 МПа.
Для подачи огнетушащих пен на большую высоту используют
Пенные подъемники.
10.9. Особенности прогнозирования
пожарной обстановки в населенных пунктах
При прогнозировании пожарной обстановки в населенных
пунктах исходят из планировочных решений, характера застройки,
категорий сооружений по взрывопожарной и пожарной опасности,
показателей огнестойкости строительных конструкций. Для оценки
пожарной обстановки необходимо иметь предварительные сведения о
396 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
длине фронта пожара, типе защитных сооружений, расстояниях между
зданиями, скорости ветра, в том числе и о доминирующих
направлениях, метеоусловиях в районе пожара (влажность воздуха и т д)
Плотность застройки любого объекта, района, населенного
пункта можно определить по формуле
Л = S3u/Sp 100%, (10 27)
где S3a — площадь зданий, км2, Sp — площадь района, населенного
пункта, км2
Вероятность возникновения и распространения пожара Р
зависит от расстояния между зданиями R (табл 10 28), плотности
застройки П (рис 10 1)
Таблица 10 28
R м
Р, %
10
65
20
27
30
23
50
3
Скорости распространения пожара для средних топографических
и климатических условий можно определить по графику рис 10 2
Скорость распространения пожара в населенных пунктах
зависит от целого ряда причин Например, в населенных пунктах с
деревянной застройкой при скорости ветра 3 4 м/с она составляет
150 300 м/ч, время развития пожара составляет 0,5 ч, в
населенных пунктах с каменными зданиями при той же скорости ветра
скорость распространения пожара меньше и составляет примерно
60 120 м/ч При высокой и средней скорости распространения
пожара требуется немедленная эвакуация населения
Целью прогнозирования пожарной обстановки в населенных
пунктах является определение условий эвакуации населения и
тушения пожаров Условия эвакуации населения зависят от проходи-
•
On
pa
»•
II!
она
>анени
¦ "•"*
i
***
«
*
•
У
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Р %
Рис 10 1 Зависимость вероятности возникновения и распространения пожаров
от плотности застройки
Глава 10. Горение и взрыв в окружающей среде 397
V, м/с
Рис 10 2 Зависимость скорости распространения пожара от скорости ветра VB,
м/с, и относительной влажности воздуха ср,%
I — пожар распространяется очень быстро требуется срочная эвакуация, II —
пожар распространяется очень быстро, необходима эвакуация или проведение
мероприятий по локализации пожара, Ш — пожар распространяется медленно
мости улиц, степени огнестойкости строительных
общей продолжительности пожара (табл 10 29)
сооружении,
Таблица 10 29
Степень огне
стойкости со
оружении
I, II
111
IV, V
Общая продолжительность
пожара, ч
Зона слабых
разрушений
2 3
5 6
2 3
Зона сильных
разрушений
1 2
7 8
8 10
Время наступ
ления
максимальной ско
рости горения, ч
0,1 0,5
0,2 1,2
0,3 1,5
Безопасные
расстояния
от горящих
зданий, м
50 20
50 20
50 20
Следует иметь в виду, что даже при нахождении людей в защитных
сооружениях в зоне пожара они подвергаются воздействию опасных
факторов пожара [высокая температура (ВТ), продукты горения —
дым, окись углерода и т д ], в результате чего люди могут получить
легкое, среднее или тяжелое отравление (ЛО, СО, ТО) Характер
воздействия газовой среды на человека представлен в табл 10 30
Необходимую потребность в силах и средствах пожаротушения
можно рассчитать по формуле
Nom = 1фр/50, (10 28)
число отделений пожаротушения, 1ф — длина фронта
где N.
отд
пожара на одно отделение
Определение характера воздействия пожара на людей, находя
щихся в убежищах, зависит от влияния ОФП Например, от низового
пожара легкое отравление наступает по истечении 1 ч, от верхнего
при высокой температуре сильное отравление наступает через 1,3 ч
398 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 10.30
Вид пожара
Сплошной пожар
на объекте
народного хозяйства в
населенном пункте
Тип убежища
С нарушением
герметизации
Встроенное
Отдельно стоящее
Ха
0,25
рактер воздействия за время, ч
0,5
1,0
ЛО, ВТ
3,0
СО, ВТ
ЛО, ВТ
ЛО
6,0
ТО, ВТ
СО, ВТ
со
Исходные данные:
Я — расстояние между
зданиями; <р; ш; V„, Ц,, 3
1. Определение
площади S и
периметра пожара
2. Определение степени
огнестойкости зданий I- V
и категорий А, Б, В, Г, Д
помещений
5. Определение скорости
распространения пожара
Vft=V0Kx;K, = f(VB^,o>,3)
I
4. Определение вероятности
распространения
пожара: P = f (Л, Язд)
<-
3. Определение
плотности застройки:
Л = SM/S. 100%
6. Определение
проходимости улиц
Л, =«JO,tr)
7, Определение характера
->| воздействия на человека:
ЛО, СО, ТО, ВТ
8. Определение потребности
в силах и средствах
для тушения Л/отд
9. Принятие решения
Рис. 10.3. Структурно-логическая схема прогнозирования и оценка обстановки
при пожарах: 3 — зона размещения горючих материалов
Структурно-логическая схема прогнозирования и оценка
обстановки при пожарах показана на рис. 10.3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. ППБ 01-93.
М., 1994.
2. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и
пожарной опасности. НПБ 105-95. М., 1995.
3. Строительные нормы и правила СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность
зданий и сооружений. М., 1997.
4. Пожаровзрывоопасные вещества и материалы и средства их тушения-
Справочник / Под ред А.Н. Баратова, А Я. Корольченко, М : Радио и связь, 1990
5. Баратов А.Н., Пчелинцев В.А. Пожарная безопасность. М . Ассоциация
строительных вузов, 1997.
6 Общесоюзные нормы технологического проектирования. Определение
категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. М
МВД СССР, 1987.
Часть II. МОНИТОРИНГ И ЗАЩИТА
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Гл а в а 11
РОЛЬ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
11.1. Мониторинг атмосферного воздуха
Несмотря на сокращение производства и закрытие большого
количества предприятий в РФ, загрязнение окружающей среды (ОС)
вредными веществами в ряде городов и регионов остается очень
высоким.
В настоящее время контроль состояния атмосферного воздуха
осуществляется в 262 городах РФ с помощью 713 станций
Государственной сети мониторинга окружающей среды и 659 станций
Росгидромета. Кроме того, сведения о состоянии атмосферного воздуха
получают более чем с 60 станций различных ведомств. Они
свидетельствуют о том, что в 205 городах, в которых проживает 65,4 млн
человек, средние концентрации за год одного или нескольких
загрязняющих веществ превышают ПДК |1]. Проблема загрязнения
атмосферы в основном связана с диоксидом серы, оксидами азота,
оксидом углерода, бензапиреном, формальдегидом.
Более чем в 70 городах РФ максимальная концентрация
отдельных загрязняющих веществ превышает 10 ПДК. В настоящее время
примерно в 70—90% городов наблюдаются разовые концентрации
взвешенных веществ, оксида углерода, диоксида азота,
сероводорода, фенола, сажи, формальдегида, фторида водорода и некоторых
других веществ, превышающие ПДК.
Выброс вредных веществ в атмосферу — процесс динамичный.
Так, по некоторым загрязняющим веществам в РФ в последние годы
наблюдается снижение среднегодовой концентрации в атмосферном
воздухе (диоксида серы и формальдегида — на 11 — 13%; бензаии-
рена — на 39%), а по другим (сероводород, оксид углерода, оксид
и диоксид азота) — увеличение концентрации (3—8%). Для
наглядности на рис. 11.1 показана динамика изменения содержания взве-
400 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
180
160
140
120
1992г 1993г 1994г 1995г 1996г 1992 г 1993 г 1994г 1995г 1996 г
Взвешенные вещества Диоксид азота
10
9
8
7
6
5
4
199!
Рис 11 1 Средние концентрации загрязняющих веществ, мкг/м3
по городам России
шенных веществ, диоксида азота, формальдегида и бензапирена за
период с 1992 по 1996 г (по данным, представленным в Государст
венном докладе «О состоянии окружающей природной среды
Российской Федерации в 1996 г »)
При активном воздействии антропогенных источников к кото
рым относятся все объекты и производственные подразделения, вхо
дящие в систему управления отходами производства и потребления,
на окружающую среду происходят процессы физико химического
превращения, оседания и вымывания загрязняющих веществ На
протекание этих процессов большое влияние оказывает
трансграничный массоперенос, в результате которого меняются не только
климатические (метеорологические) характеристики (температура,
влажность, давление) атмосферного воздуха, но и состав и концент
рация загрязняющих веществ в воздушной среде Этот процесс усу
губляется тем, что во многих регионах увеличивается число несан
кционированных свалок, что в значительной степени влияет на ор
ганизацию и проведение мониторинга ОС
Многолетние метеорологические наблюдения показали, что до
минирующими для Европейской части РФ направлениями переноса
воздушных масс являются северо-западное и западное Поэтому,
учитывая направление трансграничных массопереносов, можно про
вести экспертную оценку данных по выбросам с учетом предвари
тельного моделирования (прогнозирования) развития процесса
загрязнения атмосферного воздуха Например, результаты моделиро
2 г 1993 г 1994г 1995г 1996 г
Формальдегид
1992 г 1993 г 1994 г 1995 г 1996 г
Бензапирен
Глава 11 Роль мониторинга окружающей среды в современных условиях 401
вания трансграничного переноса свинца и кадмия, входящих в
состав многих видов отходов, показали, что территория России
подвержена загрязнению этими веществами со стороны других стран
значительно сильнее, чем территории этих стран от российских
источников Так, «импорт» этих веществ (металлов) в Россию из
Польши, Германии и Швеции более чем в 10 раз превышает их «экспорт»
из России «Импорт» свинца из Украины, Белоруссии и Латвии в
5 7 раз превышает его «экспорт» из России, а «импорт» кадмия из
этих стран и Финляндии в 5 7 раз выше, чем «экспорт» из России
В абсолютных значения выпадение, например, свинца на
европейской территории России ежегодно составляет от Украины около
1100 т, от Польши и Белоруссии — примерно 190 т, от Германии —
более 130 т Для наглядности «взаимного» загрязнения территорий
России и других стран свинцом и кадмием в табл 11 1 приведены
данные Государственного доклада «О состоянии окружающей среды
в Российской Федерации в 1996 г »
Тавшца II I
Страна
Украина
Польша
Белоруссия
Германия
Финляндия
Швеция
Литва
Латвия
Эстония
Выпадение т/год
на территорию РФ
от других стран
свинца
1100 8
192 9
184 8
132 5
84,5
59 2
50 6
46 4
30 7
кадмия
406 2
88 5
66 9
56,2
53 7
31 6
14 2
103
63 0
на терр
других ст{
свинца
204 2
89
32 3
50
24 9
24 0
140
61 0
59 0
иторию
эан от РФ
кадмия
58 2
26 0
80
20
66
60
34
1 5
1 5
Отношение
< импорт/ экспорт >
для
свинца
5
> 10
6
> 10
3
> 10
4
7
5
кадмия
7
> 10
8
> 10
8
> 10
4
7
4
При анализе загрязнения вредными веществами определенной
территории (город, регион) необходимо учитывать не только
трансграничный массоперенос, но и собственный «вклад» в процесс
загрязнения среды, в том числе и отходов производства и потребления
Например, при анализе данных мониторинга о загрязнении среды
свинцом и кадмием следует учитывать, что от источников,
расположенных на территории РФ, выпадает около 70% этих веществ, а
30% приходится на долю источников других стран
402 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Но не следует забывать, что в западных регионах РФ доля
трансграничного загрязнения значительно превышает 30%.
Следовательно, при разработке системы мониторинга атмосферного воздуха
любого уровня (глобального, регионального или локального)
необходимо предусмотреть функциональные возможности проведения
контроля и прогнозирования развития ситуации с учетом как
трансграничных загрязнений взвешенными, газообразными или
аэрозольными соединениями и веществами, так и загрязнения от «собственных»
источников.
Для обеспечения корректности проведения работ по анализу и
прогнозированию экологической ситуации в окружающей среде
особую роль играет базовый (фоновый) мониторинг. С этой целью на
территории России работает семь станций комплексного фонового
мониторинга (СКФМ), которые расположены в биосферных
заповедниках: Баргузинском, Центрально-Лесном, Воронежском, Приокско-
Террасном, Астраханском, Кавказском и Алтайском. С помощью
этих станций получают фоновые значения концентраций различных
веществ в атмосфере, гидросфере и литосфере. Например,
концентрация бензапирена в атмосфере в фоновых районах составляет
0,02...0,09 нг/м3. В холодный период года на европейской
территории России (ЕТР) среднемесячные концентрации изменяются в
пределах от 0,08 до 0,38 нг/м3, в теплый период — от 0,01 до
0,19 нг/м3.
В центральных (промышленных) районах России среднегодовые
фоновые концентрации диоксида серы составляют 1...2 мкг/м3.
В городах Западного Кавказа и Забайкалья уровень его
концентрации на порядок ниже: до 0,1...0,2 мкг/м3. Эти данные позволяют
оценить негативное воздействие антропогенных загрязняющих
веществ на атмосферу.
Например, наличие в атмосфере в зимний период загрязняющих
веществ техногенного происхождения приводит к росту
концентрации диоксида серы в конце холодного периода на ЕТР до 4...5 мкг/м3
и к значительному уменьшению концентрации диоксида серы в
теплый период на азиатской территории России до 0,1...0,5 мкг/м3.
Результаты базового (фонового) мониторинга взвешенных частиц в
атмосферном воздухе показывают, что во многих районах серьезную
проблему для ОС составляют повышенные концентрации
взвешенных частиц (пылей), которые на протяжении ряда лет остаются
неизмененными (на ЕТР — 20...40 Мкг/м3). Как и следовало ожидать,
максимальные уровни пыли имеют место в засушливых районах
России Так, в юго-восточных районах ЕТР в конце лета (августе) сред-
Глава 11. Роль мониторинга окружающей среды в современных условиях 403
немесячная концентрация достигает 70...80 мкг/м3, т.е. в 2 раза
больше, чем в центральных районах ЕТР. Минимальные фоновые
концентрации пыли отмечаются в зимнее время года. Например, на
азиатской территории России в зимние месяцы этот показатель
равен 2 мкг/м3 в среднем за месяц.
Процессы, происходящие в атмосфере под действием
загрязняющих веществ, вызывают изменения электрических параметров
атмосферы. Количественную оценку этих изменений можно проводить
также при наличии данных о составе воздуха, полученных с
помощью базового (фонового) мониторинга. Таким образом, при
создании системы мониторинга атмосферного воздуха необходимо
учитывать современный комплексный подход к охране окружающей среды
и к решению проблем обеспечения экологической безопасности
жизнедеятельности человека.
11.2. Мониторинг гидросферы
Принимая во внимание данные государственного водного
кадастра, следует отметить, что суммарный забор воды из природных
водных объектов за последние годы несколько снизился (рис. 11.2),
и наметилась стабилизация основных показателей водопользования.
Потребление воды для хозяйственных нужд составляет примерно
73 км3 в год, в том числе: из поверхностных источников — около
58 км3: из подземных — около 13; морской воды — около 5 км3.
Наиболее водоемкими отраслями хозяйства являются
энергетика, машиностроение, целлюлозно-бумажная, топливная, химическая
и нефтехимическая, пищевая промышленность, черная и цветная
металлургия, а также жилищно-коммунальное и сельское хозяйство.
Большое количество воды (7,9 км3) теряется во внешних сетях при
Объем воды, км3
120 о
90
60
о „ о Забрано воды
и О
—°- Сброшено в водоемы
--¦¦i i-.._.A-.._73
¦• Сброшено загрязненных
сточных вод
»- Объем сточных вод
требующих очистки
1991 1992 1993 1994 1995 1996
Рис 11 2 Динамика основных показателей водопользования
404 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Промышленность 55%
Сельское хозяйство 20%
Другие потребители 7% I Жилищно-коммунальное хозяйство 18%
Рис 11 3 Примерная структура использования пресной воды
отраслями экономики
транспортировке от водоисточников до водопотребителей. Кроме
того, значительные объемы забранной воды теряются в процессе
промышленного производства вследствие несовершенства
технологий и утечек в системах водоснабжения. Например, в коммунальном
хозяйстве из-за изношенности водопроводных сетей и
несовершенства запорной арматуры теряется в среднем более 20% подаваемой
потребителям воды. На рис. 11.3 представлена структура
использования пресной воды различными отраслями экономики.
Мониторинг всех источников водопотребления и
водопользования показывает, что речной сток является основой водных ресурсов
России, и в средние по водности годы он составляет 4262 км3, из
которых около 90% приходится на бассейны Северного Ледовитого
и Тихого океанов. Однако более 80% населения России и ее
основные промышленный и сельскохозяйственный потенциалы
сосредоточены в бассейнах Каспийского и Азовского морей, на долю
которых приходится менее 8% годового объема речного стока страны.
По данным мониторинга в целом по России, суммарный забор
свежей воды из водоисточников в средний по водности год
составляет около 3% общих водных ресурсов. Однако по ряду регионов
водозабор из речных бассейнов достигает 50% и более. Такое
положение дел объясняется прежде всего тем, что поверхностные воды
наиболее доступны для потребителей.
Все водные объекты, особенно поверхностные, подвержены
загрязнению веществами биологического и физико-химического
происхождения. По этой причине около 40% сточных вод относятся к
категории загрязненных, из которых основной объем приходится на
долю промышленности (33%) и коммунального хозяйства (61%).
Хотя в последние годы наблюдается устойчивая тенденция к
снижению сброса загрязняющих веществ в водоемы (табл. 11.2), тем не
Глава 11 Роль мониторинга окружающей среды в современных условиях 405
менее существенный вклад в загрязнение водных объектов вносит
смыв загрязняющих веществ с площади водосборов.
Таблица 112
Загрязняющие
вещества
Нефтепродукты
Взвешенные вещества
Фосфор общий
Фенол
Соединения меди
Соединения железа
Соединения цинка
Сброс загрязняющих веществ в водоемы, тыс т
1992 г
39,4
1090
60
0,22
0,9
51,2
1,6
1993 г
19,7
883
55
0,13
0,8
48,7
1,2
1994 г
14,4
895,0
44,8
0,10
0,3
40,9
1,1
1995 г
11,8
701,0
38,1
0,09
0,6
27,7
0,9
1996 г
9,3
618,6
32,4
0,08
0,2
19,7
0,8
В промышленности наибольшие объемы загрязненных сточных
вод сбрасывают предприятия целлюлозно-бумажной, химической и
нефтехимической промышленности, электроэнергетики, черной
металлургии, угольной промышленности и машиностроения. В
результате в водные объекты попадают сотни тысяч тонн загрязняющих
веществ, среди которых: нефтепродукты; фенолы; легкоокисляемые
органические вещества (по БПК— биологическое потребление
кислорода); соединения металлов; амонийный и нитритный азот;
специфические загрязняющие вещества — лигнин, ксантогинаты,
формальдегид и др.
В настоящее время в РФ для хозяйственно-питьевого,
производственно-технического водоснабжения и орошения используется
около 50% всех разведанных месторождений подземных вод (около
1700 из 3600). Мониторинг использования подземных источников
воды на производственно-технические, коммунально-бытовые и
сельскохозяйственные нужды позволил выявить около 1800 очагов
загрязнения подземных вод, из которых 78% расположено на
европейской части России Хотя загрязнение подземных вод носит в
основном локальный характер, тем не менее около 6% общего
количества подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого
водоснабжения, составляют воды, загрязненные соединениями
азота, железа, марганца, сульфатами, хлоридами; фенолами;
стронцием; нефтепродуктами; свинцом; алюминием и др Особо следует
отметить, что поверхностные и подземные водные запасы являются
основными источниками обеспечения населения питьевой водой.
Так, в системах централизованного водоснабжения питьевой водой
около 70% общегр объема составляют поверхностные воды и около
30% — подземные.
406 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
В настоящее время мониторингом загрязнения поверхностных
вод РФ по гидробиологическим показателям охвачено более 190
водных объектов с помощью 280 постов контроля Гидрохимические по
казатели загрязнения поверхностных вод контролируются более чем
на 1200 водных объектах Пробоотбор производится на 2360 створах
для анализа (контроля) физических и химических показателей
Однако мониторингом охвачена только часть водных объектов
Поэтому важность работ по развитию и усовершенствованию системы
мониторинга водных объектов с целью повышения уровня
экологической безопасности человека и окружающей среды трудно переоце
нить, так как антропогенное загрязнение водных объектов вызывает
увеличение донных отложений и накапливания долгоживущих
химических и биологических соединений и веществ, влияющих не
только на флору и фауну, но и на физико-химический состав воды
11.3. Мониторинг урбанизированных территорий
В настоящее время Единая система экомониторинга в РФ
отсутствует, и это в значительной степени затрудняет деятельность
различных органов управления, ответственных за обеспечение
экологической безопасности Согласно данным Государственного
доклада «О состоянии окружающей природной среды Российской
Федерации в 1996 г », продолжается процесс деградации почв
вследствие загрязнения их вредными веществами, выбрасываемыми в
окружающую среду промышленными предприятиями и автотранспортом
Кроме того, несмотря на спад производства и уменьшение объема
промышленных выбросов, сохраняется тенденция аккумулирования
токсичных веществ в почвах
Эколого токсикологический мониторинг почв на содержание
тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, нитратов и
других токсикантов показал, что значительная часть обследованных
сельскохозяйственных территории загрязнена элементами 1 и
II класса опасности (табл 11 3)
Данные, полученные в результате мониторинга в некоторых
регионах, позволили составить картограммы, установить источники
загрязнения и выработать необходимые рекомендации,
направленные на улучшение ситуации Согласно экспертным данным
института Геоэкологии РАН крайне высокой и высокой степенью
техногенного загрязнения отличаются крупные многофункциональные
города с приоритетом химического, нефтехимического,
металлургического производств в Кемеровской, Мурманской, Новгородской,
Глава И Роль мониторинга окружающей среды в современных условиях 407
Тверской, Белгородской, Челябинской, Новосибирской и ряде
других областей
Табгииа II 3
Элемент
Свинец
Кадмий
Ртуть
Цинк
Мышьяк
Хром
Никель
Медь
Кобальт
Класс
опасности
I
I
I
1
I
II «
II
II
II
Обследовано
тыс гектаров
31125
29674
14063
38040
6083
11327
18589
37411
17041
Загрязнено
тыс гектаров
519
184
Нет
326
3
71
527
1416
328
Доля загрязненных
почв %
1 66
0 62
0
1 92
0 05
0 62
2 84
3 79
1 92
Ухудшение экологической ситуации наблюдается не только
внутри границ городов, но и далеко за их пределами Техногенные
выбросы от промышленных источников и транспорта
распространяются на прилегающие территории, являясь причиной загрязнения
сельскохозяйственной продукции, ухудшения состояния древостоя
и снижения его фитоцидной роли При этом зоны влияния городов
простираются на десятки километров, а крупных промышленных
агломераций — на сотни километров, например Московской — на
200 км, Тульской — 120, Среднеуральскои — 300, Кемеровской —
200 км и т д
Во многих городах и регионах основным загрязнителем
окружающей среды является автотранспорт В результате сжигания
органического топлива в двигателях транспортных средств в окружаю
щую среду выбрасывается большое количество тяжелых металлов,
сажи и др Так, поступление свинца в окружающую среду от
автотранспорта составляет примерно 4 тыс т в год Наибольшее
загрязнение свинцом наблюдается в Московской, Самарской, Калужской,
Нижегородской и Владимирской областях
Не меньшую опасность для окружающей среды представляют
токсичные отходы производства и потребления, которых в РФ в
хранилищах, в накопителях, на складах, в могильниках, на полигонах
и других объектах наблюдения накопилось более 1400 млн т
Негативное влияние отходов на состояние земель обусловлено
трудностями, связанными с их переработкой, утилизацией и хранением
Отсутствие в России развитой системы управления отходами ограни-
408 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
чено вписывающейся в систему экологического мониторинга,
является одной из причин захламления территории и возникновения
несанкционированных свалок.
Мониторинг экологического состояния урбанизированных
территорий развивается медленными темпами. Наиболее
продвинутыми в этом направлении являются некоторые крупные города и
промышленные зоны, в которых, по оценкам специалистов, сложилась
сложная экологическая ситуация.
ЛИТЕРАТУРА
1 Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред
В И Данилова-Данильяна М Изд-во МНЭПУ, 1997
Гл а в а 12
СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
12.1. Создание системы экологического мониторинга
Для наглядности и лучшего понимания процесса разработки и
реализации системы мониторинга рассмотрим пример построения
такой системы, созданный кафедрой инженерной экологии и охраны
труда Московского энергетического института (МЭИ) на базе
учебных заведений г. Москвы. Эта система имела ряд объективных
преимуществ по сравнению с традиционными системами: меньшую
себестоимость создания и обслуживания постов контроля и системы
в целом, ограничение несанкционированного доступа к
оборудованию, наличие разветвленной инфраструктуры учебных заведений,
достаточно равномерно распределенных на местности и др.
Структура системы экомониторинга включает четыре
функциональных блока:
• информационно-измерительную подсистему на базе
автоматизированных постов экологического контроля,
• передвижные посты экологического контроля (передвижные
лаборатории на автомобилях и переносные индивидуальные
приборы контроля);
• подсистему коммуникаций между постами контроля;
• геоинформационную систему, включающую в себя
графические и тематические базы данных экологической направленности,
системы моделирования, восстановления и прогноза полей экологи-
Глава 12. Система экологического мониторинга 409
ческих и метеорологических факторов и систему информационной
поддержки принятия управляющих решений.
Организационно система состоит из первичных постов
экологического контроля, расположенных в ряде объектов, в данном
случае школ, и центрального поста системы, находящегося в
МЭИ, в функции которого входят получение от распределенных
первичных постов информации, ведение баз данных, поддержка
технического и программного обеспечения геоинформационной системы,
о которой речь будет идти в следующей главе.
Пост экологического контроля включает в себя наиболее
доступные в настоящее время датчики контроля окружающей среды:
температуры, влажности, направления ветра, скорости ветра,
загрязнения среды (тип TGS812), гамма-излучения (радиационного),
а также газоанализаторы СО и диоксида азота (стационарные и
работающие в автоматическом режиме) и др.
Основой автоматизированного поста экологического
мониторинга является контроллер (микропроцессорный блок),
который реализует следующие базовые функции:
• опрос датчиков поста экологического контроля с заданным
временным интервалом между моментами измерения;
• занесение информации с датчиков контроля во внутреннюю
память с привязкой моментов измерения к реальному времени,
• сохранение информации при перебоях с питанием;
• выдача информации по каналу RS-232 на IBM PC по запросу;
• обмен информацией по модемной связи с внешними
пользователями.
Все эти функции выполняются аппаратным и программным
способами. Аппаратная часть представляет собой контроллер на базе
микропроцессора (например, К1816) в отдельном корпусе с
разъемами для подключения датчиков, телефонной пары проводов и разъема
RS-232 для соединения с компьютером. Принятая периодичность
регистрации измеряемых параметров устанавливается контроллером
и реально может составлять от одной минуты до нескольких часов.
Практика измерений показывает, что оптимальной частотой
фиксации данных является один раз в 10. 15 мин.
Структурная схема автоматизированного поста
экологического контроля приведена на рис 12 1 Пост контроля позволяет
осуществлять наращивание системы с последующим расширением
ее функциональных возможностей.
В целом измерительная система имеет открытую
архитектуру, что обеспечивает ее комплектацию из независимо изготов-
410 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Рис 12 1 Структурная схема автоматизированного поста экологического контроля
1,2 — газовые датчики, 3 — преобразователь сигналов выхода RS232 газовых
датчиков в сигналы, совместимые со входами контроллера, 4 — датчики
направления и скорости ветра, 5 6 — преобразователи информации о направлении и
скорости ветра в сопротивление, 7 — датчик температуры и влажности, 8,9 —
преобразователи температуры и влажности в сопротивление, 10 — кабели от дат
чиков, // — контроллер, 12 — программное обеспечение контроллера, 13 —
IBM PC, 14 — программное обеспечение IBM PC, 15 — программное обеспече
ние стандарта передачи данных, 16 — телефонный модем, 17 — розетка телефон
ного аппарата, 18 — программное обеспечение Internet, 19 — карта
подключения к сети Internet, 20 — узел подключения к сети Internet
ленных частей Открытость системы базируется на известных
принципах работы аппаратного и программного обеспечения IBM PC и
на открытости архитектуры контроллера Это позволяет
разрабатывать дополнительные устройства для комплектации постов
различными датчиками и программы первичной обработки информации
В качестве подсистемы коммуникации в рассматриваемой
системе используются сеть Internet и модемная связь Кроме
того, возможна радиомодемная связь. Протокол обмена-передачи
данных постов автоматизированного контроля предусматривает
передачу данных всех постов на центральный (головной) пост
системы по установленному (согласованному) графику по каналам
электронной почты Internet
Структура информационной подсистемы может быть
реализована, на базе программных продуктов, например ARC View GIS
фирмы ESRI США Фундаментом информационного обеспечения
системы являются данные о состоянии окружающей среды в районе
(регионе) Такая информация может поступать как со стационарных
автоматизированных постов непрерывного экологического контро-
Глава 12 Система экологического мониторинга 411
ля, так и с передвижных лабораторий Поэтому для ее хранения
разрабатываются базы данных различной структуры Учитывая
периодичность работы передвижных лабораторий и изменение районов
исследовании, получаемую информацию целесообразно хранить в
таблицах, соответствующих датам проводимых исследований и
содержащих адреса точек контроля, спектр и концентрации
исследуемых загрязнителей, метеорологические условия при проведении
измерений и др На основе таких таблиц затем в геоинформационной
системе (ГИС) создаются карты точек измерений и
восстанавливаются непрерывные поля загрязнений
Автоматизированные посты экологического контроля
имеют постоянную адресную привязку, и поэтому вся
тематическая информация здесь связана с одной и той же
картографической основой База данных, как правило, состоит из двух
взаимосвязанных таблиц. Первая содержит так называемую
постоянную информацию справочного характера адрес; сведения
организационного характера (ответственные за функционирование
первичного поста экологического контроля) и др Вторая таблица содержит
ежедневно пополняемую информацию, включающую собственно
данные наблюдений1 В нее заносятся дата измерений и значения
измеряемых факторов в определенные моменты времени В базе
данных фиксируются значения измерений, полученные в определенные
часы (например, в 9. 12, 15 и 18 ч) Данный подход характерен тем,
что этот же стандарт хранения данных принят в Гидрометеоцентре
России На основе организованной таким образом информации
строятся диаграммы и графики изменения метеорологических факторов
или концентраций загрязнителей Геоинформационная система
позволяет также производить статистическую обработку результатов
измерений за интересующие пользователя периоды времени Кроме
того, данные, получаемые со стационарных постов, позволяют также
восстанавливать поля измеряемых факторов
Все поступающие с автоматизированных постов контроля
данные проходят предварительную обработку, включающую в себя
оценку достоверности измеряемых параметров с целью выявления
грубых метрологических погрешностей и неисправностей
измерительного оборудования, кроме того, осуществляется и
форматирование данных для передачи их в геоинформационную систему и записи
1 Зтесь и дтее в згой i иве рассматривания эксперимента 1ьные данные, noiv-
ченные в рез> п.тле работы фрагмента системы экочошческого мониторинг,
созданной на базе учебных заведений
412 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
в соответствующие базы данных. Для обработки данных
используется программное обеспечение, позволяющее визуализировать
данные изм:рений в табличном или графическом виде. Файлы данных
в исходном виде хранятся в архиве системы
Во многие системы мониторинга входят картографические и
тематические базы данных по промышленным предприятиям региона
(города), содержащие данные о структуре и объемах их выбросов и
сбросов вредных веществ в окружающую среду Такая информация
используется при выявлении возможных виновников
неблагоприятных экологических ситуаций.
В состав информационного обеспечения системы экологического
мониторинга целесообразно включать специализированные
программные средства для выполнения ситуационных и прогнозных
расчетов распространения загрязняющих веществ от источников
выбросов Интеграция таких пакетов (например, сертифицированных
отечественных программ НПП «Логус»: «Призма», «Зеркало»,
«Облако» и др.) в ГИС открывает дополнительные возможности для
комплексного анализа экологической обстановки
12.2. Повышение эффективности системы экологического
мониторинга
Повышение эффективности контроля и оперативное уточнение
экологической обстановки осуществляются передвижными
лабораториями, с помощью которых проводятся целенаправленные
обследования, предназначенные для детального анализа состояния
окружающей среды в отдельных районах города по заранее намеченной
программе. Такие обследования позволяют выявить наиболее
опасные по уровню загрязнения районы, определять возможные
источники негативных воздействий на окружающую среду и человека и т.д.
С использованием стационарных и передвижных постов могут
проводиться также комплексные оценки состояния окружающей
среды с учетом воздействия нескольких негативных факторов
различной природы.
Информационная подсистема позволяет представлять данные
как в электронном виде, так и в виде твердых копий (карты полей
загрязнений, таблицы результатов измерений, различные графики и
диаграммы)
Таким образом, система экологического мониторинга должна
иметь широкие возможности и открытую архитектуру, позволяю-
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 413
щую наращивать мощность этой системы как в плане включения в
нее новых постов экологического контроля, так и в плане оснащения
этих постов дополнительным оборудованием. Любая локальная
система должна обладать возможностью быть включенной в единую
систему экологического мониторинга и использоваться
соответствующими службами при выработке управляющих решений,
направленных на обеспечение экологической безопасности населения.
Гл а в а 13
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
13.1. Место информационного обеспечения в системе
экологического мониторинга
Важнейшей задачей системы единого экологического
мониторинга (ЕЭМ) является не только получение информации, но и ее
рациональные хранение, обработка и представление Проблема
информационного обеспечения особенно актуальна для решения
экологических задач. При комплексном подходе, характерном для
экологии, необходимо опираться на обобщающие характеристики
окружающей среды, вследствие чего объемы даже минимально
достаточной информации получаются весьма большими. В противном
случае обоснованность выводов и принимаемых решений не будет
достигнута. Однако простого накопления данных тоже
недостаточно. Все эти данные должны быть легко доступны, и кроме того,
должна быть обеспечена возможность систематизации данных
применительно к особенностям решаемых задач. На этапе обработки и
анализа данных необходима возможность связывать разнородные
данные друг с другом, сравнивать, анализировать, просто
просматривать их в удобном и наглядном виде, создавая на их основе,
например, нужную таблицу, схему, чертеж, карту, диаграмму.
Широкий спектр задач, стоящих перед системами
экологического мониторинга, включающий задачи оперативного контроля
энергоэкологического, социального и медико-биологического состояния
окружающей среды, объективной оценки на этой основе текущей
картины состояния окружающей среды, здоровья населения, задачи
414 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
выявления факторов экологического неблагополучия региона, в том
числе источников негативного воздействия на окружающую среду
и здоровье человека, задачи подготовки информации, необходимой
для принятия управляющих решений по экологической обстановке,
задачи моделирования и прогнозирования развития экологической
ситуации, анализа степени риска управляющих воздействий.
Поэтому необходим системный анализ огромного массива
взаимосвязанной разнородной информации, как правило, имеющей четкую
зависимость от географического региона.
Поэтому одной из важнейших проблем при создании систем
экологического мониторинга становится разработка мощной,
эффективной, многоцелевой и многоаспектной информационной
автоматизированной системы, источниками информации для которой
становятся- картографирование, в том числе данные о географическом
положении региона, функциональном использовании территорий;
информация о структуре энергопроизводства и энергопотребления
региона, источниках антропогенного загрязнения среды, данные,
поступающие со стационарных постов экологического контроля,
гидрометеорологических измерений, результаты пробоотборного
анализа среды, аэрокосмического зондирования, медико-биологических и
социальных исследований и др. Назначением такой системы
является не только накопление и визуализация данных мониторинга, но
и создание единого информационного пространства и
предоставление широких возможностей системного анализа информации для
эффективного управления качеством окружающей среды и
обеспечения безопасности жизнедеятельности населения.
Наиболее полно всем перечисленным выше требованиям
отвечают современные геоинформационные системы (ГИС),
представляющие собой новый тип интегрированных информационных систем,
которые, с одной стороны, включают методы обработки данных многих
ранее существовавших автоматизированных систем, а с другой —
обладают такой спецификой в организации и обработке данных,
которая позволяет использовать ГИС в качестве основы современных
систем управления Это обусловливает повышенный интерес к
геоинформационным системам.
Разработка ГИС началась более 30 лет назад Тогда это были
чисто географические информационные системы Их качественно
новое изменение произошло за последние 7—8 лет, что в первую
очередь связано с развитием вычислительной техники. Теперь в
основе этих систем лежит принцип интеграции самых различных
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 415
видов данных на базе географических данных, а в качестве
технологии их обработки принята технология систем
автоматизированного проектирования
В современной трактовке ГИС — это автоматизированная
информационная система, предназначенная для обработки
пространственно-временных данных, основой интеграции которых
служит географическая информация [1] Как интегрированные
автоматизированные информационные системы ГИС объединяют в
единый комплекс методы и технологии обработки данных
практически всех автоматизированных систем общего назначения,
автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем
автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных
справочно-информационных систем (АСИС), систем
автоматизированного управления (АСУ). Интеграция осуществляется на основе
технологий САПР, достаточно апробированных и развитых, что, с
одной стороны, обеспечивает качественно более высокий уровень
функциональных возможностей ГИС, а с другой — существенно
упрощает решение проблемы обмена данными и выбора систем
технического обеспечения.
В ГИС используются различные базы данных. Следует отметить,
что они объединяют в себе как базы данных обычной (цифровой)
информации, так и графические базы данных В связи с большим
значением экспертных задач, решаемых при помощи ГИС,
возрастает роль входящих в них экспертных систем. Широкие
возможности предоставляют ГИС также для моделирования различных
процессов и объектов При этом в ГИС включается максимальное
количество методов и процессов моделирования, применяемых в других
автоматизированных системах
Как системы представления информации современные ГИС с
использованием технологий мультимедиа не имеют себе равных по
наглядности выходных данных среди автоматизированных систем
документального обеспечения (АСДО). Технология вывода данных
позволяет оперативно получать визуальное представление
картографической информации с различным содержанием и наполнением,
переходить от одного масштаба к другому, представлять
атрибутивные (поясняющие) данные в табличной, текстовой или графической
формах
В современные ГИС входят модули для трехмерного (3D)
анализа и проектирования, генерации планов, автоматического
документирования проектов и выбора оптимальных вариантов
416 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ь
->
Источники загрязнения
1
Окружающая среда
Аэрокосмические наблюдения
Состояние здоровья населения
Социологические опросы
Передвижные лаборатории
Стационарные датчики
Сбор информации
'
'
Хранение и обработка
информации
1
Представление информации
4
*
Моделирование
экологических ситуаций
t
Принятие
L
1
И
с
—»1
—>
—>
—>
—>
*—
Рис 13 1 Место ГИС в системе ЕЭМ
Все перечисленные возможности, а также простота
эксплуатации, дружественный пользователю и разработчику прикладных
систем интерфейс делают ГИС незаменимыми для обеспечения
принятия решений по оптимальному управлению в различных областях
человеческой деятельности: в производстве, транспорте, навигации,
геологии, географии, экономике, военном деле, экологии и т.д.
Интеграционный характер ГИС позволяет создавать на их основе
мощный инструмент для сбора, хранения, систематизации, анализа и
представления информации Только с появлением ГИС в полной
мере реализуется возможность целостного, обобщенного взгляда на
комплексные проблемы окружающей среды и экологии. Технология
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического монитеринга 417
ГИС позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на
первый взгляд, малосвязанную между собой информацию об
окружающей среде Геоинформационная система становится основным
элементом систем экологического мониторинга (рис. 13.1).
13.2. Особенности организации данных в ГИС
К особенностям ГИС относятся наличие больших объемов
хранимой в них разнородной информации, специфичность организации
и структурирования моделей данных [6]. Данные реального мира,
отображаемые в ГИС, в первом приближении можно рассматривать
с учетом трех аспектов: пространственного, временного и
тематического. Пространственный аспект связан с определением
местоположения объекта на карте, временной — с изменением объекта
или процесса во времени, тематический — выделением одних
признаков объекта и исключением из рассмотрения других. При этом
все измеримые данные при хранении их в ГИС подпадают под одну
из характеристик: место, время, предмет. В большинстве
технологий ГИС для определения места используют один класс данных —
координаты, для определения описательной информации и
времени — другой класс данных — атрибуты.
Координаты точек пространственных объектов служат для
указания местоположения объектов на земной поверхности,
которая реально имеет сложную форму В качестве ее математической
модели в России с 1946 г. используется так называемый референц-
эллипсоид Ф.Н. Красовского. Для отображения положения точек
поверхности Земли в двухмерном представлении на карте применяются
различные математические модели поверхности (картографические
проекции) и различные системы координат. Наиболее широко
применяются два основных типа координат: плоские и сферические.
Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых
участков поверхности и, как следствие, от влияния кривизны Земли.
Плоские координаты. — декартовы или полярные — применяются при
изображении небольших (20 х 20 км) участков Земли. При этом
положение точки определяется соответственно либо значением
декартовых координат X, Y (ось X указывает на восток, ось — У на север),
либо расстоянием от начала координат г и углом от фиксированного
направления на север ф При необходимости учета кривизны Земли
применяют сферические системы координат Наиболее известная
из них — географическая система координат, в которой положение
точки определяется широтой и долготой.
14-4910
418 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
В ГИС используется большой набор систем координат [2]
геоцентрические, топоцентрические, полярные, геодезические,
эллиптические и др.
В картографии существует несколько классов проекций для
создания карт. По характеру и размерам искажений картографические
проекции разделяют на равноугольные, равновеликие,
произвольные и др. По способу формирования различают проекции:
конические, азимутальные, цилиндрические, поликонические и др. [2].
В России большое распространение получила проекция Гаусса —
Крюгера. Начиная с 1939 г., в ней создавались практически все
карты масштаба 1:500 000 и крупнее. Во многих странах для
составления карт применяют универсальную поперечно-цилиндрическую
проекцию Маркатора (UTM), которая по своим свойствам и
распределению искажений близка к проекции Гаусса — Крюгера.
Разнообразие проекций создает сложности при формировании
электронных карт в ГИС с использованием картографической
продукции, выполненной в разных проекциях. Различие
картографических проекций особенно существенно для мелкомасштабных карт.
Для крупномасштабных карт нет такого разнообразия проекций,
однако имеется разнообразие моделей Земли и географических
координат. Поэтому в ГИС поддерживается широкий спектр (в
некоторых ГИС до нескольких десятков) разнообразных картографических
проекций и координат и достаточно развиты средства для их
взаимного преобразования.
Геообъекты, содержащиеся на карте, представляются
совокупностью наборов точек, линий, контуров и ареалов, которые кроме
определенного положения на карте имеют конкретные метрические
значения длину, ширину, площадь. Эта информация в ГИС образует
класс координатных данных, которые являются частью общей
модели данных в ГИС и описываются координатными моделями.
В общем случае модели пространственных (координатных) данных
в ГИС можно классифицировать по трем типам:
• растровая модель,
• векторная модель, не содержащая топологических характеристик;
• векторная топологическая модель.
Растровые модели получают посредством отображения
непрерывных поверхностей геообъектов в набор дискретных ячеек
(пикселей), образующих регулярную сеть. Каждой ячейке соответствует
одинаковый по размерам, но разный по характеристикам (цвет,
интенсивность, плотность) участок поверхности объекта. Упорядочен-
Глава ГЗ Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 419
ная совокупность таких атомарных моделей образует растр, который
и является моделью карты или объекта.
Растровые модели характеризуются следующими показателями.
Разрешение — минимальный линейный размер реального
объекта, отображаемого одним пикселем, который обычно представляет
собой прямоугольник или квадрат. Более высоким разрешением (и,
следовательно, более высоким качеством отображения) обладает
растр с меньшим размером ячеек.
Значение — элемент информации, хранящийся в пикселе. Это
может быть целое или действительное число, символ, имеющие
самостоятельное смысловое значение или являющиеся ссылкой
(кодом) для связи с атрибутивной базой данных.
Ориентация — угол между направлением на север и
положением колонок растра
Зона растровой модели включает примыкающие друг к другу
ячейки, имеющие одинаковое значение. Зоной могут быть,
например, отдельные объекты, природные явления, ареалы типов почв,
области распространения загрязнений и т.д В отдельный класс
выделяют так называемые буферные зоны — зоны, границы которых
удалены на известное расстояние от любого объекта на карте.
Основные характеристики зоны — ее значение и положение.
Положение обычно задается номером строки и столбца ячейки
растра, которые однозначно определяют положение каждого
элемента объекта, отображаемого в растре. Точность привязки элемента
растра определяют как половину ширины и половину высоты ячейки
растра.
Растровые модели широко применяются в том случае, когда
требуется качественное представление данных, а не манипулирование
ими или их анализ. Например, при обработке аэрокосмических
снимков для отображения данных дистанционного зондирования Земли
применяются растровые модели данных Растровые модели также
часто используются при изучении новых явлений. При этом данные
собирают с равномерно расположенной сети точек и с помощью
статистической обработки получают объективные характеристики
исследуемых объектов. К достоинствам растровых моделей следует
отнести тот факт, что процесс их получения — сканирование — много
проще алгоритмически, чем построение векторных моделей
В общем случае растровые данные хорошо сжимаются и при
хранении в системе занимают меньше места, чем векторные данные Кроме
того, во многих растровых моделях предусмотрена возможность
ввода векторных данных; в растровом виде также эффективнее ре-
14*
420 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
шаются задачи построения буферных зон. Вместе с тем при
отображении реальных объектов в растровой модели занимается все
графическое пространство, и следовательно, для обработки и
манипулирования данными в таких моделях требуются дополнительные
преобразования (например, распознавание образов определенных
объектов), большие объемы памяти и существенные затраты времени.
В целом векторные представления по сравнению с растровыми
имеют ряд преимуществ:
• векторная технология эффективнее при выполнении расчетов;
• при хранении в исходном виде векторные файлы занимают
меньший (в 100... 1000 раз) объем памяти;
• векторные рисунки легко редактируются, масштабирование и
трансформирование векторных изображений в отличие от
растровых происходят без искажений.
Векторные модели строятся на использовании векторов,
занимающих лишь часть пространства, и поэтому на порядки
эффективнее растровых моделей. Полная векторная модель данных ГИС
включает:
• пространственную информацию, описывающую положение и
форму географических объектов и их пространственные связи с
другими объектами;
• описательную информацию об этих объектах.
В векторных ГИС, как и в САПР, для отображения графических
объектов применяют набор базовых геометрических моделей
(примитивов) [1], из которых затем получают более сложные. Число
примитивов здесь определяется предметной областью карт и
существенно меньше, чем в САПР.
В ГИС используются следующие основные модели (рис. 13 2):
• точка — пара координат X, Y (узлы, вершины);
• линия незамкнутая (дуга) — упорядоченный набор
координат X, Y, причем координаты начала и конца не совпадают,
• контур (замкнутая линия) — упорядоченный набор
координат вершин X, Y, причем координаты начала и конца совпадают;
• полигон — площадной объект — задается аналогично контуру.
Соответственно различают точечные объекты, которые
используются для изображения на карте объектов, размер которых
слишком мал для изображения их линией или контуром; линейные
объекты, т.е. объекты, не имеющие площади, характеризующиеся
только длиной и изображаемые линией или контуром, площадные
объекты — замкнутые объекты, ограничивающие однородную по
каким-либо свойствам территорию, имеющие границу (контур) и
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 421
Точка Линия (незамкнутая дуга)
О
Полигон (ареал) Контур (замкнутая линия)
Рис 13 2 Базовые геометрические примитивы в ГИС
площадь. Каждому примитиву в ГИС ставится в соответствие
системный порядковый номер (идентификатор) и хранимые вместе с
ним координаты (рис. 13.3).
Пространственные связи между объектами (взаимное
расположение объектов, их удаленность друг от друга, смежность,
возможность проезда от одной точки к другой и т.п.) на цифровых картах
описывается с помощью топологии1. При использовании топологии
данные хранятся более эффективно, что ускоряет их обработку и
позволяет в итоге обрабатывать наборы данных больших размеров. При
наличии топологических связей становятся возможными такие
операции анализа, как, например, моделирование потоков посредством
связывания линий в сеть, объединение смежных полигонов с
одинаковыми характеристиками, наложение графических объектов и др.
В качестве основных топологических характеристик моделей,
используемых в ГИС, можно назвать следующие:
• связность линейных объектов;
• связность полигональных объектов (взаимное расположение);
• пересечение линейных объектов;
• близость пространственных объектов.
Топологические связи в различных ГИС реализуются
по-разному. Например, в такой известной системе как ARC/INFO,
приняты три основные топологические концепции:
• дуги (линии) соединяются между собой в узлах (связность);
• дуги, ограничивающие фигуру, определяют полигон
(определение площадей);
• дуги имеют направление, а также левую и правую стороны
(непрерывность).
1 Топология — математическая дисциплина, занимающаяся определением
пространственных связей.
422 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• 1
Номер точки
1
2
3
4
Номер линии
1
2
Координаты X, У
2,4
3,2
5,3
6,2
Координаты X, У
1,5 3,6 6,5 7,8
1,1 3,3 6,2 7,3
6
Номер полигона Координаты X, У
1 2,4 2,5 3,6 4,5 3,4 2,4
2 3,2 3,3 4,3 5,4 6,2 5,1
4142 32
Рис 13 3 Кодирование координатных данных в ГИС
При этом принято, что внутренние точки (вершины) дуги
определяют ее форму, а соединяться между собой дуги могут только в
конечных точках (узлах), что позволяет определять связность дуг
по наличию общего узла Направление дуги задается указанием ее
начального и конечного узла. Полигоны задаются посредством
списков номеров дуг, их образующих. Наличие общей дуги
свидетельствует о смежности полигонов. Кроме того, в ARC /INFO ведется
список полигонов, находящихся слева и справа от дуги, чем
обеспечивается непрерывность графического представления объекта.
Для ввода географической информации в ГИС в настоящее время
используются два типа устройств, дигитайзеры и сканеры. Первые
позволяют получать цифровые карты в векторном формате,
вторые — в растровом. Для преобразования растрового формата в
векторный затем применяются специальные программные средства —
векторизаторы. И в том, и в другом случае процесс создания
цифровой карты в векторном формате — весьма трудоемкая и
длительная операция, требующая больших затрат ручного труда. В качестве
примера наиболее распространенных программных средств
векторизации можно назвать такие, как Easy Trase, MapEdit, Vectory,
WinGIS.
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 423
Карта
Водоемы
Скверы
Строения
Дороги
Полигоны
Полигоны
Полигоны
Линии
Рис 13 4 Слои картографической информации в ГИС
В ГИС принята концепция послойного представления
графической информации, заимствованная из систем
автоматизированного проектирования. Однако слои в ГИС несут информацию об
объектах, а не об отдельных элементах объектов, как в САПР
Картографические объекты на основе типизации по общим свойствам или
функциональным признакам организуются в наборы слоев. Такими
свойствами могут быть: принадлежность к одному типу
координатных объектов (точечные, линейные, полигональные);
принадлежность к одному типу пространственных объектов (жилые здания,
коммуникации, административные границы), отображение одним
цветом и т.д Совокупность слоев образует интегрированную основу
картографической части ГИС (рис 13.4).
Послойная организация информации позволяет использовать
групповую обработку свойств объектов, что повышает
производительность ГИС Данные, размещаемые в слоях, могут
обрабатываться в интерактивном или автоматическом режиме. С помощью
системы фильтров объекты одного слоя могут быть одновременно
масштабированы, перемещены, скопированы, записаны в базу данных.
При необходимости можно ввести запрет на их редактирование или
просмотр и т д. Многослойная организация электронной карты при
наличии гибкого управления слоями позволяет, с одной стороны,
легко объединять содержащуюся в них информацию, с другой —
упрощает анализ картографических данных, предоставляя
возможность «отключения» ненужных данных. Слои могут иметь как
векторные, так и растровые форматы. Большинству программ ГИС
424 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
требуется, чтобы данные были представлены в векторном формате.
Однако во многих векторных системах растровые изображения
используются в качестве подложки. В целом сочетание методов
топологии и послойного представления картографической
информации дает качественно новые возможности анализа
картографических данных.
Как в группе растровых, так и в группе векторных изображений,
форма записи в файл в каждой конкретной системе неодинакова.
Существует множество различных форматов (практически у каждой
фирмы-разработчика инструментальных средств ГИС — свой),
отличающихся скоростью чтения/записи в файл, степенью
сжимаемости данных, полнотой описания информации. Широко известны
такие форматы растровых данных, как PSX, TIFF, GIF, RLE, RLC.
К векторным форматам относятся форматы DXF, DX90, PIC, DWG,
IGES, DGN, HPGL и др. [3]. Некоторые из них стали фактически
стандартными в силу использующих их программных продуктов или
приняты таковыми на основании решений комиссий по стандартам.
Так, формат IGES, имеющий статус национального стандарта США,
принят и международной организацией стандартизации ISO.
Как правило, ГИС работают в собственном, наиболее удобном
для данной системы внутреннем формате данных. Вместе с тем в
них обязательно предусматриваются средства для конвертирования
в этот формат данных, получаемых из других систем, что
чрезвычайно важно для широкого использования уже созданной цифровой
картографической продукции, если учесть весьма трудоемкий и
длительный процесс ее создания.
Как уже отмечалось, кроме координатных данных ГИС могут
храниться и обрабатываться описательные и временные
характеристики объектов, составляющие так называемый класс атрибутивных
данных. К описательным данным относятся, например, названия
географических или политических единиц, городов, рек; экологические
показатели регионов, например, состав загрязняющих веществ в
водоемах или в выбросах промышленных предприятий, интенсивность
движения по дорогам или их отдельным участкам и др. Характерным
примером временных данных являются данные экологического
мониторинга. Это могут быть результаты непрерывных измерений
метеорологических факторов или концентраций загрязняющих
веществ, результаты периодического пробоотборного анализа
состояния окружающей среды, результаты наблюдений за изменениями
флоры и фауны в конкретных регионах и т.д.
Глава 13. Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 425
Временные характеристики могут отражаться несколькими
способами:
• указанием временного интервала существования объекта;
• соотнесением информации с определенным моментом времени;
• указанием скорости движения объекта.
В зависимости от способа отражения временной характеристики
она может размещаться в одной или нескольких таблицах
атрибутивных данных.
При построении моделей данных на основе наблюдений в
геоинформационных системах часто один параметр считают
«неизменным», значениями другого «задаются», и при этом фиксируют
«изменения» третьего параметра. Например, зафиксировав
географическое положение автоматизированных постов экологического
контроля и задавшись моментами съема информации с датчиков в
течение суток, можно создать соответствующую таблицу для хранения
результатов измерений системы экологического мониторинга.
Описательные атрибуты объектов карты хранятся компьютером
подобно координатам. Они могут храниться в виде наборов чисел,
символов, текстов, схем или фотографий, звуковых записей.
Применение атрибутов позволяет осуществлять анализ объектов ГИС с
использованием стандартных форм запросов и разного рода
фильтров, а также выражений математической логики, что особенно
эффективно при тематическом картографировании. Кроме того, с
помощью атрибутов производятся типизация и структурирование
некоординатных данных. Таким образом, атрибутивное описание
дополняет координатное и совместно с ним создает полное описание
данных ГИС, решает задачи типизации и классификации данных,
упрощает их обработку.
Как для хранения координат, так и для хранения атрибутивных
данных в ГИС используются, как правило, реляционные модели
данных. Реляционная модель данных разработана Коддом еще в
1969—1970 гг. на основе математической теории отношений. Она
опирается на систему таких понятий, как таблица, отношение,
строка (запись, кортеж), столбец (поле, домен), первичный
ключ, внешний ключ.
Реляционная база данных в общем случае содержит несколько
(не менее одной) тематических таблиц. Таблица состоит из строк и
столбцов, имеет уникальное имя в базе данных и отражает
определенный тип объекта реального мира (сущность). Каждая строка
(запись) таблицы содержит описание конкретного объекта, каждый
столбец отражает определенное свойство (атрибут) объектов данно-
426 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
го типа. Диапазон допустимых значений для каждого атрибута
задается заранее. Структура записи (набор атрибутов и их свойства)
задает отношение, которое характеризует тип сущности. Любая
таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых
однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или
комбинация столбцов) называется первичным ключом таблицы.
Взаимосвязь таблиц — важнейший элемент реляционной базы
данных. Она организуется посредством внешних ключей, в качестве
которых используются общие атрибуты разных таблиц. При этом
различают два вида связи, которые можно установить между
таблицами: реляционное связывание (временное соединение) и
реляционное соединение И в том, и в другом случае каждая запись одной
таблицы соединяется с той строкой другой таблицы, которая имеет
такое же значение общего атрибута Связывание временно
расширяет таблицу атрибутов объектов, как бы добавляя атрибуты,
которые на самом деле в ней не хранятся. При использовании
связывания связанные файлы могут поддерживаться и обновляться порознь.
При операции соединения таблицы сливаются по общему атрибуту,
образуя новую общую таблицу При этом редактирование данных
может осуществляться только в исходных таблицах. В общем случае
реляционные операции позволяют формировать связи типа: одна-к-
одной, одна-ко-многим, много-к-одной. Операции реляционного
связывания и соединения обеспечивают возможность независимого
создания отдельных таблиц, принадлежащих к одной тематически
связанной базе данных, и уменьшают избыточность данных.
Для обработки информации, размещаемой в таблицах
реляционной базы данных, используются так называемые метаданные —
дополнительные данные, содержащие описание структуры таблиц,
формата столбцов и т.д. Метаданные также представляются в виде
таблиц и хранятся в специальном словаре данных.
В реляционной модели не предусматривается поддержание
логической упорядоченности записей, однако кортежи помещаются в
физическую память в определенном порядке, что используется
впоследствии для формирования выборок данных и модификации таблиц.
В целом преимущества реляционных моделей заключаются в
следующем:
• простая структура данных (таблицы);
• независимость логической структуры данных от физического
способа их хранения и специфики аппаратуры;
• возможность использования непроцедурных языков запроса;
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 427
• развитые средства защиты от сбоев и возможность
раздельного доступа к данным нескольких пользователей.
Помимо таблиц в ГИС могут храниться и другие объекты, такие,
как экранные формы, отчеты, представления карт и прикладные
программы, работающие с информацией, размещенной в реляционной
базе данных.
Современные ГИС имеют, как правило, собственные
реляционные СУБД, обладающие ограниченной емкостью Поэтому для
решения сложных объемных информационных задач в них
предусмотрены средства коммуникации для использования внешних баз
данных, например Oracl, SQL-сервер и др.
Преимущество ГИС заключается в связывании графических
(пространственных) и табличных (атрибутивных) данных и
возможности на этой основе реализации комплексных
картографических запросов. При организации связи графических и
атрибутивных данных соблюдаются следующие правила:
• связь между объектами карты и записями в таблице
атрибутов объектов однозначна (один к одному);
• связь между объектом и записью поддерживается с помощью
уникального идентификатора, присваиваемого каждому объекту,
• уникальный идентификатор физически хранится в двух
местах, в файлах, содержащих пары координат X, Y, и в
соответствующей записи в таблице атрибутов объектов.
Такая связь создается и поддерживается в ГИС автоматически.
После того, как она установлена, можно обращаться к карте для
получения атрибутивной информации или создавать карту на основе
атрибутов объектов, хранящихся в таблице.
На основе такой связи в ГИС выполняются также операции
пространственного наложения объектов, в результате которого каждый
вновь получаемый объект имеет атрибуты обоих исходных наборов
объектов. В этом случае соответствие записей в таблице атрибутов
основывается на положении связанных с каждым атрибутом
географических объектов.
13.3. Основные функциональные возможности ГИС
Рассмотренные возможности по организации данных в ГИС
показывают, что геоинформационные технологии имеют определенные
характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту
технологию основной для целей обработки и управления
информацией В самой концепции ГИС заложены всесторонние возможности
428 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
сбора, интеграции и анализа любых распределенных в пространстве
или привязанных к конкретному месту данных. При необходимости
визуализировать имеющуюся информацию в виде карты с
графиками или диаграммами, создать, дополнить или видоизменить базу
данных пространственных объектов, интегрировать ее с другими базами
данных единственно верным решением будет обращение к ГИС.
Средства ГИС намного превосходят возможности обычных
картографических систем, хотя, естественно, включают и все основные
функции получения высококачественных карт и планов. В целом
ГИС является компьютеризированной системой управления базами
данных для поиска, хранения, изменения, анализа и
пространственного (локального) отображения определенных данных, т.е. ГИС —
это базы данных и аналитические средства для работы с любой ко-
ординатно привязанной информацией.
Как уже было показано, основой ГИС-технологии является
картографическая информация в единой системе координат
(географическая карта или план) в цифровой форме — географическая база
данных. Такая база данных представляется в виде набора отдельных
тематических карт (слоев), описывающих объекты определенной
территории, которые в совокупности содержат всю необходимую
географическую информацию.
С картографическими объектами (точечными, линейными или
полигональными) в ГИС связывается описательная атрибутивная
информация об особенностях этих объектов, в первую очередь
алфавитно-цифровая, иногда также иная графическая (графики,
иллюстрации, схемы), звуковая и др. Такая связь осуществляется через
идентификаторы местоположения -— геокоды, которые
одновременно присваиваются картографическим объектам и записям в
неграфической базе данных.
Алфавитно-цифровая информация, как правило, организуется в
виде реляционных баз данных, позволяющих легко управлять
информацией, хранящейся в отдельных файлах данных, объединять
различные файлы при решении конкретных задач, не меняя их
собственной структуры, легко наращивать проблемно-ориентированные
блоки базы данных. При этом в ГИС каждому географическому
объекту ставится в соответствие строка таблицы — запись в базе
данных Использование такой связи обеспечивает богатые
функциональные возможности ГИС.
В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение
концепции обычных баз данных для координатно привязанной
информации, ГИС представляет собой новый уровень и способ интег-
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 429
Запросы
Моделированные
Запросы вида
"что., если"
Выбор маршрута
следования
автотранспорта
Восстановление
полей по дискретным
значениям
переменных
Рис 13 5 Типы запросов в ГИС
рации и структурирования информации, особенно в тех случаях,
когда интересующая пользователя информация относится к
объектам, для которых важны их пространственное положение, форма и
взаимное расположение. Перечень основных запросов в ГИС
представлен на рис. 13.5.
Функциональные возможности различаются у разных систем, но
любая ГИС имеет, как правило, некоторый базовый набор функций,
в который входят:
• картографический интерфейс для организации запроса к базе
данных («Что это?»),
• средства генерации картографического отчета по запросу к
тематической базе данных («Где это находится?»);
• пространственные запросы о взаимоотношениях между
объектами («Что рядом?», «Какой путь короче?», «С какими
объектами связан, граничит данный объект?», «Положение каких
объектов в пространстве пересекается и насколько?»);
• оверлейные операции, использующие в разных вариантах
пространственное наложение одного множества объектов на другое.
Геоинформационные системы обладают широким набором
средств математического моделирования, которые охватывают ряд
областей, ранее не объединявшихся для совместной обработки
информации. Математическое моделирование в ГИС включает: постро-
Пространственные
— Что это'
— Где это9
Каков размер
объекта'
Непространственные
Среднее значение
параметра
Экстремальное
значение параметра
Сумма
Статистика
Иппизпимица
430 Часть И. Мониторинг и защита окружающей среды
ение проекта карты на основе методологии САПР; проекционные
преобразования; геометрический анализ (определение расстояний,
длин ломаных линий, расчет площадей, поиск точек пересечения
линий и др.); построение буферных зон; анализ сетей;
преобразование форм представления данных, в том числе широкие возможности
интерполяции, например, построение непрерывных полей по
дискретным значениям переменных; цифровое моделирование рельефа.
Современные ГИС тесно связаны с графическими средствами
САПР, например такими, как AutoCad, мощными реляционными
СУБД (Oracl, SQL-сервер и др.), пакетами обработки аэро- и
космических снимков, пакетами статистического анализа и обработки
данных, что делает их еще более привлекательными с точки зрения
преемственности и развития функциональных возможностей ранее
созданных информационных систем.
Сейчас ГИС существуют практически на всех компьютерных
платформах — от персональных компьютеров под управлением MS
DOS до рабочих станций под управлением UNIX. Среди известных
на российском рынке геоинформационных систем различают
инструментальные пакеты ГИС общего назначения и
специализированные (например, ориентированные на решение транспортных или
градостроительных задач).
Инструментальные пакеты программного обеспечения в отличие
от жестко функциональных систем позволяют настраивать систему
с учетом особенностей работы, вида информации, методов ее
обработки, хранения, представления. Большинство инструментальных
пакетов состоит из серии модулей, обеспечивающих, с одной
стороны, определенную свободу выбора технологии обработки
информации, а с другой — решение достаточно общих задач:
• оцифровка карт;
• обмен данными в различных форматах;
• работа с точечными, линейными и площадными объектами;
• поддержка топологических взаимоотношений между объектами;
• поддержка нескольких картографических проекций;
• работа с реляционными базами данных;
• оверлейные операции с наложением карт;
• управление визуализацией карт на дисплее;
• интерактивное графическое редактирование;
• геометрические измерения на карте;
• поиск объектов по их адресам;
• анализ линейных сетей с их оптимизацией;
• интерполяция и экстраполяция данных;
Глава 13. Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 431
• ответы на широкий набор запросов;
• построение буферных зон вокруг объектов;
• создание собственной символики;
• создание дополнительных элементов оформления карт
(подписи, рамки, легенды);
вывод высококачественных твердых копий карт и других
документов.
В настоящее время более 100 организаций и фирм
распространяет в России отечественные и зарубежные системы для создания
ГИС-технологий. Эти системы различаются как назначением,
функциональными возможностями, так и требуемыми вычислительными
ресурсами и стоимостью. Большинство инструментальных систем
ориентированы на использование PC.
В зависимости от широты спектра предоставляемых
возможностей ГИС общего назначения разделяются на полнофункциональные
системы и системы картографической визуализации. Системы
картографической визуализации, называемые иногда также
настольными или персональными геоинформационными системами,
обладают меньшей сложностью и стоимостью, ориентированы на
вычислительные ресурсы персональных компьютеров, что делает их
довольно привлекательными, но в то же время имеют ограниченные
аналитические возможности и слабые возможности редактирования
картографической основы. Полнофункциональные ГИС довольно
сложны, удовлетворительно функционируют в полном объеме
только на рабочих станциях, однако позволяют создавать на их основе
проблемно-ориентированные геоинформационные системы с
развитыми средствами пространственного анализа, что имеет особую
значимость для городских и муниципальных служб при решении задач
в области экологии.
К наиболее развитым полнофункциональным ГИС относятся
программные продукты фирмы ESRI США (ARC/INFO), фирмы Micro-
station США (MGE Intergraph) и несколько менее распространенный
пакет фирмы Siemens Nixdorf Германия (SICAD). Признанным
мировым лидером в области систем обработки аэрокосмических
снимков считается система ERDAS Imagine США. Ведущей
отечественной ГИС является разработка Московского государственного
университета, имеющая векторный топологический редактор GeoDraw
и средство композиционного построения цифровых карт и их
анализа GeoGraph.
В списке настольных ГИС безусловными лидерами являются
программные средства ARC View (ESRI) и Maplnfo. Вместе с тем
432 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
следует отметить, что постоянное наращивание функциональных
возможностей ARC View, проводимое фирмой ESRI, модульный
принцип построения, простой пользовательский интерфейс в
стандарте Windows делают этот пакет программ все более
привлекательным для решения широкого круга задач. В настоящее время ARC
View GIS — это мощное средство для создания самостоятельных
проблемно-ориентированных прикладных систем. Он позволяет
проводить оцифровку карт с использованием дигитайзера, включает в
себя объектно-ориентированный язык и среду разработчика
приложений Avenue для работы с пространственно-организованными
данными, позволяет легко создавать и модифицировать базы данных с
алфавитно-цифровой информацией, импортировать данные
стандартных форматов dBase, ASCII, Excel, Lotus 1-2-3, использовать
внешние базы данных Oracl, SYBASE, INFORMIX и др.,
обрабатывает данные в формате ARC/INFO, DXF и других графических
форматах, имеет открытый графический формат шейп-файлов и
возможность их редактирования. Система ARC View GIS реализует
объектно-ориентированный подход к управлению географической
информацией и позволяет выполнять:
• анализ информации с построением графиков и диаграмм;
• преобразование картографических проекций непосредственно
в процессе работы с картой;
• комбинации сложного логического и пространственного
запросов;
• запросы через таблицы, диаграммы и графики.
Кроме того, возможность включения в состав пакета таких
дополнительных модулей расширения, как Network, Spatial Analyst и
другие, позволяет выполнять сложный анализ линейных сетей,
моделировать рельеф, восстанавливать непрерывные поля по
результатам измерений, проводить многокритериальную оценку данных.
Таким образом, система ARC View GIS все более приближается по
своим функциям к возможностям полнофункциональных систем,
сохраняя при этом все преимущества настольной ГИС. Названные
достоинства ARC View GIS определяют широкое применение этой
системы для решения задач муниципального управления,
градостроительства, экологии Например, на ее основе создается ГИС
мониторинга лесных пожаров России [4]; ARC View GIS выбрана в качестве
основы для создания информационной системы экологического
мониторинга г. Москвы, эта система применяется также в
информационной системе МЧС России [5].
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 433
13.4. Структура ГИС единого экологического
мониторинга региона
Система единого экологического мониторинга (ЕЭМ) является
основным инструментом для решения проблем взаимодействия
человека и окружающей среды, ресурсо- и энергосбережения,
рационального природопользования, особенно в промышленно развитых
районах с напряженной экологической обстановкой, для реализации
концепции обеспечения экологической безопасности
жизнедеятельности на глобальном, региональном и объектовом уровнях, имеющей
много аспектов: от философских и социальных до
медико-биологических, экономических и инженерно-технических. Центральным
звеном системы ЕЭМ, во многом определяющим ее эффективное
функционирование, является информационная система.
Рассмотрим принципы построения ГИС ЕЭМ для региона
городского типа. Для реализации комплексного подхода к решению
задачи обеспечения экологической безопасности она в общем
случае должна содержать следующие взаимосвязанные структурные
звенья:
• базы и банки данных экологической, правовой,
медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической на-
правленностей;
• блок моделирования и оптимизации промышленных объектов;
• блок восстановления по данным измерений и прогноза
распространения полей экологических и метеорологических факторов;
¦ блок принятия решений.
Для административных органов регионального управления
можно выделить ряд функций, по которым возникает необходимость
информационной поддержки принимаемых решений в области
экологической безопасности жизнедеятельности населения,
рационального энергопользования и энергосбережения. К таким функциям
можно отнести:
• отчетность о результатах выполнения работ в рамках
социально-экологического состояния региона и мерах по его улучшению;
• контроль текущего состояния окружающей среды,
превышения предельно допустимых концентраций вредных и тому подобных
веществ на подведомственной территории;
• планирование (годовое, квартальное) программ социального
развития, изучения качества жизни населения, повышения
экологической безопасности жизнедеятельности населения в регионе;
434 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• управление в повседневной административной деятельности
(разбор претензий, жалоб и конфликтов с юридическими и
физическими лицами).
Для выполнения вышеперечисленных функций требуется полная
и достоверная информация Потоки информации, необходимой для
адекватной оценки складывающейся ситуации и принятия
управляющих или корректирующих решений, проходят разные стадии:
получение, обработка и отображение информации, оценка ситуации и
принятие решений. Столь многофункциональная система с
большими объемами географически привязанной информации может быть
эффективно реализована только с применением рассмотренных
выше современных геоинформационных технологий.
Комплексность экологических проблем, связывая воедино
задачи, решаемые разными специалистами, требует системного подхода
к их решению, проявляющегося в конкретных действиях
специалистов каждой отрасли. Структура информационного обеспечения
системы экологического мониторинга отражает эту специфику. По
функциональному назначению его целесообразно разделить на
проблемно-ориентированные блоки (или применительно к
терминологии ГИС-слои) информации отдельных региональных служб,
включая архитектурно-планировочные, коммунальные, инженерного
обеспечения и др.
Информационное обеспечение системы ЕЭМ должно содержать
следующие тематические слои информации (рис. 13.6).
• общая экологическая характеристика (атмосферный воздух,
водоемы, почва, санитарно-эпидемиологические условия и др.);
• источники негативного воздействия на окружающую среду
(выбросы и сбросы, твердые отходы и др.);
• зонирование территорий (объекты производственного
назначения, селитебные территории, административные здания и др.);
• система охранных территорий (памятники истории и
архитектуры, водоохранные зоны и др );
• инженерно-технические и транспортные коммуникации
(магистрали наземного и подземного видов транспорта, теплотрассы,
линии электропередачи и др );
• здравоохранение и социально-бытовые условия;
• нормативные и правовые документы,
• перспективы развития региона
Одним из важнейших элементов системы являются данные об
объективном состоянии окружающей среды. Для примера
рассмотрим структуру баз данных с показателями качества атмосферного
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 435
ТЕМАТИЧЕСКИЕ СЛОИ ИНФОРМАЦИИ
Общая экологическая
характеристика региона
• Санитарно-эпидемиологические
условия
¦ Атмосферный воздух
• Поверхностные и подземные воды
• Почва
• Физические воздействия (шум,
тепловое загрязнение, и др )
• Зеленые насаждения
Зонирование территорий
• Объекты производственного
назначения
• Селитебные территории
• Зеленые насаждения
• Административные здания
¦ Объекты коммунального назначена
• Транспортные предприятия
• Научные организации
¦ Памятники арихитектуры
Здравоохранение
и социально-бытовые условия
• Комфортность инфраструктуры
• Заболеваемость
Источники негативного
воздействия на окружающую
среду
¦ Выбросы в атмосферу
¦ Сбросы сточных вод
• Твердые отходы
• Физическое загрязнение
Система охранных территорий
¦ Памятники истории и культуры
• Водоохранные зоны
• Охранные зоны инженерных
коммуникаций
Инженерно-технические
и транспортные коммуникации
¦ Водопроводы и канализация
• Теплотрассы
• Электросеть
• Продуктопроводы
- Телефонная сеть
• Автомагистрали
• Железнодорожные магистрали
Перспективы развития региона
• Планы реконструкции
и строительства новых объектов
Рис 13 6 Тематическая информация в региональной системе ЕЭМ
воздуха. Состояние атмосферного воздуха характеризуется в
первую очередь результатами экспериментального определения
наличия в нем тех или иных загрязняющих веществ и их концентраций.
Данная информация складывается из результатов периодического
пробоотборного анализа, проводимого в регионе соответствующими
государственными организациями (например, органами санитарно-
эпидемиологического надзора), и данных, поступающих со
стационарных постов непрерывных экологических наблюдений. Поэтому
картографическая база данных по контролю атмосферы должна
содержать полную информацию о местах контроля (адрес точек
отбора проб), времени проведения замеров, погодных условиях в момент
забора пробы, концентрации измерявшихся ингредиентов. На
основе такой информации современные ГИС позволяют решать задачи
интерполяции — восстановления непрерывных полей по
дискретным данным, задачи комплексной оценки воздействия на экологи-
436 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ческую ситуацию региона полей загрязнений различных
ингредиентов и др.
Тематическая информация, касающаяся расположения и
конфигурации основных источников загрязнения окружающей среды,
должна быть представлена соответствующими электронными
картами. В связанных с ними таблицах целесообразно хранить общие
сведения о предприятиях региона (название, адрес, администрация
и т.д.). Такие базы данных в совокупности с соответствующими
картами позволяют получать ответы на следующие запросы:
• что представляет собой объект, выделенный на карте;
• где он расположен;
• какие объекты выбрасывают определенные вредные вещества;
• какие предприятия выбрасывают данное вредное вещество в
объеме больше заданного;
• какие вещества выбрасывает данное предприятие и в каком
объеме;
• какие предприятия превышают нормативы ПДВ;
• у какого предприятия просрочено действие разрешения на
выброс;
• у какого предприятия задолженность по выплатам за выбросы
в атмосферу.
Данные об инженерно-технических и транспортных
коммуникациях должны храниться в ГИС ЕЭМ также в виде соответствующих
карт и тематических баз данных. Следует отметить, что для
инженерно-технических коммуникаций целесообразно иметь в базе
данных и дополнительную графическую информацию в виде схем,
чертежей и пояснительных документов, необходимых для их
безопасной эксплуатации (ГИС предоставляет широкие возможности для
работы с такой информацией).
В базах данных по транспортным магистралям должны
содержаться такие экологические показатели, как интенсивность
движения, спектр и объем вредных выбросов на единицу длины,
виброакустические данные и др. Очевидно, что названные показатели
изменяются на разных участках магистрали. Поэтому при
картировании магистрали представляются в виде совокупности
взаимосвязанных дуг, каждой из которых в базе данных ставятся в
соответствие ее характеристики. В целом графические и тематические базы
данных по транспортным магистралям должны обеспечивать
выполнение запросов:
• какое количество заданного вредного вещества
выбрасывается по всей длине транспортной магистрали,
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 437
• на какой магистрали выбрасывается максимальное
количество определенного вредного вещества или всех веществ вместе;
• каково общее количество транспортных единиц, следующих
по заданной магистрали или количество транспортных единиц
заданного вида;
• какая магистраль (или участок какой магистрали) является
наиболее нагруженной в транспортном отношении.
Изображение автомобильных магистралей на карте линиями
различной ширины в зависимости от интенсивности движения
транспорта по ним или объема выбросов загрязняющих веществ
автомобилями на различных участках магистралей упрощает анализ
транспортной ситуации, а одновременное использование базы
данных позволяет получить любую интересующую пользователя
информацию.
Дополнительные возможности для анализа экологической
ситуации предоставляют оверлейные операции по наложению слоев
информации в ГИС. Так, одновременный вывод на экран полей
концентрации оксида углерода, построенных по результатам ее
измерений, и выбросов этого загрязнителя вдоль транспортных
магистралей позволяет сделать вывод об источнике экологической
опасности и принять соответствующие меры по ее устранению
Кроме распространенных баз данных в системе
информационного обеспечения ЕЭМ особое значение имеет блок моделирования
распределения полей концентрации загрязняющих веществ на
основе общих показателей работы промышленных объектов или других
источников загрязнения и степени их воздействия на ОС. Такие
расчеты необходимы при анализе неблагополучной экологической
ситуации в регионе для выявления ее виновников (вместе с анализом
данных прямых измерений или вместо них, когда их получение не
представляется возможным) или при прогнозировании
экологической обстановки при вводе в действие или реконструкции тех или
иных источников антропогенного воздействия на окружающую
среду и определении размера затрат на уменьшение количества
вредных выбросов в окружающую среду. Точность моделирования
текущей ситуации в этом случае, как правило, невелика, но
достаточна для выявления очагов загрязнения и выработки адекватного
управляющего воздействия на технологическом и экономическом
уровнях. В настоящее время существует ряд методик и
самостоятельных программных средств (не входящих в состав ГИС),
позволяющих определять поля концентраций загрязняющих веществ по
результатам решения уравнений, описывающих с той или иной сте-
438 Часть II Мониторинг и зашита окружающей среды
пенью приближения рассеяние примесей в атмосфере или водной
среде. В качестве нормативной для моделирования процессов в
атмосфере утверждена методика ОНД-86.
Широкие интеграционные возможности ГИС позволяют
использовать в качестве источников информации внешние
специализированные расчетные модули и программные средства Поэтому их
включение в состав ГИС ЕЭМ не вызывает особенных трудностей.
Таким образом, ГИС ЕЭМ позволяет эффективно реализовать
комплексный подход к решению задач обеспечения экологической
безопасности региона и создает единое информационное
пространство для служб управления регионом.
ЛИТЕРАТУРА
1 Цветков В Я Геоинформационные системы и технологии М Финансы
и статистика, 1998
2 Бугаевский Л М , Вахромеева Л А Картографические проекции М
Недра, 1992
3 Коновалова Н В , Капралов Е Г Введение в ГИС Петрозаводск Изд-во
Петрозаводского университета, 1995
4 Разработка ГИС мониторинга лесных пожаров России иа основе ARC
View GIS 3 0 и глобальной сети Internet / С А Барталев, А И Беляев,
Д В Ершов и др // ARC REVIEW (современные геоинформационные
технологии) 1998 № 1
5 Озеров Ю , Сясин В ARC/INFO и ARC View в МЧС России // ARC
REVIEW (современные геоинформационные технологии) 1997 № 2
6 Матросов А С Информационные технологии в системе управления
отходами Учеб пособие М УРАО, 1999
Гл а в а 14
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА, АУДИТ
14.1. Экологическая экспертиза
В систему охраны окружающей среды и управления
природопользованием входит ряд специфических инструментов и рычагов,
основывающихся на методах правовой защиты и регулирования,
экологического менеджмента и маркетинга. К числу этих методов
относятся экоэкспертиза, аудит и сертификация, которые
постепенно совершенствуются, взаимно дополняя друг друга.
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
439
Одним из основных направлений деятельности
природоохранных учреждений, комитетов и общественных организаций является
экологическая экспертиза. В соответствий с законами Российской
Федерации «Об охране окружающей природной среды», «Об
экологической экспертизе» экологическая экспертиза — это
установление соответствия намечаемой хозяйственной и иной деятельности
экологическим требованиям и определение допустимой реализации
объекта экологической экспертизы в целях предупреждения
возможных неблагоприятных экологических воздействий и связанных
с ними социальных, экономических и иных последствий реализации
объекта экологической экспертизы. Экологическая экспертиза
основывается на ряде принципов:
• презумпция потенциальной экологической опасности любой
намечаемой хозяйственной и иной деятельности;
• обязательности проведения государственной экологической
экспертизы до принятия решений о реализации объекта экспертизы;
• комплексности оценки воздействия на окружающую
природную среду хозяйственной и иной деятельности и их последствий;
• обязательности учета требований экологической безопасности;
• достоверности и полноты информации, представляемой на
экологическую экспертизу;
• независимости экспертов при осуществлении ими своих
полномочий;
• научной обоснованности, объективности и законности
сделанных заключений;
• гласности, участия граждан и общественных организаций
(объединений), учета общественного мнения;
• ответственности участников экспертизы и заинтересованных
лиц за организацию, проведение и качество экологической
экспертизы [1, 2].
Следует иметь в виду, что в Российской Федерации
осуществляются как государственная, так и общественная экологическая
экспертиза.
Государственная экологическая экспертиза является
организационно-правовой формой предупредительного контроля.
Одновременно она выходит за рамки понятия «контроль», являясь
самостоятельным видом управленческой деятельности Государственная
экологическая экспертиза представляет собой специальный комплекс
действий государственных органов и экспертных комиссий. Цель
государственной экологической экспертизы заключается в проверке и
440 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Проектов планов
Предплановой документации
Проектно-сметной
документации
Нормативно-правовой
документации
Нормативно-технической
документации
Новыхтехники, технологий,
материалов, веществ
4
Рис 14 1 Направления государственной экологической экспертизы
оценке объекта экспертизы на соответствие требованиям охраны
окружающей природной среды и экологической безопасности.
Принципы государственной экологической экспертизы,
закрепленные на законодательном уровне, предусматривают в первую
очередь обязательность проведения экспертизы. Государственная
экологическая экспертиза должна предшествовать принятию
хозяйственного решения с целью предупреждения возможного вредного
воздействия на окружающую природную среду. Проведение
экологической экспертизы обязательно для всех проектов и
программ. В качестве гарантии обязательности государственной
экологической экспертизы предусматривается возможность открытия
финансирования работ по проектам и программам только при наличии
положительного заключения экспертизы. Экологическая экспертиза
выступает гарантом функционирования механизма охраны
окружающей природной среды.
Принцип научной обоснованности и законности выводов
государственной экологической экспертизы отражает два ее
направления — научное и административно-правовое Экспертиза
представляет собой научно-исследовательский процесс, следовательно,
она должна проводиться на современном научно-техническом
уровне, с использованием новейших форм и методов научных
исследований, с привлечением квалифицированных ученых-экспертов.
Результатом работы должны быть не только фиксация допущенных
нарушений экологических нормативов, но и научно обоснованная
оценка их последствий, рекомендации органам, принимающим
решения, по исправлению и устранению недостатков, прогноз
наиболее эффективных условий реализации экспертируемых проектов и
объектов.
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит 441
Принцип независимости, вневедомственности
государственной экологической экспертизы означает, что непременными
условиями ее эффективности являются организационная и финансовая
независимость организующих и осуществляющих экспертизу
органов, внештатный статус экспертов.
Организационно государственная экологическая экспертиза
представляет собой систему, построение которой направлено на
обеспечение вневедомственности государственной экологической
экспертизы. Руководство экспертными комиссиями, группами, а
также собственно проведение экспертизы осуществляются в
основном внештатными экспертами.
Финансовая независимость экспертизы обеспечивается тем, что
она финансируется из бюджета Российской Федерации и за счет
средств, поступающих от заказчика за выполнение экспертных
работ, в том числе за повторное проведение экспертизы.
Перечисленные заказчиком финансовые средства расходуются
исключительно на проведение государственной экологической экспертизы в
полном соответствии со сметой расходов на ее проведение. Специально
уполномоченный государственный орган в области экологической
экспертизы несет ответственность за целевое использование этих
средств.
Информация о ходе проведения экспертизы, принятых решениях
и их учете органами управления при реализации объекта
экспертизы должна быть доступной для широких масс населения.
Организационно работа по экспертизе должна строиться таким образом,
чтобы общественные организации и граждане могли получать
информацию и доводить до сведения принимающих решения органов
свою позицию.
Объектами государственной экологической экспертизы
являются все материалы по объектам и мероприятиям, намеченным к
реализации на территории Российской Федерации. Различают
плановые работы и предплановую документацию. К первым
принадлежат прогнозы развития отрасли хозяйства, состояния окружающей
природной среды и т.п. Ко вторым — схемы расселения, схемы и
проекты районной планировки и застройки городов, комплексные
схемы использования отдельных природных ресурсов, схемы охраны
малых рек и т.п
К объектам экспертизы отнесены также все предпроектные и
проектные материалы по объектам и мероприятиям, намеченным к
реализации на территории Российской Федерации. Предпроектные
материалы — это технико-экономические обоснования (ТЭО); ос-
442 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
новные положения на строительное проектирование, специальные
условия строительного проектирования, задание на проектирование,
материалы выбора площадки (трассы) и т п Проектными
материалами считаются типовые и индивидуальные рабочие проекты на
строительство, рабочая и сметная документация и т п Термин
«проектные материалы» охватывает также и проекты законодательных
и иных нормативных правовых актов, реализация которых может
привести к вредному воздействию на окружающую природную
среду
Перечисленные объекты подлежат государственной
экологической экспертизе независимо от их сметной стоимости и
принадлежности Таким образом, устраняются ведомственные барьеры, т е
государственной экспертизе подлежат как гражданские, так и
военные, оборонные и тому подобные объекты
К объектам экологической экспертизы относятся экологические
обоснования выдаваемых лицензий на природопользование Для
оперативности и удобства установлены общие требования к
содержанию лицензии С помощью отраслевых природно-ресурсовых
подзаконных актов уточнен вид и статус лицензий с учетом специфики
конкретного природного объекта В Законе Российской Федерации
«О недрах» говорится, что лицензия — это документ,
удостоверяющий право его владельца на пользование участком недр в
определенных границах в соответствии с указанной целью в течение
установленного срока при соблюдении им заранее оговоренных
требований и условий Лицензия удостоверяет также право на
осуществление видов пользования недрами К объектам экологической
экспертизы отнесены также экологические обоснования
сертификатов
Заключением государственной экологической экспертизы
является документ, подготовленный экспертной комиссией,
содержащий обоснованные выводы о допустимости деятельности, которая
экспертировалась, и о возможности реализации объекта
государственной экологической экспертизы Этот документ должен быть
одобрен квалифицированным большинством списочного состава
экспертной комиссии К заключению прилагаются особые,
обоснованные мнения экспертов, не согласных с принятым экспертной
комиссией заключением (если таковые имеются) Заключение должно
быть подписано руководителем, ответственным секретарем и всеми
членами экспертной комиссии Если возникает необходимость
изменить содержание заключения, то необходимо иметь согласие всех
членов экспертной комиссии Статус заключения государственной
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
443
экологической экспертизы подготовленный документ приобретает
после утверждения его специальным уполномоченным
государственным органом в области экологической экспертизы
Положительное заключение государственной экологической
экспертизы теряет юридическую силу в тех случаях, когда
• проведены доработки материалов по замечаниям
выполненной ранее экспертизы,
• изменены условия природопользования специально
уполномоченным государственным органом в области окружающей
природной среды,
• произведена реализация объекта экспертизы с отступлениями
от документации, получившей положительное заключение, и (или)
в случае внесения изменений в указанную документацию,
• истек срок действия положительного заключения,
• внесены изменения в документацию после получения
положительного заключения
Правовым последствием отрицательного заключения
государственной экологической экспертизы является запрет реализации
объекта государственной экологической экспертизы В случае
отрицательного заключения заказчику предоставляется право представить
материалы на повторную государственную экологическую
экспертизу При этом обязательным условием является устранение
замечаний, изложенных в отрицательном заключении Кроме того,
заказчик имеет право оспорить заключение в судебном порядке
Закон закрепляет гарантии эффективности государственной
экологической экспертизы Ее требования распространяются на две
группы субъектов Во-первых, на тех, кому адресовано экспертное
заключение Тем самым подкрепляется его обязательный, а не
рекомендательный характер Во-вторых, предусматривается
ответственность тех, кто выносит экспертное заключение, что способствует
повышению качества экспертизы
Ответственность за нарушение законодательства РФ в
области экологической экспертизы установлена в [1| Ответственность за
невыполнение требований заключения государственной
экологической экспертизы в первую очередь должны нести руководители
предприятий, учреждений, организаций Под понятие «руководители»
подпадают и субъекты предпринимательской деятельности,
зарегистрированные в качестве таковых в соответствии с Законом РСФСР
«О предприятиях и предпринимательской деятельности» от
25 12 1990 г Руководители предприятий являются должностными
лицами
444 Часть II Мониторинг и зашита окружающей среды
Наряду с руководителями предприятий, учреждений и
организаций ответственность за невыполнение требований заключения
государственной экологической экспертизы несут и иные должностные
лица. В соответствии с УК РФ к уголовной ответственности за
должностные преступления могут быть привлечены те лица, которые
отвечают признакам должностного лица, указанным в примечании к
ст. 170 УК РФ. К ним относятся лица, постоянно или временно
осуществляющие функции представителей власти, а также
занимающие постоянно или временно в государственных или общественных
учреждениях, организациях или на предприятиях должности,
связанные с выполнением организационно-распорядительных или
административно-хозяйственных обязанностей, или выполняющие такие
обязанности по специальному полномочию.
Согласно ст. 15 КоАП РФ, привлечение должностных лиц к
административной ответственности за административные
правонарушения, связанные с нарушением правил охраны природы, возможно
только в том случае, если обеспечение выполнения этих правил
входило в их служебные обязанности. Ответственность работников,
которые, выполняя распоряжение, непосредственно совершили
действия, посягающие на окружающую природную среду, наступает лишь
в том случае, когда они сознавали незаконный характер отданного
распоряжения и не приняли зависящих от них мер к
предотвращению наступившего вреда. Граждане, виновные в невыполнении
требований, содержащихся в заключениях экологической экспертизы,
могут быть привлечены к административной ответственности в виде
штрафа от однократного до десятикратного размера минимальной
заработной платы.
С момента назначения приказом все члены экспертной комиссии
приобретают статус должностных лиц и несут юридическую
ответственность за правильность и обоснованность своих заключений.
Административная ответственность указанных субъектов
предусмотрена статьей за невыполнение обязанностей по проведению
государственной экологической экспертизы, а также за
предоставление заведомо неправильных и необоснованных экспертных
заключений. При наличии признаков составов должностных
преступлений, предусмотренных ст. 170, 175 УК РФ, они могут быть
привлечены к уголовной ответственности. Виновники должностных
преступлений обязаны возместить вред, причиненный
совершенными ими правонарушениями.
Общественная экологическая экспертиза организуется и
проводится по инициативе граждан, общественных организаций (объ-
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
445
единений), а также по инициативе органов самоуправления
общественными организациями (объединениями), уставами которых
предусмотрено проведение общественных экологических экспертиз.
Такая экспертиза проводится научными коллективами,
общественными объединениями. Практика показывает, что речь идет
преимущественно о временных коллективах, комиссиях, группах. Под
общественными объединениями следует понимать добровольные
объединения граждан. Заключение общественной экологической
экспертизы носит рекомендательный, информационный характер.
Однако оно становится юридически обязательным после
утверждения ее результатов соответствующими органами государственной
экологической экспертизы. Члены общественных экспертных
коллективов несут ответственность за правильность, обоснованность
своих экспертных оценок в соответствии с законодательством
Российской Федерации. Хотя цели общественной и государственной
экологических экспертиз совпадают, но задачи у них разные. Как
правило, общественная экспертиза наряду с задачами
непосредственной экспертизы имеет цели привлечь внимание государственных
органов к конкретному объекту, широко распространить научно
обоснованную информацию о его потенциальной экологической
опасности и т.п.
Основанием для проведения экологической экспертизы могут
служить решения: местных представительных органов;
референдумов; собраний (сходов); высших или исполнительных органов
общественного объединения согласно их компетенции, определенной в
уставе или ином статусном документе; общего собрания научного
коллектива и т.п.
В соответствии с законодательством РФ об экологической
экспертизе применяется общепринятая норма, т.е. если
международным договором РФ установлены иные правила в области
экологической экспертизы, чем те, которые предусмотрены российским
законодательством, применяются правила международного договора.
При этом технико-экономические обоснования и проекты, в том
числе с участием иностранных граждан или иностранных
юридических лиц, подлежат обязательной экологической экспертизе наравне
с российскими.
446 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
14.2. Порядок проведения государственной
экологической экспертизы
Официально установленный порядок организации и проведения
экологической экспертизы [3] включает в себя пять основных стадий:
1) назначение экспертизы и ее организацию;
2) сбор, обобщение, анализ и оценку поступившей информации;
3) формирование предварительного заключения и ознакомление
с ним общественности;
4) представление окончательного заключения экспертной
комиссии и утверждение его в качестве заключения ГЭЭ руководителем
компетентного органа;
5) разрешение споров и при необходимости проведение
повторной (дополнительной) экспертизы.
На государственную экологическую экспертизу представляется
документация, подлежащая экспертизе в соответствии со статьями
Федерального закона «Об экологической экспертизе» (ст. 11 и 12).
Материалы по объектам государственной экологической
экспертизы федерального уровня направляются в Министерство
природных ресурсов (МПР России), а по объектам государственной
экологической экспертизы, относящимся к субъектам местного и
регионального управления, — в территориальные органы МПР России.
Причем материалы, подлежащие государственной экологической
экспертизе, представляются в двух экземплярах, все остальные
материалы, необходимые для согласования, обсуждения и т.п.,
представляются в одном экземпляре. В случае несоответствия
указанным требованиям МПР России или его территориальные органы в
срок не более семи дней со дня регистрации поступивших
материалов направляет заказчику уведомление о некомплектности
материалов и сроках их представления.
С целью повышения оперативности в работе и ответственности
заказчиков документация, не укомплектованная в течение одного
месяца со дня получения извещения, возвращается заказчику.
Работы по проведению государственной экспертизы осуществляются
на платной основе. Заказчик должен своевременно провести оплату
и представить подтверждающие документы в течение 30 дней со дня
получения заказчиком документации уведомления о необходимости
оплаты. В случае невыполнения этих условий государственная
экологическая экспертиза не проводится, а сами материалы
возвращаются заказчику с сопроводительным письмом о возврате
материалов.
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
447
После поступления материалов в подразделение МПР России
или его территориального органа (экспертное подразделение),
специализирующееся в проведении государственной экологической
экспертизы, они регистрируются в установленном порядке.
Руководство экспертного подразделения определяет ответственного
исполнителя (из числа штатных сотрудников) и передает ему полученные
материалы для организации и проведения государственной
экологической экспертизы. Ответственный исполнитель в недельный срок
со дня регистрации материалов проверяет комплектность
поступившей документации и ее соответствие требованиям Федерального
закона «Об экологической экспертизе».
При наличии полного комплекта документации ответственный
исполнитель определяет.
• сложность объекта государственной экологической
экспертизы;
• срок проведения государственной экологической экспертизы;
• количество привлекаемых экспертов;
• стоимость проведения государственной экологической
экспертизы.
Срок проведения государственной экологической экспертизы
определяется сложностью объекта экспертизы, учитывающей
экологическую опасность намечаемой деятельности, сложность
природных условий, опасность природных процессов и экологической
ситуации в районе намечаемой хозяйственной и иной деятельности.
Обычно для простых объектов срок устанавливается до 30 дней; для
объектов средней сложности — до 60 дней; для сложных
объектов — 120 дней. Допускается корректировка сроков экспертизы
Однако они не должны превышать шести месяцев. Изменение срока
экспертизы оформляется приказом
В течение времени, предусмотренного для оплаты работ
(30 дней), ответственный исполнитель подготавливает:
• техническое задание экспертной комиссии на проведение
государственной экологической экспертизы;
• предложения по кандидатурам руководителя и
ответственного секретаря экспертной комиссии
Ответственный секретарь экспертной комиссии назначается из
числа штатных сотрудников (обычно это ранее назначенный
ответственный исполнитель). В ряде случаев, при проведении
государственной экологической экспертизы сложных объектов, назначают
двух ответственных секретарей, один из которых может не являться
штатным сотрудником. Руководитель экспертной комиссии и ответ-
448 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ственный исполнитель определяют персональный состав экспертной
комиссии; из числа экспертов формируют при необходимости
группы по рассмотрению отдельных вопросов; подготавливают проект
календарного плана работы экспертной комиссии; подготавливают
техническое задание руководителем групп и членам экспертной
комиссии. Число членов экспертной комиссии должно быть нечетным
и не менее трех человек С каждым членом экспертной комиссии
заключается договор на проведение государственной экологической
экспертизы.
В соответствии с п. 10 постановления Правительства «Об
утверждении Положения о порядке проведения государственной
экологической экспертизы» экспертиза объекта начинается со дня
подписания приказа МПР России (его территориального органа) о ее
проведении, но не позднее, чем через 30 дней со дня оплаты
заказчиком работ. Ответственный исполнитель в течение 10 дней после
подписания приказа подготавливает уведомление органам
государственной власти субъектов Российской Федерации, органам
местного самоуправления, общественным организациям о проведении
заседаний экспертной комиссии по объекту экспертизы, реализуемому
на территории соответствующего субъекта Российской Федерации.
Работа экспертной комиссии начинается с проведения
организационного заседания, на котором присутствуют члены экспертной
комиссии, заказчик документации, подлежащей экологической
экспертизе, или его представитель, а также, при необходимости,
представители других заинтересованных организаций.
Участие территориального органа в государственной
экологической экспертизе может осуществляться в следующих формах:
• территориальный орган делегирует в состав экспертной
комиссии своего представителя;
• территориальный орган передает свои заключения с выводами
о возможности реализации объекта экспертизы.
На организационном заседании:
• представитель экспертного подразделения или ответственный
секретарь экспертной комиссии сообщает о приказе на проведение
государственной экологической экспертизы;
• руководитель экспертной комиссии информирует о порядке
проведения государственной экологической экспертизы
документации;
• представитель заказчика (разработчика) представленной на
экспертизу документации докладывает о характере намечаемой
деятельности;
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
449
• уточняется календарный план работы экспертной комиссии,
экспертных групп и экспертов,
• определяются сроки подготовки групповых и индивидуальных
экспертных заключений;
• определяется срок подготовки проекта заключения
экспертной комиссии.
В процессе работы члены экспертной комиссии изучают
материалы, представленные на государственную экологическую
экспертизу, и анализируют заключение общественной экологической
экспертизы и аргументированные предложения органов местного
самоуправления, общественных организаций (объединений) и граждан.
Затем члены комиссии готовят индивидуальные экспертные
заключения.
При необходимости осуществляется выезд членов экспертной
комиссии на место для получения дополнительной информации.
Командирование группы экспертов оформляется приказом. Если
требуются дополнительные разъяснения и по проектным решениям
(технологическим, техническим, организационным), руководитель
экспертной комиссии и руководители групп могут приглашать
заказчика.
На основании индивидуальных экспертных заключений
руководители групп подготавливают проекты групповых заключений,
которые обсуждаются на заседаниях экспертных групп и
представляются ответственному секретарю или руководителю экспертной
комиссии Заключения экспертов и групп обобщаются руководителем
экспертной комиссии и ответственным секретарем. Обобщенный
проект заключения экспертной комиссии обсуждается на
заключительном заседании экспертной комиссии в присутствии заказчика,
разработчиков материалов, представителей администрации
территориального органа и общественности Приглашенные на
заключительное заседание экспертной комиссии могут высказать по проекту
замечания.
После обсуждения заключение государственной экологической
экспертизы подписывается всеми членами экспертной комиссии
МПР России (его территориального органа). В случае, если
заключение экспертной комиссии не подписано квалифицированным
большинством голосов и после продления срока проведения
государственной экологической экспертизы, данная экологическая
экспертиза считается завершенной без результата. Все заключения и особые
мнения экспертов принимаются к сведению Создается новая
экспертная комиссия из экспертов, не участвовавших в предыдущей
15-4910
450 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
экспертизе и отвечающих всем требованиям, предъявляемым к
экспертам.
Оплата работы экспертной комиссии при продлении срока
проведения государственной экологической экспертизы производится
за счет средств МПР России (его территориальных органов).
В соответствии со ст. 18 п. 4 Федерального закона «Об
экологической экспертизе» заключение, подписанное
квалифицированным большинством членов экспертной комиссии, приобретает
статус заключения государственной экологической экспертизы после
его утверждения руководством МПР России (его территориального
органа) приказом, в котором устанавливается срок действия
заключения. Руководство МПР России (его территориального органа)
имеет право не утверждать заключение экспертной комиссии в тех
случаях, когда нарушена процедура проведения экологической
экспертизы или выявлены несоответствия выводов заключения
замечаниям экспертов
Положительное заключение государственной экологической
экспертизы, утвержденное в установленном порядке, теряет
юридическую силу в случае признания его недействительным решением суда
или арбитражного суда
После завершения государственной экологической экспертизы
ответственный исполнитель в соответствии с п. 6 ст 18
Федерального закона «Об экологической экспертизе»:
• направляет заключение государственной экологической
экспертизы заказчику в течение 5 дней со дня утверждения заключения
государственной экологической экспертизы;
• направляет информацию о заключении государственной
экологической экспертизы территориальным специально
уполномоченным на то государственным органам в области охраны окружающей
среды (в случае проведения государственной экологической
экспертизы федеральным специально уполномоченным государственным
органом в области экологической экспертизы), органам
исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органам
местного самоуправления,
• направляет письма о выполнении поручения органов
государственной власти в случае ее проведения по их поручению,
• направляет письма с информацией о результатах проведения
государственной экологической экспертизы с целью
информирования общественности и средств массовой информации по их
запросам,
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
451
• подготавливает информацию в банковские организации,
осуществляющие финансирование проектов, в отношении объектов
экологической экспертизы, не получивших положительного
заключения государственной экологической экспертизы;
• оформляет акты приемки выполненных экспертами работ и
оформляет документы для их оплаты.
Один экземпляр материалов, представленных на
государственную экологическую экспертизу, после ее завершения остается в
экспертном подразделении, остальные материалы возвращаются
заказчику с сопроводительным письмом МПР России (его
территориального органа).
При отрицательном заключении государственной экологической
экспертизы заказчик вправе доработать документацию в
соответствии с изложенными в заключении замечаниями и предложениями и
вновь представить материалы на государственную экологическую
экспертизу. Основанием для повторного рассмотрения материалов
по объектам экспертизы являются:
• доработка материалов по замечаниям и предложениям,
изложенным в уведомлении экспертного подразделения, проводившего
первоначальное рассмотрение материалов, направленных на
государственную экологическую экспертизу, или содержащимся в
отрицательном заключении экспертной комиссии государственной
экологической экспертизы;
• изменение условий природопользования;
• реализация объекта экспертизы с отступлениями от ранее
принятых решений, получивших положительное заключение
государственной экологической экспертизы;
• истечение срока действия положительного заключения
государственной экологической экспертизы;
• решение суда, арбитражного суда.
К проведению повторной экспертизы привлекается комиссия в
первоначальном составе и формируется тем же уполномоченным
органом в области государственной экологической экспертизы.
Повторная экспертиза по решению судебных органов осуществляется
экспертным подразделением государственной экологической
экспертизы, определяемым решением суда. Финансовое обеспечение
повторной государственной экологической экспертизы
осуществляется заказчиком в установленном порядке. В случаях проведения
повторной государственной экологической экспертизы по
поручению судебных органов решение о компенсации затрат на проведение
государственной экологической экспертизы принимается судом.
15'
452 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
После завершения повторной государственной экологической
экспертизы заключение государственной экологической экспертизы
направляется судебному органу, по решению которого она
проводилась.
14.3. Оценка воздействия на окружающую среду
В настоящее время в практику проектирования и экспертизы
активно внедряется идеология и методология оценки воздействия на
окружающую природную среду (ОВОС), которая нашла широкое
применение и законодательно закреплена во многих развитых и
развивающихся странах мира.
В соответствии с Законом Российской Федерации «Об охране
окружающей природной среды» при размещении предприятий,
сооружений и иных объектов должно быть обеспечено выполнение требо-
Этапы ОВОС
Определение цели замысла
инициатора деятельности
Установление масштабов (охват)
работ по оценке воздействия
намечаемой деятельности на
окружающую среду
Подготовка материалов,
характеризующих возможное
воздействие вариантов
намечаемой деятельности на
окружающую среду
*
'
'
Получение(или согласование)в
органах власти и государственного
управления документа,
содержащего экологические
условия и требования для
дальнейшей проработки замысла,
составление необходимых
программ изысканий исследований
Подготовка уточненных материалов
о возможных воздействиях на
окружающую среду по результатам
проработки проектных и других
решений, выполнения программ
изысканий и научных исследований
для общественной апробации
(общественные слушания, опрос
общественного мнения),
общественная апробация замысла
инициатора деятельности с целью
выявления возможных
неблагоприятных экологических и
связанных с ними социальных,
экономических и других
последствий его осуществления
Корректировка замысла инициатора и документации по реализации намечаемой
деятельности с учетом выявления возможных неблагоприятных экологических,
экономических, социальных и других последствий
Рис 14 2 Проведение ОВОС
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
453
ваний по «учету ближайших и отдаленных экологических,
экономических, демографических, нравственных последствий деятельности
этих объектов по приоритету охраны здоровья человека и
благосостояния населения» Полнота и достаточность гарантий выполнения
указанных требований оцениваются МПР России и его
территориальными органами при организации и осуществлении ими
государственной экологической экспертизы предплановой, предпроектной и
проектной документации. Для обеспечения выполнения указанных
требований необходимо при разработке предплановой,
предпроектной и проектной документации использовать процедуру оценки
воздействия на окружающую среду поэтапно (рис. 14.2) [4].
Результатом выполнения процедуры ОВОС являются проектные
и другие решения, подлежащие государственной экологической
экспертизе.
Понимая важность ОВОС, Российская Федерация подписала
международную Конвенцию об оценке воздействия на окружающую
среду в трансграничном контексте, содержащую процедуру ОВОС
для видов деятельности, имеющих трансграничное воздействие.
14.4. Экологический аудит
Одним из важных рычагов экологизации управления
предприятием является экологический аудит. По определению
Международной организации по стандартизации, экологический аудит — это
систематически проводимый и документированный процесс
проверки, заключающийся в объективном получении и оценке информации
с целью определения соответствия конкретных экологических
мероприятий, условий, систем управления или информации о них
критериям аудита, а также передачи результатов этого процесса
заказчику. Эти критерии могут быть основаны на местных, национальных
или международных экологических нормах, государственных
законах или нормативах, разрешениях и допущениях, условиях работы
систем управления, корпоративных стандартах или методических
указаниях международных организаций.
В России правовая и нормативная база экологического аудита
только начинает формироваться. В настоящее время в нашей стране
существует несколько документов, где упоминается экологический
аудит В частности, в соответствии с Положением о лицензировании
отдельных видов деятельности в области охраны окружающей
среды, утвержденным постановлением № 168 Правительства
Российской Федерации от 26 02.1996, приказом № 282 МПР России
454 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
«О порядке проведения работ по лицензированию отдельных видов
деятельности в области охраны окружающей среды» от 18.06.1996
и Временным порядком организации и проведения лицензирования
отдельных видов деятельности в области охраны окружающей среды
(приложение № 3 к приказу № 282 МПР России от 18.06 1996) для
проведения работ по экологическому аудиту необходимо получить
лицензию на вид деятельности «Проведение экологического
аудирования производств, предприятий-природопользователей и субъектов
предпринимательства».
Документы, обосновывающие экоаудит как вид деятельности и
регламентирующие его проведение, пока существуют в виде
проектов Обычно экоаудит проводят исходя из потребностей
предприятия с учетом международных стандартов серии 14000 (ИСО 14010,
ИСО 14012, ИСО 14013), инструкций Мирового банка, схемы
экологического управления и аудита Европейского Союза, а также
практики проведения аудита в других странах. Аудит
осуществляется при помощи количественных и качественных показателей,
характеризующих деятельность объекта, основанных на
государственных и международных нормах, правилах и ограничениях,
определяемых актами, стандартами, постановлениями и предписаниями.
На практике такой аудит реализует экологический аудитор
(экоаудитор) — физическое лицо, обладающее официальным
правом проведения экологического аудита (т.е. государственной
лицензией, полученной в установленном порядке), или экологическая
аудиторская организация (экоаудиторская организация) •—
юридическое лицо, обладающее государственной лицензией на проведение
экологического аудита, полученной в установленном порядке.
В рамках экологического аудита решаются следующие задачи:
• содействие предприятиям (организациям) в самостоятельном
регулировании их экологической политики,
• определение приоритетности предупредительных мер,
направленных на выполнение экологических требований нормативных
актов;
• подготовка предложений по организации природоохранной
деятельности на предприятии, снижению финансового риска для
предприятий.
Основными принципами экологического аудита,
обеспечивающими его эффективность, являются.
• поддержка экологического аудита руководством или
собственником объекта и принятие необходимых мер по результатам
экологического аудита,
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит
455
• объективность экоаудиторов и их независимость от
руководства или собственника объекта;
• компетентность экоаудиторов в вопросах охраны
окружающей природной среды и специфики обследуемого объекта;
• комплексный анализ экологических и экономических
показателей деятельности предприятий с использованием системных
методов;
• конфиденциальность информации, получаемой при аудите.
Экологический аудит проводится при решении вопросов:
• организации природоохранной деятельности на
промышленных и иных предприятиях;
• изменение форм собственности или управления;
• заключения договоров на экологическое страхование;
• финансирования экологических мероприятий и программ;
¦ инвестиций в природоохранную, хозяйственную и иную
деятельность,
¦ выдачи лицензий на отдельные виды деятельности в области
охраны окружающей среды.
Объектами экологического аудита выступают действующие и
строящиеся предприятия и организации, работа которых оказывает
или может оказывать воздействие на окружающую среду. Экоаудит,
как и другие виды аудита, осуществляется по плану, который
является официальным документом, определяющим объем и
направления исследований по оценке степени экологической безопасности
объекта. Программу экологического аудита утверждает заказчик по
согласованию с руководством или собственником объекта. В нее
может быть включены оценка состояния природоохранной
деятельности заказчика (в том числе проверка документации и
оборудования), анализ возможных экологических последствий воздействия на
окружающую среду, выработка рекомендаций в соответствии с
планом проведения экологического аудита.
Задачи и вопросы экоаудита решаются при помощи ряда
процедур, основными из которых являются.
• проверка первичной документации, журналов регистрации и
прочих материалов, содержащих показатели природоохранной
деятельности;
• сбор информации в рамках программы экоаудита, включая
собеседования и тестирование сотрудников;
• визуальное обследование объекта;
• проверка состояния и эксплуатации технических средств;
456 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
• исследование характеристик окружающей среды и факторов
негативного воздействия;
¦ выработка рекомендаций по совершенствованию
природоохранной деятельности и рациональному использованию природных
ресурсов.
По согласованию с заказчиком план аудита может включать и
другие процедуры.
Как правило, экоаудит осуществляется за счет средств
заказчика. В случаях когда заказчиком являются федеральные или
территориальные органы исполнительной власти субъектов Российской
Федерации или органы государственного контроля и надзора, оплата
расходов на проведение экоаудита производится за счет средств
экологических фондов.
Экологический аудит проводят экоаудиторы, действующие в
составе экоаудиторских организаций или индивидуально,
профессиональная готовность которых к этой деятельности подтверждается
лицензией, полученной в установленном порядке. Требования к экоа-
удиторам, порядок их подготовки и аттестации, а также требования
к экоаудиторским организациям регулируются нормативными
актами федеральных органов и решениями субъектов Российской
Федерации в соответствии с общими принципами и правилами в области
экологического аудита и в пределах установленной компетенции.
Экологический аудит проводится:
• по инициативе предприятия с целью проверки соблюдения им
экологических требований и выработки корректирующих мер,
позволяющих избежать жестких санкций со стороны органов
государственного экологического контроля;
• по инициативе сторонней по отношению к обследуемому
объекту организации по согласованию с руководством или
собственником предприятия.
Результатом экологического аудита является заключение, где
отражается объективная оценка экологической опасности
предприятия, а также рекомендации по устранению отмеченных недостатков
и совершенствованию природоохранной деятельности. Заключение
является официальным документом, в соответствии с которым
заказчик экологического аудита обеспечивает выполнение
необходимых мероприятий. Результаты экологического аудита должны
учитываться МПР России и его территориальными органами при
рассмотрении вопросов, отнесенных к их компетенции. Требования к
форме и содержанию отчета о проведении экологического аудита
устанавливает заказчик.
Глава 15. Место сертификации в инженерной экологии 457
ЛИТЕРАТУРА
1. Закон РФ «Об экологической экспертизе» от 23 11 95 № 174-ФЗ
Опубликован 30.11.95. Российская газета № 232. Собрание законодательства РФ.
1995. № 48 Ст. 4556
2 Закон РСФСР «Об охране окружающей природной среды» от 19.12 91
№ 2060-1. Опубликован 03.03.92. Ведомости СНД и ВС РФ 1992. №10 С. 457
С последующими изменениями и дополнениями от 02 06 93.
3. Положение о порядке проведения государственной экологической
экспертизы. Утв. постановлением № 698 Правительства РФ от 11.06 96
Гл а в а 15
МЕСТО СЕРТИФИКАЦИИ В ИНЖЕНЕРНОЙ
ЭКОЛОГИИ
15.1. Цели и задачи сертификации
Одним из направлений решения вопросов обеспечения качества
окружающей среды, охраны здоровья, обеспечения безопасности
потребителя различных товаров и услуг является сертификация.
Термин «сертификация» используют достаточно широко, применяя его
к оценке качества конкретных товаров, услуг, процессов (в том
числе и технологических), систем (например, систем качества),
производства. Можно говорить о сертификации персонального
компьютера или о сертификации жилого здания, о сертификации
образовательного учреждения или об экологической сертификации. При этом
в оценках используют различные нормативно-технические базы и
различные критерии соответствия.
Сертификация может быть обязательной или добровольной.
Обязательная сертификация — это подтверждение
уполномоченным на то органом соответствия товара (работы, услуг)
обязательным требованиям стандарта. В соответствии с Законом РФ «О
сертификации продукции и услуг» формы обязательной сертификации
продукции устанавливаются Госстандартом России либо другими
уполномоченными на то государственными органами управления
РФ. Обязательная сертификация предусматривает выполнение
требований безопасности, которые направлены на обеспечение жизни,
здоровья потребителей и охраны окружающей среды,
предотвращение вреда имуществу потребителей. Добровольная сертифика-
458 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
ция — сертификация, проводимая на добровольной основе по
инициативе изготовителя (исполнителя), продавца (поставщика) или
потребителя продукции.
Рассмотрим построение сертификационной системы на примере
обязательной сертификации товаров. Сертификация
соответствия — это действие третьей стороны, доказывающее, что
обеспечивается необходимая уверенность в том, что должным образом
идентифицированная продукция соответствует конкретному стандарту
или другому нормативному документу. При этом под соответствием
понимается соблюдение всех установленных требований к
продукции, процессу или услуге. Под третьей стороной понимается лицо
или орган, признаваемый независимым от участвующих в
рассматриваемом вопросе сторон. Участвующие стороны представляют, как
правило, интересы поставщика (первая сторона) и покупателей
(вторая сторона). Следует особо подчеркнуть, что сертификация — это
всегда действие третьей стороны.
Сертификация, представляющая собЪй систему подтверждения
соответствия продукции определенным требованиям, широко
распространена во всем цивилизованном мире. За рубежом, а теперь и
в России сертификация используется с двоякой целью:
• во-первых, для защиты человека и окружающей среды от
потенциально опасной продукции;
• во-вторых, для повышения уверенности потребителя в
качестве приобретенного товара.
При этом в передовых странах базой сертификации служат, как
правило, законодательные акты, устанавливающие обязательные
требования к продукции. В США их насчитывается около 160, в
Японии — 33, в Европе — несколько сотен. В Российской
Федерации аналогичных законов очень мало. Основой правового
регулирования работ в области сертификации являются законы «О защите
прав потребителей», «О сертификации продукции и услуг», «Об
обеспечении единства средств измерений», «О стандартизации»,
номенклатура продукции и слуг, подлежащих обязательной
сертификации, и государственные стандарты, устанавливающие требования
к этой продукции 11].
Ввод в действие с апреля 1992 г. Закона РФ «О защите прав
потребителей» ознаменовал начало работ по обеспечению качества
и безопасности товаров в России в законодательно регулируемой
форме. Среди руководящих принципов для защиты потребителей на
первое место ставится право на безопасность товаров, и это не
случайно, так как при любых условиях все поступающие на потреби-
Глава 15. Место сертификации в инженерной экологии 459
тельский рынок товары должны в первую очередь быть безопасны
для приобретающих их граждан. Закон «О защите прав
потребителей» для обеспечения права потребителей на безопасность товаров
декларирует ряд требований к изготовителям, поставщикам и
продавцам товаров, которые направлены на реализацию этих прав:
сертификация продукции, возмещение нанесенного вреда, контроль
безопасности импортируемых товаров и т.п. При этом
ответственность за безопасность товаров, поступающих на потребительский
рынок, возложена в первую очередь на изготовителя этих товаров,
так как их качество и безопасность определяются при производстве.
В условиях нарождающейся рыночной экономики в России
сертификация является практически единственным средством защиты
потребителя от недобросовестности изготовителей и продавцов, она
позволяет предотвращать приобретение потребителями
низкокачественной (в первую очередь, небезопасной) продукции, особенно из
стран, где сравнительные испытания товаров еще не получили
широкого распространения. Для реализации своей продукции на
территории Российской Федерации изготовитель должен обеспечить
соблюдение обязательных требований российских государственных
стандартов, а если продукция подлежит обязательной
сертификации, то и иметь сертификат, подтверждающий ее соответствие
установленным требованиям безопасности.
Система сертификации располагает собственными правилами и
процедурами. Существуют следующие системы сертификации:
национальные; двусторонние;'многосторонние; региональные;
международные. Системы сертификации создаются и управляются, как
правило, национальными организациями по стандартизации.
Система сертификации России разработана на основе
международных принципов и накопленного в ведущих странах опыта
сертификации. Сотрудничество России с международными органами по
сертификации отражено схемой на рис. 15.1 [2].
Сопоставление национальных систем сертификации промышлен-
но развитых стран — Германии, Великобритании, Франции,
Австрии, Дании и др. позволяет выявить общие закономерности.
Сертификация товаров и услуг в этих странах осуществляется на основе
национальных стандартов: стандарты DIN Германии; британские
стандарты по сертификации; французские стандарты; австрийские
стандарты ONORM; бельгийские стандарты BENOR и др.
Знаки соответствия стандартам защищены
законодательством — законами о защите товарных знаков. В каждой стране
имеется организация, ответственная за процедуру применения знаков
460 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Госстандарт России (национальный орган по сертификации)
Органы по сертификации Испытательные лаборатории
Национальные органы
по сертификации стран СНГ
Сотрудничество более чем
с 200 фирмами по сертификации,
в том числе
БАМ, ТЮФ - Германия,
ВЕРИТАС - Норвегия,
АМАДОР-США,
РОДЕ И ШВАРЦ - Германия,
ПЛОЙД РЕГИСТР - Великобритания,
ИИИ - Сингапур и др
Международные организации БЭК
ООН, МЭК СЭ, ПСО КАСКО, ЕОК
-
Двустороннее сотрудничество
с 10 национальными организациями,
в том числе
ДИН - Дания
АФНОР - Франция,,
СФС - Финляндия,
БИС - Индия,
ТСЕ - Турция
NIST - США и др
Рис 15 1 Структура сотрудничества России с международными органами
по сертификации
соответствия Например, в Германии ответственность за процедуру
предоставления права использовать знак и за его правовую защиту
несет Германское общество по этикетированию товаров (DGWK),
являющееся организацией, учрежденной Германским институтом
стандартов DIN, во Франции ответственность за действия,
связанные с применением знака соответствия несет Французская
ассоциация по стандартизации AFNOR Применение знаков соответствия
может быть добровольным или обязательным в зависимости от
решения национальной организации, ответственной за сертификацию
В большинстве систем сертификации применение знака без
получения соответствующей лицензии не допускается Срок действия
лицензии может быть от 1 года до 5 лет В системах сертификации
Германии, Великобритании, Франции, Австрии, Дании
предусмотрены испытания продукции в независимых лабораториях для
подтверждения соответствия стандартам
Во многих системах сертификации предприятие-изготовитель в
дополнение к требованиям обеспечения характеристик, записанных
в стандарте, должно продемонстрировать техническую способность
поддерживать стабильный уровень соответствия качества
продукции, т е организовать эффективную постоянно действующую
систему контроля качества на предприятиях (Великобритания, Дания,
Швеция) В течение срока действия лицензии (сертификата)
проводится инспекционный контроль предприятия-изготовителя для того,
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 461
Нормативно-техническая документация
Международные стандарты, правила, нормы и рекомендации по стандартам
Государственные стандарты РФ
Отраслевые стандарты
Технические условия
Стандарты предприятий, фирм и др
Своды правил
Общероссийские классификаторы технико экономической информации
Рис 15 2 Структура нормативно технических документов, регламентирующих
систему сертификации
чтобы убедиться, что продукция как на стадии изготовления, так и
в готовом виде отвечает требованиям нормативно-технической
документации Осуществляется также периодическая проверка
образцов, взятых на производстве и на рынке
Структура нормативно-технических документов,
регламентирующих систему сертификации, представлена на рис 15 2 [1]
Государственные стандарты разрабатываются на продукцию, работу и
услуги, имеющие межотраслевое значение, и они должны
соответствовать законодательству РФ Отраслевые стандарты
разрабатываются в целях обеспечения требований применительно к продукции,
работам и услугам отраслевого значения Они не должны нарушать
обязательные требования государственных стандартов, за что
ответственность несут принявшие их органы государственного
управления В соответствии с Законом «О стандартизации» стандарты
предприятий, научно-технических, инженерных обществ и других
общественных объединений разрабатываются, утверждаются и
отменяются субъектами хозяйственной деятельности Технические
условия устанавливают технические требования, которым должно
удовлетворять конкретное изделие Нормативные документы по
462 Часть 11. Мониторинг и защита окружающей среды
стандартизации на продукцию и услуги устанавливают требования
по сертификации и методы контроля на соответствие этим
требованиям, правила маркировки продукции и услуг, требования к
информации о сертификации. Нормативные документы по стандартизации
должны применяться государственными органами управления,
субъектами хозяйственной деятельности на стадиях разработки,
подготовки продукции к производству, ее изготовления, реализации
(поставки, продажи), использования (эксплуатации), хранения,
транспортирования и утилизации, при выполнении работ и оказании
услуг, при разработке технической документации (конструкторской,
технологической, проектной), в том числе технических условий
каталожных листов на поставляемую продукцию.
В Законе РФ «О защите прав потребителей» (ст. 40)
установлено, что национальным органом по сертификации в России является
Госстандарт России.
В развитие Закона РФ «О сертификации продукции и услуг»
Госстандарт России и федеральные органы исполнительной власти
осуществляют следующие функции:
• создают системы, правила, процедуры сертификации
однородной продукции;
• определяют центральные органы систем сертификации;
• устанавливают правила аккредитации и аккредитируют
органы по сертификации и испытательные лаборатории с выдачей
лицензий на проведение определенных видов работ;
• осуществляют выбор схем сертификации и устанавливают
порядок инспекционного контроля за сертифицированной продукцией,
а также государственный контроль и надзор за соблюдением правил
сертификации;
• устанавливают правила признания зарубежных
сертификатов, знаков соответствия и результатов испытаний;
• ведут государственный реестр участников и объектов
сертификации;
• устанавливают цены и тарифы по аккредитации, аттестации
и сертификации в системе сертификации (далее просто Система).
Для формирования и руководства системой однородной
продукции, а также координации деятельности органов по сертификации
и испытательных лабораторий, входящих в систему, создается
центральный орган Системы. В организационную структуру Системы
входят: Госстандарт России; центральные органы Системы; органы
по обязательной сертификации; органы по добровольной
сертификации; испытательные лаборатории и т.д. (рис. 15.3).
Глава 15. Место сертификации в инженерной экологии 463
Госстандарт России
Центральный орган Системы
Аккредитованные органы по сертификации
Испытательные лаборатории независимые и технически компетентные
Рис. 15.3. Структура системы сертификации
В качестве органов по обязательной сертификации могут быть
аккредитованы только некоммерческие организации, а также
государственные и муниципальные унитарные предприятия, имущество
которых в соответствии с законодательством является неделимым и
не может быть распределено по вкладам (долям, паям), в том числе
между работниками предприятия. Органом по добровольной
сертификации может быть любое юридическое лицо, взявшее на себя
функцию осуществления добровольной сертификации и
зарегистрировавшее систему сертификации и знак соответствия в Госстандарте
России. Органы по обязательной сертификации вправе проводить
добровольную сертификацию. Особенностью органов обязательной
сертификации является то, что только они вправе осуществлять
сертификацию продукции на безопасность.
Для проведения работ, связанных с сертификационными
испытаниями продукции, может быть аккредитована испытательная
лаборатория, которая технически компетентна и независима в
проведении испытаний в соответствии с выбранной номенклатурой
однородной продукции, а также видами испытаний. Допускается
аккредитация испытательной лаборатории только на техническую
компетентность. В этом' случае протоколы испытаний подписываются
уполномоченными лицами как испытательной лаборатории, так и
органа по сертификации.
15.2. Порядок проведения сертификации
Порядок проведения сертификации предполагает следующую
последовательность:
1) подача заявки заявителем на сертификацию;
2) принятие решения по заявке, в том числе выбор схемы
сертификации;
464 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
3) отбор и идентификация образцов;
4) проведение испытаний в испытательной лаборатории и
последующее представление протоколов испытаний заявителю и в
орган по сертификации;
5) выдача сертификата соответствия и лицензии на знак
соответствия продукции;
6) инспекционный контроль за сертифицированной продукцией
в течение срока действия сертификата и лицензии, но не реже
одного раза в год,
7) выполнение корректирующих мероприятий при нарушении
соответствия продукции установленным требованиям и
неправильном применении знака соответствия;
8) информация о результатах сертификации.
Существует несколько схем сертификации, различающихся
составом и последовательностью действий третьей стороны при
проведении сертификации соответствия. Для некоторых схем
сертификации порядок ее проведения, рассмотренный выше, дополняется
анализом производства; сертификацией систем качества или
производства.
Координацию всех работ по проведению сертификации
соответствия осуществляет орган по сертификации, функциями которого
являются выдача и регистрация сертификата соответствия и
лицензии на применение знака соответствия; анализ зарубежных
сертификатов, взаимодействия с испытательными лабораториями;
проведение инспекционного контроля; отмена и приостановление
действия выданных сертификатов; разработка и контроль выполнения
корректирующих мероприятий; информация о результатах
сертификации и другие организационно-методические функции В России на
сегодняшний день действуют более 600 органов по сертификации и
более 1800 испытательных лабораторий, осуществляющих
сертификацию самой разнообразной продукции и услуг
15.3. Экологическая сертификация
Экологическая сертификация является управленческой мерой по
обеспечению качества товаров, работ, услуг экологического
характера. Экосертификация проводится с целью создания экономико-
правового механизма по реализации права граждан на
благоприятную окружающую среду. Экосертификация способствует-
• внедрению экологически безопасных технологических
процессов и оборудования;
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 465
• производству экологически безопасной продукции на всех
стадиях ее жизненного цикла, повышению ее качества и
конкурентоспособности;
• созданию условий для организации производств, отвечающих
установленным экологическим требованиям,
• совершенствованию управления хозяйственной tf иной
деятельностью;
• предотвращению ввоза в страну экологически опасных
продукций, технологий, отходов, услуг;
• интеграции экономики страны в мировой рынок и
выполнению международных обязательств.
Для создания правовой базы организации и проведения работ по
экосертификации МПР России формирует систему экологической
сертификации, содержащую-
1) комплекс нормативных документов, устанавливающих
принципы, нормативы и правила экосертификации;
2) систему органов, обеспечивающих
организационно-методическое руководство деятельностью по проведению
экосертификации, аттестацию экспертов-аудиторов и аккредитацию органов по
экосертификации, проведение экосертификации, инспекционного
контроля и информационное обслуживание,
3) реестр Системы для учета органов по экосертификации,
сертифицированных объектов, выданных экосертификатов, строящейся
на принципах:
' наличия собственной организационной структуры;
• независимости органов по экосертификации от участвующих
сторон,
• установления собственных правил и процедур управления для
проведения экосертификации;
• взаимодействия на основе соглашений с иными системами
сертификации (система сертификации ГОСТ Р, система
гигиенической сертификации)
Обязательная экосертификация проводится в случаях,
предусмотренных законодательством Российской Федерации, республик
в составе Российской Федерации Добровольная сертификация
осуществляется в рамках Системы в тех случаях, по которым в
законодательных актах Российской Федерации не предусмотрено
проведение обязательной сертификации. Она выполняется по
инициативе заявителя на основе договора между органом по сертификации
и заявителем
466 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Функции системы экосертификации
Введение реестра системы
Аккредитация органов
по экосертификации
Аккредитация испытательно-
аналитических лабораторий
(центров)
Обеспечение информационных и
сонсультативно-методических услуг,
необходимых для
функционирования Системы
Подготовка и аттестация
экспертов-аудиторов Системы
Разработка и актуализация
нормативно-методической
документации, используемой в
рамках Системы и ее экспертами
4—
формирование политики
в области экосертификации
Взаимодействие и гармонизация
деятельности с международными,
национальными и другими
системами сертификации
Осуществление
инспекционного контроля
Повышение квалификации
специалистов в области
экосертификации
Экосертификация объектов
Обеспечение на основе
заключаемых соглашений с
другими системами сертификации
взаимного признания
сертификаторов, аттестатов, знаков
соответствия и результатов
анализов
Рис 15 4 Функциональная роль системы экосертификации
Механизм достижения цели экосертификации включает в себя:
• установление требований по обеспечению экологической
безопасности;
• контроль соблюдения установленных требований;
• меры правового и экономического воздействия и поощрения
для обеспечения выполнения требований по обеспечению
экологической безопасности.
Функции, выполнение которых предусматривается в рамках
Системы, показаны на рис. 15.4 [5|.
Работы по сертификации в рамках Системы осуществляют
органы по экосертификации, испытательно-аналитические
лаборатории (центры), экоаудиторы, которые должны быть аккредитованы
или аттестованы в установленном порядке. Органы по
экосертификации аккредитируются в Системе на право проведения работ, а
испытательно-аналитические лаборатории — на техническую
компетентность и независимость. Информация об объектах, прошедших
экосертификацию, включается в Перечень, который ежегодно пуб-
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 467
ликуется. В случае несогласия заявителя с решением органа по эко-
сертификации об отказе в выдаче экосертификата, данное решение
может быть обжаловано в федеральном органе Системы.
Официальные документы, используемые в Системе, оформляются на русском
языке. По просьбе заявителя экземпляры могут быть выданы на
любом другом языке с официальным подтверждением их
идентичности оригиналу, оформленному на русском языке.
Деятельность органов по экосертификации и
испытательно-аналитических лабораторий (центров) осуществляется на основе
лицензионного договора, заключенного с МПР России.
Если в системе аккредитованы несколько органов по
сертификации однородных объектов, то для координации их деятельности
федеральным органом может быть назначен центральный орган (как
правило, из территориальных органов или подведомственных
организаций МПР России). Органами по экосертификации и
испытательно-аналитическими центрами, аккредитуемыми в Системе,
могут быть территориальные подразделения МПР России и
подведомственные ему организации или другие независимые
организации, имеющие статус юридического лица.
Федеральный орган по экосертификации осуществляет
следующие функции:
• определяет номенклатуру объектов, которые подлежат
экосертификации, а также нормативные документы, на соответствие
которым проводится экосертификация;
• аккредитует органы по экосертификации и
испытательно-аналитические лаборатории (центры), организует подготовку и
аттестацию экоаудиторов и осуществляет инспекционный контроль за их
деятельностью;
• ведет Реестр Системы;
• устанавливает знак соответствия Системы и правила его
применения;
• устанавливает цены и тарифы на проведение
экосертификации;
• рассматривает апелляции по результатам экосертификации и
аккредитации;
• обеспечивает участников Системы и заинтересованные
организации информацией по экосертификации;
• взаимодействует с зарубежными и международными
организациями по вопросам экосертификации, принимает решения о
присоединении к международным системам и соглашениям по
экосертификации;
468 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• обеспечивает принятие в установленном порядке решений о
признании экосертификатов, выданных зарубежными и
международными организациями;
• осуществляет функции органа по экосертификации при его
отсутствии;
• осуществляет координацию работ в Системе по ее
взаимодействию с другими системами сертификации.
Для осуществления указанных функций федеральный орган
Системы создает руководящий комитет по экосертификации, научно-
техническую комиссию по экосертификации, научно-методический
центр Системы и координирует их работу, в случае необходимости
привлекает к работе в Системе другие исследовательские и
испытательные организации.
Состав руководящего комитета по экосертификации
утверждается Министром природных ресурсов РФ. Председателем
руководящего комитета по экосертификации является заместитель
министра. В состав руководящего комитета могут входить представители
специально уполномоченных государственных органов Российской
Федерации в области охраны окружающей среды, Госстандарта
России, научных и общественных организаций. Финансирование
деятельности руководящего комитета по экосертификации
используются средства и расчетный счет федерального органа Системы
Руководящий комитет вырабатывает общую политику по развитию и
совершенствованию Системы, а также подготавливает программы по
разработке природоохранных нормативов для целей сертификации
Научно-техническая комиссия по экосертификации
формируется из представителей соответствующих подразделений МПР
России и органов государственного контроля и надзора, а также других
организаций в соответствии с их специализацией, и
аккредитованных органов по экосертификации. В обязанности
научно-технической комиссии входят следующие функции:
• обоснование выбора и организация разработки проектов
нормативных документов, на соответствие требованиям которых
проводится обязательная экосертификации;
• рассмотрение предложений по актуализации нормативных
документов, устанавливающих экологические требования К правила
процедур экосертификации для отдельных групп объектов;
• взаимодействие с техническими комитетами по
стандартизации при Госстандарте России;
• участие в проведении экосертификации отдельных групп
объектов,
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 469
• участие в рассмотрении материалов аккредитации органов по
экосертификации и испытательно-аналитических лабораторий.
Научно-методический центр Системы выполняет следующие
функции'
• разработка проектов правил и процедур в Системе;
• аккредитация органов по экосертификации (по поручению
федерального органа Системы);
• аккредитация испытательно-аналитических лабораторий
(центров) (по поручению федерального органа Системы);
• подготовка и заключение (по поручению федерального органа
Системы) лицензионных соглашений с аккредитованными органами
по экосертификации и испытательно-аналитическими
лабораториями (центрами),
• подготовка процедур взаимного признания сертификатов,
знаков соответствия и результатов испытаний, анализов и
представление их на рассмотрение в федеральный орган Системы,
• участие в проведении аттестации экоаудиторов, ведение
реестра банка и баз данных в рамках Системы (по поручению
федерального органа Системы)
Научно-методический центр Системы действует в пределах
делегированных ему федеральным органом Системы полномочий на
основании утвержденного устава.
Органы по экосертификации (в том числе центральные):
• формируют и актуализируют фонд нормативных документов,
используемых при сертификации в области их аккредитации;
' разрабатывают и ведут организационно-методические
документы, необходимые для осуществления их деятельности,
• принимают и рассматривают заявки на сертификацию,
• готовят решения по ним и взаимодействуют с заявителями;
• определяют в каждом конкретном случае
испытательно-аналитическую лабораторию (центр) и орган по проверке (если она
необходима) производства, организуют испытания и проверку
производства;
• сертифицируют объекты в закрепленной за органами по
экосертификации сфере деятельности, выдают экосертификаты;
• приостанавливают либо отменяют действие выданных
заявителям экосертификатов;
' представляют заявителю (по его требованию) необходимую
информацию в пределах своей компетенции;
• ведут перечень сертифицированных объектов и представляют
соответствующие данные для включения в Реестр Системы;
470 Часть II Мониторинг и зашита окружающей среды
• осуществляют инспекционный контроль экосертифицирован-
ных объектов,
• участвуют в аттестации экоаудиторов и осуществляют
инспекционный контроль их деятельности, если это предусмотрено при
аккредитации
Испытательно-аналитические лаборатории (центры)
проводят анализы и испытания и оформляют их результаты протоколами
Порядок проведения работ по экосертификации в рамках
Системы в общем виде предусматривает
• направление заявителем декларации-справки о проведении
экологической сертификации конкретного объекта в
соответствующий орган по сертификации,
• рассмотрение декларации-заявки,
• выбор испытательной лаборатории (центра),
• проведение исследований или испытаний отобранных проб
(образцов),
• установление соответствия сертифицируемого объекта предъ
являемым к нему требованиям и принятие решения о возможности
выдачи экосертификата,
• информирование заявителя о результатах экосертификации,
• выдачу экосертификата на основе положительных
результатов сертификации и внесение сертифицированного объекта в Реестр
Системы
Контроль деятельности органов по экосертификации и
испытательно-аналитических лабораторий осуществляется федеральным
органом в течение всего периода действия аттестата аккредитации
и лицензионного договора Деятельность по инспекционному
контролю оплачивается лицензиатом на условиях, установленных в
лицензионном договоре Непосредственный контроль проводят
эксперты-аудиторы, аттестованные в Системе Согласно лицензионному
договору, лицензиат обязан создать все необходимые условия для
эксперта-аудита при осуществлении им инспекционного контроля и
оплатить расходы, связанные с его проведением, включая расходы,
связанные с решением организационно-технических вопросов Экоа-
удиторы Системы, действуя в соответствии с заданиями
федерального органа Системы в составе рабочих групп или индивидуально,
обеспечивают
• участие в аккредитации органов по сертификации и
испытательно аналитических центров,
• участие в конкретных испытаниях и сертификации объектов
экосертификации,
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 471
• проведение инспекционного контроля деятельности органов
по экосертификации и испытательно-аналитических лабораторий
(центров),
• подготовку документации и решения по апелляциям
Вся деятельность Системы опирается на
нормативно-методическую базу
• законы, законодательные акты, соглашения России,
содержащие экологические требования или вопросы экосертификации,
• нормативные документы государственных органов контроля и
надзора, содержащие требования по охране окружающей среды,
• международные и национальные стандарты и нормы по эко-
безопасности,
• комплекс руководящих документов, устанавливающих
принципы, организацию, правила и процедуры экосертификации в
Системе,
• справочную, отчетную и другую Документацию по
сертификации,
• перечень объектов, подлежащих экосертификации
При экосертификации используются нормативные документы,
утвержденные в установленном порядке и внесенные в справочно-
информационный фонд федеральной системы экосертификации
Федеральный орган регистрирует и ведет реестр выданных
(признанных) сертификатов, органов по экосертификации,
испытательно-аналитических лабораторий и организует публикацию
информации о результатах экосертификации, в которую включаются
перечень объектов экосертификации, на которые выданы сертификаты,
и перечень аккредитованных органов по экосертификации,
испытательно-аналитических лабораторий (центров)
Экономическая деятельность Системы осуществляется на
основе лицензионных соглашений и хозяйственных договоров Средства,
полученные по лицензионным соглашениям и хоздоговорам, а также
иные средства, используемые для организации функционирования
Системы, аккумулируются на счете федерального органа Системы
ЛИТЕРАТУРА
1 Исаев В К , Малинский В Д Метрология и стандартизация в
сертификации Учеб пособие М ИПК Изд во стандартов, 1996
2 Сертификация потребительских товаров 3apy6i -\ный опыт М Изд-во
стандартов, 1990
472 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Гл а в а 16
АНАЛИЗ РИСКА
16.1. Начальные положения анализа риска
Принимать решения приходится во всех областях человеческой
деятельности. В настоящее время все чаще возникает потребность
в принятии сложных решений, последствия которых бывают весьма
и весьма весомы. В связи с этим целесообразно рассмотреть
некоторые условия, которые формализуют этот процесс и придают
решениям большую надежность.
До недавнего времени превалировало мнение, что в инженерном
деле риск должен быть исключен принципиально. Однако более
внимательное рассмотрение вопроса позволяет прийти к выводу, что
именно в инженерной сфере деятельности риск часто неизбежен и
должен учитываться. Поэтому нельзя закрывать глаза на
существование риска, а следует находить решения, исключающие элементы
чрезмерного риска.
Термин «риск» заимствован из итальянского языка и означает
опасность, угрозу. Первоначально термин «риск» применялся в
коммерции, причем в этом случае противопоставлялись возможные
потери при неудаче какого-либо сопряженного со случайностью
предприятия и значение возможного выигрыша. Затем это понятие
перешло в другие области. Точное определение риска, пригодное для
всех случаев, едва ли возможно. Поэтому в настоящее время
встречается различное понимание термина «риск», и в этот термин иногда
вкладывают весьма отличающиеся друг от друга содержания.
Однако общим является то, что риск обусловливает неуверенность, про-'
изойдет ли нежелательное событие. Такой недостаток информации
создает ситуацию принятия решений в условиях
недетерминированных параметров.
С понятием риска часто связывается представление о
возможных событиях с тяжелыми последствиями и потерями. Отсюда
следует точка зрения, что такого события следует избежать любой
ценой или, по крайней мере, снизить до минимума его
отрицательные последствия. При ожидаемых потерях, связанных с жизнью и
здоровьем, это представление особенно важно, и оно предельно ясно
формулируется в соответствующих инструкциях, например, по
технике безопасности. Снижение отрицательных последствий
отображено в методиках когортных исследований в клинической эпидеми-
Глава 16 Анализ риска
473
ологии, а также в комплексных медико-экологических
исследованиях, которые имеют основной целью установление
причинно-следственных связей между факторами окружающей среды и здоровьем
(заболеваемостью) населения.
Следует со всей определенностью сказать, что полной свободы
от риска, несмотря на самые большие затраты, не существует.
Однако, например, техническим задачам далеко не всегда сопутствуют
такие отягчающие обстоятельства. Ущерб вследствие решения,
принятого с учетом риска, может оказаться весьма малым по сравнению
с затратами на то, чтобы избежать такого ущерба.
Поскольку в технике существенную роль играют количественные
оценки событий, А, то определение риска должно учитывать как
оценку (в той или иной форме) риска, так и оценку возможности его
наступления Р. Диапазон принадлежности этих параметров может
быть весьма широк — от экономических до этических ценностей.
Отсюда следует, что риск R можно описать выражением вида
R = AP. (16.1)
Риск в общем случае подразделяется на две большие группы:
1) риск для материальных ценностей; 2) риск для жизни или
здоровья (рис. 16.1). Каждой группе присуще свое представление риска.
При угрозе материальным ценностям последствия (значения
оценки) риска часто представляют в денежном выражении. Если
различные последствия имеют одинаковые денежные выражения, то для
сравнения последствий достаточно рассматривать соответствующие
вероятности их наступления.
Риск
Тип угрозы
Ущерб
Параметр
Материальным
ценностям
Оцениваемый
количественно
Ожидаемое
значение
Не
оцениваемый
количественно
Вероятность
превышения
предела
Жизни или
здоровью
Ущерб
здоровью
Оценка
вероятности
Летальный
исход
Оценка
вероятности
Рис 16 1 Структура риска при принятии технических решений
474 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
При риске, связанном со здоровьем, последствия могут быть
частично оценены количественно в таких категориях, как простой в
работе или расходы на оплату подменяющего персонала и т.п. При
риске, связанном с летальным исходом, количественные оценки
последствий в большинстве случаев отсутствуют. Тем не менее при
существовании угрозы жизни люди почти всегда продолжают работать.
Особые проблемы возникают при угрозе и материальным
ценностям, и людям одновременно, и желательно меру такого риска
сравнить с мерами других рисков. При этом целесообразно выразить
риск в векторном виде:
R = Aq, (16.2)
где q — соответствующая составляющая вероятности наступления
события. Поэтому перемножение в правой части (16.2) следует
производить покомпонентно.
Как уже говорилось, риск может быть явно связан с факторами,
которые не поддаются учету. Так, практически невозможно оценить
эстетический вред, наносимый построенными сооружениями
уникальному ландшафту. В этом случае требуется особый порядок
рассмотрения проблемы (табл. 16.1), результатом которого становится
выявленный и, насколько возможно, количественно описанный риск.
Таблица 16.1
Стадии рассмотрения проблемы
Учет риска
Оценка риска
Решение
Описание
Причины. Результаты. Информация
Субъективная оценка Сравнение
Многоцелевая оценка
Варианты Факторы, не поддающиеся учету
Когда дело имеют только с угрозой материальным ценностям, а
возможный ущерб выражен количественно, то заключительная
оценка относительно проста. При угрозе материальным ценностям
и невозможности количественно выразить возможный ущерб нужно
этот ущерб оценить приблизительно и продолжать рассмотрение
проблемы на основе недостаточной информации.
Поскольку целесообразно идти на сколь угодно большие
затраты, чтобы устранить риск полностью, нужно в первую очередь
оценивать угрозу людям. При этом следует помнить, что субъективные
оценки тех или иных нежелательных событий сильно различаются.
Так, значения риска привлекательной деятельности обычно
занижаются. Риск события, на которое эксперту трудно или невозможно
оказать влияние, наоборот, обычно переоценивается. Риск события
Глава 16. Анализ риска
475
катастрофического характера, как правило, тоже получает более
высокую оценку. В общем, субъективные оценки не могут быть
положены в основу технических решений. Сравнение данной
рискованной ситуации с возникавшими в прошлом аналогичными ситуациями
дает для оценки риска более надежные исходные предпосылки.
Однако проблема оценки этим не решается. Иногда, конечно, можно
довольствоваться требованием, чтобы допустимый риск был
заведомо ниже имевшего место в аналогичных ситуациях ранее. Но в
других случаях, особенно При очень высоком уровне затрат, проблема
остается нерешенной.
Любой математический алгоритм оценки риска должен исходить
из того, что установлен экономический эквивалент угрозы. Этот
эквивалент должен быть обоснован в том смысле, что он соответствует
затратам, которые общество при данных условиях может себе
позволить, чтобы предотвратить или уменьшить угрозу. Необходимо
воспрепятствовать тому, чтобы, с одной стороны, ценой больших
затрат был уменьшен и без того незначительный риск, а с другой —
чтобы оставался большой риск, который можно было устранить при
небольших затратах. Но установление экономического эквивалента
еще не означает достижения успеха. Как правило, эквивалент
такого типа не удается получить без влияния субъективных факторов.
Тем не менее эти эквиваленты делают более ясным риск при
принятии решения и помогают лучше определить ответственность за
сделанную оценку.
В общем, процедура принятия решения с риском подразделяется
на последовательную реализацию трех вариантов решений: с
уменьшением риска; с минимизацией риска; с оптимизацией риска.
16.2. Сравнение степеней риска
Границы оправданного риска при решении расчетных или
эксплуатационных технических задач трудно рационально обосновать.
В этих случаях стараются использовать сравнение с риском в
аналогичных ситуациях. При этом следует принимать в расчет наиболее
неблагоприятный случай. В комплексных технических проблемах не
ограничивают фантазию, пытаясь выявить любой крайне редкий
механизм повреждений и неполадок. Правда, рисуя себе нереальные
ужасные картины, необходимо постоянно опираться на здравый
смысл. Установленный таким образом самое неблагоприятное
событие нужно сравнить его по частоте проявления и по размеру оценки
с уже имевшими место аналогичными событиями. При этом необхо-
476 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
димо иметь в виду, что на частоту проявления событий влияют как
пространственная, так и временная протяженность этих событий.
Кроме того, нужно учитывать продолжительность каждого события
и степень стабильности исходных параметров. Например, известно,
что риск летального исхода в народном хозяйстве существует на
уровне 10~6 и ниже на человека в год. Таким образом, при
проектировании и эксплуатации технических устройств риск на уровне 10~6
на человека в год может быть принят допустимым при выполнении
следующих требований к анализу риска:
• проблема риска проанализирована глубоко и всесторонне;
• анализ проведен до принятия решения и подтвержден
имеющимися данными в определенном временном интервале;
• после наступления неблагоприятного события анализ и
заключение о риске, полученные на основании имевшихся данных, не
меняются,
• анализ показывает, и результаты контроля все время
подтверждают, что угроза не может быть уменьшена ценой
оправданных затрат.
Приведенную оценку допустимого риска и указанные
требования нужно выполнять строго и рассматривать как первый шаг к
количественному сравнению В дальнейшем, когда будет накоплено
больше опыта, эта оценка может быть уточнена.
Исследования рекомендуют допустимый основной риск на
уровне 10~5 на человека в год. Однако это значение не следует
рассматривать как оправданный предел — оно должно служить лишь
основой относительной шкалы принимаемых решений. Из сказанного
также следует, что нецелесообразно задавать детерминированную
границу риска. Напротив, более приемлемыми параметрами
являются вероятность Pv, отделяющая оправданный риск летального исхода
от условно оправданного, и вероятность Ри, отделяющая условно
оправданный риск, т.е соответствующий определенным условиям, от
неоправданного риска. Условия, при которых вероятность риска
летального исхода Я, находится в диапазоне
Pv<Pt<Pu, (16 3)
как правило, обеспечиваются указанными выше четырьмя
требованиями к анализу риска Принимающий решения должен соблюдать
эти требования, соотнося изменяющийся риск, например, с
повышением максимально достижимой эффективности, исключением
неблагоприятных ситуаций и т.п. Для риска летального исхода
значение вероятности оправданного риска Ра принимают равным Ю-8,
Глава 16 Анализ риска
477
а значение неоправданного риска Ри — равным 10-5. Отметим, что,
если речь идет исключительно о риске материальных потерь, метод
сравнения при оценке риска не вызывает сомнений. В этом случае
можно принимать решения, оценивая лишь экономический эффект.
16.3. Основная формальная структура принятия решений
Ситуация принятия (выбора) решения содержит элементы,
влияющие как на саму процедуру, так и на качество решения. Факторы,
влияющие на принятие решения, занимают диапазон от крайне
субъективных, определяемых осведомленностью лица,
принимающего решение, и проявляющихся в ускоренном выборе или
затягивании решения, до таких объективных условий, как технические
данные, характеристики, модели, всевозможные вспомогательные
средства. Наблюдения показывают, что при принятии
технико-экономических решений часто исходят из интуиции и жизненного
опыта [1].
По затраченным для принятия решения средствам решения
можно разбить на три группы:
• эмпирические;
• опирающиеся на некоторые количественные сравнительные
оценки;
• принятые на основании построенной с исчерпывающей
полнотой модели.
Значение возможной ошибки (другими словами, риска принятия
неоптимального решения) находится в обратной зависимости от
степени точности описания задачи и затраченным на выбор решения
усилиям и является наибольшим при эмпирических решениях
Процесс принятия решения может быть описан в категориях
следующих фаз:
• инициатива;
• описание проблемы;
• анализ ситуации, постановка задачи;
• анализ имеющейся информации;
• дискретизация и комбинирование внешних условий;
• выработка альтернатив (и тем самым управление риском);
• расчет и оценка последствий;
• выбор рациональных альтернатив;
• проверка результатов;
• оформление решения.
478 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Ситуации принятия решения могут характеризоваться
единственной или множественными целями. К ориентированным на
единственную цель относятся решения, последствия которых могут быть
описаны единственной, например финансовой, категорией
параметров, таких как цена, затраты, прибыль или ущерб. При
многоцелевых решениях оценить и сравнить отдельные цели в единых
универсальных единицах нельзя.
Число реализаций решения получают, как правило, на основе
конкретных данных о рассматриваемой системе или процессе. Для
ситуации выбора технико-экономических решений часто характерна
неопределенность имеющейся информации, которая может быть
следствием погрешности в определении параметра.
Принятие решения представляет собой выбор одного решения
из некоторого множества рассматриваемых вариантов, т е. ?, е ?.
Наиболее часто встречается случай, характеризующийся конечным
числом вариантов (причем обычно не слишком большим) ?ь ?2, Е3,
..., ?„ Ет. Предполагается, что каждым вариантом Е1 однозначно
определяется некоторый результат et. Эти результаты должны
допускать количественную оценку. Для простоты оценки отождествляют
с соответствующими результатами, обозначая их тем же символом
е,. Задача состоит в поиске варианта с наибольшим значением
результата, т е. целью выбора является нахождение max et При этом
предполагается, что оценки е, характеризуют такие, например,
величины, как полезность, надежность, выигрыш (преимущество) и др.
Оценку затрат или потерь можнд исследовать путем минимизации
этих потерь, как это делается чаще, рассматривая отрицательные
значения полезности.
Выбор оптимального варианта решения производится с помощью
критерия ?0:
Е0 = {?,0 | El0 е Е Л е(0 = max e). (16.4)
Это правило выбора читается следующим образом множество
?0 оптимальных вариантов состоит из тех вариантов ?ю, которые
принадлежат множеству Е всех вариантов и оценка е,0 которых
максимальна среди всех оценок е, Выбор оптимального варианта в
соответствии с критерием (16.4) не является, вообще говоря,
однозначным, поскольку максимальный результат et может достигаться
многократно. Необходимость выбирать одно из нескольких
одинаково приемлемых решений на практике обычно не создает
дополнительных трудностей.
Глава 16 Анализ риска
479
Рассмотренный случай принятия решений, при котором каждому
варианту решения соответствует единственное внешнее состояние
(и тем самым однозначно определяется единственный результат) и
который может быть назван случаем детерминированных решений,
с точки зрения его практических применений является простейшим,
хотя и весьма частым Следует подчеркнуть, что детерминированные
решения несмотря на некоторую элементарность могут лежать в
основании реальных процедур принятия более сложных решений.
В этих случаях каждому допустимому варианту решения ?,
вследствие различных внешних условий могут соответствовать различные
внешние состояния (условия) Fj и результаты е, решений.
Следующий пример иллюстрирует это положение.
Пусть из некоторого материала требуется изготовить изделие,
долговечность которого при допустимых затратах невозможно
определить. Нагрузки считаются известными. Требуется решить, какие
размеры должно иметь изделие. Варианты решений. ?у — выбор
размеров из соображений максимальной долговечности, т.е.
изготовление изделия с минимальными затратами в предположении, что
материал будет сохранять свои характеристики в течение
длительного времени; Ет — выбор размеров в предположении минимальной
долговечности; Et — промежуточные решения. Условия, требующие
рассмотрения: Fx — условия, обеспечивающие максимальную
долговечность; Fn — условия, обеспечивающие минимальную
долговечность; F, — промежуточные условия. Под результатом решения е
здесь можно понимать оценку, соответствующую варианту ?, и
условиям Ft и характеризующую экономический эффект (прибыль),
полезность или надежность изделия. Обычно такой результат
называется полезностью решения
Семейство решений описывается матрицей (табл. 16.2)
Проектировщик в этом случае старается выбрать решения с наилучшим
результатом, но так как ему неизвестно, с какими условиями он
столкнется, он вынужден принимать во внимание все оценки et
соответствующие варианту Ег Первоначально сформулированная
задача максимизации max er согласно критерию (16 4) должна быть
теперь заменена другой, учитывающей все последствия любого из
вариантов решения Et
Чтобы прийти к однозначному и по возможности
наивыгоднейшему варианту решения даже в том случае, когда каким-то
вариантам решений ?, могут соответствовать различные условия F', вводят
подходящие оценочные (целевые) функции. При этом матрица
решений | \еч\ | сводится к одному столбцу. Каждому варианту ?,
480 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
приписывается, таким образом, некоторый результат е1П
характеризующий в целом все последствия этого решения Результат в
дальнейшем обозначается тем же символом е1Г
Таблица 16 2
Е>
Е2
Е,
Ет
F)
е\\
е21
е,1
ет\
Fi
е]2
е22
е,2
ет2
Fi
e\i
е23
е,3
епв
F,
ем
е2/
еч
ет\
Fn
е\п
е2п
ет
етп
Процедуру выбора можно теперь представить по аналогии с
применением критерия (16 4) Однако возникает вопрос о смысле
результата е1г Если, например, последствия каждого из
альтернативных решений характеризовать комбинацией из его наибольшего и
наименьшего результатов, то
eir = mm ец + max e (16 5)
Наилучший в этом смысле результат имеет вид
max eir - max (mm e + max e ) (16 6)
i it i
Теперь решение можно вновь искать в соответствии с критерием
(16 4) Формируя таким образом желаемый результат,
проектировщик исходит из компромисса между оптимистическим и
пессимистическим подходами
Рассмотрим некоторые оценочные функции и соответствующие
им исходные позиции, которые мог бы выбрать проектировщик
Оптимистическая позиция представляется следующим
образом
max е1Г = max (max e[r) (16 7)
Из матрицы результатов решений е табл 16 2 выбирается
вариант (строка), содержащий в качестве возможного следствия
наибольший из всех возможных результатов В этом случае
проектировщик становится на точку зрения азартного игрока, который
делает ставку на то, что «выпадет наивыгоднейший случай» (в
определенной степени со значительной вероятностью риска), и исходя
из этого, выбирает размеры изделия
Глава 16 Анализ риска
481
Позиция нейтралитета имеет несколько отличный вид
maxe,r = max
/=i
(16 8)
Проектировщик исходит из того, что все встречающиеся
отклонения результата решения от среднего случая допустимы, и с учетом
этого выбирает оптимальные размеры (в этом случае риск минима
лен)
Пессимистическая позиция представляется выражением
max elr = max (mm et) (16 9)
Проектировщик исходит из того, что необходимо
ориентироваться на наименее благоприятный случай и приписывает каждому из
альтернативных вариантов наихудший из возможных результатов
(риск получения «некачественного» результата максимален) После
этого проектировщик выбирает самый выгодный вариант, т е
ожидает наилучшего варианта в наихудшем случае Для каждого иного
внешнего состояния результат может быть только равным этому или
лучшим
Позиция относительного пессимизма
mm eir = mm max Лпах е - eu\ (16 10)
Для каждого варианта решения проектировщик оценивает
потери, сравнивая результат с определенным по каждому варианту
наилучшим результатом, а затем из совокупности наихудших
результатов выбирает наилучший согласно соответствующей оценочной
функции
Таб гица 16 3
Номер
(169)
(168)
(16 10)
(167)
Оценочная функция
max mm ец
'¦ i
/ 1
mm max fmax ец - е,Л
max max ец
i i
Оценка решения
А = frS
~3t ™х + max m,n + ™" 1
А = ^ smaxsmn
А = kSm„
16-4910
482 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Полученные результаты принятия решения по оптимистической
позиции и позициям нейтральной, пессимистической и
относительного пессимизма сведены в табл. 16.3. Здесь показан пример выбора
параметра А при неизвестной величине S с использованием всех
четырех оценочных функдий. Получаемые результаты зависят
только от максимального Smax и минимального Smm значений; k —
коэффициент пропорциональности.
Предложенный ряд таких оценочных функций может быть
продолжен Некоторые из них получили достаточно широкое
практическое применение. Так, если условия эксплуатации заранее
неизвестны, ориентируются обычно на наименее благоприятную
ситуацию Это соответствует оценочной функции (16.9). Однако нередко
используются также функции (16.8) и (16.10). Оценочная функция
(16.7) до настоящего времени в технических приложениях
применялась крайне редко.
Структура таблицы соответствует упорядочению по росту
влияния величины Smm (это влияние нарастает от строки к строке). При
этом выбор определяется исключительно позицией
проектировщика, т.е на основе его личной профессиональной подготовленности,
производственного опыта и интуиции.
Влияние исходной позиции проектировщика на эффективность
решения можно интерпретировать графически. Простейшим
является изображение на плоскости. При рассмотрении для простоты
ограничимся случаем с двумя внешними состояниями (п - 2), при
т вариантах решения. Введем прямоугольную систему координат,
откладывая по оси абсцисс значения ей, соответствующие внешнему
состоянию F[, а по оси ординат — значения е(2, соответствующие
состоянию F2, причем i - 1, 2,..., т. В этом случае каждый вариант
решения ?, соответствует точке (е(1, ei2), i = 1, 2,..., т, на плоскости.
Точка с координатами (max e(1, max е,2) называется
утопической точкой (УТ). Смысл этого названия в том, что координаты
всех точек (еа, el2), i = 1, 2,..., т, соответствующих вариантам
решений Еь ?2,..., Ет, не могут быть больше координат УТ, и УТ
встречается среди этих т точек только в том редком, идеальном случае,
когда существует вариант решения, дающий максимальный
результат для каждого из двух возможных внешних состояний.
Аналогичное значение имеет и так называемая антиутопическая точка
(АУТ), имеющая координаты (min elX, min e,2)- координаты всех
точек (е(1, el2), i = 1, 2,..., т, соответствующих вариантам решений
?[, ?2,..., Ет, не могут быть меньше координат точки АУТ. Отсюда
следует, что все т точек (ег1, е(2), i = 1, 2,..., m, лежат внутри пря-
Глава 16 Анализ риска
483
е2
/
/
mm в л
i 1
/1
/
II /
'//////
/
/
/
/
' / / / /
АУТ
III
РТ
V
\
\
\
V
\
\
1
IV
> УТ
тахе,,
i
Рис 16 2 Поле выбора решений
моугольника, стороны которого параллельны координатным осям, а
противоположные вершины — суть точки УТ и АУТ. Такой
прямоугольник называется полем выбора (полезности) решений
(рис. 16.2).
При сравнении вариантов решений (другими словами, при
выборе достаточно приемлемого риска) с точки зрения их качества
вариант Et называется не худшим, чем вариант ?., если для
соответствующих точек (elU е(2) и (е*, е2) выполняются неравенства еа > е;1
и е,2 > е/2, причем ?, считается лучшим, чем Е если хотя бы одно
из этих двух неравенств является строгим. Очевидно, что при таком
определении не любые два варианта решений допускают сравнение
в том смысле, что один из них оказывается лучше другого. (Вполне
возможен вариант, при котором для точек (etl, et2) и (е ,, е2),
соответствующим Е1 и Ер выполняются, например, неравенства еа > еу1
и el2 < e 2.) На математическом языке это означает, что на множестве
вариантов решений установлено так называемое отношение
частичного порядка. Это отношение частичного порядка обладает
рядом свойств, хорошо видных на примере рис. 16.2.
Выберем в поле полезности произвольную точку, которую будем
называть рассматриваемой точкой (РТ). С помощью прямых,
параллельных координатным осям, разобьем плоскость на четыре части и
обозначим эти части I, II, III, IV В рассматриваемом двумерном
случае каждая из этих частей имеет вид прямоугольника. В случае
произвольной равномерности (п > 2) эти прямоугольники
превращаются в так называемые конусы. Рассматривая положение точек поля
16-
484 Часть II Мониторинг и зашита окружающей среды
полезности относительно этих четырех конусов, можно в общем
случае сказать следующее. Все точки из конуса I в смысле введенного
выше частичного порядка лучше, чем РТ. Поэтому конус I
называется конусом предпочтения. Соответственно все точки из конуса
III хуже РТ, и область III называется антиконусом. Таким образом,
оценка качества точек из этих двух конусов в сравнении с РТ проста
и однозначна.
Оценка точек в конусах II и IV является неопределенной,
вследствие чего эти конусы называют областями (конусами)
неопределенности. Для этих точек оценка получается только с помощью
выбранного критерия Принятия решения. В случае т вариантов
решений ?\, Е2,..., Ет и п внешних состояний Fb F2,..., Fn критерий
принятия решения можно представить в виде
max К (elU el2,..., еш), / = 1, 2,..., т, (16.11)
i
или
min К (еп, el2,..., etn), i = 1, 2,..., т. (16.12)
Функция К п переменных характеризует соответствующий
критерий и задает одновременно оценочную функцию. Для анализа
критерия, полагая еЛ = х{, еа = х2,..., еш = хп, рассмотрим функцию К
на всем п-мерном пространстве /?". Тогда каждому значению
действительного параметра k посредством равенства К{х{, х2,..., хп) = k
ставится в соответствие некоторая гиперповерхность в
пространстве R", которая называется поверхностью уровня, соответствующей
значению k
В двумерном случае можно предположить, что еп = хх = и, el2 =
— х2- v, отождествляя тем самым е(1-ось с и-осью, а ег2-ось с о-осью.
Тогда с помощью равенства К(и, v) = k на плоскости (и, о)
получается кривая, называемая линией уровня, соответствующей
значению k. При фиксированном уровне k уравнение К(и, о) = k
определяет функциональную зависимость между переменными и и v. Эта
зависимость называется функцией предпочтения. Рассмотрим,
например, оценочную функцию (16.8). При е1} = и и el2 = v для т = 2
получается семейство функций предпочтения, зависящих от
параметра k: (и + v)/п - k. При графическом представлении последнее
выражение дает прямые, параллельные биссектрисе II и IV
квадрантов плоскости (и, v).
Поскольку рассматриваемому критерию, в соответствии с
которым путем оптимального выбора решения максимизируется среднее
Глава 16 Анализ риска 485
v = ea
Рис 16 3 Функция предпочтения при принятии решений
значение всех возможных результатов, отвечает нейтральная
позиция лица, принимающего решение, то решение называется
нейтральным, как и соответствующая функция предпочтения (рис. 16.3).
Выберем теперь на какой-либо линии уровня этого критерия
произвольную РТ и проведем через нее «осевой крест», разбивающий
плоскость на описанные выше четыре квадранта — конус
предпочтения, антиконус, конусы неопределенности. Все точки из
областей неопределенности, лежащие справа и выше этой линии уровня,
в смысле нашего критерия лучше точек, лежащих слева и ниже.
Сказанное справедливо и для функции предпочтения любого другого
критерия. Всякая функция (кривая) предпочтения объединяет все
точки фиксированного уровня; справа и выше ее располагаются все
лучшие точки, т.е. точки более высокого уровня,'а слева и ниже —
худшего уровня, т.е. более низкого.
Если на основе какого-либо критерия получается кривая
предпочтения типа штриховой (см. рис. 16.3), то такая кривая
называется вогнутой. Под этим подразумевается, что в соответствующих
ей областях неопределенности имеется меньшее число лучших
точек, чем при нейтральном критерии (16.8). Такая вогнутая кривая
предпочтения характеризует пессимистическую исходную позицию.
Кривые предпочтения типа сплошной соответствуют
оптимистическому подходу, поскольку на этот раз в сравнении с нейтральным
критерием больше точек из областей неопределенности
принадлежит к числу лучших. Эти кривые называются выпуклыми.
Предельный случай пессимистического подхода образуют, очевидно,
граничные прямые квадранта I, а оптимистического — граничные прямые
квадранта III, и чем ближе подходит кривая предпочтения к этим
граничным прямым, тем в большей степени соответствующий
критерий представляет пессимистическую или соответственно
оптимистическую точку зрения.
оптимистическая
пессимистическая
нейтральная
486 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Если выбор оценочной функции отдается на усмотрение лица,
принимающего решение, то приходится считаться с возможностью
различных результатов для одного и того же решения. Таким
образом, принятие решения не является чисто рациональным процессом.
Особая опасность возникает в тех случаях, когда оценочные
функции выбираются интуитивно.
Всякое техническое или экономическое решение в условиях
(сознательно или несознательно) неполной информации принимается
в соответствии с какой-либо оценочной функцией описанного выше
типа. Как только это положение представляется в явной форме,
следствия соответствующих решений становятся более
обозримыми, что позволяет улучшить их качество. При этом оценочные
функции всегда должны выбираться с учетом количественных
характеристик ситуации, в которой принимаются решения.
16.4. Классические критерии принятия решений
Минимаксный критерий (ММ-критерий) использует
оценочную функцию (16.9), которая соответствует позиции крайней
осторожности (пессимистическая позиция). В этом случае надо
ориентироваться на наименее благоприятный случай и приписывать
каждому из альтернативных вариантов наихудший из возможных
результатов. После этого выбирается самый выгодный вариант, т.е.
ожидается наилучший результат в наихудшем случае [2]. Для
каждого иного внешнего состояния результат может быть только
равным этому или лучшим.
При
ZMM = max elr; (16.13)
i
1 elr = min etj (16.14)
/
справедливо соотношение
E0 = {El0 | Et0 ^ E A el0 = max min e(/}, (16.15)
< /
где ZMM — оценочная функция ММ-критерия.
Таким образом, множество Е0 оптимальных вариантов
состоит из тех вариантов ?ю, которые принадлежат множеству Е всех
вариантов и оценка ею которых максимальна среди всех оценок
eir = min еч.
i
Глава 16 Анализ риска
487
Поскольку в области технических задач построение множества
Е вариантов уже само по себе требует весьма значительных усилий,
причем иногда возникает необходимость в их рассмотрении с
различных точек зрения, условие Е.0 ^ Е включаются во все критерии.
Это условие говорит о том, что совокупность вариантов необходимо
исследовать возможно более полным образом, чтобы была
обеспечена оптимальность выбираемого варианта
Правило выбора (алгоритм) решения в соответствии с ММ-кри-
терием представляется следующим образом матрица решений ||е,;||
дополняется еще одним столбцом из наименьших результатов е1г
каждой строки. Выбрать надлежит те варианты ?(0, в строках
которых стоят наибольшие значения е1Г этого столбца. Выбранные таким
образом варианты полностью исключают риск. Это означает, что
принимающий решение не может столкнуться с результатом
худшим, чем тот, на который он ориентируется. Какие бы условия F ни
встретились, соответствующий результат не может оказаться ниже
ZMM. Данное свойство заставляет считать минимаксный критерий
одним из фундаментальных. В технических задачах минимаксный
критерий применяется чаще всего как сознательно, так и
неосознанно.
Следует, однако, помнить, что предположение об отсутствии
риска может вызвать потери. Покажем это на примере (табл. 16.4).
Хотя вариант Е{ кажется с первого взгляда более выгодным согласно
ММ-критерию, тем не менее оптимальным следует считать вариант
Е0 = {Е2}. Однако принятие решения по этому критерию может
оказаться еще менее разумным, если состояние F2 встречается чаще,
чем состояние Fb и решение реализуется многократно. Выбор
варианта Е2, предписываемый ММ-критерием, позволяет избежать
неудачного значения 1, реализующегося в варианте Ех при внешнем
состоянии F{, и получить вместо него при этом состоянии немного
лучший результат 1,1, но при этом в состоянии F2 теряют выигрыш
100, получая всего только 1,1 Этот пример показывает, что в
многочисленных практических ситуациях пессимизм минимаксного
критерия может оказаться очень невыгодным.
Таблица 164
Вариант решения
?,
?2
Оценка решения
F\
1
U
?2
100
1,1
е«
1
1,1
max elr
i
1,1
488 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Применение ММ-критерия бывает оправданно, если
ситуация, в которой принимается решение, характеризуется
следующими обстоятельствами:
• о возможности появления внешних состояний Z7 ничего не
известно;
• приходится считаться с появлением различных внешних
состояний F';
• необходимо исключить какой бы то ни было риск, т.е. ни при
каких условиях F не допускается получить результат меньший, чем
При построении оценочной функции ZMM (согласно ММ-крите-
рию) каждый вариант Е, представлен лишь одним из своих
результатов еи = min e Критерий Байеса—Лапласа (BL-критерий), на-
против, учитывает каждое из возможных следствий. Пусть р —
вероятность появления внешнего состояния F . Тогда для BL-критерия
можно записать
ZBL = max eir\ (16.16)
i
n
e,r = EW (1617)
E0 = {El0 | Et0 e E Л el0 =
n n
= max? *(/РуЛ5>/=1}- (16.18)
Таким образом, множество Е0 оптимальных вариантов состоит
из вариантов El0, которые принадлежат множеству Е всех вариантов
п
и оценка которых ею максимальна среди всех оценок е1Г = V ер
/ = '
а
при условии, что ^ р = 1.
/=-1
Соответствующий алгоритм выбора описывается следующим
образом: матрица решений \\е1 II дополняется еще одним столбцом,
содержащим математическое ожидание значений каждой из строк.
Выбираются те варианты ?ю, в строках которых стоит наибольшее
значение е1Г этого столбца. При этом предполагается, что ситуация,
Глава 16 Анализ риска
489
в которой принимается решение, характеризуется следующими
обстоятельствами:
• вероятности появления состояний ? известны и не зависят
от времени;
• решение реализуется (теоретически) бесконечно много раз;
• для малого числа реализаций решения допускается
определенный риск.
При достаточно большом количестве реализаций среднее
значение постепенно стабилизируется. Поэтому при полной
(бесконечной) реализации какой-либо риск практически исключен.
Исходная позиция применяющего BL-критерий
оптимистичнее, чем позиция применяющего ММ-критерий, однако такая
позиция предполагает более высокий уровень информированности и
достаточно длинные реализации.
Критерий Сэвиджа (S-критерий) вводится соотношением вида
min elr - min max (max eir - e(y). (16 19)
С помощью обозначений
ац - max etj - ец, (16 20)
i
etr = max ац = max (max ец - e(J) (16.21)
формируется оценочная функция
Zs = min eir - min [max (max ец - etj)] (16.22)
и строится множество оптимальных вариантов решения
?0 = {?(0 | ?ю е ? Л е,0 = min etr}. (16.23)
Следовательно, множество EQ оптимальных вариантов состоит
из тех вариантов ?ю, которые принадлежат множеству ? всех
вариантов и оценка ею которых минимальна среди всех оценок е1Г
При трактовке этого критерия определяемая соотношением
(16.20) величина ац представляется как максимальный
дополнительный выигрыш, который достигается, если в состоянии F. вместо
варианта ?, выбирается другой, оптимальный для этого внешнего
состояния вариант. Можно, однако, интерпретировать величину ац и
как потери (штрафы), возникающие в состоянии F при замене
оптимального для него варианта на вариант ?,. Тогда определяемая
соотношением (16.21) величина представляет собой (при
интерпретации а,, в качестве потерь) максимально возможные (по всем внеш-
490 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ним состояниям F / = 1, 2,..., п) потери в случае выбора варианта
?,. Теперь, согласно (16.9) и (16.10), эти максимально возможные
потери минимизируются за счет выбора подходящего варианта Е,.
Соответствующий S-критерию алгоритм выбора можно описать
следующим образом: каждый элемент матрицы решений ||е ||
вычитается из наибольшего результата max e соответствующего
столбца. Разности а образуют матрицу остатков ||at/|| Эта матрица
пополняется столбцом наибольших разностей е1Г. Выбираются те
варианты El0, в строках которых стоит наименьшее для этого столбца
значение. По выражению (16.22) оценивается значение результатов
тех состояний, которые вследствие выбора соответствующего
распределения вероятностей оказывают одинаковое влияние на
решение. С точки зрения результатов матрицы ||е(/|| S-критерий связан с
риском, однако с позиции матрицы ||а(/-|| рассматриваемый критерий
от риска свободен. В остальном в этой ситуации принятия решений
реализуются те же условия, что и в случае использования ММ-кри-
терия.
Из требований, предъявляемых рассмотренными критериями к
анализируемой ситуации, становится очевидно, что вследствие их
жестких исходных позиций они применимы только для
идеализированных практических решений. Если требуется слишком сильная
идеализация, можно одновременно применять поочередно
различные критерии. После этого среди нескольких вариантов, отобранных
таким образом в качестве оптимальных, приходится волевым
образом выделять некоторое окончательное решение Такой подход
позволяет, во-первых, лучше проникнуть во все внутренние связи
проблемы принятия решений и, во-вторых, ослабляет влияние
субъективного фактора.
Выбор решения по классическим критериям покажем на
следующем примере. Пусть некоторую машину требуется подвергнуть
проверке с приостановкой ее эксплуатации. Из-за этого
приостанавливается и выпуск продукции. Если же эксплуатации машины
помешает не обнаруженная своевременно неисправность, то это
приведет не только к приостановке работы, но и дополнительно к
поломке. Варианты решения таковы: Е{ — полная проверка; Е2 —
минимальная проверка; ?3 — отказ от проверки. Машина может
находиться в следующих состояниях: Fl — неисправностей нет; F2 —
имеется незначительная неисправность; F3 — имеется серьезная
неисправность. Результаты включают затраты на проверки и
устранение неисправности, а также затраты, связанные с потерями в
выпуске продукции и с поломкой. Варианты решений приведены в
Глава 16 Анализ риска
491
табл. 16.5. Согласно ММ-критерию (16.15), следует проводить
полную проверку (Е0 = {EJ). BL-критерий в предположении, что все
состояния машины равновероятны (р; = 0,33), рекомендует
отказаться от проверки (?0 = {EJ).
Таблица 16 5
Вариант
решения
о
проверках
я,
Е9
Ея
Оценки решения при
F\
-20,0
-14,0
0
F2
-22,0
-23,0
-24,0
^з
-25,0
-31,0
-40,0
е,г, равной
min еИ
i
max е,Л
ММ-критерий
-25,0
-31,0
-40,0
-25,0
X ечР,
1
max etr
BL-критерий
-22,33
-22,67
-21,33
-21,33
Применение S-критерия иллюстрирует табл. 16.6. Этим
критерием в качестве оптимальной рекомендуется минимальная проверка.
Пример направленно выбран таким образом, чтобы каждый
критерий предлагал новое решение Неопределенность состояния,
которое соответствует моменту проверки машины, превращается
теперь в отсутствие ясности по выбору критерия. Поэтому
целесообразна проверка значений величин е1г для какого-нибудь критерия
на равенство (даже приблизительное) между собой как, например,
е2г = 14 • 103 и е3г = 15 • 103 (см. табл. 16.6). Рекомендации такого
критерия выглядят менее убедительными.
Таблица 16 б
Вариант
решения о
проверках
Я,
?9
я,
Оценки решения при
Fi
+20,0
+ 14,0
0
Fi
0,0
+ 1,0
+2,0
^з
+20,0
+6,0
+ 15,0
е,Л, равной
max e„
i
mm en
i
S-критерий
+ 14,0
+ 15,0
+ 14,0
Поскольку различные критерии связаны с различными
аспектами ситуации, в которой принимается решение, лучше всего для
сравнительной оценки рекомендаций тех или иных критериев получить
дополнительную информацию о самой ситуации. Если принимаемое
решение относится к большому числу машин с одинаковыми
параметрами, то целесообразно придерживаться BL-критерия. Если же
492 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
число реализаций невелико, то большой вес приобретают более
осторожные рекомендации S- или ММ-критериев.
В области технических задач различные критерии часто
приводят к одному результату. Предположим, что в
рассматриваемом примере серьезная неисправность (состояние Fs)
встречается вдвое чаще, чем любое другое состояние (/?, = р2; Рз - 0,5); тогда
BL-критерий, как и ММ-критерий, рекомендует полную проверку
(Е0 = {Е{}). Всякий вариант, избираемый в данном случае всеми
рассмотренными критериями, является слабо доминирующим. Сильное
доминирование имеет место, когда для всех результатов е1; одного
из рассматриваемых вариантов справедливо е1у < ец для / = 1, 2,...,
п и eXj < etj хотя бы для одного /'. Над указанным вариантом Ех
остальные варианты доминируют. Этот вариант можно исключить из
матрицы решений, так как для всякого F} он дает худший результат,
чем другие. Если какой-либо вариант Ех доминирует сильно, т.е
выполняются условия в] > etj для всех / = 1, 2,..., п и е{) > е(/ хотя бы
для одного /, то даже при отсутствии информации о возможных
внешних состояниях F s никакой проблемы относительно
принимаемого решения нет. Для всякого F] вариант Е{ — наилучший.
16.5. Производные критерии принятия решений
С целью достижения наиболее уравновешенной позиции
предлагается использовать критерий Гурвица (HW-критерий),
оценочная функция которого находится между позициями предельного
оптимизма
max etr = max (max e(/) (16.24)
' < i
и крайнего пессимизма
max elr = max (min e„)
i i i
и имеет вид
ZHW = max ein (16.25)
eir - с min e + (1 — c) max et]. (16.26)
i i
Тогда
?o = {?,o I ?«()*= E Ae,o =
- maxfc min elr+(l~c)max etj] Л 0<с<1}, (16.27)
< ' i i
где с — весовой множитель.
Глава 16 Анализ риска
493
Следовательно, множество Е0 оптимальных вариантов состоит
из тех вариантов ?ю, которые принадлежат множеству Е всех
вариантов и оценка el0 которых максимальна среди всех оценок е1Г при
условии, что весовой множитель 0 < с < 1.
Алгоритм выбора решения согласно HW-критерию
формулируется следующим образом: матрица решений ||е(/|| дополняется
столбцом, содержащим средние взвешенные наименьшего и
наибольшего результатов для каждой строки (16.26). Выбираются те
варианты ?(0, в строках которых стоят наибольшие элементы е1г
этого столбца.
Отметим, что HW-критерий для с = 1 превращается в ММ-кри-
терий, а для с = 0 — в критерий азартного игрока. Отсюда ясна
важность адекватного выбора весового множителя с. В технических
приложениях правильно выбрать весовой множитель бывает так же
трудно, как правильно выбрать сам критерий. Вряд ли можно найти
количественную характеристику для тех долей оптимизма и
пессимизма, которые присутствуют при принятии решения. Поэтому чаще
всего в качестве некоторой средней точки зрения принимают
с = 0,5. При обосновании выбора применяют обратный порядок
действий. Для подходящего решения (подходящего даже в
субъективном понимании) вычисляется искомое значение весового множителя
с. В последующем это значение интерпретируется как показатель
соотношения оптимизма и пессимизма. HW-критерий может,
несмотря на вполне уравновешенную точку зрения (по определению),
приводить к нерациональным решениям, например, когда
оптимальное решение не зависит от весового множителя.
HW-критерий предъявляет к ситуации, в которой принимается
решение, следующие требования:
• о вероятностях появления состояний Z7 ничего не известно;
• необходимо считаться с появлением всех состояний F;
• реализуется лишь малое количество решений;
• допускается некоторый риск.
Критерий Ходжа — Лемана (HL-критерий) [4] опирается
одновременно на ММ-критерий:
Е0 = {?(0 | El0 e E Л el0 = max min ej
и на BL-критерий.
п п
Ео = {?(0 I ?<о е Е Л ею = тах X ечР, aYjP,= i))-
/=1 /=1
494 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
В HL-критерии вводится специальный параметру, с помощью
которого выражается степень доверия к используемому распределению
вероятностей. Если это доверие велико, то акцентируется BL-крите-
рий, в противном случае предпочтение отдается ММ-критерию.
Оценочная функция HL-критерия определяется равенством
ZHL = max elr, (16.28)
i
n
e,r = v^I/P( + (l-v)raine,(, 0<v<l, (16.29)
/ = i
а множество HL-оптимальных решений записывается в виде
Е0 = {Е[0 | El0 e E л ел =
П
= max [v ]Г ечР, + (1 - v) min <?(/] л 0 < v < 1}. (16.30)
Итак, множество Е0 оптимальных вариантов состоит из тех
вариантов ?,0, которые принадлежат множеству Е всех вариантов и
оценка ею которых максимальна среди всех оценок е1Г при условии,
что 0 < v < 1.
Алгоритм выбора, соответствующий HL-критерию,
формулируется следующим образом: матрица решений ||е || дополняется
столбцом, составленным из средних взвешенных (с постоянными весами)
математического ожидания и наименьшего результата каждой
строки (16.16). Отбираются те варианты решений ElQ, в строках которых
стоит наибольшее значение этого столбца. Для v = 1 HL-критерий
переходит в BL-критерий, а для v = 0 — в ММ-критерий.
Поскольку выбор параметра v субъективен, то степень
уверенности в какой-либо функции распределения практически не
поддается оценке По указанной причине HL-критерий не применяется
при принятии технических решений, но используется для решения
теоретических задач по оценке риска.
HL-критерий предъявляет к ситуации, в которой принимается
решение, следующие требования:
• вероятности появления состояний F неизвестны, но
некоторые предположения о распределениях вероятностей возможны;
• принятое решение теоретически допускает бесконечно много
реализаций;
• при малых числах реализаций допускается определенный
риск
Глава 16 Анализ риска
495
16.6. Количественные характеристики ситуации принятия
решения
Понятие доверительного фактора вводится на основе
предположения о том, что решение, соответствующее наименьшему
значению min jc из соответствующей выборки или ряда допустимых
значений независимого параметра хь х2, х3,..., хп, приводит к самым
неблагоприятным последствиям. Кроме того, предполагается, что
данные значения параметра являются реализацией случайного
процесса с соответствующими относительными частотами
распределения /г,, /i2,..., hm которые, в свою очередь, сходятся к теоретическим
вероятностям ръ р2, ..., рп этих значений параметра [5].
Среднее значение заданного ряда значений независимого
параметра должно существенно отличаться от наименьшего из его
значений min х, что характеризуется так называемым доверительным
фактором, объективно оцениваемым заранее задаваемым значением
вероятности а принятия ошибочного решения.
Различают три принципиально разных случая:
• на основании заранее известной выборки значений параметра
или по результатам проведения v экспериментов по определению
его значений оценивается относительное значение отклонения
теоретического среднего значения параметра от его наименьшего
значения (это осуществляется с помощью эмпирического
доверительного фактора Vv(a));
• если вероятности р1, р2,..., Рп известны, то оценивается
относительное значение отклонения среднего значения из выборки,
полученной в результате проведения серии из w экспериментов, от
наименьшего значения параметра (при этом используется
прогностический доверительный фактор Vw{a))\
' относительное значение отклонения среднего значения
параметра от его наименьшего значения оценивается для предстоящего
проведения серии из w экспериментов по результатам заранее
известной выборки; это осуществляется с помощью эмпирико-прогнос-
тического доверительного фактора V®(a).
Последний случай охватывает первые два и, кроме того, лучше
других соответствует практическим задачам. Во всех трех случаях
считается, что значения параметра расположены в ранжированном
ряде по мере их возрастания, т.е. х{ < х2 < хд < ... < хп, так что
min х = хх. Допущение даже малой вероятности а принятия
ошибочного решения не исключает возможности риска. Полное устранение
риска при принятии решений практически не требуется. Более того,
496 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
определенная степень риска может быть введена даже сознательно,
так как принятие решения без риска, например с предельно
пессимистической позиции, как правило, невыгодно. Однако при этом
разумный риск следует отличать от риска азартного игрока.
Приводимые далее рассуждения позволят ознакомиться с
возможностью принятия эффективного решения при наличии
определенного риска. Это решение основывается на использовании так
называемого опорного выражения. В качестве опорного для оценки
риска принимается выражение вида
?0 = {?ю | ?,0 е Е Л е,0 = max min ег/}, (16.31)
< /
которое соответствует позиции крайней осторожности.
В случае выбора вместо оптимального по данному критерию
какого-либо другого варианта ?, степень неоптимистичности
вычисляется в виде так называемого дефекта варианта Е, относительно
значения оценочной функции по ММ-критерию:
Е, возы = ZMM ~ тш eiy (16.32)
/
Максимальная разность дефектов при рассмотрении всех
возможных вариантов решения Et, i = 1, 2,..., т,
характеризуется как возможный риск:
Евозм = тах С^ММ ~ min ei) — min (ZmM _min ei) =
— ZMM - min min e (16.33)
Таким образом, возможный риск евозм, независимо от
информации о параметрах, имеющейся по результатам выборки, а также от
числа реализаций процесса представляет собой максимально
возможное значение нереализуемой полезности решения. В случае
малых объема v выборки и числа реализаций w процесса принятия
решения безопаснее придерживаться ММ-критерия, тогда как при
достаточно больших значениях v и w целесообразно
ориентироваться на BL-критерий.
ММ-критерий и BL-критерий обобщаются HL-критерием,
согласно которому оптимальным считается решение Е„ для которого
в свою очередь выражение
п
еи = ", ? е/Д + (1 + "«) mln еч (16.34)
/ = i
дает максимальный результат.
Глава 16 Анализ риска
497
В приведенном выражении пр / = 1, 2,..., л, представляют собой
известные вероятности реализации внешних состояний Fj, F%,..., Fn
либо оценки этих вероятностей, полученные на основании выборки
по результатам каких-либо экспериментов, по крайней мере,
относительные частоты их распределения, определенные на основании
априорной информации, и, — доверительный фактор
(эмпирический, прогностический, эмпирико-прогностический).
В качестве ut целесообразно использовать
эмпирико-прогностический фактор V®(a), значение которого автоматически
изменяется в следующих границах:
V»(a), t 1, а также V®(a), I О,
V —> °° ц ~) оо
W —> •" &J —> со
Из последних выражений следует, что при большом объеме
выборки v и большом числе реализаций w HL-критерий приближается
к нейтральному BL-критерию, а в случаях малого объема выборки
v и (или) числа реализаций w определяющим становится ММ-кри-
терий. При этом выражение (16.34) может быть переписано в виде
п
е1Г = М%Ца) = X й«, /i(<x)e,,. (16.35)
В (16.35) через М^(ос) обозначено наиболее неблагоприятное
среднее значение Однако при внешних условиях, которые
отличаются большой вероятностью реализации, принимающий решение в
случае получения вариантов решения, дающих заметный выигрыш
даже по сравнению с оптимальным вариантом по ММ-критерию,
может с определенным значением риска едо|1 выйти за рамки строгого
следования ММ-критерию.
С целью оценки конкурентоспособности таких решений для
каждого варианта Et вводится некоторая величина, которая равна сумме
минимального результата min ец, j = 1, ..., п, и значению риска:
mm e + е(, (16.36)
/
где е, по своему смыслу должно отвечать ограничению
е, = min (e/B03M, едоп). (16.37)
Условие (16 36) гарантирует непревышение величиной е,
значения дефекта г'-го варианта решения по отношению к оптимуму,
полученному по минимаксному критерию, а также непревышение
значения допустимого риска еЛ0П.
498 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Максимальный риск при рассмотрении всех вариантов решения
?,-, i=l, 2,..., т
е,- = max Б; = max min (е(В03М, едоп). (16.38)
В отличие от выражения для HL-критерия, в качестве оценки
результата более целесообразно использовать выражение вида
п
й = V?(«X X eljhj + (1 - V*(a) min (<?,.,. + ?,.). (16.39)
/=.
Пусть ?*(e) — множество всех вариантов решения,
обеспечивающих максимум значения |Л,:
?*(е) = {?, | Ц; = max ц,}, max (X,- = max (X*. (16.40)
t i (
Суть критерия, определяемого выражениями (16.39) и (16.40),
может быть объяснена на примере двух крайних случаев:
1) еслиедоп = 0, то согласно (16.37) е, = 0, а из (16.39) получается
соответствующее выражение для HL-критерия:
п
й< = "; ? ellhl + (1 - u.) min <?;/, (16.41)
/=.
причем ui =«= V^'(oi);
2) если едоп > е, то согласно (16.37) ?,• = Е1В03М, а выражение
(16.32) фактически преобразуется в нейтральный критерий Байе-
са—Лапласа:
п
где и,- — весовой коэффициент, равный доверительному фактору
и, = ^'(а).
В случае, когда ut = V^'(«) = 0 (этот вариант возможен, если
v = 0, т.е. нет никакой информации о распределении вероятностей
реализации внешних состояний F\, F2,..-, Fn, или w = 1, т.е. когда
решение принимается впервые) выражение (16.39) преобразуется к
виду
й, L; = o = min (е,/) + Е<-> тах! (16.43)
/ <
Глава 16. Анализ риска
499
Приращение результата е ¦ до значения вц + ?,-, которое согласно
(16.32) и (16.37) может достигать ZMM, позволяет в соответствии с
(16.40) включать в рассмотрение несколько дополнительных
вариантов решения.
Обычно в технических приложениях риск интерпретируется как
вероятностная оценка возможности получения нежелательного
результата. С этой точки зрения следует считать риском реализацию
случая, когда вариант решения Л,- при внешнем состоянии У7- дает
значение результата меньше ожидаемого. Это ожидаемое значение
принимается в качестве опорного для оценки риска, причем
целесообразно для большей ясности разделение опорных значений на
зависящие и не зависящие от внешних факторов.
В качестве не зависящего от внешних факторов значения
опорной величины ez может фигурировать любое вещественное
значение, но согласно определению оно может находиться только в
диапазоне
min (min еф < ez < max (max еф. (16.44)
Для некоторого варианта ?2- величина
е, — ег- min et: = min (ez - еф (16.45)
/ /
называется возможным дефектом выбора варианта решения Et.
Так как отрицательные значения eL согласно (16.36) не
являются дефектом, то в дальнейшем анализе рассматривается величина
?•+ = max (e,-, 0) = (ez - min еф+, (16.46)
/
и вариант принятия решения ?,¦ называется имеющим дефект или
свободным от дефекта, если е,+ > 0 или соответственно е;+ = 0. При
этом х+ = max (x, 0).
Любой вариант принятия решения будет иметь дефект при
ег > max (max et),
«' /
а при
ez = min (min еф (16.47)
' /
все варианты будут свободными от дефекта.
Вполне очевидно, что целесообразно определять опорные
значения для оценки риска через значения известных критериев принятия
решения.
500 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
По отношению к независимому от внешних состояний значению
опорной величины ez можно ввести следующее определение: из двух
вариантов решения ?( и ?, вариант ?, называется не лучшим по
сравнению с ?, (записав это в виде соотношения ?, < Et), если
определенные согласно (16.45) оценки риска е, и е; удовлетворяют
неравенству е( > 8;. Из приведенного неравенства путем подстановки
определенной части выражения (16.45) получается
е, = ez - min e > ez - min eu. (16.48)
После преобразования имеем
min et < min elh
i i
что говорит о независимости данного выражения от ez. Характер
соотношения вариантов принятия решений для всех независимых
от внешних факторов уровней отсчета ег будет тот же самый, и,
сохраняя суть соотношения, его можно просто записать в виде
Е, < Е,
В общей формулировке значение опорной величины ег,
зависимое от внешних факторов, представляется в виде функции от всех
тп значений результатов решения е(/:
е7 = ф(е(/), i = 1, 2,..., т, j = 1, 2,..., п. (16.49)
Выражение (16 49) включает в себя и тот случай, когда ф вообще
не зависит от е1р т.е. является константой. Тогда дефект, возможный
при выборе варианта решения ?,, согласно (16.45) определяется из
уравнения
ег- = ф(е(/) - min ec = max [ф(е(/) - ес/]. (16.50)
< 1
Оптимальный вариант решения Е* соответствует минимальному
дефекту е*:
е* = е* = min е,. (16.51)
Таким образом, разность между дефектом е,- варианта решения
?, и минимальным дефектом е* определяется из уравнения
Ait = е( - mm е( = |ф(е(/) - min е ] - min {[ф(е(/) - min e ]}. (16.52)
' i ' 1
Полученная разность дефектов рассматривается как
относительный риск при выборе соответствующего варианта решения ?,.
Глава 16 Анализ риска
501
В случае, когда значение опорной величины выбирается по
оценочной функции ZMM, соответствующей ММ-критерию,
минимальный дефект
е" = mm е, = min (2ММ - min e(/) =
= ZMM - max min ejy = 0, (16.53)
i
следовательно,
Де, = е, = ZMM - mm ец.
i
Опорные значения могут быть определены для каждого из п
внешних состояний F{,..., Fn отдельно с помощью функции Тотт
переменных
*ч = 44*1,. «V • V-е«у>- (16-54)
Для рассматриваемого случая на основании выражения (16.44)
значение е„ имеет смысл только в диапазоне
^1
mm е < е, < max ea. (16.55)
Величина
ег = max (ег/ - е ) (16.56)
i
называется возможным дефектом выбранного варианта решения Et
или оценкой риска, сопутствующего такому решению. При этом в
соответствии с (16.46) во внимание принимаются только
положительные значения
е+- [max (ег/- ег/)1+. (16.57)
Ограничение значений опорной величины е диапазоном (16.55)
может быть мотивировано тем, что при ez > max e любой вариант
i
решения имеет дефект, а при eZj < min e,y все варианты бездефектны.
i
Значения зависимых от внешних факторов опорных величин
определяются границами диапазона (16.55):
ег. = max e ; (16.58)
ez/ - min e , (16.59)
i
а также средним значением
502 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
т
Оптимальный выбор варианта решения Е* дает минимальный
дефект, который для значений, не зависящих от внешних факторов,
аналогично (16.51) и (16.55)
е* = б* = min е,. (16.61)
i
Разность между возможным и минимальным дефектами для
варианта решения ?, аналогично (16.52) составит
Де, = е, - mm e = max \е„ - еЛ - min {max [e„ - е\} . (16.62)
ii i i
Эта величина, в свою очередь, рассматривается как
относительный риск при принятии варианта решения Ev
Более наглядная интерпретация свойств зависимого от внешних
факторов значения опорной величины получается при
использовании S-критерия с оценочной функций
Zs = mm [max (max e - e )]. (16.63)
Действительно, если принять в качестве значения опорной
величины, зависящего от внешних состояний ег = max ец, то согласно
i
(16.45) риск, сопутствующий решению ?,, определяется
выражением
е, = max (min e - е), (16.64)
а оптимальным согласно (16.64) будет вариант решения Е* с
оценочной функцией Zs = min e, = е*, т.е. вариант с минимальным
риском.
16.7 Методические основы анализа риска
с помощью дерева отказов
Анализ риска на основе дендрологической интерпретации
целесообразно начинать с представления о состоянии некоторой
системы, альтернативных путях протекания и результатах какого-либо
процесса в системе Топологическая схема в этом случае обычно
дает достаточно хорошее общее представление [8].
Глава 16. Анализ риска
503
Описание этой идеи можно дать на примере трех параллельно
работающих реакторов: Ах, А2, А3. В этом примере Л, означает отказ
г'-го реактора, а А, — его работоспособное состояние. Для простоты
предполагается, что вероятность отказа в рассматриваемый отрезок
времени одинакова для каждого из трех реакторов: Я, = 10~3, i = 1,
2,3.
Исходным пунктом схемы является элемент, который в общем
виде представляет собой рассматриваемое состояние системы в
целом. Из исходного элемента (узла) ветви (связи) проводят к
узлам, представляющим состояние первого реактора (в
соответствии с заданными вероятностями). Таким же образом дальше от
каждого из этих узлов ведут ветви к следующим, в которых указаны
состояния второго и третьего агрегатов, пока на выходе не получатся
все возможные комбинации событий. В результате образуется
дерево событий (рис. 16.4), в котором каждый путь от исходной точки
до конечного узла описывает одну из возможных эволюции системы.
Дерево событий можно далее преобразовать в дерево решений, в
котором различают узлы событий Р и узлы решений D (рис. 16.5).
Можно представить, что в узлах событий выбор дальнейшего пути
определяется внешними условиями, а в узлах решений — лицом,
принимающим решение. Все возможные действия могут быть
связаны с узлами решений.
Как уже отмечалось, при принятии технических решений может
возникнуть риск или для материальных ценностей, или для жизни
и здоровья. В последнем случае возможны два варианта: ущерб
здоровью или летальный исход (каждый вариант сопровождается
оценкой вероятности наступления именно этого события). Однако в
реальной жизни такого четкого деления нет, и каждая угроза
материальным ценностям, как правило, сопровождается в той или иной
степени угрозой жизни и здоровью При таких условиях «полный»
анализ риска, очевидно, должен включать оценку частоты появления
угрозы материальным ценностям и ущерб, вызываемый потерями
оборудования и человеческими жертвами.
Таким образом, анализ риска должен включать и анализ
надежности. Следует отметить, что термин «надежность» относится к
исследованию работоспособности оборудования (отказов).
Следствием такого рассуждения является взаимное «перекрытие» терминов
надежности, безопасности, опасности и, конечно, риска
Различные виды оборудования или участки производства
представляют различную опасность, поэтому в начале анализа
целесообразно разбить предприятие или оборудование, т.е. некоторую сие-
504 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
^1 ^2 ^3
9,99 7003
Ai A2 Ж3
9,98001 • 10-
Al "2 "3
9,98001 • 10-
А-ц К± A3
9,99-10 7
А; А; А3
9,98001-10-
А, А; Аз
9,99-10 '
А1 А; А3
9,99-Ю-'
А1 Ag Аэ
ю-8
Рис 16 4 Дерево событий для случая выхода из строя трех параллельно
работающих реакторов
тему, на подсистемы с целью выявления таких участков
производства (элементов оборудования) или его компонентов, которые могут
являться вероятными источниками опасности, Процедура разбиения
на подсистемы в общем случае предполагает реализацию трех
этапов.
1) выявление источников опасности,
2) определение частей системы, которые могут вызвать эти
опасные состояния;
3) учет ограничений
В ходе поиска подсистем, которые могут вызвать опасные
состояния, весьма полезными могут оказаться некоторые лингвистичес-
Глава 16 Анализ риска
505
D
Рис 16 5 Узлы событий Р и узлы решений D
кие приемы в форме ключевых слов (выражений). Эти ключевые
выражения вполне позволяют обнаруживать тенденции в
изменениях, происходящих в системе. Наиболее употребительны следующие
ключевые выражения- «больше, чем»; «чем другие»; «меньше, чем»;
«так же, как»; «ни один из»; «наоборот»; «часть из»; «позже
чем»; «скорее чем»
Средствами описания опасностей в системе считаются:
инженерный анализ; детальное рассмотрение окружающей среды;
детальное рассмотрение процесса работы; детальное рассмотрение самого
оборудования Например, список процессов и условий,
представляющих опасность, может содержать следующие элементы: разгон,
загрязнения; коррозия; поражения электрическим током, ожог,
непредусмотренные включения и отключения, отказы источника
питания, электромагнитная радиация; взрывы; пожары; нагрев и
охлаждение; утечки; высокая влажность, низкая влажность;
окисление; высокое, низкое, быстро изменяющееся давление; термическая,
ионизирующая радиация, ультрафиолетовое излучение и т д.
Следует подчеркнуть, что на анализ технических систем и
окружающей среды необходимо накладывать определенные ограничения
Такие ограничения вполне определяются рациональностью и тем,
что называется «здравым смыслом». Так, вряд ли целесообразно
изучать параметры риска, связанного с разрушением асинхронного
двигателя из-за столкновения с самолетом. Но авиационные катастрофы
и другие маловероятные типы опасностей необходимо принимать во
внимание при анализе риска, относящегося, нацример, к крупным
трансформаторам, электрическим станциям. К таким же
субъективным ограничениям анализа следует отнести вопросы влияния на
степень риска диверсий, ошибок людей, поражения молнией,
землетрясений и т.п
В целом упомянутые выше лингвистические процедуры и
средства описания опасностей составляют первый этап реализации
методики анализа риска для жизни (здоровья) с учетом надежности
506 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Классы опасностей
Класс I - пренебрежимые опасности
Класс II -граничные эффекты
Класс III - критические ситуации
Класс IV -катастрофические
последствия
Рис 16 6 Классификация опасностей
(безопасности) промышленного оборудования, бытовой техники и
т.п. Этот этап получил название «Предварительный анализ
опасности (ПАО)». Предварительный анализ опасности содержит наряду с
предварительным выявлением элементов системы или событий,
ведущих к опасным ситуациям, рассмотрение последовательности
событий, превращающих опасную ситуацию в происшествие, и
корректирующие мероприятия, направленные на устранение
последствий происшествия. Согласно обычной схеме классификации
опасности относятся к одному из четырех классов (рис. 16.6).
Затем в соответствии со структурой ПАО необходимо наметить
предупредительные меры (если эти меры вообще могут быть
приняты), чтобы исключить опасности класса IV и, по возможности,
классов III и II. Возможные решения, которые следует рассмотреть,
могут быть оформлены в виде дерева решений.' После этого можно
принять необходимые решения по внесению исправлений в проект
в целом или изменить конструкцию оборудования, изменить цели и
функции и (или) предусмотреть действия с использованием
предохранительных и предупреждающих устройств и т.п.
Существуют определенные табличные формы, заполняемые при
проведении ПАО. Содержание этих форм частично носит
описательный характер с перечислением как отдельных событий, так и
вводимых корректирующих действий, которые могут быть предприняты.
Рассмотрим пример формы, заполняемой при ПАО. Форма
заключает 11 следующих заполняемых позиций.
1. Подсистема или операция.
Содержание позиции, описание аппаратуры или
функционального элемента, подвергаемых анализу.
2 Ситуация.
Содержание позиции: описание соответствующей фазы работы
системы или вида операции.
3. Опасный элемент.
Глава 16 Анализ риска
507
Содержание позиции: описание или представление
анализируемого элемента аппаратуры или операции, являющихся по своей
природе опасными.
4. Событие, вызывающее опасное состояние.
Содержание позиции: описание состояния, нежелаемого
события, ошибки, которые могут быть причиной того, что опасный
элемент вызовет определенное опасное состояние.
5. Опасные условия.
Содержание позиции: представление опасного состояния,
которое может возникнуть в результате взаимодействия элементов в
системе, и системы в целом.
6. Событие, вызывающее опасные условия.
Содержание позиции: описание нежелательных событий или
дефектов, которые могут вызвать опасное состояние, ведущее к
определенному типу возможной аварии.
7. Потенциальная авария.
Содержание позиции: представление любой возможной аварии,
которая возникает в результате определенного опасного состояния.
8. Последствия.
Содержание позиции: описание возможных последствий аварии
в случае ее возникновения.
9. Класс опасности.
Содержание позиции: качественная оценка потенциальных
последствий для каждого опасного состояния в соответствии со
следующими критериями: класс I — безопасный, т.е. состояние,
связанное с ошибками персонала, недостатками конструкции или ее
несоответствием проекту, а также неправильной работой, которое не
приводит к существенным нарушениям и не вызывает повреждений
оборудования и несчастных случаев с людьми; класс II —
граничный, т.е. состояние(я), приводящее к нарушениям в работе, которые
могут быть компенсированы или взяты под контроль без
повреждений оборудования или несчастных случаев с персоналом; класс
III — критический, т.е. состояние(я), которые приводят к
существенным нарушениям в работе, повреждению оборудования и
создают опасную ситуацию, требующую немедленных мер по спасению
персонала и оборудования; класс IV — катастрофический, т.е.
состояние^), связанное с ошибками персонала, недостатками
конструкции или ее несоответствием проекту, а также неправильным
ее функционированием, которое полностью нарушает работу и
приводит к последующей потере оборудования и (или) гибели или
массовому травмированию персонала.
508 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
10. Мероприятия для предотвращения аварии. Такие
мероприятия подразделяются на следующие типы. 10 А1 — по оборудованию,
10 А2 - по процедурам, 10 A3 — по персоналу.
Содержание позиции: описываются рекомендуемые защитные
меры для исключения или ограничения выявленных опасных
состояний и (или) потенциальных аварий. Определенные таким образом
превентивные меры должны включать: требования к элементам
конструкции, введение специальных процедур, разработку и внедрение
инструкций для персонала.
11. Предварительная оценка.
Содержание позиции: регистрация списка превентивных
мероприятий и контроль их выполнения.
В заключение ПАО рекомендуется получить ответы на вопросы:
а) были ли реализованы рекомендованные решения; б) оказались ли
эти решения эффективными.
Второй этап реализации методики анализа риска
предусматривает построение дерева событий. После того как система полностью
определена (выбраны оборудование и конфигурация системы), с
помощью дереЁа отказов проводится детальный анализ возможных
событий.
Дерево отказов является графическим'представлением
причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания
опасных ситуаций в системе в обратном порядке, для того, чтобы
отыскать возможные причины их возникновения. В этом случае опасная
ситуация в системе является конечным событием в дереве отказов.
Дерево событий (дерево отказов) — сложная логическая
структура, которая может быть использована при анализе риска,
особенно если анализ риска должен базироваться, среди прочего, и
на анализе надежности Анализ надежности может способствовать
уменьшению вероятности аварий и связанных с ними человеческих
жертв, экономических потерь и нарушений в окружающей среде.
Другими словами, анализ надежности позволяет оценить, какой тип
угрозы — материальным ценностям или (и) жизни и здоровью —
превалирует в конкретной ситуации, а также оценить размер
ущерба, т.е. оценить риск при принятии технических решений.
При оценке угрозы жизни или здоровью рассматривают: гибель
(летальный исход); травмы (ущерб здоровью); болезни или утрату
трудоспособности (ущерб здоровью).
Размер ущерба (экономических потерь) обычно выражается в
прекращении производства или обслуживания; изготовлении
некондиционной продукции, некачественном обслуживании; потерях
оборудования и капитальных сооружений К ущербу также следует от-
Глава 16 Анализ риска
509
нести и нарушения в окружающей среде, например, в форме:
загрязнения воздуха и водоемов; шума и вибраций, электромагнитных
полей; термической радиации и т.д.
Потери случаются, когда один или несколько исходных отказов
приводят к возникновению опасной ситуации в системе. Наиболее
часто встречающимися типами исходных отказов могут считаться
следующие: события, обусловленные человеческой деятельностью
(ошибки оператора при обслуживании); события, происходящие с
оборудованием (дефекты, утечки; отсутствие смазки в механизме;
неправильные сигналы чувствительных элементов и датчиков);
события, вызванные воздействием окружающей среды (форсмажор-
ные обстоятельства — землетрясения, наводнения, молнии и т.п.).
Опасные ситуации в системах часто вызываются сочетанием
нескольких типов отказов, т.е. отказами оборудования и (или)
стихийными бедствиями. К типичным мероприятиям, проводимым с целью
минимизирования опасности и риска, относятся: инспекция и
профилактика, установка защитных систем, предохранительных
элементов, резервирование оборудования, аварийная сигнализация и т.п.
Установленные причинные взаимосвязи в дереве отказов
подвергаются качественному и количественному анализам. После того как
сочетания исходных аварийных событий, ведущих к возникновению
опасных ситуаций в системе, выявлены, система может быть
усовершенствована в смысле уменьшения опасности и снижения риска
возникновения опасных ситуаций.
Ценность дерева отказов заключается в следующем:
• анализ ориентируется на отыскание отказов и выявление
таких аспектов функционирования системы, которые имеют важное
значение для рассматриваемых отказов;
• обеспечивается графический, наглядный материал для тех
руководителей, которые детально не информируются о проводимых
изменениях конструкции;
• обеспечивается возможность проведения качественного или
количественного анализа надежности системы;
• метод позволяет специалисту последовательно
сосредоточиваться на отдельных конкретных отказах системы;
• обеспечивается глубокое проникновение в процесс работы
системы.
Структура дерева отказов включает ряд обязательных
положений, среди которых следует отметить:
• описание конечного события, например, в виде события
отказа или фиксируемого происшествия;
510 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• описание последовательности событий, которые ведут к
отказам системы или происшествию;
• использование при описании последовательности событий
логических знаков типа И, ИЛИ и др.;
• соблюдение формальных правил при описании
последовательности событий: события, отображаемые над логическим знаком
структурной единицей построения дерева отказов, и все события, которые
имеют более элементарные причины отказов, должны помещаться и
описываться в прямоугольнике; исходные причины
последовательности событий должны обозначаться кругом; нежелательное событие
помещается сверху (конечное событие) и соединяется с рядом более
элементарных исходных отказов путем логических символов.
Построение дерева отказов можно считать некоторым видом
искусства в науке. Нет двух специалистов, которые составили бы
два идентичных дерева отказов (хотя эти деревья должны быть
эквивалентными в смысле выявляемых видов отказов). С учетом
сказанного следует иметь в виду субъективность правил и процедур
построения дерева отказов, а точнее, субъективность реализации
правил и процедур построения дерева отказов.
Таблица 16 7
Логический знак
И
ИЛИ
ЗАПРЕТ
«Приоритетное И»
«Исключающее
ИЛИ»
Знак m из п (голосо
ванне или выборка)
Символ
логического
знака
m
6
<>
й
6
6
Причинная взаимосвязь
Выходное событие происходит, если все
входные события случаются
одновременно
Выходное событие происходит, если
случается любое из входных событий
Наличие входа вызывает появление
выхода тогда, когда происходит условное
событие
Выходное событие имеет место, если все
входные события происходят в нужном
порядке слева направо
Выходное событие происходит, если
случается одно, но не оба из входных
событий
Выходное событие происходит, если
случается m из п входных событий
Глава 16 Анализ риска
511
Возникновение пожара
Утечка горючей жидкости
н
Очаг воспламенения
вблизи жидкости
Наличие искры
Курящий рабочий
Рис 16 7. Пример использования логических знаков И и ИЛИ
Для отыскания и наглядного представления причинной
взаимосвязи с помощью дерева отказов необходимы элементарные блоки.
Имеется два типа блоков: логические знаки и символы событий.
Логические знаки связывают события в соответствии с их причинными
взаимосвязями.
Следует запомнить, что логический знак может иметь один
или несколько входов, но только один выход или выходное
событие. Выходное событие логического знака И наступает в том случае,
если все входные события появляются одновременно. Выходное
событие у логического знака ИЛИ происходит, если имеет место
любое из входных событий (рис. 16.7).
Причинные связи, выраженные логическими знаками И и
ИЛИ являются детерминированными, так как появление
выходного события полностью определяется входными
событиями.
Имеются причинные связи, которые не являются
детерминированными. Например, рассмотрим два события: «человек сбит
автомобилем» и «человек умер». Причинная связь между этими двумя
событиями является не детерминированной, а вероятностной,
потому что несчастный случай не всегда заканчивается летальным
исходом. Для представления вероятностных причинных связей
используется знак «Запрет». Обратите внимание на специфическую
структуру этого логического знака: событие, помещенное под
логическим знаком (рис. 16.8), называется входным событием,
событие, расположенное сбоку от логического знака, — условным
событием. Условное событие принимает форму события при условии
появления входного события. Выходное событие в свою очередь про-
512 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Оператор не включил систему
Г | Оператор нажал не ту кнопку
I 1 по сигналу тревоги
Сигнал тревоги
Рис 16 8 Пример использования логического знака «Запрета»
Оператор не включил систему
7~\
Сигнал тревоги
Оператор нажал не ту кнопку
по сигналу тревоги
Рис 16 9 Эквивалентное представление схемы, показанной на рис 16 8
исходит, если и входное, и условное события имеют место. Другими
словами, входное событие вызывает выходное событие с
вероятностью (обычно постоянной) появления условного события
Логический знак «Запрет» часто появляется в тех случаях, когда
событие вызывается по требованию. Этот знак используется,
главным образом, для удобства и может быть заменен логическим
знаком И (рис 16.9)
Логический знак «Приоритетное И» эквивалентен логическому
знаку И с дополнительным требованием того, чтобы события на
входе происходили в определенном порядке. Событие на выходе
появляется в том случае, если событие на входе происходят в
определенной последовательности (слева направо). Появление событий на
входе в другом порядке не вызывает события на выходе
Рассмотрим, например, систему, имеющую основной источник питания и
резервный. Резервный источник питания включается в работу
автоматическим переключателем, когда отказывает основной источник.
Питание в системе отсутствует, если: 1) отказывают как основной,
так и резервный источники,^) сначала выходит из строя
переключатель, а затем отказывает основной источник питания.
Предполагается, что если за отказом переключателя следует отказ основного
источника, это не приводит к потере питания при условии
нормальной работы резервного источника. Причинные связи показаны на
рис. 16.10
Глава 16 Анализ риска
513
Нет питания системы
Отказ основного
источника
Отказ резервного
источника
Отказ в управлении
переключателем
Отказ основного
источника
Рис 16 10 Пример использования логического знака «Приоритетное И»
Нет питания
Отказ основного
источника
Отказ резервного
источника
Наличие отказа в
управлении
переключателем при
отказе основного
источника
Отказ в управлении
переключателем
Отказ основного
источника
Нет питания
Отказ основного
источника
Отказ резервного
источника
Отказ управления
питанием
Отказ основного
источника
Наличие отказа в управлении
переключателем при отказе
основного источника
Рис 16 11 Эквивалентные представления схемы, показанной на рис 16 10
17-4910
514 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Логический знак «Приоритетное И» может быть представлен
сочетанием знака «И» и знака «Запрет». Условным событием для
«Запрета» является то, что входные события логического знака И
происходят в определенном порядке. Эквивалентные представления
дерева, изображенного на рис. 16.10, показаны на рис. 16.11, а и б.
Логический знак «Исключающее ИЛИ» описывает ситуацию, в
которой событие на выходе появляется, если одно из двух (но не
оба) событий происходит на входе. Рассмотрим систему, питаемую
от двух генераторов. Частичная потеря мощности может быть
представлена знаком «Исключающее ИЛИ». «Исключающее ИЛИ»
может быть заменено комбинацией логических знаков И и ИЛИ
(рис. 16.12).
Логический знак голосования т из п имеет п событий на входе,
а событие на выходе появляется, если происходят по меньшей мере
т из п событий на входе. Рассмотрим систему выключения,
состоящую из трех контрольных приборов. Предположим, что
выключение системы происходит тогда и только тогда, когда два из трех
контрольных приборов выдают сигнал о выключении. Таким образом,
ненужное выключение системы происходит, если два и большее
число контрольных приборов выработают ложный сигнал
выключения, в то время как система находится в нормальном состоянии. Эту
ситуацию можно представить с помощью логического знака «Два из
трех» (рис. 16.13). Знак голосования эквивалентен комбинации из
логических знаков И и ИЛИ, как показано на рис. 16.14.
В общем случае можно ввести новые логические знаки для
представления специальных типов причинных связей. Следует отметить,
что большинство специальных логических знаков можно заменить
комбинацией логических знаков И либо ИЛИ.
Частичная потеря
мощности
0
Отказ
генератора 1'
Отказ
генератора II
Частичная потеря
мощности
&
Л
й
Отказ
генератора 1
Генератор II
работает
Генератор 1
работает
Отказ
генератора II
Рис. 16 12. Пример использования логического знака «Исключающее ИЛИ» и его
эквивалентное представление
Глава 16. Анализ риска
515
Ненужное включение
Контрольный прибор I
вырабатывает
ложный сигнал
Контрольный прибор II
вырабатывает
ложный сигнал
Контрольный прибор I
вырабатывает
ложный сигнал
Рис. 16.13. Применение логического знака «Два из трех»
Символы событий приведены в табл. 16.8.
Таблица 16.8
Символ события
6
6
1
сЬ
сЬ
&
дА
Содержание события
Исходное событие, обеспеченное достаточными данными
Событие, разработанное недостаточно детально
Событие, вводимое логическим элементом
Условное событие, используемое с логическим знаком «Запрет»
Событие, которое может случаться или не случаться
Символ перехода
Из табл. 16.8 следует, что при построении дерева отказов
прямоугольный блок обозначает событие, которое возникает в
результате более элементарных исходных событий, соединенных с
помощью логических знаков. Круг обозначает исходный отказ отдельного
элемента (в пределах данной системы или окружающей среды),
который определяет таким образом разрешающую способность
данного дерева отказов. Для того чтобы получить количественные
результаты с помощью дерева отказов, круги должны представлять
события, для которых имеются данные по надежности.
17-
516 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Непредусмотренное выключение
Ложный сигнал
от контрольного
прибора I
Ложный сигнал
от контрольного
прибора II
Ложный сигнал
от контрольного
прибора II
Ложный сигнал
от контрольного
прибора III
Ложный сигнал
от контрольного
прибора III
Ложный сигнал
от контрольного
прибора I
Рис 16 14 Эквивалентное представление схемы, показанной на рис 16 13
Непредусмотренное выключение
Ложный сигнал
от контрольного
прибора I
Ложный сигнал
от контрольного
прибора II
Ложный сигнал
от контрольного
прибора II
Ложный сигнал
от контрольного
прибора III
Ложный сигнал
от контрольного
прибора №
Ложный сигнал
от контрольного
прибора I
Рис 16 15 Пример использования символа «домик»
Иногда желательно рассмотреть различные особые случаи
дерева отказов, заведомо полагая, что одни события происходят, а другие
события исключаются из рассмотрения В таких случаях
целесообразно пользоваться символом в виде домика (см табл 16 8) Когда
символ «домик» включают в дерево отказов, предполагается, что
данное событие обязательно происходит Применение символа
«домик» показано на рис 16 15
Когда событие включается в рассмотрение, предполагается, что
контрольный прибор I вырабатывает ложный сигнал Таким образом,
Глава 16 Анализ риска
517
Причинная связь II
-Ж
Символ
«Перенос из»/
В)
Причинная связь I
р Причинная связь, |
'идентичная связи I,
Символ
«Перенос в»
Рис 16 16 Пример использования символа переноса
получаем логический знак «Один из двух», т е простой знак ИЛИ
с двумя входами Если событие в домике исключается из
рассмотрения, получаем простой логический знак И
В последней строке табл 16 8 помещены два треугольных
символа треугольник «переноса из» и треугольник «переноса в»,
обозначающих два типа причинных взаимосвязей Обоим
треугольникам присвоен одинаковый порядковый номер Треугольник
«переноса из» соединяется с логическим знаком сбоку, а при треугольнике
«переноса в» линия связи проходит от вершины к другому
логическому знаку Треугольники используются для того, чтобы упростить
изображение дерева отказов (рис 16 16)
Имеется два подхода при анализе причинных связей 1) прямой
анализ, 2) обратный анализ Прямой анализ начинается с
определения перечня отказов и развивается в прямом направлении с
определением последствий этих событий Обратный анализ начинается
с отыскания опасного состояния системы, от которого в обратном
направлении прослеживаются возможные причины возникновения
этого состояния
Прямой подход можно рекомендовать при построении дерева
событий, проведении анализа видов отказов и последствий, анализа
критичности, предварительного анализа опасностей Обратный
подход характерен для анализа с помощью дерева отказов Чтобы
решать задачу анализа риска и надежности целесообразно
комбинированное использование обоих подходов Обратный подход, т е
анализ с помощью дерева отказов, используется для определения
причинных связей, ведущих к данному опасному состоянию
системы, которое становится конечным событием дерева отказов Данное
конкретное конечное событие является лишь одним из многих
возможных опасных состояний системы, представляющих интерес для
518 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
/ Опасные ^\
/ ситуации ^ч
/ в системе \
/ / Возмущения\
/ / *у~ ^в окружающей
' / /\ >ч среде
Взаимосвя-"г» *^\
занные ( Элемент I
элементы \^ "—у—
^К I Старение
\/ \ Старение /
V^ Персонал \ /
\ предприятия \ /
Рис 16 17 Воздействия и взаимосвязи элементов
анализа. Дерево отказов само по себе не выявляет возможных
опасных событий в системе. Большие системы могут иметь много самых
различных конечных событий и соответствующих им деревьев
отказов.
При выполнении прямого анализа составляются
соответствующие сценарии, оканчивающиеся опасными состояниями системы.
Информация, которая должна быть собрана и обработана для
написания хорошего сценария, состоит из сведений по взаимосвязи
элементов и топографии системы, а также включает данные по отказам
элементов и другим детальным характеристикам системы. Эти
сведения оказываются полезными и для построения деревьев отказов.
Обычно система состоит из таких элементов, как единицы
оборудования, материалы, персонал предприятия (причем
необязательно, чтобы эти элементы были самыми мелкими в системе; они могут
быть блоками или целыми подсистемами), которые находятся в
определенной окружающей и социальной среде и подвержены
старению. Опасные состояния вызываются одним или несколькими
элементами, приводящими к отказам в системе. Окружающая среда,
персонал и старение могут влиять на систему только через ее
элементы (рис. 16.17).
Каждый элемент системы связан с другими элементами
специфическим образом, а идентичные элементы могут иметь различные
характеристики в различных системах. Поэтому необходимо
уточнять взаимосвязи и топографию системы. Взаимосвязи и
топографию определяют, например, путем изучения системы трубопроводов
данного предприятия, электрических схем, механических
соединений, потоков информации, а также физического расположения эле-
Глава 16 Анализ риска
519
ментов. Эти связи можно представить в виде различных схем
системы. Технические описания системы и карты логических переходов
также оказываются полезными при анализе. Например,
гидравлический удар, который вызывается быстрым закрытием клапана и
который в свою очередь приводит к потере герметичности фланцевого
соединения, выявляют при изучении схемы трубопроводов.
Взаимовлияние двух близко расположенных емкостей возможно в случае
пожара. Возможные изменения состояния элементов системы,
возникающие в результате других причин, следует также включать в
технические описания или в карты логических переходов.
Отказы элементов являются основополагающими данными при
анализе причинных связей. Отказы классифицируются на
первичные отказы, вторичные отказы и ошибочные команды. Первичный
отказ элемента определяют как нерабочее состояние этого
элемента, причиной которого является он сам, и необходимо выполнить
ремонтные работы для возвращения элемента в рабочее состояние.
Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значения
которых находятся в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а
отказы объясняются естественным старением элементов.
Вторичный отказ элемента такой же, как первичный, за
исключением того, что сам элемент не является причиной отказа.
Вторичные отказы объясняются воздействием предыдущих или текущих
избыточных напряжений на элементы. Амплитуда, частота,
продолжительность действия этих напряжений могут выходить за пределы
допусков или иметь обратную полярность и вызываются различными
источниками энергии: термической, механической, электрической,
химической, магнитной, радиоактивной и т.п. Эти напряжения
вызываются соседними элементами или окружающей средой,
например метеорологическими и геологическими условиями, а также
воздействием со стороны других технических систем. Люди, например
операторы и контролеры, также являются возможными источниками
вторичных отказов, если их действия приводят к выходу элементов
из строя. Примерами вторичных отказов служит срабатывание
предохранителя от повышенного электрического тока, повреждение
емкостей для хранения при землетрясении. Следует отметить, что
устранение источников повышенных напряжений не гарантирует
возвращения элемента в рабочее состояние, так как предыдущая
перегрузка могла вызвать необратимое повреждение в элементе,
требующее в этом случае ремонта.
Когда точный вид первичного или вторичного отказа определен
и данные по этому отказу получены, события с первичными и вто-
520 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
/ ? /
/ // /
/ $ $i/
/ / / ///
А \ \ /
„ ^^\
¦% Х^ о \
/ JL \ \ \ \ ?* \
/ Отказ \ \ 1 %
1 элемента 1 "V, 1 * 1 1
Ошибочные \/ / о .? /
команды (3) у\ / ? ? /
Самопроизвольные сигналы
управления и помехи
^
Л?х /Окружающая u4 q#
среда(3 - 2)
Рис 16 18 Характеристики отказов элементов
ричными отказами оказываются одинаковыми. Такие события
рассматриваются как исходные отказы, которые в дереве отказов
помещаются в круги.
Ошибочные команды представляются в виде элемента,
находящегося в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала
управления или помехи, при этом часто не требуется ремонт для
возвращения данного элемента в рабочее состояние. Самопроизвольные
сигналы управления или помехи часто не оставляют последствий
(повреждений), и в последующих нормальных режимах элементы
работают в соответствии с заданными требованиями. Типичными
примерами ошибочных команд являются: напряжение приложено
самопроизвольно к обмотке реле, переключатель случайно не
разомкнулся из-за помех, помехи на входе контрольного прибора в
системе безопасности вызвали ложный сигнал на остановку, оператор
не нажал аварийную кнопку (ошибочная команда от аварийной
кнопки).
Как показано во внутреннем кольце, расположенном вокруг
«отказа элементов^ (рис 16.18), отказы могут возникнуть в результате:
первичных отказов (/), вторичных отказов (2); ошибочных команд
Глава 16 Анализ риска
521
(3). Все эти отказы могут иметь различные причины, приведенные
в наружном кольце рисунка.
На начальной стадии анализа должны рассматриваться только
главные, наиболее вероятные или критичные события. Для
определения этих событий можно использовать анализ критичности. По
мере продвижения аналитической работы можно включать все более
редкие или менее вероятные события или предпочесть не принимать
их в расчет.
В принципе, окружающие условия — это весь мир, в котором
находится данная система. Таким образом, чтобы не отклоняться от
намеченной цели, необходимо установить разумные пределы
влияния окружающей среды при проведении.исследования с помощью
дерева событий или дерева отказов (анализа последствий),
поскольку эти два подхода предусматривают детальную разработку
развития начальных аварийных событий в системе и окружающей ее
среде.
При анализе системы требуется тщательно установить
начальное состояние элементов. Все элементы, которые имеют более
одного рабочего состояния, создают различные начальные условия
Необходимо также точно установить рабочий отрезок времени:
например, условия при пуске и остановке могут создавать опасные
условия, отличающиеся от опасных условий при установившихся
режимах работы.
Когда достаточное количество информации о системе собрано,
можно составить описания вариантов развития процесса
(сценариев) и определить конечные события. Затем устанавливают
причинные взаимосвязи, ведущие к каждому конечному событию, при
помощи дерева отказов.
16.8. Пример построения дерева отказов
В качестве примера построения дерева отказов рассматривается
конечное событие «отказ запуска электродвигателя» для системы,
представленной на рис. 16.19. Четкое определение конечного
события необходимо, даже если событие описано на дереве отказов в
сокращенной форме. В данном случае полным конечным событием
является «отказ запуска электродвигателя при включении
переключателя в заданный момент времени t»
Классификация отказов элементов полезна при построении
дерева отказов, показанного на рис. 16.20 Конечное событие «отказ
запуска электродвигателя» может быть вызвано тремя причинами.
522 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Рис. 16.19. Электрическая схема системы
/ — генератор; 2 — переключатель; 3 — электродвигатель; 4 — кабель; 5 —
предохранитель
первичным отказом электродвигателя; вторичным отказом;
ошибочной командой.
Первичные отказы — это отказы самого электродвигателя,
который соответствует техническим условиям, возникающие в
результате естественного старения. Вторичные отказы — отказы,
возникающие из-за причин, которые лежат за пределами, заданными
техническими условиями, таких, как: а) переработка (например,
переключатель остался включенным после предыдущей работы, что
вызвало перегрев обмоток электродвигателя, приведший в свою
очередь к короткому замыканию или обрыву цепи); б) изменение
условий работы (вибрации, термические нагрузки и т.д.); в)
неправильное обслуживание (например, некондиционная смазка подшипников
электродвигателя). Ошибочные команды вызываются
самопроизвольными управляющими сигналами или помехами. В нашем случае
этот отказ заключается в «отсутствии напряжения на
электродвигателе».
Первичные и вторичные отказы вызываются причинами, приве-,
денными в наружном кольце на рис. 16.18. Элемент может быть в
нерабочем состоянии в момент t, если предыдущие возмущения
вывели элемент из строя и он не был отремонтирован. Возмущения
могли возникнуть в любое время до момента t. Однако процесс во
времени не рассматривается. Таким образом, первичный или
вторичный отказы в момент t являются конечными событиями, и более
детальный анализ не проводится. Другими словами, дерево отказов
является мгновенным «снимком» системы в момент времени t.
Возмущения являются факторами, управляющими переходом из
исправного состояния элемента в нарушенное. Точнее говоря, эти
возмущения определяют вероятность перехода элементов из одного
Глава 16. Анализ риска
523
Рис. 16.20. Дерево отказов для системы, приведенной на рис. 16.19
состояния в другое. Первичное событие, отображенное кругом,
является исходным событием, для которого имеются детальные данные
по отказу. Вторичное событие является не полностью разработан-
524 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ным, поэтому оно отображается ромбом Количественные
характеристики вторичных отказов следует оценивать соответствующими
подходящими методами, после чего они также становятся
исходными событиями
Ошибочная команда «нет напряжения на электродвигателе»
возникает при отказе соседних элементов На рис 16 19 имеется
событие «нет тока в цепи» Возможна более детальная разработка этого
события, котброе в итоге приводит к событию «нет тока через
предохранитель» Имеется первичный отказ предохранителя — «обрыв
предохранителя из-за естественного старения» и вторичный
отказ — «предохранитель размыкается избыточным током» Можно
ввести ошибочную команду «нет напряжения на предохранителе»,
которая относится к причине 3 Однако все элементы были рассмот
рены ранее и не было обнаружено отказов, вызывающих событие
«нет напряжения на предохранителе» Таким образом, можно не
учитывать данную ошибочную команду В результате дерево
отказов построено полностью
Вторичный отказ предохранителя может быть вызван
избыточным током, протекающим в данный момент или перед этим и
возникающим в результате отказа соседних элементов Избыточный ток
в любое время до момента t может повредить предохранитель
Однако нельзя ввести событие «избыточный ток возник до момента t»,
так как тогда нужно рассматривать неопределенное число моментов
в прошлом Но можно ввести событие «избыточный ток в данный
момент t»
Если предполагается, что вероятность события «генератор не
вышел из строя» очень велика, например, 0,9999, то такие события
называются «событиями с очень большой вероятностью» и ими
можно пренебречь на входе в логический знак И (или в знак
«Запрет»), существенно не изменяя вероятности конечного события
Только при очень детальном анализе «события с очень большой ве
роятностью» сохраняются в дереве отказов На рис 16 21
представлен вариант дерева отказов Конечным событием в этом варианте
является «избыточный ток через предохранитель» Данное дерево
отказов можно использовать при количественных оценках
специальными методами, для того чтобы определить частоту возникновения
избыточного тока в данный момент времени t Эта информация в
свою очередь применяется для количественных оценок вторичных
отказов предохранителя и, в конце концов, для подсчета вероятное
ти появления события «нет запуска электродвигателя» Существуют
упрощенные методы анализа для событий, обусловленных причина-
Глава 16 Анализ риска
525
Избыточный ток
через предохранитель
Избыточный ток
через переключатель
Избыточное напряжение
на переключателе
Избыточный ток по кабелю
Избыточный ток по кабелю
Генератор подает
избыточное напряжение
Рис 16 21 Дерево отказов с конечным событием «избыточный ток
через предохранитель»
ми /, 2 и 3 (см рис 16 18) с очень большой и с очень малой
вероятностями появления
Ниже приводятся семь основных эвристических правил,
используемых для построения дерева отказов
1) заменять общий сценарий события более детализированным,
например сценарий «электродвигатель работает слишком долго» за
меняется сценарием «ток через электродвигатель протекает
слишком долго»,
2) разделять события на более элементарные, например событие
«разрыв стержня КЗ-клетки» заменяется событием «разрыв стержня
из-за смещения листа пакета»,
3) точно определять причины событий, например «повышение
температуры обмотки ротора из-за выхода из строя вентилятора»,
526 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Отказ элемента
{событие «состояние элемента»)
Рис 16 22 Разработка отказа элемента (событие «состояние элемента»)
Избыточный ток
через предохранитель
Рис 16 23 Дерево отказов, получаемое при пренебрежении событием с очень
большой вероятностью (генератор не вышел из строя)
4) связывать инициирующие события с событием типа
«отсутствие защитных действий», например событие «перегрев» заменяется
событием «отсутствие охлаждения» в сочетании с событием «нет
выключения системы»;
5) отыскивать совместно действующие причины событий,
например событие «пожар» заменяется двумя событиями «перегрев
обмотки» и «искрение коллектора»;
6) точно указывать место отказа элемента, например событие
«нет напряжения на электродвигателе» заменяется событием «нет
тока в сети питания»,
7) детально разрабатывать отказы элементов в соответствии со
схемой, приведенной на рис. 16.22.
Прослеживая события в обратном направлении в поисках более
элементарных событий, обычно можно обнаружить отказы
отдельных элементов. Эти события в свою очередь опять могут быть
разработаны по схеме, показанной на рис. 16.22.
Глава 16 Анализ риска
527
Если не включать в рассмотрение события с очень большой
вероятностью, то дерево отказов с конечным событием «избыточный
ток предохранителя» примет вид, представленный на рис. 16 23.
Если событие, заключенное в прямоугольнике, может быть
детально разработано по схеме, показанной на рис. 16.22, то такое
событие называется событием «состояние системы». Для события
«состояние системы» нельзя выделить определенный элемент,
который является единственной причиной данного события Сразу
несколько элементов или даже отдельные подсистемы определяют
событие «состояние системы». Эти события следует разрабатывать,
руководствуясь первыми шестью правилами, приведенными выше,
до тех пор, пока не выявятся события «состояние системы». События
типа «состояние элемента» в конечном итоге вызываются
следующими причинами: / — первичные отказы; 2 — вторичные отказы;
3 — ошибочные команды. Если первичные и вторичные отказы не
разрабатываются более детально, их превращают в элементарные
(исходные) события при построении дерева отказов.
Ошибочные команды являются обычно событиями «состояние
системы», которые следует разрабатывать детальнее, пока не будут
найдены соответствующие им события типа «состояние элемента».
Результирующие события «состояние элемента» в свою очередь
снова детализируют по схеме, приведенной на рис. 16 22. Процедуру
повторяют и завершают разработку, когда уже нет возможности
отыскать новые ошибочные команды.
Сложное конечное событие следует определить с помощью так
называемой вершины дерева. Вершина дерева состоит из: конечного
события; дополнительных нежелательных событий, в том числе
потенциальных аварий, опасных состояний, которые являются
непосредственными причинами конечного события. Конечное событие и
дополнительные события должны быть тщательно определены, и все
важнейшие причины конечного события выявлены. Первые пять
эвристических правил также оказываются полезными при построении
вершины дерева.
Вместе с эвристическими правилами обычно используются
некоторые практические соображения.
• если «нормальное» функционирование элемента помогает
составить последовательности отказов, следует это сделать, т.е
предположить, что данный элемент функционирует нормально1;
1 Это эквивалентно исключению из дерева отказов событий с очень высокой
вероятностью.
528 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Новое конечное событие
для отказа системы
Дерево отказов
для опасного
состояния 1
Дерево отказов
для опасного
состояния 2
Дерево отказов
для опасного
состояния п
Рис 16 24 Конфигурация из деревьев отказов для опасных состояний
• следует составлять полное детальное описание отказов;
• следует избегать прямых связей междулогическими знаками
и продумывать различные локальные ситуации;
• целесообразно использовать полный набор входов в
логический знак,
• следует включать примечания на полях дерева отказов с
объяснением принятых предположений, недостаточно ясных из
названия отказов;
• рекомендуется повторять названия отказов по обеим
сторонам символов перехода.
16.9. Количественные аспекты анализа систем
Отказ системы можно описать с помощью комбинаций
конечных событий, объединенных в дерево отказов всех опасных
состояний системы посредством логического знака ИЛИ (рис. 16.24).
При этом подразумевается, что система функционирует. Однако
появление конечного состояния (события) не всегда означает
возникновение соответствующего опасного состояния системы, хотя оно и
подразумевает возможность возникновения отказа в системе.
Можно определить вероятностные параметры,
характеризующие систему в целом. Их интерпретация зависит от того, относится
ли конечное событие к отдельному отказу системы или к сочетанию
всех отказов системы, объединенных логическим знаком ИЛИ.
Рассмотрим эти вероятностные параметры.
Коэффициент готовности системы As(t) — вероятность того, что
конечное событие не произойдет в момент времени t, т.е.
коэффициент готовности системы As(t) — это вероятность успешного
функционирования системы, когда конечное событие относится к соче-
Глава 16. Анализ риска
529
танию всех опасных состояний системы, объединенных логическим
знаком ИЛИ. Это есть вероятность того, что одиночного опасного
состояния не возникнет, если конечное событие является отдельным
опасным состоянием системы.
Коэффициент простоя системы Qs(t) — вероятность того, что
конечное событие существует в момент времени t. Это есть
вероятность отказа системы или вероятность отдельного опасного
состояния системы в момент времени t, зависящего от определения
конечного события. Коэффициент простоя является дополнением
коэффициента готовности, поэтому справедливо равенство
As(t) +Qs(t)= I. (16.65)
Показатель надежности" системы Rs(t) — вероятность того, что
конечное событие не случится в интервале времени [0; t].
Показатель надежности системы Rs(t) требует непрерывного непоявления
конечного события и отличается от коэффициента готовности
системы As(t). Поэтому справедливо неравенство
Rs(t) < As(t). (16.66)
Показатель надежности часто используется для определения
катастрофических или невосстанавливаемых отказов.
Показатель ненадежности системы Fs(t) — вероятность того,
что конечное событие случится до момента времени t. Этот
показатель является дополнением показателя надежности. В этом случае
справедливо следующее равенство:
Rs(t) + Fs(t)=l. (16.67)
Значение показателя надежности системы Fs(t) больше
значения коэффициента простоя системы или равно ему:
Fs(t) > Qs(t). (16.68)
Плотность распределения отказа системы fs(t) — первая
производная от распределения отказа системы Fs(t):
fs{t) = dFs(t)/dt, (16.69)
где fs(t)dt — вероятность того, что конечное событие случится в
интервале [t, t + dt] при условии, что оно не произойдет раньше
момента t.
Условная интенсивность отказов системы Xs(t), или вероятность
того, что конечное событие произойдет за единицу времени в момент
t при условии, что оно не существует в момент t. Большое значение
Xs(t) означает, что система вот-вот выйдет из строя.
530 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Безусловная интенсивность отказов системы ws(t), или
вероятность того, что конечное событие происходит в интервале времени
U, t + dt].
Предполагаемое число конечных событий в интервале времени
[t, t + dt\ - Ws(t, t + dt). Если под Ws(t, t + dt) понимается
ожидаемое число отказов в интервале [t, t + dt] при условии, что
элемент мгновенно перешел в исправное состояние в начальный
момент, правомочно выражение
Ws(t, t + dt) = ws(t)dt. (16.70)
Предполагаемое число конечных событий в интервале [tb t2] —
Ws(th t2). Оно определяется интегрированием безусловной
интенсивности отказа ws(t):
Ws{t{,t2) = \ws{t)dt. (16.71)
'¦
Средняя наработка до первого отказа СНД05 — ожидаемый
интервал времени до конечного события Значение СНД05 аналогично
средней продолжительности жизни человека и удобно для
предсказаний катастрофических опасностей в системе
СНД05 = jtfs(t)dt. (16.72)
о
В практике преимущественно используются коэффициент
готовности и коэффициент простоя. Показатели надежности и
ненадежности количественно также могут быть оценены (по выражениям из
теории надежности) Если не указывается иначе, то все первичные
события предполагаются независимыми.
Процедура анализа включает следующие операции:
• расчеты коэффициента готовности As(t) и коэффициента
простоя Qs(t) при условии сравнительно простого дерева отказов;
• анализ методов и результатов вычислений нижней и верхней
границ коэффициента простоя для систем Qs(t).
Глава 16 Анализ риска
531
16.10. Начальные положения анализа
экологического риска
Анализ риска в комплексных медико-экологических
исследованиях имеет основной целью установление причинно-следственных
связей между антропогенным загрязнением окружающей среды и
здоровьем (заболеваемостью) населения [7].
На основе практики медико-экологических наблюдений
предложена система критериев для комплексной оценки связи загрязнений
с обнаруживаемыми эффектами [9]. Эта система учитывает:
• совпадение наблюдаемых эффектов у населения с
экспериментальными данными;
• согласованность наблюдаемых эффектов в различных группах
населения;
• правдоподобность ассоциаций (простые статистические
связи, не согласующиеся с разумным биологическим объяснением,
отвергаются);
• наличие градиентов взаимосвязи «доза-эффект»,
«время-эффект»;
• увеличение неспецифической заболеваемости среди
населения с повышенным риском (курильщики, старики, дети и др.);
• црлиморфность поражений при действии химических
веществ;
• однотипность клинической картины у пострадавших;
• подтверждение контакта путем обнаружения вещества в
биосредах или специфическими аллергологическими пробами;
• тенденция к нормализации показателей после улучшения
обстановки или устранения контакта с вредными веществами или
факторами
Обнаружение более пяти перечисленных признаков делает
связь выявляемых изменений с условиями среды вполне
вероятной, а семи — доказанной.
16.11. Алгоритм расчета риска для здоровья
в зависимости от качества окружающей среды
Поведение загрязнителей в окружающей среде обычно
обусловлено довольно сложными закономерностями, и точное
прогнозирование здесь весьма затруднительно Лишь в редких случаях
известны или легко могут быть получены точные уравнения,
определяющие их поведение. В большинстве случаев для того, чтобы предска-
532 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
зать поведение таких примесей, приходится делать упрощающие
предположения В равной степени это относится и к расчету
реальной дозы (концентрации) вредных веществ, которая действует на
человека через окружающую среду
Токсикология окружающей среды основана в значительной
степени на предположении о том, что токсичность встречающихся в
окружающей среде загрязняющих веществ с низкими уровнями
концентрации прямо пропорциональна этой концентрации
Предполагается также, что чем больше продолжительность контакта вещества
с биологическим объектом, тем больше вероятность токсических эф
фектов На основании этого делается вывод о том, что для
установления токсичности того или иного загрязняющего окружающую
среду вещества нужно знать его концентрацию (дозу), попавшую в
организм за счет дыхания, питьевой воды, пищи или другим путем,
и время его нахождения в организме
Кинетика токсичного вещества в биологических объектах часто
подчиняется закону, выражаемому экспоненциальной функций в
виде
At = At expXU - t0), (16 73)
где A, — концентрация токсичного вещества в органе или во всем
организме в момент времени t, At — концентрация токсичного
вещества в органе или во всем организме в начальный момент времени
/0, А, — постоянная выделения (выведения), связанная с «временем
половины жизни» Т соотношением
Т = Л/0,693 (16 74)
Принятая в европейских странах и США на этой основе система
расчета риска [10] предполагает использование следующего
уравнения
R = [1 - ехр(-?/Л С)], (16 75)
где R — риск возникновения неблагоприятного эффекта,
определяемый как вероятность (в долях единицы) возникновения этого
эффекта при заданных условиях, С — реальная концентрация (или
доза) вещества, оказывающая воздействие, UR — единица риска,
определяемая как фактор (коэффициент) пропорции роста риска в
зависимости от значения действующей концентрации (дозы)
Очевидно, что при применении уравнения основная трудность
будет заключаться в определении значения UR и реальной
концентрации С Для расчета значения UR можно использовать два
основных приема Первый прием основывается на данных эпидемиологи-
Глава 16 Анализ риска
533
ческого Характера о степени нарушения здоровья при определенных
дозо-временных условиях (на основе когортных исследований и
исследований «случай —¦ контроль») Второй прием использует
информацию о значениях пороговых концентраций, которые определяются
в ходе экспериментальных исследований, имеющих целью
разработку регламентов предельного содержания вредных веществ в
объектах окружающей среды
Для иллюстрации первого подхода приведем пример Допустим,
что при загрязнении атмосферного воздуха свинцом в концентрации
0,002 мг/м3 атрибутивный риск заболеваемости детей болезнями
нервной системы составляет 30% относительно тех же условий, но
при отсутствии загрязнения воздуха свинцом Иначе говоря, риск
возникновения патологии нервной системы (R) составляет 30%
(или 0,3) при концентрации свинца в воздухе С = 0,002 мг/м3
Подставляем указанные значения в уравнение (16 75)
0,3 = [1 - exp (-UR 0,002)] (16 76)
получаем, что
UR = -1п(0,7)/0,002 » 180 (16 77)
Таким образом, уравнение расчета патологии нервной системы
у детей в зависимости от уровня действующей концентрации свинца
приобретает вид
Л = [1 - ехр(-180С)1 (16 78)
При использовании второго подхода следует принять во
внимание то, что в ходе экспериментальных исследований, имеющих
целью разработку регламентов предельного содержания вредных ве
ществ в объектах окружающей среды, в качестве пороговых
концентрации принимаются минимальные из них, вызывающие эффект
токсического действия с вероятностью не менее чем 16%
Пороговые концентрации Спор связаны с максимальными
недействующими (ПДК) уравнением
ПДК = Cnop/Kv (16 79)
где К3 — коэффициент запаса, зависящий от класса опасности
вещества
В случае регламентирования содержания примесей в
атмосферном воздухе населенных мест в соответствии с методическими
указаниями [11] К3 определяется для веществ
1-го класса опасности на уровне (как минимум) 7,5,
2-го класса — на уровне 6,
534 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
3-го класса — на уровне 4,5,
4-го класса — на уровне 3.
При принятии этого допущения уравнение (16.75) приобретает
вид
( In 0,84 ) _
R = 1 - ехр
ПДК*,
(16.80)
В качестве реальной концентрации, как это принято в
рассматриваемой системе расчета риска, обычно выбирается средняя
концентрация вещества, поступающего в организм человека в течение
его жизни.
Данная система расчета риска довольно легко может быть
адаптирована к отечественным нормативам, предназначенным не только
для атмосферного воздуха, но и для других факторов окружающей
среды.
Вместе с тем современные токсикологические исследования
свидетельствуют о том, что в реальности такой показатель как UR также
является функцией концентрации, и для расчета риска более
корректным было бы использование уравнения следующего вида:
R = a- bexp(-URC), (16.81)
где о, b — коэффициенты, определяемые эмпирическим путем.
Для предупреждения развития немедленных токсических
эффектов, как известно, разрабатываются максимальные разовые
ПДК (ПДКМ ), которые предназначены для регламентирования
максимальных уровней приземных концентраций загрязняющих
веществ
Оценка загрязнения осуществляется в соответствии с
кратностью превышения ПДК, которое определяется по уравнению
Л-=СМ/ПДК, (16 82)
где См — максимальная концентрация вещества в приземном слое
атмосферы, которая в 95—98% случаев будет на уровне или ниже
расчетной концентрации.
При присутствии в атмосферном воздухе веществ, обладающих
эффектом суммации биологического действия, рассчитывается
приведенная к одному из суммирующихся веществ концентрация Спр по
формуле
ПДК, ПДК,
с"р = с' + с*гш;+-- + с"пдк;- (1683)
Глава 16 Анализ риска
535
Оценка степени загрязнения атмосферного воздуха для
комбинации веществ, входящих в смесь, ведется по приведенной
концентрации. Рекомендуется приводить сумму таких веществ к веществу,
обладающему менее благоприятным классом опасности.
В соответствии с [11]
ПДКир = ?С16/Я3. (16.84)
где ?С16 — концентрация вещества, принятая за пороговую при
однократном воздействии и вызывающая токсический
(рефлекторный, раздражающий и др.) эффект с вероятностью 16%; К3 —
коэффициент запаса, определяемый в соответствии с углом наклона
графика зависимости «концентрация — эффект» (Ра), который на
логарифмически-пробитной сетке аппроксимируется прямой.
Значения К3 и тангенс угла наклона графика служат основанием
для отнесения рассматриваемого вещества к одному из четырех
классов опасности. В табл. 16.9 представлены значения указанных
параметров в соответствии с классом опасности.
Таблица 16 9
Класс опасности
1
2
3
4
к3
5,0
4,0
2,3
1,5
Ра, град
От 71 и выше
От 62 и выше
От 43 и выше
До 43
Уравнение линейной зависимости
Y = а + ЬХ, (16.85)
в данном случае может быть представлено уравнением
РгоЬ = \g(EC0) + tgoc • lgC, (16 86)
где РгоЬ — вероятность эффекта (Я), выраженная в пробитах, в
соответствии с уравнением нормального вероятностного
распределения:
р .
rob
Я = -к=/ехр(-j)df, (16.87)
где С — концентрация вещества; ЕС0 — концентрация вещества
с эффектом действия, принятым за 0.
Учитывая, что в практике при медико-экологической оценке, как
правило, пользуются не столько значением С, мг/м3, сколько крат-
536 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ностью превышения ПДК, т.е. С/ПДК, то К3 можно рассматривать
как кратность превышения ПДК с вероятностью эффекта 16%
К3 = ?С16/ПДКмр.
Вероятности эффекта 16% соответствует
rob
-1
согласно уравнению (16.86), следовательно,
-lg(?C0) = 1 + tgalgtf3- (16.88)
При этом следует учесть, что применяемая для определения
ПДКмр логарифмически-пробитная -сетка имеет соотношение сторон
1:4, следовательно, углы наклона графика концентрация — эффект
должны быть пересчитаны с целью последующего корректного
использования уравнения (16.86), что показано в табл. 16.10.
Таблица 16 10
Соотношения сторон лога-
рифмически-пробитной сетки
1 4
1 1
Углы наклона графика концентрация — эффект
30
67
43
75
62
82
71
85
Таким образом, вероятность токсического воздействия вещества
при оценке кратности превышения ПДКмр в соответствии с классом
опасности может определяться по следующим уравнениям
1-й класс: РгоЬ = -9,15 + 11,66 1е(С/ПДКмр);
2-й класс: РгоЬ = -5,51 + 7,49 lg (С/ПДКвр);
(16.89)
(16.90)
(16.91)
(16.92)
3-й класс: РгоЬ = -2,35 + 3,73 lg (С/ПДКмр);
4-й класс: РгоЬ = -1,41 + 2,33 ^(С/ПДКмр).
При этом пересчет РгоЬ в R (риск) может быть осуществлен в
соответствии с уравнением (16.87).
Для расчета эффектов, связанных с длительным (хроническим)
воздействием веществ, используется информация об их
среднегодовых концентрациях.
Степень загрязнения воздуха рассчитывается с учетом
кратности превышения среднегодового ПДК вещества (см. приложение в
конце гл. 17). В соответствии с [7] среднегодовые значения ПДКГ
выражаются через значение среднесуточного ПДКСС по
соотношению
ПДКГ = а • ПДКСС. (16.93)
Значение коэффициента а для различных веществ приведены в
табл. 16.11.
Глава 16 Анализ риска
537
Вещество
Аммиак, азота оксид, азота диоксид, бензол, бензапирен,
марганца диоксид, озон, серы диоксид, сероуглерод, синтетические
жирные кислоты, фенол, формальдегид, хлоропрен
Трихлорэтилен
Амины, анилин, взвешенные вещества (пыль), углерода оксид,
хлор
Сажа, серная кислота, фосфорный ангидрид, фториды (твердые)
Ацетальдегид, ацетон, диэтиламин, толуол, фтористый водород,
хлористый водород, этилбензол
Акролеин
Таблица 16 11
Коэффициент а
1
0,4
0,34
0,3
0,2
0,1
Для расчета вероятного времени наступления токсических
эффектов от накопленной суммарной дозы при оценке кратности
превышения ПДКГ можно воспользоваться следующим уравнением:
lg7- = lgr0-lg
( Cb
пдкг
(16.94)
где Т — вероятное время наступления токсического эффекта; Т0 —
расчетное время гарантированного (р < 0,05) отсутствия
токсического эффекта, на которое разрабатывается норматив. При выборе
этого показателя следует учесть, что длительность круглосуточной
экспозиции экспериментальных животных при проведении
исследований по регламентированию вредных веществ в атмосферном
боздухе населенных мест обычно составляет 3—4 месяца, или 10—
15% времени жизни лабораторных животных. Оценка токсикоки-
нетики большей части регламентированных химических соединений
и сравнительной физиологии дыхательных систем человека и
лабораторных животных показывает, что в медико-экологических
исследованиях этот период должен быть определен как 25 лет (около
10 000 сут); С — осредненная концентрация вещества в
атмосферном воздухе населенных мест за оцениваемый период; ПДКГ —
гигиенический регламент; b — коэффициент, учитывающий
особенности токсикологических свойств вещества, который может
содержаться в материалах экспериментального обоснования норматива
или, в случае недоступности последних, определяться в
соответствии с классом опасности (в табл. 16.12 приведены значения
рекомендуемых коэффициентов b в зависимости от экспозиции
загрязнения [13]).
538 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Таблица 16 12
Период
осреднения
20-30 мин
24 ч
1 мес
1 год
Значения коэффициента Ь при классе опасности
1
1,36
1,37
1,56
2,35
2
1,08
1,11
1,16
1,28
3
1,00
1,00
1,00
1,00
4
0,95
0,93
0,91
0,87
Экстраполяция значений коэффициента Ь на расчетный срок
(25 лет) позволяет предложить следующие его значения для
использования в уравнении (16.94): 1-й класс — 2,40; 2-й класс — 1,31;
3-й класс — 1,00; 4-й класс — 0,86. Кроме того, независимо от
класса опасности при концентрации меньше ПДК b - 1,00.
16.12. Расчет риска токсических эффектов в результате
хронического воздействия загрязнения атмосферы
Расчет риска токсических эффектов в результате хронического
воздействия загрязнений атмосферы может основываться на том
положении, что если максимальная недействующая концентрация (т.е.
ПДК) гарантирует (р < 0,05) отсутствие токсического эффекта на
протяжении как минимум жизни человека, то минимально
действующая (т.е. пороговая концентрация) гарантирует (р < 0,05) его
появление.
Другими словами, хроническое воздействие загрязнителя в
течение жизни человека в концентрации на уровне ПДК может
вызвать токсический эффект с вероятностью не выше 5%, в то время
как воздействие на уровне пороговой концентрации — с
вероятностью не менее 95%. В этом случае уравнение (16.94) может быть
представлено в следующих вариантах:
lg7,5 = 4-lgfi^-l; (16.95)
lgr95 = 4-lg
ПДКГ
С»
пдкг
к.
(16,96)
где Г5 — время, необходимое для начала развития эффектов
хронической интоксикации с вероятностью 5%; Т95 — время,
необходимое для начала развития эффектов хронической интоксикации с
вероятностью 95%.
Глава 16 Анализ риска
539
Для практического применения предлагается следующее
уравнения расчета риска-
р 3.3(lg795-lg7-5)
ИгоЬ ~ 2 Х
2((lg7-95)2 + (lgr5)2) -(lg7-95 + lg7-5)2
x(lg7-,-'g7'952"lgr5). (16.97)
где Tl — время жизни человека при заданных условиях, а величина
РгоЬ связана с риском в соответствии с уравнением (16.87).
При выборе Тх следует учесть, что в медико-экологических
исследованиях среднее время жизни человека принимается на
уровне 70 лет, или 25 000 суток. При использовании иных
временных интервалов это значение должно уточняться в соответствии
с конкретными условиями.
Учет вероятных симптомов проявления токсического действия
или поражаемых органов и систем обычно осуществляется с
применением данных литературы о токсическом действии тех или иных
веществ, полученных в экспериментальных или натурных условиях
В ряде случаев эти данные организуются в экспертные системы,
базы данных или табличные материалы. Однако, как показывает
практика медико-экологических исследований, на уровне малых
концентраций токсическое действие веществ проявляется, как правило,
в виде неспецифических эффектов и увеличении уровня общей
заболеваемости.
Оценка комбинированного воздействия нескольких примесей
основана на расчете суммарных показателей [14]. При определении
суммарных показателей (индексов загрязнения) используется
принцип изоэффективности, т.е. кратности превышения ПДК каждого
вещества сначала приводятся к 3-му классу опасности, а затем
рассчитывается индекс загрязнения. При этом можно отметить, что
получаемый таким образом индекс загрязнения представляет собой
кратность превышения ПДК условного вещества 3-го класса
опасности, токсический эффект которого равен сумме токсических
эффектов всех веществ, входящих в смесь. Следовательно, для оценки
риска при комбинированном воздействии нескольких веществ
целесообразно сначала рассчитать суммарный индекс загрязнения [13,
14], а затем, используя вышеуказанные подходы, провести оценку
риска.
540 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
ЛИТЕРАТУРА
1. Беляев Л.С. Решение сложных оптимизационных задач в условиях
неопределенности. Новосибирск: Наука, 1978.
2. Wald A. Statistical decision [unctions. N.Y: J. Wiley & Co., 1950
3. Savage L.J. The theory of statistical decision / / J of the American Statistic
Association. 1951. Vol. 46. P. 55—67.
4. Hodges J.L., Lehman E.L. The use of previous experience in reaching
statistical decision // Ann. Math. Statistics. 1952. Vol 23. P. 396—407
5. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М: Наука,
1971.
6. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Финансы
и статистика, 1986. Кн. 1 и 2
7. Киселев А.В., Савватеева Л.А. Методические рекомендации по оценке
здоровья населения от загрязнения атмосферного воздуха. СПб.: Дейта, 1995.
8. Козелецкий Ю. Психологическая теория решений М.: Прогресс, 1979.
9. Барышников И.И., Мусийчук Ю.И. Здоровье человека —
системообразующий фактор при разработке проблем экологии современных городов //
Медико-географические аспекты оценки уровня здоровья населения и
состояния окружающей среды. СПб., 1992.
10. Wark К., Warner СР. Air Pollution: Its Origin and Control, 2-nd ed N.Y.:
Harper & Row, 1981.
11. Временные методические указания по обоснованию предельно
допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
населенных мест. № 4681-88 от 15 июля 1988.
12. Пинигин М.А. Гигиенические основы оценки степени загрязнения
атмосферного воздуха // Гигиена и санитария. 1993 № 7.
13. Яничкин Л.П., Королева Н.В., Пак В.В. О применении индекса
загрязнения атмосферы // Гигиена и санитария. 1991. № 11.
14. Санитарно-гигиенические нормативы загрязняющих веществ в
атмосферном воздухе населенных мест и правила их применения. К указанию
№ 875. М., 1990.
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 541
Гл а в а 17
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ
АТМОСФЕРЫ
17.1. Классификация пылеулавливающего оборудования
Прежде чем приступить к очистке воздушной и газовой сред,
загрязненных пылью, необходимо провести анализ свойств и
характеристик пылей. Известно, что по дисперсности пыли делятся на
пять групп:
I — очень крупнодисперсная пыль с диаметром частиц <f50 >
> 140 мкм;
II — крупнодисперсная пыль, d50 = 40... 140 мкм;
III — среднедисперсная пыль, <f50 = 10...40 мкм;
IV — мелкодисперсная пыль, d50 - 1...10 мкм;
V — очень мелкодисперсная пыль, d50 < 1мкм.
Показатель дисперсности пыли, как и ее плотность, играют
важную роль при выборе средств и устройств пылеулавливания.
Частицы пыли в зависимости от их физико-химических
характеристик имеют различную плотность: истинную, кажущуюся и
насыпную. Кажущаяся плотность частиц пыли определяется
отношением ее массы к объему, например для сплошных (непористых)
частиц значение кажущейся плотности равно значению истинной
плотности. Понятие насыпной плотности введено для определения
объема пыли в бункерах. Эта плотность для слоя пыли равна отношению
массы слоя к его объему и зависит от пористости частиц и от
процесса формирования слоя пыли. С течением времени насыпная
плотность слоя пыли меняется, например насыпная плотность
слежавшейся пыли в 1,5—3 раза выше, чем у свеженасыпанной.
Не менее важным свойством при выборе методов очистки воздуха
от пыли является слипаемость частиц, так как чем выше
склонность пыли к слипаемости, тем больше вероятность налипания пыли
на элементах газоходов и забивания отдельных деталей и узлов
пылеуловителей. Слипаемость пыли увеличивается при ее увлажнении.
Следует отметить, что пыли I группы дисперсности относятся к
слабослипающимся, II и III групп — к среднеслипающимся, а IV и
V групп — к слипающимся. При увлажнении различные пыли
обладают разной способностью слипаемости, поэтому возникает
необходимость в определении смачиваемости частиц пыли жидкостью.
542 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Электрофильтры
Циклоны
Пылеосадочные камеры
А
/Г^
/V
Вихревые циклоны
/
^
Сухой способ
• t
Пылеулавливающее
оборудование
*
Мокрый способ
Скрубберы Вентури
V
Пенные аппараты и др
Жалюзийный и ротационный
пылеуловители
т
Форсуночные скрубберы
Рис 17 1 Классификация пылеулавливающего оборудования
Это особенно важно при выборе режимов работы мокрых
пылеуловителей. В ряде случаев необходимо учитывать электрическую за-
ряженность частиц, которая влияет на их поведение в
пылеуловителях и газоходах.
В зависимости от особенностей отделения твердых частиц от
газовой фазы все пылеулавливающее оборудование делится на классы
(рис. 17.1) [1, 21.
Очистку воздуха от твердых и жидких примесей можно
производить с помощью вентиляционных аспирационных систем,
параметры которых даны в табл. 17.1.
Наиболее распространенными установками сухого
пылеулавливания являются циклоны (рис. 17.2) [3]. Например, они
используются для улавливания золы, образующейся при сжигании топлива
в котлах тепловых станций. В циклонах осаждение сухой золы
происходит вследствие закрутки под действием центробежного
эффекта. При вводе через тангенциальный патрубок / или закручивающие
лопатки 6 частицы отжимаются к внутренней стенке корпуса 3 и,
теряя скорость, выпадают в индивидуальные 4 или общие 7
бункеры-накопители (в батарейных циклонах) и далее по трубопроводам
5 отводятся в системы транспортировки золы. Очищенный газ по
трубам 2 выводится в газоходы или сборные камеры 9. Центробеж-
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 543
Таблица 17 1
Класс
вентиляционных
аспирационных
пылеуловителей
I
II
III
IV
V
Размер
улавливаемых
пылевых частиц,
мкм, более
0,3
2
4
8
20
Группа пыли
по дисперсности
V
IV
IV
III
III
II
I
I
Эффективность
пылеуловителя
0,8
0,8 0,999
0,45 0,92
0,92 0,999
0,8 0,99
0,99 0,999
0,95 0,999
0,999
0,99
ный эффект сильнее проявляется у крупных частиц. С увеличением
размера частиц и уменьшением диаметра циклона эффективность
очистки возрастает.
Очищенный газ
Рис 17 2 Циклонные золоуловители а — с тангенциальным вводом,
б — с аксиальными лепестковыми лопатками, в — батарейные
544 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Для золоулавливания используют несколько циклонов
небольшого диаметра, которые собираются в секции-батареи. Циклоны
между собой соединяются подводящими патрубками 8 и сборными
камерами 9. К недостаткам батарейных циклонов следует отнести
подверженность сильному золовому износу, особенно входных
патрубков 8 и / и расположенных в газораспределительном коробе 10
участков выходных патрубков 2 первых циклонов. Повышенный
износ этих элементов батареи приводит к возрастанию присосов,
перетока запыленного газа и снижению эффективности работы
циклонов. Кроме того, степень очистки газов в батарейных циклонах
ниже, чем в электрофильтрах и скрубберах, причем более высокая
эффективность достигается в случае более крупных размеров золы.
Поэтому батарейные циклоны обычно используются в качестве
первой ступени очистки для улавливания наиболее крупной золы.
Для нормальной работы циклона необходима герметичность
бункера. Если бункер негерметичен, то из-за подсоса наружного
воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.
Задачи по очистке газов от пыли могут успешно решаться
цилиндрическими (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими
(СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, и СДК-ЦН-33) циклонами,
разработанными Научно-исследовательским институтом по промышленной и
санитарной очистке газов (НИИОГАЗ). На рис. 17.3 приведены
конструктивные параметры этих циклонов, численные значения
которых даны в табл 17.2 и 17.3. В России для циклонов принят
следующий ряд внутренних диаметров D, мм: 200, 300, 400, 500, 600,
700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400, 3000. Все
геометрические размеры цилиндрических и конических циклонов в
таблицах приведены в долях внутреннего диаметра D.
Накопительные бункеры независимо от типа циклона имеют
цилиндрическую форму диаметром D6, равным 1,5 D для
цилиндрических и (1,1 —1,2) D для конических циклонов. При этом высота
цилиндрической части бункера составляет 0,8 О, а его днище
выполняется с углом наклона 60° между стенками. Выходное отверстие
бункера имеет диаметр 250 или 500 мм.
Для нормального функционирования избыточное давление газов,
поступающих в циклоны, не должно превышать 2500 Па. При этом
во избежание конденсации паров жидкости температура газа
выбирается на 30...50°С выше температуры точки росы, а по условиям
прочности конструкции — не выше 400°С. Как уже было отмечено
выше, увеличение диаметра циклона способствует увеличению его
производительности. С ростом угла входа пылегазовой смеси в
циклон серии ЦН эффективность очистки снижается.
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 545
Таблица 17 2
Геометрические размеры
цилиндрических циклонов
Угол наклона крыши и входного патрубка а, град
Высота входного патрубка Нв, м
Высота выхлопной трубы Нт, м
Высота цилиндрической части циклона Нп, м
Высота конуса циклона Нк, м
Общая высота циклона Н, м
Высота внешней части выхлопной трубы hB, м
Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия rfr, м
Ширина входного патрубка в циклоне
Ширина входного патрубка на входе е, м
Длина входного патрубка /, м
Высота фланца Нф„, м
Тип циклона
ЦН-15
15
0,66
1,74
2,26
2,0
4,56
—
—
—
—
—
—
ЦН-24
24
1,11
2,11
2,11
1,75
4,26
0,59
0,3-0,4
0,2
0,26
0,6
0,1
ЦН-11
11
0,48
1,56
2,06
2,0
4,38
—
—
—
—
—
—
Таблица 17.3
Геометрические размеры
конических циклонов
Высота цилиндрической части Нр и высота
заглубленной выхлопной трубы Ат, м
Высота конической части Нк, м
Внутренний диаметр выхлопной трубы d, м
Внутренний диаметр пылевыпускного
отверстия rfj, М
Ширина входного патрубка Ь, м
Высота внешней части выхлопной трубы hB, м
Высота установки фланца //4л, м
Длина входного патрубка /, м
Высота входного патрубка hn, м
Текущий радиус улитки р, м
Тип циклона
СДК-ЦН-33
0,535
3,0
0,334
0,334
0,264 ~1
0,2-0,3
0,1
0,6
0,535
С/2+Ьф/(2я)
СК-ЦН-34
0,515
2,11
0,340
0,229
0,214
0,515
0,1
0,6
0,2 0,6
D/2+b
СК-ЦН-34м
0,4
2,6
0,22
0,18
0,18
0,3
0,1
0,6
0,4
ф/я
Цилиндрические циклоны предназначены для улавливания
сухой пыли -аспирационных систем и рекомендованы к
использованию для предварительной очистки газов на входе фильтров и
электрофильтров. Циклоны ЦН-15 изготавливают из углеродистой
или низколегированной стали. Конические циклоны серии СК, пред-
18-4910
546 Часть И. Мониторинг и защита окружающей среды
Рис 17 3 Цилиндрический (а) и конический (б) циклоны
назначенные для очистки газов от сажи, обладают повышенной
эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН за счет большего
гидравлического сопротивления.
Чтобы произвести расчет циклона необходимо иметь следующие
исходные данные.
• объем очищаемого газа Q, м3/с;
• плотность газа при рабочих условиях р, кг/м3;
• вязкость при рабочей температуре ц, Па • с;
• дисперсный состав пыли d50 и \g 8n;
• входную концентрацию пыли свх, г/м3;
• плотность частиц пыли рч, кг/м3;
• требуемую эффективность очистки газа Т|.
Расчет циклонов ведут методом последовательных
приближений в следующем порядке.
1. Задавшись типом циклона, определяем оптимальную скорость
движения газа сооп в сечении циклона диаметром D с учетом данных
табл 17.4.
Таблица 174
Тип циклона
шоп
ЦН-24
4,5
ЦН-15
3,5
ЦН-11
3,5
СДК-ЦН-33
2,0
СК ЦН-34
1,7
СК-ЦН-34м
2,0
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 547
2. Рассчитываем диаметр циклона D, м, по формуле D =
= V 4Q/(mcoon). Полученное значение D следует округлять до
ближайшего типового значения внутреннего диаметра циклона. Если
расчетный диаметр циклона превышает его максимально
допустимое значение, то необходимо применять два или более параллельно
установленных циклона.
3. По диаметру циклона находят действительную скорость
движения газа в циклоне по формуле со = AQ/(nnD2), где п — число
циклонов. Действительная скорость в циклоне не должна
отклоняться от оптимальной более чем на 15%.
4. Определяем коэффициент гидравлического сопротивления
одиночного циклона L, = &1&2С500 где ^' — поправочный
коэффициент, учитывающий диаметр циклона (табл. 17.5), k2 — поправочный
коэффициент, учитывающий запыленность газа (табл. 17.6); ?5оо —
коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона
диаметром 500 мм (табл. 17.7).
5. Определяем значение гидравлического сопротивления
циклона по формуле
^p = ръх - ршх = ?pcoV2,
где р — плотность газа в расчетном сечении аппарата; со —
скорость газа в расчетном сечении аппарата.
Таблица 17 5
Тип циклона
ЦН-11
ЦН-15, ЦН-24
СДК-ЦН 33, СК-ЦН-34, СК-ЦН-34м
Значение k] для D, мм
150
0,94
0,85
1,0
200
0,95
0,90
1,0
300
0,96
0,93
1,0
450
0,99
,1,0
1,0
500
1,0
1,0
1,0
Таблица 17 6
Тип
циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-24
СДК-ЦН 33
СК-ЦН-34
СК-ЦН-34м
Значение k2 при Свх, г/м3
0
10
0,96
0,93
0,95
0,81
0,98
0,99
20
0,94
0,92
0,93
0,785
0,947
0,97
40
0,92
0,91
0,92
0,78
0,93
0,95
80
0,90
0,90
0,90
0,77
0,915
—
120
0,87
0,87
0,87
0,76
0,91
—
150
—
0,86
0,86
0,745
0,90
—
18-
548 Часть И Мониторинг и защита окружающей среды
Таблица 17 7
Тип
циклона
ЦН-11
ЦН-15
ЦН-24
Значения ^son
при выхлопе
в атмосферу
245
155
75
при выхлопе
в
гидравлическую сеть
250
163
80
Тип
циклона
СДК-ЦН-33
СК-ЦН-34
СК-ЦН-34м
Значения i^soo
при выхлопе
в атмосферу
520
1050
—
при выхлопе
в
гидравлическую сеть
600
1150
2000
6, Определяем эффективность очистки газов в циклоне по
формуле т] = 0,5 [1 + Ф(Х)], где Ф(Х) — табличная функция
параметра X:
значения d5T0 и lgST приведены в табл. 17.8.
Таблица 17.8
Тип циклона
rfT50
lg5T
ЦН-24
8,5
0,308
ЦН-15
4,5
0,352
ЦН-11
3,65
0,352
СДК-ЦН-33
2,31
0,364
СК-ЦН-34
1,95
0,308
СК-ЦН-34м
1,3
0,340
Значения d5T0, приведенные в таблице, определены по условиям
работы типового циклона, для которого справедливы следующие
значения: ?>т = 0,6 м; 5ЧТ = 1930 кг/м3; щ = 22,2- 106 Па • с;
сот = 3,5 м/с. В случае отклонений условий работы циклона от
типовых
^50 = ^50 V (D/DT) (Рчт/Рч) (Ц/Цч) (0)Т/Ш)
Определив значение X, находим параметр Ф{Х) из табл. 17.9.
Таблица 179
Значение X
Параметр Ф(Х)
Значение X
Параметр Ф(Х)
Значение X
Параметр Ф(Х)
Значение X
Параметр Ф(Х)
-2,70
-0,0035
-1,0
0,1587
0
0,5000
1,2
0,8849
-2,0
0,0228
-0,8
0,2119
0,2
0,5793
1,4
0,9192
-1,8
0,0359
-0,6
0,2743
0,4
0,6554
1,6
0,9452
-1,6
0,0548
-0,4
0,3446
0,6
0,7257
1,8
0,9641
-1,4
0,0808
-0,2
0,4207
0,8
0,7881
2,0
0,9772
-1,2
0,1151
1,0
0,8413
2,7
0,9965
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 549
Очищенный
газ
Пыль -4— I i "!¦'
3
Рис 17.4. Пылеуловитель ротационного типа
Рассчитав эффективность очистки газов г\, осуществляют выбор
циклона. При этом, если расчетное значение г) окажется меньше
значения, требуемого по условиям допустимого выброса пыли в
атмосферу, то необходимо выбрать другой тип циклона с большим
значением коэффициента гидравлического сопротивления. Для
ориентировочных расчетов можно пользоваться формулой
С,
с,
f . - V со, D
1 - 11
v
1 "\
со,, 0,'
1 -Г],
где индексы 1 и 2 соответствуют двум разным циклонам.
Среди аппаратов, предназначенных для пылеулавливания,
следует выделить аппараты центробежного действия. К этой категории
относятся пылеуловители и противопоточные пылеотделители
ротационного типа, а также вихревые пылеуловители (ВПУ).
Компоновка простейшего пылеуловителя ротационного типа
представлена на рис. 17.4. При вращении вентилятора колеса /
частицы пыли за счет центробежных сил отбрасываются к стенке спи-
ралеообразного кожуха 2 и движутся по ней в направлении
выхлопного отверстия 3. Газ, обогащенный пылью, через специальное пы-
леприемное отверстие 3 отводится в пылевой бункер, а очищенный
газ поступает в выхлопную трубу 4. Для повышения эффективности
пылеуловителей такой конструкции необходимо увеличивать
скорость очищаемого потока в специальном кожухе. Однако следует
помнить, что это ведет к резкому повышению гидравлического
сопротивления аппарата. Повысить эффективность можно
уменьшением радиуса кривизны спирали кожуха, но это снижает его произво-
550 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Очищенный
Газ газ
t
Рис 17 5 Противопоточный ротационный пылеуловитель
дительность. Достаточно высокая эффективность очистки воздуха
такими аппаратами достигается при улавливании сравнительно
крупных частиц пыли (свыше 20...40 мкм).
Пылеотделители ротационного типа (ПРП), аналогичные
устройству, представленному на рис. 17.5, являются перспективными
особенно для очистки воздуха от частиц, размер которых больше 5 мкм.
Он состоит из встроенного в кожух / полого ротора 2 с
перфорированной поверхностью и колеса вентилятора 3. Ротор и колесо
вентилятора насажены на общий вал. При работе пылеотделителя
запыленный воздух поступает внутрь кожуха В результате вращения
пылевого потока возникают центробежные силы, под действием
которых взвешенные в воздухе частицы пыли стремятся выделиться
из него в радиальном направлении. Одновременно на эти частицы
в противоположном направлении действуют силы
аэродинамического сопротивления Частицы, центробежная сила которых больше
силы аэродинамического сопротивления, отбрасываются к стенкам
кожуха и поступают в бункер 4. Очищенный воздух с помощью
вентилятора выбрасывается наружу.
Эффективность работы ПРП зависит от выбранного
соотношения центробежной и аэродинамической сил. Теоретически
этот показатель может достигать единицы Значение центробежной
силы является функцией числа оборотов и диаметра ротора.
Значение аэродинамической силы является функцией скорости
всасывания воздуха через перфорацию ротора.
Исходя из равенства центробежной силы и силы
аэродинамического сопротивления воздуха движению частиц пыли, И А. Шепеле-
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 551
вым была получена формула, позволяющая рассчитать
производительность ПРГТ
Q = 400 nftco2pnd2/(pi|v), (17.1)
где рп и рв — плотности пыли и воздуха соответственно, кг/м3;
d4 — диаметр улавливаемых частиц, м; v — коэффициент
кинематической вязкости, м2/с; со — окружная скорость, м/с;
b - idl/(8R) — приведенная ширина всасывающего отверстия
ротора пылеуловителя, м;
R
радиус отверстия ротора
личество отверстий, шт.; d0 — диаметр отверстий, м.
Диаметр минимальной улавливаемой частицы пыли
случае
м; i — ко-
1
20ю
Р„ nb '
Рп
в этом
(17.2)
Сравнение ПРП с циклонами свидетельствует о преимуществах
ротационных пылеуловителей. Так, габаритные размеры циклона в
3...4 раза, а удельные энергозатраты на очистку 1000 м2 газа на
20. .40% больше, чем у ПРП, при прочих равных условиях. Однако
широкого распространения пылеуловители ротационного действия
не получили из-за относительной сложности конструкции и
процесса эксплуатации по сравнению с другими аппаратами сухой очистки
газов от механических загрязнений.
Очищенный
газ
Ри.с. 17 6 Вихревой пылеуловитель соплового (а) и лопаточного (б) типа
552 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
В мировой практике очистки воздуха от твердых фракций
центробежным методом получили распространение ВПУ. Например, в
США, ФРГ и ряде других стран разработано несколько типов ВПУ,
имеющих диаметр корпуса от 2 до 40 м, что позволяет повысить
пропускную способность ВПУ от 20 до 315000 м3/ч.
Существуют две конструктивные разновидности ВПУ: сопловые
(рис. 17.6, а) и лопаточные (рис. 17.6, б). Запыленный газ поступает
в камеру 5 через изогнутый патрубок 4. Для предварительного
закручивания запыленного газа в камеру 5 встроен лопаточный завихри-
тель типа «розетки» 2. При движении вверх к выхлопному патрубку
6 газовый поток подвергается действию вытекающих из завихрителя
/ струй вторичного воздуха, которые придают потоку вращательное
движение. В качестве завихрителя в ВПУ соплового типа
используются наклонные сопла, а в ВПУ лопаточного типа — наклонные
лопатки. Под действием центробежных сил, возникающих при
закручивании потока, частицы пыли устремляются к его периферии,
откуда спиральными струями вторичного потока перемещаются к низу
аппарата. Безвозвратный спуск пыли в бункер обеспечивается
подпорной шайбой 3. Сравнительный анализ ВПУ соплового и лопаточного
вида показывает, что гидравлическое сопротивление ВПУ
лопаточного типа примерно на 25% меньше сопротивления ВПУ соплового
типа. При этом остаточная концентрация пыли у ВПУ лопаточного
типа в 1,75 раза ниже, чем у ВПУ соплового типа.
Следует отметить, что оптимальное количество вторичного
воздуха должно находиться в пределах 40—65% количества
очищаемого газа. К достоинствам ВПУ следует отнести то, что они
сохраняют эффективность очистки газа от пыли как при уменьшении его
расхода на 50%, так и при увеличении на 15%. Слабая
чувствительность эффективности очистки к расходу запыленного газа
объясняется тем, что процесс очистки в ВПУ зависит в основном от
параметров вторичного воздуха. Повышение давления вторичного
воздуха в ВПУ приводит к увеличению эффективности очистки
пыли, но при этом гидравлическое сопротивление и удельный расход
энергии ВПУ возрастают. Оптимальное рабочее давление
вторичного воздуха для существующих установок 2000...6000 Па.
С точки зрения эффективности технологического процесса
целесообразно в качестве вторичного потока использовать загрязненный
газ (воздух). При этом производительность установки
увеличивается на 40...65% без заметного снижения эффективности очистки.
Максимальная эффективность очистки может быть достигнута при
использовании в качестве вторичного воздуха переработанной части
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 553
потока очищенного газа. В этом случае часть слабо очищенного газа
(воздуха) с периферии потока направляется в ВПУ на доочистку.
Минимальный размер частиц, улавливаемых ВПУ, можно
рассчитать с помощью уравнения
d4min = l,2VQvpB/(//pna)2), " ' (17.3)
где Н — высота сепарационного объема, м; со — окружная скорость
вращения газа, м/с; остальные величины определены в (17.1).
Оптимальное в экономическом отношении значение
гидравлического сопротивления ВПУ достигается при номинальных расходах
запыленного газа Q и вторичного воздуха Qx. Изменение давления
газа в ВПУ, которое определяет расход энергии на очистку газа,
может быть определено по формуле
Др = -^-(01Ар1 + 02Ар2), (17.4)
где Q - Q, + Q2 — суммарный расход газа, м3/с; Ар{ — перепад
давления воздуха между входом и выходом из аппарата, Па; Ар2 —
перепад давления вторичного воздуха (перепад давления газа в
сопле и на входе в аппарат), Па.
Удельный расход энергии в существующих ВПУ составляет
примерно 0,4...1,3 кВт • ч на 1000 м3 воздуха. С увеличением габаритов
ВПУ удельный расход энергии и эффективность очистки пыли
заметно снижаются. Суммарная эффективность очистки пыли в ВПУ
практически не зависит от входной концентрации загрязнений в
диапазоне от 0 до 300 г/м3."
В ряде случаев целесообразно использовать жалюзийные пыле-
отделители, позволяющие производить разделение газового потока
на очищенный и обогащенный пылью газ (рис. 17.7). С помощью
решетки / газовый поток расходом Q разделяется на два потока
расходом Q, и <Э2. Обычно Q{ = (0,8...0,9)Q, a Q2 = (0,1...0,2)Q.
Отделение частиц пыли происходит под действием инерционных сил, воз-
Рис 17.7. Жалюзийный пылеотделитель
554 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
никающих при повороте газового потока на входе в жалюзийную
решетку, а также за счет эффекта отражения частиц от поверхности
решетки при соударении с ней. Обогащенный пылью газовый поток
после жалюзийной решетки направляется к циклону, где очищается
от частиц и вновь вводится в трубопровод за жалюзийной решеткой.
Жалюзийные пылеотделители отличаются простотой конструкции и
хорошо компонуются в газоходах, обеспечивая эффективность
очистки 0,8 и более для частиц размером более 20 мкм. Жалюзийные
пылеотделители хорошо зарекомендовали себя в системах очистки
дымовых труб от крупнодисперсной пыли при температуре
450...600°С. Методика расчета таких пылеотделителей достаточно
подробно описана в литературе [5].
17.2. Электрофильтры
В различных отраслях промышленности для очистки
газовоздушных смесей от взвешенных в них частиц пыли и тумана
используются электрофильтры. Этот метод основан на ударной
ионизации газа в зоне коронирующего разряда. При этом происходит
передача заряда ионов частицам примесей и осаждение этих частиц на
осадительных и коронирующих электродах.
Например, в теплоэнергетике широко используются
электрофильтры (рис. 17.8), работающие на принципе улавливания
заряженных золовых частиц. В металлическом корпусе 8 на расстоянии
100...150 мм расположены коронирующие 3 и осадительные 2
электроды, собранные в секции. К коронирующим электродам,
выполненным в виде прутков или узких полос с иглами, которые
изолированы от корпуса и земли, подведен отрицательный заряд
источника питания 6 высокого напряжения (20...90 кВ). У поверхности
этих электродов при подаче напряжения возникает ограниченный
на некоторую глубину коронный разряд. Этот разряд ионизирует газ
и золовые частицы. Заряженные золовые частицы перемещаются в
сторону заземленных осадительных электродов и частично к
коронирующим, осаждаясь на них. Осадительные электроды
выполнены из тонколистовых широкополосных элементов с развитой
поверхностью. Лучшей осадительной способностью обладает мелкая зола,
имеющая большую поверхность.
Периодически электроды встряхивают с помощью специальных
устройств 5 и 7, и зола осаждается в бункеры /. В момент
встряхивания часть золы, отрываясь от электродов, уносится потоком газа,
снижая степень очистки. На входе и выходе электрофильтра
располагаются направляющие лопатки и решетки 4, обеспечивающие рав-
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 555
Рис. 17.8. Электрофильтр типа УГ: а — общий вид; б — схема расположения
электродов
номерное распределение газов и золы гю отдельным секциям, что
.способствует повышению степени улавливания г\, которая
определяется уравнением
Л =т^ ЮО,
где Сул — масса уловленной золы, кг; GBX — общая масса золы,
поступавшей в электрофильтр, кг.
Рассмотренные электрофильтры являются универсальными и
наиболее эффективными (г\ = 99,5...99,9%) золоуловителями,
допускающими работу в условиях высоких температур (до 400...450°С)
и агрессивной среды. Вместе с тем электрофильтры имеют высокую
стоимость и металлоемкость. Они чувствительны к отклонениям от
оптимальных режимов, требуют квалифицированного
обслуживания и тщательного монтажа и ремонта. Несмотря на отмеченные
недостатки, электрофильтры в ряде случаев не имеют альтернативы.
556 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Поэтому целесообразно подробнее рассмотреть принцип
действия электрофильтров. Загрязненный воздух, поступающий в
электрофильтр, всегда оказывается частично ионизированным за
счет различных внешних воздействий (рентгеновских и
космических лучей радиоактивных излучений, трения, нагрева газа и др.).
Поэтому он обладает проводимостью. Сила тока в электрофильтре
зависит от числа ионов и напряжения между электродами. При
увеличении напряжения в движение между электродами вовлекается
все большее число ионов и сила тока растет до тех пор, пока в
движении не окажутся все ионы, имеющиеся в газе. При этом сила тока
становится постоянной (ток насыщения), несмотря на дальнейший
рост напряжения. При некотором достаточно большом напряжении
движущиеся ионы и электроны настолько ускоряются, что,
сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая нейтральные
молекулы в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся
новые ионы и электроны ускоряются электрическим полем и в свою
очередь ионизируют новые молекулы газа.
Этот процесс называется ударной ионизацией газа, он протекает
устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле, характерном
для цилиндрического конденсатора (рис. 17.9). В зазоре м'ежду ко-
ронирующим / и осадительным 2 электродами создается
электрическое поле убывающей напряженности с силовыми линиями 3,
направленными от осадительного к коронирующему электроду или
наоборот. Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4.
Изменение силы тока между электродами по мере роста
напряжения показано на рис. 17.10.
Критическое напряжение UKp на электродах, при котором
возникает коронирующий разряд, определяется из уравнения
где /?i и /?2 •— радиусы коронирующего и осадительного электродов
соответственно, м; ?кр — критическая напряженность
электрического поля, при которой возникает корона, В/м.
При расчете электрофильтров, имеющих электроды круглого
сечения и предназначенных для очистки воздуха от частиц пыли,
значение Екр определяют по эмпирическим формулам Пика, согласно
которым:
— для коронирующего электрода положительной полярности
?кр = 3,37(0 + 0,0242 V р/Д,) 106;
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 557
Пробой
Коронирование
и„
U
Рис 17 9 Схема расположения
электродов в электрофильтре
Рис 17 10 Зависимость силы тока
от напряжения между электродами
где Р
для коронирующего электрода отрицательной полярности
?кр = 3,04(0 + 0,0311 V(3//?,)106,
— поправка на плотность газов в рабочих условиях:
(Рокр + Р,)293
Р =
1,013 • 105 (273 + О'
где рок — давление окружающей среды, Па; рг — разрежение, или
избыточное давление в газоходе, Па; t — температура газов, "С.
Коронирующий разряд обычно возникает при высоких
напряжениях, достигающих 50 кВ и более. Аэрозольные частицы,
поступающие в зону между коронирующим и осадительным электродами,
адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический
заряд и получая ускорение, направленное в сторону электрода с
зарядом противоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от
подвижности ионов, траектории движения и времени пребывания
частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и
дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем
положительных, электрофильтры обычно делают с короной
отрицательной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц невелико и
измеряется долями секунды. Движение заряженных частиц к осади-
тельному электроду происходит под действием: аэродинамических
сил, силы взаимодействия электрического поля и заряда частиц,
силы тяжести, силы давления электрического ветра.
Аэродинамические силы вызывают движение частиц по направлению движения
газа со скоростью, близкой к скорости газа (0,5...2 м/с).
558 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Сила взаимодействия заряженных частиц с электрическим полем
является основной силой, вызывающей движение частиц к осади-
тельному электроду. Скорость движения частиц зависит от
напряженности электрического поля Е, В/м, и от размеров частиц. В
качестве примера в табл. 17.10 приведены расчетные значения
скорости перемещения со различных по размерам и при различной
напряженности электрического поля. Силу тяжести в расчетах не
учитывают, так как она оказывает незначительное влияние на траекторию
движения частиц. Например частицы, размером 10 мкм за 10... 15 с
передвижения в электрофильтре снижаются вниз на 3...5 см.
Таблица 17 10
Диаметр частиц, мкм
мэ, м/с (при Е = 15 • 104 В/м)
юэ, м/с (при Е = 30 • 104В/м)
0,4
0,012
0,025
1,0
0,013
0,030
2,0
0,015
0,060
10,0
0,075
0,50
30,0
0,10
0,60
Электрический ветер возникает у коронирующих электродов за
счет механического воздействия движущихся ионов на молекулы
газа и частицы пыли. Скорость циркуляции газов в межэлектродном
промежутке под действием электрического ветра составляет
0,5...1,0 м/с. Следует отметить, что единой методики расчета этой
скорости не существует. При проектировании электрофильтров
влиянием электрического ветра пренебрегают.
Основная масса пыли осаждается на положительном осадитель-
ном электроде, так как коронирующий электрод имеет значительно
большую внешнюю зону и основная масса частиц приобретает
отрицательный заряд.
Важную роль в процессе осаждения пыли на электродах играет
электрическое сопротивление слоев пыли. С учетом электрического
сопротивления пыли делятся на пыли с малым удельным
сопротивлением (< 106 Ом • м), которые при соприкосновении с электродом
теряют свой заряд и приобретают заряд, знак которого
соответствует знаку электрода, после чего между частицей и электродом
возникает сила отталкивания, под действием которой частица
стремится вернуться в газовый поток; пыли с удельным электрическим
сопротивлением от 106 до 1012 Ом • м, которые хорошо осаждаются на
электродах и легко удаляются встряхиванием; пыли с удельным
электрическим сопротивлением более 1012 Ом • м, которые с трудом
улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы
таких пылей разряжаются медленно, что в значительной степени
препятствует осаждению новых частиц.
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 559
Эффективность очистки запыленного газа с помощью
электрофильтров определяют по формуле Дейча:
т| = l — е » уд,
где Рул — удельная поверхность осадительных электродов, равная
отношению поверхности осадительных элементов к расходу
очищаемых газов, м2 • с/м3.
Анализ уравнения Дейча показывает, что эффективность
очистки г\ возрастает с ростом показателя степени (соэ/\,д) (табл. 17.11).
Таблица 17.11
GbFw
п
3,0
0,95
3,7
0,975
3,9
0,98
4,6
0,99
Для тонкой очистки газов рекомендуется применять
унифицированные горизонтальные малогабаритные (УМГ) сухие
электрофильтры. Для обеспечения равномерности поступления газа в
электрофильтр на его входе устанавливается распределительная
решетка. Удаление осевшей на осадительных электродах пыли
осуществляется периодическим встряхиванием молотковыми или
какими-либо другими устройствами. При этом пыль ссыпается в бункер,
расположенный под электродами. Электрофильтры, оснащенные
встряхивающими устройствами, особенно широкое распространение
нашли в системах золоулавливания.
Повышение эффективности очистки золосодержащих газов,
например в горизонтальных электрофильтрах, достигается лишь в том
случае, когда осевшая на электродах зола при их встряхивании
будет падать в бункер в виде относительно крупных конгломератов,
состоящих из множества слипшихся под действием сил адгезии
частиц. Если же при встряхивании слой осевшей золы будет
диспергироваться на очень мелкие конгломераты или на индивидуальные
частицы, очистка газов будет малоэффективной вследствие уноса
газовым потоком из электрофильтра сброшенной с электродов золы. Для
того чтобы на осадительном электроде образовался слой золы,
который при встряхивании распадается на крупные конгломераты,
необходимо, чтобы встряхивающие импульсы следовали друг за
другом через некоторые промежутки времени, которые зависят от
запыленности газов, эффективности улавливания золы и суммарной
площади осадительных электродов, расположенных над бункером.
Если импульсы встряхивания будут следовать друг за Другом
слишком часто, то образовавшийся за промежуток времени между
ними слой золы будет состоять из малого количества плохо слипших-
560 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ся частиц, которые при встряхивании вспыливаются и уносятся
потоком газа, что приводит к снижению степени очистки газов, и,
наоборот, в случае чрезмерного увеличения интервалов между
встряхивающими импульсами происходит накопление на осадительных
электродах слоя золы большой толщины Наличие такого слоя, в
особенности состоящего из золы с высоким удельным электрическим
сопротивлением, может привести к падению токовой нагрузки в цепи
электрофильтра, уменьшению напряженности электрического поля
и ухудшению очистки газов. Кроме того, такой режим встряхивания
электродов связан с одновременным сбросом в бункер больших масс
золы, в результате чего возможно переполнение золой элементов
системы золоудаления, для устранения которого требуется
вмешательство обслуживающего персонала. Следовательно, для каждого
конкретного случая существует оптимальный режим встряхивания
осадительных электродов, требующий установления для полей
электрофильтра различных интервалов времени между
встряхивающими импульсами Обычно большинство отечественных и
зарубежных электрофильтров оборудуется одинаковыми для всех пылей
механизмами встряхивания осадительных электродов с минимальным
интервалом между встряхивающими импульсами около 3 мин.
В качестве примера рассмотрим подробнее работу
встряхивающего механизма, работающего совместно с электрофильтрами,
применяемыми на тепловых электростанциях (ТЭС). Исходя из
реальной производительности гидравлических затворов и смывных
аппаратов, обычно устанавливаемых на отечественных ТЭС для
удаления золы из бункеров электрофильтров, можно оценить
максимально допустимый интервал между последовательными
встряхиваниями осадительных электродов. Для этого необходимо определить
количество золы, оседающей на электродах за промежуток времени,
равный интервалу между встряхивающими импульсами, и
сопоставить его с производительностью гидрозатворов. Максимально
допустимый интервал времени можно определить из равенства
nvSpir\t0 q
1 -"7 ГГ-= ехр (-— ?0),
^тах
где ^0 — максимально допустимый интервал времени, с; v —
скорость движения газов в электрофильтре, м/с, S — площадь
поперечного сечения электрофильтра над бункером, м2; \i — запыленность
газов, поступающих в данное поле, г/м3; ц — степень очистки газов
в данном поле, доли единицы; Стах — предельно допустимая кон-
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 561
Газ
Очищенный
-* газ
+ 14кВ +7кВ
Рис 17 11 Схема двухзонного
электрофильтра
центрация золы в пульпе, равная
500... 1000 кг/м3; V — объем
пульпы в гидрозатворе, л; G ¦—
расход пульпы через
гидрозатвор, л/с.
Для очистки вентиляционных
выбросов от различных пылей с
малой концентрацией
загрязнений нашли широкое применение
двухзонные электрофильтры.
Поток воздуха в таком фильтре
проходит последовательно зоны ионизации и осаждения, а также
пористый фильтр, предназначенный для исключения уноса пыли;
накопленная пыль периодически смывается водой (рис. 17.11)
Загрязненный газ проходит ионизатор, в состав которого входят
положительные / и отрицательные 2 электроды. Ионизатор выполнен так,
чтобы при скорости 2 м/с частицы пыли успели зарядиться, но еще
не осели на электроды. Зарядившиеся частицы газовым потоком
увлекаются в осадитель, представляющий собой системы пластин-
электродов 3 и 4. Заряженные частицы оседают в поле осадителя
на пластинах противоположной полярности. Выбором расстояния
между пластинами (6...7 мм) удается при сравнительно небольшом
напряжении между пластинами (7 кВ) получить напряженность
80... 100 В/м, что достаточно для осаждения частиц субмикронных
размеров.
17.3. Применение туманоуловителей
Для очистки вентиляционных выбросов от пыли, туманов,
минеральных масел, пластификаторов и т.п. применяются электрические
туманоуловители типа УУП (рис. 17.12).
В корпусе установлен электрический туманоуловитель 2,
который питается от источника 4
напряжением 13 кВ Подвод
питания к электродам производится
через электроизоляторы
высокого напряжения с клеммами 3.
Загрязненный воздух через
входной патрубок,
распределительную решетку 8 и сетку 7
поступает к туманоуловителю,
очищается от примесей и, прой-
Газ
Рис 17 12 Туманоуловитель УПП
562 Часть II Мониторинг и зашита окружающей среды
Туман
Очищенный дя каплеуловитель 5, подается на выход
УПП. Жидкость, отделенная от воздуха,
собирается в воронках 6, а затем сливается из
УПП через гидрозатворы; УПП сочетают
высокую эффективность улавливания
примесей с низким гидравлическим
сопротивлением.
В ряде производственных процессов
происходит загрязнение воздуха туманами,
содержащими кислоты, щелочи, масла и
другие жидкости. В зависимости от скорости
движения воздуха в туманоуловителях они
делятся на низкоскоростные (ш < 0,15 м/с)
и высокоскоростные (со = 2...2,5 м/с).
В низкоскоростных туманоуловителях
преобладает механизм диффузного осаждения
капель. В высокоскоростных
туманоуловителях осаждение происходит главным
образом под воздействием инерционных сил.
В низкоскоростном туманоуловителе
волокнистый фильтрующий элемент
(рис. 17.13) помещается в пространство
между двумя цилиндрами 3, изготовленными из сеток. Фильтроэле-
мент 4 крепится фланцем 2 к корпусу туманоуловителя /. Жидкость,
осевшая на фильтре элемента, стекает на нижний фланец 5 и затем
через трубку гидрозатвора 6 и стакан 7 сливается из фильтра. Такие
туманоуловители обеспечивают высокую эффективность очистки
(до 0,999) газа от частиц размером менее 3 мкм и полностью
улавливают частицы большего размера.
Волокнистые слои формируются набивкой стекловолокна
диаметром от 7 до 30 мкм или полимерных волокон (лавсан,
полипропилен) диаметром от 12 до 40 мкм. Толщина фильтрующего слоя
5... 15 см. Гидравлическое сопротивление фильтроэлементов 200...
1000 Па.
Высокоскоростные туманоуловители, несмотря на меньшие
габаритные размеры, обеспечивают эффективность очистки 0,90...0,98
при Ар = 1500...2000 Па от тумана с частицами размером менее
3 мкм. В качестве фильтрующей набивки в таких туманоуловителях
используют войлок из полипропиленовых волокон, 'успешно
работающий в среде разбавленных и концентрированных кислот (H2S04,
НС1, HF, H3PO4, HNO3) и сильных щелочей.
Рис 17 13
Фильтрующий элемент
низкоскоростного
туманоуловителя
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 563
Очищенный
——газ
Туман
Рис 17.14 Высокоскоростной тума-
ноуловитель
В тех случаях, когда диаметр
капель тумана составляет
0,6...0,7 мкм и менее, для
достижения приемлемой
эффективности очистки необходимо
увеличивать скорость фильтрации до
4,5...5 м/с. Однако увеличение
скорости приводит к заметному
брызгоуносу с выходной стороны
фильтроэлемента. Брызгоунос
обычно возникает при скоростях
1,7...2,5 м/с и более. Для
уменьшения брызгоуноса применяют брызгоуловители. Если образуются
брызги размером более 5 мкм, целесообразно применять
брызгоуловители, выполненные из пакета сеток. В этих брызгоуловителях
захват частиц жидкости происходит за счет эффекта касания и
инерционных сил. Одним из условий применения таких устройств
является ограничение по скорости фильтрации, которая не должна
превышать 6 м/с.
В качестве примера конструктивного исполнения волокнистых
туманоуловителей на рис. 17.14 показан высокоскоростной
волокнистый туманоуловитель с цилиндрическим фильтрующим
элементом 3, который представляет собой перфорированный барабан с
глухой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый войлок 2
толщиной 3...5 мм. Вокруг барабана по его внешней стороне
расположен брызгоуловитель /, представляющий собой набор
перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент.
Брызгоуловитель и фильтроэлемент нижней частью установлены в
слой жидкости.
Наибольший эффект отделения капель тумана от газа
достигается на двухступенчатых туманоуловителях, в которых первая
ступень, состоящая из тонких волокон, имеет скорость фильтрации
0,05...0,2 м/с (низкоскоростные туманоуловители) или 2...2,5 м/с
(высокоскоростные туманоуловители), а вторая ступень —
сетчатый брызгоуловитель — предназначена для улавливания
укрупненных жидких частиц.
Расчет туманоуловителей из волокнистых фильтрованных
материалов обычно сводится к определению площади фильтрации по
известному расходу загрязненного воздуха и рекомендуемой для
выбранного материала скорости фильтрации. Например, скорости
фильтрации для некоторых фильтровальных материалов,
применяемых в низкоскоростных туманоуловителях, следующие: 0,2 м/с для
564 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
иглопробивного войлока из волокон диаметром 65...70 мкм;
0,1...0,15 м/с для иглопробивного войлока из лавсановых волокон
МЧПС диаметром 18...20 мкм.
Расчет площади фильтрации S следует проводить по формуле
S = Q/Юф,
где Q — объем загрязненного воздуха; а>ф — скорость фильтрации,
которая для сеточных брызгоуловителей определяется по формуле
со
ф
0,107
<
1
где рж, рв — плотность жидкости и воздуха соответственно.
Эффективность очистки от капель при использовании сеточного
пакета определяется выражением
AS.,. .2
Л = 1 -[1 "0,2
Ж
N
Л
где h — толщина пакета; SyA — удельная поверхность проволоки в
пакете сеток, м2/м3; ./V — число сеток в пакете, шт.; л —
эффективность очистки воздуха от капель определенного размера
(фракционная очистка) одной сеткой, которая зависит от режима
фильтрования, свойств фильтруемой среды, размера фракции,
характеристик сетки.
Значением л' Для условий фильтрования при атмосферном
давлении удобно определять графически (рис. 17.15).
При этом необходимо предварительно вычислить критерий Сток-
са по формуле
St = ржсоф^2йл/(18^пр).
Рис 17 15 Зависимость фракционной
эффективности очистки г\' от критерия Стокса
где d4 — диаметр
капель, м; dnp — диаметр
проволоки в сетке, м;
ц — вязкость воздуха,
Па с.
Толщину пакета
сеток выбирают в
пределах 100...200 мм, а
удельную поверхность
проволоки в пакете
сетки вычисляют по
формуле
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 565
•sya = 4(i -m/dnp,
где П — пористость пакета сеток, выбираемая в пределах 0,85...0,95;
dnp — диаметр проволоки сетки, обычно d = (100...200) • 10~6 м.
Суммарная эффективность очистки
п
л = X М«'
1
где ф, — фракционная доля г'-й фракции; ц1 — эффективность
очистки тумана от капель диаметром d4l.
17.4. Особенности применения мокрых пылеуловителей
Достаточно широкое применение для очистки газов и воздуха от
мелкодисперсных пылей с диаметром частиц d4 > (0,3...1,0) мкм, а
также для очистки от пыли взрывоопасных и имеющих высокую
температуру газов нашли мокрые пылеуловители. -
Принцип действия мокрых пылеуловителей заключается в
осаждении частиц пыли на поверхность капель или пленки
жидкости за счет сил инерции и броуновского движения. Силы инерции
зависят от массы капель и частиц пыли, а также от скорости их
движения. Частицы пыли малого размера (менее 1 мкм) не обладают
достаточной кинетической энергией и при сближении с каплями
обычно огибают их и не улавливаются жидкостью. Броуновское
движение характерно для частиц малого размера. Для достижения
высокой эффективности очистки газа от частиц примесей за счет
броуновского движения необходимо уменьшить скорость движения
газового потока в аппарате.
Кроме основных сил на процесс осаждения влияют:
• турбулентная диффузия;
• взаимодействие электрически заряженных частиц;
• процессы конденсации;
• испарения и др.
Во всех случаях очистки газа в мокрых пылеуловителях важным
фактором является смачиваемость частиц жидкостью (чем лучше
смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).
С учетом конструктивных особенностей мокрые пылеуловители
разделяют на:
• скрубберы Вентури;
• форсуночные и центробежные скрубберы;
566 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Шлам
Рис 17 16 Скруббер Вентури
• аппараты
ударно-инерционного типа;
• барботажно-пенные
аппараты и др.
Среди аппаратов мокрой
очистки с осаждением частиц пыли на
поверхность капель наибольшее
распространение получили
скрубберы Вентури (рис. 17.16).
Основная часть скруббера — сопло
Вентури 2, в которое подводится
запыленный поток газа, а через
центробежные форсунки / — жидкость
на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от
входной скорости ш = 15...20 м/с до скорости 30 . 200 м/с и более
в узком сечении сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли
жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью,
капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в
конфузорной части сопла Эффективность очистки в значительной
степени зависит от равномерности распределения жидкости по
сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла скорость
потока падает до 15...20 м/с. Каплеуловитель 3 обычно выполняют
в виде прямоточного циклона.
Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность
очистки аэрозолей со средним размером частиц 1...2 мкм при
начальной концентрации примесей до 100 г/м3. Удельный расход воды
на орошение при этом составляет 0,1...6,0 л/м3.
Для труб Вентури круглого сечения характерны следующие
размеры: а! = 15. .28°, а2 = 6...8°; /, = (d{ - d2)/[2tg (<х{/2)\; /2 =
= 0,15d2, h = (^з - ^2)/ [2tg(a2/2)j. Диаметры db d2, dz
рассчитывают для конкретных условий очистки воздуха от пыли.
Круглые скрубберы Вентури применяют в тех случаях, когда
расход газа не превышает 80 000 м3/ч. При больших расходах газа и
больших размерах трубы возможности равномерного распределения
орошающей жидкости по сечению трубы ухудшаются, поэтому
применяют несколько параллельно работающих круглых труб или
переходят на трубы прямоугольного сечения.
Трубы Вентури типа ГВПВ (газопромыватель Вентури
прямоточный, высоконапорный) предназначены для очистки запыленных
технологических газов, поступающих с постоянным объемным
расходом. Конструктивно центробежный каплеуловитель представляет
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 567
Очищенный газ
Рис 17 17 Мокрые золоуловители
а — пруткового типа, б — типа MB с трубами Вентури
собой малогабаритный прямоточный циклон с прямоугольным
входным патрубком и рабочей частью высотой 1,5Д где D — диаметр
циклона.
Примером удачного применения скрубберов является
компоновка мокрых золоуловителей с использованием труб Вентури. В
качестве примера на рис. 17.17 приведены две модификации мокрых
золоуловителей (скрубберов): с прутковыми решетками и с трубами
Вентури. В этих скрубберах используется инерционный принцип
сепарации предварительно увлажненных золовых частиц
В корпус 3 золоуловителя (рис. 17.17, а) газовый поток
подводится по тангенциально расположенному патрубку 8, в котором
размещены смачивающее устройство, выполненное в виде омываемых
водой неподвижных или качающихся прутков 6, и разбрызгивающие
воду сопла 7. Частично зола оседает на прутках или стенках пат-
568 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Шлам
Рис 17.18 Коагуляционно-
центробежный мокрый
пылеуловитель
рубка, откуда она смывается водой в
коническую часть 2 корпуса и далее в
смывное устройство /. Основная же
масса золы центробежной силой отбра-
Швается на внутренние стенки корпуса,
покрытые от износа и коррозии
кислотоупорной плиткой, каменным литьем и
т.д. Стенки омываются водой, вводимой
через систему сопел 4, в результате
масса золы смывается вниз, а
очищенный газ покидает золоуловитель через
верхний патрубок 5.
В золоуловителях типа MB
предварительное улавливание золы происходит
в каплеуловителе 12 и диффузоре //
трубы Вентури 10, в которой соплами 9
распыляется вода. В результате разгона
потока до скорости 50...75 м/с в трубе Вентури происходит мелкое
дробление воды до состояния влажного тумана. В диффузоре
газовый поток замедляется, а золовые частицы, сохранив по инерции
движение, как бы фильтруются через образующийся туман и
активно увлажняются. Образовавшаяся пульпа (смесь влаги и золы) в
каплеуловителе при изменении направления движения отделяется
от газового потока на стенки, с которых она смывается, так же как
и со стенок корпуса 3, в золосмывное устройство /.
К недостаткам таких систем следует отнести следующее:
входные патрубки, прутковые решетки, каплеуловители при
повышенном содержании в золе СаО (более 15%) склонны к зарастанию и
забиванию золой, в результате чего происходит рост сопротивления
золоуловителей и снижается степень очистки.
Золоуловители типа MB широко применяются на различных
тепловых электростанциях, так как они достаточно просты по
конструкции, компактны и применимы для широкой гаммы углей.
Одним из удачных конструктивных решений совместной
компоновки скруббера Вентури и каплеуловителя может служить
конструкция (рис. 17.18) коагуляционно-центробежного мокрого
пылеуловителя (КЦМП). Сопло Вентури / установлено в корпусе
циклона 2, а для закручивания воздуха используется специальное
закручивающее устройство 3. Промышленные КЦМП работают при
скоростях в узком сечении трубы Вентури 40...70 м/с, удельных
расходах воды на орошение 0,1...0,5 л/м3 и имеют габариты на 30%
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 569
меньше, чем обычные скрубберы Вентури. Скрубберы Вентури
широко применяются в системах очистки газов от туманов.
Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц
0,3 мкм достигает 0,999, что сравнимо с высокоэффективными
фильтрами.
При расчете скрубберов Вентури гидравлическое сопротивление
трубы Вентури определяют из равенства
Ар = АРс + Арж,
где Арс — гидравлическое сопротивление сухой трубы, т.е. без
подачи жидкости на орошение-
где С,с — коэффициент гидравлического сопротивления сухой
трубы; сог — скорость газа в горловине; рг — плотность газа в
горловине; Држ — гидравлическое сопротивление, обусловленное
введением жидкости, Арж = ^жо)2рж^ж/2; С,ж — коэффициент
гидравлического сопротивления трубы при вводе жидкости; рж — плотность
жидкости; цж — удельный расход жидкости на орошение, для трубы
Вентури круглого сечения при 1\ = 0,15й?2, <*>г = 60...166 м/с и
<7Ж = 0,4. .1,7 л/м3;
Сж/Сс = 0,63((тж/тг)(рж/рг))-о.з,
где тж и тг — массовые расходы жидкости и газа, г.
Суммарное гидравлическое сопротивление трубы Вентури
составляет 10...20 кПа.
Эффективность очистки скруббера Вентури рассчитывают
энергетическим методом по формуле
Г) = 1 - e~BE",
где Е — суммарная энергия соприкосновения; В и п — константы,
зависящие от физико-химического и дисперсного состава пыли,
которые определяют экспериментально (табл. 17.12).
Таблица 17 12
Примесь
Конверторная пыль
Ваграночная пыль
Мартеновская пыль
Туман фосфорной кислоты
В-102
9,88
1,355
1,915
1,34
п
0,4663
0.6210
0,5688
0,6312
570 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Очищенный газ Очищенный газ
Рис 17 19 Форсуночный (а) и центробежный (б) скрубберы
Для определения суммарной энергии соприкосновения
целесообразно использовать выражение
Е = АР + РжФж/Фр
где рж — давление распыляемой жидкости на входе в
пылеуловитель, Qkh Qr — объемы расхода жидкости и газа соответственно.
В ряде случаев для мокрой очистки применяются форсуночные
скрубберы (рис. 17.19, а). Запыленный газовый поток поступает в
скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где
осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и
мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса /,
поднимаются вверх навстречу потоку капель, поступающих в скруббер через
форсуночные пояса. Удельный расход воды в форсуночных
скрубберах составляет 3,0. .6,0 л/м3, гидравлическое сопротивление
аппарата до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе
скруббера 0,7... 1,5 м/с. К недостаткам таких скрубберов следует
отнести невысокую общую эффективность очистки.
В аппаратах центробежного типа (рис. 17.19, б) частицы
пыли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами,
возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет
тангенциального расположения входного патрубка 5. Пленка
жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла
/ и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли
Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа
зависит главным образом от диаметра корпуса аппарата 3, скорости газа
во входном патрубке и дисперсности пыли. Например, с ростом
диаметра скруббера эффективность очистки снижается. Увеличение
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 571
Очищенный
газ
Очищенный
газ
Вода
Газ
Слив
Рис 17 20 Барботажно-пенный
пылеуловитель с провальной (о) и
переливной (б) решетками
эффективности очистки с
помощью центробежных аппаратов
может быть достигнута
увеличением высоты корпуса скруббера до
Я = (3.. A)D. При высоте аппарата
более AD эффективность
практически не меняется
К мокрым пылеуловителям
относятся барботажно-пенные
пылеуловители, которые бывают двух
типов:
• с провальной решеткой
(рис. 17 20, а);
• с переливной решеткой
(рис. 17.20, б).
В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3,
проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости
и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на
внутренней поверхности газовых пузырей. Режим работы аппаратов
зависит от скорости подачи воздуха под решетку При скорости до
1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата.
Дальнейший рост скорости газа в корпусе / аппарата до 2...2,5 м/с
сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что
приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из
аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают
эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли 0,95.. 0,96
при удельных расходах воды 0,4...0,5 л/м3.
Следует отметить, что барботажно-пенные аппараты
чувствительны к неравномерностям подачи газа под провальные
решетки, так как неравномерная подача газа приводит к местному
сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов
склонны к засорению.
17.5. Способы очистки выбросов от газо- и парообразных
загрязнений
При выборе способа очистки и обезвреживания вентиляционных
и технологических выбросов от газо- и парообразных компонентов
необходимо учитывать:
• разнообразие по составу выбрасываемых в атмосферу газов;
• температуру этих газов;
572 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Абсорбция
_^
Хемосорбция
Методы очистки
Адсорбция
Л
Термическая
нейтрализация
Каталитическое
превращение
Рис 17.21 Методы очистки с учетом протекания физико-химических процессов
• наличие пыли в выбрасываемых газах;
• концентрацию газообразных и парообразных примесей
(предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ приведены
в приложении 17.1).
В зависимости от характера протекания физико-химических
процессов методы очистки делятся на пять групп (рис. 17.21).
Абсорбция представляет собой процесс, при котором происходит
разделение газовоздушной смеси на составные части путем
поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбантов)
жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.
Такой процесс принято считать скрубберным процессом.
Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат)
благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс
протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз,
турбулентность потоков и коэффициенты диффузии.
Следовательно, при проектировании абсорберов особое
внимание следует уделять организации контакта газового потока с жидким
растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента). При
выборе абсорбента особое внимание обращается на растворимость
в нем извлекаемого компонента и его зависимость от температуры
и давления. Если растворимость газов при 0°С и парциальном
давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то
такие газы называют хорошо растворимыми. Например, для
очистки технологических выбросов от таких газов, как аммиак,
хлористый или фтористый водород, целесообразно применять в
качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде
составляет сотни граммов на 1 кг воды. При поглощении сернистого
ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как
растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В
некоторых случаях вместо воды применяют водные растворы таких хи-
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 573
Скрубберы Вентури
!\.
Насадочные башни
^L
Основные типы аппаратов для абсорбции
Форсуночные скрубберы
Центробежные скрубберы
Барботажно-пенные
скрубберы
Тарелочные скрубберы
Рис 17.22 Основные типы аппаратов для абсорбции
мических веществ, как сернистая кислота (для улавливания
водяных паров), вязкие масла (для улавливания ароматических
углеводородов из коксового газа и др.
Организация контакта газового потока с жидким растворителем
осуществляется либо пропусканием газа через насадочную колонну,
либо распылением жидкости, либо барботажем газа через слой
абсорбирующей жидкости. В зависимости от реализуемого способа
контакта газ — жидкость используют несколько типов аппаратов
(рис. 17.22).
Жидкость после процесса абсорбции подвергают регенерации,
адсорбируя загрязняющее вещество. На рис. 17.23 в качестве
примера показано устройство противопоточной насадочной башни,
принцип действия которой заключается в том, что загрязненный газ
входит в нижнюю часть башни, а очищенный покидает ее через
верхнюю часть, куда при помощи одного или
нескольких разбрызгивателей 2 вводят чистый
поглотитель, а из нижней отбирают
отработанный раствор. Очищенный газ обычно
сбрасывают в атмосферу. Химически инертная
насадка /, заполняющая внутреннюю полость
колонны, предназначена для увеличения
поверхности жидкости, растекающейся по ней
в виде пленки. В качестве насадки
используют тела разной геометрической формы,
имеющие собственную удельную поверхность и
сопротивление движению газового потока. Для
изготовления насадок используют керамику,
-Я»
¦1
W
п
Рис. 17 23. Орошаемая
противопоточная наса-
дочная башня
574 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
фарфор, пластмассы, металлы, которые выбираются исходя из
соображений антикоррозийной устойчивости.
Применение абсорбированных методов очистки, как правило,
связано с использованием схем, имеющих узлы абсорбции и
десорбции. Десорбцию растворенного газа (или регенерацию
растворителя) проводят либо снижением общего или парциального давления,
либо повышением температуры, либо использованием обоих
приемов одновременно. Расчет абсорбера состоит в определении
объемного расхода поглотительной жидкости Qa; необходимой
поверхности F соприкосновения газа с жидкостью; параметров
вспомогательной аппаратуры (мощность насосов, размер баков и т.п.).
Объемный расход поглотительной жидкости рассчитывают
из уравнения материального баланса процесса абсорбции,
согласно которому масса поглощаемого компонента т, которая
удалена из очищаемого газа, должна быть равна массе компонента,
перешедшего в жидкость:
т = Qr (г/, - у2) = Qa (х2 - хх),
где Qr — объем очищаемого газа, м3/с; х{ и х2 — начальная и
конечная концентрации газового компонента в поглотительной
жидкости, г/м3; yi и у2 — начальная и конечная концентрации
поглощаемого газообразного компонента в очищаемом газе, г/м3.
Необходимую поверхность соприкосновения газа с жидкостью
находят по формуле
F = 103 m/(kaAPcp),
где ka — коэффициент абсорбции (коэффициент массопередачи),
кг/(м2 • ч • Па); Дрср — средняя движущая сила абсорбции, Па.
Коэффициент абсорбции, характеризующий скорость
растворения газового компонента в жидкости, определяется общим
сопротивлением диффузии этого компонента через газовую и жидкостную
пленки. Для хорошо растворимых газов значение коэффициента
абсорбции можно определить по формуле, предложенной И.Л. Пейса-
ховым:
_ 53,7 • 106Мю°'75(0,0011 Т-0,18)025
(13,7+V^)d0.25
где М — молярная масса поглощаемого компонента, кг;*ш —
скорость газа в свободном сечении скруббера, м/с; Т — абсолютная
температура, К; d3KB — эквивалентный диаметр насадки, равный
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 575
учетверенному значению живого сечения насадки, деленного на ее
удельную поверхность, м.
Движущая сила абсорбции равна разности парциального
давления поглощаемого компонента в газовой фазе и равновесного
парциального давления этого компонента над поглотительной жидкостью.
Следует иметь в виду, что при противотоке (газ и жидкость
движутся навстречу друг другу) значение Ар больше, чем при
прямотоке (газ и жидкость движутся в одну сторону). Следовательно,
противоток выгоднее, так как для его осуществления требуется
аппаратура меньшего размера. Прямоток неэффективен для плохо
растворимых газов. Прямоток целесообразно применять, когда
равновесное давление поглощаемого компонента над жидкостью очень
невелико и почти не увеличивается по мере растворения газового
компонента. Обычно прямоток применяется в тех случаях, когда
растворяемый компонент газа вступает в реакции с жидкостью или ее
компонентами (хемосорбция).
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров
твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или
малорастворимых химических соединений. Поглотительная
способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому
хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в
отходящих газах. Большинство реакций, протекающих в процессе
хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому
при повышении температуры раствора образующееся химическое
соединение разлагается с выделением исходных элементов. На этом
принципе основан механизм десорбции хемосорбента.
Основным видом аппаратуры для реализации процессов
хемосорбции служат насадочные башни, пенные и барботажные
скрубберы, распылительные аппараты типа труб Вентури и
аппараты с различными механическими распылителями. В
промышленности распространены аппараты с подвижной насадкой, к достоинствам
которых относятся высокая эффективность разделения при
умеренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропускная
способность по газу.
Хемосорбция является одним из наиболее распространенных
способов очистки отходящих газов от оксидов газов. Методы
абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных
выбросов, называют мокрыми. Их преимущество заключается в
экономичности очистки большого количества газов и
осуществлении непрерывных технологических процессов. Основной
недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее
576 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
осуществления сильно понижается температура газов, что приводит
к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в
атмосфере. Кроме того, оборудование мокрых методов очистки громоздко
и требует создания системы жидкостного орошения. В процессе
работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество
отходов, представляющих смесь пыли, растворителя и продуктов
поглощения. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания,
транспортировки или утилизации шлака, что удорожает и
осложняет эксплуатацию.
Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых
твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно
извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные
компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной
структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной
конденсацией. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к
поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил
притяжения (силы Вандер-Ваальса). Высвобождающаяся при этом
теплота зависит от силы притяжения (по порядку значения, как
правило, находится в пределах от 2 до 20 кДж/моль). Преимуществом
физической адсорбции является обратимость процесса. При
уменьшении давления адсорбента в потоке газа либо при
увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без
изменения химического состава Обратимость данного процесса
исключительно важна в тех случаях, когда экономически выгодно
рекуперировать адсорбируемый газ или адсорбент
В качестве адсорбента или поглотителей применяют вещества,
имеющие большую площадь поверхности на единицу массы.
Например, удельная поверхность активированных углей 105...106 м2/кг.
Их применяют для очистки газов от органических паров, удаления
неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в
незначительных количествах в промышленных выбросах, а также
летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве
адсорбентов применяют также простые и комплексные оксиды
(активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия,
синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают
большей селективной способностью, чем активированные угли.
Однако эти адсорбенты нельзя использовать для очистки очень
влажных газов. В ряде случаев некоторые адсорбенты пропитывают
соответствующими реактивами, повышающими эффективность
адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорб-
ция.
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 577
Одним из основных параметров при
выборе адсорбента является адсорбционная
способность по извлекаемому компоненту.
Адсорбционная способность, или масса
вещества, поглощенная единицей массы
адсорбента в произвольный момент времени,
зависит от концентрации адсорбируемого
вещества (парциального давления р, Па) у
поверхности адсорбента, общей площади
этой поверхности, физических, химических
и электрических свойств адсорбирующих
веществ и адсорбента, температурных
условий и присутствия других примесей.
На рис. 17.24 представлены изотермы
адсорбции S02 на активированном угле СКТ
в диапазоне температур от 20 до 150°С, из которых следует, что с
увеличением температуры происходит снижение адсорбционной
способности активированного угля. С учетом этих свойств адсорбентов
организуется процесс их регенерации. Регенерацию осуществляют
либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры,
превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.
Конструктивно адсорберы (рис. 17.25) [1, 2, 4] выполняются в
виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей,
заполненных пористым адсорбентом через который фильтруется поток
очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью
газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очист-
66,5 199,5 332 Р'Па
Рис 17 24 Изотермы
адсорбции S02 на
активированном угле СКТ при
различных
температурах, °С 1 — 20,2 — 50,
3 — 100, 4 — 150
Рис 17 25 Конструктивные схемы адсорберов- a — вертикальный; б —
горизонтальный, в — кольцевой, / — адсорбер, 2 — слой активированного угля, 3 —
центральная труба для подачи паровоздушной смеси при адсорбции, 4 — барбо-
тер для подачи острого пара при десорбции, 5 — труба для выхода инертных по
отношению к поглотителю газов при адсорбции, 6 — труба для выхода пара при
десорбции
19-4910
578 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
ки и рядом других факторов. Вертикальные адсорберы, как правило,
применяют при небольших объемах очищаемого газа,
горизонтальные и кольцевые — при высокой производительности, достигающей
десятков и сотен тысяч кубических метров в час.
Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы
периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наиболее
распространены адсорберы периодического действия, в которых
период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом
чередуется с периодом регенерации адсорбента. Установки
периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются
конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового
потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и
громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический
характер, т.е. отработанный, потерявший активность поглотитель время
от времени заменяют либо регенерируют. Существенный недостаток
таких аппаратов — большие энергетические затраты, связанные с
преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента.
Адсорбционные установки нашли широкое применение в
различных отраслях промышленности. Например, на рис. 17.26
представлена схема адсорбционной установки для удаления S02 из горячего
топочного газа. Основным агрегатом установки служит адсорбер /,
который заполнен древесным активированным углем. Горячий
топочный газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух,
поступающий в топку, и подается в нижнюю часть адсорбера, где при
температуре 150...200°С происходит улавливание S02. Очищенный
дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент
после насыщения переводится в десорбер 5, где с помощью
подогревателя 3 поддерживается температура 300...600°С. Богатый оксидом
серы газ выводится из десорбера и может быть полезно использован.
Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с
помощью ковшового элеватора подается в верхнюю часть адсорбера.
При проектировании адсорбера используют следующие
исходные данные:
• объемный расход очищаемого газа Q, м3/с;
• концентрация удаляемой примеси с0, мг/м3;
• давление отходящих газов, Па.
В результате расчета определяют:
• потребную массу адсорбента;
• конструктивные размеры;
• гидравлическое сопротивление аппарата;
• время защитного действия адсорбера.
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 579
На первом этапе расчета и
проектирования адсорбера выбирают
рабочую температуру и тип сорбента. Для
увеличения адсорбционной
способности сорбента рабочую температуру, как
правило, выбирают минимально
возможной. Выбор типа сорбента
производят по изотермии адсорбции при
рабочих параметрах температуры и
концентрации примеси исходя из условия
минимальной массы сорбента.
Минимальную необходимую массу
сорбента определяют из уравнения
материального баланса по
улавливаемому компоненту:
Воздух
в топку
Адсорбент
Рис. 17 26 Адсорбционная
установка для удаления S02 из
горячего топочного газа
QcnT
„, = 103-1-2-*
где а^ — статическая поглотительная способность адсорбента в
рабочих условиях, мг/кг; т — время процесса адсорбции, с; k3 —
коэффициент запаса, равный 1,1...1,2.
Скорость потока газа в адсорбере сог рассчитывают исходя из
допустимого падения давления Ар в адсорбере:
^ Ak^pd3n*pHo;
3?рг(1 -Пн)та'
где ?ф = l,5rf3/3(/3 + 0,5d3)~' (l,5dj/3)""1,3 — коэффициент формы
зерна сорбента, учитывающий неравную доступность всей
поверхности зерна обдувающему потоку; Ар — допустимое падение
давления в адсорбере; rf3 — эквивалентный диаметр зерна сорбента,
м3, который для цилиндрических зерен длиной /3 и диаметром d3
определяется по формуле
nHd3l3
d> (l-tfH)(0,5d3 + O'
Пн = (Рк ~~ Рн)/рк — пористость слоя сорбента, определяемая через
кажущуюся рк и насыпную рн плотности сорбента; ? —
коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в зависимости
19*
580 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
от режима течения газа: при Re < 50 ^=220/Re, при 50 < Re <
< 7200 ?=11,6/Re025, где Re= cord3pr/V — критерий Рейнольдса
Обычно, исходя из условий обеспечения необходимого времени
контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических
сопротивлений, значение юг выбирают в пределах 0,15.. 0,5 м/с.
Геометрические размеры адсорбера (диаметр Da и длина La слоя
адсорбента) рассчитываются по формулам:
ncortfH' а прнОГ
Время защитного действия адсорбера определяют исходя из
характера кривой изотермы адсорбции. Для области изотермы
адсорбции, в которой соблюдается закон Генри (а = Тс, где Г —
безразмерный коэффициент Генри, равный отношению количества
адсорбированного вещества а0 к начальной концентрации вещества
в газовом потоке с0), продолжительность адсорбции
V шг psyfl;
где Syu =4(1- nj(d3l3)~l (0,5rf3 + /3) — удельная поверхность
адсорбента, м2/м3.
Коэффициент Ъ определяют (табл. 17.13) в зависимости от
отношения содержания поглощаемого вещества в газовом потоке на
выходе и входе адсорбера
Таблица 17 13
с/с0
0,005
0,01
0,03
0,05
Ь
1,84
1,67
1,35
1,19
с/с0
0,1
0,2
0,3
0,4
Ь
0,94
0,63
0,42
0,23
c/cq
0,5
0,6
0,8
0,9
Ь
0,07
-0,10
-0,27
-0,68
Коэффициент массопередачи Р, с ', определяют в зависимости
от режима течения газа по формулам:
(3 = 0,833 Re0'47 Pr0'35 D/d? при Re < 30;
(3 = 0,53 Re0^64 Pr°.33 D/d? при Re от 30 до 50,
где Pr = v/D — диффузный критерий Прандтля; v — коэффициент
кинематической вязкости газа при рабочих условиях, м/с;
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 581
коэффициент диффузии улавливаемого
коэффициент диффузии при Т0 = 273 К
D = DQ(T/TQV-4pQ/p)-
газа в воздухе, м2/с, DQ
и р0 = 101,3 кПа
Для области изотермы адсорбции, в которой соблюдается
уравнение Лэнгмюра а = АВс (1 + Ас)~\ А и В — константы, зависящие
от свойств адсбрбента и адсорбируемого вещества;
продолжительность адсорбции
60 а,
о
со
C0.Cn
60|3Sv
In
•-1
V
+ In
J
"О
-1
-О [ — i—уд
где С( — количество вещества в газовом потоке, равновесное
количеству вещества, равному половине а„; ck — содержание вещества
в газовом потоке.
Для области изотермы адсорбции, где значение адсорбции
практически не зависит от содержания вещества в газовом потоке (т.е.
а ~ В), продолжительность адсорбции
60 а0
согс0
со
60 PS
In
уд
Если полученное время защитного действия адсорбера
отличается от заданного на Дт, то длину аппарата меняют на AL
<Эгс0Дт
AL = ,
PHFct-
а затем пересчитывают массу сорбента. Остальной расчет
корректировки не требует
Адсорбцию широко используют при удалении паров
растворителя из отработанного воздуха при окраске автомобилей,
органических смол и паров растворителей в системе вентиляции предприятий
по производству стекловолокна и стеклотканей, а также паров
эфира, ацетона и других растворителей в производстве
нитроцеллюлозы и бездымного пороха.
Адсорбенты также применяют для очистки выхлопных газов
автомобилей; для удаления ядовитых компонентов (например,
сероводорода из газовых потоков), выбрасываемых в атмосферу через
лабораторные вытяжные шкафы, для удаления радиоактивных газов
при эксплуатации ядерных реакторов, в частности'радиоактивного
йода.
582 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
17.6. Термическая нейтрализация вредных примесей
В ряде отраслей широкое применение получили методы
термической нейтрализации вредных примесей. Эти методы имеют
достаточно много преимуществ по сравнению с методами абсорбции и
адсорбции (рис. 17.27).
Технологический процесс термической нейтрализации может
строиться по одной из трех схем: прямое сжигание в пламени при
температурах 600...800°С; каталитическое сжигание при
температурах 25О...450°С; термическое окисление при 600...800°С. Выбор
требуемой схемы термической нейтрализации проводится с учетом
химического состава газовых выбросов, объемного расхода и
предельно допустимых норм выбросов загрязняющих веществ. При этом
следует помнить, что область применения методов термической
нейтрализации вредных примесей ограничивается характером
продуктов, образующихся в процессе окислительных реакций.
Например, при сжигании газов, содержащих фосфор, галогены,
серу, образуются вещества, по токсичности во много раз
превышающие исходный газовый выброс. Следовательно, рассматриваемый
метод применим для термического обезвреживания выбросов,
включая токсичные компоненты органического происхождения, не
содержащие серу, галогены и фосфор.
Прямое сжигание целесообразно применять в тех случаях,
когда отходящие газы являются носителями теплоты, превышающей
50% общей теплоты сгорания. При проектировании устройств
прямого сжигания необходимо знать пределы взрываемости или
воспламеняемости сжигаемых отходов и газообразного топлива в смесях с
воздухом. Эти данные показывают, будет ли данный вид
газообразных отходов поддерживать горение без дополнительного подвода
топлива. Для безопасности транспортировки сжигание газов в про-
Небольшие габариты
установок
N.
Высокая эффективность
обезвреживания
ж
Простота обслуживания
установок
Основные преимущества методов термической нейтрализации
^
Противопожарная
автоматика
Низкая себестоимость
очистки
"ч
Отсутствие
планового хозяйства
Рис 17.27 Основные преимущества методов термической нейтрализации по
сравнению с методами абсорбции и адсорбции
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 583
мышленных масштабах осуществляется при концентрациях горючих
компонентов не более 25% нижнего предела взрываемое™. Особое
внимание следует обратить на то, что при прямом сжигании
температура пламени достигает 1300°С, в результате чего при избытке
воздуха и длительном выдерживании газа при такой температуре
происходит образование оксидов азота. Следовательно, процесс
прямого сжигания может стать причиной загрязнения окружающей
среды веществами другого типа.
Примером процесса прямого сжигания является сжигание
углеводородов, содержащих токсичные газы (например, цианистый
водород), непосредственно в факеле открытой горелки, направленной
вертикально вниз. Факел применяют главным образом для сжигания
горючих отходов, с трудом поддающихся другим видам обработки.
Существует ряд конструктивных решений, позволяющих
осуществлять прямое сжигание вредных примесей в замкнутой камере.
Основные требования, предъявляемые к конструкциям таких
камер, — обеспечение высокой степени турбулентности газового
потока и времени пребывания его в камере в пределах 0,2...0,7 с.
Камерные дожигатели с открытым пламенем используются для
дожигания газов при удалении органических отходов от
лакокрасочных цехов, отходящих газов стержневых печей и оксидов азота,
образующихся в процессе нитрования.
Системы огневого обезвреживания обеспечивают
эффективность очистки 0,90...0,99 в тех случаях, когда время пребывания
вредностей в высокотемпературных зонах составляет не менее 0,5 с,
а температура обезвреживания газов:
• содержащих углеводороды, не менее 500...600°С;
• содержащих оксиды углерода — 660...750°С.
Термическое окисление применяется:
• при высокой температуре отходящих газов и недостаточном
количестве кислорода;
• при концентрации горючих примесей, не обеспечивающей
необходимую теплоту для поддержания пламени.
При проектировании устройств термического окисления
необходимо учитывать такие факторы как: температурный режим, время
окисления и турбулентность. Время должно быть достаточным для
полного сгорания горючих компонентов. Как правило, это время
выбирается в пределах 0,3...0,8 с. Турбулентность характеризует
степень механического перемешивания с целью достижения
эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. При этом
температура окисления зависит от характеристик горючих примесей.
584 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Например, для окисления углеводородов температурный режим
должен соответствовать интервалу 500...7ОО°С. Окисление оксида
углерода происходит при 680...800°С, а запахи устраняются
посредством окисления при температуре 480...68СГС.
Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс
дожигания происходит в камере с добавлением свежего воздуха.
Например, дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой
вентиляции от электродуговых плавильных печей, а также
дожигание продуктов неполного сгорания (СО и CnHm) в автомобильных
двигателях непосредственно на выходе из цилиндров происходит в
условиях добавки избыточного воздуха.
В тех случаях, когда температура отходящих газов недостаточна
для протекания процесса окисления, поток отходящих газов
подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабочую зону,
в которой сжигают природный или какой-либо другой
высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят
до температур, превышающих точки их самовоспламенения, и они
сгорают под действием кислорода, присутствующего в потоке
загрязненного газа. При недостатке кислорода его вводят в поток
отходящих газов при помощи воздуходувки или эжектирования. В
качестве примера на рис. 17.28 схематично представлено простейшее
устройство, используемое для огневого обезвреживания
технологических и вентиляционных низкотемпературных выбросов.
Загрязненный отходящий газ через входной патрубок / и полость
теплообменника-подогревателя 2 поступает в V-образную полость
коллектора горелки 3. При этом горючие компоненты отходящих
газов доводят до необходимой температуры и сжигают в кислороде,
присутствующем в потоке загрязненного газа. Процесс догорания
происходит в камере смешения 4, где хвостовая часть факела
контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их турбулизации
'перегородками камеры. Вы-
4 5 ходящие из патрубка 5 газы
или выбрасываются непо-
, обезвреженные средственно в атмосферу,
газы или пропускаются через
дополнительный
теплообменник с целью рекуперации
теплоты.
Рис 17 28 Установка для огневого обезвре- ОСНОВНЫМ Преимущест-
живания технологических и вентиляцион- вом термического окисле-
ных выбросов ния является относительно
I
Отбросные газы
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 585
низкая температура процесса, позволяющая сократить расходы на
изготовление камеры сжигания и избежать образования
значительного количества оксидов азота.
Расчеты процессов термического окисления выполняются для
определения количества дополнительного газообразного топлива,
которое требуется для достижения необходимой температуры газов,
а также определения объема газообразных продуктов сгорания и
объема камеры сгорания. Объемный расход дополнительного
газообразного топлива <2ПГ, м3/с, зависит от количества теплоты qr,
кДж/с, необходимого для повышения температуры
обрабатываемого газа от начальной температуры до температуры сгорания, а также
от теплотворной способности топлива q>?, кДж/м3:
Оптимальная скорость газа, проходящего через сопло горелки,
обеспечивающая наиболее эффективное перемешивание продуктов
сгорания и загрязненного газа, должна составлять 4,5...7,5 м/с.
Диаметр камеры сгорания определяют, исходя из необходимости
обеспечения достаточного времени пребывания и интенсивности
турбулентности. Для устройств термического окисления
рациональное время пребывания газа в камере сгорания находится в пределах
0,3...0,9 с.
Каталитический метод используют для превращения
токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные
или менее вредные для окружающей среды путем введения в
систему дополнительных веществ-катализаторов. Каталитические
методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним
из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со
специально добавляемым в смесь веществом. Катализатор,
взаимодействуя с одним из реагирующих соединений, образует
промежуточное вещество, которое распадается с образованием продукта
регенерированного катализатора.
Каталитическое окисление выгодно отличается от термического
кратковременностью протекания процесса (иногда доли секунды),
что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, при
пропускании газообразных отходов через слой катализатора
температура, необходимая для осуществления реакции органических
газов и паров с кислородом, существенно снижена (до 300°С) по
сравнению с температурой термического окисления.
Каталитический слой должен создавать умеренно низкий перепад давления, а
также обеспечивать структурную целесообразность и долговечность
катализатора.
586 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
В большинстве случаев катализаторами могут быть металлы
(платина, палладий и другие благородные металлы) или их
соединения (оксиды меди, марганца и т.п.). Катализаторная масса обычно
выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в
спираль из нихрома, никеля, оксида алюминия с нанесенными на их
поверхность (сотые доли процента массы катализатора)
благородных металлов. Например, катализаторы, разработанные в
Дзержинском филиале НИИОГАЗ, позволяющие при температуре
350...42О°С и скорости обезвреживания 30 000...60 000 ч-1
практически полностью окислять примеси этилена, пропилена, бутана,
пропана, ацетальдегида, спиртов (метилового, этилового, пропилового
и др.), ацетона, этилацетона, бензола, толуола, ксилола и др.,
выполнены в виде нихромовой проволоки диаметром 0,4...0,5 мм,
свитой в спираль диаметром 4...5 мм с нанесенным на ее поверхность
в виде активной пленки платины и палладия [3].
Каталитическая активность нарастает в зависимости от
молекулярного строения улавливаемых'соединений. Осуществление
каталитических процессов иногда затрудняется возможным отравлением
катализатора некоторыми примесями, содержащимися в газовых
выбросах. Так, присутствие в обрабатываемом газе железа, свинца,
кремния и фосфора, а также соединений серы сокращает срок
службы многих катализаторов или подавляют их активность.
Возможность отравления существенно затрудняет выбор
эффективных катализаторов для дожигания выбросов подвижных
источников газообразных отходов.
Существенное влияние на скорость и эффективность
каталитического процесса оказывает температура газа. Для каждой
реакции, протекающей в потоке газа, характерна так называемая
минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор
не проявляет активности. Температура начала реакции зависит от
природы и концентрации улавливаемых вредностей. С повышением
температуры эффективность каталитического процесса
увеличивается. Например, метан начинает окисляться на поверхности
катализатора, состоящего из 60% диоксида марганца и 40% оксида меди,
только при температуре 320°С, а 97%-ное реагирование
наблюдается при 450°С. Следует иметь в виду, что для каждого
катализатора максимальная рабочая температура составляет
80О...85О°С. Превышение этого уровня приводит к снижению
активности, а затем к разрушению катализатора. В табл. 17.14 приведены
значения оптимальной температуры окисления некоторых веществ
на катализаторах.
Глава 17. Технические средства и методы защиты атмосферы 587
Таблица 17.14
Окисляемое
вещество
Альдегиды
Ацетилен
Бензин
Бензол
Ксилол
Лаки
Нитротолуол
Температура
начала
реакции, °С
173 ..234
207...241
261...298
277...300
200...340
316...371
265...297
Окисляемое
вещество
Оксид углерода
Пропан
Растворитель
Тринитротолуол
Толуол
Фенол
Этанол
Температура
начала
реакции, °С
316...343
293...332
260...400
219.. 250
200. .250
216. .427
261...293
Газоочистные каталитические установки конструктивно
выполняются в виде:
• реакторов каталитических, в которых происходит контакт
газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном
корпусе;
• реакторов термокаталитических — аппаратов, в которых в
общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель.
Наиболее многочисленную группу современных аппаратов
каталитического обезвреживания органических соединений и оксида
углерода представляют термокаталитические реакторы очистки газов,
в которых рекуператор теплоты, подогреватель и контактный узел
размещены в одном корпусе. На рис. 17.29 представлен
каталитический реактор, разработанный Дзержинским филиалом НИИОГАЗ,
предназначенный для окисления толуола, содержащегося в
газовоздушных выбросах цехов окраски. Воздух, содержащий примеси
толуола, подогревается в межтрубном пространстве теплообменника-
рекуператора /, откуда по переходным каналам поступает в
подогреватель 4. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в
горелках 5, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до
250...350°С, т.е. до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость
окисления толуола на
поверхности катализатора. Процесс Очищенный
химического превращения
происходит на поверхности
катализатора 3, размещенного в
контактном устройстве 2. В
качестве катализатора применена
природная марганцевая руда
(пиромзит) в виде гранул раз- Рис. 17.29. Каталитический реактор
588 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
мером 2...5 мм, промотированных азотнокислым палладием. В
результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты:
диоксид углерода и водяные пары (С7Н8 + 902 —» 7С02 + 4Н20). Смесь
воздуха и продуктов реакции при температуре 350...450°С
направляется в рекуператор /, где отдает тепло газовоздушному потоку,
идущему на очистку, и затем через выходной патрубок выводится в
атмосферу. Эффективность очистки такого реактора составляет
0,95...0,98 при расходе вспомогательного топлива (природного газа)
3,5...4,0 м3 на 1000 м3 очищаемого воздуха. Гидравлическое
сопротивление реактора при номинальной нагрузке (800...900 м3/ч) не
превышает 150...180 Па.
Для удаления неприятных запахов биологического
происхождения, организации газоочистки в процессах нанесения лаковых
покрытий в автомобильной промышленности и литейных цехах
находят применение биохимические методы.
17.7. Биохимические методы
Биохимические методы газоочистки основаны на способности
микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные
соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов,
вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных
соединений или группы веществ, присутствующих в очищаемых газах.
Наиболее перспективными областями применения биохимических
методов газоочистки являются технологии, требующие очистки газов
постоянного состава, так как при частом изменении состава газа
микроорганизмы не успевают адаптироваться к новым веществам и
вырабатывают недостаточное количество ферментов для их
разложения, в результате чего биологическая система будет обладать слабой
разрушающей способностью по отношению к вредным компонентам
газов. Высокий эффект газоочистки достигается при условии,
что скорость биохимического окисления уловленных веществ
больше скорости их поступления из газовой фазы.
Различают две группы аппаратов биохимической очистки газов:
биофильтры и биоскрубберы. Биоскрубберами называют
абсорбционные аппараты (абсорберы, скрубберы), в которых орошающей
жидкостью (абсорбентом) служит водяная суспензия активного йла.
Содержащиеся в очищаемых газах вредные вещества улавливаются
абсорбентом и расщепляются микроорганизмами активного ила. Так
как биохимические реакции протекают с относительно небольшой
скоростью, для обеспечения высокой эффективности работы газо-
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 589
очистки установки требуется промежуточная емкость, которая
может быть выполнена в виде отдельного реактора или встроена в
основание абсорбера. В биофильтрах очищаемый газ пропускают
через слой фильтра-насадки, орошаемой водой для создания
необходимой влажности, достаточной для поддержания
жизнедеятельности микроорганизмов. Насадкой служат природные или
искусственные материалы. При использовании искусственных материалов
на них предварительно выращивают биологически активную пленку
орошением водой или суспензией активного ила.
Способность активного ила к расщеплению уловленных веществ
устанавливается по соотношению полной биохимической
потребности в кислороде (БПКП) до начала процессов нитрофикации и
химической потребности в кислороде (ХПК), которая характеризует
окисление вещества до оксида углерода и воды. При БПКП > 0,5 и
ХПК > 0,5 вещества поддаются биохимическому окислению.
При выборе аппаратурного оформления для новых
технологических процессов, а также реконструкции действующих установок
газоочистки необходимо руководствоваться следующими требованиями:
• максимальная эффективность процесса очистки в широком
диапазоне нагрузочных характеристик при малых энергетических
затратах;
• простота конструкции и ее обслуживания;
• компактность и возможность изготовления аппаратов или
отдельных узлов из полимерных материалов;
• возможность работы на циркуляционном орошении или на
самоорошении.
ЛИТЕРАТУРА
1 Энергетика и охрана окружающей среды / Под ред Н Г Залогина,
ЛИ Кроппа, Ю М Кострикина. М Энергия, 1979
2 Охрана окружающей среды / Под ред С В Белова М Высш шк,
1991
3 Методы очистки отходящих промышленных газов от органических
соединений Алфавитный указатель изобретений Новосибирск СОРАН, ГПНТБ,
1994
4 Носков А С , Пай 3 П Технологические методы защиты атмосферы от
вредных выбросов на предприятиях энергетики Новосибирск' СОРАН, 1996
5 Справочник по пылезолоулавливанию / Под ред А А Русакова М
Энергия, 1975
590 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Приложение
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном
воздухе населенных мест
Вещество
Азота диоксид
Азота оксид
Акрилонитрил
Акролеин
Алкилсульфат натрия
Аллил хлористый
Альдегид масляный
Альфа 3 (действующее начало — дихлорук
сусный кальций)
Амил бромистый (1-бромпентан)
н-Амилацетат
Амилены (смесь изомеров)
5/6 Амино-(2-парааминофенил) бензимида-
зол
2 Амино 1,3,5 триметилбензол (мезидин)
Аммиак
Амины алифатические С is—С>п
Аммония нитрат (аммиачная селитра)
Аммофос (смесь моно и диаммоний фосфата
с примесью сульфата аммония)
Ангидрид малеиновый
Ангидрид уксусный
Ангидрид фосфорный
Ангидрид фталевый
Анилин
Ацетальдегид
Ацетон
Ацетофенол
Барий углекислый (в пересчете на барий)
Белок пыли белково-витаминного
концентрата (БВК)
Бенз(а)пирен
ПДК, мг/м3
максимальная
разовая
0,085
0,6
—
0,03
0,01
0,07
0,015
3
0,8
0,1
1,5
—
0,003
0,2
0,003
—
2
0,2
0,1
0,15
0,1
0,05
0,01
0,35
0,003
—
—
—
средне
суточная
0,04
0,06
0,03
0,03
—
0,01
0,015
0,3
—
0,1
1,5
0,01
0,003
0,04
0,003
0,3
0,2
0,05
0,03
0,05
0,1
0,03
0,01
0,35
0,003
0,004
0,001
0,1
м кг/100 м3
Класс
опасности
2
3
2
2
4
2
3
4
2
4
4
3
2
4
2
4
4
3
3
2
2
2
3
4
3
1
2
1
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 591
Продолжение приложения
Бензин (нефтяной, малосернистый, в пере
счете на углерод)
Бензин сланцевый (в пересчете на углерод)
Бензол
Бактериальный инсектицидный препарат
(БИП) (действующее начало — спорово
кристаллический комплекс бациллус, турен
гиензис, вариант каузиказикус)
Битоксибациллин
Борат кальция
Бром
о Броманизол
Бромбензол
Бромоводород
о Бромфенол
п-Бромфенол
Бутан
1,3-Бутадиен (дивинил)
Бутил бромистый (1-бромбутан)
Бутилацетат
Бутилен
Бутиловый эфир акриловой кислоты (бути
лакрилат)
2 Бутилтиобензтиазол (бутилкаптакс)
Ванадия (V) оксид
Взвешенные вещества*, для которых уста
навливаются соответствующие ПДК
Винилацетат
Вольфрамат натрия (в пересчете на вольф
рам)
Гексаметилендиамин
Гексаметиленимин
5
0,05
1,5
—
—
1
—
1
0,13
0,13
200
3
0,7
0,1
3
0,0075
0,015
—
0,5
0,15
—
0,001
0,1
1,5
0,05
0,1
1,5 105
микробных
тел/м3
(0,005
мг/м3)
4,5 104
микробных
тел/м3
(0,0015
мг/м3)
0,02
0,04
—
0,03
0,1
0,03
0,03
—
1
—
0,1
3
—
—
0,002
0,15
0,15
0,1
0,001
0,02
4
4
2
2
2
3
2
4
2
3
2
2
4
4
2
4
4
2
3
1
3
3
3
2
2
* Недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе
населенных пунктов ПДК взвешенных не распространяется на аэрозоли
органических и неорганических соединений (металлов, их солей, пластмасс, биологических,
лекарственных препаратов и др )
592 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
Гексаметиленимин м-нитробензоат
(ингибитор коррозии Г-2)
Гексан
Гексафторбензол 1,2,3,4,7,7-Гексахлорби-
цикло-(2,2,1 )-гептен-2-5,6-бис (оксиметил)
сульфит (тиодан)
Гексахлорциклогексан (гексахлоран)
Гексен
Гексил бромистый (1-бромгексан)
Гептен
Гептил бромистый (1-бромгексан)
Германия (IV) оксид (в пересчете на германий)
Гидроперекись изопропилбензола
(гидроперекись кумола)
Денбробациллин
Децил бромистый (1-бромдекан)
Диамид угольной кислоты (карбамид,
мочевина)
4,4-Диаминодифенилсульфон
я-Дибромбензол
1,1-Дигидроперфторгептиловый эфир
акриловой кислоты
Дикетен
1,3-Ди-(2,4-ксилимино)-2-метил-2-азопропан
(митак)
Диметиламин
Диметиланилин
N, N-Диметилацетамид
О, 0-Диметил-5-(1,2 бис-чарбэтоксиэтилди-
тиофосфат) (карбофос)
Диметилвинилкарбинол
4,4-Диметилдиоксан-1,3
Диметилдисульфид
О, О Диметил-З-(Ы-метилкарбамидометил)
дитиофосфат (фосфамид, рогор)
О, 0-Диметил-5-2-(1-М-метилкарбомоилэ-
тилгиоэтилфосфат) (кильвал)
О, О Диметил-5-(М-метил-М-формилкарбо-
моилметил) дитиофосфат (антио)
0,02
60
0,8
0,017
0,03
0,4
1
0,035
1
—
0,007
1
—
—
0,2
0,5
0,007
0,1
0,05
0,0055
0,2
0,015
1
0,01
0,7
0,003
0,01
0,01
—
—
0,1
0,017
0,03
0,085
—
0,065
—
0,04
0,007
3 104
микробных
тел/м3
—
0,2
0,05
—
—
—
0,01
0,005
0,0055
0,006
—
—
0,004
—
0,003
0,01
0,01
3
4
2
2
1
3
2
3
2
3
2
2
2
4
3
2
3
2
3
2
2
2
2
3
2
4
2
2
3
Глава 17 Технические средства и Методы защиты атмосферы 593
Продолжение приложения
О, 0-Диметил-0-(4-нитрофенил) тиофосфат
(метафос)
О, 0-Диметил-(1-окси-2,2,2-трихлорэтил)
фосфонат (хлорофос)
Диметилсудьфид
Диметилформамид
О, 0-Диметил-5-этилмеркатпоэтилдитио-
фосфат (М-81, экатин)
Диметиловый эфир терефталевой кислоты
2,6-Диметилфенол (2,6-ксиленол)
Динил (смесь 25% дифенила и 75% дифе-
нилоксида)
Дифторхлорметан (фреон-22)
3,4-Дихлоранилин
4,4-Дихлордифенилсульфон
4,4-Дихлордифенилтрихлорметилкарбинол
(кельтан)
Дихлордифторметан (фреон-12)
2,3-Дихлор-1,4-нафтахинон (дихлон)
1,2-Дихлорпропан
2,3-Дихлорпропен
1,3-Дихлорпропилен
Дихлорфторметан (фреон-21)
Дихлорэтан
Дициклогексиламина малорастворимая соль
(ингибитор коррозии МСДА)
Дициклогексиламина нитрит (ингибитор
коррозии НДА)
Диэтиламин
(З-Диэтиламиноэтилмеркаптан
О, 0-Диэтил-0-(2-изопропил-4-метил-6-пи-
римидил) тиофосфат (базудин)
Диэтиловый эфир
Диэтилртуть (в пересчете на ртуть)
О, 0-Диэтил-5-(хлорбензоксазонилин-3-
метил) дитиофосфат (фозалон)
Железа оксид* (в пересчете на железо)
Железа сульфат* (в пересчете на железо)
0,008
0,04
0,08
0,03
0,001
0,05
0,02
0,01
100
0,01
—
0,2
100
0,05
—
0,2
0,1
100
3
0,008
0,02
0,05
0,6
0,01
1
—
0,01
—
—
—
0,02
—
0,03
0,001
0,01
0,01
0,01
10
0,01
0,1
0,02
10
0,05
0,18
0,06
0,01
10
1
—
—
0,05
0,6
0,01
0,06
0,0003
0,01
0,04
0,007
1
2
4
2
1
2
3
3
4
2
3
2
4
2
3
3
2
4
2
2
¦2
4
2
2
4
1
2
3
3
* При совместном присутствии в атмосферном воздухе контроль следует проводить
по ПДК хлорида железа
594 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
Железа хлорид* (в пересчете на железо)
Изоамил бромистый (1-бром-З-метилбутан)
Изобутенилкарбинол
Изобутил бромистый (1-бром-З-метилпро-
пан)
Изопропил бромистый (2-бромпропан)
Изопропилбензол (кумол)
Иод
Изопропил-2-(1-метил-н-пропил)-4,6-динит-
рофенилкарбонат (акрекс)
Ингибитор древесно-смоляной прямой гонки
(ИДСПГ), контроль по фенолу
Кадмия оксид (в пересчете на кадмий)
Капролактам (пары, аэрозоль)
Карбонат циклогексиламина (КЦА)
Кислота азотная по молекуле HNOs
Кислота борная
Кислота валериановая
Кислота капроновая
Кислота масляная
Кислота перфторвалериановая
Кислота пропионовая
Кислота серная по молекуле H9S04
Кислота терефталевая
Кислота уксусная
Кобальт металлический
Кобальт сернокислый (в пересчете на
кобальт)
Ксилол
Магния оксид
Магния хлорат
Марганец и его соединения (в пересчете на
оксид марганца)
Меди оксид (в пересчете на медь)
Меди хлорид (в пересчете на медь)
Мелиорант
2-Меркаптоэтанол (монотиоэтиленгликоль)
—
0,8
0,075
0,7
0,6
0,014
—
0,02
0,006
—
0,06
0,07
0,4
—
0,03
0,01
0,015
0,1
0,015
0,3
0 01
0,2
—
—
0,2
0,4
—
0,01
—
—
0,5
0,07
0,004
—
—
—
—
0,014
0,03
0,002
0,006
0,001
0,06
—
0,15
0,02
0,01
0,005
0,01
—
—
0,1
0,001
0,06
0,001
0,001
0,2
0,05
0,3
0,001
0,002
0,002
0,05
0,07
2
2
4
2
2
4
2
2
3
2
3
3
2
3
3
3
3
3
3
2
1
3
1
2
3
3
4
2
2
2
4
3
* При совместном присутствии в атмосферном воздухе контроль следует проводить
по ПДК хлорида железа
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 595
Продолжение приложения
Метальдегид (ацетальдегид тетрамер)
Метилацетат
Метил-1-(бутил карбомоил )-2-(бензимида-
зол-карбамат (узген)
4-Матил-5,6-дигидропиран
Метилен хлористый
4-Метилентетра гидропира н
Метилмеркаптан
а-Метилстирол
Метиловый эфир акриловый кислоты
(метила крилат)
Метиловый эфир метакриловый кислоты
(метилметакрилат)
Метионин
Мильбекс (смесь. 1,1-бис-4-хлорфенилэта-
нол и п-хлорфенил-2,4,5-трихлорфенилазо-
сульфид)
Моноизобутиловый эфир этилеигликоля
(бутилцеллозольв)
Моноизопропиловый эфир этилеигликоля
(пропилцеллозольв)
Монометиламин
Монометиланилин
Монохлорпентафторбензол
Моноэтиламин
Мышьяк, неорганические соединения (в
пересчете на мышьяк)
Нафталин
З-Нафтол
ОС-Нафтахинон
Никель, растворимые соли (в пересчете на
никель)
Никель металлический
Никеля оксид (в пересчете на никель)
Нитробензол
м-Нитробромбензол
м-Нитрохлорбензол
о-Нитрохлорбензол
п-Нитрохлорбензол
З-Нитро-4-хлорбензотрифтрорид
0,003
0,07
0,35
1,2
8,8
1,5
9-Ю-6
0,04
0,01
0,1
0,6
0,2
1
1,5
0,004
0,04
0,6
0,01
—
0,003
0,006
0,005
—
—
—
0,008
0,12
0,004
0,004
0,004
0,005
0,003
0,07
0,05
—
—
—
—
0,04
0,01
0,01
—
0,1
0,3
0,5
0,001
0,04
0,1
0,01
0,003
0,003
0,003
0,005
0,0002
0,001
0,001
0,008
0,01
0,004
0,004
0,004
—
2
4
3
2
4
3
2
3
4
3
3
3
3
3
2
3
3
3
2
4
2
1
1
2
2
2
2
2
2
2
3
596 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
Озон
Окситетрациклин
Окситетрациклина хлоралгидрат
Октафтортолуол
Олова хлор'ид (в пересчете на олово)
Парамодибдат аммония (в пересчете на
молибден)
Пенициллин
Пентан
Пентафторбензол
Пентафторфенол
Перфторгептан
Перфтороктан
Пиридин
Полихлорпинен (смесь хлорированных би-
циклических соединений)
Пропил бромистый (1,1-бромпропан)
Пропилен
Пропилена окись
Пыль неорганическая, содержащая диоксид
кремния
выше 70% (динас и др )
70—20?/> (шамот, цемент и др )
ниже 20% (доломит и др )
Пыль хлопковая
Растворитель ацетатно-кожевенный (АКР)
(по этанолу)
Растворитель бутилформиатный (БЭФ) (по
сумме ацетатов)
Растворитель древесно-спиртовои марки А
(ацетоноэфирный), контроль по ацетону
Растворитель древесно-спиртовои марки Э
(эфирноацетоновый), контроль по ацетону
Растворитель мебельный (АРМ-3), контроль
по толуолу
Ртути ацетат (в пересчете на ртуть)
Ртути иодид (в пересчете на ртуть)
Ртуть металлическая
Ртути оксид красный (в пересчете на ртуть)
Ртути оксид желтый (в пересчете на ртуть)
0,16
0,01
0,01
1,3
0,5
—
0,05
100
1,2
0,8
90
90
0,08
0,005
0,6
3
0,8
0,15
0,3
0,5
0,5
0,5
0,3
0,12
0,07
0,09
—
—
—
—
—
0,03
—
—
—
0,05
0,1
0,0025
25
0,01
—
—
—
0,08
0,005
—
3
—
0,05
0,1
0,15
0,05
—
—
0,12
0,07
0,09
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
1
2
2
4
3
3
3
4
3
4
4
4
2
2
2
3
1
3
3
3
3
3
3
4
4
3
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 597
Продолжение приложения
Ртути (II) хлорид (в пересчете на ртуть)
(сулема)
Ртуть азотнокислая закисная водяная (в
пересчете на ртуть)
Ртуть азотнокислая окисная водяная (в
пересчете на ртугь)
Ртуть амидохлорная (в пересчете на ртуть)
Сажа
Свинец и его соединения, кроме тетраэтил-
свинца (в пересчете на свинец)
Свинец сернистый (в пересчете на свинец)
Селена диоксид (в пересчете на селен)
Сероводород
Сероуглерод
Синтетические моющие средства типа
«Кристалл» на основе алкилсульфата
натрия, контроль по алкилсульфату натрия
Скипидар
Спирт амиловый
Спирт бензиловый
Спирт бутиловый
Спирт 1,1-дигидроперфторамиловый
Спирт 1,1 дигидроперфторгептиловый
Спирт изобутиловый
Спирт изовктиловый (2 этилгексанол)
Спирт изопропиловый
Спирт метиловый
Спирт пропиловый
Спирт этиловый
Стирол
Теллура диоксид (в пересчете на теллур)
Термостойкая прядильная эмульсия (Теп
рем), контроль по сумме альдегидов, окиси
этилена
Тетрагидрофуран
Тетрафторэтилен
З-Тетрафторэтоксифен ил мочевин а (томи-
лон, тетрафлурон)
Тетрахлорпропен
—
—
—
—
0,15
—
—
0,1 мкг/м3
0,008
0,03
0,04
2
0,01
0,16
0.1
0,3
0,1
0,1
0,15
0,6
1
0,3
5
0,04
—
0,002
0,2
6
0,6
0,07
0,0003
0.0003
0,0003
0,0003
0,05
0,0003
0,0017
0,05
мкг/м3
—
0,005
0,01
1
0,01
—
0,1
—
—
0,1
0,15
0,6
0,5
0,3
5
0,002
0,5 мг/м3
—
0,2
0,5
0,06
0,04
3
2
2
2
4
3
4
3
3
3
4
4
3
3
3
4
2
1
3
4
4
3
2
598 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
1,1,2,2-Тетрахлорэтан
Тетрахлорэтилен (перхлорэтилен)
Тетрациклин
1,2,3 Тиадиазонил-5-М-фенилмочевина
(дропп)
Тиофен (тиофуран)
Толуилендиизоцианит
Толуол
Трибромметан (бромформ)
S, S, S Трибутилтритиофосфат (бутифос)
1,1,5-Тригидрооктафторпентанол (ТС-п-2)
1,1,3-Тригидротетрафторпропанол, (ТС-п-1)
Трикрезол (смесь изомеров орто-, мета-,
пара )
N (З-трифторметилфенил)-Ы, N-диметилмо-
чевина (которан)
Трихлорметан (хлороформ)
1,2,3-Трихлорпропан
Трихлорфторметан (фреон-11)
1,1,1-Трихлорэтан (метилхлороформ)
Трихлорэтилен
Триэтиламин
Углерода оксид
Углерода тетрахлорид
Фенол
Фенолы сланцевые
Феррит бариевый (в пересчете на барий)
Феррит марганец-цинковый (в пересчете на
марганец)
Феррит никель-цинковый (в пересчете на
цинк)
Флюс канифольный активированный (ФКТ),
контроль по канифоли
Формальдегид
Фтористые соединения (в пересчете на фтор)
газообразные соединения (фтористый
водород, тетрахлорид кремния)
хорошо растворимые неорганические
фториды (фторид алюминия, фторид
кальция, гексафторалюминат натрия)
0,06
0,5
0,01
0,5
0,6
0,05
0,6
—
0,01
1
1
0,005
—
—
—
100
2
4
0,14
5
4
0,01
0,007
—
—
—
0,3
0,035
0,02
0,03
0,2
—
0,06
0,006
0,2
—
0,02
0,6
0,05
0,01
0,05
0,05
0,005
0,05
0,03
0,05
10
0,2
1
0,14
3
0,7
0,003
—
0,004
0,002
0,003
0,3
0,003
0,005
0,01
0,03
4
2
2
4
4
1
3
3
2
4
4
2
3
2
3
4
4
3
3
4
2
2
3
3
2
2
4
2
2
2
2
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 599
Продолжение приложения
Фурфурол
Хлор
м-Хлоранилин
п-Хлоранилин
Хлорбензол
п-Хлорбензотрифторид
Хлорвоводород
Хлоропрен
Хлоротетрациклина (кормовой)
м-Хлорфенилизоцианат
п-Хлорфенилизоцианат
2-Хлорциклогексилтио-М-фталамид (хлор
ЦТФ)
Хлор шестивалентный (в пересчете на оксид
хрома (IV))
Циановодород
Циклогексан
Циклогексанол
Циклогексанон
Циклогексаноноксим
N-Циклогексилтиофталамид (ЦТФ)
Цинка оксид (в пересчете на цинк)
Эпихлоргидрин
Этил хлористый
Этилацетат
Этилбензол
Этилен
Этилена окись
Этиленимин
Этиленсульфид
0-Этил-0-4-(метилтио) фенилпропилдитио-
фосфат (болстар)
0,05
0,1
0,01
0,04
0,1
0,1
0,2
0,02
0,05
0,005
0,0015
3,5
0,0015
—
1,4
0,06
0,04
0,1
0,3
—
0,2
—
0,1
0,02
3
0,3
0,001
0,5
0,01
0,05
0,03
0,01
0,01
0,1
—
0,2
0,002
0,05
0,005
0,0015
0,35
0,0015
0
1,4
0,06
—
—
—
0,05
0,2
0,2
0,1
0,05
3
0,3
0,001
—
—
3
2
1
2
3
3
2
2
2
2
2
4
1
1
4
3
3
3
4
3
2
4
4
3,
3
3
1
1
3
При совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких
веществ, обладающих суммацией действий, сумма их концентраций
не должна превышать 1 (единицы)
Эффектом суммации обладают:
1) ацетон, акролеин, фталевый ангидрид;
2) ацетон, фенол;
600 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
3) ацетон и ацетофенон;
4) ацетон, фурфурол, формальдегид и фенол;
5) ацетальдегид и винилацетат,
6) аэрозоли оксид ванадия (V) и оксиды марганца;
7) аэрозоли оксид ванадия (V) и оксиды серы;
8) аэрозоли оксид ванадия (V) и оксид хрома;
9) бензол и ацетофенон;
10) валериановая, капроновая и масляная кислоты;
11) вольфрамовый и сернистый ангидриды;
12) гексахлоран и фазолон;
13) 2,3-дихлор и 1,4-нафтахинон;
14) 1,2-дихлорпропан, 1,2,3-трихлорпропан и тетрахлорэтилен;
15) изопропилбензол и гидроперекись изопропилбензола;
16) изобутенилкарбинол и диметилвинилкарбинол;
17) метилдигидропиран и метилентетрагидропиран,
18) триоксид димышьяка и свинца ацетат,
19)триоксид димышьяка и германий;
20) озон, диоксид азота и формальдегид;
21) оксид углерода, диоксид азота, формальдегид, гексан;
22) лролионовая кислота и пропионовый альдегид;
23) диоксид серы и аэрозоль серной кислоты;
24) диоксид серы и никель металлический;
25) диоксид серы и сероводород;
26) диоксид серы и диоксид азота;
27) диоксид серы, оксид углерода, фенол и пыль конверторного
производства;
28) диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и фенол;
29) диоксид серы и фенол,
30) диоксид серы и фтороводород;
31) оксид и диоксид серы, аммиак и оксид азота;
32) сероводород и динил;
33) сильные минеральные кислоты (серная, соляная и азотная);
34) углерода оксид и пыль цементного производства;
35) уксусная кислота и уксусный ангидрид;
36) фенол и ацетофенол,
37) фурфурол, метиловый и этиловый спирты,
38) циклогексан и бензол;
39) этилен, пропилен, бутилен и амилен.
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 601
Гл а в а 18
ЗАЩИТА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
18.1. Способы очистки нефтесодержащих стоков
Способы очистки нефтесодержащих стоков и их эффективность
во многом зависят от методов транспортирования стоков от места
их образования до очистных сооружений, так как в воде могут
происходить изменения, существенно ухудшающие и усложняющие
процессы очистки.
При выборе технологии очистки конкретного стока
определяющими факторами являются:
• расход стока;
• исходная концентрация нефтепродуктов и сопутствующих
загрязнений;
• требования к качеству очищенной воды по всем нормируемым
загрязнениям.
Таким образом, в зависимости от требований к качеству
очищенной воды выбирается технологическая схема очистки сточных вод,
основу которой составляет механическая обработка При этом в
зависимости от конкретных условий используются гравитационные
устройства разнообразных конструкций, а с целью повышения
эффекта очистки может быть осуществлена предварительная или
последующая обработка стоков
На практике достаточно широко используется отстаивание с
использованием реагентов (коагулянтов, флокулянтов, их
комбинаций) или без них. Кроме того, технология очистки может включать
фильтрование, флотацию, сорбцию, центрифугирование,
хлорирование или озонирование. Краткая характеристика методов очистки
нефтесодержащих стоков приведена в табл. 18 1
Методы механической очистки, основанные на
гравитационном разделении материалов, позволяют извлекать из
сточных вод нефтепродукты, находящиеся в грубодисперсном
(капельном) состоянии. Поэтому эти методы применяются совместно
с другими, более тонкими методами
Используемые для механической очистки стоков решетки,
песколовки, нефтеловушки, отстойники и другие устройства
предназначаются для задержания основной массы сопутствующих
загрязнений минерального происхождения (песок, земля), а также для
защиты от износа и забивания устройств и сооружений, устанавлива-
602 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Таблица 18.1
Способ очистки
нефтесодержащих
вод
Механический
(отстаивание)
Физико-химические:
коалесценция
адсорбция
химический
Биохимический (с
помощью аэробных
микроорганизмов)
Допустимая
начальная
концентрация
нефтепродуктов
в стоках, мг/л
> 1000
100
100
50
100
Достигаемая
глубина
очистки,
мг/л
40... 1000
10...15
1...3
1 ...10
1...10
Примечание
Не очищает от эмульгированных
продуктов
Частично очищает от
эмульгированных продуктов
Очищает от эмульгированных
нефтепродуктов (после
предварительной очистки)
Применяется в сочетании с
фильтрацией или отстаиванием
Обязательно предварительное
отстаивание, очищает от
эмульгированных нефтепродуктов
емых за ними. В процессе очистки часть нефтепродуктов всплывает
в виде пленки на поверхность воды, а другая часть, покрывая гру-
бодисперсные примеси, опускается на дно. На рис. 18.1 приведен
перечень основных устройств, предназначенных для очистки
нефтесодержащих стоков и нашедших наибольшее распространение.
С помощью песколовок удаляются механические грубодисперс-
ные примеси, а также часть нефтепродуктов. В технологических
схемах очистки они располагаются между решетками и первичными
отстойниками (или нефтепродуктами), обеспечивая их нормальную
работу. Конструктивно песколовки в зависимости от направления
движения сточной воды подразделяются на горизонтальные и
вертикальные. Они применяются при расходе сточных вод более
100 м3/ч. При меньшем расходе очищаемых вод используют
щелевые песколовки, эффективность которых ниже. Горизонтальные и
вертикальные песколовки задерживают 15...20% минеральных
примесей из стоков. Удаление осадка из песколовки (кроме щелевой)
производится гидроэлеватором.
Основная масса нефтепродуктов из стоков (до 95%)
улавливается с помощью нефтеловушек. По конструктивному исполнению
нефтеловушки могут быть горизонтальными, вертикальными,
радиальными с дополнительными устройствами, позволяющими
эффективно удалять как плавающие нефтепродукты с поверхности воды,
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 603
Песколовки
Сетки
Коаписцирующие
вращающиеся диски
Отстойники
Решетка
Маслоуловители
Гидроциклоны
Механическая очистка
Нефтеловушки
Бензоуловители
Фильтры
Рис. 18.1. Основные устройства механической очистки нефтесодержащих стоков
так и осадок. Наибольшее распространение получили
горизонтальные нефтеловушки, степень очистки сточных вод при помощи
которых-достигает 60...70%. Для повышения эффективности работы
нефтеловушек применяют тонкослойное отстаивание, когда в
отстойной зоне располагают пакеты пластин под углом 45...50° с
зазором 20...100 мм. Сокращение времени отстаивания достигается
уменьшением пути движения частиц. При использовании
многоярусных нефтеловушек (рис. 18.2) степень очистки можно повысить до
98%.
Следует заметить, что в нашей стране тонкослойные
отстойники-нефтеловушки серийно не выпускаются, так как они обладают
целым рядом недостатков, уменьшающих их эффективность. В
настоящее время имеется значительное количество отечественных и
зарубежных патентов на конструкции и узлы тонкослойных
отстойников, которые могут быть рекомендованы для промышленного
применения. Остаточное содержание тонкодисперсных нефтепродуктов
в стоках после отстаивания составляет 10...30 мг/л.
Процесс отстаивания может быть организован как в
специальных отстойниках, так и в маслоловушках. Этот процесс основан на
использовании закономерности всплывания маслопродуктов в воде.
Следует отметить, что с помощью отстойников можно отделять не
только легкие фракции (маслопродукты), но и твердые частицы с
604 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Рис. 18.2. Многоярусная нефтеловушка конструкции ВОДГЕО
/ ¦— водоотражательный щит; 2 — зона грубой очистки; 3 — маслосборная
труба; 4 — распределительное устройство; 5 — тонкослойные блоки; 6 —
скребковый транспортер; 7 — водосборный лоток; 8 — гидроэлеваторы
удельной плотностью выше, чем у воды. Длину отстойника
определяют с учетом скорости осаждения твердых частиц и скорости
всплывания маслопродуктов. Всплывшие на поверхность маслопро-
дукты удаляются маслосборным устройством.
При расчете очистных сооружений, предназначенных для
отстаивания сточных вод, содержащих маслосодержащие примеси,
необходимо рассчитать скорость всплывания маслопродуктов и расход
сточной воды. Расчет скорости всплывания производится с помощью
уравнения Стокса:
ю0 = <К2РчР»/(18цж),
где q — скорость всплывания частиц, м/с; d4 — диаметр частиц,
м; рч, рж — удельная плотность частиц и жидкости соответственно,
кг/м3; |^ж — вязкость жидкости, Па • с.
Следует отметить, что уравнение Стокса справедливо и для
расчета скорости осаждения твердых частиц. Проведенные расчеты
позволяют определить геометрические размеры устройств и время
отстаивания сточной воды. Для очистки концентрированных маслосо-
держащих сточных вод машиностроительных предприятий,
например стоков охлаждающих жидкостей металлорежущих станков,
широко применяют обработку сточных вод специальными реагентами,
способствующими коагуляции примесей в эмульсиях. В качестве
реагентов используют Na2C03, NaCl, H2S04, смесь NaCI и A12(S04)3
и др.
Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил
осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом целесообразнее
использовать напорный гидроциклон для одновременного выделения
и твердых частиц, и маслопродуктов, что необходимо учитывать в
конструкции гидроциклона. Движение потока по спирали позволяет
полнее использовать объем аппарата. Поэтому гидроциклоны всегда
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 605
А-А
Рис. 18.4. Схема открытого гидроциклона
меньше по объему, чем
отстойники. Гидроциклоны,
применяемые в различных отраслях
промышленности, подразделяются
на напорные, открытые и
многоярусные. В качестве
примера на рис. 18.3 представлена
конструкция многоярусного
низконапорного гидроциклона, в
котором используются конические
диафрагмы, позволяющие
повысить эффективность работы
аппарата.
Для отделения из сточных
вод крупных твердых частиц
используются открытые
гидроциклоны. Скорость осаждения
частиц в таких циклонах достигает
0,02 м/с. Сравнительный
анализ этих циклонов с напорными
показывает, что открытые
циклоны имеют большую
производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа.
Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в
гидроциклонах зависит от характеристик примесей (вида
материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкционных и
геометрических характеристик гидроциклона [1, 2]. На рис. 18.4
представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из
входного патрубка /, кольцевого водослива 2, трубы для отвода очищенной
воды 3 и шламоотводящей трубы 4. Кроме указанной схемы извест-
Рис. 18.3. Многоярусный
низконапорный гидроциклон
/ — конические диафрагмы; 2 —
впускные камеры; 3 — насадки для
отвода воды; 4 — корпус: 5 — шламо-
приемные щели; 6 — окна для отвода
масел; 7 — трубопровод для отвода
масла; 8 — трубопровод для отвода
шлама; 9 — бункер для шлама; 10 —
трубопровод для отвода осветленной
воды; // — водосливная стенка; 12 —
маслоудерживающий щит; 13 —
воронка для отвода масел
606 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
ны гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с
внутренней цилиндрической перегородкой.
Производительность открытого гидроциклона определяется по
формуле
Q0 = 0,785^D2,
где D — диаметр цилиндрической части гидроциклона, м; q —
расход воды (q = 4,32ш0); для открытых гидроциклонов с внутренней
цилиндрической перегородкой q = 7,15оо0; со0 — скорость
осаждения, м/с. При проектировании открытых гидроциклонов
рекомендуются следующие значения геометрических характеристик: D -
= 2... 10 м; высота цилиндрической части Н = D; диаметр входного
отверстия d = 0,1D (при одном отверстии), при двух входных
отверстиях d = 0.0707D; угол конической части а = 60°.
Напорные гидроциклоны по конструкции аналогичны циклонам
для очистки газов от твердых частиц. Их производительность
Q = kDd V2Ap/p,
где k — коэффициент, зависящий от условий входа сточной воды
в гидроциклон (для гидроциклонов с диаметром D цилиндрической
части 0,125...0,6 м и углом конической части 30° k - 0,524); Ар —
перепад давлений воды в гидроциклоне; р — плотность очищаемой
сточной воды, кг/м3.
Для очистки сточных вод от маслопродуктов достаточно
широко используется флотация. Применение процесса флотации
позволяет интенсифицировать всплывание маслопродуктов за счет
их обволакивания пузырьками воздуха, который подается в сточную
воду. В зависимости от процесса образования пузырьков воздуха
различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую,
пенную, химическую,
биологическую, электрофлотацию,
вибрационную.
На рис. 18.5 представлена
схема флотатора [1,4],
предназначенного для очистки сточных вод
от маслопродуктов, поверхностно-
активных и органических
веществ, а также от взвешенных
частиц. Принцип действия
флотатора заключается в следующем:
сточная вода по трубопроводу / из
2 3 4^^ 5 6
Рис
18 5 Схема пневматического
флотатора
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 607
отверстия в нем равномерно поступает во флотатор 10.
Одновременно по трубопроводу 2 подается сжатый воздух, который через
насадки //, выполненные из пористого материала, в виде мельчайших
пузырьков равномерно распределяется по сечению флотатора.
Образующаяся пена скапливается между зеркалом воды и крышкой
флотатора 3, откуда она отсасывается центробежным вентилятором
4 в пеносборник 5 и через трубопровод 6 направляется для
обработки пены и извлечения из нее маслопродуктов. В процессе
вертикального движения сточной воды во флотаторе содержащийся в воздухе
кислород окисляет органические примеси, а при малой их
концентрации имеет место насыщение воды кислородом. Очищенная таким
образом сточная вода огибает вертикальную перегородку 9 и
сливается в приемник 7 очищенной воды, откуда по трубопроводу 8
подается для дальнейшей обработки.
Как было отмечено выше флотаторы бывают
горизонтальные, вертикальные и радиальные [41. Их схемы приведены на
рис. 18.6... 18.8. Производительность горизонтальных и
вертикальных флотаторов достигает 100 м3/ч. В отдельных случаях для
очистки сточных вод предприятий типа нефтебаз большой интерес
могут представлять колонные флотаторы.
Среди многообразия флотационных установок следует выделить
установку «Флора», которая обладает достоинствами напорного и
пневматического флотационных процессов. В ее конструкции
предусмотрены принудительный выброс образовавшихся флотокомплек-
сов и внутренняя циркуляция потока, обеспечивающая доочистку
воды. Рабочая высота установки «Флора» не превышает 0,35 м. При
исходной концентрации нефтепродуктов в стоках 50...200 мг/л
остаточное их содержание в воде после очистки составляет
1,5... 1 мг/л. Достоинства данной разработки заключаются в том,
что флотационная установка компактна, автономна, проста в
изготовлении и эксплуатации, хорошо автоматизируется. Установка
может работать от внешнего источника сжатого воздуха и с
использованием коагулянтов, флокулянтов, вспенивателей. Кроме того,
она может быть использована в местах образования нефте-, масло-,
жиро- ПАВ содержащих стоков, а именно, в цехах, автохозяйствах,
гаражах, на машиностроительных и химических заводах,
предприятиях агропромышленного комплекса, на морских и речных судах.
Использование коагулянтов (в виде растворов сернокислого
алюминия, железа и др.) и флокулянтов (поливиниловый спирт,
полиакриламид, полиэтиленоксид) значительно интенсифицирует
процесс флотации загрязнений, так как при этом повышается гид-
608 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
» '*%* fit
Рис. 18.6. Схема горизонтального
флотатора: / — флотационная камера; 2 —
выделительная камера, 3 — скребковое
устройство; 4 — сборник очищенной
воды; 5 — пеносборная камера; 6 —
выпуск пенной массы; 7 — выпуск воды;
8 — дросселирующее устройство
&L
О
а
¦о,1
2
,х.
*
Рис. 18.7. Схема вертикального
флотатора: / — флотационная камера;
2 — сборная щелевая трубка; 3 —
выход сточной воды; 4 — выход
пенной массы; 5 — выделительная
камера; 6 — электродвигатель, 7 —
скребок; 8 — камера для слива
очищенной воды
Рис. 18.8. Схема радиального флотатора: / — зона флотации; 2 — зона
распределения; 3 — сборник пены; 4 — скребки; 5 — отвод очищенной воды, 6 —
кольцевая перегородка; 7 — вращающийся водораспределитель; 8 — отвод осадка
рофобизация частиц. Это может быть достигнуто и с помощью
собирателей катионного типа, представляющих собой смесь
солянокислых солей первичных алифатических аминов, ацетата амина
канифоли, полиэтиленами и др. По сравнению с неорганическими
коагулянтами расход используемых собирателей, равный нескольким
граммам на кубический метр, на порядок ниже, несмотря на то, что
процесс зависит от природы собирателя и концентрации эмульсий.
В результате сокращается объем шламового осадка. Из других
факторов, повышающих эффективность процесса флотации, следует
отметить использование электрического поля вместе с коагуляцией
примесей, оптимизацию температуры и среды.
Для дополнительного обезвреживания сточных вод с помощью
электрохимических окислительно-восстановительных реакций в
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 609
Впуск воды
Рис. 18.9. Схема устройства электрофлотатора
/ — входная камера; 2 — пеноотводный желоб, 3 — змеевиковый подогреватель
пенной массы; 4 — выпускная камера; 5 — катод; 6 — анод; 7 — патрубок
выпуска осадка и опорожнения
промышленности применяют метод электрофлотации.
Используемые при этом методе алюминиевые или железные электроды
обуславливают переход ионов алюминия или железа в раствор, в
результате чего происходит коагулирование мельчайших частиц
загрязнений, содержащихся в сточной воде. Электрофлотация
гидрофобных, загрязнений протекает под воздействием газовыделения,
образующегося при электролизе водных растворов с применением
электрохимически нерастворимых анодов, например угольных,
графитовых. Катод, как правило, изготавливают из сетки, а
электродный блок располагают горизонтально на дне флотационной камеры,
что является одним из конструкционных недостатков, так как это
способствует засорению блока (рис. 18.9) [4].
Использование при флотации электролитического способа
генерации газовых пузырьков по сравнению с другими способами
аэрации имеет следующие существенные преимущества:
• высокую степень дисперсности газовых пузырьков и
относительную чистоту их поверхности, повышающую эффективность газа
в широких пределах;
• отсутствие вращающихся частей в электрофлотационных
аппаратах (что гарантирует надежность их работы);
• возможность флотации раздельно пузырьками водорода или
кислорода для проведения окисления;
• простоту изготовления электрофлотационного аппарата и
несложность его обслуживания.
Дисперсность пузырьков газа легко варьировать изменением
плотности тока на электродах или диаметра и формы электрода, но
20-4910
610 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
для каждого технологического случая оптимальные параметры
процесса определяются экспериментально. Обычно:
• плотность тока при электрофлотации находится в пределах
100...300 А/м2;
• насыщенность жидкости водородом достигает 0,10...0,13%;
• продолжительность процесса может быть от нескольких
минут до 30...40 мин;
• расстояние между электродами составляет 5...20 мм;
• расход электроэнергии около 1 кВт • ч/м3;
• эффективность по нефтепродуктам достигает 90%.
Эффективность процесса может быть повышена с помощью
коагулянтов и флокулянтов путем подкисления до изоэлектрической
точки, электрохимического окисления (деструкции примесей) и
других мероприятий.
Преимущества метода:
• высокая степень очистки за достаточно короткое время;
• бесшумность работы;
• отсутствие вращающихся частей;
• возможность утилизации извлекаемых компонентов и др.
Как уже было отмечено выше, основную роль в процессе
флотации частиц выполняют, как правило, пузырьки водорода,
выделяющиеся с поверхности катода. От числа и размера пузырьков зависит
эффективность процесса флотационной очистки. Количество
пузырьков зависит от плотности тока и материала электродов, а их
размер во многом зависит от кривизны поверхности электродов,
которые изготавливаются в виде проволочной сетки. При этом на
размер пузырьков влияет толщина проволоки, например, с увеличением
диаметра проволоки размеры пузырьков, как правило, возрастают.
Электрофлотацию можно осуществлять либо с применением
диафрагмы, либо без нее. Во избежание перемешивания газов и
образования гремучей смеси (2/3 водорода и 1/3 кислорода)
предпочтение отдается диафрагменному варианту, тем более, что при этом
можно уменьшить расстояние между электродами.
Следует отметить, что очистка сточных вод, загрязненных
мелкодисперсными и коллоидными частицами, требует применения
коагулянтов, введение которых можно осуществить при
использовании растворимых анодов (алюминия или железа). Таким образом,
можно выполнить одновременно и коагуляцию частиц, и флотацию
их пузырьками. На рис. 18.10 и 18.11 приведены схемы
электрофлотационных установок [1, 2].
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 611
Рис. 18.10. Схема установки для очистки сточных вод электрофлотационным
методом (растворимые электроды)
1,2,3 — секции аппарата; 4 — пенный продукт; 5 — канал для очищенной
воды; 6 — корпус; 7 — 12 — электроды, 13 — канал для исходной сточной воды
Рис. 18.11. Схема установки для очистки сточных вод электрофлотационным
методом (с диафрагмой)
/ — пенный слой; 2 —¦ флотационная камера; 3 — корпус; 4 — диафрагма; 5 —
катод; 6 — анод; 7 — канал для отвода кислорода; 8 — штуцер для отвода
очищенной воды; 9 — штуцер для отвода жидкости из анодного пространства
В бездиафрагменном варианте электроды устанавливаются в
каждой из трех секций. В первой секции электроды изготовлены из
алюминия и располагаются вертикально с последовательным
чередованием анода и катода. Во второй секции анодом служит
графитовая пластина, которая расположена горизонтально, и параллельно
ей — проволочная сетка, играющая роль катода. В третьей секции
графитовые пластины, выполняющие роль анода, расположены вер-
20'
612 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Однослойные
Многослойные
Скоростные. 2...15 м/ч
Медленные 0,5 м/ч
Сверхскоростные- 25 м/ч
Фильтр
Напорные
Безнапорные
Рис 18 12 Классификация фильтров
А~А тикально под горизонтально
расположенным катодом.
В первой секции происходит
образование гидроокиси
металла одновременно с
коагуляцией примесей и флотацией их
на поверхность. Во второй и
третьей секциях процесс
очистки интенсифицируется.
Следует отметить, что
выделяющийся на аноде кислород
может окислить те или иные
органические компоненты
сточных вод, снижая тем
самым химическую
потребность в кислороде (ХПК) и
биохимическую потребность в
кислороде (ВПК)
Электрофлотационный метод эффективен
при очистке сточных вод
различных отраслей
промышленности, в частности
химической, целлюлозной, кожевенной
и др. Очень важно подчеркнуть
перспективность использования электрофлотационного метода для
очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов [1,2, 4].
Рис 18 13 Схема напорного
вертикального фильтра с зернистой загрузкой
/ — трубопровод для подачи воды на
очистку, 2 — слой зернистого фильтрую
щего материала, 3 — верхнее
распределительное устройство, 4 —
контрольный эллиптический лаз, 5 —
круглый лаз, б — трубопровод для
подачи промывной воды, 7 — трубопровод
для отвода первого фильтра, 8 — то же,
очищенной воды, 9 — то же промывной
воды
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 613
В ряде случаев единственным способом очистки сточных вод
является фильтрование На рис 18 12 приведена классификация
фильтров, используемых в различных отраслях промышленности
для очистки сточных вод; на рис. 18.13 — конструкция напорного
вертикального фильтра с зернистой загрузкой [4]. В качестве
фильтрующего материала применяют кварцевый песок, керамзит; графит;
кокс, полимерные материалы — пенополистирол, пенополиуретан,
синпон и др , а также сетки, нетканые материалы на основе
синтетических волокон и т.д.
При регенерации синтетических фильтрующих материалов
удаляется до 95% адсорбированных нефтепродуктов Экономическая
целесообразность фильтрования определяется
продолжительностью работы фильтра между промывками, поэтому, как
правило, фильтрование применяют после предварительной
механической очистки. Фильтрование позволяет снизить концентрацию
маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников и
гидроциклонов, которая составляет 0,01 ..0,2 кг/м3 и значительно
превышает допустимые концентрации
Использование кварцевого песка в качестве фильтрующего
материала вполне обосновано, так как он наиболее доступен и
обладает хорошими фильтрующими свойствами [1—5]. Кроме него, в
качестве фильтрующих материалов используют доломит, керамзит,
глауконит. Эффективность очистки сточных вод от маслосодержа-
щих примесей значительно повышается при добавлении
волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного
производства).
Перечисленные фильтроматериалы обладают рядом
недостатков, к которым прежде всего следует отнести малую скорость
фильтрации и сложность процесса регенерации. Эти недостатки можно
устранить с помощью вспененного полиуретанового фильтра
Фильтры, выполненные из пенополиуретана, обладают большой мас-
лопоглощающей способностью и при скорости фильтрования около
0,01 м/с обеспечивают эффективность очистки 0,97 .0,99 Кроме
этого, насадки из пенополиуретана легко регенерируются путем
механического отжимания маслопродуктов.
На рис 18.14 представлена схема фильтра-сепаратора с
фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, предназначенного
для очистки сточных вод от маслопродуктов и твердых частиц [1,
2]. Сточную воду по входному трубопроводу 5 подают под нижнюю
опорную решетку 4. Вода проходит через фильтровальную загрузку
в роторе 2, верхнюю решетку 4 и, очищенная от примесей, перели-
614 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
2.
Рис. 18.14 Схема
фильтра-сепаратора с пенополиуретано-
вой загрузкой
вается в приемный карман 6 и выводит-
г1 / h ся из корпуса / фильтра. При концент-
Li Уинии Ьниеш tn1 рации маслопродуктов и твердых
частиц до 0,1 кг/м3 эффективность
очистки составляет соответственно
0,92...0,98 и 0,90. Время непрерывной
эксплуатации фильтра составляет
16...24 ч. Достоинствами данной
конструкции являются простота и высокая
эффективность регенерации фильтра,
которая производится с помощью
электродвигателя 7. При вращении
ротора 2 электродвигателя, заполненного
частицами пенбполиуретана возникают центробежные силы,
отбрасывающие эти частицы к внутренним стенкам ротора и выжимая
маслопродукты. Затем маслопродукты поступают в карманы 3 и
направляются на регенерацию, время которой составляет около 0,1 ч.
По конструктивному исполнению фильтры, в которых в качестве
фильтрующего материала используется пенополиуретан, достаточно
разнообразны. В качестве примера, подтверждающего сказанное, на
рис. 18.15 представлена схема еще одного фильтра с пенополиуре-
тановой загрузкой [1, 4]. Сточная вода по трубопроводу / поступает
в распределительную камеру 2 и через регулирующий вентиль 3 и
водораспределительные окна 4 подается в фильтр 5, заполненный
пенополиуретаном 6. Пройдя через слои фильтроматериала, сточная
вода очищается от масла и взвешенных веществ и через сетчатое
днище 13 отводится по трубопроводу 14. Для поддержания
постоянного уровня очищаемой воды в фильтре предусмотрена камера 12
с регулирующим вентилем //. Регенерация частиц пенополиуретана
осуществляется специальным устройством, установленным на
передвижной тележке 10, что позволяет регенерировать весь объем
фильтра. Насыщенные маслом частицы пенополиуретана через цеп-
>&з—
Рис 18 15 Схема полиуретанового фильтра
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 615
ной элеватор 7 попадают на отжимные барабаны 8 и, освободившись
от маслообразных и взвешенных веществ, вновь попадают в фильтр.
Отжатые загрязнения по сборному желобу 9 отводят для
дальнейшей переработки.
В табл. 18.2 приведены сравнительные характеристики
некоторых пенополиуретановых фильтров.
Таблица 18 2
Расход сточной
воды, м3
0,05
0,067
0,083
0,1
0,117
0,05
0,067
0,083
0,1
0,117
Концентрация
маслопродуктов до
пенополиуретанового
фильтра, кг/м3
0,021.. 0,076
0,029...0,085
0,037...0,069
0,029.. 0,094
0,018...0,083
0,082 .0,11
0,074.. 0,118
0,107...0,223
0,084. .0,201
0,092.. 0,174
Продолжительность
фильтрования, ч
63
42
33
27
21
18
12
9
6
5
Эффективность
очистки
0,94
0,91
0,93
0,94
0,91
0,95
0,96
0,96
0,96
0,95
В зависимости от состава примесей и их состояния в ряде
производств нашли широкое применение зернистые и
электромагнитные фильтры. Например, для очистки сточных вод
машиностроительных предприятий используют два класса фильтров:
зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки
несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэле-
менты которых изготовлены из связанных пористых материалов.
В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтромате-
риалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п.
Изготавливают их однослойными и многослойными.
На рис. 18.16 представлена схема каркасно-насыпного фильтра.
Очищаемая сточная вода поступает по коллектору 3 и через
отверстия в нем равномерно распределяется по сечению фильтра.
Нисходящий поток сточной воды проходит через слои гравия 5 и песка 6,
через перфорированное днище 2, установленное на
поддерживающем слое / гравия и через трубопровод 8 отводится из фильтра.
Регенерация каркасно-насыпного фильтра осуществляется продув-
616 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
кой его сжатым воздухом, который
подается по трубопроводу 4, с
последующей обратной промывкой водой
через вентиль 7. Скорость
фильтрования в данном фильтре составляет
0,001...0,002 м/с для сточной воды,
поступающей в фильтр из циклона
или отстойника, для сточной воды,
поступающей в фильтр после биологи-
Рис 18 16 Схема каркасно-на- ческой очистки, — не более
сыпного фильтра 0,0028 М/С,
Для очистки сточных вод,
образующихся при работе кузнечно-прессо-
вого и прокатного оборудования, от ферромагнитных примесей
применяют электромагнитные фильтры (рис 18 17). Принцип действия
таких фильтров основан на использовании сил взаимодействия
между намагниченной фильтрованной загрузкой и
ферромагнитными примесями сточной воды Исходная сточная вода через
трубопровод / поступает в корпус 3, выполненный из немагнитного
материала, проходит через ограничительную решетку 4, фильтровальную
загрузку 5 с толщиной слоя 0,15...0,2 м, через опорную решетку 6
и выводится из фильтра по трубопроводу 7. Намагничивание
фильтровальной загрузки осуществляют магнитным полем, создаваемым
катушкой индуктивности 2 с ферромагнитным сердечником.
Эффективность очистки сточных вод от ферромагнитных и немагнитных
примесей достигает соответственно 98 и 60%. Регенерацию фильтра
осуществляют неочищенной сточной водой при выключенном
электромагнитном поле в направлении фильтрования или в
обратном направлении чистой водой. После механической очистки
оставшиеся в воде частицы нефтепродуктов размером менее 10 мкм
образуют эмульсионную систему, устойчивость которой определяется
степенью дисперсности, поверхностными и электрокинетическими
свойствами частиц.
Устойчивость этой системы может быть нарушена с помощью
гетерокоагуляции (при введении солей) или электрокоагуляции (при
введении электролитов). При гетерокоагуляции в сточные воды
добавляют осаждающие или эмульгирующие вещества, способные
образовывать мелкокристаллические или аморфные структуры,
малорастворимые в воде. В качестве коагулянтов широко используют
известь в чистом виде и в смеси с углекислым газом, с солями
хлорного и сернокислого железа и алюминия или с фосфатами; соедине-
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 617
-*И
8???3
40 О Оо
^ в О в О
гида/-
;,f„fg -^
Е^г
Рис 18 17 Схема
электромагнитного фильтра
ния хрома или кальция с глиной,
серной кислотой или сульфатом
меди; триполифосфат натрия с
гидроксидом натрия; алюминат
натрия и др.
В нашей стране в устройствах
очистки производственных
сточных вод чаще всего используются
следующие коагулянты:
• сульфат алюминия
(глинозем), имеющий плотность 1,62 т/м3, насыпную массу 1,05...1,1 т/м3
и растворимость в воде при t = 20°С 362 г/л;
• сульфат двухвалентного железа (железный купорос) с
плотностью 3 т/м3, насыпной массой 1,9 т/м3 и растворимостью в воде
265 г/л при 20°С.
Дозировка коагулянта устанавливается экспериментально
для каждого конкретного случая.
При введении минеральных коагулянтов в воду происходят
следующие процессы
• снижение агрегативной устойчивости дисперсной системы
под действием электролита (введенной соли);
• сорбция ионов на поверхности частиц;
¦ образование в результате химической реакции нового
малорастворимого соединения, являющегося центром образования
хлопьевидных структур, с частицами эмульсионной (коллоидной)
системы.
При гидролизе солей алюминия и железа в воде образуются
малорастворимые гидроокиси, и этот процесс является основным,
определяющим кинетику и эффективность очистки воды коагуляцией:
A12(S04)3 + 6Н20 -» 2А1(ОН)3 I + 3H2S04;
Fe2(S04)3 + 2H20 -» Fe(OH)2 I + H2S04;
Fe(OH)2 +02 + 2H20 -» 4Fe(OH)3 I.
Уменьшение расхода коагулянта достигается обеспечением
оптимальных значений рН
Преимущества, которыми обладает метод очистки сточных вод
коагуляцией, следующие:
• простота оборудования, предназначенного для процесса
коагуляции,
• невысокая стоимость монтажных работ;
618 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• простота ввода, увеличения и уменьшения реагентов, что
позволяет применять коагуляцию при значительных колебаниях
количества и качества сточных вод;
• возможность остановки процесса очистки или его
возобновления (при этом перерыв не влияет на протекание процесса).
К недостаткам следует отнести:
• образование значительных объемов осадков, имеющих
большую влажность и трудно поддающихся обезвоживанию;
• повышенное содержание ионов S04 и Сг в очищенной воде,
приводящее к коррозии оборотных систем водоснабжения;
• большой расход минеральных коагулянтов.
Для повышения качества очистки сточных вод, а также
ускорения процесса коагуляции и увеличения скорости осаждения
образующихся хлопьев применяют флокуляцию — добавление
специальных флокулянтов органического и неорганического происхождения.
Учитывая, что некоторые флокулянты диссоциируют в воде на ионы,
а некоторые нет, все они делятся на четыре группы:
1 — неионогенные: крахмал, поливиниловый спирт, полиакри-
лонитрил и др.;
2 — анионные: активная кремниевая кислота, полиакрилат
натрия и др.;
3 — катионные: полиэтиленамин; четвертичные аммониевые
соли на основе полистирола и поливинилтолуола (ВА-2, ВА-3, ВА-102
и др.);
4 — амфотерные, т е. содержащие одновременно анионные и
катионные группы (полиакриламид, белки и др.).
Эффективность и скорость процесса коагуляции сточных вод
зависят:
• от состава сточных вод;
• температуры сточных вод;
• интенсивности перемешивания;
• последовательности введения коагулянтов и флокулянтов;
• наличия электромагнитных полей и др.
Дозы коагулянтов и флокулянтов принимаются в пределах от
0,1 до 1 г/м3. Технология подготовки и использования реагентов
аналогична общепринятой в водоподготовке. В настоящее время
производится более 1500 полимерных флокулянтов различного
назначения. Вместе с тем постоянно ведутся работы по созданию
новых видов флокулянтов.
Для очистки сточных вод от растворимых примесей, кроме
рассмотренных выше способов, широко применяются электрокоагуля-
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 619
Рис 18.18. Схема электро-
коагуляционной
установки для очистки сточных
вод
ция, сорбция, нейтрализация, эвапорация,
ионный обмен, озонирование и др.
Электрокоагуляция чаще всего
применяется для очистки сточных вод
гальванических и травильных производств от
хрома и других тяжелых металлов, а также
от цианитов. Например, для очистки
сточных вод от шестивалентного хрома можно
использовать электрокоагуляционную
установку, схема которой представлена на
рис. 18.18 [1, 4]. Сточная вода из
промывной ванны 2 гальванического участка
насосом / по трубопроводу 3 подается в
проточный электролизер 6, в котором расположены электроды 5,
питающиеся напряжением 12...24 В от выпрямителя 4. При пропускании
электрического тока с плотностью 50... 100 А/м2 через сточную
воду, движущуюся по длине электролизера в течение 10...15 мин,
происходит анодное растворение поверхности стальных электродов,
и образующиеся при этом ионы двухвалентного железа
восстанавливают шестивалентный хром до трехвалентного. Одновременно
происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного хрома с
образованием нерастворимых гидрооксидов Fe(OH)2, Fe(OH)3 и
Сг(ОН)3. Сточная вода со взвешенными в ней гидрооксидами
поступает из электролизера в центрифугу 7, в которой происходит
отделение гидрооксидов железа и хрома и удаление их через
трубопровод 5. Очищенная от хрома вода по трубопроводу 10 поступает для
дальнейшей очистки или при закрытом вентиле 9 по трубопроводу
// — для повторного использования в промывных ваннах. Процесс
электрокоагуляции заключается в поляризации двойного ионного
слоя коллоидной частицы при воздействии электрического поля.
В результате частица перемещается к электроду, имеющему
противоположный заряд, т.е. происходит поляризационная коагуляция
дисперсных частиц.
На рис. 18.19 представлен вариант электрокоагуляционной
установки для очистки стоков, в которой использованы возможности
гидроциклона и вертикального отстойника [4].
Широко распространенные реагентные методы очистки нефтесо-
держащих сточных вод наряду с коагуляцией и флокуляцией
используют адсорбцию. В качестве адсорбентов применяют природные и
искусственные пористые материалы. Выпускаемые
промышленностью адсорбенты должны удовлетворять определенным стандартным
620 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Рис 18 19 Установка электрокоагуляционной очистки
/ — насос; 2 — бункер для осадка; 3 — гидроциклон, 4 — выпрямитель; 5 —
очищенная вода, 6 — уловленные нефтепродукты, 7 — вертикальный отстойник,
8 — электродный блок, 9 — осадок
показателям, в том числе прочности на истирание, сорбционной
емкости и др.
Так, для очистки и доочистки сточных вод от нефтепродуктов
используют: асбестосодержащие материалы, например отходы
производства асбестовых бумаг и картона (регенерация
прокаливанием); пористый полимерный сорбент — сополимер стирола и диви-
нилбензола (при этом нефтепродукты могут быть элюированы
растворителем); пенополиуретан, в который введены гранулы
ферромагнитного материала размером 0,01...0,1 мм в количестве
0,02...0,08% для фильтрования в магнитном поле (регенерация
отжимом); сорбент на основе базальтового волокна и гидрофобизато-
ра, кремний или органические гидрофобизирующие соединения —
2... 15% (регенерация — отжим или сжигание углеводородов,
позволяет многократное использование); древесные стружки, опилки,
волокна, помещенные в пористые тканые оболочки (утилизация
сжиганием) и другие материалы. Чаще других сорбентов используется,
однако, гранулированный активированный уголь, имеющий частицы
размером более 0,10 мм, на 85...99% состоящий из углеродов и
способный самопроизвольно отделяться от воды.
Наряду с адсорбцией в процессах очистки сточных вод от
растворимых примесей широко используют сорбцию. В качестве
сорбентов в сорбционных процессах могут выступать практически
любые мелкодисперсные вещества, например зола, торф, шлак,
глина и др. Наибольшей сорбционной способностью обладает
активированный уголь.
Необходимое количество сорбента можно определить по
формуле [1]
т = Q (С0 - Ск)/а,
где Q — расход сточной воды, м3; С0 (Ск) — концентрация примесей
в очищаемой (очищенной) воде, г/и3; а — удельная сорбция, ха-
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 621
Х^
14 13 12 11
Рис. 18 20 Схема установки для ионообменной очистки сточных вод
рактеризующая количество примесей, поглощаемых единицей
массы сорбента.
Ионообменные методы очистки вод находят применение
практически в любых отраслях промышленности для очистки от многих
примесей, в том числе и шестивалентного хрома. Эти методы
обеспечивают высокую эффективность очистки и позволяют получать
выделенные из сточной воды металлы в виде относительно чистых
и концентрированных солей.
Для ионообменной очистки сточных вод используют
синтетические ионообменные смолы. На рис. 18.20 представлена схема
ионообменной очистки сточных вод от соединений хрома. Согласно этой
схеме сточные воды поступают в приемный резервуар /, откуда
насосом 2 подаются в фильтр 3 для очистки от механических примесей.
Очищенная от механических примесей сточная вода поступает в
последовательно расположенные анионитовые фильтры 4 и 5,
заполненные ионообменной смолой АВ-17 в ОН-форме. Очищенная таким
образом сточная вода вновь подается в ванну хромирования 12.
Вспомогательный катионный фильтр 6 предназначен для
дополнительной обработки сточной воды в пусковой период. Выделенные
соединения хрома поступают в бак 7. Бак 8 предназначен для сбора
обработанного раствора. Емкости 13 с щелочью и 14 с кислотой
предназначены для промывки фильтров. Промывной раствор
нейтрализуется в баке //, куда через дозатор 9 одновременно подается
необходимое для нейтрализации количество извести из бака 10.
18.2. Обработка сточных вод озоном
Сточные воды, содержащие тяжелые металлы, цианиды,
сульфиды и ряд других примесей, могут подвергаться очистке
озонированием. Под действием озона в сточных водах происходит окисление
622 Часть И. Мониторинг и защита окружающей среды
ционид-ионов с выделением кислорода. Этот процесс описывается
уравнением
CN + 03 = CNO" + 02.
Около 30% общего количества образовавшихся при окислении
цианид-ионов CNO~ подвергается дальнейшему окислению:
2CNO" + 302 + Н20 = 2NC03 +302 + 2Н+.
Эта реакция начинается в тот момент, когда концентрация
цианид-иона в сточной воде уменьшится до 0,003...0,004 кг/м3, и
протекает в 7 раз медленнее, чем начальная реакция окисления.
Оставшиеся 70% цианид-ионов гидролизуются, образуя NH3,
окисляющийся до N03.
Необходимое для окисления цианидов количество озона можно
рассчитать по формуле
q = CQ,
где Q — расход сточной воды; С — требуемая концентрация озона
в абсорбере:
С = (ACCN - M0)/MCN,
где ACCN — разность концентраций цианидов в исходной и
очищенной сточной воде; М0 (AfCN) — молекулярная масса озона
(цианида).
На рис. 18.21 представлен один из вариантов схемы установки
по озонированию сточных вод гальванического производства [1, 5].
С помощью компрессора / воздух с давлением около 1 МПа подается
в теплообменник 2 для сушки, а затем для очистки в сепараторе 3,
адсорбере 4 и фильтре 5, после чего он поступает в генератор озона
6. Применяемый в таких схемах генератор озона обычно имеет
трубчатую конструкцию. Полученный с помощью генератора 6 озон
подается в адсорберы 9, в которые одновременно насосом 8 подается
исходная сточная вода из
резервуара 7, выполняющего функции
усреднителя. В адсорберах
происходит очистка сточной воды от
цианидов. Очищенная сточная вода
по трубопроводу 10 направляется
в систему оборотного
водоснабжения или на слив. Отработанный
воздух из адсорберов по
трубопроводу // направляется в резервуар
7, в котором он барботируется
Рис 18.21. Схема установки для
озонирования сточных вод
гальванических участков
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 623
через слои исходной сточной воды, обеспечивая при этом
равномерное распределение примесей.
В табл. 18.3. приведены данные, характеризующие процесс
озонирования при различных концентрациях цианидов в сточной воде
и в зависимости от времени процесса озонирования.
Таблица 18 3
Время
озонирования, мин
20
30
45
60
20
30
45
60
20
30
45
60
20
30
45
60
Исходная
концентрация
цианидов,
кг/м3
0,571
21,5
41,3
60,5
70
0,11
0,077
Доля
окисления
цианидов, %
12
15
27,7
42,4
11
44,6
84,3
96,4
97,5
92,4
93,8
99,2
99,8
рН сточных вод
ДО
озонирования
11,5
11
10,6
10,6
после
озонирования
11,4
11
10,7
" 10,5
10,5
10,6
10,4
9,9
9,8
10,3
9,6
8,5
8,4
18.3. Биохимическая очистка сточных вод
После прохождения сточных вод через устройства механической
и физико-химической очистки перед сбросом в водоем они
подвергаются биохимической очистке, заключающейся в окислении
органических загрязнений микроорганизмами [1, 4].
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности
микроорганизмов требуются не только органические вещества, но и биогенные
элементы, такие как азот, кальций, фтор, хлор, и др. Источниками
биогенных элементов являются прежде всего бытовые сточные
воды. Оптимальное количество бытовых сточных вод для
разбавления нефтесодержащих производственных стоков зависит от состава
производственных стоков и определяется в каждом конкретном
случае экспериментально. Ненормированное использование бытовых
624 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
стоков может привести к деградации, т.е. к ослаблению
адаптированной к данным загрязнениям микрофлоры [4].
Следует отметить, что критерием пригодности методов
биохимического окисления для обезвреживания органических загрязнений
в сточных водах является биохимический показатель, определяемый
как отношение полной биохимической потребности в кислороде
(БПКП) к химической потребности в кислороде (ХПК); БПК — это
количество кислорода, необходимое для окисления органических
веществ в результате происходящих в воде аэробных
биохимических процессов (БПК2о соответствует длительности процесса
15...20 суток; БПК5 — пятисуточному потреблению); БПК
используется для текущего контроля эксплуатируемых очистных
сооружений. Показатель ХПК выражает количество кислорода, необходимое
для окисления всех углесодержащих соединений.
Биохимическое окисление проводят как в естественных
условиях на полях фильтрации, орошения, биологических прудах, так и в
искусственно созданных условиях на биофильтрах и в аэротенках.
Поля фильтрации, поля орошения и биофильтры функционируют за
счет почвенных биоценозов, а биологические пруды и аэротенки —
за счет биоценозов водоемов.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных
сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и
окситенках. В качестве примера на рис. 18.22 представлена схема
биологического фильтра с принудительной подачей воздуха.
Исходная сточная вода по трубопроводу 3 поступает в фильтр 2 и через
водораспределительные устройства 4 равномерно разбрызгивается
по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает
часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку
5, в качестве которой используют, например, шлак, щебень,
керамзит, пластмассу, гравий, на
загрузочном материале образуется
биологическая пленка, микроорганизмы
которой поглощают органические
вещества. Интенсивность окисления
органических примесей в пленке
существенно увеличивается при подаче
сжатого воздуха через трубопровод /
и опорную решетку 6 в направлении,
противоположном фильтрованию.
Очищенная от органических приме-
Рис. 18.22. Схема биологичес- сей вода выводится из фильтра через
кого фильтра трубопровод 7.
4
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 625
Объем фильтровального материала определяют по формуле
V=(L0- LJ/Q/W,
где L0 (LK) — БПК исходной (очищенной) сточной воды; W —
окислительная мощность, соответстЁующая количеству кислорода,
поступающего в сточную воду в единицу времени с 1 м3
фильтровальной загрузки.
Благодаря наличию гидравлических затворов, герметизирующих
поддонное пространство, нагнетаемый воздух может выйти только
через слой загрузки, вследствие чего происходит насыщение
биопленки кислородом воздуха.
В процессе окисления загрязнений происходит образование
новой пленки и отмирание старой, которая срывается с поверхности
загрузки движущейся водой и выносится из биофильтра. Для ее
задержания после биофильтров устраивают отстойники, как правило,
вертикального типа [4, 5].
В основу аэротенков положена деятельность микроорганизмов,
обитающих в природных водоемах, .т.е. активного ила (АИ). Аэро-
тенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без
регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители и
аэротенки-отстойники. На рис. 18.23 представлена схема аэротен-
ка-отстойника.
В зависимости от аэрационных устройств аэротенки делятся на
аэротенки с механической, пневматической и пневмомеханической
аэрацией.
По степени очистки аэротенки делятся на:
• высоконагруженные с частичной очисткой, у которых
остаточная БПК превышает 10...15 мг/л;
• нормально нагруженные с полной биоочисткой, у которых
БПК= 10...15 мг/л;
• низконагруженные с частичной и полной очисткой.
Очищенная
вода Сточная
> вода
Рис. 18.23. Схема аэротенка-отстойника: / — лоток; 2 — илоросы; 3 — зона
отстаивания; 4 — водосливы; 5 — зона аэрации
21-4910
626 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Для сравнения в табл. 18.4 приведены характеристики
отдельных типов аэротенков [5].
Таблица 18.4
Тип аэротенка
Высоконагруженный
Нормально нагруженный
Низконагруженный
Нагрузка
на АИ,
гБПК
гАИ
0,5...5,0
0,1...0,5
0,05
Доза
активного
ила, г/л
2...6
1,2...3,0
3...5
Скорость
окисления,
мгБПК
гАИ • ч
—
20...80
2...6
Окислительная
мощность,
гБПК
м3 • сут
1200...6000
500... 1200
150...500
Время
аэрации,
ч
1...3
6...8
20...30
На практике для очистки сточных вод используются
комбинированные установки, которые одновременно выполняют функции
аэротенка и вторичного отстойника, например аэроакселераторы, окси-
даторы, реактиваторы и ряд других, в которых в разных
комбинациях сочетаются процессы биокоагуляции, отстаивания, осветления во
взвешенном слое осадка и аэробного биохимического окисления.
Общим для всех видов комбинированных сооружений является
значительное сокращение производственных площадей в результате
создания более благоприятных условий для жизнедеятельности
микроорганизмов активного ила [4].
Одним из известных разработчиков такого рода
комбинированных сооружений в нашей стране является ВНИИВОДГЕО. На
рис. 18.24 представлена схема подобного устройства, получившего
название «Окситенк». В нем используется чистый или технический
Рис. 18.24. Окситенк
/ -— трубопровод исходной сточной воды; 2 — зона отстаивания (илоотдели-
тель); 3 — стабилизатор уровня ила; 4 — трубопровод очищенной воды; 5 —
датчик давления; 6 — трубопровод для подачи кислорода; 7 — турбинный
аэратор; 8 — зона аэрации (реактор); 9 — трубопровод для отвода отработанного
газа; 10 — окно с насадкой; 11 — водосборный лоток; 12 — датчик
растворенного кислор'ода; 13 — мешалка; 14 — щель для возвратного -ила
Глава 18. Защита водных объектов от загрязнений 627
кислород, в результате чего улучшается деятельность активного
ила, интенсифицируются окислительные процессы. Благодаря этому
объем окситенков примерно на 50...70% меньше объема обычных
аэротенков, используемых для очистки этих же сточных вод.
18.4. Малоотходные технологические процессы очистки
сточных вод
Рассмотрим основные подходы к решению проблемы
ресурсосбережения на примере организации процесса очистки сточных вод
на машиностроительных предприятиях. На этих предприятиях в
основном применяют системы оборотного водоснабжения тех цехов и
участков, в которых наблюдается стабильный состав примесей.
В ряде случаев целесообразно использовать двухступенчатую
очистку, при которой сточные воды проходят предварительную очистку в
локальных очистных сооружениях и устройствах от примесей,
характерных для данного участка или цеха, а затем сточные воды до-
очищаются на общезаводских очистных сооружениях [1,4, 5].
При выборе системы очистки необходимо учитывать мощность
и тип предприятия. Например, на Волжском автомобильном заводе
[1] используются следующие локальные оборотные системы
водоснабжения.
Система водоснабжения окрасочных установок, где
образующиеся сточные воды последовательно очищают в отстойниках с
введением 0,15...0,4 кг/м3 коагулянта для интенсификации процесса
коагуляции, а также в фильтрах с загрузкой из древесных стружек,
которые подвергаются сжиганию по мере их загрязнения.
Очищенная сточная вода повторно используется в окрасочных установках.
Система охлаждения компрессоров, сварочных машин, печей,
индукционных нагревателей, маслоохладителей, прессов и т.п., в
которых образующиеся сточные воды после охлаждения в градирнях
повторно используют в рассматриваемом технологическом цикле.
Система водоснабжения гидрошламоудаления и мокрого
обеспыливания воздуха, где образующиеся сточные воды очищаются в
трехсекционных горизонтальных отстойниках с подачей полиакри-
ламида в качестве коагулянта.
Система водоснабжения трех гальванических цехов. Сточные
воды последовательно очищают в отстойнике, двухслойном фильтре
из песка и антрацита, угольном фильтре с активированным углем
КАД-9, Н-катионитном фильтре с катионитом КУ-23, слабоосновном
анионитном фильтре с анионитом АН-251; сильноосновном анионит-
21*
628 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ном фильтре с анионитом АВ-17-8, а затем повторно используют для
промывки деталей после нанесения гальванопокрытий.
Наряду с локальными системами очистки схема оборотного
водоснабжения завода включает и общезаводские' сооружения, где
сточные воды последовательно проходят очистку в решетках,
песколовках, отстойниках, коагуляторах и затем сбрасываются в Волгу
Ш-
Следует подчеркнуть, что при разработке систем оборотного
водоснабжения промышленных предприятий необходимо учитывать
требования санитарных норм и правил охраны поверхностных вод-
от загрязнений (см. приложение к данной главе), т е необходимо
планировать очистку и повторное использование поверхностных
сточных вод с учетом оптимального решения задач:
• локализации стока с отдельных участков территории
предприятия и его отвода в общезаводские очистные сооружения или после
предварительной очистки в общую схему очистки поверхностных
сточных вод,
• раздельной организации стоков, поступающих в
поверхностные сточные воды, отличающихся по составу и количеству примесей;
• очистки поверхностного стока совместно с
производственными сточными водами;
• использования локальных очистных сооружений для
поверхностных сточных вод
На рис. 18 25 в качестве примера представлена схема очистки
поверхностных сточных вод с территории предприятия [1]. Сточные
воды из водосборных коллекторов по трубопроводу 2 поступают в
отстойник-усреднитель /, откуда насосом 4 они подаются на
песчаный фильтр 6 и далее поступают в емкость 7 очищенной воды и по
трубопроводу 8 направляются для использования в различных
целях Осадок, скапливающийся в отстойнике-усреднителе /,
поступает в уплотнитель осадка 12, в который также по трубопроводу //
подают осадок из резервуара
промывной воды 10,
образующейся при промывке
фильтра 6 очищенной водой,
отбираемой насосом по
трубопроводу 9 Промывная
вода из фильтра 6 поступает
в резервуар 10 по трубопро-
Рис 18 25 Схема очистки поверхностных воду 5 и насосом 4 через
трубопровод 3 направляется в
18 25 Схема очистки поверхностных
сточных вод
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 629
отстойник-усреднитель /. Уплотненный осадок периодически
удаляется из уплотнителя 12 по трубопроводу 13.
Очищенные поверхностные сточные воды используются для
подпитки оборотных систем водоснабжения. Кроме того, их можно
использовать в системах пожаротушения, при этом очистка сточных
вод ограничивается, как правило, отстаиванием в прудах.
ЛИТЕРАТУРА
1 Белов С В Охрана окружающей среды М Высш шк , 1991
2 Энергетика и охрана окружающей среды / Под ред Н Г Залогина,
ЛИ Кроппа, Ю М Кострикина М Энергия, 1979
3 Бек Р Ю Воздействие гальванотехнических производств на
окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба Аналитический обзор
Новосибирск СОРАН, 1991
4 Кузубова Л И , Морозов С В Очистка нефтесодержащих сточных вод
Новосибирск СОРАН, 1992
5 Яковлев В С Хранение нефтепродуктов Проблемы защиты
окружающей среды М Химия, 1987
Приложение
Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ в водных
объектах (см. приложение 2 к «Правилам охраны поверхностных вод от
загрязнения сточными водами» и дополнительные перечни)
Наименование
ингредиента
Алкилсульфо-
наты
Акриловая
кислота
Анизол
Анилин
Аммиак
Ацетон
Ацетальдегид
Водные объекты
хозяйственно-питьевого и
культурно-бытового назначения
ЛПВ*, мг/л
Органолептичес
кий
Санитарно-ток-
сикологический
То же
»-
Общесанитарный
То же
Органолепти-
ческии
ПДК,
мг/л
0,5
0,5
0,05
0,1
2,0
0,05
0,2
Водные объекты
рыбохозяйственного назначения
ЛПВ, мг/л
—
—
—
Токсикологический
То же
—
—
пдк,
—
—
—
0,0001
0,05
—
—
мг/л
* ЛПВ — лимитирующий показатель вредности, отражающий приоритетность
требований к качеству воды
630 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
Ацетофенон
Бензол
Бериллий
Бром
Барий
Бутиловый
спирт
Ванадий
Винилацетат
Гексахлоран
Гексанат
Гексахлорбен-
зол
Висмут
Дихлордифенил
трихлорэтан
(ДДТ)
Диметиламин
Диметилсуль-
фид
Дихлорэтан
Диметилдихлор-
винил-фосфат
(ДДВФ)
Дихлорфенол
Железо
Кадмий
Кобальт
Капролактам
Керосин
Карбофос
Медь
Санитарно-ток
сикологический
То же
-»-
-»-
Органолепти-
ческий
То же
Санитарно-ток-
сикологический
То же
Органолепти-
ческий
Санитарно
токсикологический
То же
-»-
-»-
->>-
Органолепти-
ческий
То же
-»-
-»-
-»-
Санитарно
токсикологический
То же
Общесанитарный
Органолепти-
ческий
То же
-»-
0,1
0,5
0,002
0,2
4,0
1,0
0,1
0,2
0,02
5,0
0,05
0,5
0,1
0,1
0,04
2,0
1,0
0,002
0,5
0,01
1,0
1,0
0,1
0,03
1,0
—
Токсикологический
—
—
—
Токсикологический
—
—
Токсикологический
—
—
—
Токсикологический
То же
—
—
Токсикологический
—
—
Токсикологический
То же
—
—
Токсикологический
—
—
0,5
—
—
—
0,03
—
—
Недопустим
—
—
—
Недопустим
0,005
—
—
Отсутствие
—
—
0,005
0,01
—
—
0,05
—
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 631
Продолжение приложения
Мышьяк
Метанол
Метилацетат
Молибден
Метилмеркап-
тан
Нитраты (по
азоту)
Нафталин
Нефть
многосернистая
Никель
Пиридин
Пропиловый
спирт
Полихлорпинен
Пентахлорфено-
лят терпенома-
леинового
аддукта
ОП-7
Ртуть
Свинец
Селен
Сурьма
Стирол
Силикат натрия
(по SiO.,)
Стронций
Сероуглерод
Санитарно-ток
сикологический
То же
Органолепти
ческий
Общесанитарный
Органолепти-
ческий
Общесанитарный
—
Органолепти-
ческий
Санитарно-ток-
сикологический
То же
Органолепти-
ческий
Санитарно-ток-
сикологический
То же
Органолепти-
ческий
Общесанитарный
То же
Общесанитарный
То же
Органолепти-
ческий
Санитарно-ток-
сикологический
То же
Органолепти
ческий
0,05
3,0
0,1
0,5
0,0002
10,0
—
0,1
0,1
0,2
0,25
0,2
1,0
0,4
0,05
0,1
0,001
0,05
0,1
50,0
2,0
1,0
Токсикологический
То же
—
—
—
—
Токсикологический
Рыбохозяй-
ственный
Токсикологический
То же
—
Токсикологи
ческий
То же
То же
—
Общесанитарный
—
—
Органолепти-
ческий
—
—
Токсикологический
0,05
0,1
—
—
—
—
0,004
0,05
0,01
0,003
—
Отсутствие
0,0005
0,3
—
0,1
—
.—
0,1
—
—
1,0
632 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Продолжение приложения
Сульфиды
Теллур
Фенол
Формальдегид
Фреоны
Фтор
Хлор активный
Хром
Цианиды
Цинк
Общесанитарный
Санитарно-ток-
сикологический
Органолепти-
ческий
Общесанитарный
То же
Санитарно-ток-
сикологический
Общесанитарный
Органолепти-
ческий
Санитарно
токсикологический
Общесанитар-
ныи
Отсутствие
0,01
0,001
0,05
10,0
1,5
Отсутствие
0,1
1,0
1,0
—
—
Рыбохозяй-
ственный
—
—
Токсикологический
—
Санитарно-ток
сикологический
Токсикологический
То же
—
—
0,001
—
—.
0,05
—
0,001
1,0
0,1
Примечание Общий список ингредиентов, концентрации которых
ограничиваются в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового
назначения, к настоящему времени составляет 640 наименований, а рыбохозяйственного
назначения — 147 наименований
Глава 19
ОБРАЩЕНИЕ С ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА
И ПОТРЕБЛЕНИЯ
19.1. Накопление отходов производства и потребления
Отходами производства и потребления (отходы) принято
называть [1] остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных
изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства
или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои
потребительские свойства.
Опасными отходами называются отходы, содержащие
вредные вещества, которые обладают опасными свойствами
(токсичностью, пожаровзрывоопасностью, высокой радиационной
активностью) или содержат возбудителей инфекционных болезней, а также
представляющие потенциальную опасность для окружающей при-
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 633
родной среды и здоровья человека самостоятельно или при
вступлении в контакт с другими веществами.
Практика управления отходами выявила необходимость
использования ряда специфических понятий и определений. Рассмотрим
некоторые из них.
Обращение с отходами — деятельность, в процессе которой
образуются отходы, а также производится сбор, использование,
обезвреживание, транспортировка и размещение отходов.
Размещение отходов — хранение и захоронение отходов.
В свою очередь хранение отходов — это комплекс работ,
обеспечивающих содержание отходов в объектах размещения отходов в
целях их последующего захоронения, обезвреживания или
использования.
Захоронение отходов — изоляция отходов, не подлежащих
дальнейшему использованию, в специальных хранилищах,
исключающих попадание вредных веществ в окружающую природную среду.
Использование отходов предусматривает применение отходов
для: производства товаров (продукции); выполнения работ;
оказания услуг или для получения энергии
Обезвреживание отходов — обработка отходов, в том числе
сжигание и обезвреживание отходов на специализированных
установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на
здоровье человека и окружающую природную среду.
Под объектом размещения отходов следует понимать
специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения
отходов (полигон, шламохранилище, хвостохранилище, отвал горных
пород и др.).
Каждому производителю продукции устанавливается норматив
образования отходов, т.е. количество отходов конкретного вида
при производстве единицы продукции.
Одним из основных документов в системе управления отходами
является паспорт опасных отходов — документ, удостоверяющий
принадлежность отходов к отходам соответствующего вида и класса
опасности, содержащий сведения об их составе. Паспорт необходим
для организации многих процессов обращения с отходами.
Совокупность отходов, имеющих общие признаки,
соответствующие системе классификации отходов, определяет понятие — вид
отходов.
Как правило, границы между понятиями «сырье — отходы —
вторичные ресурсы» достаточно условны
Воздействие отходов на окружающую среду зависит от их
качественного и количественного состава. Отходы представляют собой
634 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
Рис 19.1. Основные характеристики вредных и опасных отходов
неоднородные по химическому составу, сложные поликомпонентные
смеси веществ, обладающих разнообразными физико-химическими
свойствами. Основные показатели отходов, позволяющие
характеризовать их как вредные и опасные для биосферы, приведены на
рис. 19.1.
Опасность отходов для окружающей среды возрастает в тех
случаях, когда отходы производства обладают свойствами,
способствующими миграции компонентов в окружающей среде (рис. 19.2).
В больших количествах отходы образуются во всех базовых
отраслях промышленности (сельское хозяйство, энергетика,
металлургия, строительство, транспорт), а также в быту. Например, в
цветной металлургии из примерно 2 млрд т руды, добываемой ежегодно,
только 1% извлекается в виде товарной продукции. В результате в
отрасли образовалось около 100 млн т токсичных отходов, из
которых обезврежено и захоронено всего 6,7%. В общей сложности в
стране накоплено около 7 млрд т отходов, из которых более
1 млрд т — опасные отходы.
Анализ и обработка статистических данных показывают, что в
среднем на каждого жителя РФ вырабатывается (накапливается) до
15 т различных твердых отходов в год. Такой темп роста накопления
твердых отходов объясняется невысокой степенью их утилизации.
Так, степень утилизации инертных отходов, к которым относятся
Основные свойства отходов,
повышающие их опасность для ОС
Растворимость
Пылеобразование
Нестабильность
Летучесть
Рис. 19.2. Основные свойства отходов, повышающие их экологическую опасность
Глава 19. Обращение с отходами производства и потребления 635
вскрышные породы, зола, отдельные виды строительных отходов,
составляет примерно 25...30%. Уровень утилизации опасных отходов
еще ниже — менее 20...25%.
Для сравнения следует отметить, что в Европе (без России)
производство отходов всеми отраслями хозяйства составляет 10...11 т
на душу населения в год. Причем промышленные и
сельскохозяйственные отходы составляют около 70% (примерно 40%
промышленные и около 30% сельскохозяйственные). Около 25% отходов
составляет строительный мусор. Доля бытовых отходов в странах
Европы достигает 6% их общего количества, что вдвое больше
аналогичного показателя для России (примерно 3%).
В настоящее время средний уровень производства опасных
отходов, отнесенный к общей массе отходов стран Европы, равен
примерно 7,5% (от 5 до 10%).
В отличие от России, в которой отходы по степени вредности и
опасности делятся на четыре класса опасности, в европейских
странах приняты три класса опасности. Основная часть опасных отходов
складируется или захоранивается, в том числе и затапливается в
море (дампинг). Обезвреживанию с предварительной обработкой,
сжиганию и вторичной переработке подвергается небольшая часть
опасных отходов. Например, в Нидерландах примерно 360 тыс. т
опасных отходов ежегодно подвергается физико-химической
обработке, около 200 тыс. т сжигается, более 250 тыс. т захоранивается
и около 700 тыс. т затапливается в море [1, 4].
Особую опасность для окружающей среды и населения
представляют радиоактивные отходы. По состоянию на конец
1993 г., в котором была завершена регистрация мест хранения и
захоронения радиоактивных отходов, суммарное значение их
радиоактивности составляет примерно 5,3 • 109Ки. (1 Ки = 3,7 • 10|0Бк(бек-
керель)) [1, 4]. В России на душу населения приходится примерно
4 Ки, не считая продуктов распада от выброса, возникшего в
результате Чернобыльской катастрофы, накопленных запасов оружейного
плутония, 8 тыс. т (около 6 ¦ 109 Ки) отработанного ядерного отлива,
хранящегося на атомных электростанциях.
До принятия конвенции о запрещении захоронения
радиоактивных отходов в океанах и морях западноевропейскими странами в
океанских водах захоронено более 35• 106 ГБк радиоактивных
отходов в контейнерах. Основная часть из этого количества
приходится на Великобританию (примерно 76%).
В настоящее время страны Европы производят захоронение
радиоактивных отходов под землей. Так, в Германии высокоактивные
636 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
отходы помещают в соляной купол, расположенный вблизи
Ганновера, в котором по состоянию на конец 1993 г накопилось около
3000 т отходов, ждущих захоронения, и к этим отходам ежегодно
прибавляется около 500 т новых [1].
Для многих стран Европы захоронение опасных и
радиоактивных отходов является сложной, порой неразрешимой задачей.
Между странами происходит интенсивный обмен отходами. Это
объясняется, с одной Стороны, различиями в списках опасных и
радиоактивных отходов, а с другой — наличием в ряде стран технологий
и производств, использующих эти отходы как сырье Через
национальные границы ежегодно перемещается более 2 млн т таких
отходов. Существует и развивается нелегальный вывоз опасных отходов
в страны Африки и Азии В эти же страны перемещаются
предприятия по сжиганию опасных отходов Не меньшей проблемой для
стран Западной Европы являются старые захоронения отходов,
среди которых большой объем занимали опасные отходы Такие
захоронения вполне можно сравнивать с химическими «бомбами
замедленного действия», поэтому инвентаризация и поиски таких
захоронений во многих странах рассматриваются как приоритетные
задачи Например, по состоянию на начало 1992 г. в Дании
зарегистрировано около 3200 таких захоронений, в Нидерландах — около
4000, на территории Западной Германии — более 50 тысяч [1]
Аналогичная задача существует и в России, но она не решается, прежде
всего из-за отсутствия средств, необходимых для ее реализации
Из всего многообразия отходов особый интерес вызывают
отходы производства и потребления, с которыми приходится иметь дело
подавляющему большинству населения в различных странах мира.
Среди таких отходов особое место занимают твердые бытовые
отходы (ТБО). Бытовые («муниципальные») отходы следует относить к
непромышленным отходам Но при этом не следует забывать, что
деление отходов на бытовые и промышленные достаточно условно,
так как в промышленные отходы попадают остатки древесины,
резины, кожи, бумаги и других органических веществ и полимерные
материалы Например, полимерные отходы составляют до 15%
общего объема бытовых и промышленных отходов крупных городов.
Низкая культура сбора отходов становится причиной того, что в
бытовые отходы попадают батарейки, краски, люминисцентные лампы
и многое другое. По различным оценкам в 1 т бытовых отходов
содержится до 50 нг диоксинов
Отсутствие действенного контроля за процессами образования,
накопления, транспортирования и уничтожения отходов, с одной
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 637
стороны, и недостаток «экологического сознания» — с другой,
приводят во многих случаях к объединению промышленных и бытовых
отходов и размещению их на полигонах и свалках. Например,
ежегодно только на санкционированные свалки и полигоны ТБО в
нарушение действующих норм и правил направляются десятки
миллионов тонн промышленных отходов Особенно этим грешат мелкие и
средние предприятия, не имеющие достаточных средств и
технологической оснащенности, необходимых для переработки и
утилизации отходов. К сожалению, в большинстве регионов и городов РФ
имеет место вывоз промышленных отходов на несанкционированные
свалки, причем основную часть этих отходов составляют опасные
отходы (до 80%).
Повышенную опасность для окружающей среды представляют
стоки крупных животноводческих комплексов, которые ежегодно
выбрасывают около 150 млн т разжиженного навоза и помета, из
которых примерно 70% используется в качестве удобрения, а более
40 млн т этих отходов, попадая вместе со стоками в поверхностные
и подземные воды, загрязняют их, делая не пригодными для
питьевого водоснабжения без применения сложных энергоемких
технологий обезвреживания и очистки воды.
В классификации отходов особо следует выделить
канализационные отходы, которые Представляют собой: отработанный
биологически активный ил; частицы текстиля, бумаги, песка и т п
Содержание большого количества солей тяжелых металлов в
отработанном иле не позволяет использовать его в качестве удобрения и
поэтому он накапливается на специальных территориях — полях
аэрации Например, на подмосковных полях аэрации накопилось не-
сколько десятков миллионов кубометров таких отходов. В свою
очередь воздействие атмосферных осадков на биологически активный
ил приводит к загрязнению как поверхностных, так и подземных вод
В ряде регионов, имеющих развитую систему предприятий и
учреждений медико-биологического профиля, образуются
чрезвычайно сложные по составу отходы, относящиеся к классам опасных
отходов. Сложность обращения с медико-биологическими отходами
заключается в том, что в них наряду с огромным числом химических
соединений, имеющих сложную структуру, входят биологические
объекты, в том числе инфекционные. Это затрудняет, а иногда
делает невозможным сортировку отходов. Неорганизованное
сжигание на свалках (полигонах) таких отходов сопровождается
образованием вторичных токсикантов, которые могут быть гораздо опаснее
исходных соединений (полихлорированные бифенилы, диоксины,
638 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
бензофураны и др.). Весь комплекс работ по обращению с отходами
можно отобразить с помощью структурной схемы, представленной
на рис. 19.3, которая является основой системы управления
отходами.
Сортировка, утилизация, транспортировка и другие операции
затрудняются тем, что многие виды ТБО обладают структурной
связью. Например, фракции таких отходов, как текстиль, проволока,
кожа, имеют волокнистую структуру и повышенную сцепляемость.
В результате повышается степень свободообразования и снижается
просыпаемость отходов через неподвижные решетки, имеющие
расстояние между стержнями 0,2...0,3 м. Кроме этого, повышается на-
липаемость отходов на металлические стенки, имеющие наклон к
горизонтальной плоскости до 70°.
Твердые отходы обладают рядом свойств, затрудняющих процесс
обращения с отходами (рис. 19.4): слеживаемость, приводящая к
потере сыпучести и к уплотнению отходов; абразивность (керамика,
стекло, компост), т.е. способность истирания поверхностей, с
которыми твердые отходы соприкасаются; корродирующая способность
по отношению к металлам и др.
Классификация
Отходы производства и потребления
Сертификация
V
ч
Анализ
Утилизация
>
\ \ "~*~"
\ ^\
\
\
'
Сбор
\
Сортировка
>
'
Транспортировка
Хранение
Учет
;
У
Технические методы обращения с отходами
У
Сжигание
х,
Захоронение
Переработка
Рис 19 3 Структурная схема обращения с отходами производства и потребления
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления
Свойства отходов, затрудняющие технологические процессы
Непросыпаемость
Механическая
(структурная) связность
Сцепляемость,
налипание, слипаемость
Абразивность
Слеживаемость
и уплотняемость
Корродирующее
воздействие
Рис 19 4 Основные свойства твердых отходов, затрудняющие технологические
процессы обращения с отходами
Структура системы управления отходами в странах Западной
Европы, США, Японии и других государствах аналогична структуре,
принятой в РФ. Однако реализация технологических процессов и
циклов, входящих в общий процесс управления отходами, различна.
Так, в странах ЕЭС перерабатывается примерно 60%
промышленных и около 95% сельскохозяйственных отходов, а в Японии
перерабатывается около 45% промышленных отходов.
Анализ обращения с ТБО в этих странах показывает, что в
Великобритании 90% ТБО вывозится на полигоны, в Швейцарии —
20%, Японии, Дании — 30%, Франции, Бельгии — 35%.
Остальные ТБО в основном сжигаются, и лишь небольшая часть ТБО
подвергается компостированию
В РФ эти показатели значительно ниже вследствие.
• недостаточной эффективности использования возможностей
структуры управления отходами;
¦ низкого уровня технологического оснащения;
• разобщенности служб и организаций, ответственных за
процессы, связанные с управлением отходами;
¦ слабой нормативно-правовой базы;
• отсутствия единой региональной и государственной
информационной системы;
• отсутствия устойчивого финансирования.
19.2. Классификация отходов
Отсутствие общепринятой системы классификации отходов
производства и потребления вынуждает специалистов использовать ряд
основных принципов разделения отходов (рис. 19 5).
640 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Разделение отходов производства и потребления
По отраслевому принципу
(источникам образования)
По агрегатному состоянию
По производственным
циклам
По направлениям
использования
Рис 19 5 Основные принципы разделения отходов
Вместе с тем достаточно широкое распространение в РФ
получила классификация отходов по источникам их образования,
основанная на отраслевом принципе. Эта классификация соответствует
ГОСТ 25-916-83 «Ресурсы материальные вторичные». С учетом
отраслевого принципа классификации отходы промышленного
производства делятся на отходы черной и цветной металлургии;
химической, угольной, деревообрабатывающей и других отраслей
промышленности.
Кроме того, в системе обращения с отходами применяется
классификация отходов по агрегатному состоянию (рис 19 6) (твердые,
жидкие, газообразные или пылегазовые), которая позволяет более
точно идентифицировать отходы, что является очень важным при
выборе способа и технологии обращения с отходами (сжигание,
утилизация, захоронение). Согласно приведенной классификации, к
водным растворам и шламам принято относить- смешанные
(органические и неорганические), нейтральные, щелочные и кислые. К невод-
ньш растворам и шламам относятся: использованные смолы, жиры
и масла, органические растворители (сжигаемые и несжигаемые).
Промышленные отходы
Газообразные
1
4,
Отходящие
газы
i
Дымы
>
'
Жидкие
/ \
/ \
l/
Водные растворы и шламы
Твердые
1
1
Пыль
Неводные растворы и шламы
J,
Огарки,
остатки
Рис 19 6 Классификация отходов по агрегатному состоянию
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 641
В зависимости от агрегатного состояния отходов выбирается
способ хранения. Например, газообразные отходы хранятся в
специальных емкостях или резервуарах, жидкие отходы — в
герметичных контейнерах. Способы накопления и хранения твердых отходов
достаточно разнообразны (контейнеры, площадки, полигоны и др.).
При определении технологии обращения с отходами пользуются
классификацией отходов по степени горючести, взрывоопасное™ и
токсичности.
В ряде случаев применяется система классификации отходов по
производственным циклам, основанная на отраслевом принципе.
Такая система позволяет выявить операции (стадии), при которых
образуются побочные продукты, не предусмотренные основным
технологическим циклом. Например, в химической промышленности
при синтезе органических продуктов образуются объемные остатки,
не предусмотренные целевым синтезом (при ректификации,
перегонке и др.). Иногда используются системы классификации отходов,
имеющие узко профессиональный или сугубо ведомственный
характер.
Классификация отходов по физико-химическим свойствам и
характеристикам, которая в отличие от рассмотренных выше систем
классификации, оперирует качественными показателями, особенно
важна при оценке влияния отходов на окружающую среду, и в
первую очередь это касается токсичных и опасных отходов. Одной из
основных характеристик токсичности вещества считается
показатель летальной дозы ЛД50, при которой у 50% подопытных
животных наступает летальный исход. Значения токсичности, полученные
на опытах с животными, являются основой для законодательного
определения предельно допустимой концентрации вредных веществ.
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) разработала
систему классификации опасных промышленных отходов, которая
принята ООН Эта классификация включает в себя перечень
токсичных и опасных компонентов промышленных отходов. Среди них
такие вещества как: мышьяк и его соединения; фармацевтические
препараты; канцерогенные полициклические и ароматические гало-
генорганические соединения, за исключением полимерных
материалов; ртуть и ее соединения и многие другие. Степень опасности
отходов зависит не только от класса и концентрации токсичных
веществ, содержащихся в отходах, но и от синергического эффекта
нескольких компонентов
В мировой практике существует несколько методов оценки
опасности промышленных отходов. Одним из наиболее удобных
является метод, разработанный Environmental Protection Agency (EPA),'no-
642 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
зволяющий определить наиболее рациональный способ обращения
с отходами. Идеология этого метода представлена в виде блок-схемы
(рис. 19.7). Подобный подход можно использовать в сочетании с
различными классификациями (отраслевой, по агрегатному составу, по
степени горючести и др.) как в интересах отдельных ведомств, так
и в интересах государственных органов управления экологической
безопасностью. При этом необходимо руководствоваться требова-
Да
Содержат ли отходы радиоактивные вещества в концентрациях, превышающих ПДК?
Нет
Да
Подвержены ли отходы биоконцентрированию?
Нет
Да.
Существует ли опасность возникновения пожара?
Нет
Да
Существует ли опасность возникновения взрыва?
Нет
Да
Содержат ли отходы опасные вещества, вызывающие летальный исход?
Нет
Да
Существует ли ингаляционная токсичность отходов в виде газа, тумана, пыли?
Нет
Да
Существует ли опасность летального исхода при проникновении отходов через кожу'
Нет
Да
Существует ли реакция раздражения кожи отходами?
Нет
Да
Вызывают ли отходы генетические изменения?
Нет
Остальные отходы
Опасные отходы
Рис 19 7 Блок-схема оценки опасности отходов в рамках классификационной
модели
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 643
ниями, нормами и предельно допустимыми концентрациями вредных
веществ, принятыми в РФ.
Среди большого многообразия задач производственной и
коммерческой деятельности особо следует выделить экономию
сырьевых и энергетических ресурсов. В этой связи происходит сближение
интересов производителей и потенциальных потребителей отходов,
владеющих современными технологиями и производственными
мощностями по использованию отходов в качестве сырья При этом
необходимо учитывать то обстоятельство, что отходы, в отличие от
первичного сырья, заранее не ориентированы на конкретную
технологию их использования. Например, одни и те же отходы могут быть
использованы в различных сферах производства и потребления.
Поэтому для обоснованного выбора системы классификации отходов
целесообразно принимать во внимание отличительные особенности
отходов в сравнении с кондиционными первичными сырьем и
материалами. По отличительным признакам все отходы можно
объединить в три группы.
• Отходы, которые в отличие от первичного сырья имеют
неблагоприятные характеристики однородности, чистоты и состава.
Причинами этого являются' различная степень износа, деструкции,
загрязненности, климатические и другие факторы, вызывающие
значительный разброс физико-химических характеристик и свойств
вторичного сырья. Несмотря на то что эти характеристики
стохастические, они являются определяющими при выборе эффективных
технологий переработки отходов с учетом качества материалов и
изделий, получаемых с использованием вторичного сырья (отходов).
• Отходы производства и потребления, для которых не
определено дальнейшее применение, хотя для первичного продукта
запланирована возможность использования его в качестве вторичного
сырья, т.е. заданы набор показателей и их значения, подлежащие
измерению и внесению в технические условия и другие
нормативно-технические документы и отвечающие за эффективность
переработки первичного продукта.
• Первичное сырье или продукты производства, которые в
процессе переработки или эксплуатации превращаются в отходы с
одновременным ухудшением или потерей ими ряда потребительских
качеств и приобретением новых свойств, не характерных или
полностью отсутствующих у первоначального аналога.
В этой связи одной из важнейших задач при описании
отходов является установление характеристик, которые подлежат
измерению и определяют эффективные направления
использования отходов.
644 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Источник
образования отходов
Ж
Основные
характеристики
Ж
Влияние
на окружающую среду
Степень отработанности
технологии
Характеристики отходов, необходимые
для классификации их в качестве BMP
Источник образования
(отраслевой признак)
Территориальный признак
Агрегатное состояние
Направления
использования
Состав; физико-химические
свойства, примеси и др.
^ Количественные оценки
Категория опасности
Степень очередности
и методы рекуперации,
захоронения и др
Вид производственного
цикла
Рис 19 8 Структура характеристик, необходимых при классификации отходов
как BMP
С учетом изложенного выше технические характеристики
конкретных отходов могут быть условно объединены в две группы:
• группа свойств, являющихся важнейшими для данного вида
отходов, измерение которых обязательно для нахождения
традиционных путей его использования;
• группа вновь приобретенных свойств, измерение которых
необходимо для нахождения новых, нетрадиционных путей
использования конкретного материала.
Определение свойств, объединенных в первую группу, может
быть выполнено путем анализа нормативно-технической
документации для данного виды сырья, материалов и изделий, из которых
образовался отход. Как правило, методики измерений этих
характеристик хорошо отработаны и унифицированы. Они отражены в
ГОСТах и другой научно-технической документации. Для группы
вновь приобретенных свойств, как правило, требуется создание ори-
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 645
гинальных методик определения этих свойств. Такие методики
требуют унификации как методов измерений свойств отходов, особенно
«новых», так и методов выявления всех необходимых свойств
конкретных отходов, которые подлежат измерениям.
Имеющиеся отличия вторичного сырья указывают на его
специфику, что позволяет в ряде случаев рассматривать его как новый
вид сырья, подлежащий столь же детальному изучению, как это
имеет место при исследовании добываемых или синтезируемых
сырья и материалов. Изучение вторичного сырья должно быть
направлено как на выявление его техногенных характеристик и
свойств, которые бы позволили использовать отходы в эффективных
технологических процессам их переработки, так и на детальное
исследование физико-химических свойств отходов, позволяющих
определить их воздействие на человека и окружающую среду, что
является необходимым условием при обосновании решений об их
складировании, захоронении, уничтожении.
Таким образом, параметры, по которым характеризуются отходы
как вторичные материальные ресурсы (BMP), можно представить в
виде структуры, приведенной на рис. 19.8.
19.3. Паспортизация и сертификация отходов
Качественное проведение классификации отходов невозможно
без анализа их характеристик, составляющих основу паспорта
отходов. Не менее важно выявление оптимального набора входящих
в паспорт параметров, не только определяющих дальнейший
порядок обращения с отходами, но и учитывающих различные
экологические факторы. Форма паспортизации отходов может
соответствовать одному из трех видов:
• учетно-ктатистическому;
• кадастровому;
• экологическому.
Счетно-статистическая паспортизация отходов является
сводом отраслевых, региональных, государственных сведений об
отходах и выполняется в форме статистической отчетности.
Кадастровая форма паспортизации отходов
предусматривает использование отходов в качестве BMP.
Экологическая форма паспортизации отходов, проводимая в
соответствии с ГОСТ 17.0.0.04-90, является неотъемлемой частью
как экологического паспорта предприятий, так и всех остальных
форм паспортизации отходов.
646 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Методология сертификации отходов, методы анализа и формы,
отражающие результаты этих анализов, требуют унификации, так
как в паспорт отходов включается большое количество данных,
характеризующих отходы. В качестве примера рассмотрим схему
сертификации отходов в соответствии с методологией, предложенной
в [2] (рис. 19.9).
Предварительная стадия
X
Характеристика природы отходов
Сбор информации
Отбор проб
Обработка образцов
Сертификация отходов
Л
Характеристика состояния отходов
Физическое состояние
Химический состав
в общем и каждой фазы
Характеристика поступающих отходов
для выбора способа обработки
Готовность
к немедленной обработке
Тесты на эволюционную
способность и поведение
Принятие операционных решений
Характеристика
при полном разложении
Определение средств элиминирования
при срочных ситуациях
(отходы в опасных зонах)
Выбор метода
предварительной обработки методов элиминирования
Рис 19 9 Порядок сертификации (паспортизации) отходов
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 647
Принципы, заложенные в порядок сертификации по приведенной
схеме, позволяют оформить результаты проведенной работы по
стандартизованной форме, отражающей:
• аспекты идентификации производства и непосредственно
отходов;
• идентификацию условий образования отходов по технологии
их образования,
• данные по безопасности отходов (природа и степень риска,
присутствие специфических составляющих, наличие инструкций);
• физические и химические параметры;
• известные свойства;
• способность к переработке.
Любая система сертификации отходов должна начинаться со
сбора информации об отходах, подлежащих сертификации. Причем
эту работу следует выполнять с момента генерации отдельных
компонентов отходов, так как в результате смешения их с другими
продуктами образуются сложные композиции, проведение анализа
которых значительно усложняется. Разнообразие характеристик,
свойств, состояний и распоряжения отходов не позволяет
выработать унифицированную методику пробоотбора. Поэтому к
оборудованию и приспособлениям для отбора проб предъявляются довольно
жесткие требования, например по обеспечению герметичности, по
исключению воздействия света и излучения и т.п. Для сохранности
образцов проб отходов, содержащих органические соединения,
категорически запрещено применение консервантов Особо следует
выделить строгое соблюдение правил техники безопасности. От
качества выполнения работ, связанных с процессами отбора проб и их
анализа, во многом зависят дальнейшие шаги по выбору
оборудования, способов транспортировки и определению технологий
переработки, хранения или захоронения отходов Вместе с тем выбор
порядка отбора проб предопределяет выбор тактики обращения с
пробами, т.е. технологии и оборудования пробоотбора, упаковки и
транспортировки проб, возможности совместного или раздельного
анализа и многих других деталей, включающих технику
безопасности всех процессов отбора проб и их анализа.
Таким образом, пробоотбор, анализ и дальнейшее обращение
с отходами — взаимосвязанные процессы. Однако следует
отметить, что единой системы отбора проб и их анализа в настоящее
время не существует. На рис. 19 10 в общем виде представлена
схема проведения работ по анализу образцов (проб) отходов.
Значительный объем работы связан с определением свойств образцов
отходов (рис. 19.11).
648 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Воспламеняемость
(при прокаливании)
Коррозионные свойства
Реакционная способность
Токсичность
Анализ характеристик
Образец (проба) отходов
Анализ состава
Скрининговый анализ
Полный анализ
Предварительный анализ
Обзорный анализ
Рис 19 10 Основные работы по анализу образцов (проб) отходов
Качественный анализ проб многих видов отходов требует
выполнения целого ряда дополнительных технологических операций,
таких как: измельчение, просеивание, высушивание, разделение,
растворение, фракционирование, экстракция, осаждение,
корректировка рН и др. Эти операции могут привести к изменению некоторых
свойств и характеристик анализируемых образцов. Не следует
забывать, что при подготовке пробы необходимо учитывать адсорби-
руемость некоторых соединений на стенках сосудов или
недостаточную десорбируемость при использовании в процессе анализа каких-
либо адсорбентов и т.д. Для исключения дополнительных ошибок
при проведении анализа промышленных отходов необходимо строго
соблюдать правила и требования проведения аналитического
процесса, которые являются составными частями методик проведения
анализа, утвержденных в установленном порядке.
Предварительный и отчасти обзорный анализ, а также
определение ряда физико-химических характеристик отходов не требуют
использования сложных аппаратуры и методов анализа.
Скрининговый анализ относится к быстрым тестовым методам.
Такие тесты дают возможность, например, обнаружить наличие или
отсутствие неожиданных загрязнений, что позволяет вносить
коррективы в принятые решения по обезвреживанию отходов и прово-
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 649
Агрегатное состояние
Зольность
Элементный анализ
Скрининговый анализ
Общее состояние образца
с количественной оценкой
основных компонентов
Влажность или наличие
летучих соединений
Предварительный анализ
Состав образцов отходов
Обзорный анализ
Общее содержание
органических соединений
Содержание твердой фазы
Вязкость
Теплотворная способность
Полный анализ
Специфические органические
и неорганические компоненты
Классы органических
соединений
Рис 19 11 Примерный перечень работ по анализу состава образцов отходов
дить полуколичественные определения: высокое, среднее, низкое,
неопределяемое содержание.
Принимая во внимание тот факт, что классификация отходов
производится в соответствии с какой-либо выбранной системой,
непосредственно сертификация отходов отражает спектр
характеристик, лежащих в основе классификации и необходимых для процесса
управления отходами. Как правило, существующие схемы
классификации отходов базируются на сертификации отходов по ряду
показателей, среди которых большую роль играют физическое
состояние и химический состав отходов (рис. 19.12) Как правило,
сертификацию отходов по химическому составу провести в полном
объеме не представляется возможным из-за сложности анализов и
их высокой стоимости Даже хорошо развитая лабораторно-анали-
тическая база не позволяет полностью выполнить эту работу, так
как возникают трудности отбора проб, подготовки образца к анализу
и проведения анализа
Особое внимание следует уделить оценке (анализу)
взаимодействия отходов с окружающей средой, которое зависит от структуры
650 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Пастообразные
ж
Твердые отходы
(разбивающиеся,
крошащиеся,
некрошащиеся,
растворимые,
нерастворимые)
Жидкая неводная, несмешивающаяся
фаза (содержание в отходах
по объему, по массе)
Жидкие отходы
(водные, неводные,
смешанные,
несмешивающиеся
водная и
неводная фазы)
Твердая фаза
(содержание
в отходах
по объему,
по массе)
Форма отходов
(состояние, общий вид)
Водная фаза
(содержание
в отходах
по объему,
по массе)
Соотношение
компонентов фаз (%)
Физическое состояние отходов
Возможность разделения
компонентов фаз
Самопроизвольное
Стандартными
методами
(лабораторными)
а) твердые и
пастообразные отходы
— возможно разделение
жидкостью,
б) жидкие отходы
— выделение твердой
фазы седиментацией
а)декантация,
б) фильтрация,
в) центрифугирование
г) прессование,
д) другие методы
Визуальные и
органолептические методы
ZZ.
Вид отходов (твердые,
жидкие,гомогенные,
гетерогенные)
Запах(без запаха,
детектируемый
естественный,
интенсивный,
переносимый,
вредный,
безвредный)
Цвет
(в целом,
по фазам)
Мутность
жидкой фазы
Идентификация компонентов фаз
Рис 19 12 Основные показатели физического состояния отходов, принимаемых
во внимание при сертификации
химических веществ и их соединений, входящих в отходы,
способности этих веществ к миграции, скорости миграции в естественных
условиях и т д В этой связи немаловажной является работа по
определению с помощью тестов (табл 19 1) трансформации отходов в
условиях окружающей среды Полученные с помощью тестирования
характеристики отражают способность соединений, составляющих
отходы, изменяться в различных условиях обработки вплоть до
полного разложения
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 651
Таблица 19 1
Характеристика отхо
дов, повышающая их
экологическую
опасность
Мобильность отходов
Устойчивость отходов
Загрязняющий потен
циал отходов
Опасность (токсич
ность) генерируемого
растворимого загряз
нения
Устойчивость
генерируемого растворимого
загрязнения
Основные свойства
отходов, принимаемые
во внимание
Физическое состояние
Химическая устойчи
вость
Биологическая устой
чивость
Средний срок генериро
вания загрязнений
Токсичность
Патогенность
Критерий качества раз
личного вида вод по
отношению к их воз
можной утилизации
Аэробная и анаэробная
биоразлагаемость
Абсорбируемость
Способность к связыва
нию ионным обменом
Метод определения
Измерения относительной про
порции составляющих фаз (в
частности жидкой)
Кинетика превращений отходов
после перемешивания с почвой
(лабораторный тест)
Измерение биоразлагаемости
определение окончательного со
стояния отходов
Характеристика жидкой фракции
(анализ и определение критерия
общего загрязнения) конечного
состояния отходов (тесты инку
бационный и во времени), потен
циально растворимой части (тес
ты, ускоряющие выщелачивание)
Токсичность по отношению к
живым организмам
Микробиологические анализы
Анализы (измерения основных
свойств, коррозионность, склон
ность к образованию накипи и
т д )
Данные по ограничениям утили
зации
Измерения биологического по
требления кислорода (БПК) рее
пирометрические, полной био
разлагаемости, тесты биологи
ческой обработки
Изотермы активированного угля
Изотермы поглощения глиной
Таким образом, сертификацию (и более узкую
классификацию) отходов можно проводить по методам обработки При
этом основными характеристиками следует считать
• при промежуточной обработке (жидкие отходы, отстой,
влажные отходы) кислотность, редокс-нейтрализация (рН, редокс-
потенциал, энергия окисления или восстановления), фильдрацион-
652 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ные характеристики (сопротивление фильтрации, коэффициент
сжимаемости, вязкость); способность к гравитационному уплотнению
(удельный вес и кривая седиментационного уплотнения);
способность к отверждению — тест на обработку отходов (механическое
сопротивление относительного изгиба, давление, удар, способность
к высушиванию, замораживанию, тесты на выщелачиваемость);
• при сжигании отходов: теплотворная способность,
содержание воды, точка воспламенения; безопасность и защита персонала
и установок (определение щелочей, серы, галогенов, тяжелых
металлов); предотвращение загрязнения атмосферы (пыль, способная
к воспламенению или сублимации), токсичные газы, СО, HCN,
галогены, галогеноводороды, S02, NOx, пары металлов и их оксиды
(ртути, молибдена и др.); остаток после сжигания (полный анализ,
растворимая часть);
• захоронение отходов в земле без дополнительного анализа
применяется для нетоксичных отходов (характеристики
сельскохозяйственной ценности отходов и возможность их разложения в
почве, удобряющие элементы, органические гуминовые вещества,
летучие вещества, окисляемые элементы и токсичные минералы,
идентификация патогенных микроорганизмов, вегетационные тесты).
Приведенный выше перечень характеристик отражает сложность
и объемность процесса сертификации отходов производства и
потребления. Однако данную проблему можно разрешить путем поэтапного
анализа и классификации отходов. Особенно это касается анализа
отходов с целью выявления возможностей использования их в качестве
вторичных материальных ресурсов. При этом паспортные данные
отходов помогают определять эффективные, в том числе
нетрадиционные, пути использования вторичного сырья, планировать его наиболее
полное использование, решать другие вопросы экологии, экономики,
управления ресурсами, проводить ресурсосберегающую политику
Облегчить решение данных проблем может информация об
отходах, собираемая в банки данных (БД), которые в дальнейшем
могут использоваться при создании автоматизированных
информационных систем. С целью унификации отходов в рамках любой
отрасли или ряда отраслей при отсутствии единого государственного
БД по отходам целесообразно использовать принятую в ряде стран
систему кодирования отходов. Такой подход позволяет создать
единый банк данных по отходам как производства, так и потребления.
Полный код отходов включает первую букву (А, Б, В...),
обозначающую промышленность, в которой они получаются
(химическая, металлургическая, нефтехимическая и т.д.), затем цифры (1,2,
3, 4,...), указывающие основную группу отходов (кислые, щелочные,
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 653
цианосодержащие и т.д.), затем Подкод {01, 02, 03,...),
обозначающий конкретное химическое соединение, преобладающее в этом
отходе, и, наконец, индекс агрегатного состояния (ж, г, т, ш).
Например, если код отхода А.2.01ж, то это означает, что отход
производится в химической промышленности, представляет собой раствор,
относящийся к группе щелочей и содержащий в качестве основного
компонента NaOH.
Инвентаризация и паспортизация промышленных
токсичных отходов в нашей стране производится объединениями,
комбинатами, предприятиями, организациями промышленности и
сельского хозяйства, на которых в производственных циклах образуются,
складируются, захораниваются, используются, обезвреживаются
(уничтожаются) токсичные отходы. При этом заполняется форма 2
«Токсичные отходы», в которую заносятся данные из паспорта
отходов предприятия.
Согласно ГОСТ 12.1.007-76 токсичные отходы
классифицируются по четырем классам опасности:
1-й класс — чрезвычайно опасные;
2-й класс — высокоопасные;
3-й класс — умеренно опасные;
4-й класс — малоопасные.
Каждая группа и вид токсичных отходов кодируются;
определяются их физические характеристики и химический состав.
В учетной форме приводятся данные о наиболее токсичных
компонентах отходов и о применяемых и рекомендуемых методах
утилизации, обезвреживания и захоронения отходов.
19.4. Переработка отходов
как средство защиты окружающей среды
Переработка отходов является альтернативным направлением
по отношению к дорогостоящим методам захоронения отходов.
Наблюдающийся в мире рост объема перерабатываемых отходов и
популярности этого направления свидетельствует о ее
перспективности. Полный цикл переработки отходов включает сбор, сортировку,
переработку и повторное использование отходов.
При разработке технологий переработки отходов следует
учитывать, что технологии должны:
• не только ориентироваться на существующие потребности
рынка, но и способствовать развитию новых направлений
реализации продуктов переработки;
654 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
• быть гибкими и легко приспосабливаться к изменяющимся
условиям;
• обеспечивать сбалансированность критериев потребностей
рынка, прибыльности и экологичности, тем самым охватывать как
можно больший объем и разнообразие отходов.
Существует несколько общепринятых организационных
принципов построения системы переработки отходов производства и
потребления. При этом формы организации производств по переработке
отходов, могут быть различными. Наиболее часто используемые
организационные формы приведены в табл. 19.2. Каждая из форм, имеет
характеристики, позволяющие использовать их в различных случаях.
Таблица 19 2
Форма
производства по
переработке отходов
Государственное
муниципальное
предприятие
Государственное
муниципальное
хозрасчетное
предприятие
Частное
предприятие
Частное
субсидируемое
предприятие
Описание
Государственное
предприятие, входит в состав
муниципальных
предприятий по управлению
отходами,
финансируется из бюджета
Находится в
государственной собственности,
самофинансирование,
возможны бюджетные
субсидии и налоговые
льготы
Специализированные
предприятия
Некоммерческие организации
Специализированные
коммерческие или
некоммерческие
предприятия Государственные
субсидии, покрывающие
переработку
неприбыльных материалов
Преимущества
Не зависит от из
менений рынка
Административно
управляемое
Финансовая
независимость
Контроль со стороны
государства
Финансовая неза
висимость Как
правило, хорошая
организация
работ
Финансовая
самостоятельность
Рычаги
управления со стороны
государства путем
бюджетных
субсидий
Недостатки
Обычно высокая
стоимость
(обременительная для
бюджета)
Традиционно
хроническая нехватка
средств
Обычно
дорогостоящее
Тенденция к
переработке высоко-
Прибыльных
материалов
Требует
координации работы
муниципалитетов и
компании
Основными методами переработки отходов являются
биоразложение, компостирование и сжигание. Сложные по составу
промышленные отходы требуют применения дополнительных специальных
физико-химических методов переработки.
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 655
Компостирование отходов
Компостирование — форма переработка сырой органической
отходной массы. В табл. 19.3 приведены виды отходов,
подвергающиеся компостированию.
Таблица 19 3
Особенности отходов
по отношению
к компостированию
Предпочтительные
Обычные
Непоощряемые
Непригодные
Виды отходов
Растительные остатки, пищевые отходы, бумажные
отходы, санитарно-гигиенические материалы
Отходы животного происхождения, древесные отходы,
отработанный ил
Перерабатываемые материалы, инертные компоненты
Металлы, опасные отходы, медицинские отходы
В практике промышленного компостирования можно выделить
следующие методы:
• компостирование в буртах без принудительной аэрации;
• компостирование в буртах с принудительной аэрацией,
• компостирование в установках с контролируемыми
условиями (вращающиеся бочки, горизонтальные или вертикальные
силосные башни и др.);
• смешанные системы.
Стоимость методов компостирования растет с применением
специализированной техники и может быть значительной.
Выбор методов компостирования, определяется критерием
оптимального сочетания стоимости с достигаемым эффектом
утилизации компостируемых отходов.
Потенциальный успех и экономическая эффективность
применения компостирования зависят от наличия рынков сбыта продукта.
Компостирование — это биологический метод
обезвреживания ТБО. Иногда его называют биотермическим методом. Сущность
процесса заключается в следующем. Разнообразные, в основном
теплолюбивые микроорганизмы активно растут и развиваются в толще
мусора, в результате чего происходит его саморазогревание до 60°С.
При такой температуре погибают болезнетворные и патогенные
микроорганизмы. Разложение твердых органических загрязнений в
бытовых отходах продолжается до получения относительно
стабильного материала, подобного гумусу. Механизм основных реакций
компостирования такой же, как при разложении любых органических
веществ. При компостировании более сложные соединения разлага-
656 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ются и переходят в более простые. К основным химическим
показателям, характеризующим мусор как материал для компостирования
и получения биотоплива и органических удобрений, относятся
содержание органического вещества; зольность; содержание общего
азота, кальция, углерода.
Ежегодно увеличивающееся количество отходов повлекло за
собой разработку ускоренных, механизированных способов их
переработки. Для этого сооружаются специальные мусороперерабаты-
вающие заводы. Схема работы мусороперерабатывающего завода
следующая. Законченный цикл обезвреживания ТБО состоит Из
трех технологических этапов:
• прием и предварительная подготовка мусора;
• собственно биотермический процесс обезвреживания и
компостирования;
• обработка компоста.
Оборудование для приема и предварительной подготовки
отходов включает приемный бункер, питатели, транспортеры, магнитные
сепараторы. Процесс биотермического обезвреживания и
компостирования происходит в горизонтальных вращающихся барабанах.
Оборудование для обработки компоста состоит из контрольного
грохота, магнитного сепаратора и дробильного оборудования для
измельчения балласта. Кроме того, необходимо иметь склад готовой
продукции, т.е. площадку дозревания компоста, а также
оборудование для взвешивания поступающих отходов и отпускаемого
компоста и мойку для мусоровозов. На мусороперерабатывающих заводах
РФ применяется в основном отечественное оборудование, которое
дорабатывается и модернизируется с учетом свойств ТБО
конкретного региона или города и в соответствии с требованиями создания
оптимальных условий для их обезвреживания.
Переработка мусора должна обязательно сочетаться с
выдачей продукции, безопасной и в эпидемиологическом
отношении. Обезвреживание отходов обеспечивается в первую очередь
высокой температурой аэробной ферментации. В ходе
биотермического процесса происходит гибель большей части патогенных
микроорганизмов. Однако компост, получаемый в результате
биотермического обезвреживания ТБО на
мусороперерабатывающих заводах, не должен быть использован в сельском и лесном
хозяйствах, так как содержит примеси тяжелых металлов,
которые через травы, ягоды, овощи или молоко могут причинить
вред здоровью человека. По этой же причине целесообразно
несистематическое применение таких компостов в городских скверах и
парках.
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 657
Недостатком компостирования является необходимость
складирования и обезвреживания некомпостируемой части мусора, объем
которой составляет значительную часть общего количества мусора.
Эта задача может быть решена путем сжигания, пиролиза или
вывоза отходов на полигоны.
Биоразложение органических отходов
Общепризнанно, что биологические методы разложения
органических загрязнений считаются наиболее экологически
приемлемыми и экономически эффективными, о чем свидетельствуют
показатели различных процессов переработки отходов, приведенные в
табл. 19.4.
Таблица 19 4
Процесс
переработки отходов
Сжигание
измельченных отходов
Сжигание в котлах
утилизаторах
Пиролиз
Биологическая
переработка
Удельные
капитальные
затраты,
долл/т
6000 8000
8000 13 000
14 000 32 000
22 000
Эксплуатационные
расходы,
долл/т
5 8
7 12
5 15
9,4
Прибыль,
долл / т
3
3 5
4,4 13,1
8,2
Чистые
затраты,
долл/т
2,5 5
4 9
2,5 13,4
4,8
В настоящее время многие разбавленные промышленные отходы
обрабатывают биологическими способами. Обычно используется
окисление, осуществляемое в аэротенках, биофильтрах и биопрудах
аэробной переработки стоков, самая обширная область
контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии.
Существенными недостатками аэробных технологий, особенно
при обработке концентрированных сточных вод, являются
энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и
утилизацией большого количества образующегося избыточного ила (до
1...1.5 кг биомассы микроорганизмов на каждый удаленный
килограмм органических веществ). Исключить указанные недостатки
помогает анаэробная обработка сточных вод методом метанового
сбраживания. При этом не требуется затрат электроэнергии на аэрацию",
что играет большую роль в условиях энергетического кризиса,
уменьшается объем осадка и, кроме того, образуется ценное
органическое топливо — метан.
22-4910
658 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
Анаэробные процессы микробиологической конверсии
органических веществ представляют собой комплексную и весьма
сложную группу явлений, многие фундаментальные аспекты которых
стали понятными только в последние годы. Тем не менее
промышленные технологии анаэробной очистки уже в 1980-е гг. достигли
достаточно высокого уровня и получили широкое распространение
за рубежом.
В нашей стране интенсивные анаэробные технологии пока не
используются, что наносит значительный ущерб состоянию
окружающей среды, так как методы генной инженерии позволяют получать
штаммы, способные обезвреживать экологически опасные
органические вещества и другие материалы
На рис. 19.13 представлена классификация конструкций
анаэробных реакторов, нашедших широкое применение в различных
странах
Следует отметить, что микроорганизмы по разному реагируют
на различные вещества, входящие в отходы. Поэтому необходимы
проверка отходов на биоразлагаемость анаэробной микрофлорой, а
также определение оптимальных условий обработки. Наиболее
подходящим тестом в таком случае является биохимический метановый
потенциал (БМП) При этом образец отходов смешивают с
анаэробной культурой в определенной среде, выдерживают в анаэробных
условиях (закрытая емкость) и периодически измеряют объем
образующегося газа. Количество метана, образующегося в
контролируемый период, отнесенное к количеству углерода в отходах,
оцениваемое как химически потребляемый кислород (ХПК), показывает био-
t^^
Реакторы со взвешенно-седиментирующей биомассой
Анаэробная
лагуна
\
'
Контактный
реактор
Анаэробный фильтр
DSFF-реактор
UASB-реактор
V
^\^
Перегородочный
реактор
Гибридный реактор
Вращающийся
биоконтактор
т
- Реакторы с прикрепленной биомассой '
Вращающийся
биоконтактор
Рис 19 13 Классификация конструкций анаэробных реакторов
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 659
обрабатываемость испытуемого образца отходов. Процесс
метанового брожения протекает при неизменной общей массе ХПК, который
распределяется в процессе очистки на ХПК метана (как правило,
более 90%) и ХПК образующейся биомассы. Вариантом теста
определения ХПК (или конвертируемости отходов) является оценка
токсичности отходов, т.е. измерение относительной скорости, с
которой простой ортанический субстрат типа сахарозы
конвертируется в биогаз в присутствии испытуемого образца отходов и без него.
Этот тест полезен для определения обрабатываемости отходов и для
оценки условий метаногенеза.
Большое число тестов может быть выполнено за достаточно
ограниченный период времени и при небольшом объеме образца. Это
позволяет определять варианты стратегии биообработки отходов,
варианты включения в технологию стадий предварительной и
совместной обработки, а также подбор микробиоценоза и условий его
оптимальной акклиматизации во времени.
В перечень веществ, биоразлагаемых анаэробным способом,
входят органические соединения различных классов- спирты,
альдегиды, кислоты алифатического и ароматного рядов. В то же время, как
показали исследования, некоторые органические соединения в
анаэробных условиях разлагаются неполностью. Таким образом,
«обрабатываемость» отходов в анаэробных условиях зависит от
способности определенной микрофлоры к деградации соединений,
входящих в состав отходов, а также от устойчивости микроорганизмов
к токсичной органике и неорганике. Следует отметить, что
биообрабатываемость в анаэробных условиях перечисленных
органических соединений была выявлена в результате многих исследований.
Последовательное многоступенчатое разрушение молекул
органических веществ возможно благодаря уникальным способностям
определенных групп микроорганизмов осуществлять катаболичес-
кий процесс — расщепление сложных молекул до простых — и
существовать за счет энергии разрушения сложных молекул, не
имея доступа ни к кислороду, ни к другим, предпочтительным в
энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат,
сера и др.) Микроорганизмы используют для этой цели углерод
органических веществ. Следовательно, в процессе восстановительного
расщепления сложные органические молекулы разрушаются до
метана и углекислого газа.
На рис. 19.14 представлена схема метаногенеза, отражающая
потоки углерода при деградации сложных органических веществ.
Стадия гидролиза — это процесс расщепления сложных
биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и других ор-
22"
660 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
1^^
Органические вещества (полимеры)
Белки
21%
• Кислотогенез '•
<
\ 11%
35% \.
\^8%
'
Ацетат
V
Углеводы
]
Гидролиз
^1 \
40%
е ъ
Аминокислоты сахара
, 100% ХПК
5%
~U"/b
L
Летучие жидкие кислоты и спирты
Ацитогенез
Метаногенез
Метан
,. 12%
^\^
Липиды
\
34%
'
Жирные кислоты
23%/
/ 11%
>
'
Водород
30%
Рис 19 14 Общая схема метаногенеза
ганических молекул) на более простые олиго- и мономеры
(аминокислоты, углеводы, жирные кислоты).
Стадия ферментации — процесс брожения образовавшихся
мономеров до еще более простых веществ — низших кислот и
спиртов, при этом также образуются углекислота и водород.
В процессе ацетогенной стадии образуются предшественники
метана ¦— ацетаты, водород, углекислота.
Метаногенная стадия ведет к конечному продукту расщепления
сложных органических веществ — метану. В сложном процессе
превращений участвуют многие виды микроорганизмов (до
нескольких сотен), среди которых преобладают бактерии. В разложении
устойчивых токсикантов окружающей среды полихлорированных
фенолов важную роль играют штаммы Rhodo coccus и Mycobacterias,
широко распространенные в природе.
Механизм разложения заключается в парагидроксилировании и
последующем дехлорировании пара-хлорированных фенолов,
например, из пентахлорфенола сначала образуется тетрахлоргидро-
хинон, затем трихлоргидроксибензол, далее 1, 2,4-григидроксибен-
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 661
зол, завершается
(табл. 19.5). '
процесс деструкцией ароматического кольца
Таблица 19 5
Органические соединения
Результаты анаэробного разложения
2,4-динитрофенол, бис(2-этилгек-
силен)фталат, 2,4-диметилфенол,
4-хлор-м-крезол, 4,6-динитро-о-кре-
зол
Тетрахлорэтилен, 1,1,1-трихлор-
этан, хлороформ, четыреххлорис-
тый углерод
Альдрин, ос-гексахлорциклогексан,
у-гексахлорциклогексан
ДДТ
Токсафен
1,1-дихлорэтан, 1,2-дихлорэтан
Карбаматы (N-метил)
Галогенизированные бензоаты
(иод-, хлор-, бром-)
Бензол, изопропилбензол, этилбен-
зол, толуол
3,4-, 2,5- и 3,5-дихлорбензоат, 2,4,5-
трихлорфеноксиацетат, 5-бром-2
хлорбензоат, 4-амино-3,5-дихлор-
бензоат
При концентрации 20 мг/л выход метана
составляет 10% теоретического
Разлагаются медленно и только в
присутствии другого метаболита, который может
поддерживать рост микроорганизмов как
источник углерода
Трансформируется в дильдрин,
дехлорируется до пентахлорциклогексана + НС1
Трансформируется до 1,3, 4, 5, 6-пентахлорцикло-
гексана
Дехлорируется частично
Восстанавливается и дихлорируется
Подвергаются биоразложению
Деградация зависит от разрушения
монометиламина
Разлагаются до С02 и СН4 только 3—2, 3- и
4-замещенные соединения
Разрушается до СО? и СР4 Анаэробные
микроорганизмы катализируют также гидро-
ксилирование, деметилирование, декарбокси-
и деметоксилирование
Анаэробные микроорганизмы вызывают
дегалогенированаие
В метановом биоценозе основными являются
гидролитические, бродильные, синтрофные и метановые группы
микроорганизмов, которые последовательно в тесной и сложной взаимосвязи
между собой и другими микроорганизмами осуществляют все стадии
анаэробного разрушения веществ Постадийно процесс метаногене-
за органических веществ, а также типы реакторов, используемых в
разработанных в разных странах технологиях, достаточно подробно
описаны в отечественной и зарубежной литературе. Основными
факторами, влияющими на производительность анаэробных
реакторов, являются: реакционная способность; фазовый и химический
состав; размер загружаемого субстрата, время удержания жидкости в
662 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
реакторе; концентрация микроорганизмов внутри реактора;
эффективность массообмена реакционной среды; скорость загрузки
реактора; эффективность массообмена реакционной среды;
температурный режим; рН; наличие питательных и токсических веществ.
Реакторы для метаногенеза делятся на реакторы первого и
второго поколения. Реакторы первого поколения — герметичные
емкости с перемешиванием периодически загружаемой на
биообработку массы. Отличительным признаком реакторов второго поколения
служит использование принципа удержания биомассы.
Классификация современных реакторов основана на форме метаногенной
биомассы в реакторах. По этому принципу все конструкции разделены
на реакторы со взвешенно-седиментирующей биомассой (илом) и
прикрепленной биомассой.
Как видно из рис. 19.13, к реакторам со
взвешенно-седиментирующей биомассой относятся анаэробные лагуны, контактный
реактор, реактор с восходящим потоком сточной воды через слой
анаэробного ила, перегородочный реактор. Реакторами с прикрепленной
биомассой являются биофильтр с восходящим и биофильтр с
нисходящим потоком сточной воды и неподвижно закрепленной
биопленкой (DSFF-реактор); реактор с расширенным и взвешенным
слоем частиц носителя — вращающиеся биоконтакторы. Четких
границ между различными конструкциями реакторов нет. Это
подтверждают разработки и исследования последних лет, в которых,
например, конструкция CASBER-процесс сочетает в себе
особенности и черты контактного реактора и реактора псевдосжиженным
слоем и т.д.
Приведем коммерциализированный перечень промышленных
технологий анаэробной очистки, разработанных и используемых в
настоящее время (табл. 19.6).
Таблица 19.6
Тип реактора
Контактный с
отстаиванием с
ультрафильтрацией
Анаэробный биофильтр
Технология
аэробной очистки
сточных вод
ANAMET
BIOENERGY
IRIS
MARS
CTLROBIC
ANDXAL
BIOFAR
BIOMASS
Фирма-разработчик
AC. Biotecnics AB (Швеция)
Biomethanics Ltd (США)
Institut de Recherches de I'industrie
sucrerie (Франция)
Dorr-Oliver Inc. (США)
Badger (США)
L'air liquide (Франция)
Degremont (Франция)
Biomass International
Глава 19. Обращение с отходами производства и потребления 663
Продолжение табл. 19.6
С нисходящим потоком
UASB
С псевдоожиженным
(расширенным) слоем
носителя
Вращающийся
биоконтактор
Анаэробная лагуна
DSFF
Bacardi
FIJM FJXE
LARAN
BIOPAG
BIOTHANE
TAMAN
BIOTIM
ANITRON
HY FLO
GIST-BROCADES
AnRBS
ADI-BVF
National Rechearch. Council (Канада)
Bacardi Corp& (США)
Societe Generals pour les Techniques
Nouvelles (Франция)
Linde AG (Германия)
Paques BV (Нидерланды)
CSM (Нидерланды)
Tampella Ltd (Финляндия)
ESMIL (Бельгия)
Biotim N.V. (Бельгия)
Dorr-OIlver Inc. (США)
Ecotrol Inc. (США)
Gist-Brocades N.Y (Нидерланды)
Autotral (США)
ADI International Ltd. (Канада)
В качестве примера в табл. 19.7 приведена информация об
использовании некоторых промышленных установок анаэробной
очистки для различных типов сточных вод в целлюлозно-бумажной
промышленности [3]. В меньшей степени эти технологии
применяются для обезвреживания высококонцентрированных и
пастообразных отходов.
В настоящее время проводятся исследования по возможности
анаэробного обезвреживания твердых органических отходов. Хотя
лабораторные и опытно-промышленные разработки пока не нашли
широкого применения, этот подход следует рассматривать как
весьма перспективный. Как правило, биотехнологические методы
рекомендуются для использования в сочетании с различными
химическими и физическими методами обработки отходов. При этом может
быть достигнута высокая эффективность при относительно
небольших затратах.
Следует отметить, что в лабораторных условиях изучены
особенности первой стадии микробиологического процесса анаэробного
разложения твердых органических отходов. На этой стадии в
реакторе слегка влажные отходы подвергаются ферментативному
гидролизу с образованием летучих жирных кислот (ЛЖК), которые на
второй стадии с помощью других бактерий в отдельном реакторе,
куда ЛЖК переносятся потоком циркулирующей жидкости,
превращаются в метйн и С02. В качестве образца для отработки
технологических параметров процесса использовалась измельченная
солома. Показано, что для максимальной утилизации органической
фракции твердых муниципальных отходов при- анаэробной переработке
Таблица 19 7
Источник
сточных вод
ЦБП
ЦБП
ЦБП
Производство
фенола
Производство
антибиотиков
Местонахождение
Швеция
ФРГ
Франция
Нидерланды
Испания
Тип
реактора
Контактный
UASD
UASD
UASD
Анаэробный
биофильтр
ш
8700
1500
2300
470
1170
Загрязненность
стока
(ХПК/БПК),
мг/л
3500/1300
15000/7500
3600/1700
30000/нет
данных
16000/нет
данных
Объем
реактора,
м3
12000
1500
1000
1280
1800
Г, "С
30 40
Нет
данных
То же
—»—
37
На груз kj
по ОВ,
кг ХПК
м* сут
2,5
1,5
8,5
11
10,2
Время
обработки,
ч
34
24
10,2
65
37
Эффективность
по ХПК
(по БПК),
°/
67 (нет
данных)
80 (90)
75 (85)
95 (нет
данных)
80 (нет
данных)
Год
ввода
1983
1987
1987
1987
1986
BOOKS.PROEKTANT.ORG
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ
КОПИЙ КНИГ
для проектировщиков
и технических специалистов
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 665
с целью получения энергии и удобрений для сельского хозяйства в
обрабатываемую массу не должна добавляться вода. Удельный
выход газа — 500 л на килограмм сухого органического материала
Получаемый газ на 60% состоит из метана. Удельная нагрузка
аппарата для анаэробной переработки — 10 кг органического сухого
материала на 1 м3 газа в сутки.
Продолжается поиск эффективных способов биоразложения
полимерных отходов. Для ускорения продвижения в этом
направлении необходимо расширять производство биоразлагаемых
полимеров и одновременно вести разработки эффективных систем сбора и
сортировки такого рода отходов.
В последнее время растет интерес к использованию
биотехнологий, особенно для обработки наиболее токсичных и опасных
отходов. Это касается биоразложения пестицидов, нефти, фенолов для
обезвреживания отходов в почвах и в подземных водоисточниках.
Нельзя забывать, что существует общественный интерес к
применению генетически модифицированных микроорганизмов для
обезвреживания отходов, особенно в почвах окружающей среды.
Нет уверенности в том, что биотехнология является
надежным и безопасным способом обеспечения экологической чистоты.
Поэтому при обсуждении перспектив эффективного использования
биотехнологии для обезвреживания различных отходов, в том числе
особо опасных, всегда необходим контроль степени микробного
загрязнения объектов окружающей среды и очищенных субстратов.
Использование отходов
в качестве вторичных материальных ресурсов
Рассмотрим возможности использования отходов производства и
потребления в качестве вторичных материальных ресурсов на
примере нефтехимической промышленности (НХП). В НХП так
называемый материальный индекс, т.е. суммарный расход сырья и
вспомогательных материалов на единицу массы готовой продукции
(обычно на 1 т), весьма велик, особенно в производствах органического
синтеза. Например, при производстве красителей он может
составлять от 5 до 35 т и более. Это обусловлено тем, что процесс
производства красителей состоит из большого количества
технологических циклов. Естественно, что в таких случаях особенно остро стоит
вопрос о сокращении количества отходов, в том числе и об
использовании отходов в качестве вторичного сырья. Отходы могут быть
использованы в качестве вторичных материальных ресурсов (BMP)
в народном хозяйстве как на предприятиях, где эти отходы образу-
666 Часть II. Мониторинг и защита окружающей среды
ются, так и за их пределами. К BMP не относятся возвратные отходы
производства, которые могут быть использованы повторно в качестве
сырья в том же технологическом процессе, где они образуются.
На предприятиях органического синтеза обычно идет
комплексная физико-химическая переработка сырья, в результате которой
помимо готового целевого продукта образуются побочные продукты и
отходы производства. Побочные продукты — продукты
физико-химической переработки сырья — не являются целью основного
производства. Они образуются параллельно с основным продуктом и
могут быть использованы в качестве как исходного сырья на других
производствах, так и готовой продукции. Побочные продукты
нередко являются товарными, т.е. имеют нормативные документы и цену.
Нередко производитель планирует их получение и сбыт наряду с
основным продуктом. Отходы производства следует рассматривать
как продукты физико-химической переработки сырья, не
являющиеся целью основного производства, но они могут быть использованы
в качестве исходного сырья (или готовой продукции) после их
переработки.
Побочные продукты и отходы могут получаться как из-за
содержания в сырье компонентов, не используемых в данном
технологическом процессе, так и в результате нежелательных, но неизбежных
в данном процессе физико-химических преобразований.
По-настоящему эффективным использование BMP может стать при двух
условиях: во-первых, при наличии достаточно полной и легко
доступной информации по источникам и накоплению реализуемых отходов;
во-вторых, при выгодной экономической конъюнктуре.
Особенно широко отходы используются в химической
промышленности. Например, на предприятиях фирмы «Дюпон»,
использующих процессы органического синтеза отходов производства ак-
рилонитрила и адипиновой кислоты, выпускается 15 различных
химических продуктов, а отходы, содержащие двухосновные эфиры,
ацетонитрил, 2-метилпентаметилендиамин, находят применение в
качестве растворителей в химчистках.
Отходы производства диметилтерефталата используются для
синтеза алкидных олигомеров, находит применение кубовый остаток
от дистилляции после первой перекристаллизации. Олигомеры
синтезируются из глицерина (14...20%), таллового масла (40...50%) и
КОДФ (36...43%). Отходы катализаторов при производстве
мономеров (катализатор синтеза стирола КС-4) используются для
получения пигментов в строительных лакокрасочных композициях.
Отходы меламина в виде осадка от сульфирования с формальдегидом
используются в производстве ПАВ-диспергаторов, а в производстве
Глава 19. Обращение с отходами производства и потребления 667
катализаторов алкилирования бензола используют отходы
кабельной промышленности, содержащие алюминий. Не меньший интерес
вызывает использование отходов производства капролактама и
промежуточных продуктов его получения.
Серьезной проблемой для нефтепереработки является
утилизация отработанных катализаторов, особенно в гидрокренинге и кре-
нинге в псевдоожиженном слое. Например, в США ряд широко
использовавшихся ранее в дорожном строительстве отходов не
применяются в связи с законом, принятым в 1990 г., по которому любые
опасные отходы, имеющие стандартные методики переработки,
запрещены к захоронению; при этом требуется выделение активных
металлических компонентов: трисульфида молибдена; пентоксида
ванадия; тригидрата оксида алюминия и др.
Наглядный пример использования вторичных материальных
ресурсов на рис. 19.15, где показана схема применения стеклобоя в
различных отраслях промышленности.
Особенности термических методов переработки ТБО
Твердые бытовые отходы представляют собой гетерогенную
смесь, в которой присутствуют почти все химические элементы в
виде различных соединений. Наиболее распространенными
элементами являются углерод, на долю которого приходится около 30%
(по массе) и водород (4% по массе), входящие в состав
органических соединений. Теплотворная способность отходов во многом
определяется именно этими элементами. В промышленно развитых
европейских регионах теплотворная способность ТБО составляет
(7955...10 045) • 103 Дж/кг, а в ряде случаев достигает 13816- 103
Дж/кг, и прогнозируется дальнейший рост теплотворной
способности отходов, что окажет влияние на конструктивные особенности
элементов термического оборудования.
Сжигание ТБО, как правило, является окислительным
процессом. Поэтому и в камере сжигания превалируют окислительные
реакции. Главными продуктами сгорания углерода и водорода
являются соответственно С02 и Н20. При неполном сгорании (условия
недожога) образуются нежелательные продукты: монооксид углерода
СО; низкомолекулярные органические соединения;
полициклические ароматические углеводороды; сажа и др. Аналогичные
соединения могут быть продуктами реакций, происходящих в зоне более
холодных элементов оборудования (например, на выходе из печи,
на станции газоочистки и т.п.). При сжигании необходимо
учитывать, что в ТБО присутствуют потенциально опасные элементы, ха-
Промышленность строительных и
теплоизоляционных материалов
Е
Облицовочная плитка
(до 100%
несортированного
стеклобоя)
Строительные кирпичи
(70%
несортированного
стеклобоя)
Бетон
(до 60%
несортированного
стеклобоя)
Пеностекло
(до 95%
несортированного
стеклобоя)
Стекольная промышленность
Варка стекла
Отходы
стекла
Гласфальт
(45...73%
стеклобоя)
Герметизирующий
состав
(до 60% стеклобоя)
Нижние слои
дорожного
покрытия (20...30%
стеклобоя)
Листовое
(20%
возвратного боя)
Полубелое
(до 40%
покупного
боя)
Стекловолокно
Зеленое
(до 100%
покупного
боя)
Жгуты
(100%
стеклобоя)
Насадки
реакционных
аппаратов
Стеклянные шарики (100% стеклобоя)
121
Украшения
Теле- и
киноэкраны
^
Детали
микрооптики
Мелющие
тела
Прочие области применения
Огнеупоры
(до 90%
пироплавкого стекла)
Абразивные материалы
(до 80% очищенного
стеклобоя)
Электротехническая
промышленность
(90...95% промышленных
отходов стекла)
Стеклосмазка
(до 100% промышленных
отходов стекла)
Стеклокрошка
(100% несортированного
стеклобоя)
Наполнители (90...96% промышленных отходов стекла)
Наполнители красок
Наполнители пластмасс
Наполнители резины
оо
5
В
Е
Рис. 19.15 Основные направления использования стеклобоя
Глава 19. Обращение с отходами производства и потребления 669
рактеризующиеся высокой токсичностью, высокой летучестью.
Например, различные соединения галогенов (фтора, хлора, брома),
азота, серы, тяжелых металлов (меди, цинка, свинца, кадмия, олова,
ртути).
В табл. 19.8 приведено сравнительное содержание в ТБО и
земной коре ряда опасных элементов [5]. Из таблицы видно, что
содержание в ТБО галогенов, серы и тяжелых металлов на 1...2 порядка
выше, чем в земной коре.
Таблица 19.8
Опасных элемент
Хлор
Бром
Сера
Медь
Цинк
Свинец
Ртуть
Кадмий
Содержание, г/т
в ТБО
5000... 8000
30...200
1000... 3000
200... 1000
600...2000
400... 1000
0,5...5
5...15
в земной коре
150
2,4
500
60
70
14
0,1
0,15
В условиях сжигания ТБО галогены преимущественно находятся
в форме их соединений с водородом (HCL, HBr, HF), являющихся
наиболее устойчивыми продуктами сгорания. Сера
преимущественно (до 70%) переходит в нелетучие сульфаты, попадающие в шлак,
и в летучий диоксид серы S02. Все летучие продукты реакций
попадают в дымовые газы. В неочищенных дымовых газах примерные
концентрации выбросов, мг/м3, составляют: HCL — 300... 1000;
НВг — 100...500; HF — 2...10; S02 — 100...500. Сухие ТБО
содержат около 1% азота (по массе), основным продуктом окисления
которого является монооксид азота NO. Его обычная концентрация в
неочищенном газе 200...400 мг/м3. Некоторые содержащиеся в ТБО
тяжелые металлы (железо, хром, никель) не образуют летучих
продуктов при сжигании и в основном переходят в шлак. Из летучих
металлов свинец и кадмий образуют хлориды, уносящиеся с
дымовыми газами. При охлаждении дымовых газов до 200°С они
конденсируются и улавливаются вместе с золой на стадии газоочистки.
В то же время один из наиболее токсичных металлов — ртуть, и ее
соединения остаются главным образом в газовой фазе и при более
низких температурах.
За последнее десятилетие содержание в ТБО тяжелых металлов
резко повысилось за счет отработанных сухих гальванических эле-
670 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ментов, аккумуляторов, ламп накаливания, люминисцентных ламп,
синтетических материалов (красители, стабилизаторы),
металлических покрытий кожи и др. Например в Германии в одной тонне
ТБО в среднем содержится 300 г сухих батарей, в результате чего
в городах с населением 0,5 млн человек накапливается ежегодно
около 50 т лома сухих батарей. Содержание ртути в этом ломе
колеблется в пределах 1 ...25%, а в ломе никель-кадмиевых
аккумуляторов содержится около 15% кадмия. Общее содержание кадмия в
ТБО Германии составляет 10...15 мг/кг. Основными источниками
кадмия являются синтетические материалы и батарейки. При
сжигании ТБО 90% кадмия попадает в дымовые газы и осаждается в
основном на мелких (менее 2 мкм) частицах летучей золы. Поэтому
при газоочистке задача во многом сводится к максимально полному
улавливанию летучей золы, которая характеризуется высоким
содержанием не только кадмия, но и свинца и других металлов. По
данным практики, концентрация металлов в отходящих газах при
сжигании исходных ТБО в 10...100 раз превышает концентрацию
металлов в отходящих газах энергетических установок, работающих
на каменном угле, т.е. тяжелые металлы являются
специфическими выбросами мусоросжигательных заводов.
В процессе сжигания ТБО, особенно в условиях недожога,
образуются весьма токсичные соединения — полихлордибензодиокси-
ны и полихлордибензофураны, структурные формулы которых
приведены на рис. 19.16.
Существует два принципиальных механизма образования
диоксинов и фуранов:
• из углерода в процессе его окисления при избытке кислорода
в присутствии соединений хлора и соединений меди как
катализаторов (в реакции практически участвуют углеродсодержащие
частицы летучей золы, хлориды, источником которых могут быть хлор-
содержащие пластмассы типа ПВХ, и соединения меди);
• из соединений, которые уже имеют похожую структуру,
например из хлорбензолов и хлорфенолов (содержание, например, гек-
сахлорбензола в ТБО обычно невелико — 0,0005 г/т, но иногда
достигает 0,014 г/т)
Рис 19 16 Структурные формулы токсичных соединений
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 671
Можно отметить два основных пути образования диоксинов и
фуранов при термической переработке ТБО:
• первичное образование в процессе сжигания ТБО при
температуре 300...600°С;
• вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов,
содержащих НС1, соединения меди (железа) и углеродсодержащие
частицы при температуре 250...450°С (реакция гетерогенного оксих-
лорирования частиц углерода).
Температура начала распада диоксинов 700°С, нижний
температурный предел образования диоксинов 250...350°С.
Для того чтобы при сжигании на стадии газоочистки обеспечить
снижение содержания диоксинов и фуранов до требуемых норм
(0,1 нг/м3), должны быть реализованы так называемые первичные
мероприятия, в частности «правило двух секунд», — геометрия печи
должна обеспечить продолжительность пребывания газов не менее
2 с в зоне печи с температурой не менее 850°С (при концентрации
кислорода не менее 6%).
Стремление к достижению при сжигании максимально высоких
температур и созданию каких-либо дополнительных зон дожигания
не решает полностью проблему снижения концентрации диоксинов
в отходящих газах, так как не учитывает способности диоксинов к
новому синтезу при снижении температуры. Высокие температуры
приводят к увеличению выхода летучих компонентов и росту
выбросов опасных металлов.
Теоретически возможны два способа подавления образования
диоксинов:
• связывание образующегося при сжигании ТБО НС1 с
помощью соды, извести или гидроксида калия;
• перевод в неактивную форму ионов меди и железа, например
связывание меди в комплексы с помощью аминов.
В заключение приведем ряд положений относительно
переработки ТБО.
1. В промышленной практике в настоящее время
применяют два метода термической переработки ТБО, основанные на
принудительном перемешивании и перемещении материала:
• слоевое сжигание на колосниковых решетках при
температуре 900...1000°С;
• сжигание в кипящем слое при температуре 850,..950°С (этот
режим сжигания является экологически и технологически
обоснованным).
На подавляющем большинстве заводов в различных странах
мира используется технология слоевого сжигания с использованием
672 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
в основном переталкивающих решеток. Такую технологию можно
назвать традиционной.
Сжигание в кипящем слое, требующее обязательной подготовки
отходов к такому процессу, распространено значительно меньше
{Япония, отдельные заводы в США, Норвегии, Испании), хотя в
настоящее время проектируются и строятся заводы в России, Италии,
Германии.
Основными преимуществами современных методов термической
переработки являются-
• снижение объема отходов в 10 раз;
• эффективное обезвреживание отходов;
• попутное использование энергетического потенциала
органических отходов
Эффективность термической переработки ТБО определяется
технологией процесса, составом отходов и степенью их подготовки
к сжиганию.
При прочих равных условиях большое значение имеет
количество и распределение дутьевого воздуха, зависящее от площади
живого сечения колосниковых решеток. Наиболее эффективную
аэрацию, судя по результатам практического использования,
обеспечивают топочные устройства германской фирмы Steinmuller с
площадью живого сечения решетки 1,5.. 2,5%. Для сравнения следует
отметить, что площадь живого сечения решеток германской фирмы
Martin — 1,2...1,7%, а швейцарской фирмы Von Roll — 1,5%.
Топочные устройства фирмы Steinmuller наряду с аналогичными
устройствами германской фирмы Noell наиболее приспособлены для
сжигания отходов переменного состава с переменной теплотворной
способностью, при этом стабилизация состава сжигаемого сырья во
всех случаях улучшает термический процесс.
Оригинальность системы распределения воздуха в топке и
конструктивных решений путем объединения колосников в решетку
позволило фирме Steinmuller получить технико-эксплуатационные
характеристики, превосходящие результаты других ведущих фирм.
Достоинства конструкции заключаются еще и в простоте конструкции;
высокой надежности в работе, легкости обслуживания и ремонта;
относительно низких эксплуатационных расходах; малом пылевыно-
се, малом выходе недожога. Не случайно более трети всех заказов
на строительство новых заводов в Германии получила именно фирма
Steinmuller. Германия как страна с наиболее жестким
природоохранным законодательством может служить своеобразным эталоном для
оценки применения природоохранных технологий. Фирма Stein-
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 673
muller производит не только топочную технику, но и котельное обо
рудование. Она частично размещает заказы на изготовление своем»
оборудования на российских заводах с целью снижения его стой
мости.
Взаимодействие с фирмой Steinmuller при решении в России ни
просов комплектных технологических поставок для термической
переработки ТБО представляется обоснованным и целесообразным
2. Основные недостатки традиционных процессов сжигании
ТБО, получивших распространение в мировой практике:
• большой объем отходящих газов (4500...6000 м3/т сжигав
мых отходов);
• образование значительного количества шлака (25% по масч ¦
исходного);
• образование токсичной летучей золы (выход 3...5% по массе)
Для снижения количества отходящих газов и одновременно дли
улучшения их состава и, следовательно, сокращения затрат на весь
ма дорогостоящую газоочистку работы ведутся в двух направлениях
• сокращение с помощью сортировки количества отходов, ни
правляемых на термическую переработку, и оптимизация их состав.1
с точки зрения гомогенизации, повышения и стабилизации тепло
творной способности, снижения содержания вредных и балластных
компонентов и др.;
• совершенствование собственно термического процесса и
оборудования, т.е. оптимизация подачи дутьевого воздуха, а также
совершенствование конструкции топочных устройств, использование
обогащенного кислородом дутья и разработка новых термических
процессов и оборудования.
3. Из новых разработок в области слоевого сжигания
наиболее перспективен процесс паровоздушной газификации при
температуре 1200°С в плотном слое кускового материала,
разработанный ИХФЧ РАН в Черноголовке и отрабатываемый в
Финляндии.
Преимущества новой технологии весьма существенны:
• простота оборудования для реализации технологии; пиролиз
и газификация отходов осуществляются в одном аппарате, причем
не требуется устройств для перемешивания и перемещения
материала;
• высокий тепловой КПД реактора газификации;
• экологические преимущества благодаря малому золоуносу;
низкой температуре синтез-газа на выходе из реактора и, как
следствие, отсутствию в нем летучих металлов; очень низкой вероятное-
674 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
ти образования дибензодиоксинов и дибензофуранов в
восстановительной среде,
• возможность реализации упрощенной газоочистки по
сравнению с традиционным слоевым сжиганием.
4. В стадии опытно-экспериментальной апробации и
технических предложений находятся высокотемпературные
процессы термической переработки ТБО, реализуемые при
температурах выше температуры плавления шлака (1300°С) и позволяющие
получить в остеклованной форме экологически безвредный шлак и
в ряде случаев снизить объем отходящих газов.
Для высокотемпературной термической переработки ТБО в
России предложено использовать металлургические процессы: процесс
Ванюкова; фьюминг-процесс; процесс «Пироксэл»; доменный
процесс. В зарубежной практике изучаются комбинированные
технологии: пиролиз—сжигание (процесс Siemens);
пиролиз—газификация—сжигание (процессы Noell и Thermoselekt). В
металлургическом процессе Ванюкова, процессах Noell и Thermoselekt
используется обогащенное кислородом дутье, что обеспечивает снижение
объема отходящих газов и дает возможность упрощения
газоочистки. Ни один из высокотемпературных методов пока не нашел
промышленного применения.
Как показывает анализ, механический перенос
металлургического оборудования, предназначенного для плавки минерального
сырья, на процессы термической переработки ТБО, содержащих
60...70% органических фракций, неправомерен, так как он
недостаточно отработан и не имеет никаких технологических и
экологических преимуществ. Исключение представляет процесс
электроплавки, который уже находит практическое применение, но не для
сжигания всей массы исходных ТБО, а для переплавки шлаков слоевого
сжигания с целью их обезвреживания. По-видимому, практика
применения электропечей для обезвреживания шлаков от сжигания
ТБО может расширяться
Что касается комбинированных термических технологий,
разрабатываемых в европейских странах, то возможность их широкого
практического применения зависит от чисто практических
критериев, поскольку никаких существенных экологических и
экономических преимуществ такие технологии по сравнению с хорошо
отработанными традиционными термическими процессами не имеют.
Все технологии, разрабатываемые в западных странах и
связанные с газификацией отходов, уступают отечественным разработкам
в этой области.
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления S7S
5. Основная тенденция развития мусоросжигания заклюш
ется в переходе от прямого сжигания ТБО к оптимизированному
сжиганию выделенной из ТБО горючей (топливной) фракции и ¦
переходе сжигания как процесса ликвидации ТБО к сжиганию как
процессу, обеспечивающему наряду с обезвреживанием отходов re
нерирование тепловой и электрической энергии.
Крупные мусоросжигательные заводы являются также достаточ
но крупными производителями тепловой и электрической энергии,
Однако дорогостоящая газоочистка ухудшает экономические
показатели таких заводов. В связи с этим повышается роль прямого
восстановления материалов, попадающих в отходы путем: обогащения
отходов, реализации первичных мероприятий, облегчающих
газоочистку; уменьшения потока отходов, направляемых на сжигание за
счет селективного сбора и сортировки; стабилизации состава
отходов; выделения перед сжиганием не только полезных, но и опасных
компонентов и др.
Современные промышленные термические процессы
экологически безопасны при условии сжигания подготовленных на основе
селективного сбора или механизированной сортировки ТБО и при
использовании современных технологий газоочистки. '
6. При выборе технологий и оборудования для переработки
российских ТБО необходимо учитывать различие в составе и
свойствах ТБО России и зарубежных стран. Как показывает опыт
эксплуатации построенных на территории СНГ и укомплектованных
импортным оборудованием мусоросжигательных заводов,
механический перенос европейского оборудования в условия СНГ не
является оптимальным решением, так как практически отсутствует
раздельный сбор ТБО, а также далеки от совершенства технологии
сбора и вывоза отходов, что в конечном счете приводит к высокому
содержанию в ТБО влаги, негорючих и опасных в экологическом
отношении компонентов.
19.5. Роль безотходных и малоотходных технологий
в процессе обращения с отходами
Создание безотходных производств относится к весьма
сложному и длительному процессу, промежуточным этапом которого
является малоотходное производство. Уровень воздействия продуктов
таких производств на окружающую среду не превышает уровня,
допустимого санитарно-гигиеническими нормами. При этом по
техническим, экономическим, организационным или другим причинам
676 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
часть сырья и материалов может переходить в отходы и
направляться на длительное хранение или захоронение.
В соответствии с действующим в России
законодательством предприятия, нарушающие санитарные и экологические
нормы, должны быть реконструированы или закрыты, иными
словами, все современные предприятия должны быть
малоотходными и безотходными.
При организации производственных процессов,
обеспечивающих условия малоотходного производства, предприятия вынуждены
часть сырья направлять на длительное хранение или захоронение.
Возникает необходимость количественной оценки этого сырья.
В ряде отраслей промышленности России такие количественные
показатели уже приняты. Например, в цветной металлургии
применяется коэффициент комплектности, который определяется по
формуле
М
kK = -rf -100%, (19.1)
в
где Мп — количество полезного вещества, извлекаемого из
перерабатываемого сырья, т; Мв — количество всего перерабатываемого
сырья, т.
Этот показатель колеблется в зависимости от уровня
технологических процессов и организации производства. Так, на ряде
предприятий отрасли он равен 80% и более.
В угольной промышленности применяется коэффициент безот-
ходности, который определяется по формуле
k6 = 0,33 (?бп + k* + ?бг), (19.2)
где fc6" — коэффициент использования породы, образующейся при
горных выработках; /сбж — коэффициент использования попутно
забираемой воды при добыче угля (сланца); ?6Г — коэффициент
использования пылегазовых отходов.
Добыча угля является одним из наиболее материалоемких и
экологически сложных производств народного хозяйства. Для этой
отрасли установлено, что производство будет малоотходным, если
k6=7b%. Этот показатель может быть значительно повышен,
если наряду с добываемым сырьем используются отвалы,
образовавшиеся в предыдущие годы.
В первом приближении, если значение коэффициента
безотходное™ или коэффициента комплектности превышает 75%, то
производство может быть отнесено к категории малоотходных, а если
значения этих коэффициентов больше или равны 95%, производство
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 677
можно считать безотходным. Такой подход справедлив и для других
материалоемких отраслей.
Создание безотходных производств требует решения сложных
организационных, технических, технологических, экономических
задач. Однако в настоящее время есть предприятия, которые смело
можно отнести к безотходным производствам. Например, отдельные
глиноземные заводы (Волховский, Пикалевский) перерабатывают
нефелин в глинозем, соду, поташ и цемент практически по схеме
безотходных производств. При этом эксплуатационные затраты на
производство глинозема, соды, поташа и цемента, получаемых из
нефелинового сырья, на 10...15% ниже затрат при получении этих
продуктов другими промышленными способами. Для разработки и
внедрения безотходных производств можно выделить ряд
взаимосвязанных принципов.
Например, принцип системности, лежащий в основе создания
безотходных производств, позволяет учесть усиливающуюся
взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и
природных процессов. Это подтверждается тем, что каждый отдельно
взятый процесс или производство необходимо рассматривать как
элемент динамично развивающейся эколого-экономической
системы, включающей, кроме материального производства и другой
хозяйственно-экономической деятельности человека, природную среду
(популяции живых организмов, атмосферу, гидросферу, литосферу,
биогеоценозы, ландшафты), а также человека.
Другим важнейшим принципом создания безотходного
производства является комплексность использования ресурсов,
основанный на максимальном использовании сырьевых компонентов и
энергетического потенциала. Все сырье практически является
комплексным, и в среднем более трети его количества составляют
сопутствующие элементы, которые могут быть извлечены только при
комплексной его переработке. Например, в настоящее время почти все
серебро, висмут, платина и платиноиды, а также более 20% золота
получают попутно в процессе переработки комплексных руд.
Принцип комплексного экономного использования сырья в России
возведен в ранг государственной задачи и четко сформулирован в ряде
постановлений правительства. Конкретные формы его реализации
зависят от уровня организации безотходного производства.
Не менее важным принципом создания безотходного
производства является цикличность материальных потоков. К цикличным
материальным потокам можно отнести замкнутые водо- и
газооборотные циклы. Последовательное применение этого принципа долж-
678 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
но привести к формированию сознательно организованного и
регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним
превращений энергии. Такой процесс развивается поэтапно,
начиная с регионов и распространясь на всю техносферу. Следует
отметить, что при разработке технологических процессов,
обеспечивающих малоотходность или безотходность производства, необходимо
выполнить требования по ограничению воздействия производства на
окружающую природную и социальную среды с учетом
планомерного и целенаправленного роста его объемов и экологического
совершенства. Это в первую очередь связано с сохранением таких
природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода,
поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения.
Подчеркнем, что реализация такого подхода осуществима лишь в сочетании
с эффективным мониторингом, развитым экологическим
нормированием и многозвенным управлением природопользованием.
Еще одним определяющим принципом создания безотходного
производства является рациональность организации
производства. Определяющими здесь выступают требования:
• разумного использования всех компонентов сырья;
• максимального уменьшения энерго- и трудоемкости
производства;
• поиск новых экологически обоснованных сырьевых и
энергетических технологий.
Это позволит снизить отрицательное воздействие на
окружающую среду и уменьшить нанесенный ей ущерб. Конечной целью в
данном случае следует считать оптимизацию производства
одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим
параметрам. Основным путем достижения этой цели является
разработка новых и усовершенствование существующих
технологических процессов и производств.
Совокупность работ, связанных с охраной окружающей среды и
рациональным освоением природных ресурсов, позволяет
сформулировать главные направления создания мало- и безотходных
производств К ним относятся.
• комплексное использование сырьевых и энергетических
ресурсов;
• усовершенствование существующих и разработка
принципиально новых технологических процессов и производств и
соответствующего оборудования;
• внедрение водо- и газоотборных циклов на базе эффективных
газо- и водоочистных методов;
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 679
• кооперация производств с использованием отходов одних
производств в качестве сырья для других и создание безотходных
территориально-производственных комплексов.
При совершенствовании существующих, а также при разработке
принципиально новых технологических процессов необходимо
соблюдение ряда общих требований:
• осуществление производственных процессов с
использованием минимально возможного числа технологических стадий
(аппаратов), так как на каждой из них образуются отходы и теряется сырье;
• применение непрерывных процессов, позволяющих наиболее
эффективно использовать сырье и энергию;
• увеличение единичной мощности агрегатов до оптимальных
значений;
• интенсификация производственных процессов, их
оптимизация и автоматизация;
• создание энерготехнологических процессов, позволяющих
полнее использовать энергию химических превращений, экономить
энергоресурсы, сырье и материалы и увеличивать
производительность агрегатов.
Примером таких производств служит крупнотоннажное
производство аммиака по энерготехнологической схеме.
При организации безотходных производств большое значение
имеет кооперирование предприятий различных отраслей
промышленности.
Рациональная переработка минерального сырья предполагает
использование его исходных компонентов, так как по количеству
отходов, образующихся в том или ином технологическом процессе, в
значительной мере можно судить об эффективности использования
первичного сырья. В то же время образование отходов является
одним из основных факторов, определяющих масштабы вредного
воздействия производства на окружающую среду. Следовательно, в
качестве показателя экологичности технологического процесса
может использоваться такой критерий, как количество отходов.
Кроме количественной оценки отходов возникает необходимость
учета их качества, позволяющего определить токсичность
компонентов отходов и их опасность для окружающей среды. Хотя в
настоящее время нет единой типовой методики оценки экологического
совершенства технологии посредством учета количества отходов, тем
не менее в ряде отраслей промышленности такая оценка проводится
по конкретным видам производства.
Например, оценку экологического совершенства химических
процессов и удельного образования отходов целесообразно прово-
680 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
дить по методике, разработанной В. Ремезом, А. Шубиным и др., в
которой критерий экологичности Кэк предлагается считать по
формуле
^ = Е<пЖ + ^<ТШ7 + ^<пд^- (19'3)
где т(ж, т/', m(T — количество г'-го токсичного компонента жидких,
газообразных и твердых отходов соответственно; С*, С,г, С] —
концентрация г'-го компонента в жидких, твердых, мг/дм3, и
газообразных мг/м3, отходах;ПДК* — предельно допустимая
концентрация г'-го компонента в воде рыбохозяйственных водоемов, мг/дм3;
ПДК,Г — предельно допустимая концентрация г'-го компонента в
воздухе населенных мест, мг/м3.
Для оценки токсичности твердых отходов предполагается
использование ПДКЖ, так как при хранении твердых отходов
возможно их растворение в атмосферных осадках, сточных и грунтовых
водах.
Как видно из (19.3), критерий экологичности учитывает жидкие,
газообразные, твердые отходы. При этом количество г'-го компонента
в жидких отходах
тгж = 2,4 • Ю-5-1^—, (19.4)
где Q — количество жидких отходов, м3/ч; п — число рабочих дней
в году; Р — количество выпускаемой продукции, т/год
При расчете первых двух слагаемых в (19.3) учитываются все
источники жидких и газообразных отходов. Так, для газообразных
выбросов для каждого /-го источника количество г'-го токсичного
компонента рассчитывается по формуле
т;г/ = С;/Уу- Ю-6, (19.5)
где C\i — концентрация ('-го компонента в /-м источнике, мг/м3;
V. — объем выбросов в /-м источнике, м3/ч.
Количество г'-го токсичного компонента, выбрасываемого с
газообразными отходами /-м источником (ml), определяется
суммированием т,г/ по г'-му компоненту с учетом рабочего времени:
m,r/ n
ml = 2 • Ю-2 -j-. (19.6)
Средняя концентрация г'-го компонента в газообразных отходах
рассчитывается по уравнению
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 681
с; = ^—'., (19.7)
где V V — общий объем вредных выбросов, м3/ч.
Количество г'-го токсичного компонента в твердых отходах
< = ——, (19,8)
' р. 100
где Тг — количество твердых отходов, т/год; г, — содержание 1-го
токсичного компонента (элемента) в твердых отходах, %
В идеале, т.е. при безотходной технологии, коэффициент /С,и
равен нулю.
Предложенный критерий имеет четкую экологическую *иачи
мость, так как его значение зависит от количества отходов и от их
токсичности, определяющих воздействие технологического процеч
са на окружающую среду. Следовательно, он может быть испольаи
ван для сравнения традиционных технологических процессов полу
чения товарной продукции с перспективными безотходными и мало
отходными технологиями, что существенно облегчает оценку бйао i
ходности.
Совершенствование технологических процессов основного проил
водства и применение передовых технологий селективного разделе
ния и взаимопревращения различных веществ способствуют умеш.
шению отходов, т.е. позволяют получить безотходное или Мали
отходное производство. Однако необходимо отметить, что с начал.i
1990-х гг. доля таких производств не увеличилась, так как в ряде си
раслей наблюдался значительный спад производства. В этих услови
ях ни о каких новых технологиях не могло быть и речи. Ситуация усу
губляется еще и тем, что Россия переживает сложные в экономичен
ком отношении годы. Доля износа производственных фондов стреми
тельно увеличивается и в отдельных производствах состанляг i
80...85%. Практически приостановилось технологическое перевоору
жение в ряде отраслей. Сложившаяся ситуация в народном хозяйстис
свидетельствует о том, что именно в данный момент необходимо внгл
рять малоотходные и безотходные технологии, так как при нарастаю
щих темпах накопления отходов население может оказаться завален"
свалками промышленных и бытовых отходов и остаться без питьевой
воды, достаточно чистого воздуха и плодородных земель
Рассматривать все возможные направления создания малоотход
ных и безотходных производств по всем отраслям промышленности
682 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
нет необходимости, так как многие процессы находят применение в
десятках отраслей. Поэтому в качестве примеров приведем
возможные направления такой работы применительно к отдельным
отраслям и производствам.
Например, в энергетике для снижения отходов до уровня,
соответствующего малоотходному или безотходному производству,
целесообразно шире внедрять современные технологии сжигания
топлива, например, в кипящем слое, при котором снижается
содержание загрязняющих веществ в отходящих газах. Необходимо
применять пылеочистное оборудование с максимально возможным КПД.
Полученную золу можно эффективно использовать в качестве
сырья, например, при производстве строительных материалов.
В горной Промышленности необходимо:
• внедрять разработанные технологии по полной утилизации
отходов как при открытом, так и при подземном способе добычи
полезных ископаемых;
• шире применять геотехнологические методы разработки
месторождений полезных ископаемых, стремясь при этом к извлечению
на земную поверхность только целевых компонентов;
• использовать безотходные методы обогащения и переработки
природного сырья на месте его добычи;
• шире применять гидрометаллургические методы переработки
РУД
В черной и цветной металлургии при создании новых и
реконструкции действующих производств необходимо внедрять
технологии, обеспечивающие экономное и рациональное использование
рудного сырья и снижение отходов до уровня безотходных производств
Это может быть обеспечено:
• вовлечением в переработку газообразных, жидких и твердых
отходов производства и снижением выбросов и сбросов вредных
веществ с отходящими газами и сточными водами,
• широким внедрением многотоннажных отвальных твердых
отходов горного и обогатительного производства в качестве
строительных материалов и закладкой выработанного пространства шахт,
дорожных покрытий, стеновых блоков и т.д. вместо специально
добываемых минеральных ресурсов;
• переработкой в полном объеме всех доменных и
ферросплавных шлаков, а также существенным увеличением масштабов
переработки сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии;
• резким сокращением расходов свежей воды и уменьшением
сточных вод путем дальнейшего развития и внедрения безводных
технологических процессов и бессточных систем водоснабжения;
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 683
• повышением эффективности существующих и вновь
создаваемых процессов улавливания побочных компонентов из отходящих
газов и сточных вод;
• широким внедрением сухих способов очистки газов от пыли
во все виды металлургических производств и изысканием более
совершенных способов очистки отходящих газов;
• утилизацией слабых (менее 3,5%) серосодержащих газов
переменного состава путем внедрения на предприятиях цветной
металлургии эффективного способа — окисления серйистого
ангидрида в нестационарном режиме двойного контактирования;
• ускорение внедрения ресурсосберегающих автогенных
процессов и в том числе плавки в жидкой ванне, что позволит не только
интенсифицировать процесс переработки сырья, уменьшить расход
энергоресурсов, но и значительно оздоровить воздушный бассейн в
районе действия предприятий за счет резкого сокращения объема
отходящих газов и получить высококонцентрированные
серосодержащие газы, используемые в производстве серной кислоты и
элементарной серы;
• разработкой и широким внедрением на металлургических
предприятиях высокоэффективного очистного оборудования, а
также аппаратов контроля разных параметров загрязненности
окружающей среды;
• быстрейшей разработкой и внедрением новых прогрессивных
малоотходных и безотходных процессов, имея в виду бездоменный
и бескоксовый процессы получения стали, порошковую
металлургию, автогенные процессы в цветной металлургии и другие
перспективные технологические процессы, направленные на уменьшение
выбросов в окружающую среду;
• расширение применения микроэлектроники, АСУ, АСУТП в
металлургии в целях экономии энергии и материалов, а также
контроля образования отходов и их сокращения.
В химической и нефтеперерабатывающей промышленности
в более крупных масштабах необходимо использовать-
• окисление и восстановление с применением кислорода, азота
и воздуха;
• электрохимические методы;
• мембранную технологию разделения газовых и жидкостных
смесей,
• биотехнологию, включая производство биогаза из остатков
органических продуктов;
• методы радиационной, ультрафиолетовой,
электроимпульсной и плазменной интенсификации химических реакций.
684 Часть II Мониторинг и защита окружающей среды
В машиностроении, особенно в гальваническом производстве
• совершенствование методов водоочистки,
• переход к замкнутым процессам рециркуляции воды,
• извлечение металлов из сточных вод
Не менее важным является внедрение современных технологий ме
таллообработки, например получение деталей из пресс-порошков и др
В бумажной промышленности первостепенным является
• сокращение расхода свежей воды на единицу продукции,
• создание замкнутых и бессточных систем водоснабжения,
• максимальное использование экстрагирующих соединений,
содержащихся в древесном сырье, для получения целевых продуктов,
• совершенствование процессов отбеливания целлюлозы с
помощью кислорода и озона,
• улучшение процесса переработки отходов лесозаготовок
биотехническими методами,
• создание мощностей по переработке бумажных отходов,
включая макулатуру
ЛИТЕРАТУРА
1 Экологические проблемы Что происходит? Кто виноват? Что делать?
Учеб пособие / Под ред ВН Данилова Данильяна М 1997
2 Классификация и паспортизация вторичных материатьных ресурсов /
В А Утицкий и др М ЦНИИТЭИС 1991 (Материачьно техническое снабже
ние Сер 1 Обзор информации Вып 2)
3 Инструментальные методы химического анализа / Пер с англ М Мир
1989
4 Отчет оперативной группы Европейского агентства по окружающей
среде в 1992—1993 гг М 1994
5 Мазур И И Молдаванов О И , Шишов В Н Инженерная экология М
Высш шк , 1996
6 Матросов А С Управтение отходами М Гардарики, 1999
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предистовие 5
Часть I Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе 7
Глава 1 концепция инженерной экологии 7
1 1 Основные понятия 7
12 Ор[анизационно правовые основы инженерной экологии 19
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 26
2 1 С грукт> ра и состав атмосферы 26
2 2 Классификация загрязнителей атмосферы 29
2 3 Источники загрязнения атмосферы 30
2 4 Последствия загрязнения атмосферы 38
2 5 Управление качеством атмосферного воздуха 40
2 6 Рассеивание токсичных выбросов в атмосфере 42
2 7 Санитарно защитные зоны 46
2 8 Санитарно гигиенические показатели загрязнения атмосферы 47
2 9 Комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха 50
2 10 Раздельное нормирование загрязняющих веществ в воздухе 55
2 11 Ограничение выбросов 56
Литература 58
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 59
3 1 Запасы воды 59
3 2 Самоочищение в гидросфере 63
3 3 Основные источники загрязнения гидросферы 63
3 4 Оценка качества водном среды 67
3 5 Обеспечение качества водных объектов 69
3 6 Регламентация поступления загрязняющих веществ в водные объекты 76
Литература 83
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 84
4 1 Строение состав и свойства литосферы 84
4 2 Нормирование загрязняющих веществ в почве 87
4 3 Радиоактивное загрязнение почв и загрязнение тяжелыми металлами 90
4 4 Деградация почв 92
4 5 Рекутьтивация земель 94
Литература 95
Глава 5 Шуи (зв\к) и вибрации в окружающей среде 96
5 1 Основные понятия 96
5 2 Распространение шума (звука) 100
5 3 Деиствие шума на человека и окружающую среду 117
5 4 Методы оценки и измерения шумового загрязнения 124
5 5 Источники шума и их шумовые характеристики 132
5 6 Общие методы снижения воздействия шума на окружающую среду 143
57 Влияние вибрации на человека и на окружающую среду 151
5 8 Причины и источники вибрации 155
5 9 Нормирование шума 161
5 10 Проведение акустического расчета 162
Литература 185
Приложения 186
Глава 6 Э юктричество и окружающая среда 191
6 1 Электрический ток и человек 191
6 2 Природное и статическое этектричество Защита от его воздействия 217
Литература 220
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучении 220
7 1 Основные понятия термины 220
7 2 Электромагнитные поля промышленной частоты 228
686
Оглавление
7 3 Электромагнитные поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов 243
7 4 Защитные средства 252
Литература 254
Приложение 255
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 256
8 1 Лазерное излучение и особенности его распространения 256
8 2 Краткая характеристика различных типов лазеров 258
8 3 Применение лазеров 259
8 4 Действие лазерного излучения на организм человека 260
8 5 Классификация лазерных установок по степени опасности 262
8 6 Побочные опасные и вредные производственные факторы 263
8 7 Нормирование лазерного излучения 264
8 8 Расчет плотности энергии лазерного излучения конкретных установок 268
8 9 Средства контроля уровня лазерного излучения 269
8 10 Меры и средства защиты от лазерного излучения 270
8 1J Лазеры в химическом анализе 273
8 12 Лазерное зондирование параметров атмосферы 283
8 13 Мониторинг окружающей среды с использованием лазеров 301
Литература 305
Глава 9 Основы радиационной безопасности 306
9 1 Общие сведения об ионизирующих излучениях 306
9 2 Строение и свойства атомов 308
9 3 Радиоактивность 309
9 4 Дозиметрические величины и их единицы 312
9 5 Фоновое облучение человека 319
9 6 Радиационные эффекты облучения людей 321
9 7 Нормирование радиационного облучения 324
9 8 Методы и средства контроля радиационной обстановки 327
9 9 Прогнозирование радиационной обстановки при ядерных катастрофах 333
9 10 Защита населения от ионизирующих излучений 337
Литература 342
Глава 10 Горение и взрыв в окружающей среде 343
10 1 Экологическая опасность лесных пожаров и технологических
производств, связанных с горением 343
10 2 Критерии крупных пожаров и их последствий 349
10 3 Антропогенные факторы пожаров и взрывов 351
10 4 Пожароопасные свойства веществ и материалов 360
10 5 Установление категории производств по пожарной и взрывной
опасности 377
10 6 Классы взрывоопасных зон в соответствии с ПУЭ 385
10 7 Установление категорий пожароопасных помещений 388
10 8 Средства и способы огнетушения 389
10 9 Особенности прогнозирования пожарной обстановки в населенных
пунктах 395
Литература 398
Часть II. Мониторинг и зашита окружающей среды 399
Глава ]] Роль мониторинга окружающей среды в современных условиях 399
11 1 Мониторинг атмосферного воздуха 399
11 2 Мониторинг гидросферы 403
113 Мониторинг урбанизированных территорий 406
Литература 408
Глава 12 Система экологического мониторинга 408
12 1 Создание системы экологического мониторинга 408
12 2 Повышение эффективности системы экологического мониторинга 412
Глава 13 Информационное обеспечение систем экологического мониторинга 413
13 1 Место информационного обеспечения в системе экологического
мониторинга 413
13 2 Особенности организации данных в ГИС 417
Оглавление
687
13 3 Основные функциональные возможности ГИС 427
13 4 Структура ГИС единого экологического мониторинга pel иона 433
Литература 438
Глава 14 Экологическая экспертиза, аудит 438
14 1 Экологическая экспертиза 438
14 2 Порядок проведения государственной экологической экспертизы 446
14 3 Оценка воздействия на окружающую среду 452
14 4 Экологический аудит 453
Литература 457
Глава 15 Место сертификации в инженерной экологии 457
15 1 Цели и задачи сертификации 457
15 2 Порядок проведения сертификации 463
15 3 Экочогическая сертификация 464
Литература 471
Глава 16 Анализ риска 472
16 1 Начальные положения анализа риска 472
16 2 Сравнение степеней риска 475
16 3 Основная-формальная структура принятия решений 477
16 4 Классические критерии принятия решений 486
16 5 Производные критерии принятия решений 492
16 6 Количественные характеристики ситуации принятия решения 495
16 7 Методические основы анализа риска с помощью дерева отказов 502
16 8 Пример построения дерева отказов 521
16 9 Количественные аспекты анализа систем 528
16 10 Начальные положения анализа экотогического риска 5^1
16 11 Алгоритм расчета риска для здоровья в зависимости от качества
окружающей среды 5 31
16 12 Расчет риска токсических эффектов в результате хронического
воздействия загрязнений атмосферы 538
Литература 540
Глава 17 Технические средства и методы защиты атмосферы 541
17 1 Классификация пылеулааливающего оборудования 541
17 2 Электрофильтры 554
17 3 Применение туманоуловителей 561
17 4 Особенности применения мокрых пылеуловителей 565
17 5 Способы очистки выбросов от газо- и парообразных загрязнений 571
17 6 Термическая нейтрализация вредных примесей 582
17 7 Биохимические методы 588
Литература 589
Приложение 590
Глава 18 Защита водных объектов от загрязнений 601
18 1 Способы очистки нефтесодержащих стоков 601
18 2 Обработка сточных вод озоном 622
18 3 Биохимическая очистка сточных вод 623
18 4 Малоотходные технологические процессы очистки сточных вод 627
Литература 629
Приложение 629
Глава 19 Обращение с отходами производства и потребления 632
19 1 Накопление отходов производства и потребления 632
19 2 Классификация отходов 639
19 3 Паспортизация и сертификация отходов 645
19 4 Переработка отходов как средство зашиты окружающей среды 653
19 5 Роль безотходных и малоотходных технологий в процессе обращения
с отходами 675
Литература 684
BOOKS.PROEKTANT.ORG
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ
КОПИЙ КНИГ
для проектировщиков
и технических специалистов
Книги УИЦ «Гардарики»
можно приобрести или заказать:
107082, Москва, ул. Ф. Энгельса, д. 75, стр. 10
(ст. метро «Бауманская»)
Тел.: (095) 797-9081, 797-9082, 797-9083, 797-9084
Факс: (095) 363-0636
Опт, розница, книга—почтой, доставка
101000, Москва, Лубянский пр., д. 7, стр. 1
(ст. метро «Лубянка», «Китай-город»)
Тел.: (095) 928-4840
Розница
Москва, ул. Знаменка, д. 10
(ст. метро «Арбатская»)
Розница
По каталогу «Книги. Учебные пособия. Товары»
Агенства «Роспечать». Тел.: (095) 195-1451
Учебное издание
ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ
Под редакцией профессора
Виктора Тихоновича Медведева
Учебник
Редактор Н.Г Давыдова
Корректор В.И. Митрофанова
Нуявжественный редактор А.В. Антипов
Оформление переплета АЛ. Бондаренко
Компьютерная верстка А.А. Петровой
Налоговая льгота — общероссийский классификатор продукции
ОК-005-93, том 2; 953000 — книги, брошюры
Изд. лиц. № 066160 от 02.11.98
Подписано в печать 29.10.2001. Формат 60 х 90'/16
Гарнитура Антиква. Печать офсетная. Усл. печ. л. 43,0.
Тираж 5000 экз. Заказ № 4910.
УИЦ «Гардарики»
101000, Москва, Лубянский пр., д. 7, стр. 1
Тел. (095) 921-0289, 925-6840
Факс:(095)921-1169
Отпечатано в полном соответствии
с качеством предоставленных диапозитивов
на ОАО «Можайский полиграфкомбинат»
143200, г. Можайск, ул. Мира, 93
Качество жизни общества обусловлено биосферой Лсчли как
важнейшим условием существования этноса. В свою очередь
техносфера определясч возможности развншя сообщества че-
рс. различные ресурсы и конкретный уровень технологии
производства товаров и услуг Реализация концепции
устойчивою развития общества, со I мине благоприятной среты обша-
ния. рациона ibnoe нриро юполь юнаннс требуют коми к'ксного
подхода к контролю состояния окружающей среды.
Обеспечение безопасности жизнедеятельности необходимо п
bv'Jmokho при условии освоения комплекса линий о
взаимодействиях, пронехо 1ящих в спегемс окружающая среда -
человек - окружающая ере ia.
9 1785829»700904