Инженерная защита окружающей среды. Лекция. Тема 5. Инженерная защита окружающей среды. Тема 5 Инженерная защита окружающей среды Последствия загрязнения природной среды
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
Ионообменные методы очистки применяются для обессоливания и удаления ионов металлов, а также других примесей; в качестве ионитов применяют синтетические ионообменные нерастворимые в воде смолы в виде гранул размером 0,2–2 мм. Используют сильно- и слабокислотные катиониты (в Н + или Na + форме), а также сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН - или солевой форме). Ионообменная очистка реализуется в соответствии с уравнением реакции: n[К]Н + Ме n + [К] n Me + nН + ; m[A n ]OН + B m- [A n ] m B + mOН - , где К – радикал катионита; Me – извлекаемый катион металла; n – заряд катиона; A n – радикал анионита; В – извлекаемый анион; m – заряд аниона. Ионообменная очистка позволяет извлекать и утилизировать из сточных вод ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть), радиоактивные вещества. При этом сточная вода может быть очищена до предельно- Рис. 147. Схема прилипания пузырька воздуха 1 к взвешенной в воде частице 2 Рис. 148. Схема установки напорной флотации: 1 – емкость; 2 – насос; 3 – напорный бак; 4 – флотатор Рис. 149. Горизонтальный электрофлотатор: 1 – впускная камера; 2 – решетка-успокоитель; 3 – электродная система; 4 – механизм для сгребания пены; 5 – пеносборник; 6, 7 – отвод соответственно обработанной сточной воды и пенного шлама; 8 – опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка допустимых концентраций вредных веществ и использоваться в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. Электрохимическая очистка осуществляется электролизом путем окисления веществ через передачу электронов непосредственно на поверхность анода или через вещество- переносчик. Особенно эффективным является электролиз сточных вод, содержащих хлоридионы, что обуславливает появление активного хлора и, следовательно, хлорирование воды. Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов при фильтровании через пористые мембраны, пропускающие молекулы воды и задерживающие гидратированные ионы солей и молекулы недиссоциированных соединений. Эвапорация представляет собой выпаривание летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и удаляются вместе с паром в специальных испарительных установках, представляющих собой эвапорционные колонны с насадками. В качестве насадок, как и в других очистных устройствах, применяют кольца Рашига. Для окисления используют: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид сводорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др. В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химической реакции переходят в менее токсичные, которые удаляют из воды. Наиболее распространенный метод – хлорирование, использующее активное воздействие хлора на патогенные микроорганизмы. В ряде случаев химическая активность хлора приводит к образованию токсичных хлорированных производных, в том числе диоксинов. Хлорирование проводится газообразным хлором, хлорной известью, а также гипохлоритом натрия, получаемого электролизом из поваренной соли. Более эффективным является озонирование. Благодаря свободным радикалам, образующимся при разложении озона, обеспечивается бактерицидный эффект при малом времени контакта. Однако этот метод доcтаточно дорогостоящий и энергоемкий. В последнее время получает распространение метод «фотосенсибилизорованного фотоокисления» (патент США). Этот метод основан на известном с начала XX века эффекте уничтожения многих биологических объектов действием света в присутствии определенных красителей и молекулярного кислорода. Кристаллизация. Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры (положительная растворимость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов. Это политермическая, или изогидрическая, кристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с ростом температуры растворимость веществ уменьшается, то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре – изотермическая кристаллизация. Положительной растворимостью обладают, например, MgCl 2 , MgSO 4 , NaCl; отрицательной – CaSO 4 , CaSiO и др. Кристаллизацию соли можно также проводить введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Это вещества, содержащие одинаковый ион с данной солью или связывающие воду. Кристаллизацию такого типа называют высаливанием. Биологическая очистка сточных вод использует микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности разрушают органические соединения, минерализируя их. В системах биологической очистки используется так называемый активный ил, который образуется в результате биохимического преобразования микроорганизмами органических соединений, содержащихся в очищаемой воде. Количество микроорганизмов может достигать 10 8 и более на литр воды, для их жизнедеятельности необходимо больше кислорода; поэтому прочищаемую воду обогащают воздухом и активно перемешивают. Активный ил, содержащий микроорганизмы, осаждается на дно. Оценку состава сточных вод в процессе биологической очистки осуществляют по БПК – биологической потребности воды в кислороде, т.е. количестве кислорода, необходимого для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема воды. Биологическая очистка может быть разделена на два типа проведения: в условиях, близких к естественным (поля фильтрации, поля орошения, биологические пруды), и в искусственных условиях (биофильтры, аэротенки, окситенки, метатенки). Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. Если на полях не выращивают сельскохозяйственные культуры и предназначены они только для биологической очистки сточных вод, то такие поля называют полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также посадки деревьев и кустарников. Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3–5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная, или биологически очищенная сточная вода. Биологические пруды предназначены для очистки или доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с искусственной и естественной (небольшой глубины 1 м, хорошо прогревающиеся солнцем и заселенные водными организмами) аэрацией. Биофильтры представляют собой резервуары с фильтрующим материалом (шлаком, щебнем, керализитом, гравием, гранулами пластмасс и т.п.), подачей воздуха и водопроводами (рис. 150). Эффективный процесс очистки устанавливается после образования на поверхности фильтра биологической пленки из различных микроорганизмов. В настоящее время предложено большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляцией сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые, капельные и высоконагружаемые. Аэротенки – это резервуары, в которые с достаточно большим расходом подаются сточная вода, воздух и активный ил, включающий в себя бактерии, простейшие микроорганизмы, черви и другие аэробные минерализаторы (рис. 151). Рис. 151. Системы аэробной очистки Из аэротенка вода в смеси с активным илом попадает в отстойники, в которых ил осаждается, а затем вновь подается в аэротенк. Вариантом аэротенка являются окситенки (рис. 152), отличающиеся дополнительной подачей кислорода и повышенной концентрацией активного ила. Рис. 150. Схема биофильтра Рис. 152. Окситенк: 1 – продувочный трубопровод; 2, 5 – задвижки с электроприводом; 3 – электродвигатель; 4 – турбоаэратор; 6 – герметичное перекрытие; 7 – трубопровод для подачи кислорода; 8 – вертикальные стержни; 9 – сборный лоток; 10 – трубопровод для сбора избыточного ила; 11 – резервуар; 12 – окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; 13 – цилиндрическая перегородка; 14 – скребок; 15 – окна для перепуска возвратного ила в зону аэрации; 16 – зона аэрации; 17 – трубопровод для подачи сточной воды в зону аэрации; 18 – илоотделитель; 19 – трубопровод для выпуска очищенной воды На рисунке 153 показана схема станции биологической очистки (по Яковлеву С.В. и др., 1996 г.), а на рис. 154 дана схема очистки стоков промышленного цеха (по Виноградову С.С., 1998 г.). Рис. 153. Технологическая схема станции биочистки сточных вод Рис. 154. Система очистки сточных вод гальванического цеха Как было уже отмечено, сброс отработанной воды в естественный водоем по существу недопустим. Тем не менее он продолжает широко применяться, в том числе и как естественное разбавление сточных вод (особенно для ливневой уличной канализации). Интенсивность разбавления характеризуется кратностью: о в в C C n C C , где концентрация загрязняющих веществ (кг/м 3 ): С о – в сбрасываемых сточной воде; С в – в водоеме до и С – после сброса в них сточных вод. При расчете реального сброса надо учитывать течение рек и каналов, глубину водоемов, место сброса в водоеме (береговой и в сечении водоема), длину русла или размер озера (водохранилища) и др. Кроме того, необходимо иметь в виду, что примеси обязательно осаждаются на дно, в том числе в виде загрязненного ила, что приводит к необходимости очищать эти донные отложения. Утилизацию отходов очистки воды проводят различными методами, среди которых длительная биологическая обработка, вывоз на специальные свалки, сушка, сжигание и т.д. Так, сырой осадок сбраживают в метатенках – герметичных резервуарах, содержащих анаэробные бактерии в термофильных условиях при температуре 30–43ºС. Кроме того, применяются иловые площадки, вакуумфильтры, центрифуги, печи для сжигания осадка и т.д. Из продуктов сжигания можно получать дорожное покрытие, строительные материалы, удобрения; образующаяся тепловая энергия используется для собственных нужд. Важным моментом является использование осадка в качестве топлива для этих печей без дополнительного расхода традиционных видов топлива (за исключением первичного розжига). Также существует подземное захоронение трудноочищаемых промышленных стоков. Сразу отметим, что подземные захоронения стоков – вынужденная мера ограниченного применения. Она используется для обезвреживания небольших количеств сильно загрязненных и токсичных сточных вод, для которых в настоящее время отсутствуют методы очистки и утилизации. По количеству все эти стоки не превышают 3% от общего объема сточных вод, но они иногда более чем на 50% определяют уровень загрязнения водоемов. В связи с этим для обезвреживания неочищаемых сточных вод постоянно существует необходимость разработки новых методов, к числу которых относятся и методы подземного захоронения стоков. Этот метод позволяет выиграть время для разработки более современных систем оборотного водоснабжения и технологии очистки стоков, обеспечить при этом ускорение технологического процесса, что имеет большое значение для развития химической промышленности. Захоронение сточных вод осуществляется с помощью нагнетательных скважин. Буровой скважиной называется выработка цилиндрической формы, имеющая небольшое поперечное сечение по сравнению с глубиной. Приведем основные элементы скважины (рис. 155). Защита земель и почв. Загрязнение поверхностных слоев земли достигло во многих случаях критического уровня, характеризующегося потерей плодородия и других естественных свойств почвы. Особенно велики загрязнения от непродуманного внесения удобрений, пестицидов и им подобных веществ в пахотные земли, огороды, сады; нефтепродуктами, в том числе автомобилями; тяжелыми металлами и их солями. Так, потребление ртути в России составляет ежегодно до 400 т, что приводит к образованию около 10 тыс. т ртутьсодержащих отходов. Как и для других сред, основной защитой земель и почв от загрязнения является комплекс мероприятий по недопущению попадания загрязняющих веществ, а в сельском хозяйстве строго ограниченного и обоснованного применения средств защиты растений и удобрений. Восстановление природных свойств земель, объединенных единым термином «рекультивация» (который имеет и более узкое значение), ведется по трем основным направлениям: биотехнологии, основанные главным образом на свойствах растений «забирать» ряд примесей из почвы и обогащать ее, а также на возможностях микроорганизмов преобразовывать органические вещества; сюда можно отнести и фитологические методы, к которым относят посев травосмеси; химические способы с применением различных реагентов, а также перекись водорода и озон; технические способы извлечения примесей, например тяжелых металлов; эти способы трудоемки, требуют больших затрат и часто приводят к разрушению физической основы почвы и гибели живых организмов; снятие слоя сильно загрязненной почвы для последующей переработки или захоронения. Снижение содержания загрязняющего вещества в компоненте природной среды до уровня остаточного загрязнения проводится в соответствии с заранее выбранной, наиболее эффективной и приемлемой технологией очистки почвы, грунта, поверхностных и подземных вод. Примером одной из таких эффективных технологий удаления загрязнения из верхнего слоя почвы (глубина до 30–50 см) является фитоочистка, суть которой схематично представлена на рис. 156. Рис. 155. Схема скважины: 1 – начало скважины – устье; 2 – дно скважины – забой; место вблизи забоя называется призабойной зоной; 3 – ствол; 4 – цилиндрическая поверхность – стенка При этом загрязнитель поглощается растениями, которые затем собираются и уничтожаются. Фитоочистка может применяться для удаления из почв и воды металлов, пестицидов, растворителей, взрывчатых веществ, сырой нефти, многоароматических гидрокарбонатов и т.п. В биотехнологиях очень важен выбор растений и их смена по годам. Растения подбирают таким образом, что в течение определенного срока (два, три, четыре урожая) каждое их них проводит очистку почвы или не допускает загрязнение в своем диапазоне, а в целом за полный оборот они обеспечивают эффективное земледелие без применения гербицидов и с минимальным использованием удобрений. Так, например, люцерна имеет сильный стержневой корень и плотную массу, что приводит к уничтожению посторонних растений-сорняков, с другой стороны, на люцерне разводятся насекомые-вредители, но они не выживают на многих других растениях. В других случаях чередуют растения в зависимости от того, какую часть их используют в пищу, а какая часть накапливает то или иное вещество. Так очевидно, что в корнеплодах (картофель, морковь, свекла) и в овощах (капуста, огурцы, томаты) накопление различных веществ будет различным. Так, например, кадмий активно накапливается в моркови и свекле, а на тех же почвах содержится в капусте и огурцах в незначительных количествах. В ряде случаев для активизации биологической очистки с помощью микроорганизмов достаточно рыхления почв и их аэрация. В целом необходим: анализ характера и глубины загрязнения; подбор соответствующих штаммов-деструкторов; анализ состава и активности аборигенной микрофлоры; выбор агротехнологической мероприятий; использование механической предобработки. Среди технических методов используют инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, открытый огонь. Снятую загрязненную почву обрабатывают механическими устройствами (решетки, грохота), в гидроциклонах, флотационных номерах, отстойниках и т.д. В некоторых случаях целесообразно применять промывку почвы. Этот способ применяется при очень высокой степени загрязнения относительно небольших количеств грунта. Предпочтительно очищать таким способом песчаную или гравийную почву, хуже поддается такой очистке илистая или глинистая почва. Установка для промывки почвы представлена на рис. 157. В случае когда подземное загрязнение трудно ликвидировать по какой-либо причине, полезно устройство гидроизолирующего слоя поверх подземного загрязнения. Этот слой предотвращает вымывание загрязнения дождями, во время таяния снегов и исключает, тем самым, попадание загрязнителя в водозаборы, поверхностные и грунтовые воды (если грунтовые воды не поднимаются до уровня загрязнителя). На рисунке 158 представлена схема такого поверхностного гидроизолирующего слоя. На первый взгляд, этот способ представляет собой разновидность локализации, однако, он позволяет практически полностью ликвидировать экологическую опасность загрязнения. Рис. 156. Схема фитоочистки почвы от никеля (никель поглощается корнями, стеблями и листьями растений, которые затем собираются и подвергаются захоронению на подготовленных полигонах. Для доведения содержания никеля до установленных концентраций посев данной культуры может быть повторен) Рис. 157. Установка для промывки грунта Рис. 158. Схема поверхностного гидроизолизующего слоя Устроен гидроизолирующий слой следующим образом. На загрязненную почву укладывается слой глины, который предназначен для предотвращения выделения вредных газов от загрязнителя. Глина может покрываться сверху слоем прочного синтетического материала, например полиэтилена (геомембрана), предназначенного для предотвращения проникновения воды. Поверх геомембраны может быть уложен дренажный слой из гравия и, при необходимости, дренажных труб. Сверху укладывается слой почвы и засевается травой, которая своей корневой системой поглощает влагу. Гидроизолирующий слой предотвращает вымывание загрязнения дождями и во время таяния снегов; раздувание вредных веществ, находящихся в сухом состоянии; нежелательные контакты людей и животных с вредным загрязнителем. Правильно устроенный гидроизолирующий слой способен выполнять свое назначение в течение многих лет, обеспечивая не только экологическую безопасность, но и, зачастую, естественное разложение загрязнителя. Он может быть устроен гораздо проще, если позволяют условия загрязнения, и представляет собой неплохую альтернативу многим другим способам ликвидации загрязнений. Современный производственный комплекс может полностью регенерировать загрязненную почву; стоимость за тонну почвы составляет 200 и более долларов США. |