نگاهی به آلودگیهای زیست محیطی کارخانه های سیمان

برخی از عواملی که سبب ایجاد آلودگی می‌گردند، عبارتند از:

۱. گردوغبار ناشی از فرآیند آسیا کردن مواد اولیه

ذرات ریزتر از ۱۰ میکرون به‌طور مشخص با آسیب‌های بهداشتی رابطه نزدیکی دارند.

۲. گازهای متصاعد شده نظیر NOx و Sox که از احتراق سوخت‌های موردنیاز نظیر نفت و زغال‌سنگ برای مشعل کوره حاصل می‌شوند.

۳. عناصر سنگین موجود در مواد آهکی، رسی و همچنین سوخت‌های کوره که در گازهای کوره آزاد می‌شوند.

۴. آزاد شدن یک سری مواد آلی و فلزات سمی از سوختن باطله‌های نفتی و ارگانیکی موجود در مواد اولیه.

برای جلوگیری از آلودگی‌های نامبرده راهکارهایی را می‌توان در نظر گرفت تا این اثرات به حداقل خود برسد. از جمله اقداماتی که می‌توان انجام داد، عبارتند از:

۱. جمع‌آوری و بازیابی گرد و غبار ناشی از آسیا کردن مواد اولیه.

۲. ایجاد سیستم‌های تخلیه مناسب به همراه HOOD.

۳. جریان هیدرولیکی مناسب و سیستم‌های کنترل‌کننده بیرون راننده برای کم کردن مقدار مواد معلقی که به بیرون حمل می‌شود.

۴. استفاده از سوخت‌هایی که شامل حداقل NOx و Sox باشد.

۵. استفاده حتی‌الامکان از پروسه خشک به جای تر.

۶. استفاده از شعله احیایی برای کاهش مقدار NOx و سایر ترکیبات سمی.

برای فراهم آوردن توجیهات اقتصادی و زیست‌محیطی توام در صنعت سیمان نیاز به یک ترکیب قوی از راهکارهای مناسب پیشگیری‌کننده از آلودگی‌های محیط‌زیست و فعالیت‌هایی که از نظر اقتصادی نیز توجیه‌پذیر باشد، مورد نیاز است.

یکی از نگرانی‌هایی که در مورد پیشرفت روزافزون صنایع و کارخانه‌ها در جوامع امروزی مطرح است، بحث آلودگی‌های زیست‌محیطی است. آلودگی‌ها به دست خود انسان به‌وجود می‌آیند و خود او را نیز مورد آسیب قرار می‌دهند. در کشورهای توسعه یافته غربی تلاش و سعی جدی در جهت ایجاد تکنولوژی برای کاهش عوامل آلوده‌کننده به‌وجود آمده از فرآیندهای صنعتی انجام گرفته است. حال آنکه در کشورهای در حال توسعه، تلاش و کوشش در راستای پیشرفت هر چه سریع‌تر در زمینه صنایع و تکنولوژی‌های مدرن، توجه آنان را از پرداختن به مسائل زیست‌محیطی بازداشته است. یکی از عوامل مهم ایجادکننده آلودگی‌ها، فرآیند تولید سیمان در کارخانه‌ها است. طبق آمارهای به‌دست آمده، در کشور ما نیز متاسفانه اثرات زیست‌محیطی ناشی از کارخانه‌های سیمان، به موضوعی بحث‌برانگیز و جدی تبدیل شده است. هر چند سازمان محیط‌زیست کشور، میزان مجازی را برای مواد آلوده‌کننده متصاعد شده در نظر گرفته است که در بیشتر مناطق صنعتی دنیا به‌عنوان یکی از صنایع مهم و ضروری به‌شمار می‌رود، ولی در هر حال با ایجاد راهکارهایی مناسب در صنعت سیمان، می‌توان مقدار این مواد را تا حد امکان کاهش داد و در ۹ نتیجه از عواقب وخیم انسانی و نباتی آن پیشگیری به عمل آورد.

در متنی که پیش رویتان است، ابتدا اشاره‌ای بر عوامل ایجادکننده آلودگی و اثرات مخرب زیست‌محیطی آنان خواهد شد و سپس راه‌حل‌هایی در جهت کنترل عوامل آلودگی آورده خواهد شد.

عوامل ایجادکننده آلودگی

۱) غبارات متصاعد شده:

گردوغبارات ناشی از فرآیند تولید سیمان در موارد زیر به‌وجود می‌آید:

۱. حمل و نقل مواد اولیه توسط کامیون از معدن به سمت کارخانه.

۲. فرآیند سنگ‌شکنی مواد اولیه.

۳. آسیا کردن مواد اولیه و کلینکر.

۴. پیش گرم‌کن‌ها و کوره‌های پخت مواد.

یکی از نکات مهم در فرآیندهای تولید ذرات ریز به صورت گرد و غبار، به‌وجود آمدن ذرات با اندازه‌ ریزتر از ۱۰ میکرون است که مختصرا به صورت PM10 (particle material) در آیتم‌های زیست‌محیطی نشان داده می‌شود. ذراتی با اندازه کوچکتر از ۱۰ میکرون به علت طبیعت فرار بودن و حرکت آزادانه از عوامل مهم ایجاد بیماری‌های تنفسی هستند.

۲) گاز SO2:

در صنعت سیمان برای تامین انرژی گرمایی لازم برای پخت مواد در کوره، نیاز به احتراق موادی برای این منظور است، موادی که به‌طور معمول استفاده می‌شوند در زیر نشان داده شده است:

زغال‌سنگ ۸۲ درصد، گاز طبیعی ۳ درصد، نفت یک درصد و WDF (سوخت‌های مشتق شده از مواد باطله نظیر تایرهای فرسوده، روغن‌های موتورهای استفاده شده) ۱۴ درصد و زغال‌سنگ که به‌عنوان منبع اصلی تامین سوخت به حساب می‌آید، به‌طور معمول شامل اجزای سولفیدی نظیر پیریت (Fes2) است. از سوختن و اکسیداسیون این اجزا، گاز SO2 به‌وجود می‌آید. این گاز تحت نور خورشید به SO3 تبدیل می‌شود که گازی با سابقه شدید آلودگی‌های زیست‌محیطی و به‌دنبال آن بیماری‌های تنفسی است. در مراحل بعدی SO3 نیز طی واکنش با آب‌های موجود به اسید سولفوریک در بخار آب منجر می‌شود. منبع دیگر تولید گاز SO2 مواد خام اولیه است، مواد خام اولیه در صنعت سیمان که به‌طور معمول آهک و رس (مارن) هستند به دلیل ماهیت رسوبی بودن شامل مقادیری از ترکیبات سولفوری هستند که با تجزیه ترکیبات فوق و اکسیداسیون سولفور موجود، SO2 تولید می‌شود. حدود نیمی از SO2 تولید شده، مربوط به این مورد است.

۳) NOX:

گاز NOX از جمله گازهای بسیار مهمی است که از احتراق سوخت‌های کوره نظیر زغال‌سنگ و همچنین مواد اولیه به‌وجود می‌آید. از اکسیداسیون نیتروژن موجود در سوخت و مواد اولیه در نتیجه احتراق، این گاز متصاعد می‌شود که در مراحل بعدی با گازهای دیگر نظیر VOC ترکیب شده و تولید مواد مضر دیگری می‌کند.

۴) VOC:

VOC اسم مختصری برای تمام ترکیبات گازی است که از سوختن مواد آلی و ارگانیکی با ساختمان هیدروکربنی در مواد اولیه خصوصا سنگ آهک تولید می‌شود. از جمله مهمترین مواد آلی موجود در سنگ آهک «هیدروکربن‌های کروژن» و ترکیباتی تحت عنوان PAH (هیدروکربن‌های پلی کلین آروماتیک) است.

نمونه‌ای از واکنش سوختن هیدروکربن‌ها به‌صورت زیر است:

CH3OH plus (uv light_heat_oxygen) = HCHO (Metanol)(formaldehyde)

گازهای VOC متصاعد شده در مقایسه با گازهای دیگر نظیر SO2 و NOX مقدار کمتری آلودگی دارد اما نکته قابل توجه در اینجا مقدار بالای پتانسیل سوخت محلی (GWP) گازهای VOC است که حدود ۱۱ برابر بیشتر از گازهای دیگر نظیر CO2 است.

بنابراین به راحتی می‌توانند با گازهایی نظیر NOX واکنش دهند:

VOC’S+NOX ==> O3+PIC’S

PIC محصول سوخت ناقص است که میزان سمی بودن آن تقریبا دو برابر VOC است.

۵) گازهای CO2 و CO:

CO2 (دی‌اکسید کربن) از احتراق سوخت‌های کوره و همچنین کلسینه شدن آهک به‌وجود می‌آید که در مراحل بعدی به CO تبدیل می‌شود. هر دو گاز CO2 و CO از جمله گازهای سمی و مخل محیط‌زیست محسوب می‌شوند اما شایان ذکر است که به‌طور معمول میزان تولید این گازها نسبت به سایر گازهای متصاعد شده مقدار کمتری دارد و توجه به کنترل آن شاید از نظر برخی‌ها بی‌اهمیت باشد. با توجه به این امر که در فرآیند تر میزان انرژی مصرفی بیشتر و در نتیجه آن تولید گاز CO2 بیشتر است، سیستم‌های خشک به تدریج جانشین سیستم‌های تر شده‌اند. تا آنجا که بسیاری از صنایع در اروپا و ژاپن و ایالات متحده از پروسه خشک به جای پروسه تر بهره‌ می‌برند.

۶) عناصر سنگین HM:

سوخت‌های استفاده شده برای کوره پخت مواد و همچنین مواد اولیه خام به‌طور معمول دارای مقادیری از فلزات سنگین هستند که مهمترین آنها جیوه و کادمیوم است. طی فرآیند پخت مواد اولیه و احتراق سوخت‌ها این فلزات سمی آزاد شده، وارد محیط شده و اکوسیستم اطراف را تحت تاثیر قرار می‌دهند. اثرات سوء این دو عنصر در پوشش گیاهی مناطق اطراف کارخانه‌های سیمان امری اجتناب‌ناپذیر است. هنگامی که دمای جوش فلزات سنگین از دمای کوره کمتر باشد، فلزات موجود در مواد اولیه و سوخت آزاد خواهند شد.

خطرات انسانی

مهمترین خطرات ناشی از آلودگی هوا بر روی سلامتی انسان از جانب گازهای SO2 ، NOx و غبارات متصاعد شده است. ارتباط بسیاری از بیماری‌های تنفسی و ناهنجاری‌های ریوی با گاز SO2 امری ثابت شده است و همان‌طور که قبلا گفته شد، تولید اسید سولفوریک از SO2 نیز اثرات مخرب مشابهی خواهد داشت، به‌طوری که این اسید موجب از بین رفتن بسیاری از بافت‌های ارگانیکی موجودات زنده می‌شود. آلوده شدن هوای اطراف که منبع تنفس همه موجودات زمین است، به‌طور قطع پاسخگوی بسیاری از بیماری‌های تنفسی خواهد بود. آلودگی‌های ناشی از مواد آلوده‌کننده علاوه بر تحت تاثیر قرار دادن زندگی بشری، نظم اکوسیستم اطراف را از طرق دیگر انتقال نظیر آب و خاک را کاملا به هم ریخته و حیات موجودات زنده و گیاهان را به مخاطره خواهد انداخت. اخیرا مطالعات زیادی در مورد ارتباط بیماری‌های گوناگون با آلودگی ناشی از SO2، غبارات متصاعد شده و NOx به انجام رسیده است و حتی به‌طور کاملا تخصصی رابطه نزدیکی بین بیماری‌های خاص با این عوامل مشخص شده است. دو عضو اصلی بدن انسان که مورد هجوم عوامل آلوده‌کننده قرار می‌گیرد سیستم تنفسی و بینایی است. ارتباط بیماری‌هایی نظیر سرفه مقاوم، اخلاط، برونشیت مزمن با وجود گازهای SO2 و NOx ثابت شده است که شیوع این بیماری‌ها در مناطقی با آلودگی شدید تا ۳ـ۲ برابر مناطق با آلودگی کمتر بوده است. تمرکز مواد ریز که به صورت غبارات کارخانه‌های سیمان در محیط پخش می‌شود یکی دیگر از عوامل نگران‌کننده است. این مواد رفتاری مشابه به گازهای SO2 و NOx دارند. این ذرات از مواد مختلف با ترکیب فیزیکی، شیمیایی و اندازه‌های مختلف تشکیل شده است و شامل کربن عنصری فرار، عناصر سنگین، SO2 و PAHS هستند. فرّار بودن این ذرات و ریزی قابل توجه آنها موجب قرار گرفتن آنها در بخش‌هایی از سیستم تنفسی که به راه‌های دیگر به راحتی آلوده می‌گردند، می‌شود. گاز SO2 موجود در ذرات به‌طور معمول در دیواره‌های ناحیه بالای سیستم تنفسی جذب می‌شود. بدین وسیله وجود این مواد ریز در بخش‌های تنفسی موجب ناراحتی‌های ریوی و تنفسی خواهد شد. از جمله آنها تشدید ناراحتی‌های تنفسی و بیماری‌های قلبی موجود، ناهنجاری در سیستم تدافعی در مقابل اشیای خارجی، آسیب به بافت‌های ریوی، مرگ زودرس و سرطان ریه است. هر چه اندازه ذرات ریزتر باشد خطرات ناشی از آن بیشتر خواهد شد. ذرات ریزتر از ۱۰ میکرون به‌طور معمول در این مورد بررسی می‌شوند. در ایالات متحده، ذرات ریزتر از ۵/۲ میکرون که با PM2/5 نشان داده می‌شود در نظر گرفته می‌شود و قوانین موجود برای کنترل آلودگی بر مبنای آنها صورت می‌گیرد. یکی دیگر از خطرات ذرات ریز متصاعد شده، واکنش آنها با SO2 است که موجب تشکیل ترکیبات جدید نظیر اسید سولفوریک و بیوسولفات آمونیوم می‌شود که اسیدهای افشانه‌ای خوانده می‌شوند. اثرات انسانی این دو ترکیب شامل بیماری‌های برونشیت حاد، مزمن و آسم است. در ذرات سولفاتی مقادیر زیادی از SO2 وجود دارد که موجب ایجاد ناراحتی برای چشم‌ها و دستگاه‌ تنفسی، کاهش فعالیت ریه و در نهایت مرگ و میر خواهد شد. برای مشخص شدن بهتر موضوع، دو مورد از نمونه‌های اثرات سوء عوامل فوق مورد بحث قرار می‌گیرد.

تخریب پوشش گیاهی

یکی از نتایج نگران‌کننده پدیده آلودگی هوا ناشی از کارخانه‌های سیمان، تاثیرات چشمگیر آن بر روی پوشش گیاهی مناطق اطراف است. آلودگی هوا امروزه به عنوان امری جدی برای بقای گیاهان در مناطق صنعتی مطرح است. توسعه روزافزون صنایع با افزایش هجوم مواد آلوده‌کننده به طبیعت و آلوده‌تر کردن اکوسیستم اطراف همراه خواهد بود. صنعت سیمان در این میان نقش مهمی را در به هم زدن تعادل حیات طبیعی و ایجاد ناهنجاری‌های زیست‌محیطی ایفا می‌کند. در این میان مواد آلوده‌کننده ناشی از کارخانه‌های سیمان به‌طور عمده شامل گرد و غبار متصاعد شده و فلزات سنگین آزاد شده است.

در تحقیقات عمده‌ای که در مورد تاثیر مواد آلاینده بر روی پوشش گیاهی مناطق اطراف صنایع سیمان در بیشتر نقاط دنیا انجام شده است، به‌طور واضح تخریب حیات گیاهی در نتیجه ورود مواد متصاعد شده به اثبات رسیده است. همان‌طور که قبلا اشاره شد غبارات متصاعد شده از کارخانه‌های سیمان شامل بسیاری از عناصر سنگین مانند Mg, Cu, Cr, Hg, Bz, Zn, Pb و همچنین ترکیباتی نظیر فلوریدها، سولفات‌ها و کلرید است. ورود ترکیبات فوق به چرخه طبیعت از طریق هوا، آب و خاک که به عنوان منابع تغذیه‌کننده گیاهان هستند و تمرکز آنها در مجاورت گیاهان فعالیت‌های متابولیکی آنها را در تامین نیازمندی‌های حیاتشان دچار مشکل می‌کند. نوسانات زیست‌محیطی شامل دما، PH، خاک، رطوبت خاک و فرسایش خاک‌های اطراف در نتیجه عوامل آلوده‌کننده به‌وجود خواهد آمد که به همراه آن منابع تامین انرژی برای اجزای مختلف خاک تحت این دگرگونی‌ها قرار خواهد گرفت و به‌طور تخصصی‌تر ارکان حیاتی گیاه نظیر محتویات کلروفیل، فیتوماس، پروتئین، نشاسته و… کاهش شدیدی نشان خواهد داد. بنابراین فعالیت‌های متابولیکی و آنزیمی گیاهان دچار اخلال شدیدی خواهد شد. برای تعیین کمی اثرات فوق برای گیاهان یکسری آزمایشاتی به‌طور معمول انجام شده که شامل آنالیز خاک‌های اطراف صنایع سیمان برای تعیین PH، بافت، محتویات کربنات کلسیم، کلرید، شوری و ماکزیمم ظرفیت جذبی آب است. مثال نمونه‌ای را در مورد آزمایشاتی که بر روی سه‌گونه مختلف گیاهی در شهرستان کراچی پاکستان انجام شده است را مرور می‌کنیم. در کراچی که وجود صنایع سیمان پوشش گیاهی مناطق اطراف را به‌طور جدی به مخاطره انداخته است، سه‌گونه گیاهی شامل Caressa caradas, Azadirachta indica و Delonix regia تحت آزمایش آلودگی قرار گرفته، به‌طوری که از هرگونه یک نمونه را با غبار سیمان آلوده کرده و نمونه دیگر را به‌عنوان نمونه کنترل شده مورد بررسی قرار دهند. بدین‌ ترتیب به وضوح تاثیر غبارات متصاعد شده بر روی رفتار گیاه مشخص است. یعنی کاهش تعداد برگ‌ها، ارتفاع رشد کم گیاه و پوشش گیاهی پراکنده که در نتیجه ورود عوامل آلاینده به سیستم بیوشیمیایی گیاه و تحت تاثیر قرار دادن ارکانی نظیر میزان کلروفیل و استومات خواهد بود، است. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که آسیب‌پذیری گونه‌های مختلف گیاهی در مقابل مواد آلاینده یکسان نیست. به عبارت دیگر یک گونه گیاهی ممکن است ضعف‌هایی را در مواردی نشان دهد که برای گونه گیاهی دیگر تغییری در آن مورد حاصل نشده باشد. در واقع حساسیت گیاهان مختلف به مواد آلاینده مختلف متفاوت است. غبارات کارخانه سیمان علاوه بر تمرکز عناصر سنگین سمی به اجزای مختلف گیاه، در خاک‌های تغذیه‌کننده گیاه تغییراتی ایجاد خواهد کرد که از مهمترین آنها افزایش ظرفیت PH خاک به علت ورود ترکیبات قلیایی و افزایش ظرفیت جذبی آن برای خاک است. در مورد عامل اول قلیایی شدن خاک در مورد برخی گیاهان مفید و برای برخی دیگر مضر است. ولی عامل دوم یعنی افزایش ظرفیت جذبی خاک که در نتیجه ورود مواد رسی به خاک است، یکی از عوامل مهم بازداشت گیاه برای رشد است. عنصر جیوه به‌عنوان یک فلز سنگین سمی یکی از مهمترین عوامل آلوده‌کننده محیط‌زیست محسوب می‌شود.