Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Загрязнение окружающей среды при производстве асфальтобетонных смесей 11
1.2 Технология и техника строительства дорожных покрытий как важные составляющие экологической безопасности в жизненном цикле автомобильной дороги
1.2.1 Структура экологической оценки технологии укладки нежестких дорожных покрытий
1.3 Взаимодействие автомобильной дороги и окружающей среды
1.4 Экологические проблемы при укладке асфальтобетонных покрытий
1.5 Существующие методы оценки загрязнения окружающей среды в дорожном строительстве
1.5.1 Методы экологической оценки технологии укладки 39
1.5.2 Методы экологической оценки машин для укладки асфальтобетонных покрытий
1.6 Выводы 51
1.7 Цель и задачи исследования 54
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 57
2.1 Приоритетные загрязнители окружающей среды 57
2.2 Токсичность АБС, как составной критерий экологической оценки технологии 60
2.3 Обоснование выбора полигонов для экспериментальных исследований
2.4 Методика проведения натурных экспериментов 65
2.5 Выводы 67
ГЛАВА 3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СИСТЕМЫ «ПРОИЗВОДСТВО АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ - ПРИМЕНЕНИЕ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
3.1 Оценка химического загрязнения атмосферного воздуха при производстве асфальтобетонных смесей 68
3.2 Оценка воздействия укладки асфальтобетонных смесей на окружающую среду
3.3 Обработка экспериментальных данных 76
3.4 Экологическая оценка машин для укладки асфальтобетонных покрытий 85
3.5 Экологическая оценка технологий производства и применения асфальтобетонных смесей методом биотестирования
3.5.1 Оценка токсичности нативных образцов 94
3.5.2 Оценка токсичности водных вытяжек (экстрагированных образцов)
3.6 Выводы 99
ГЛАВА 4 КОМПЛЕКСНАЯ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРИМЕНЕНИИ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
4.1. Определение суммарной ингаляционной химической нагрузки на население, проживающее в районе укладки асфальтобетонных смесей
4.2 Расчет ожидаемого эколого-экономического ущерба от выброса вредных веществ при укладке асфальтобетонных покрытий
4.3 Определение коэффициента комплексной экологической оценки технологии производства и применения асфальтобетонных смесей 120
4.4 Рекомендации по снижению загрязнения окружающей среды при производстве и применении асфальтобетонных смесей
4.5 Выводы 129
ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 134
- Загрязнение окружающей среды при производстве асфальтобетонных смесей
- Приоритетные загрязнители окружающей среды
- Оценка химического загрязнения атмосферного воздуха при производстве асфальтобетонных смесей
Введение к работе
Одной из актуальных экологических проблем современности является загрязнение окружающей среды (ОС) при производстве и применении асфальтобетонных смесей (АБС). Возрастающие объемы и темпы строительства автомобильных дорог предопределяют интенсивное развитие производства АБС.
При производстве и применении АБС используются экологически значимые технологии, приводящие к химическому загрязнению окружающей среды (ОС). Химическое загрязнение ОС сопровождает все этапы производства и применения АБС. Экологическая опасность связана с применением органических вяжущих - битумов, входящих в состав АБС. Химическое загрязнение биосферы органическими вяжущими проявляется в выделении и накоплении различных токсичных углеводородов (бензола, фенола, ксилола, толуола и т.д.) в атмосферном воздухе, воде, почве. Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, в основном не выкипающую при температурах перегонки нефти. Идентификация всех составляющих битум соединений невозможна.
В связи с этим на сегодняшний день, актуальным является разработка комплексного метода оценки воздействия технологий производства и применения АБС на ОС, а также разработки ряда организационно-технических мероприятий по минимизации химического загрязнения, как на стадии производства смесей, так и их применения
При производстве АБС происходит значительное выделение
вредных веществ, которое составляет по данным НИИОГАЗ, ВНИИСТРОЙДОРМАШ, СОЮЗДОРНИИ кг/т: неорганическая пыль -15,04; углеводороды - 0,14; сернистый газ - 0,01; оксид углерода - 0,0005; фенол - 0,0004; оксиды азота - 0,000045.
В естественных условиях битум имеет очень вязкую консистенцию и в таком виде непригоден для работы. Придание битуму низкой вязкости (текучести), позволяющей смешивать его с каменным материалом, осуществляется в битумоплавильных установках путем его разогрева до технологических температур 100-200 С, однако при этом происходит значительное выделение различных углеводородов.
По данным АО «Воронежавтодор» качество дорог и экологическая безопасность достигается строгим соблюдением технологического процесса при приготовлении АБС, в которых битума должно быть не более 4,7 %. Однако, в настоящее время в соответствии с действующим стандартом - ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» содержание битума в АБС колеблется от 2,5 до 9%.
Вопросы защиты и охраны ОС в дорожной отрасли рассматривались: В.Ф. Бабковым [41], A.M. Гридчиным [86], И.Е. Евгеньевым [6,7,38], В.Н. Луканиным [5,8,33], М.В. Немчиновым [1,27,76], А.К. Платоновым [11,89], В.П. Подольским [87], СВ. Порадеком [6,7,38], В.В. Силкиным [1,27] и др.
Высокий уровень загрязнения и разрушения природной среды на
Земле, в значительной мере обусловленный воздействием автомобильного транспорта, АД и производственных предприятий дорожного хозяйства требует пересмотра принципов, методов производства и применения АБС.
Загрязнение окружающей среды при производстве асфальтобетонных смесей
К основным требованиям, предъявляемым к технологии приготовления АБС, относятся точное соблюдение заданных состава и режима нагрева компонентов и равномерное распределение их в смеси и полное обволакивание битумом всех зерен минерального материала.
Важным направлением в целях сокращения выбросов на АБЗ является работа по совершенствованию структуры парка асфальтосмесительных установок с целью улучшения экологической обстановки на АБЗ [27].
В настоящее время наметилась тенденция к улучшению структуры парка асфальтосмесительных установок за счет замены их на более производительные с улучшенными экологическими характеристиками, в том числе и зарубежного производства. На объекты дорожного хозяйства продолжается поставка асфальтосмесительных установок ОАО «Кредмаш» (Украина) ДС-185, ДС-168, производительностью 50 и 130 т/час соответственно. В них предусмотрена замена мокрого пылеуловителя барботажного типа на более эффективный скруббер «Вентури». Часть установок данного типа может поставляться и с тканевыми рукавными фильтрами в модификации для эксплуатации на природном газе.
Использование в асфальтосмесительной установке КДМ-201 рукавных фильтров с фильтрующим элементом «Nomex» (Германия), выдерживающим температуру до 200 С позволило добиться высоких показателей очистки отходящих газов по выбросу пыли в атмосферу до 20 мг/м3.
Продолжается и оснащение дорожных организаций моделями с улучшенными экологическими показателями асфальтосмесительных установках фирм «Амман» и «Бенинхофен» (Германия), Бернарди (Италия), Калоткине (Финляндия) и др. Сушка и нагрев каменных материалов в сушильном барабане является одной из главных технологических операций в производстве АБС. Мировой опыт показывает, что наиболее эффективно тепло- и массообменный процесс (сушка и нагрев) сыпучих сред осуществляется в виброкипящем слое. В настоящее время сушилки виброкипящего слоя вытесняют барабанные аппараты для сушки и термообработки сыпучих сред. При этом экономия топлива достигает 30% и более. Целесообразность и перспективность применения сушильного барабана в виброкипящем слое состава асфальтосмесительной установке за рубежом не вызывает сомнений.
С ужесточением требований к очистке газов целесообразно более широкое внедрение тканевых фильтров вместо мокрой очистки: циклонов «Сиот», барбатажно-вихревых пылеуловителей, скрубберов «Вентури» и др. Однако стоимость подобных устройств (в частности при использовании тканевого фильтра достигает 15-20% от стоимости всего технологического оборудования АБЗ). Эти причины привели к необходимости совершенствования технологических процессов приготовления АБС.
В настоящее время внедряется производство АБС по экологически чистой технологии, отличающейся от общепринятой меньшим пылеобразованием.
Новшество заключается в том, что влажный каменный материал вначале обрабатывается вяжущим, а затем уже полученная смесь нагревается до рабочей температуры.
Технология приготовления смесей включает: дозирование холодного и влажного крупного и мелкого щебня, песка, а также минерального порошка
в смеситель; дозирование туда же горячего битума; перемешивание 10-15 с; выгрузка в промежуточный бункер и подача в сушильно-смесительный барабан специальной конструкции, в котором происходит разогрев, просушивание и перемешивание смеси.
Технология относится к экологически чистой за счет того, что в сушильно-смесительном барабане битум, расплавляясь уже при температуре 70-80 С, связывает мелкие частицы в притопочной зоне барабана, уменьшая вынос пыли. При этом концентрация твердых частиц в отходящих из барабана газах оказывается меньше, чем в газах обычных асфальтосмесительных установок после очистки их в циклонах. С учетом опыта эксплуатации зарубежного оборудования в России разработана асфальтосмесительная установка БАС-30 производительностью 30 т/ч.
Сушка и нагрев каменных материалов в сушильном барабане является одной из главных технологических операций в производстве асфальтобетонных смесей. Однако мировой опыт показывает, что наиболее эффективно тепло- и массообменный процесс (сушка и нагрев сыпучих сред осуществляется в виброкипящем слое).
Приоритетные загрязнители окружающей среды
Атмосферный воздух подвергается интенсивному воздействию, как при производстве, так и при их применении (укладке) АБС.
Приоритетными загрязнителями атмосферы в технологическом процессе производства являются различные углеводороды, содержащиеся в органическом вяжущем АБС - битуме, а при применении (укладке) смесей, кроме углеводородов, содержащихся в смесях, ОГ дизельных двигателей, а также уровни звукового давления, создаваемые машинами для укладки нежестких дорожных покрытий - асфальтоукладчиками.
Битум является одним из наиболее известных и важных строительных материалов используемых в дорожном строительстве и представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, идентификация всех составляющих этот строительный материал соединений невозможна.
Из-за сложности состава не удается выделить с достаточной чистотой отдельные компоненты битумов, поэтому выделяют три основные группы: асфальтены, смолы, высокомолекулярные углеводороды (масла), свойства последних наиболее подробно описаны в работах акад. СР. Сергиенко, А.С. Колбановской, Д.Л. Розенталя, Р.Б. Гунна, З.И. Сюняева, Ю.В. Поконовой. Эти три группы компонентов битумов определяют в основном их структурные состояния и свойства [54]. Более детальное разделение углеводородов на парафино-нафтеновые, моно-, би, и полициклоароматические и смол на легкие низкомолекулярные петролейно-бензольные (смолы-1) и тяжелые высокомолекулярные спирто-бензольные (смолы -2) дало возможность более точно описать связь структуры и свойств битумов с соотношением названных групп компонентов [55,56].
Масляные компоненты (углеводороды) битумов являются наиболее изученными. Масла являются дисперсионной средой битума их растворяющая способность определяется химическим составом, в частности соотношением парафино-нафтеновых и ароматических углеводородов, и в некоторой степени, молекулярной массой [57].
При нормальных физических условиях дорожные битумы являются малоопасными веществами и по степени воздействия на организм человека в соответствии с ГОСТ 12.1.007. относятся к четвертому классу опасности. Однако с увеличением температуры резко увеличивается испаряемость отдельных групп масел - моноциклических ароматических углеводородов.
Еще одним источником загрязнения атмосферного воздуха в районе укладки является техническая эксплуатация асфальтоукладчика, проявляющаяся в выбросе ВВ с ОГ дизельного двигателя и генерировании шума.
В настоящее время идентифицировано около 280 компонентов, входящих в состав ОГ двигателей внутреннего сгорания. Приоритетными (нормируемыми) из них в соответствии с ГОСТ 17.2.2.05-97 являются оксиды азота (в пересчете на оксид азота (IV)), оксид углерода (II), углеводороды (приведенные к условному составу топлива).
Определение внешнего уровня шума (уровня звукового давления) в дБА, измеряемого по характеристике «А» шумомера, т.е. приближенно соответствующей частотной характеристике слуха человека. Таким образом, приоритетными загрязняющими атмосферный воздух веществами являются от АБС: представители моноциклических ароматических углеводородов - бензол, фенол, толуол, ксилол; от асфальтоукладчиков: оксид азота (IV), оксид углерода (II), углеводороды (в сумме), а также уровни звукового давления (шум в ОС), создаваемые технической эксплуатацией машин.
Оценка химического загрязнения атмосферного воздуха при производстве асфальтобетонных смесей
Проведенная комплексная ЭО технологии производства и применения АБС свидетельствует о том, что химическое загрязнение ОС происходит как на этапе производства, так и на стадии применения -устройстве дорожных одежд.
Использование органических вяжущих представляет экологическую опасность, как для рабочего персонала при производстве АБС, так и для населения, проживающего в районе строительства АД.
Для минимизации загрязненности атмосферного воздуха следует предусматривать определенные средозащитные мероприятия с целью снижения отрицательных воздействий технологического процесса производства и применения АБС.
В качестве таких мероприятий при производстве АБС на АБЗ может быть рекомендовано придание битуму низкой вязкости (текучести), позволяющей смешивать его с каменными материалами без нагрева в битумоплавильных установках двумя способами:
1. разжижением вязких битумов до жидкого состояния легкими растворителями типа уайт-спирита;
2. эмульгированием битума в воде в присутствии специальных веществ.
Недостатком первого способа является высокая стоимость растворителей. А также смещение акцента химического загрязнения ОС от этапа производства на стадию применения АБС, так как окончательная прочность материала устанавливается только после полного растворения растворителя, что ведет к загрязнению атмосферного воздуха и к повышенной пожароопасности при производстве работ.
Эмульгирование битума в воде обеспечивает альтернативный подход, при котором битум приобретает жидкую форму за счет дисперсии в воде. Низкая вязкость битумных эмульсий обеспечивает хорошую способность обработки каменных материалов без их сушки и нагрева. Окончательная прочность дорожного покрытия устанавливается после распада эмульсии, удаления воды путем впитывания в дорожное основание и испарения. Твердая битумная фаза образуется в виде непрерывной тонкой пленки. Такие технологические свойства битумных эмульсий наряду с экономичностью и высокой безопасностью проведения работ, способствуют все более широкому их использованию. Кроме того, значительно снижаются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В экономически развитых странах мира до 30% битума, применяемого в дорожном строительстве, используют в виде битумных эмульсий.
Замена производства АБС, укладываемых по «горячей» технологии на АБС, укладываемые по «холодной».
Приготовление «холодных» марок АБС может осуществляется в обычных асфальтосмесительных установках, дооборудованных системой подачи и дозирования воды.
Предварительно отдозированные минеральный порошок, щебень и песок без подогрева и высушивания подаются в смеситель (мешалку). Одновременно с минеральными материалами в смеситель подается вода. В качестве жидких органических вяжущих используются гудроны, жидкие или разжиженные битумы.
Технология производства холодной смеси отличается простотой, обеспечивает экологическую чистоту (исключается операция по просушке минерального материала), и может быть реализована как при положительной, так и при отрицательной температуре (до -10С). Приготовленную смесь можно хранить в штабеле до 6-12 месяцев [5,6,7,27].
При устройстве дорожных одежд минимизация загрязнения ОС будет возможна при выполнении ряда условий:
1. Исходя из того, что основным источником загрязнения ОС в процессе укладки являются выделения ВВ, как в процессе доставки, выгрузки смесей, так и в первые недели после укладки, то есть до окончательного формирования структуры покрытия следует в максимальной мере обеспечить герметичность используемого оборудования и дорожно-транспортных средств, обеспечивающих перевозку и погрузочно-разгрузочные работы при проведении дорожностроительных работ.
