лекции экология. Лекция 1 Проблемы защиты природы

• Название: Лекция 1 Проблемы защиты природы
• Анкор: лекции экология
• Дата: 15.02.2022
• Размер: 121.31 Kb.
• Имя файла: Lektsii_Eko.docx
• Тип: Лекция; #363339
• страница: 4 из 6

Электрохимические способы очистки

Способы основаны на использовании постоянного тока, пропускаемого через СВ. При этом могут протекать процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации, электродиализ. Эти процессы разработаны для очистки СВ от растворенных примесей, в том числе аминов, спиртов, альдегидов, азокрасителей, сульфидов и др. Растворение 1 г металлического алюминия эквивалентно введению в воду 12,3 г Al₂ (SO₄)₃ -18H₂O, растворение 1 г металлического железа – введению 4,8 г FeCI₃ • 6Н₂О или 4,9 г FeSO₄- 7 Н₂О.

Метод электрокоагуляции обеспечивает высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей минерального, органического и биологического происхождения, коллоидов (соединений железа, веществ, обусловливающих цветность воды, и т. д.), а также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях.

Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений. Эксплуатацию установок можно значительно упростить, поскольку электрохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматизации.

Электрокоагуляция позволяет осуществить процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках.

Биологическая очистка сточных вод

При создании схемы очистки сточных вод химического предприятия необходимо предусмотреть доочистку после прохождения физико-химической обработки. Наиболее распространенным способом обезвреживания сточных вод является биохимический, он характеризуется более низкими энергетическими затратами, которые возрастают при физико-химическом окислении, требует меньших капитальных затрат на 1 м³ создаваемых сооружений и обеспечивает более высокую степень очистки. Сравнительный анализ различных способов показывает следующее:

- физико-химическая обработка сточных вод сопровождается большим количеством образующихся осадков;

- применение методов сорбции и каталитического окисления требует больших капитальных и эксплуатационных затрат;

- наиболее эффективна при условии предварительного извлечения из сточных вод веществ, ингибирующих биохимические процессы (сульфидов и ионов тяжелых металлов), непосредственная обработка стоков активным илом с последующей коагуляцией взвешенных веществ и отстаиванием, а также доочисткой на активных углях или озоном.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших, водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс. Главенствующая роль принадлежит бактериям, которых десятки и даже сотни видов.

По своему отношению к кислороду бактерии делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробная очистка осуществляется в условиях, близких к естественным, – на полях орошения, полях фильтрации, биологических прудах и в искусственно создаваемой среде – аэротенках, аэрофильтрах, биофильтрах. Биофильтры и аэрофильтры применяют для очистки СВ с БПК не более 0,5 г/л, а аэротенки – до 2,0 г/л.

Данная технология характеризуется следующими преимуществами, особенно важными в процессах очистки производственных стоков:

- иммобилизацией микроорганизмов на специальных носителях для эффективного удаления трудноразлагаемых соединений;

- снижением реакционного объема и продолжительности пребывания за счет повышенной концентрации биомассы;

- отсутствием выноса биомассы;

- легкостью разделения биомассы и очищенной воды независимо от свойств ила;

- увеличенным возрастом ила и высокой биологической активностью даже при низких температурах;

- отсутствием плавающего ила;

- небольшой площадью и модульным принципом строительства и эксплуатации.

Многокомпонентность, наличие ксенобиотиков, токсичных примесей и существенные колебания концентрации загрязнителей в сточных водах требуют необходимости повышения ферментативной активности илов. Для интенсификации биохимических процессов в условиях аэрации сточных вод предлагается обрабатывать часть активного ила (≈ 5 %) низкочастотными ультразвуковыми колебаниями при интенсивности 6 Вт/см² в течение 0,5–1 мин. Это повышает дегидрогеназную активность илов в 2–3 раза, при этом можно снизить затраты на биогенные элементы, необходимые для эффективного протекания биохимических процессов. Как правило, станции аэрации обеспечивают высокую эффективность очистки сточных вод со снижением значений ХПК на 70–80 %, БПК – на 90 %, концентрации ПАВ – на 40–80 %, аммонийного азота и фосфора – на 30–40 %, концентрации тяжелых металлов – на 50–80 %. После биологической очистки вода утрачивает способность к загниванию, становится про- зрачной со снижением бактериальной загрязненности.

Для очистки сточных вод с БПК 5–10 г/л применяют анаэробный биохи- мический процесс, осуществляемый в метантенках без доступа воздуха.

Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы. Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы, например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды.

Большую опасность при сбросе сточных вод в водоемы представляют со- бой тяжелые металлы, которые ежегодно тысячами тонн сбрасываются предприятиями в окружающую среду. Все тяжелые металлы обладают биологиче- ской активностью. Попадая в природные среды в миграционноактивном состоянии, они начинают мигрировать, включаясь в той или иной степени в биологический круговорот, а при определенных биогеохимических условиях и концентрациях оказывают токсическое воздействие на живые организмы. Применяемые физические, физико-химические, электрохимические и биологические методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов часто сопряжены с необходимостью применения различных химических реагентов (что может привести к образованию новых загрязнителей) и использованием сложного дорогостоящего оборудования.

С начала 80-х годов повышается интерес к технологии очистки промышленных сточных вод, загрязненных ионами тяжелых металлов, с помощью растений, названной фиторемедиацией (фитомелиорацией). Первые научные исследования в этой области были проведены в 50-х годах в Израиле. Этот метод очистки был назван фиторемедиацией – от греческого «фитон» (растение) и латинского «ремедиум» (восстанавливать). Метод основан на том, что многие виды растений способны накапливать поллютанты, причем их содержание в тканях и органах растений может в десятки и даже сотни раз превышать содержание в окружающей среде. В настоящее время разрабатываются несколько областей фиторемедиации – «зеленой технологии» очистки окружающей среды:

– фитоэкстракция – использование естественных растений-аккумуляторов, способных накапливать металлы в надземных органах специально выведенных сортов растений, и определенных обработок почвы для переноса элемента-загрязнителя в надземные части растения, которые затем утилизируются;

– фитодеградация – использование ферментов растений для разрушения органических загрязнителей;

– фитофильтрация – использование корней взрослых растений (ризо- фильтрация) и проростков (бластофильтрация) для поглощения загрязнителя, главным образом тяжелых металлов, из водных растворов;

– фитостабилизация – использование растений для перевода веществ- загрязнителей в малодоступную форму и др.

Фиторемедиация успешно применяется для очистки от таких органических поллютантов, как органические растворители (например, трихлорэтилен, наиболее распространённый поллютант подземных вод), гербициды (атразин), взрывчатые вещества (тринитротолуол – ТНТ), углеводороды (нефть, бензин, бензол, толуол, полициклические ароматические углеводороды), полихлорбифенилы (ПХБ). Неорганические поллютанты встречаются как естественные составляющие земной коры или атмосферы, а человеческая деятельность способствует их высвобождению в окружающую среду, приводя к её загрязнению. Неорганические поллютанты не могут быть деградированы, однако фиторемедиация может привести к очистке среды от этих поллютантов путём их стабилизации или изолирования в тканях растения. Фиторемедиация может быть успешно применена для очистки от ряда неорганических поллютантов, включая макроэлементы растений (нитраты, фосфаты), микроэлементы (такие, как Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn), несущественные для растения элементы (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V, W) и радиоактивные изотопы (U 238, Cs137 и Sr 90).

Тяжелые металлы можно извлекать из сточных вод, используя малоотходные безреагентные высокоэффективные биотехнологии, обеззараживая водоемы корневой системой растений (КСР). КСР выделяет вещества бактерицидного действия – фитонциды, в результате чего в водных объектах уменьшается количество сапрофитных бактерий. Способность растений к накоплению, утилизации и трансформации ионов тяжелых металлов делает их незаменимыми в общем процессе самоочищения водоемов. Поглощаясь растениями, токсиканты инактивируются, проходя разнообразные химические превращения. Установление закономерностей процесса фитосорбции позволяет дать рекомендации по выбору фитосорбента для качественной, селективной очистки и обезвреживания водоемов от ионов тяжелых металлов. Такими водными растениями являются, например, криптокарин и лимнофил. Проводимые исследования показывают, что эффективность и скорость извлечения ионов меди и кадмия из сточных вод неодинаковы и зависят от природы фитосорбента и концентрации раствора. Установлено, что через 15–20 дней достигается предельное насыщение растений ионами тяжелых металлов и наблюдается их обратный сброс в раствор. Однако даже в случае гибели растения удерживают до 50 % сорбированных металлов.

Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения- гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5 % никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес, т. е. в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням. Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия. Однако растения довольно слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загряз- ненной этим элементом. Установлено, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют некоторые вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, при внесении подобного вещества в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг. К сожалению, механизм накопления растениями тяжелых металлов окончательно не установлен.

Фиторемедиацию можно использовать для очистки твёрдых, жидких и воздушных субстратов. Фиторемедиация загрязнённых почв и осадочных пород уже применяется для очистки военных полигонов (от ТНТ, металлов, органических поллютантов), сельскохозяйственных угодий (пестициды, металлы, селен), промышленных зон (органика, металлы, мышьяк), мест деревообработки (ПХБ). Фиторемедиации могут быть подвергнуты загрязнённые водные источники: городские сточные воды (органические поллютанты, металлы), сточные воды сельского хозяйства (удобрения, металлы, пестициды, бор, селен, мышьяк) и промышленности (металлы, селен), грунтовые воды (органические поллютанты, металлы). Растения также могут быть использованы для очистки воздуха как в помещениях, так и вне их; например, от оксидов азота, серы и углерода, озона, нервно-паралитических газов, пыли, копоти, летучих галогенированных углеводородов.
За последние годы фиторемедиация приобрела большую популярность, что отчасти связано с её низкой стоимостью, так как в процессе фиторемедиа- ции используется только энергия солнца, данная технология на порядок дешевле методов основанных на применении техники (таких, как промывка и сжигание почвы). То, что данная технология применяется прямо в районе загрязнения, способствует снижению затрат и уменьшению контакта загрязнённого субстрата с людьми и окружающей средой. Фиторемедиация также получила одобрение как экологически чистая технология, альтернативная химическим предприятиям и бульдозерам.

Технология фиторемедиации имеет как преимущества, так и недостатки. Последние связаны с небольшой биомассой растений-аккумуляторов, их низ- кой скоростью роста, а также с проблемами утилизации полученной биомассы.

В настоящее время с развитием мембранных технологий появилось новое поколение биологической очистки – мембранные биореакторы (MBR). Конструкция мембранного биореактора представляет собой совмещение стандартного биореактора с микрофильтрационной или ультрафильтрационной установкой.

Мембраны (трубчатые, половолоконные и плоскорамные) служат в качестве барьера, дающего возможность очищать воду от содержащихся в ней за- грязнений с высокой селективностью (высокомолекулярные соединения, взвешенные вещества, микроорганизмы активного ила и пр.). В зависимости от технологических задач мембранный биореактор может использоваться как на этапе финишной очистки (до стадии обеззараживания), так и для предочистки перед нанофильтрацией и обратным осмосом при необходимости обессоливания очищенной воды.

Основные преимущества внедрения технологии мембранных биореакторов заключаются в компактности, надежности и повышении производительности очистных сооружений.

Кроме перечисленных преимуществ в применении мембранного биореак- тора для очистки любых сточных вод необходимо отметить следующее. После классического биореактора очищенная вода требует дополнительной фильтрации и обеззараживания. В настоящее время для обеззараживания очищенной сточной воды после биореактора используют гипохлорит натрия или ультрафиолетовые лампы. Гипохлорит натрия вызывает необходимость использования сорбционных фильтров на конце технологии, а ультрафиолетовые лампы не дают необходимой эффективности обеззараживания. Мембранный биореактор решает данные проблемы с высокой степенью надежности, т. е. очищенные сточные воды не содержат бактерий и вирусов.

В настоящее время многие отечественные и зарубежные фирмы предлагают различные системы мембранных биореакторов, которые работают с высокой концентрацией активного ила, что позволяет в 2–3 раза уменьшить размеры очистных установок. Микроорганизмы активного ила не выносятся из системы, поэтому биореактор работает при высокой концентрации биомассы значительного возраста, основная потребляемая бактериями энергия расходуется не на размножение, а на поддержание жизнедеятельности, в результате чего прирост избыточной биомассы и затраты на утилизацию избыточного ила снижаются.

Лекция №7

Методы очистки газов

Предприятия по количеству и качественному составу вредных выбросов делятся на 4 группы:

1. Выбрасывающие в атмосферу условно чистые технологические и вентиляционные выбросы с содержанием веществ, не превышающих их ПДК _р.зоны.

2. Выбрасывающие неприятно пахнущие газы (например, производство азотной кислоты).

3. Производства со значительными выбросами газа, содержащие нетоксичные или инертные вещества.

4. Выбрасывающие токсичные и канцерогенные вещества (большинство химических и нефтехимических предприятий).

В зависимости от состава газовых выбросов предприятие использует тот или иной метод очистки.

К наиболее массовым загрязнителям, входящим в состав отходящих газов, относятся диоксид серы SO₂, оксиды азота NO_x, оксид СО и диоксид (СО₂) углерода. Их выбросы имеют место всюду, где сжигают твердое, жидкое или газообразное топливо. В технологических выбросах присутствуют, иногда в значительных количествах, и другие соединения: сероводород H₂S, сероуглерод CS₂, аммиак NH₃, цианистый водород HCN, цианиды, ароматические соединения (бензол и углеводороды бензольного ряда, бенз(а)пирен, фенолы и пр.), фтористые, хлористые соединения и т. д.

Однако так же, как твердые и жидкие, газообразные отходы не только загрязняют окружающую среду, но и в ряде случаев используются. Их утилизация осуществляется в двух направлениях:

– переработка с получением химических веществ, в том числе в виде товарной продукции (серная кислота, сера, безводный аммиак, аммиачная вода, сульфаты и фосфаты аммония, лекарственные вещества, парфюмерия и т. п.). Например, каталитическим синтезом из СО и Н₂ производят метанол и формальдегид;

– применение в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Механическая очистка

Газовые смеси по составу токсичных примесей можно классифицировать как грубодисперсные, аэрозольные и молекулярные.

Для очистки от пыли и аэрозолей широко применяются пылеосадителъные камеры, осаждение пыли в которых происходит преимущественно под действием сил гравитации; циклоны, в которых твердые частицы осаждаются под действием центробежных сил в результате быстрого спирально- поступательного движения газового потока вдоль ограничивающей поверхности аппарата; промыватели, в которых твердые частицы выделяются в результате инерционного осаждения на каплях и пленках промывающей жидкости; фильтры с перегородками, в которых используются эффекты касания; электрофильтры, в которых на взвешенные частицы действуют в основном электростатические силы (основаны на том, что под действием постоянного тока большой мощности происходит ионизация газа, положительно заряженные ионы и электроны начинают двигаться к различным электродам и увлекают за собой частички пыли. Удаление пыли происходит встряхиванием электродов. Электрофильтры используются для удаления из газов трудноулавливаемой пыли и тумана. Степень очистки составляет 98–99,9 %.