Слайд 14.3. Классификация и экологическая оптимизация природно-техногенных систем
Слайд 2ПТС можно представить как искусственную физико-химическую систему, исходя из того,
что процессы переноса массы, энергии и информации в них подчиняются
одним и тем же общим закономерностям.
При этом природную подсистему следует рассматривать как химический реактор с распределенными параметрами, процессы внутри которого направлены на нейтрализацию техногенной нагрузки.
Слайд 3Физико-химическая система – это m-фазная, n-компонентная система, распределенная в пространстве
и переменная во времени, осложненная совместными явлениями различной природы (гидромеханические,
химические, тепловые, диффузионные и т.д.) и своими линейными и рассредоточенными параметрами, в которой при наличии источника или стока в каждой точке гомогенной среды и на границе фаз происходит перенос вещества, энергии, информации.
Слайд 4Исходя из данного определения искусственные физико-химические системы, в зависимости от
характера их взаимодействия с природной средой и степени трансформации природных
ресурсов, энергии и информации, можно представить пятью уровнями:
1 уровень – технологический аппарат, т.е. техническая физико-химическая система, предназначенная для реализации одного или нескольких параллельно протекающих процессов, по физико-химической трансформации природных ресурсов (включая и вторичные ресурсы) или для производства (утилизации) энергии, при одних параметрах в рабочей зоне.
2 уровень – технологическая линия, т.е. техническая физико-химическая система, представляющая собой последовательность взаимосвязанных материальными и энергетическими потоками физико-химических систем 1-го уровня и предназначенная для осуществления ряда последовательных физико-химических процессов преобразования сырья в целевую продукцию.
Слайд 53 уровень – система «Промышленное предприятие – окружающая среда», т.е.
природно-техногенная физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 2-го уровня,
связанных между собой основными и вспомогательными процессами, и обеспечивающая выпуск одного или нескольких видов целевой продукции, и окружающей природной среды.
4 уровень - система «Промышленное узел – окружающая среда», т.е. природно-техногенная физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 3-го уровня, объединенных взаимосвязанной инфраструктурой (источники энергии, транспортная сеть, социально-культурные и бытовые объекты и т.д.)
5 уровень - Территориально-производственный комплекс – природно-техногенная физико-химическая система, состоящая из совокупности физико-химических систем 4-го уровня, связанных по принципу ресурсных и производственно-технологических циклов с целью полного использования ресурсного потенциала региона.
Слайд 6Наибольший интерес с точки зрения природообустройства представляют физико-химические системы 3-5
уровней, являющиеся природно-техногенными системами. Интенсивность процессов в этих системах обусловлена
спецификой технологических процессов. Территория указанных систем складывается из сочетания зон двух типов: импактных зон (зон непосредственного влияния) и зон косвенного влияния.
Слайд 7Импактная зона – это целенаправленно преобразованная территория, на которой размещены
промышленные объекты. В ней сконцентрированы вещества и энергии участвующие в
технологических процессах. В импактной зоне выделяются три подзоны: активная, ослабленной активности и периферийная.
Слайд 8Активная подзона представляет собой совокупность технологический аппаратов и линий, осуществляющих
процессы переработки природных ресурсов в экстремальных условиях интенсивных нагрузок. Следовательно,
здесь формируются максимальные техногенные нагрузки, на окружающую среду, характер проявления которых определяется степенью открытости технических систем, т.е. интенсивностью материально-энергетического обмена с окружающей средой.
Слайд 9Подзона ослабленной активности охватывает территории, на которых расположены склады сырья,
готовой продукции, реагентов и т.д. Она характеризуется высокой концентрацией веществ,
участвующих в технологическом процессе, нормальными давлением и температурой и большей степенью открытости, чем активная подзона.
Слайд 10В периферийной подзоне располагаются хранилища и накопители отходов производства, отличающиеся
повышенными концентрациями загрязняющих веществ при нормальных температуре и давлении. В
этой подзоне достаточно высока нагрузка на окружающую среду, что связано с осуществлением процессов миграции веществ в условиях преобразованного ландшафта (зачастую с перемещенными, нарушенными грунтами), нарушенных почвенном покрове и растительности и измененной динамики подземных вод. Технические системы, расположенные в рассматриваемой подзоне, являются практически открытыми с частичными ограничениями (локализованные хранилища, водонепроницаемые покрытия и т.д.).
Слайд 11Зона влияния представляется естественным ландшафтом, но с повышенными концентрациями веществ,
используемых в технологических процессах. В ней в наибольшей степени проявляется
действие механизма самоочищения природной среды, которое зависит от географических условий, величины техногенного давления (пресса) и предельно допустимых экологических нагрузок.
Слайд 12Функционирование любой физико-химической системы приводит к образованию информационно-насыщенных, нестационарных материально-энергетических
полей, величины характеристик которых существенно превышают значения соответствующих характеристик окружающей
среды. Кроме того, при переходе от более низких уровней системы к более высоким, может наблюдаться наложение этих полей, что является причиной образования локальных критических зон с аномально высокими показателями их материальной и энергетической составляющих. Указанное состояние необходимо учитывать при оптимизации физико-химических систем.
Слайд 13Основываясь на классической теории поля, импульс взаимодействия техногенной и природной
подсистем открытой физико-химической системы можно представить в виде:
где: кт,кп –
коэффициенты массоэнергопереноса для субстанций генерируемых соответственно техногенной и природной подсистемами;
Δт, Δп – движущие силы процессов переноса, проявляющиеся, соответственно в техногенной и природной подсистемах;
F – площадь контакта техногенной и природной подсистем в процессе массоэнергопереноса;
R – расстояние, на котором проявляется влияние техногенной подсистемы на природную за время τ.
Слайд 14Условием оптимизации функционирования физико-химической системы является сбалансированность при определенных ограничениях,
накладываемых спецификой самой системы, взаимодействия техногенной и природной подсистем, т.е.
оптимизация импульса этого взаимодействия, которая при τ≈const представляется следующим образом:
Слайд 15Реализация указанного условия оптимизации может быть достигнута за счет сокращения
поступления материальных и энергетических отходов в окружающую среду (снижения интенсивности
этого поступления), уменьшения площади контакта техногенной и природной подсистем и максимально возможной изоляции производственных процессов от активных компонентов природной среды (воды, воздуха).
Слайд 16Уровень эколого-экономической оптимальности техногенной составляющей природно-техногенной системы можно оценить по
выражению
где: К1 – коэффициент использования производственной мощности;
К2 – коэффициент использования
сырьевых ресурсов, характеризующий технологический выход продукции;
К3 – коэффициент экологической эффективности очистных сооружений;
К4 – коэффициент экологической безопасности производства.
определяются по формулам:
здесь: QФ,QР
– фактическая и расчетная мощности производства;
Мпр – масса продукции с учетом переработанных и утилизированных отходов;
Мс – масса сырья;
Мр – масса вспомогательных ресурсов;
K3’- коэффициент обеспеченности очистными сооружениями;
K3”- коэффициент эффективности очистных отходов;
K3’”- коэффициент утилизации уловленных отходов;
mоб, mоп, mул, mут - соответственно масса образовавшихся, поступивших на очистные сооружения, уловленных и утилизированных отходов в единице относительной токсичной массы;
mпд3, mф – разрешенное предельное и фактическое поступление загрязняющих веществ в природную вреду в единицах относительной токсичной массы.
Слайд 18
Основные принципы и задачи оптимизации геотехнических систем