Электроэнергия на автомобильном транспорте

С электромобилями связан один чрезвычайно живучий миф: «Переход автомобильного транспорта на электрическую тягу обеспечит чистоту атмосферы». В действительности если значительную часть автомобилей с двигателями внутреннего сгорания заменить на электромобили с аккумуляторами (а это единственный на сегодня реальный вариант автомобильных источников энергии), произойдет экологическая катастрофа. При массовой эксплуатации таких электромобилей выбросы двигателей будут заменены слегка уменьшенными выбросами на электростанциях: ведь аккумуляторы надо постоянно заряжать, значит, надо пропорционально увеличить мощность электростанций, т.е. имеет место перенос экологических проблем из одного региона в другой.

Но главное – аккумуляторы. Кислотные свинцовые или щелочные никель-кадмиевые источники тока – а нам понадобится производить дополнительно сотни миллионов аккумуляторов – потребуют резко увеличить производство этих токсичных металлов. Придется налаживать и систему утилизации. Учитывая, что каждый двадцатый российский шофер (это в лучшем случае) будет выбрасывать старые аккумуляторы в придорожную канаву, нетрудно представить и даже довольно точно оценить масштабы экологического бедствия, которое обрушится на наши головы. Следовательно, в качестве источника электроэнергии нужны какие-то другие, не производимые сегодня, автомобильные источники тока, например топливные элементы или фотопреобразователи. Но здесь вступает в силу правило шлейфа.

Заключение

Подводя итог проведенному в статье анализу, необходимо сделать несколько важных выводов.

1. Современная промышленная цивилизация неминуемо влечет за собой загрязнение среды обитания. Обеспечение растущего населения Земли энергией потребует увеличение ее производства в течение трех-четырех ближайших десятилетий примерно вдвое. С учетом невозможности создания полностью безотходной промышленности, интенсивного сельского хозяйства, энергетики, транспорта, быта, следует решать проблему минимизации загрязнений, понимая, что создать «чистую» цивилизацию в обозримый период времени не удастся.

2. Для реализации полностью безотходной цивилизации необходимо связать воедино все производственные процессы на Земле, замкнуть их в одну гигантскую материально-энергетическую систему. Решение этой задачи принципиально возможно, но оно окажется под силу только нашим далеким потомкам.

3. Широкое использование возобновляемых источников энергии в будущем неизбежно, экологическая опасность каждого из них индивидуальна, необходима постановка научных исследований, направленных на изучение влияния нетрадиционных энергоносителей на среду обитания.

4. Наиболее вероятно, что основным энергоносителем следующего столетия станет природный газ, наступит так называемая газовая пауза, которая может продлиться очень долго, если учесть, что запасы метана в виде газовых гидратов как минимум в 10 раз превышают запасы всех вместе взятых горючих ископаемых на нашей планете. За период газовой паузы будет создан глобальный энергетический комплекс, отвечающий требованиям экологии и экономики, включающий возобновляемые энергоресурсы и управляемый термоядерный синтез.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лисичкин Г.В. Химия и жизнь, 1999, №2, с.22.

2. Новая энергетическая политика России. М., Энергоатомиздат, 1995, 512 с.

3. Дядин Ю.А., Гущин А.Л. Соросовский образовательный журнал. 1998, №3, с.55.

4. Путвинский С.В. Усп.физ.наук. 1998, т.168, №11, с.1235.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

(Из второй части учебного пособия «Промышленная экология», готовящегося к.т.н., доц. Галактионовой Н.А.)

БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Сточные воды (СВ) представляют собой сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, которые могут находиться в растворенном, коллоидном и грубодисперсном (оседающем под действием силы тяжести) состояниях. СВ условно подразделяются на хозяйственно-бытовые, промышленные и ливневые (дождевые) [2], отличающихся друг от друга происхождением, составом и биологической активностью.

На рис. 2.1 приведена принципиальная схема очистки городских сточных вод [1], которая поясняет происхождение каждой из категорий СВ и помогает осознать роль и место биохимических процессов очистки в ней.

Рис. 2.1.Принципиальная схема очистки городских сточных вод.

Обозначения: Л –локальные очистные сооружения; ЛС –городские сооружения для очистки ливневых стоков; 1 -сточные воды промышленного предприятия; 2 –очищенные сточные воды для повторного использования; 3 –сточные воды промышленного предприятия после локальнойочистки; 4 – хозяйственно-бытовые сточные воды; 5 –сточные воды промышленного предприятия после локальнойочистки с биологической доочисткой; 6 – ливневые сточные воды.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Сточные воды любого промышленного предприятия (потоки 1 на рис. 2.1) содержат специфические загрязнения, которые должны удаляться (нейтрализоваться) до смешения со стоками другого производства или населенного пункта системами обязательной локальной очистки.

Для очистки промышленных СВ используются механические, физико-химические, химические биохимические и термические методы [3].

В основе биохимических методов очистки сточных вод лежит способность микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (сульфиды, серу, соли аммония и др.), превращая их в безвредные продукты окисления: воду, двуокись углерода, нитрат- и сульфат- ионы и др. Очищенные биохимическим способом сточные воды отвечают санитарно-гигиеническим требованиям и рыбохозяйственным нормативам, и их можно пускать в водоемы (потоки 5 на рис. 2.1), а также использовать в оборотном водоснабжении (потоки 2 на рис. 2.1). Целесообразна биохимическая очистка производственных СВ совместно с хозяйственно бытовыми водами, так как последние приносят азотистые вещества, необходимые для питания и размножения микроорганизмов (потоки 3 на рис. 1).

Методы биохимической очистки сточных вод наиболее опасных с экологической точки зрения химических предприятий подробно изложены в монографии Н.Г. Ковалевой и В.Г. Ковалева [4]. Следует обратить внимание на успешные попытки биологической очистки хромсодержащих сточных вод [5], вод, содержащих хлорированные углеводороды [6] и др.

Биохимическая очистка является завершающей стадией очистки сточных вод химических и нефтехимических предприятий.

Микроорганизмы – деструкторы нефти известны давно и выделены из различных сред: пресных и морских вод, донных загрязнений, пластовых вод нефтяных месторождений, загрязненных нефтью почв и других. При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью обезвредить десятки тонн нефтяных углеводородов (в качестве источника углерода и энергии), трансформировав их, в частности, в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

В монографии Минигазимова Н.С. и др. «Утилизация и обезвреживание нефтесодержащих отходов» [7] отмечается, что после максимального извлечения полезных компонентов из нефтесодержащих отходов, оставшийся донный шлам и загрязненные участки грунта должны подвергаться обезвреживанию, завершающей стадией которого является биологическая обработка, позволяющая снизить содержание нефти до фоновых значений. В США метод биологической обработки нефтесодержащих осадков (ландфарминг) применяется уже с пятидесятых годов [7].

Недостатком биохимической очистки является малая скорость окислительных процессов, вследствие чего необходимы очистные сооружения больших объемов.

ЛИВНЕВЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Ливневые (дождевые) сточные воды, так же как и промышленные СВ, характеризуются большим количеством примесей. Качество и состав поверхностного стока зависит от множества факторов, в том числе, общей санитарной обстановки территории населенных мест, видов и характеристики промышленных предприятий, режима таяния снега и т.д. [1]. В связи с этим невозможно привести усредненные показатели качества поверхностного стока в целом. Как правило, ливневые сточные воды попадают на общегородские очистные сооружения вместе с городскими водами (поток 6 на рис. 2.1).

ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Хозяйственно-бытовые СВ образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей и характеризуются присутствием загрязнителей минерального и органического происхождения. В настоящее время бытовые сточные воды в чистом виде практически не встречаются, за исключением небольших населенных пунктов или отдельных объектов (санатории, дома отдыха и т.д.).

В городских сточных водах (смеси бытовых и промышленных) содержатся минеральные (глина, песок, окалина, сажа, сульфаты, хлориды, соли тяжелых металлов и т.д.) и органические (белковые вещества, углеводы, жиры, масла, нефтепродукты, синтетические ПАВ и т.д.) загрязнения. Большая часть органических загрязнений городских сточных вод находится в грубодисперсном (15-20%) и коллоидном (50-60%) состоянии [3].

Хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод района (города), главенствующая роль в которых принадлежит сооружениям биологической очистки. В результате процессов биологической очистки СВ может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов: бактерий, простейших, ряда высших организмов. Загрязняющие вещества сточных вод являются для них источником питания, при использовании которого они получают все необходимое им для жизни – энергию и материал для конструктивного обмена. Изымая из СВ питательные вещества (загрязнения) , микроорганизмы очищают от них сточную воду и одновременно вносят в нее новые вещества – продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду.

Для очистки сточных вод используются два типа биологических процессов: 1) аэробные, в которых в присутствии кислорода происходит окисление содержащегося в органическом загрязняющем веществе углерода до СО₂ и Н₂О; 2) анаэробные, к которых микроорганизмы не имеют доступа к кислороду. В первом случае углерод органических соединений является конструктивным и энергетическим субстратом, а акцептором электронов служит кислород. Во втором случае микроорганизмы могут использовать углерод, входящий в состав органических молекул, не только в качестве конструктивного и энергетического субстрата, но и в качестве акцептора электронов

В настоящее время чаще используют аэробные процессы, так как они признаны более надежными, стабильными и более изучены. Однако анаэробные процессы имеют ряд преимуществ:

- образуют в 10 раз меньше ила, чем аэробные процессы, а стоимость переработки ила весьма велика из-за его высокой влажности (90-99,7%) [11];

- образуют метан, который можно использовать в качестве источника энергии;

- даже если не учитывать энергию от получаемого метана, то все равно затраты энергии, необходимые на аэрацию в аэробных процессах, значительно превышают затраты энергии на перемешивание в анаэробных процессах.

Анаэробные процессы в основном используются для сбраживания избыточного ила, образующегося при аэробной очистке. Главным недостатком анаэробных процессов является их меньшая скорость по сравнению с аэробными, что требует установок больших размеров.

АЭРОБНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Аэробный процесс очистки сточных вод происходит в присутствии растворенного в оде кислорода и представляет собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов [12].

В процессах аэробной биологической очистки СВ используются микроорганизмы так называемого активного ила, в состав которого входят [11]:

- углеродоокисляющие флокулообразующие бактерии;

- углеродоокисляющие нитчатые бактерии;

Органический субстрат + О₂ СО₂ + Н₂0 +NH₃

- бактерии нитрификаторы:

(аммонийный азот) (нитраты)

- простейшие (в основном инфузории), потребляющие бактерии, обеспечивая тем самым низкую мутность выходных стоков.

Применительно к илу термин «активный» означает, что биомасса: 1) содержит все ферментные системы, необходимые для деградации загрязняющих веществ; 2) имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью; 3) способна образовывать стабильные флокулы (хлопьевидные скопления), которые осаждаются при отстаивании. Последнее очень важно, так как структура и биологические свойства хлопьев ила определяют эффективность и качество биологической очистки. При нормально идущих процессах очистки масса масса активного ила представлена хлопьями с плотностью в среднем 1,1-1,37 г/см³ и размером от 53 до 212 мкм. Основная масса бактериальных клеток расположена внутри. Бактерии активного ила синтезируют и выделяют в среду внеклеточный биополимер – полисахаридный гель. Именно наличие геля обуславливает агрегацию микроорганизмов и образование хлопьевидных скоплений – флокул. Активный ил только в флокулированном состоянии может обеспечивать высокие скорости окисления загрязняющих веществ, и, по-существу, качество очищенной воды определяется его способностью к флокуляции.

Аэробное окисление характеризуется БПК (биологическим потреблением кислорода), т.е. расходом О₂ на окисление органических веществ до СО₂ и Н₂О. Характеристикой глубины разложения примесей в водостоке является биохимический показатель (БХП), равный отношению БПК/ХПК (ХПК – химическое потребление кислорода, т.е. количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в СВ восстановителей, органических и неорганических [12].

Сырье для биологической очистки представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется ~ 60% взвешенных частиц (вместе с ~ 30% органического вещества) [11].

Процесс очистки состоит из двух стадий (рис. 2.2):

1. Взаимодействие стоков с воздухом и частицами активного ила (ВЧИС) в аэротенке. Время пребывание (t) составляет 4-24 часа и более в зависимости от вида СВ и требуемой степени очистки.

2. Отделение очищенной жидкости от ВЧИС в отстойнике.

К основным факторам, влияющим на биологическую очистку, относятся: температура, рН, концентрация кислорода, перемешивание, токсичные примеси, доза и

Рис. 2.2. Принципиальная схема биологической очистки СВ

возраст активного ила. Токсичными примесями (выше пределов ПДК) являются антисептики, в частности фенол и формальдегид. Особенно токсичны также соли тяжелых металлов, которые по степени токсичности располагаются в рад [12]:

Sb>Ag>Cu>Hg>Co>Ni>Pb>Cr>Cd>Zn>Fe.

АНАЭРОБНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Анаэробные процессы появились в Европе примерно 100 лет назад. Аппараты, в которых проводятся анаэробные процессы, называются септенками в иностранной литературе, или метантенками в отечественной. Как уже отмечалось, анаэробные процессы в основном используются для сбраживания избыточного ила, образующегося при аэробной очистке, уменьшения его массы и количества патогенных микроорганизмов (температура ~ 35 ⁰С, t> 20 суток).

Для анаэробной очистки сточных вод обычно используются системы, работающие в мезофильных условиях (температура ~ 34-38 ⁰С). Очистка в анаэробных условиях (без доступа воздуха) происходит под действием анаэробных микроорганизмов, результате чего количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшается за счет превращения их в газы (метан, двуокись углерода) и растворенные соли, а также за счет роста биомассы анаэробных бактерий. Процесс проходит в 2 стадии, как показано на рисунке 2.3 [11].

Рис. 2.3. Основные стадии анаэробной очистки СВ (1 – кислотоообразующие бактерии; 2 – метанообразующие бактерии)

На первой стадии обычно образуются летучие жирные кислоты (СН₃СООН, НСООН и др.) и спирты. Процесс в целом зависит от поддержания окружающей среды, благоприятной для обеих групп микроорганизмов (кислотоообразующих и метанообразующих). Следовательно равновесие должно быть таким, чтобы кислоты удалялись бы с той же скоростью, с которой они образуются.

На рисунке 4 приведена типичная схема сбраживателя с мешалкой.

Стоки, очищаемые биологическими методами, должны отвечать следующим требованиям [3]:

Рециркуляция уплотненного ила

Удаляемый ил

Отстойник

Очищенный сток

Биогаз

Биогаз

СВ

Рис. 2.4. Типичная схема сбраживателя с мешалкой.

1. Органические вещества, входящие в стоки, должны быть способны к биохимическому окислению.

2. Их концентрация, выраженная через БПК, не должна превышать 500 мг/дм³ при очистке на биофильтрах и 1000 мг/ дм³ – при очистке в аэротенках-смесителях.

3. Концентрации ядовитых органических и неорганических (соли меди, свинца, хрома, ртути) веществ не должна превышать пределов, исключающих жизнедеятельность бактерий.

4. Количество механических примесей не должно превышать 150 мг/ дм³.

5. Водородный потенциал среды должен быть 6,5-8,5.

6. Сточные воды должны содержать биогенные элементы (азот, фосфор и калий).

7. Общее количество растворенных солей должно быть не больше 10 г/ дм³.

8. Стоки не должны содержать плавающих масел и смол.

9. Температура сточных вод – от 6-35 до 50-60 ⁰С.

На основе биохимических методов достигается достаточно глубокая степень очистки, а сами методы являются наиболее экономичным. Вместе с тем, как указывалось выше, биохимические методы имеют и определенные недостатки. Прежде всего, биологические очистные сооружения занимают очень большие территории. Типовая станция биологической очистки производительностью 10 тыс. м³/сут, например, занимает 75000 м² [3]. Кроме того, большой прирост биомассы создает дополнительные проблемы, связанные с утилизацией осадка. Процесс очистки малоуправляем, а сами биологические очистные сооружения не могут работать с перегрузкой. Попадание высокотоксичных соединений резко уменьшает эффективность очистки и может привести к гибели микрофлоры, что равносильно прекращению процесса. В связи с этим промышленные сточные воды перед сливом в общегородскую канализацию подвергаются локальной очистке с помощью различных физико-химических методов. Такая очистка не только стабилизирует работу аэротенков, но и значительно уменьшает их объем [12].