Загрязнение среды отходами производства и потребления

 

 

Учебное пособие

 

 

Научный редактор доктор технических наук,

профессор В.Г. Лукьянов

 

Редактор И.О. Фамилия

 

Подписано к печати 00.00.2010. Формат 60х84/8. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл.печ.л. 000. Уч.-изд.л. 000. Заказ ХХХ. Тираж ХХХ экз.
	Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30. Тел/факс:+7(3822)56-35-35, www.tpu.ru

 

ОСОБЫЕ ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ

 

Загрязнение среды отходами производства и потребления

 

Одной из наиболее острых экологических проблем в настоящее время является загрязнение окружающей природной среды отходами производства и потребления и, в первую очередь, опасными отходами. Такие отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности. Все отходы подразделяют на бытовые и промышленные. Бытовые отходы чаще всего находятся в твердом или жидком состояниях. Твердые бытовые отходы - это обычный бытовой мусор, пластмасса, полиэтилен, стекло, бумага и т.д. Жидкие бытовые отходы представлены в основном сточными водами хозяйственно-бытового происхождения.

Промышленные отходы - это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе производства продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские качества. Они также делятся на твердые (отходы металлов, пластмасс, древесины и т.д.), жидкие (производственные сточные воды, отработанные органические растворители и др.) и газообразные (выбросы промышленных печей, автотранспорта и т.д.). Как бытовые, так и промышленные отходы часто из-за недостатка пунктов захоронения или предприятий по их переработке вывозятся на несанкционированные свалки.

Наибольшее количество промышленных отходов образуется в угольной промышленности, на предприятиях черной и цветной металлургии, тепловых электростанциях, при производстве строительных материалов.

Отходы, содержащие токсичные, взрывчатые или пожароопасные вещества, болезнетворные микроорганизмы и т.д., относят к опасным отходам. В России опасные отходы составляют около 10% всего объема образующихся твердых отходов. К ним относятся металлические и гальванические шламы, отходы стекловолокна, асбестовые отходы и пыль, остатки от переработки смол, гудрона и т.д. Наибольшую опасность для человека и всей биоты представляют опасные отходы, содержащие химические вещества I и II класса токсичности, к которым относят радионуклиды, диоксины, пестициды, бензпирен и некоторые другие вещества.

Радиоактивными отходами (РАО) называют твердые, жидкие или газообразные отходы предприятий по добыче, переработке и получению расщепляющихся материалов и искусственных радиоактивных изотопов, объектов ядерной энергетики, оборонных предприятий и других отраслей промышленности, а также учреждений, предприятий и лабораторий (например, медицинских учреждений), использующих радиоактивные вещества в технологии производственных процессов, содержащие радионуклиды в концентрации, превышающей установленные нормы. Другим источником радионуклидов, содержащихся в окружающей природной среде, могут служить испытания ядерного оружия.

Испытания ядерного оружия начались после его создания в 1945 г. (США) и 1949 г. (СССР). 15.08.1963 г. в Москве СССР, США и Великобританией был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космическом пространстве и под водой. На 1 января 1984 г. к этому договору присоединились 110 государств. В результате произошло повсеместное снижение количества радиоактивных осадков. Сегодня, несмотря на неподписание этого договора рядом стран, испытания ядерного оружия практически не проводятся (включая подземные испытания). Однако радиоизотопы с большим периодом полураспада продолжают накапливаться в почве и поступать в биосферу.

При атомных взрывах образуются продукты деления ядерного заряда (осколки деления) и наведенная активность, при этом во внешнюю среду поступает и некоторое количество самих расщепляющихся материалов.

По характеру излучения почти все радиоактивные изотопы – осколки деления относятся к b- или b- и g-излучателям (исключение составляют возникающие a-излучатели ). Ниже перечислены изотопы, характеризующиеся наибольшим вкладом по b-излучению в зависимости от времени, прошедшего после деления под действием медленных нейтронов:

- два дня после деления: - один год:

- десять лет:

- сто лет:

Наиболее потенциально опасными осколками деления с точки зрения их активного включения в биологический цикл и большого периода полураспада являются и . Подсчитано, что в результате взрыва термоядерной бомбы на 1 Мт (в тротиловом эквиваленте) возникает около 0,1 МКи и 0,17 МКи .

К предприятиям по добыче, переработке и получению расщепляющихся материалов и искусственных радиоактивных веществ (предприятия атомной промышленности) урановые рудники и заводы по получению обогащенного урана (уранового концентрата), заводы по очистке урановых концентратов и изготовлению твэлов, экспериментальные и энергетические реакторы.

К отходам, возникающим при добыче урановой руды, относятся шахтные воды, рудные отвалы и рудничный воздух. Содержание урана в шахтных водах достигает 0,3 – 10 мг/л, радия – (0,5 – 10)×10^-11 Ки/л. Объем откачиваемых шахтных вод достигает 2000 м³/сутки и более, поэтому в течение суток во внешнюю среду возможно поступление более 1 кг урана и до 0,2 мг радия.

В рудных отвалах содержатся сотые доли процента урана, радия – от 5×10^-11 до 1×10^-10 г/г. Вследствие вымывания и ветровой эрозии отвалов они могут становиться источниками радиоактивного загрязнения окружающей территории.

Рудничный воздух, поступающий в атмосферу при вентилировании шахт, может содержать повышенное количество радона и его дочерних продуктов.

В отходах заводов по производству обогащенного урана также содержится значительное количество радиоактивных веществ. В сбрасываемых песках содержание урана составляет 0,02 – 0,028%. Содержание радия в песках составляет (2 – 3)×10^-10 г/г.

При переработке руды с содержанием 0,2% на каждый кг извлеченного урана в виде химического концентрата приходится 0,8 – 0,9 т твердых и 3,1 – 3,9 т жидких отходов. Для завода, перерабатывающего около 5000 т руды в сутки, количество радиоактивных отходов может составлять до 100 кг урана, 3 Ки дочерних радиоактивных элементов и до 2×10^-3 Ки радия в сутки.

С газовыми выбросами заводов в атмосферный воздух могут поступать радон, аэрозоли урана, радия и т.д.

При эксплуатации атомных электростанций и экспериментальных реакторов образуются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные отходы. Радиоактивные газы и аэрозоли возникают в результате облучения газов и аэрозолей воздуха нейтронами в активной зоне реактора. При этом возникают радионуклиды , , и др.

Как известно, 1% состава воздуха представляют инертные газы, причем почти весь 1% падает на аргон . При растворении воздуха в воде опять таки составляет 1% от всего растворенного в воде газа. В баке реактора под действием нейтронных потоков происходит реакция

.

Изотоп радиоактивен с периодом полураспада T=110 мин. Именно обусловливает газовую активность надреакторного пространства. Для примера, активность воздуха, удаляемого из зоны реактора атомной электростанции в г. Обнинске, по составляет около 1,6 Ки/ч.

Особую опасность представляет разгерметизация урановой кассеты. При этом в бак реактора выделяются продукты деления ядер , среди которых основную роль играют криптон , , и ксенон , , .

При нормальной работе реактора незначительная часть продуктов деления все же оказывается в воде в баке реактора. Основную роль в этом случае играют изотопы йода , , , и .

Содержащиеся в воде изотопы йода задерживаются ионообменными фильтрами, а йод, испытавший возгонку в надреакторное пространство, поглощается угольными фильтрами на выходе линий спецвентиляции.

Источниками жидких радиоактивных отходов реакторов могут служить вода или любые растворы, применяемые в качестве теплоносителя. В этом случае наведенная активность, возникающая в теплоносителе первого контура, бывает обусловлена захватом нейтронов атомами элементов, поступающих в теплоноситель в результате коррозии элементов конструкций. Поэтому в теплоносителе обнаруживаются , и др. Кроме того, имеет место диффузия продуктов деления из твэлов в теплоноситель. Другим источником жидких радиоактивных отходов являются бассейны для выдержки твэлов, используемые для подводного хранения отработанных твэлов. Вода бассейнов может загрязняться продуктами деления при нарушении целостности оболочек твэлов, примесями, имеющимися на оболочках, и т.д.

К твердым радиоактивным отходам реакторов могут быть отнесены отдельные элементы их конструкций, подвергавшиеся воздействию потоков нейтронов и пришедшие в негодность, и пр.

К группе учреждений, предприятий и лабораторий, использующих радиоактивные вещества в технологии производственного процесса, относятся радиоизотопные лаборатории, радиологические отделения медицинских учреждений, использующие открытые радиоактивные вещества для целей диагностики и терапии, лаборатории НИИ, в которых проводятся работы с использованием открытых радиоактивных веществ, и т.д. Объем и удельная активность отходов этой группы объектов невелики по сравнению с предприятиями по добыче и переработке расщепляющихся материалов.

Некоторые радиоактивные изотопы кроме свойства радиоактивности обладают еще и высокой токсичностью. По удельной активности их подразделяют на низкоактивные (менее 0,1 Ки/м³), среднеактивные (0,1 - 1000 Ки/м³) и высокоактивные (свыше 1000 Ки/м³).

Во многих странах, использующих и развивающих ядерные технологии, в которых имеются АЭС и заводы по переработке отработанного ядерного топлива (ОЯТ), со временем накапливаются значительные количества радиоактивных отходов (РАО). По оценкам, только на территории России суммарная активность незахороненных РАО составляет около 1,5 млрд. Ки.

Подавляющее большинство радиоактивных отходов, хранящихся на АЭС, - это низко- и среднеактивные отходы. Жидкие РАО в виде концентрата хранятся в специальных емкостях, твердые - в специальных хранилищах. На ряде предприятий Минатома (к ним, в первую очередь относится ПО “Маяк” в городе Озерск вблизи Челябинска) долгое время производились плановые сбросы жидких низко- и среднеактивных РАО в открытые водоемы (на химкомбинате “Маяк” - в реку Течу и озеро Карачай). Накопление большой активности в открытых водоемах чревато радиоактивным заражением обширных территорий, а также проникновением радионуклидов в подземные воды.

Значительное количество сравнительно небольших захоронений РАО распределено по всей планете. Проблема захоронения РАО с течением времени становится все более острой и актуальной. По прогнозам МАГАТЭ, в первой половине XXI века из-за истечения срока работы должны быть демонтированы несколько десятков ядерных реакторов АЭС. Актуальны и проблемы, связанные со списанием кораблей ВМФ с ядерными силовыми установками.

Решение проблемы РАО можно искать на разных путях. Во-первых, очевидно, что необходимо усовершенствовать атомные технологии в направлении минимизации производства радиоактивных отходов. Необходимо сводить к минимуму технологические потери радионуклидов и таким образом повышать не только эффективность, но и безопасность производства. Третья, но очень дорогостоящая, возможность – это сконцентрировать отходы и вывести их в космос. Сегодня, однако, идут по четвертому пути – изоляции РАО в биосфере, т.е. их хранению или захоронению.

Общая концепция захоронения радиоактивных отходов такова. Если для отходов нерадиоактивных (угольные, металлургические, металлообрабатывающие предприятия) применяется рассеивание в биосфере до концентраций ниже предельно допустимых, то в атомной энергетике, наоборот, производится концентрируемое и контролируемое централизованное захоронение отходов.

Захоронение РАО осуществляется на пунктах захоронения – специальных предприятиях, обеспечивающих их централизованный сбор, удаление (транспортировку) и захоронение.

После доставки РАО на пункт захоронения их подвергают переработке. Традиционные технологии переработки сводятся к сжиганию радиоактивных отходов, цементированию и др. Современная точка зрения на технологию захоронения РАО заключается в том, чтобы заключать эти отходы в слабо выщелачиваемую матрицу, которая сама по себе является первым барьером, препятствующим распространению радионуклидов в окружающую среду. В качестве такой матрицы могут применяться, например, керамические материалы, минералоподобные вещества, но наиболее отработано остекловывание. Жидкие отходы выпариваются, внедряются в стеклообразную массу, которой заполняются контейнеры из нержавеющей стали. Подготовленные таким образом отходы помещаются в специальные подземные емкости (могильники). После заполнения могильников сверху устраивается бетонное перекрытие, позволяющее герметизировать их и обеспечить условия, исключающие переоблучение персонала.

Размещение пунктов захоронения определяется их назначением навсегда или на очень длительное время (сотни лет) изолировать РАО от окружающей среды и тем самым исключить возможную миграцию содержащихся в них радиоактивных веществ. Поэтому пункты захоронения устраиваются на достаточном удалении от населенных пунктов, на территориях, не имеющих в обозримом будущем перспектив хозяйственного использования.

Геологический профиль отводимых под пункты захоронения участков должен быть надежным с точки зрения тектоники, сейсмики и гидравлики. Многолетние исследования показали, что вместилищами РАО могут служить три типа геологических формаций: глины, скальные породы (гранит, базальт) и каменная соль. Рыхлые средне- и мелкозернистые породы (пески, суглинки, глины) с низким стоянием грунтовых вод более пригодны для устройства приповерхностных хранилищ или пунктов захоронения РАО средней активности со сравнительно короткоживущими радионуклидами. Наиболее благоприятен для размещения пунктов равнинный, но несколько холмистый тип рельефа местности. В этом случае уровень грунтовых вод на возвышенности в силу естественного дренажа находится на значительной глубине, и устройство могильников на возвышенности позволяет исключить попадание радиоактивных веществ в грунтовые воды. Скальные породы и каменная соль применяются для строительства глубинных пунктов захоронения высокоактивных РАО и РАО с долгоживущими радионуклидами. Наиболее перспективны соляные массивы, в них отсутствуют мигрирующие воды, почти нет включений жидкости или газообразующих примесей, они пластичны, и нарушения структуры в них могут самозалечиваться, обладают высокой теплопроводностью, так что в них можно помещать РАО более высокой активности, чем в другие породы. Для обеспечения надежности захоронения РАО могильники строят из железобетонных конструкций. При их заполнении в жидкие отходы можно добавлять цемент, в этом случае бетонируются также промежутки между твердыми отходами.

Чтобы исключить вредное воздействие пунктов захоронения РАО на население, вокруг них создаются санитарно - защитные зоны. Территорию пунктов захоронения обносят оградой и охраняют.

Проводимые при подготовке к захоронению отходов инженерные мероприятия должны обеспечивать необходимый объем и плотность размещения РАО, действие систем безопасности и надзора, в том числе долговременный контроль за температурой, давлением и активностью в пункте захоронения, а также за миграцией радиоактивных веществ по горному массиву.

Всего в России действует около 20 спецкомбинатов и пунктов захоронения радиоактивных отходов.

Диоксинсодержащие отходы образуются при сжигании промышленного и бытового мусора, сгорании бензина со свинцовыми присадками и, в качестве побочных продуктов, в химической, целлюлозно-бумажной и электротехнической промышленности. Диоксины образуются также при обеззараживании воды хлорированием, на предприятиях хлорного производства, в особенности, при производстве пестицидов.

Диоксинами называют синтетические органические вещества из класса хлоруглеводородов. Диоксины - одни их наиболее токсичных веществ, синтезированных человеком. Они обладают мутагенным, канцерогенным, эмбриотоксическим действием; подавляют иммунную систему и в больших дозах приводят к так называемому “синдрому изнурения” - постепенному истощению и летальному исходу без явно выраженных патологических симптомов. Биологическое действие диоксинов проявляется уже в самых малых дозах.

Впервые в мире диоксиновая проблема возникла в США в 30 - 40 годах. В России производство этих веществ было начато в 70-е годы (Куйбышев, Уфа). Первое крупномасштабное диоксиновое загрязнение окружающей природной среды было зарегистрировано в 1991 году в районе города Уфы. Оно явилось следствием фильтрации вод с уфимской городской свалки промышленных и бытовых отходов, в которых, по оценочным данным, содержалось более 40 кг диоксинов. Как следствие, содержание диоксинов в крови, жировой ткани и грудном молоке многих жителей Уфы и Стерлитамака увеличилось в 4 - 10 раз по сравнению с допустимым уровнем.