УДК  504.54:66.074

Жумабек Кубеевич Бахов

Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина, г. Астана, Республика Казахстан

Системно-экологический подход к анализу взаимодействия промышленных предприятий с окружающей средой

Аннотация: Согласно основной цели работы в качестве основного объекта исследований рассматривается геотехническая система, техногенным ядром которого является промышленное предприятие, а зоной техногенного влияния – природная подсистема. Оценка экологического состояния геотехнической системы будет более эффективной и целостной при изучении ее на основе принципов системного анализа.

Ключевые слова: геоэкологические исследования, геотехническая система, системный анализ, эксергия.

Zhumabek Bakhov

S. Seifullin Kazakh agrotechnical  university, Astana, Kazakhstan

The system-environment approach in analysis of the relationship

  between industrial enterprises and their environment

Abstract: The object of this research according to the general purpose is the geotechnical system with technogenic core – industrial enterprises and natural subsystem representing the technogenic influence zone. Due to the system approach the geotechnical system ecological condition control will become more effective and complete.

Keywords: geoecological research, geotechnical system, systems analysis, exergy.

Одним из основных источников техногенной опасности в настоящее время является хозяйственная деятельность, связанная с промышленностью. Сложилось так, что влияние промышленных объектов на природную среду мы часто рассматриваем это как сумму локальных воздействий на компоненты окружающей среды (атмосферный воздух, водные объекты и почвенный покров). Такой подход стимулирует методы рассеяния и нейтрализации отходов производства, рассчитанные на механизм самоочищения природной среды, но не ресурсосберегающие, малоотходные технологии. Использование биологических и физико-химичес­ких методов борьбы с загрязнением природной среды затрудняется большими затратами. Необ­ходимость максимального сокращения загрязнения природной среды вводит ряд ограниче­ний в виде экологических требований к промышленным предприятиям. Для совершенствования теории рационального природопользования требуется рассмотрение природы и промышленных предприятий в виде единого комплекса с измененными естественными связями, техногенными геохимическими аномалиями, представляющими собой результат адаптивной деятельности системы и адаптирующей среду. Такая связь в промышленной техники с окружающей природной средой геоэкологических исследованиях рассматривают как природно-промышленные, природно-технические системы [1].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В своих исследованиях мы рассматриваем такую систему как геотехническую (ГТС) [2]. Это связано с тем, что промышленное предприятие взаимодействует с различными сферами геологической среды, а интенсивность таких взаимодействий имеет различный характер в зависимости от специфики его хозяйственной деятельности. Промышленное предприятие вовлекает в сферу производства природные ресурсы, а в окружающую среду возвращает высокоактивные и токсичные отходы. Природные и техногенные материальные и энергетические потоки способствуют перераспределению отходов производства за счет процессов миграции, трансформации, акку­муляции в различных геологических сферах. Таким образом, природные гидросфера, атмосфера, литосфера и биота включаются в состав искусственной созданной ГТС, объединенных в единое целое центростремительными (потребляемые ресурсы) и центробежными (готовая продукция, отходы производства и потребления) потоками. Интенсивность техногенного пресса в ГТС определяется мощностью и спецификой системообразующего техногенного ядра, управляющего, совместно с региональными природными условиями, размером зоны воздействия. ГТС могут быть сформированы как отдельными промышленными объектами с развитой инфраструктурой, так и территориально-промышленными комплексами [3].

Изучение закономерностей формирования и эволюции ГТС во времени и пространстве позволяет вскрыть сложный механизм внутренних связей между техногенными нагрузками, изменением геохимического фона и экологическими последствиями, проявляющимися в природе. При оценке величины экологической нагрузки в ГТС в качестве основной методологии целесообразно принимать системный подход, позволяющий вскрыть структуру вещественно-энергетической совокупности взаимосвязанных составляющих объектов. В результате этого становится возможной полноценная оценка и прогнозирование состояния исследуемой системы во времени. Такой анализ может быть дополнен эксергетическим методом термодинамического анализа [4], что поможет универсально оценивать поведение вещества и энергии техногенных потоков и принимать оптимизационные решения.

Эксергетический анализ учитывает работоспособность энергии потоков в условиях окружающей природной среды, позволит получить более адекватную картину о термодинамическом состоянии системы и степени влияния ее на природную среду. При этом на основании балансовых уравнений выполняются эксергетические расчеты и оценивается термодинамическая эффективность каждого элемента и мощность потоков, направленных из данного элемента в окружающую природную среду. Суммарное значение таких потоков для всей технологической системы в соответствии с законом Гюи-Стодолы позволяет определить потери эксергии внутри ГТС:

                               (1)

где D - суммарная потеря эксергии в системе; То - температура окружающей среды; Si - увеличение энтропии в процессе проведения процесса в i-ом элементе системы.

Потоки эксергии зависят от параметров окружающей среды. В связи с ростом энтропии в реальных процессах из-за обобщенного трения, поток эксергии только уменьшается. Такую закономерность наглядно показывают диаграммы Грассмана потоков эксергии. Для количественного определения техногенной нагрузки целесообразно определить суммарную эксергию, отнесенную к единице площади или объема природной среды в единицу времени. Суммарную природоемкость техногенного ядра эколого-экономической системы можно рассчитать как величину эксергии центростремительных и центробежных потоков. Если учесть, что центробежные потоки определяют значение техногенной нагрузки на природную среду, то за функцию такой нагрузки можно принимать реакцию природной среды, проявляющуюся в росте энтропии. В качестве индикатора отклика природной среды, отражающего изменение состава или состояния компонентов биоты под влиянием техногенной нагрузки, можно рассматривать изменение энтропии единицы объема среды. 

Критерием, увязывающим термодинамически предпочтительные альтернативы и капитальные затраты с целью максимализации стоимости единицы продукции и минимизации стоимости эксергии, является композиция аддитивных функций, которые измеряют эксергию, оборудование и стоимость технических мероприятий, направленных на уменьшение потерь эксергии. В наиболее общей форме термоэкономический критерий приведен в [5]:

                       (2)

где С – стоимость единицы эксергии продукции;

Еi – эксергия потребляемого системой сырья и энергии;

Сei – стоимость единицы эксергии соотв. потоков сырья (энергии);

Еpk – эксергия производимой продукции;

Кn – капитальные и другие сопряженные затраты для n–ой подсистемы;

(U)- совокупность значений оптимизирующих параметров, на которой

  ищется минимум.

Вообще потенциал самоочищения природной среды должен быть основан на неравенстве (Ет) < (Епр). Устойчивое функционирование ГТС будет находиться в области соотношения площадей техногенной и природной подсистем 40:60(%), где запас 20% обеспечит устойчивость системы при аварийных выбросах токсичных веществ. Предельно допустимая техногенная нагрузка на природную подсистему должна быть ориентирована на потенциал самоочищения последней.

Для определения границ устойчивости ГТС целесообразно воспользоваться понятиями природоемкости технической системы и техноемкости природной среды. Критерий термодинамической оптимизации выражается через минимум потерь эксергии в элементах промышленного объекта [6]:

  ,                         (3)

где, ηε - эксергетический КПД системы; Di - потеря эксергии в i-ом элементе системы.

Определение границ устойчивости ГТС можно рассмотреть как типичную экстремальную задачу, решаемую путем минимизации обобщенной функции, описывающей изменение термодинамических параметров и экономических показателей элементов техногенного ядра ГТС. Рассматривая  проблему сбалансированности основных функций в ГТС и обозначая важнейшую в этом контексте характеристику ее техногенной подсистемы как природоемкость производства, природоемкость технологии, будет логично, если соответственное свойство природной подсистемы ГТС будет обозначаться как техноемкость природной среды. Сочетание  понятий  «природоем­кость производства» и «техноемкость природной среды» повы­шает смысловую определенность концепции соизмерения про­изводственных и природных потенциалов в ГТС.

Список использованной литературы

рикладная экология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. – 543 с. Shamshin A. V., Vorobyev O. G. Genesis, classification and ecological optimization of geotechnical systems // Intern. conference on Soft Measurements and Computations SCM’2000. – St. Petersburg, 2000, vol. 2. – P.165-167. , , Моделирование взаимодействия промышленного предприятия с природной средой. – Москва: Спутник+, 2005. – 96 с. Stepanov V. S. Analysis of energy efficiency of industrial processes.

– Heidelberg: Springer-Verlag, 1992.

, ксергетический метод и его приложение. – М.: Энергоатомиздат, 1988. Szargut J., Morris D. R., Steward F. R. Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical processes. – N. Y.: Hemisphere, 1988.