Методичка по экологии
3,67 грамма , килограмма или тонны углекислого газа . Аналогичный смысл имеют стехиометрические соотношения для других элементов органического топлива , приведенных ниже .
Расчет массы кислорода М О 2 , необходимой для сжигания топлива , и коли -
чества образующихся при этом продуктов горения может быть произведен по сле - дующим упрощенным формулам :
М О 2 = (2,67· С /100 + 8· Н /100 + 1,14·N/100 + S/100 – О /100) М топл ;
М СО 2 = (3,67· С /100) М топл ;
М N О x = (2,14·N/100) М топл ;
М S О 2 = (2·S/100) М топл ;
М H 2 О = (9· Н /100) М топл ,
где С , Н , N, S, О – процентное содержание углерода , водорода , азота , серы и кислорода в составе горючей массы сжигаемого вида топлива ; М топл – масса сжигаемого топлива .
При правильном расчете количеств веществ , участвующих в процессе горения органического топлива , в соответствии с законом сохранения масс , должно
М топл + М О 2 = М СО 2 + М N О x + М S О 2 + М H 2 О .
Построить материальный баланс веществ при сжигании 2 тыс . т древесины с элементным составом : С – 51 %; Н – 6 %; О – 42,5 %; N – 0,5 %.
М О 2 = (2,67·51/100 + 8·6/100 + 1,14·0,5/100 – 42,5/100)2000 = = (1,3617 + 0,48 + 0,0057 – 0,425)2000 = 2844,8 т ;
М СО 2 = (3,67·51/100)2000 = 3743,4 т ;
М N О x = (2,14·0,5/100)2000 = 21,4 т ;
М H2 О = (9·6/100)2000 = 1080 т .
Баланс веществ равен
М топл + М О 2 = 2000 + 2844,8 = 4844,8 т ;
М СО 2 + М N О x + М H2 О = 3743,4 + 21,4 + 1080 = 4844,8 т . 58
1. Построить балансы веществ при сжигании 1000 т различных видов топ - лива , приведенных в табл . 1, и определить :
а ) при сжигании какого топлива выделяется наибольшее количество оксида серы , углекислого газа .
б ) при сжигании какого вида топлива требуется наибольшее количество кис - лорода .
2. Определить количество СО 2 и паров воды , образующихся при сжигании 3400 т антрацита .
3. Какое количество воздуха расходуется при сжигании 1800 т мазута , если содержание О 2 в атмосфере составляет 20,93 %?
Расчет газовых выбросов при сжигании газообразного топлива
Основными компонентами газообразного топлива являются горючие газы :
метан ( СН 4 ), этан ( С 2 Н 6 ), пропан ( С 3 Н 8 ), бутан ( С 4 Н 10 ), этилен ( С 2 Н 4 ), пропилен ( С 3 Н 6 ), сероводород ( Н 2 S), возможно также наличие углекислого ( СО 2 ) и сернис -
того (S О 2 ) газов .
Расчет необходимого количества кислорода и веществ , выделяющихся при сжигании газообразного топлива , осуществляется на основе реакций горения по методике , рассмотренной ранее , с учетом процентного содержания горючих газов в смеси .
Ниже приведены реакции горения и стехиометрические соотношения для метана , пропана и бутана . Аналогичные уравнения при необходимости могут быть составлены и для других горючих газов .
Стехиометрические уравнения реакций горения :
С 3 Н 8 + 5 О 2 → 3 СО
Полученные массовые соотношения веществ , участвующих в реакциях , по - зволяют рассчитать расход кислорода и воздуха , выделение углекислого газа
и паров воды и построить материальный баланс веществ при сжигании газообраз - ного топлива .
Расчетные формулы имеют следующий вид :
М О 2 = (4· СН 4 /100 + 3,64· С 3 Н 8 /100 + 3,58· С 4 Н 10 /100) М топл ; М возд = М О 2 /0,2093 ;
М СО 2 = (2,75· СН 4 /100 + 3· С 3 Н 8 /100 + 3,03· С 4 Н 10 /100 + СО 2 /100) М топл ;
М H2 О = (2,25· СН 4 /100 + 1,64· С 3 Н 8 /100 + 1,55· С 4 Н 10 /100) М топл .
В приведенных формулах значения СН 4 , С 3 Н 8 и С 4 Н 10 соответствуют процентному содержанию горючих газов в сжигаемом газообразном топливе .
Присутствие в составе горючей массы углекислого газа необходимо учитывать в
формуле слагаемым ( СО 2 /100).
Уравнение материального баланса в данном случае имеет вид
М топл + М О 2 = М СО 2 + М H 2 О .
Построить материальный баланс при сжатии 3000 т газа состава : СН 4 – 80 %;
С 4 Н 10 – 10 %; СО 2 – 10 %.
М О 2 = (4·80/100 + 3,58·10/100)3000 = (3,2 + 0,358)3000 = 10674 т ;
М СО 2 = (2,75·80/100 + 3,03·10/100 + 10/100)3000 = (2,2 + 0,303 + 0,1)3000 =
М H2 О = (2,25·80/100 + 1,55·10/100)3000 = (1,8 + 0,155)3000 = 5865 т .
Баланс веществ равен
М топл + М О 2 = 3000 + 10674 = 13674 т ; М СО 2 + М H2 О = 7809 + 5865 = 13674 т .
1. Построить баланс веществ при сжигании 1000 т природного газа следую - щего состава : метан – 10 %, пропан – 30 %, бутан – 40 %, углекислый газ – 20 %.
2. Какое количество воздуха необходимо для сжигания 5000 т биогаза соста - ва : метан – 95 %, углекислый газ – 5 %?
3. Определить количество газообразных примесей , образующихся при сжи - гании 1000 т газа состава : метан – 70 %, пропан – 20 %, бутан – 10 %.
4. Определить количество углекислого газа и паров воды , образующихся при сжигании 3000 т газа с составом : пропан – 45 %, бутан – 55 %.
5. Определить количество загрязняющих веществ , образующихся при сжи - гании 1000 т антрацита ( см . состав в табл . 1) и природного газа следующего соста -
ва : СН 4 – 10 % , С 3 Н 8 – 30 %, С 4 Н 10 – 40 %, СО 2 – 20 %. Какое топливо меньше загрязняет окружающую среду и почему ?
Расчет выбросов в атмосферу твердых частиц
При наличии в составе топлива минеральных негорючих веществ происхо - дит загрязнение атмосферы аэрозольными и твердыми частицами , что влияет на распределение солнечной радиации , увеличивая отражательную способность ат - мосферы .
Количественно минеральная составляющая топлива зависит от его зольнос - ти – доли минеральных примесей в процентах от сухой массы топлива . В табл . 5 приведены значения зольности основных видов органического топлива .
При современном уровне технологий полностью исключить выбросы твер - дых частиц в атмосферу невозможно . Однако применение топлива высокого каче - ства , соответствующего стандартам с низкой зольностью , может улучшить ситуа - цию . Так , в Санкт - Петербурге удельный вес наиболее экологически чистого топ - лива ( газа ) составляет в топливном балансе ТЭЦ 94,5 %, что положительно влияет на экологическую обстановку .
Зольность основных видов органического топлива
При горении топлива от общего количества минеральных примесей в топке остается 30…35 % шлаков , соответственно 65…70 % превращается в летучую золу ( аэрозоль ). Для снижения загрязнения атмосферы частицами на предприятиях применяются различные пыле - и газоулавливающие установки ( фильтры ) с эф - фективностью задержания вредных веществ ϕ , %.
Загрязнение атмосферы минеральными веществами , входящими в состав топлива , можно пояснить следующей схемой :
Шлак , доля χ от
Летучая зола , доля
Исходя из приведенных разъяснений расчет количества твердых отходов и выбрасываемых аэрозолей может быть произведен по следующим формулам :
М тв . отх = М топл (Z/100)[ + (1 – )];
М аэроз = М топл (Z/100)(1 – )(1 – ),
где М топл – масса топлива ; Z – зольность топлива , %; – доля шлака от общего количества минеральной составляющей топлива ; ϕ – эффективность улавливания летучей золы , доли .
Определить количество твердых отходов и аэрозолей , образующихся при сжигании 1000 т мазута , если зольность топлива – 0,1 %, доля шлаков – 0,33 %, а эффективность улавливания летучей золы фильтрами – 80 %.
М тв . отх = 1000(0,1/100)[0,33 + 0,8(1 – 0,33)] = 0,866 т = 866 кг ;
М аэроз = 1000(0,1/100)(1 – 0,33)(1 – 0,8) = 0,134 т = 134 кг .
Расчет газовых выбросов в атмосферу при эксплуатации автотранспорта
В крупных городах автотранспорт является одной из основных причин заг - рязнения атмосферы . В развитых странах на его долю приходится до 80 % загряз - няющих веществ , попадающих в воздух . Увеличение парка индивидуального ав -
тотранспорта приводит к резкому ухудшению состояния воздушного бассейна в городах и на отдельных магистралях , где концентрации газообразных выбросов во много раз превышают ПДК .
С отработанными газами транспортных средств в атмосферу выбрасывают - ся оксид углерода СО ; углеводороды С n Н 2 n + 2 , оксиды азота N О х , свинец Р b, нега - тивно влияющие на здоровье человека . Следует учесть , что углеводороды могут
образовывать канцерогенные вещества , обладающие мутагенными свойствами . Количество загрязняющих веществ , образующихся при работе автотранс -
порта ( табл . 6), можно рассчитать на основе информации о количестве израсходо - ванного транспортом топлива и образующихся при этом вредных примесей :
М i = М топл G i ,
где М i – количество i - го загрязняющего вещества , образующегося при работе транс - порта ; G i – количество загрязняющего вещества i , образующегося при сжигании единицы массы топлива транспортом .
Количества загрязняющих веществ , образующихся при сжигании топлива на автотранспорте , приведены в табл . 6.
Количества загрязняющих веществ, образующихся при сжигании
топлива на автотранспорте G i (т на 1 т топлива)
Ангидрид серной кислоты
Расчет суммарного количества загрязняющих веществ, образующихся на данной территории
Суммарное количество поступающих в атмосферу загрязняющих веществ , образующихся на данной территории от всех источников загрязнения , рассчиты - вают для каждого вида загрязнения отдельно , учитывая его образование при сжи - гании всех видов топлива :
М i = М 1 i + М i 2 + … + М i n ,
где М i – суммарное количество загрязнения i , образующегося на данной террито -
рии при сжигании n видов топлива .
Аналогично можно рассчитать суммарное количество кислорода , расходуе - мого при сжигании всех видов топлива на данной территории :
М О 2 = М 1 O2 + М O 2 2 + … + М O n 2 .
Показателями экологической нагрузки от загрязняющих веществ на данной территории являются их удельные количества , приходящиеся на единицу площа - ди или на душу населения в единицу времени ( как правило , за один год ):
Э i п = М i / S ; Э i н = М i / Н ,
где Э i п и Э i н – экологические нагрузки от загрязнения i на единицу площади и душу населения , соответственно ; S – площадь рассматриваемой территории ; Н – численность населения , проживающего на данной территории ; М i – количество
загрязнения i , образующегося при сжигании всех видов топлива на данной терри - тории в единицу времени .
Аналогично рассчитывается удельный расход кислорода на сжигание всех видов топлива на единицу площади в единицу времени :
Э О 2 = М О 2 / S .
Эта величина также характеризует степень антропогенного воздействия энер - гетики , промышленности и транспорта на окружающую природную среду .
1. Определить суммарное количество СО 2 , S О 2 , N О х , аэрозолей , углеводо - родов и свинца , образующихся в городе за год при сжигании следующих коли - честв различных видов топлива , тыс . т / сут : антрацит – 20; мазут – 14; природный
газ – 13,5 ( СН 4 –70 %, С 3 Н 8 – 20 %, С 4 Н 10 – 6 %, СО 2 – 4 %); бензин – 2,5; дизельное топливо – 2,5.
Величину следует принять равной 0,33, эффективность очистки газовых выбросов на фильтрах – 90 %.
2. Определить суммарное количество кислорода , расходуемого за год при сжигании перечисленных выше количеств и видов топлива . Считать , что при сжи - гании бензина и дизельного топлива отношение расхода кислорода к массе топли - ва равно 4/1.
3. Определить величину экологической нагрузки при сжигании топлива на территории города , если его площадь S = 90 тыс . га , а численность населения
РАСЧЕТ ГАЗОВЫХ БАЛАНСОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
С увеличением плотности населения в городах , индустриализацией и раз - витием транспорта возрастает антропогенная нагрузка на естественные экосисте - мы , что ведет к разрушительному воздействию на окружающую среду .
Радикальными методами охраны природы от техногенных воздействий яв - ляются сокращение выделения вредных отходов производства , полноценная очи - стка выбросов , ограничение нагрузки на природные экосистемы и поддержание их способности к репродуктивности .
Производство воздействует на природные системы в виде положительной обратной связи . Так , при сжигании ископаемого топлива выделяется углекислый газ и другие вредные примеси , т . е . возникает дополнительный гетеротрофный компонент . Наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12 % диоксида углерода . Самыми продуктивными являются лесные экосистемы . Деревья способ - ны поглотить за вегетационный период 20…25 т / га СО 2 и выделить 15…18 т / га О 2 . Отметим , что в приросте древесины ( в отличие от других видов растительности ) СО 2 связывается на длительный период .
Необходимо стремиться к созданию стабильности между природными и антропогенными компонентами системы . Такой опыт имеется у жителей Фин - ляндии , где на создание годового прироста древесины потребляется все количе - ство СО 2 , выделившегося за год при эксплуатации всего автотранспорта страны . Совокупность функционирующих на одной территории объектов техники и взаи - модействующих с ними элементов природной среды называется биотехноцено - зом . Ниже представлена схема потоков СО 2 и О 2 в биотехноценозах .
Производство Продуценты естественных экосистем
При сжигании топлива потребляется кислород и выделяется углекислый газ . В лесных экосистемах потоки углекислого газа и кислорода имеют противопо - ложное направление : кислород выделяется , а углекислый газ поглощается . Вар -
варские вырубки лесов и загрязнение окружающей природной среды выбросами от сжигании топлива и работы автотранспорта ведут к снижению фотосинтети - ческой активности зеленых растений . Из схемы видно , что если основные потоки СО 2 и О 2 не сбалансированы , возникает опасность для изменения газового состава атмосферы со всеми вытекающими последствиями .
Следовательно , в биотехноценозе при синтезе органического вещества для стабильности состава атмосферы должен быть поглощен весь антропогенный уг - лекислый газ , выделившийся при сжигании топлива , и произведено необходимое количество кислорода .
Масса органического вещества , которая должна быть создана для поглоще - ния выделившегося СО 2 , может быть рассчитана по формуле
орг . в - ва погл . СО 2
где М СО 2 – суммарное количество СО 2 , выделившегося при сжигании топлива ;
х – коэффициент уравнения фотосинтеза для древостоев ( см . с . 56).
Масса органического вещества , которая должна быть создана для компенса - ции количества О 2 , пошедшего на горение топлива
орг . в - ва выдел . О 2
где М О 2 – суммарное количество кислорода , поглощаемое при сжигании топлива ;
w – коэффициент уравнения фотосинтеза для древостоев ( см . расчет леса ).
Для поддержания баланса в биотехноценозе из двух величин массы вещества древесины нужно выбрать наибольшую , обеспечивающую оба газовых баланса одновременно :
М орг . др . в - ва = m ах ( М орг . в - ва для погл . со 2 ; М орг . в - ва для выд . о 2 ).
Для дальнейшего анализа необходимо пересчитать величину абсолютно сухой массы вещества древесины в объем :
V = M орг . в - ва ,
где Р – базисная плотность древесины соответствующей породы , кг / м 3 ; V – общий объем древесины , м 3 .
На основе величины V и среднего годового прироста древесины на одном гектаре – V год ( м 3 / га × год ) рассчитывается необходимая площадь лесов :
где Т – период времени ( лет ) за который должна быть осуществлена компенсация техногенного воздействия .
Показателем степени урбанизации рассматриваемой территории является коэффициент К , показывающий соотношение площади леса S леса и площади городской территории S города , необходимое для компенсации антропогенного влияния на биосферу :
Определить количество СО 2 и паров воды , образующихся при сжигании 3000 т природного газа состава , %: метан – 70, пропан – 15, бутан – 10 и углекислый газ – 5. Какая площадь березовых насаждений способна поглотить такое количество углекислого газа за год , если содержание углерода в древесине – 48 %, плотность –
590 кг / м 3 и годовой прирост – 6,5 м 3 / га ?
1. Определим количество СО 2 , выделившегося при сжигании газообразного топлива :
М СО 2 = (2,75 СН 4 + 3 С 3 Н 8 + 3,03 С 4 Н 10 + СО 2 ) М топл = 100 100 100 100
= (2,75 100 70 + 3 100 15 + 3,03 100 10 + 100 5 )3000 = 8184 т .
2. Определим количество паров воды , выделившихся при сжигании газооб -
3. Для расчета массы древесины необходимо определить х :
x = 12 С = 12 48 = 4.
4. Определим массу древесины , которая должна быть создана для поглоще - ния выделившегося при сжигании газообразного топлива углекислого газа :
М орг . в - ва погл . со 2 = М СО × 2 = 8184 × = 4650 т .
5. Пересчитаем величину массы абсолютно сухой древесины в объем :
V = M орг . в - ва = 4650 × 10 3 = 7881,4 м 3 .
6. Определим необходимую площадь березовых насаждений :
1. Определить количества расходуемого О 2 и выделяющегося СО 2 при сжига - нии 40000 т торфа с элементным составом : С – 60 %, Н – 5 %, О – 32 %, N – 2,5 %, S – 0,5 %.
2. На основании данных о количестве поглощенного кислорода и выделив - шегося углекислого газа расчитать :
а ) площадь древостоев сосны , если элементный состав древесины : С – 49,6 %,
Н – 6,4 %, О – 43,6 %, ее плотность – 390 кг / м 3 и средний годовой прирост – 4,7 м 3 / га , способных :
выделить такое же количество кислорода , какое было израсходовано на сжи - гание топлива ;
поглотить углекислый газ , выделившийся при сжигании топлива ; поддержать баланс в биотехноценозе ; б ) объем древесины березы , который должен быть синтезирован в лесной
экосистеме для компенсации расхода кислорода атмосферы , если состав древеси -
ны : С – 50,7 %, Н – 6,0 %, О – 42,3 %, ее плотность – 610 кг / м 3 ;
в ) текущий годовой прирост осины , который должен быть синтезирован в лесной экосистеме :
для компенсации кислорода атмосферы ; для поглощения выделившегося при сжигании топлива углекислого газа , если
состав древесины : С – 50,3 %, Н – 6,3 %, О – 42,6 %, ее плотность – 410 кг / м 3 , а площадь леса – 32000 га .
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД В ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Требования к качеству природных вод зависят от того , для каких целей ис - пользуется водный объект , т . е . от вида водопользования :
хозяйственно-питьевое – использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно - питьевого водоснабжения , а также для обес - печения предприятий пищевой промышленности ;
культурно-бытовое – использование водных объектов для купания , заня - тий спортом и отдыха . К этому виду относятся и участки водных объектов , нахо - дящиеся в черте населенных мест ;
рыбохозяйственное , водоемы рыбохозяйственного назначения делятся на три категории :
высшая – места расположения нерестилищ , массового нагула и зимоваль - ных ям ценных видов рыб и других промысловых водных организмов , а также охранные зоны хозяйств для искусственного разведения и выращивания рыб , дру - гих водных животных и растений ;
первая – водные объекты , используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб , обладающих высокой чувствительностью к содержанию кис - лорода ;
вторая – водные объекты , используемые для других рыбохозяйственных целей .
Качество воды нормируется по целому ряду санитарно - микробиологичес - ких , органолептических и химических показателей .
Содержание загрязняющих веществ в воде регламентируется их предельно допустимыми концентрациями ( ПДК ). ПДК – это такая концентрация веще - ства , при превышении которой вода становится непригодной для установленного вида водопользования . При концентрации вещества меньше или равной ПДК , вода так же безвредна для всего живого , как и вода , в которой данное вещество полно - стью отсутствует .
Характер воздействия загрязняющего вещества на организм человека или водную экосистему может быть различным . Признак вредного воздействия , ха - рактеризующийся наименьшей пороговой концентрацией , называется лимити-
рующим признаком вредности (ЛПВ). При нормировании качества воды ПДК того или иного вещества устанавливается по соответствующему ЛПВ :
· по общесанитарному признаку вредности устанавливают ПДК веществ , нарушающих процессы самоочищения в водоеме , что приводит к ухудше - нию его общего состояния ( дефициту кислорода , развитию процессов гние - ния и брожения , появлению сероводорода , метана и т д .);
· по органолептическому признаку вредности устанавливаются ПДК веществ , придающих воде запахи , привкусы , неестественный цвет ; повышающих мутность , т . е . ухудшающих свойства воды , воспринимаемые органами чувств . Чувствительность рецепторов человека очень высока , поэтому час - то ПДК , установленные по органолептическому признаку вредности , явля - ются более жесткими , чем по другим ЛПВ ;
· по токсикологическому признаку вредности устанавливают ПДК веществ , которые могут оказывать токсическое воздействие на организм .
В существующем перечне ПДК загрязняющих веществ обязательно указыва - ются ЛПВ , а также класс опасности вещества : от чрезвычайно опасных (1- й класс ) до малоопасных (4- й класс ). Одно и то же вещество может нормироваться по раз - ным ЛПВ в зависимости от вида водопользования . Кроме того , если водоем исполь -
зуется для нескольких видов водопользования , то в качестве ПДК выбирается са -
мая низкая , т . е . самая жесткая предельно допустимая концентрация вещества .
Определение условий сброса сточных вод
Согласно действующим « Правилам охраны поверхностных вод от загрязне -
ния », санитарно - гигиенические требования к качеству воды относятся только
к местам или створам водопользования , а не ко всей акватории водного объекта .
В водотоках состав и свойства воды должны соответствовать нормативам в конт -