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如何搞好高三的应用问题复习?那就应当先从源头抓起,从课本人手,熟知课本常见应用问题模型,将其分类,总结解决应用问题的常见策略,然后通过浏览近几年各地高考和模拟考试中的应用问题,分析其背景、源头,学会在课本中找到相近的应用问题模型,了解高考怎么考,通过实战演练,不断完善、固化解决数学应用问题的策略.这是高三学生复习应用问题要时刻牢记的要点.
一、数学应用问题的解题策略
1.解数学应用问题的一般思路
2.解数学应用问题的一般程序
(1)审题:理解题意,分清条件和结论,引入符号变量,将问题用数学符号语言表述,要通过画图或列表等理清变量之间的数量关系.
(2)建模:分析题目中变量的特征,寻找它们之间的联系,由此找到与此相关联的数学知识,建立对应的数学模型.
(3)解题:求解数学模型,得到相应的数学结论.解题过程中应注意数学模型中变量的实际意义.
(4)答题:将数学结论还原为实际问题的结果,并对原问题作答.
3.应用问题的常见类型与对策
数学应用问题的常见类型有函数、数列、不等式、线性规划、三角函数、解析几何、概率问题等.
解题的关键是根据问题的特征与需要寻找变量,或引入变量.引人多个变量不可怕,重点在于分析变量之间的关系,将它们相互转化,若能转变为单变量,那就可以从函数与导数来人手;如果变量是角,那就考虑建立三角函数模型;若是双变量,则可考虑建立线性规划、基本不等式、解析几何等数学模型.
由此可见,应用问题的解题核心是抓住变量(问题或设好变量,或需要我们白己引入变量),由变量去思考问题的知识类型,进而建立数学模型.而将实际问题转化为数学问题来解决,常见的也就是解方程、证明(求解)不等式、求函数(包含三角函数、数列(特殊的函数))的最值或几何求值、几何论证、解三角形等.
下面我们从课本到高考,一起来领悟数学应用问题的变化过程,了解高考怎么考,从源到流或由流溯源,明确各个环节和过程,这有助于你对应用问题的理解,把握相应的解题策略.
二、数学应用问题的源与流
问题中的变量很明确,函数模型已给定(或很容易建立),大多数高考数学应用题属于此类.
变1-1 为了保护环境,某化工厂在政府部门的支持下,进行技术改造:每天把工业废气转化为某种化工产品和符合排放要求的气体,经测算,该工厂每天处理废气的成本y(元)与处理废气量x(t)之间的函数关系可近似地表示为:
(1)当工厂日处理废气量x∈[40,70]时,判断该技术改进能否获利.如果能获利,求出最大利润;如果不能获利,为了保证工厂在生产中没有亏损现象出现,国家至少每天给予财政补贴多少元?
(2)若国家给予企业处理废气阶梯式财政补贴,当日废气处理量不足40 t时,给予80元/t补贴;当日废气处理量不少于40 t时,超过40 t的部分再增加55元/t的补贴,当工厂的日处理量为多少吨时,工厂处理每吨废气的平均收益最大?
此题文字描述较多,要耐心审题,找到变量之间的关系,建立函数模型.本题将函数和导数、函数与基本不等式结合在一起,设计巧妙,有新意.
所以国家每天至少需要补贴2200元,才能使工厂生产不亏损.
(2)由题意可知,工业废气的每吨平均处理收益为:
综上,当日处理量为60 t时,工厂处理每吨废气的平均收益最大.
2.三角与不等式
(2)该小组分析若干测得的数据后,认为适当调整标杆到电视塔的距离离(单位:m),使α与β之差较大,可以提高测量精确度.若电视塔的实际高度为125 m,试问d为多少时,α-β最大?
本题来源于课本,高于课本,立意点高,侧重于考查基本三角公式、基本不等式等基础知识及数学建模方法,是一道好题.
3.数列与不等式
(1)该市历年所建中低价房的累计面积(以2004年为累计的第一年)将首次不少于4750万O?
(2)当年建造的中低价房的面积占该年建造住房面积的比例首次大于85%?
由计算器解得满足上述不等式的最小正整数n=6,所以到2009年底,当年建造的中低价房的面积占该年建造住房面积的比例首次大于85%.
变3―2 某啤酒厂为适应市场需要,从2011年起引进葡萄酒生产线,同时生产啤酒和葡萄酒,2011年啤酒生产量为16000 t,葡萄酒生产量1000 t.该厂计划从2012年起每年啤酒的生产量比上一年减少50%,葡萄酒生产量比上一年增加100%,试问:
(1)哪一年啤酒与葡萄酒的年生产量之和最低?
(2)从2011年起(包括2011年),经过多少年葡萄酒的生产总量不低于该厂啤酒与葡萄酒生产总量之和的2/3?(生产总量是指各年年产量之和).
4.概率
例4 (人教版选修2-3)一台机器一天内发生故障的概率为0.1,若这台机器一周5个工作日不发生故障,可获利5万元;发生1次故障仍可获利2.5万元;发生2次故障的利润为0元;发生3次或3次以上故障要亏损1万元,问这台机器一周内可获利的均值是多少?
变4-1 甲、乙两支排球队进行比赛,约定先胜3局者获得比赛的胜利,比赛随即结束.除第五局甲队获胜的概率是1/2外,其余每局比赛甲队获胜的概率都是2/3.假设各局比赛结果相互独立.
(1)分别求甲队以3:0,3:1,3:2获胜的概率;
(2)若比赛结果为3:0或3:1,则胜利方得3分,对方得0分;若比赛结果为3:2,则胜利方得2分、对方得1分.求乙队得分X的分布列及数学期望.
5.几何与函数、不等式
例5 (人教版选修2-2)一边长为“的正方形铁片,铁片的四角截去四个边长都是x的小正方形,然后做成一个无盖方盒,x多大时,方盒的容积V最大?
变5-1 有一块边长为4的正方形钢板,现将其切割、焊接成一个长方体形无盖容器(切、焊损耗忽略不计).有人应用数学知识作了如下设计:如图3(a),在钢板的四个角处各切去一个小正方形,剩余部分围成一个长方体,该长方体的高为小正方形边长,如图3(b).请你求出这种切割、焊接而成的长方体的最大容积V1.
变5-2 同上一题前提,由于上述设计存在缺陷(材料有所浪费),请你重新设计切焊方法,使材料浪费减少,而且所得长方体容器的容积V2>V1.
解 为了制作简单,利于操作,只需如图4分割钢板,V2=2×3×1=6> Vl=128/27(其他方法略).
[关键词]工业废气;氯化氢;含量;分析
中图分类号:U466 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)14-0025-01
引言:目前,国内普遍采用硝酸银容量法、硫氰酸汞分光光度法和离子色谱法测定氯离子。其中硫氰酸汞分光光度法方法灵敏、显色液稳定、操作简便,但选择性差,且方法不易掌握;后者方法准确灵敏、选择性好、能同时测定多种阴离子,但是操作复杂,且仪器昂贵,不少地方监测站无此仪器。经过长期摸索研究出测量车间工业废气中氯化氢含量的方法。此法简单容易操作,能测定和检查工厂废气排放情况,为生产的正常运行提供信息。工业废气氯化氢同时也污染环境,对设备和建筑物都具有强烈的腐蚀性。氯化氢气体易挥发,水溶性强,不易被颗粒吸附,因而扩散性较强,能与空气任意混和,其危害范围广,对氯化氢废气的回收及治理已引起了人们的重视。2015年1月1日新的《中华人民共和国环境保护法》公布并实施,可见国家对环境保护的重视。按GB3095-2012《环境空气质量标准》,GB/T 16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与污染物采样方法》,国家对工业向大气中排放氯化氢废气含量有明确的要求。
1.关于工业废气的危害
对人体健康的危害:世界卫生组织称,2012年空气污染造成约700万人死亡(部分人死亡原因与室内/外空气污染均有关),也就是全球每八位死者中就有一位。大气污染物对人体的危害是多方面的,主要表现是呼吸道疾病与生理机能障碍,以及眼鼻等粘膜组织受到刺激而患病。
对植物的危害:大气污染物,尤其是二氧化硫、氟化物等对植物的危害是十分严重的。当污染物浓度很高时,会对植物产生急性危害,使植物叶表面产生伤斑,或者直接使叶枯萎脱落;当污染物浓度不高时,会对植物产生慢性危害,使植物叶片褪绿,或者表面上看不见什么危害症状,但植物的生理机能已受到了影响,造成植物产量下降,品质变坏。
对天气和气候的影响:大气污染物对天气和气候的影响是十分显著的。
2.实验部分
2.1 主要仪器
反应管50mL三支;酸式滴定管50mL一支;碱式滴定管50mL一支;真空泵一台;气体流量计一台;移动电源插座一个。
2.2 试剂及溶液
硫酸标准滴定溶液:0.5mol/L;氢氧化钠标准滴定溶液:0.5mol/L;酚酞指示剂;甲基红―亚甲基兰混合指示剂。
2.3 实验前准备
向反应管中装入硫酸标准溶液和甲基红―亚甲基兰混合指示剂,在尾气中检测成分浓度未知的情况下,均接50.0mL硫酸标准溶液作为吸收液。三支反应管串连在一起作为接收器,第一个反应管和第三个反应管为缓冲瓶,第二个反应管为接有吸收溶液的吸收瓶。(如果尾气温度较高,可适当的在第一个缓冲瓶前增加缓冲瓶接收冷凝的液体)。
3.检测步骤
3.1 样品采集
向真空泵和气体流量计中注适量蒸馏水,在检测现场就近接通电源,检查尾气管道是否连接正常。按照尾气管道反应管流量计真空泵的顺序用橡胶管连接在一起,记下流量计的读数A1作为起始读数,开启电源开始尾气检测。完成抽气检测后,关闭真空泵开关,同时拆除连接设备的橡胶管,防止由于管道负压将吸收瓶内的吸收溶液反抽入管道。记下流量计的读数A2作为结束读数,放掉真空泵和气体流量计中的水并冲洗干净,收起移动电源线。第四是取下吸收瓶和第三个反应管洗入三角瓶中,用硫酸标准溶液来中和滴定剩余的吸收溶液。以此求得吸收溶液的耗量。
3.2 尾气中氯化氢含量的计算方法
式中:V1为氢氧化钠标准滴定溶液的体积,mL;
V2为中和滴定的硫酸标准滴定溶液的体积,m ;
C1为氢氧化钠标准滴定溶液的浓度,mol/L;
C2为中和滴定的硫酸标准滴定溶液的浓度,mol/L;
M为氯化氢的摩尔质量36.5,g/mol;
V3为流量计记录的抽取尾气体积,L;
V3=A2-A1。
3.3 实验数据
取同一点的工业废气做样品(在生产设备、生产过程正常运行下进行),按GB/T16109-1995《车间空气中氯化氢及盐酸的硫氰酸汞分光光度测定方法》进行氯化氢含量测定,检测数据如表1。
4.讨论
检测应在生产设备、生产过程正常运行下进行,确保能真实反映各工厂尾气中氯化氢含量的排放情况。向真空泵和气体流量计中注适量蒸馏水,在检测现场就近接通电源,检查尾气管道是否连接正常。按照尾气管道流量计真空泵的顺序用橡胶管将设备连接,接通电源抽尾气2min,目的是:检查设备运行是否正常,并将尾气管道中的气体替换成烟囱中正在排放的气体,以减少检测误差。再去抽尾气管道中的气体5-10min以置换尾气管道的气体。气体流量计指针为匀速转动。第五是抽取气体至反应管指示剂变色,或在反应管指示剂没有变色的情况下抽取100-300 L尾气,控制抽气量尽量不使指示剂变色(根据尾气中待测物质含量的不同可减少或增加尾气抽取体积)。完成抽气检测后,关闭真空泵开关,同时拆除连接设备的橡胶管,防止由于管道负压将吸收瓶内的吸收溶液反抽入管道。用一根橡胶管将反应管的出口和入口连接在一起,避免空气进入。如果样品采集不能当天测量,应将样品放入冰箱二摄氏度到五摄氏度保存,保存不得超过四十八个小时。
总结:综上所述,随着我国工业化进程的加快,工业废气氯化氢给我们的健康和生存环境都带来了很大的威胁。提高环保意识、减少未处理工业氯化氢的排放、对工业排放氯化氢进行检测、完善工业废气氯化氢的治理技术和设备是防治工业废气的重要措施。本实验建立了测定工业废气中氯化氢含量的测定方法,该方法操作简便、准确、快速,可用于工厂对工业废气中氯化氢含量的测定,从而控制废气中的氯化氢含量不要超出标准排放量,适合工业生产过程中的控制。
参考文献
[1] 《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》GB/T 16157-1996.
[2] 《固定污染源废气氯化氢的测定 硝酸银容量法》 HJ 548-2009.
[3] 《空气和废气监测分析方法》(第四版增补法).
[4] 张金凤,马艳宁,徐淼,李铭.水解氧化工艺治理制药工业有机废气的设计[J].城市环境与城市生态,2014,06:32-34.
[5] 王祥生.氯化氢的纯化方法[J].低温与特气,1983,04:20-22.
[6] 刘自珍.填料塔处理化工废气中的氯化氢制盐酸[J].氯碱工业,1990,06:47-48.
1化学制药行业循环经济的概念
循环经济最早在20世纪60年代由Kenneth提出,他认为循环经济是指在人、自然资源和科学技术的大系统内,在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中,把传统的依赖资源消耗的线性增长经济,转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。《中华人民共和国循环经济促进法》明确了循环经济减量化(reduce)、再利用(reuse)、资源化(recycle)这3个基本原则,将传统发展中“资源-产品-污染排放”的线性模式转变为“资源-产品-再生资源”的循环模式。基于循环经济的概念,结合化学制药行业的实践情况,本文认为,化学制药行业循环经济是以循环经济理念和发展模式为基础,旨在提高资源投入与药品产出比,在药物生产过程的各个环节中推行清洁生产,减少污染排放、提高资源再利用率,提升医药产业总体技术水平,在行业中产生规模效应,促进物质与能量在化学制药行业内部循环流动,减少行业对社会造成的环境压力,将化学制药行业的发展与生态保护有机地结合起来。
2循环经济对化学制药行业的积极意义
2.1减少原料使用量,提高原料利用率
循环经济提倡“循环发展”、“清洁能源”的理念,通过“资源-再生资源”的发展模式,减少毒害物的排放、促进清洁生产和生产工艺升级。从原材料的选择来说,循环经济提倡采用无毒无害原料代替有毒有害原料、提高原料品位和纯度;从能源选择角度来说,循环经济倡导使用清洁能源和可再生能源代替传统能源,常规能源清洁利用;从生产工艺来说,提倡高效节能降耗减污的工艺与设备,优化或采用全新的工艺流程。
2.2减少污染排放量,提高废弃物利用率
循环经济通过提高废弃物循环利用率来减少化学制药企业三废排放量,减少对环境的污染。就化学制药废液来说,其中含有菌丝体、未利用完的培养基、无机盐、有机溶剂及部分目标产品,COD含量高,平均超标50~250倍。如果直接排放会对环境造成严重污染,严重威胁人民群众生命健康安全。循环经济要求化学制药废水要经过处理才能排放,并且要最大程度地利用废水资源,如通过厌氧生物(水解产酸菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌这3大细菌联合)处理,最终可以得到作为能源的甲烷和水资源。
2.3推动产业集群发展,提升产业链价值
循环经济通过对现有资源整合,能够促进产业集群发展,将互惠或互补的企业群聚产生规模效应,形成以化学制药为主导产业并融合辅助产业和附属产业的产业集群,产生双赢或多赢局面。以石家庄医药产业集群为例,它以石药集团和神威药业为核心,形成了包括化学原料药及制剂、医疗器械、生物制药、医药批发、零售、流通在内的医药产业集群,囊括产业链的各个方面,促进物质、信息、能量在行业内部流动,提升产业链价值。
3化学制药行业循环经济发展模式
循环经济发源于20世纪60年代,在多年的发展中已经形成了美国杜邦化学公司模式、丹麦卡伦堡生态工业园等多种成功的循环经济发展范式。循环经济在20世纪90年代后期引入我国,在农业、钢铁、水泥、煤炭等多个行业都有完善的发展模式,并取得良好的经济效益与社会效益。因此,本文将“循环经济”理念引入医药行业,提出科学合理的化学制药行业循环经济发展模式,为绿色医药工业提供一条科学、协调和可持续发展的道路(图1)。此模式实现了物质和能量的传递,从原料药加工、药物生产、废弃物处理到药品流通按照产业链传递,实现纵向偶和循环,模式中除了化学制药这一主导产业,还融合了电力、化工等辅助行业、附属行业,实现了平行产业间的横向耦合循环。在化学制药行业循环经济系统中,以化学药物制造企业、洗煤发电厂、废弃物处理厂等主体为“点”,各主体间资源要素流动行为为“线”,紧密构建出科学合理的循环运行网络。
3.1输入系统
输入系统由资源输入和能源输入两条输入链组成,实体主要是发电厂和原料供应商。本模式将输入系统纳入循环系统中是为了着重强调循环经济并非简单的“末端治理”,其理论中的“减量化”、“资源化”原则要将清洁生产渗透到化学制药产业的各个方面。在原材料选择上,要采用无毒无害原料,淘汰传统工艺中毒性高、污染大、副产物多的原料。输入能源选择用清洁能源如风能、太阳能、水力发电代替传统的低效易耗能源。
3.2化学制药企业体系
化学药品生产企业是指生产化学药品的专营企业或者兼营企业。化学药品制造企业可大致分为两大类:化学药品原药制造企业和化学药品制剂制造企业。化学药品原药制造是指供进一步加工药品制剂所需的原料药生产,主要包括制药用化学物质的制造,如抗菌素、内分泌产品、基本维生素、磺胺类药物、水杨酸盐和水杨酸酯、葡萄糖和生物碱等原料药,还包括化学纯糖等。化学药品制剂制造是指直接用于人体疾病防治、诊断的化学药品制剂的制造,化学药品制剂制造可分为片剂、针剂、胶囊、软膏、粉剂、溶剂等各种剂型的产品,还包括放射性药物。化学制药企业体系内部存在物质流动,尤其是药品生产过程中副产物的循环或交换利用,力争使每一环节的副产物能够作为本工序原料重复使用,或者交由其他化学制药企业,作为生产所用原材料。
3.3输出系统
输出系统是包括药品经销商、药品批发商和药品零售商在内的化学制药产业链下游销售体系。主要是针对药品废弃包装和过期药品的回收处理。化学药品包装容器和过期药品已被明确列入我国2008年实施的《国家危险废物名录》和《医疗废物管理条例》。过期药品药效降低、毒性增加,随意丢弃或当做生活垃圾处理会对环境造成严重污染。废弃的药品包装和过期药品经过回收机构(由政府部门设立并监管)进行初步分类之后,由回收机构移交化工厂,进一步加工后形成原料输送入化学制药企业体系以供循环使用。
3.4废水处理系统
化学制药企业排放废水主要包括高浓度废水、低浓度废水、酸性废水、难消化废水这4种。废水COD、BOD含量高,存在生物毒性物质,成分复杂,未达法律规定的排放标准。废水处理系统以废水处理厂为核心,将化学制药企业排放废水分类引入废水处理厂,在其中经过不同工段预处理,再通过厌氧生物和好氧生物处理,生成并收集沼气存放于沼气池中以备能源供应。处理废水从处理厂进入回用水处理系统,达到化学制药用水标准的水循环进入化学制药企业体系,剩余水资源可直接排放进入自然环境。
3.5废气处理系统
废气处理厂是指将工厂产生的废气在对外排放前进行预处理,以达到国家废气对外排放标准的场所。化学制药企业产生的废气大多都是有毒有害的,大致可分为发酵尾气、溶剂气体和恶臭气体,这些废气必须经废气处理厂进行吸收处理。目前常用的处理方法有吸附法、吸收法、冷凝法等。冷凝法中的冷凝水是由废水处理系统提供的循环水,这就构成了废水处理系统和废气处理系统之间的联系。经过处理的废气,具有生产价值并且纯度较高的可以直接用于化学制药企业的再生产或者用于发电供能;需要经过处理再利用的输入化工厂;暂时没有去处的气体可以在储气池中分类贮存,待企业再生产时调用,实现气体重复利用和最小化排放。
3.6废渣处理系统
化学制药企业废渣中含有大量蒸馏残渣、失活催化剂、胶体残渣、反应残渣、不合格中间体和产品等来自制药企业生产每一环节的废弃物。污染物种类多、数量大、毒性大,影响生态环境,危害人类健康。因此,引入化工厂是循环经济模式持久运行的有力保障。本模式中的化工厂是从事化学工业生产和开发的企业和单位的总称。化学制药废渣在化工厂中经过分离,进入不同的工段进行反应后提纯,一部分反应物又成为制药原料或原料药进入输入系统循环利用,另一部分无毒、无害的废弃物可直接排放进入自然环境。在化工厂内,废渣经焚烧处理产生大量热能,带动发电机发电,为循环经济模式提供重要能源。
4促进化学制药行业循环经济发展模式合理运行的对策建议
4.1加强政府对化学制药行业循环经济模式的宣传和引导
目前,我国还未形成成熟的化学制药循环经济模式。究其原因,一方面是建立该模式前期投入巨大;另一方面是管理水平落后,未能达到模式建立标准,难以多方统筹,使模式健康运转。为了解决上述问题,需要政府部门从政策上积极引导化学制药循环模式的开展。从小循环角度来说,应继续加强对单个企业三废排放量的监管审查,鼓励清洁生产;从中循环角度来说,应推动化学制药循环工业园区的建立,合理规划公共服务系统,为公共工程的一体化供应创造条件,加强区域循环的物质流互通;从大循环角度来说,应在全社会范围内为化学制药循环模式建立信息交换平台,促进医药企业信息之间的交流,使副产物以及三废能够最大化利用,同时发展线下物流网络,保证线上与线下物质流和信息流同步。
4.2加强医药行业协会的监督作用
我国的医药行业协会是非政府、非企业的民间社会团体,主要对我国医药企业起到信息咨询、融资支持以及与政府的协调沟通作用。医药行业协会在政府与企业、企业与企业之间有着桥梁和纽带的重要作用。医药行业协会作为医药行业内部的信息交流平台,能对化学制药行业循环经济发展模式的建立起到促进作用,对运行起到监督作用。建立化学制药企业循环经济执行榜单,对积极参与发展模式的企业加以公示,并向相关部门汇报,对该企业进行奖励;对于污染排放量大并不加以整治的企业,通知相关部门并责令其进行整改。
4.3加强高校与科研机构对化学制药循环经济模式的技术支持
我国化学制药企业创新能力弱,着眼于社会责任保护环境而提升工艺流程、研究清洁能源的企业更是凤毛麟角。循环经济模式3R原则要求从源头减少原料使用,提高资源利用率,达到节能减排的目的,这就需要各大高校与研究院所的技术支持,为化学制药循环经济模式提供新能源、新原料、新工艺,促进传统产业升级更新。除了技术支持,化学制药循环经济模式还需要“软件”支持,为了保障模式正常运转,高校与研究院所要为其提供具有专业素质的管理人才;开发适用于循环模式的管理信息系统,简化管理方式,使循环经济模式精确高效运行;为化学制药循环经济模式提供合理的规划布局,达到整个产业的高效、集约、节能、减排目的。
4.4提高化学制药企业的诚信自律
我国是农业大国,据统计,每年产生各种农作物秸秆有6亿多t、其中水稻1.68亿t、小麦1.06亿t、玉米1.21亿t。20世纪80年代以来,农村的能源结构、种植结构发生了较大变化,农作物秸秆大量剩余,焚烧农作物秸秆的现象屡禁不止,造成资源浪费、污染环境等不良后果。另外,露天焚烧秸秆还容易造成火灾,烧伤人畜甚至致死。
1.1损伤地力土壤中含有许多对农作物有益的微生物。其对促进土壤有机质的矿质化、加速养分释放和改善植物养分供应起着重要作用。绝大多数土壤微生物在l5~40℃范围内活性最强。表层土壤过火以后,地下5cm处温度可达65~90℃,高温抑制土壤中的微生物生长,从而影响农作物养分的转化和供应,导致土壤肥力下降。
1.2污染大气农作物秸秆中含有氮、磷、钾、碳、氢元素及有机硫等。特别是刚收割的秸秆尚未干透,经不完全燃烧会产生大量氮氧化物、二氧化硫、碳氢化合物及烟尘,氮氧化物和碳氢化合物在阳光作用下还会产生二次污染物臭氧等。在城市“热岛效应”的作用下,城郊四周产生的大气污染物便自然向市区流动,造成严重的大气污染。如2006年6月20日傍晚,北京部分地区突然被一股刺鼻的烟雾所笼罩,能见度急剧下降,烟雾从南向北逐渐扩散,南部城区污染物一度超标6~9倍。北京市环保局调查后认为,周边河北地区大面积焚烧麦秸产生的烟雾被风吹到北京上空,造成了空气严重污染。
1.3影响交通我国耕地倒茬时间短、复种指数高,抢收、抢种约1周的时间,客观上造成焚烧农作物秸秆的时间较为集中。燃烧秸秆形成的大量烟雾,使能见度大大降低,严重干扰了正常的交通运输。在交通干线两侧和机场附近,这种影响尤为突出。在焚烧期间,空气能见度远低于机场运行最低标准,成都双流机场和石家庄机场几乎年年都要被迫关闭,每年造成数百万元的经济损失。
1.4资源浪费农作物秸秆中不仅含有大量纤维素、木质素,还含有一定量的粗蛋白、粗脂肪、磷、钾等营养成分和许多微量元素。6亿t秸秆相当于300多万t氮肥、700多万t钾肥和70多万t磷肥,约为全国每年化肥施用量的1/4。在田间焚烧农作物秸秆,仅能利用所含钾的40%,其余氮、磷、有机质和热能则全部损失。
2自然排放畜禽粪便的环境危害
在我国,除露天焚烧作物秸秆对环境造成严重污染外,另一种严重的环境公害是养殖场畜禽粪便的自然排放。改革开放以来,我国畜禽养殖业迅速发展,养殖规模越来越大,逐步发展成为一个独立的产业。随着畜禽养殖业集约化、规模化、工厂化的快速发展,畜禽养殖业粪便废弃物的产生量也急剧增加,目前已成为我国农业有机固体废弃物的主要生产源。根据2000年全国畜禽养殖统计资料,全国畜禽粪便年产生量已达到20.1亿t,其中猪粪4.83亿t、牛粪10.9亿t、羊粪2.29亿t、禽粪2.01亿t。各种污染成分的年产生量分别是,氮约0.114亿t、磷约0.047亿t、CODCr约0.694亿t、BOD5约0.65亿t。随着我国畜禽养殖业的进一步发展,这一数字还将上升。生产的高度密集,使畜禽粪便量大大超过其周围环境的处理和合理使用的能力。畜禽粪便含有大量未被消化吸收的有机物、无机物、病菌等,能造成大气、水体、土壤、生物等多方面的污染。
2.1污染大气由于畜禽高度密集,厩舍内混浊灰尘、粪便、霉变垫料及呼出的二氧化碳等散发出恶臭。据报道,一个年出栏10万头的猪场,每天可向大气排放菌体360亿个、氨气381.6kg、硫化氢348kg、粉尘621.6kg,污染半径可达4.5~5km。畜禽粪便自然排放在养殖场周边,产生大量恶臭气体,其中含有大量的氨、硫化氢等有毒、有害成分,严重影响了畜禽养殖场周围的空气质量,进而对养殖场的畜禽生长和周围居民的健康构成严重威胁。
2.2污染水体畜禽粪便能直接或间接进入地表水体,导致河流严重污染、水体富营养化、水质严重恶化,致使公共供水中的硝酸盐含量及其他各项指标严重超标。畜禽污水排入鱼塘和河流中,还会导致对有机物污染敏感的水生生物逐渐死亡,严重威胁着水产养殖业的发展。研究表明,养猪场排放的污水、固体粪污随降水淋洗冲刷进入自然水体后,可使水中SS、CODCr、BOD5和微生物含量升高。进入水体的粪污中含有大量的有机物,一方面在水中微生物对其进行分解的过程中,消耗大量的溶解氧(DO);另一方面水体富营养化产生大量水生植物残体生物降解也消耗大量DO;最终导致水中的DO被耗尽,水体随之变黑发臭,这时水体的原有生态系统将难以得到恢复。同时,畜禽粪尿淋溶性极强,可以通过地表径流污染地下水,也可经过土壤渗透污染地下水。
2.3危害土壤少量的畜禽粪便不经过无害化处理就直接施入到土壤中,其中的蛋白质、脂肪和糖及部分有机污染物在土壤中可以较快地被分解而得到净化。但是,如果污染物排放量超过了土壤的自净能力,便会出现降解不完全和厌氧腐解,产生恶臭物质和亚硝酸盐等有害物质,引起土壤的组成和性质发生改变,破坏其原来的基本功能。由此还会致使种植的作物徒长、倒伏、晚熟或不熟,造成减产,甚至毒害作物。直接施用不经处理的畜禽粪便常常会引起作物幼苗的大面积死亡。
3堆肥化处理是农业固体有机废弃物无害化和资源化利用的有效途径
目前,我国总有机固体废弃物年排放量约为41.3亿t,其中蕴含粗有机质为12.3亿t,氮、磷、钾总储量约为0.873亿t。在这些有机固体废弃物中,从氮、磷、钾养分资源来看,占主要地位的是畜禽粪便,产生量占固体废弃物的一半左右,其氮、磷、钾储量分别相当于0.49亿t尿素、1.19亿t过磷酸钙和0.34亿t氯化钾。作物秸秆则是当前我国第二大类农业固体有机废弃物,其氮、磷、钾总储量约为914万t。从有机质养分资源来看,占主要地位的是农作物秸秆。作物秸秆和畜禽粪便就好象是农牧业生产中两把双刃剑,科学处理就会成为很好的、有利用价值的资源,处理不当就会造成环境危害。近年来,随着人们环保意识的增加和国家对环境保护的高度重视,各级政府部门、相关机构和企业都投入了大量的人力、物力开展污染治理,针对当前在我国已颇为严峻的农业固体有机废弃物污染的现状开展研究和技术攻关,找到了许多很好的治理和利用方法。
“十五”期间,农业部推荐的作物秸秆综合利用技术包括秸秆青贮、堆肥、气化、养菇、用于建材和直接还田等;畜禽粪便的处理和利用方式主要有固体圈肥、高温堆肥、膨化处理、水解处理、蚯蚓处理或是不加处理直接用作肥料等。在所有利用方式中,高温堆肥以其无害化程度高、腐熟程度高、堆腐时间短、处理规模大、成本较低、适于工厂化生产等优点而逐渐成为作物秸秆和畜禽粪便的首选处理方式。此外,以优质的腐熟堆肥作为基料,配制高附加值的多功能复混肥料和微生物有机肥料的前景也相当广阔。堆肥化(Composting)是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程。在微生物分解有机物的过程中,不但生成大量可被植物利用的有效态氮、磷、钾化合物,而且能合成新的高分子有机物—腐殖质,它是构成土壤肥力的重要活性物质。传统有机肥料堆置技术,体积庞大,养分含量低,无害化程度差,生产应用受到很大局限。
现代农业条件下,如何迅速而有效地处理作物秸秆和畜禽粪便等农业固体有机废弃物,是科技工作者面临的新挑战。根据国际公认的废弃物”减量化、无害化、资源化”综合治理原则,生物堆肥处理是在人工控制条件下依靠细菌、放线菌等微生物,通过有目的的降解作用,把有机物转化为腐殖质的生物化学处理技术,从而达到原料的无害化和资源化。这是促进有机废弃物在农业生产中良性循环并促进环境污染问题得以真正解决的有效途径,是符合我国国情的最佳处理方法。
4农业固体有机废弃物堆肥关键技术存在问题及解决措施
4.1作物秸秆的快速腐解技术农作物秸秆、植物残枝及农产品加工废弃物(酒糟、醋糟、中药渣等材料)中除粗纤维外,其他组分都较易降解,因此,粗纤维降解速度是决定秸秆腐熟快慢的关键。关于加快纤维素、木质素降解的研究,国内外已有大量文献报道。主要有物理的方法,如α或β-射线辐照、微波处理等;化学的方法,如强酸或碱或氧化剂处理;生物的方法,如接种纤维降解细菌、放线菌、真菌或直接加酶进行处理等。也有将物理、化学及生物方法相结合进行处理。还有用化学-生物联用技术进行处理,提高腐熟速度,并减少成本和劳力。从处理的经济上的可行性和技术上的可操作性分析表明,秸秆的生物发酵腐解处理是研究的热点。
4.2堆肥过程中的废气污染防治技术在畜禽粪便的堆肥处理过程中,如果通气条件良好、微生物活动旺盛,有机物质的分解比较彻底,则产生的臭气物质浓度就相对较低。当通气不良而导致堆肥内部出现嫌气环境时,因有机物分解不彻底就会产生大量的低级脂肪酸和含硫化合物等臭气物质。粪便处理中臭气主要由氨和硫化氢的挥发引起的,有氧发酵中的局部厌氧环境是产生恶臭气味的重要原因,所以,保证堆肥中充足的氧气供应,从而控制硫化氢的形成和释放以及氨的挥发,可以较显著地减少臭气。因此,堆肥过程中尽量保持堆肥内部处于良好的好气状态,特别是堆肥前应对材料的水分含量和通气性进行调节。实行强制通风和定时搅拌是抑制堆肥过程中臭气产生的关键措施。目前废气处理技术按照技术路线可分为3大类:物理方法、化学方法和生物方法。采用物理方法的主要技术有空气稀释法、活性碳吸附法和低温冷凝法等;采用化学方法的主要技术有湿法化学吸收法、焚烧法、催化氧化法和臭氧法等。生物过滤法处理的技术原理是利用微生物将废气中无机和有机污染物或恶臭物质分解或转化为无臭、无害物质。Muthumbi等依据微生物组织形式、液相状态将生物废气处理技术分为生物滤池、生物洗涤塔、生物滴滤池和膜反应器4大类。相比较而言,在现有技术水平状况下,生物滤池处理成本最低,设备简单、易于操作和维护,可靠性较好,因此在生产中应用也最广泛。目前生物滤池处理已被广泛应用于对于堆肥厂、水处理厂、食品加工厂和部分废气浓度较低的冶炼厂和化工厂的尾气处理。用于废气处理的生物滤池技术在我国的研究处于起步阶段,尚未见到文献报道和相关专利。而欧美等发达国家对生物滤池技术研究已经在生物技术和工程设计两方面取得了重要进展。其中生物学技术研究已经深入到分子水平,研究热点主要集中在利用现代分子生物学技术筛选、改造与构建高效降解废气微生物菌株和菌群结构来提高其降解效率和扩大降解底物范围;工程技术研究热点则集中在低成本耐用滤料介质选择复配、防止气流短路以及低能耗的滤池构架设计等方面。
4.3畜禽粪便脱水技术畜禽粪便中的含水量一般为75%~85%,这个含水量难以进行堆肥(由于湿度大、使堆肥温度上不来),从而大大限制了畜禽粪便的资源化利用,因此,畜禽粪便的脱水和堆肥干燥是堆肥的关键技术。国外自20世纪30年代开始,就对固液分离的机械设备开展研发工作。经过数十年的发展,已经形成了技术成熟且系统化用于畜禽粪便固液分离的机械设备。如日本开发的挤压式固液分离机,具有结构简单、不堵塞等特点,该机器能将含水量80%以上新鲜畜禽粪便脱水至60%以下,且脱水能耗小、机械设备投资成本不高。近10年来,国内有关用于粪便固液分离设备的研究取得了较大进展,我国”九五”科技攻关项目”规模化蛋鸡场粪污处理关键设备研究”和”规模化猪场粪污处理关键设备研究”开展了对XJG-25型斜板挤压固液分离机和螺旋机固液分离机的研究。这两种机械在养殖场推广使用,均取得很好的效果。但存在的普遍问题是在分离含纤维多的粪水时易堵塞,且机械故障多,易磨损,使用成本高。因此,引进国外脱水机械和技术是解决高湿固体有机废弃物资源化的关键环节之一。
随着我国生产生活的不断发展以及环保理念的不断深入人心,传统的化工生产工艺所带来的生产效率低下以及环境污染等问题引起了人民以及国家的高度重视。本文在总结现阶段化工生产工艺所存在问题的基础上,结合了一些实际的生产措施,提出了一些合理的改进意见。
关键词:
化工生产工艺;废料处理;改进
在我国经济的发展过程中,化工一直处在基础产业的地位,是我国的支柱产业之一。化工行业与人们的日常生活也是息息相关的,衣食住行无一没有化学的影子,为国家的建设做出了不少贡献。但是,化工行业在为人民生活带来便利的同时,也给自然环境造成了一定程度上的破坏,随着人们生活水平的不断提高以及环保理念不断的深入人心,人们对环境的关注程度也越来越高,因此这也就要求化工行业对传统的生产工艺作出一些积极的整改,使得污染排放、生产效率低等问题得到有效的解决。本文在对我国化工生产工艺分析的基础上,提出了一些建议,希望能对目前化工生产工艺的改进起到积极的作用。
1我国化工生产工艺现存的问题
1.1化工生产工艺效率较低
在我国工业化的进程中,化工行业一直起到一个基础的作用,对各个行业起到了积极的促进作用。在几十年的发展过程中,化工行业虽然取得了一定的成绩,但与其他国家,尤其是发达国家相比,生产效率就显得比较低了。在生产的过程中,我国很多化工厂都一味的追求产量,而忽视了对产品品质的追求,这就造成了如今化工行业生产效率低下的问题。在有些化学反应过程中,因为设备老旧或者节省成本等一些原因,反应温度往往达不到设定值,从而使得反应不完全,这种方式生产出的化工产品的合格率往往较低,达不到标准,不能投入到正常的生产生活的使用中来,这就造成了原料浪费、效率低下等问题,直接导致了我国化工行业生产总体效率偏低。
1.2化工生产污染严重
在我国整体的工业当中,化工行业可以说是污染最严重的行业之一,尤其是工业废气的排放以及含有重金属的废水的排放,严重污染了我国一些地区的空气质量、土壤质量以及水源质量,对当地人民的身体健康以及生活质量造成了极大地不良影响。我国的化工厂很多都是小型企业,生产资金以及人力物力投入有限,因此投入到污染处理中的资金就更是少之又少。很多企业为了节约成本,视国家法律于无物,将未处理达标的废气废水直接排放到环境中来,造成了某些地区的大范围的污染,直接导致我国环境污染指数的飙升。
1.3化工生产工艺不合格
在我国的化工生产工艺线中,不合格是比较普遍的现象,其比例也比一些发达国家多。很多化工生产工艺不能保持连续性生产,直接导致了人力物力财力以及能源的浪费。除此之外,我国很多化工厂为了节约成本,追求利润,不进行设备的检修以及更新,不注重改进生产工艺,这就会造成在生产过程中不断的出现意外,导致生产脱节,破坏了生产的连续性。这不仅会影响到最终产品的质量,还会造成原料以及能源的浪费,对化工生产造成极其不良的影响。
2化工生产工艺的改进
从上文对我国化工生产工艺的现状分析来看,我国的化工生产工艺不是很完善,有着较大程度的缺陷。针对上文提出的一些问题,我们提出了以下一些建议。
2.1改进生产设备以及反应条件
在化工生产工艺当中,生产设备是很重要的一个环节,在一定程度上甚至会决定最终产品的质量。因此在实际的生产工艺过程中,需要定期对生产设备进行检修维护,对一些老化的设备及时的淘汰更新,维持整个生产线的连贯性。对于同一个生产线生产不同的产品的情况,要及时的改变反应设定值,以适应新的生产,从而使生产效率达到最大值。除了生产设备之外,反应条件也是至关重要的一个因素。化学反应过程之中,只有达到了反应温度,才能使得反应完全,提高最终产率并产生最少的化工废料。尤其需要注意的是,最终的废料必须经过严格的处理方可排放以免造成环境污染。
2.2生产废料需处理达标后排放
在化工的生产工艺当中,生产废料废气是不可避免的一件事情,而如何合理的对待这些工业废料,处理达标排放甚至变废为宝是化工生产工艺当中一项重要的环节。我国的法律有着明确的规定,化工生产的重度污染物不能直接排放到自然环境当中。化工生产线应设立一个专门的废料处理线路,对含有重金属以及有毒污染物的废水进行处理,达到国家规定的标准后方可排到水体当中,具体方法可以采用沉淀法来使重金属离子变为化合物沉积下来;有毒废气也应当经过专门的处理方可排放到大气中,以免造成大气污染,危害到人们的身体健康,具体可以采用在排放装置中部以及顶端设置有效的处理系统的方法来对有毒粉尘气体进行过滤,从而使废气达到国家的排放标准。
3结语
综上所述,随着绿色环保理念的深入人心,传统的化工生产工艺的一些缺点,例如生产效率低下以及对环境造成污染等,已经不能满足我国现阶段的生产生活了,因此需要对现有的化工生产工艺进行改进,以使其满足“可持续发展”以及“节能减排”等理念。具体的可以采用改进生产设备以及反应条件、对生产废水废气进行积极处理等手段对化工生产工艺进行改进。除此之外,还要敢于尝试一些新的技术以及新的工艺,这对化工生产工艺可以起到积极的促进作用。化工生产工艺的改进是一项长期且艰难的任务,其中还有很多技术难点需要我们不断的去克服以及强化,这就需要我们更加的努力研究,使得化工生产工艺得到不断的优化以此来满足社会不同发展阶段的需求。
参考文献:
[1]张昱.化学工程与工艺专业实验的整合研究[D].西北民族大学,2012.
[2]郭泉,蒋若愚.化工生产工艺流程认识方法的研究[J].现代企业教育,2012,04:4-5.