Влияние предприятий энергетики на окружающую среду

В рамках этого пособия автор не ставил задачу детальной характеристики воздействия отдельных отраслей промышленности и сельского хозяйства на окружающую среду. Однако считаем необходимым кратко охарактеризовать с этой точки зрения некоторые предприятия, в частности предприятия энергетики, которые являются обязательным звеном любой природно-промышленной системы.

Энергетика — основной движущий фактор развития всех отраслей промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства, база повышения производительности труда и благосостояния населения. У нее наиболее высокие темпы развития и масштабы производства. Доля участия энергетических предприятий в загрязнении окружающей среды продуктами сгорания органических видов топлива, содержащих вредные примеси, а также отходами низкопотенциальной теплоты значительна. От типа предприятий энергетики зависит степень этого влияния.

Комплексное влияние предприятий теплоэнергетики на биосферу в целом проиллюстрировано данными табл. 2.3.

Таблица 23

Комплексное влияние предприятий теплоэнергетики на биосферу

Технологический процесс	Влияние на элементы среды и живые системы				Примеры цепных реакций в биосфере
	Воздух	Почвы и грунт	Воды	Экосистемы и человек
Добыча нефти и газа	Углеводородное загрязнение при испарении и утечках	Повреждение или уничтожение почв при разведке и добыче топлива, передвижениях транспорта и т.п.; загрязнение нефтью, техническими химикатами, металлоломом и другими отходами	Загрязнение нефтью в результате утечек, особенно при авариях и добычах со дна водоемов; загрязнение технологически-ми химреагентами и другими отходами; разрушение водоносных структур в фунтах, откачка подземных вод, их сброс в водоемы	Разрушение и повреждение экосистем в местах добычи и при обустройстве месторождений (дороги, линии электропередач, водопроводы и т.п.); загрязнение при утечках и авариях; потеря продуктивности, ухудшение качества продукции; воздействие на человека в основном через биопродукцию	Загрязнение почв, загрязнение вод нефтью и химреагентами — гибель планктона и других групп организмов — снижение рыбопродуктив-ности — потеря потребительских или вкусовых свойств воды и продуктов промысла

Продолжение табл. 2.3

Технологический Процесс	Влияние на элементы среды и живые системы				Примеры цепных реакций в биосфере
	Воздух	Почвы и грунт	Воды	Экосистемы и человек
Добыча твердого топлива: угли, сланцы, торф и т.п.	Пыль при взрывных и других работах, продукты горения терриконов и т.п.	Разрушение почвы и грунтов при добыче открытыми методами (карьеры): просадки рельефа, разрушение грунтов при шахтных методах добычи	Сильное нарушение водоносных структур; откачка и сброс в водоемы шахтных, часто высокоми- нерализи- рованных, железистых и других вод	Разрушение экосистем или их элементов, особенно при открытых способах добычи; снижение продуктивности: воздействие на биоту и человека через загрязненные воздух, воду и пищу; высокая степень заболеваемости, травматизма и смертности при шахтных способах добычи
Транспортировка топлива	Загрязнение при испарении жидкого топлива, потерях газа, нефти, пылью от твердого топлива	Загрязнение при утечках, авариях, особенно нефтью	Загрязнение нефтью в результате потерь и при авариях	В основном через загрязнение вод и гидро- бионтов

Окончание табл. 23

Техно логи ческий процесс	Влияние на элементы среды и живые системы				Примеры ценных
	Воздух	Почвы и грунт	Воды	Экосистемы и человек	реакций в биосфере
Работа электро- станций на твердом топливе	Основные поставщики углекислого газа, сернистого ангидрида, окислов азота, продуктов для кислых осадков, аэрозолей, сажи; загрязнение радиоактивными веществами, тяжелыми металлами	Разрушение и сильное загрязнение почв вблизи предприятий (техногенные пустыни); загрязнение тяжелыми металлами, радиоактивными веществами, кислыми осадками; отчуждение земель под землеотвалы, другие отходы	Тепловое загрязнение в результате сбросов подогретых вод; химическое загрязнение через кислые осадки и сухое осаждение из атмосферы; загрязнение продуктами вымывания биогенов и ядовитых веществ (алюминии) из почв и грунтов	Основной агент разрушения и гибели экосистем, особенно озер и хвойных лесов (обеднение видового состава, снижение продуктивности, разрушение хлорофилла, вымывание биогенов, повреждение корней и т.п.); эвтрофикация вод и их цветение; на человека влияет через загрязнение воздуха. воды, и продуктов питания; разрушение природы, строений, памятников и т.п.	Загрязнение воздуха продуктами горения, кислые осадки - гибель лесов и экосистем озер — нарушение круговоротов веществ, антропогенные сукцессии. Тепловое загрязнение вод — дефицит к испорола — эвтрофикация и цветение вод - усиление дефицита кислорода — превращение водных экосистем в болотные
Работа электростанций на жидком топливе и газе	То же, но в значительно меньших масштабах	То же, но в значительно меньших масштабах	Тепловое загрязнение, как для твердого топлива, остальное в значительно меньших масштабах	То же, но в значительно меньших масштабах

В теплоэнергетике источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются теплоэлектростанции, предприятия и установки паросилового хозяйства, т.е. любые предприятия, работа которых связана со сжиганием топлива. В качестве топлива на тепловых электростанциях используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и, реже, древесину и торф.

При сжигании твердого топлива в атмосферу поступают летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, некоторое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты неполного сгорания топлива. Летучая зола в некоторых случаях содержит помимо нетоксичных составляющих и более вредные примеси. Так, в золе донецких антрацитов в незначительных количествах содержится мышьяк, а в золе Экибастузского и некоторых других месторождений — свободный диоксид кремния, в золе сланцев и углей Канско-Ачинского бассейна — свободный оксид кальция. Уголь — самое распространенное ископаемое топливо на нашей планете. Специалисты считают, что его запасов хватит на 500 лет. Кроме того, уголь распространен по всему миру более равномерно и он более экономичен, чем нефть. Из угля можно получить синтетическое жидкое топливо. У этого топлива есть одно неоспоримое преимущество — у него выше октановое число, что делает его экологически более чистым.

При энергетическом использовании торфа имеет место ряд отрицательных последствий для окружающей среды, которые возникают из-за добычи торфа в широких масштабах. К ним, в частности, относятся нарушения режима водных систем, изменение ландшафта и почвенного покрова в местах торфодобычи, ухудшение качества пресной воды местных источников и загрязнение воздушного бассейна, резкое ухудшение условий существования животных. Значительные экологические трудности возникают и в связи с необходимостью перевозки и хранения торфа.

При сжигании жидкого топлива (мазутов) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают: сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, соединения ванадия, соли натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологической точки зрения жидкое топливо более приемлемо. При его использовании полностью отпадает проблема золоотвалов, которые занимают значительные

территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы в районе станции из-за уноса части золы ветрами. В продуктах сгорания жидкого топлива отсутствует летучая зола.

При сжигании природного газа существенным загрязнителем атмосферы являются оксиды азота. Однако выброс оксидов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20% ниже, чем при сжигании угля. Это объясняется не свойствами самого топлива, а особенностями процесса сжигания. Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля ниже, чем при сжигании природного газа.

Наряду с газообразными выбросами теплоэнергетика производит огромные массы твердых отходов, к которым относятся остатки углеобогащения, зола и шлаки.

Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55—60% двуокиси кремния, 22—26% трехокиси алюминия, 5—12% трехокиси железа, 0,5—1% окиси кальция, 4—4,5% двуокиси калия и двуокиси натрия и до 5% углерода. Они поступают в отвалы, которые пылят, дымят и резко ухудшают состояние атмосферы и прилегающих территорий.

Основную часть выбросов теплоэлектростанций составляет углекислый газ — порядка 1 млн тонн. Со сточными водами тепловой электростанции ежегодно удаляется 66 т органических веществ, 82 т серной кислоты, 26 т хлоридов, 41т фосфатов и почти 500 т взвешенных частиц. Зола электростанций часто содержит повышенные концентрации тяжелых, редкоземельных и радиоактивных веществ.

Если учесть, что подобная электростанция активно работает несколько десятилетий, то ее воздействие на окружающую среду вполне можно сравнить с действием вулкана. Но если последний обычно выбрасывает продукты извержений в больших количествах разово, то электростанция делает это постоянно. За десятки тысячелетий вулканическая деятельность не смогла сколько-нибудь заметно повлиять на состав атмосферы, а хозяйственная деятельность человека за какие-то 100—200 лет обусловила огромные изменения за счет сжигания ископаемого топлива и выбросов парниковых газов разрушенными и деформированными экосистемами.

Коэффициент полезного действия теплоэнергетических установок составляет всего 30—40%, т.е. большая часть топлива сжигается впустую. Полученная энергия, в свою очередь, тем или иным способом превращается в тепловую, помимо химического в биосферу поступает и тепловое загрязнение. Отходы энергетических объектов в виде газовой, жидкой и твердой фазы распределяются на два потока: один вызывает глобальные изменения, а другой — региональные и локальные. Таким образом, энергетика и сжигание ископаемого топлива являются источником основных глобальных изменений в биосфере.

Особое место среди предприятий энергетики занимают гидроэлектростанции (ГЭС). Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов но сравнению с топливно-энергетическими — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость получаемой электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные удельные капиталовложения на 1 кВт энергии и продолжительные сроки строительства, придавалось и придается большое значение, особенно когда это касается энергоемких производств.

Несмотря на относительную дешевизну энергии, доля гидроэнергоресурсов в общем балансе постепенно снижается, что связано, в основном, с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ и мощным воздействием на экосистемы. Комплексное воздействие предприятий гидроэнергетики на окружающую среду проиллюстрировано данными табл. 2.4.

Как уже говорилось, одной из важнейших причин уменьшения доли энергии, получаемой на ГЭС, является мощное воздействие всех этапов строительства и эксплуатации гидросооружений на окружающую среду. Одним из наиболее неблагоприятных воздействий на окружающую среду является отчуждение значительных площадей пойменных плодородных земель под водохранилища. Значительные площади земли вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня фунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и, следовательно, экосистем происходит также в результате их разрушения водой при формировании береговой линии. Эти процессы обычно протекают десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, строительство водохранилищ вызывает нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава населения водоемов.

Таблица 2.4

Комплексное воздействие предприятий гидроэнергетики на окружающую среду

Технологический процес	Влияние на элементы среды и живые системы				Примеры цепных реакций в биосфере
	Воздух	Почвы	Вода	Экосистемы
		и грунт		и человек
Строи- тельство ГЭС	Разрушение почв и грунтов на стройплощадках, подъездных путях, хозяйственных объектах и т.п.; перемещение больших масс грунтов, особенно при строительстве плотин и обваловании водохранилищ	Аэрозольное загрязнение продуктами разрушения почв, стройматериалами (особенно цементом); Химическое загрязнение в небольших объемах, в основном от работы техники, предприятий	Некоторое нарушение режима и загрязнение в местах строительства (обводные каналы и т.п.)	Частичное разрушение экосистем и их элементов (растительности, почв), фактор беспокойства для животных, интенсивный промысел и т.п.; влияние на человека в основном через изменение среды и социальные факторы	Текущая вода (река) -водохранилище (накопление химических веществ (эвтрофикация) плюс тепловое загрязнение) — зарастание водоема (цветение, обогащение органикой — обескислороживание — превращение экосистемы транзитного типа в аккумулятивно-за-стойную — порча воды — болезни рыб — потеря пищевых или вкусовых свойств воды и продуктов промысла

Продолжение табл. 2.4

Техно	Влияние	на элементы среды и живые системы			Примеры
логи					ценных
ческий	Воздух	Почвы	Вода	Экосистемы	реакций
процесс		и грунт		и человек	в биосфере
Работа ГЭС	То же, что и при затоплении, плюс многолетнее разрушение береговой линии (абразия); формирование новых типов почв в прибрежной зоне	Повышение влажности, понижение температур, туманы, местные ветры; часто неприятный запах от гниения органических остатков	Загрязнение в результате стоков с водосборов и разложения больших масс органики, почв, растительных остатков, древесины и т.п.; образование фенолов, накопление биогенов и других веществ; усиленное прогревание, особенно мелководий (тепловое загрязнение); эвтрофикация, цветение, потеря кислорода; накопление тяжелых металлов. ила, радиоактивных и других веществ, порча воды	Формирование новых экосистем (в основном луговых и болотных) в зоне подтопления, зарастание вод, цветение; нарушение миграций рыб и других гидробион-тов. смена более ценных видов менее ценными, заболевания рыб (гельминты и другие паразиты), забивание жаберных щелей рыб водорослями, разрушение нерестилищ и зимовальных ям; потеря вкусовых качеств рыб; увеличение вероятности заболеваний людей при контакте с водными массами (купание и т.п.) и продуктами промысла

Окончание табл. 2.4

Техно-логический процесс	Влияние	на элементы среды и живые системы			Примеры цепных реакций в биосфере
	Воздух	Почвы и грунт	Вода	Экосистемы и человек
Заполнение водохра- нилищ	Уход под воду плодородных пойменных земель (затопление), подъем вод в прибрежной зоне (подтопление, заболачивание); в горных условиях такие явления выражены в меньшей степени	Дополнитель-ное испарение с чаши водо-хранилища	Смена текущих вод на застойные, неизбежное загрязнение водохранилищ быстрорастворимыми или взмучиваемыми веществами при заполнении и формировании берегов	Полное уничтожение сухопутных экосистем (сведение лесов или их гибель от подтопления, часто оставление всей биомассы в зоне затопления), смена прибрежных экосистем; неизбежное переселение людей из зоны затопления, социальные издержки	Давление водных масс на ложе водохранилищ — интенсификация сейсмических явлений

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что способствует потере кислорода, "цветению" и другим процессам, связанным с тепловым загрязнением. Тепловое загрязнение, накопление биогенных веществ создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых сине-зеленых. По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод снижается их способность к самоочищению.

Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражаемость гельминтами. Снижаются вкусовые качества рыбы.

Нарушаются пути миграции рыб, разрушаются кормовые угодья, нерестилища. Например, Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней целого каскада ГЭС.

В результате перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Накопление токсичных веществ делает невозможным использование территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации.

Водохранилища заметно изменяют климат региона, оказывая влияние на атмосферные процессы. Испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с такой же поверхности суши в десятки раз. С повышением испарения понижается температура воздуха, увеличивается количество туманов. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Все сопутствующие этому явления способствуют смене экосистем, что приводит к необходимости в ряде случаев менять направление сельскохозяйственного производства.

Ядерная энергетика в настоящее время может рассматриваться как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на окружающую среду. К преимуществам также относится возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Известно, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получить столько же энергии, сколько сжигание 1000 т каменного угля.

Известно также, что процессы, лежащие в основе получения энергии на АЭС (реакции деления ядер атомов) гораздо более опасны, чем процессы горения. Именно поэтому ядерная энергетика впервые в истории развития промышленности реализует принцип максимальной безопасности при максимально возможной производительности.

Многолетний опыт работы АЭС во всех странах показывает, что они не оказывают заметного влияния на окружающую среду в нормальных условиях эксплуатации. Атомная энергетика по всем значимым показателям имеет преимущества по сравнению с энергетикой на органическом топливе (табл. 2.5).

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в окружающую среду крайне незначительны. В среднем они в 2—4 раза меньше, чем от ТЭС аналогичной мощности.

Таблица 2.5

Воздействие электростанций на окружающую среду в зависимости от используемого топлива

Топливо	Вредные выбросы	Воздействие на окружающую среду	Экономический ущерб (у. е.)
Уголь, мазут	Двуокись серы, углекислый газ, бензапирен	Кислотные дожди. Парниковый эффект. Загрязнение, деградация экосистем от продуктов сгорания, производства и транспортировки топлива	5
Природный газ	Двуокись азота, углекислый газ		1.5
Ядерное топливо	Радиоактивность	Радиоактивность ниже установленных норм и естественного фона	1

К моменту аварии на Чернобыльской АЭС (май 1986 г.) 400 энергоблоков, работавших в мире и дававших более 17% электроэнергии, увеличили природный фон радиоактивности не более, чем на 0,02%. После 1986 г главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварии. Такая возможность невелика, но она не исключается.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному заражению подверглась территория в радиусе более 2000 км, охватившая более 20 государств. В пределах бывшего СССР пострадало 11 областей, где проживало 17 млн человек. Общая площадь загрязненных территорий превысила 8 млн га или 800 000 км².

После Чернобыльской аварии во многих государствах по требованию общественности были временно прекращены или свернуты программы строительства АЭС, однако атомная энергетика продолжала развиваться в 32 странах. Возрастающая потребность в энергии развивающейся промышленности и сельского хозяйства, крайне опасные воздействия на атмосферу двуокиси углерода и других вредных для окружающей среды и человека продуктов горения органического топлива являются мощным стимулом для совершенствования имеющихся и разработки современных способов повышения безопасности АЭС на этапах строительства, ввода в действие и эксплуатации.

Строительство АЭС должно осуществляться на расстоянии 30—35 км от крупных городов. Участок должен хорошо проветриваться, во время наводка не затопляться. Вокруг АЭС предусматривают место для санитарно-защитной зоны, в которой запрещается проживание населения.

Главная задача в проблеме обеспечения безопасности АЭС состоит в том, чтобы надежно локализовать осколки деления и продукты их радиоактивного распада как при нормальной эксплуатации, так и при возможных авариях, связанных с повреждением оборудования, неисправностями в системе управления, ошибочными действиями обслуживающего персонала или стихийными бедствиями.

В общих случаях таких барьеров обычно четыре, последний из которых (четвертый) — это специальные защитные оболочки, исключающие загрязнение атмосферы при разуплотнении корпуса реактора или контура циркуляции теплоносителя. Защитные оболочки — это сплошные железобетонные или металлические сооружения, рассчитанные на снижение давления, удержание радиоактивного пара и улавливание радиоактивных продуктов в случае максимальной проектной аварии. На АЭС с водяным теплоносителем основной источник радиоактивности — вода первого контура, в которую проникают осколки деления и активированные продукты коррозии конструкционных материалов. Поэтому все радиоактивное оборудование АЭС должно быть окружено биологической защитой, снижающей мощность нейтронного и гамма-излучения до допустимого уровня.

Низкие уровни радиоактивных выбросов обеспечиваются совершенной технологией фильтрации. Радиоактивные газы направляются в систему очистки, состоящую из аэрозольных, угольных фильтров и газгольдеров, где они выдерживаются до полного распада короткоживущих радионуклидов и только затем сбрасываются в атмосферу. В месте выброса газов постоянно производится измерение их количества и радиоактивности. Радиационная обстановка контролируется на различных удалениях в радиусе до 60 км от АЭС. Служба внешней дозиметрии на всех постах проводит отбор проб воздуха, почвы, воды, растительности и т.д.

На АЭС предусматриваются меры для полного исключения сброса сточных вод, загрязненных радиоактивными веществами. В водоемы разрешается отводить только строго определенное количество очищенной воды с концентрацией радионуклидов, не превышающей допустимый уровень для питьевой воды. В расчете на единицу производимой энергии АЭС сбрасывает в окружающую среду больше теплоты, чем ТЭС при аналогичных условиях. Поэтому для уменьшения степени энергетического загрязнения биосферы для АЭС большое значение имеет разработка методов эффективного использования сбросной теплоты.

Оценивая перспективы развития мировой атомной энергетики, большинство авторитетных международных организаций, связанных с исследованием глобальных топливно-энергетических проблем, предполагает, что после 2010—2020 гг. в мире вновь возрастет потребность в широком строительстве АЭС. По реалистическому варианту прогнозируется, что в середине XXI в. около 50 стран будут располагать атомной энергетикой. При этом предполагается, что к 2020 г. общая установленная электрическая мощность возрастет почти вдвое — до 570 ГВт, а к 2050 г. — до 1100 ГВт.