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化工污染

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  化工污染是指化学工业生产过程中产生的废气、污染物等,这些废物在一定浓度以上大多是有害的,有的还是剧毒物质,进入环境就会造成污染。有些化工产品在使用过程中又会引起一些污染,甚至比生产本身所造成的污染更为严重、更为广泛。

  越发达的国家,化学工业发展的越迅速,化工污染也越严重。从化学工业的发展过程来看,国外化工污染大体可以分为三个阶段。

  早期的化学工业(大约在19世纪末),是以生产酸、碱等无机化工原料为主,所以当时化学工业的污染物主要是酸、碱、盐等无机污染物。另外,这一时期的无机化工生产规模没法与现在的化学工业相比,品种也比较少,因此产生的污染物比较单一,这不足以构成大面积的区域性污染,环境污染问题还不明显。

  从20世纪初到20世纪40年代,由于冶金、炼焦工业的迅速发展,化学工业也随之发展,并进入以煤为原料来生产化工产品的煤化学工业时期。煤不仅可以作为燃料燃烧,而且成为化学工业的主要原料。一系列以煤、焦炭和煤焦油为原料的有机化学工业产品开始大量生产,大量新建的化工企业不断兴建,世界化学工业有了较快的发展。同时在这个时期内无机化学工业的规模和数量也不断扩大,所以造成的无机污染在数量上及危害程度上都有所加剧,而且有机化学工业也开始发展,导致有机污染对环境污染的影响加大,有时与无机污染物有协同作用。因此,化学工业污染现象显得更加重要。

  从20世纪50年代开始,世界各国陆续发现了储量丰富的油气田,从此石油工业发展迅速,石油工业已成为现代能源及国民经济的重要组成部分,石油工业的崛起,引起世界各国的燃料结构逐步从煤转向石油和天然气。从而,化学工业也进入了以石油和天然气为主要原料的“石油化工时代”,石油化学工业开始迅猛发展,环境污染泛滥成灾,达到了前所未有的地步。污染类型也发生了质的转变,由原先的煤烟型转化为石油型污染。

  化工污染,是化学工业发展过程中亟待解决的一个重大问题,若不能妥善加以解决,势必会制约化学工业的可持续发展。现在已进入了治理与防止化工污染的年代,环保要求不断苛刻,无污染的生物化工和绿色化工被提倡,并得到了迅速发展

  化工污染物的种类,按污染物的性质可分为无机化学工业和有机化学工业污染;按污染物的形态来分,有废气、废水及废渣。化工污染物的主要来源大致可分为两个方面,即化工生产的原料、半成品及产品;化工生产过程中排放出的废物。

  所有的化工生产中,都有一个转化率的问题,即原料不可能全部转化为半成品或成品。未反应的原料虽然可以回收利用,但因回收不完全或不可能回收,总有一部分被排放掉。若化工原料为有害物质,排放后便会造成环境污染。化工生产中的“三废”,实际上是生产过程中流失的原料、中间体、副产品。甚至是宝贵的产品。因此,对“三废”的有效处理和利用,既可创造经济效益又可减少环境污染。如氮肥工业利用氨与硫酸的中和反应制取硫酸铵时,虽然反应过程比较简单,技术也比较成熟,但260kg氨和750kg硫酸,生产的硫酸铵也只有1000kg,还有约1%的原料不能有效反应,随着排气跑到空气中去了。

  有时化工原料本身纯度不够,其中含有杂质。一般情况,这些杂质是不需要参与化学反应的,最后要被排放掉。可是,大多数杂质为有害的化学物质,会造成环境污染。有些化学杂质甚至还参与反应,而生成的反应产物同样也是所需产品的杂质。对环境而言,也是有害的污染物。如氯碱工业电解食盐溶液制取氯气、氢气和烧碱,只能利用食盐中的氯化钠,其余占原料约10%左右的杂质则排入下水道,成为污染源。

  物料在储存、运输以及生成过程中,由于设备、管道等封闭不严密,往往会造成化工原料、产品的泄漏,习惯上称之为“跑、冒、滴、漏”现象。这一现象不仅造成经济上的损失,同时还可能造成严重的环境污染事故,甚至会带来难以预料的后果。

  绝大多数的化工生产过程需要在一定的压力和温度下进行,因此,需要有能量的输入,通常获取能量的方式是燃烧大量的燃料。但是在燃料的燃烧过程中,不可避免地要产生大量的废气和烟尘,对环境造成极大的危害。烟气中各种有害物质的含量与燃料的品种有很大的关系。

  化工生产过程中除了需要大量的热能外,还需要大量的冷却水。在生产过程中,用水进行冷却的方式有直接冷却和间接冷却两种。当采用直接冷却时,冷却水直接与被冷却的物料进行接触,这种冷却方式很容易使水中含有化工物料,而成为污染物质。当采用间接冷却时,虽然冷却水不与物料直接接触,但因为在冷却水中往往加入防腐剂、杀藻剂等化学物质,排出后也会造成污染问题,即便没有加入有关的化学物质,冷却水也会对周围环境带来热污染问题。

  在化工生产中,进行主反应的同时,经常伴随着副反应,并得到一些人们所并不希望的副产物。虽然可以回收副产物,但副产物的数量往往不大,且成分又比较复杂,使得回收必须面临技术和经济问题,所以实际上往往将副产物作为废料排弃,故会引起环境污染。

  经常发生的生产事故是设备事故。在化工生产中,因为原料、半成品或成品很多都是具有腐蚀性,容器、管道等很容易被化工原料或产品腐蚀损坏,如检修不及时,就会出现“跑、冒、滴、漏”等现象,流失的原料、成品或半成品就会造成对周围环境的污染。偶然发生的生产事故是工艺过程事故,如化工生产过程中反应条件没有控制好,或者催化剂没有及时更换,或者为了安全而大量排气、排液,或者生产了不需要的物质。这种废气、废液和不需要的物质,数量比平时多,浓度比平时高,就会造成一时的严重污染。

  总之,化学工业排放出的废物,不外乎是三种形态的物质,即废气、废水和废渣,总称为化工“三废”。然而,任何废物本身并非是绝对的“废物”,从某种意义上讲,任何物质对人类来说都是有用的,一旦人们合理地利用废物,就完全能够“变废为宝”。

  化学工业排出的污染物对水和大气都会造成污染,其中尤其以水污染问题更为突出。

  化工废水是在化工生产过程中所排出的废水,其成分取决于生产过程中所采用的原料及工艺,可分为生产污水和生产废水两种。生产废水是指较为清洁,不经处理即可排放或回用的化工废水,如化工生产中的冷凝水。生产污水是指那些污染较为严重,需经过处理后才可排放的化丁废水。化工废水的污染特点有以下几个方面。

  化工废水中含有许多污染物,有些是有毒或剧毒的物质,如氰、酚、砷、汞、镉和铅等,这些物质在一定浓度下,大多对生物和微生物有毒性或剧毒性;有些物质不易分解,在生物体内长期积累会造成中毒,如六六六、DDT等有机氯化物;有些是致癌物质,如多环芳烃化合物、芳香族胺以及含氮杂环化合物等;此外,还有一些有刺激性、腐蚀性的物质,如无机酸、碱类等。

  化工废水特别是石油化工生产废水,含有各种有机酸、醇、醛、酮、醚和环氧化合物等,其特点是生化需氧量和化学需氧量都较高。有的高达几万毫克每升。这种废水一经排入水体,就会在水中进一步氧化水解,从而消耗水中大量的溶解氧,直接威胁水生生物的生存。

  化工生产排放的废水,时而呈强酸性,时而呈强碱性,pH很不稳定,对水生生物、构筑物和农作物都有极大的危害。

  化工生产废水中有的含磷、氮量过高,造成水域富营养化,使水中藻和微生物大量繁殖,严重时还会形成“赤潮”,造成鱼类窒息而大批死亡。

  由于化学反应常在高温下进行,排出的废水水温较高。这种高温度水排入水域后,会造成水体的热污染,使水中溶解氧降低,从而破坏水生生物的生存条件。热污染会影响到渔业生产,一方面水温升高可使水中溶解氧减少,另一方面又使鱼的代谢率增高而需要更多的溶解氧,鱼在热应力作用下发育受到阻碍,甚至死亡。

  石油化工废水中一般都含有油类,不仅危害水生生物的生存,而且增加了废水处理的复杂性。

  受化工有害物质污染的水域,即使减少或停止污染物排出,要恢复到水域的原料状态,仍需很长时间,特别是对于可以被生物所富集的重金属污染物质,停止排放后仍很难消除污染状态。

  空气和水一样是人类生存不可缺少的关键性物质,空气提供人们需要的氧气,对人类生命起着决定作用。当空气中污染物数量超过一定浓度时,将引起空气质量恶化,从而影响人体的健康和生物的生存。化工生产过程中排放的气体即化工废气,通常含有易燃、易爆、有刺激性和有臭味的物质。污染大气的主要有害物质有硫的氧化物、氮的氧化物、碳氢化合物、碳的氧化物、氟化物、氯和氯化物、恶臭物质和浮游粒子等。化工废气对大气的污染特点有以下几个方面。

  化工废气中的易燃、易爆气体有低沸点的酮、醛、易聚合的不饱和烃等。在石油化工生产中,特别是发生事故时,会向大气排出大量易燃、易爆气体,如不采取适当措施进行处理,容易引起火灾、爆炸事故,危害很大。为了防止火灾和爆炸的危害,通常都把这些易燃、易爆气体排到专设的火炬系统进行焚烧处理。

  化工生产排出很多的刺激性和腐蚀性气体,有二氧化硫、氮氧化物、氯气、氯化氢和氟化氢等,其中以二氧化硫和氮氧化物的排放量最大。这是因为化工生产过程中需要加热和燃烧的设备较多,这些设备无论用煤、重油或天然气作燃料,在燃烧过程中都会产生大量的二氧化硫和氮氧化物等气体。此外,在硫酸生产和使用硫酸的生产过程中,也会产生大量的二氧化硫。二氧化硫气体直接损害人体健康,腐蚀金属、建筑物和器物的表面,而且还易氧化成硫酸盐降落地面,污染土壤、森林、河流和湖泊。在硝酸、硫酸、氮肥、尼龙和染料的生产过程中,会产生大量的氮氧化物,它除直接损害人体健康外,对农林业也有极大破坏作用。

  化工生产排出的浮游粒子种类繁多,包括粉尘、烟气和酸雾等。其中以各种燃烧设备排放的大量烟气和化工生产排放的各种酸雾对环境的危害较大。烟气中微小碳粒子吸附性很强,能吸附烟气中的焦油状碳氢化合物。其中如苯并芘是一种致癌物质,它容易被烟气吸附而污染环境,威胁人体健康。特别是浮游粒子与有害气体同时存在时能产生协同作用,对人体的危害更为严重。

  由工矿企业的生产过程中所排出的丢弃物质,都称为废物,这些废物以固体形式存在的,就叫做固体废物,通常又叫做废渣。工业废渣,按照其来源的不同,可以分为冶金废渣、采矿废渣、燃料废渣、化工废渣等。化工废渣是由化学工业生产中排出的工业废渣,包括硫酸矿渣、电石渣、碱渣、塑料废渣等。其中以硫酸矿渣数量较大,每生产1t硫酸,要排出1.1t废渣。工业废渣对环境的污染有以下几个方面。

  不仅存放废渣需要占用大量的场地,而且在自然界的风化作用下,废渣会到处流散。尤其是有毒的废渣,既使土壤受到污染,又可导致农作物等受到污染。如果污染物转入农作物或者转入水域后,会给人类健康带来很大的危害。此外,一旦土壤受到污染,很难得到恢复,甚至永远成为不毛之地。

  工业废渣既可能渗入到地下水中,又可能通过风和雨被带人地面水中,对水体造成污染。废渣对水域的污染以化工废渣最为突出,尤其是将化工废渣不做任何处理,直接倒入江河、湖泊或沿海海域,将造成更为严重的水体环境污染。

  化工废渣在堆放过程中,在温度、水分的作用下,某些有机物质发生分解,产生有害气体扩散到大气中,对大气造成污染。例如,石油化工厂排出的重油渣及沥青块等,在自然条件的作用下,会产生环芳烃气体

  要有效防治化工污染,应从两方面考虑。一是减少排放;二是加强治理。治理包括对废物的妥善处理、回收及资源化利用。

  化工生产中,生产一种产品往往有多种原料路线和生产方法,不同的原料路线和生产方法产生的污染物的种类和数量有很大的差异。采用和开发无废、少废工艺可将污染物最大限度地消除在工艺过程中,对保护环境具有决定性的作用。如制造乙醛时,可用乙炔为原料,硫酸汞作催化剂,利用水合法:

  其中催化剂硫酸汞是一种溶液,每升中相当含有硫酸200g、汞0.4g~0.5g和氧化铁40g。由于采用汞催化剂而造成了对环境较大的污染。改用乙烯为原料,利用直接氧化法:

  在改变原料路线、生产方法的同时,改进生产设备也是实现清洁生产、控制污染源的重要途径。如化学物质的直接冷却改为间接冷却,可以减少污染物的排放量。另外,提高设备、管道的严密性,加强企业的管理,提高操作人员的素质,减少原料产品漏损,同样也会降低污染程度。

  采用密闭循环系统是当前化工生产污染防治的一个新的发展方向。所谓密闭循环,是指生产过程的废弃物通过一定的治理技术,重新回到生产系统中加以使用,避免污染物排入周围环境,同时提高原料的利用率、提高产品的产率。这种生产系统又称“零排放”系统,既可降低原料消耗定额,又减少了污染物的危害。例如,过去采用氨碱法生产纯碱,原料食盐的利用率比较低,大量的无机盐物质排入水域,造成周围水源的环境污染。近年来,日本发展了联合制碱工艺,采用密闭循环流程代替传统工艺,基本不排放废液,在很大程度上改善了过去的环境污染问题。

  要实现化工的可持续发展,必须走由“末端治污”向“清洁生产”转变的道路,大力发展循环经济,加强废物的资源化利用。近年来在化肥、氯乙烯、炭黑等行业的污染治理中,已经开发推广了不少资源合理利用项目。事实证明,化工行业“三废’’综合利用还有巨大潜力。促进化工行业综合利用向广度和深度发展的主要问题是:要尽快开发和完善净化分离废物的关键技术。

  化工生产过程中,确保安全生产是至关重要的。化工生产中的事故不仅会对工厂本身会造成人员与经济上严重损失,而且对周边环境的污染与危害更是巨大的。无论是历史上的“八大公害”事件,还是我国近年来发生的多起大面积的恶性污染事件,无不与化工生产事故密切相关。因此加强化工生产过程中的安全教育与管理,杜绝事故发生,也是防止化工污染的重要途径

  贾素云主编,化工环境科学与安全技术,国防工业出版社,2009.02,第22页

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