9. Очистка береговой линии

1. Мытье береговых камней (и того, что моется) горячей водой.

2. Обработка сжатым воздухом.

3. Вывоз песка.

4. Сжигание (нежелательный способ).

5.Ограждение береговой линии бонами для недопущения повторного попадания нефтепродуктов в воду.

3. Методы анализа твердых (пылевидных) и газообразных примесей атмосферы.

Методы измерения содержания твердых частиц (пыли)

Методы позволяют определять как массовую концентрацию пыли (С, мг/м³), так и счетную или численную концентрацию (N, штук/ед.объема)

Наиболее распространены методы: гравиметрический; радиоизотопный; оптические; электрохимические; пьезоэлектрические.

Гравиметрический

Из потока аэрозоля частицы пыли выделяются с помощью фильтрации. На точных весах определяют общую массу пробы пыли (m, мг), задержанную мембраной за время фильтрации (t, с) при расходе (L, м³/с), рассчитывают концентрацию (С, мг/м³):

Метод отличается высокой трудоемкостью.

Радиоизотопный

Метод использует процесс поглощения радиоактивного излучения частицами пыли. Массу пробы определяют по степени ослабления излучения, пропускаемого через пробу. Погрешность примерно равна погрешности гравиметрического метода. Преимущества – быстрота и простота. Недостатки – радиационная опасность.

Оптические

Пропускают свет через пробу пыли или аэрозоль.

1) Методы, основанные на светорассеянии:

а) турбидиметрический – измеряют оптическую плотность D при прохождении световой волны;

б) нефелометрический – измеряют интенсивность света, рассеянного под одним или несколькими углами;

в) поточная ультрамикроскопия – измеряют количество вспышек («конусов» рассеянного на частицах света), проходящих через счетное поле.

2) Методы, основанные на поглощении света:

а) абсорбционный.

Электрические:

– индукционный;

– контактно-электрический;

– емкостной.

Они не получили широкого применения из-за влияния влажности воздуха, химического и дисперсного состава пыли.

Пьезоэлектрические:

Измеряется

– частота колебаний пьезокристалла при осаждении на нем частиц;

– количество электрических импульсов при ударе частиц о кристалл.

(Пьезоэлектричество – возникновение электрических зарядов при деформации кристаллов – прямой эффект; деформация кристалла под действием электрического поля – обратный эффект)

Методы измерения содержания вредных газов:

– оптические;

– электрохимические;

– хроматографические;

– лазерные;

– термохимические;

– другие.

Наиболее распространены оптические методы, использующие избирательное поглощение газами электромагнитного излучения в инфракрасной, УФ или видимой области спектра. Широко применяются фотоколориметрический метод, в котором измеряют поглощение света растворами анализируемых газов.

Применяют также эмиссионные методы – молекулы газообразных примесей приводятся в состояние оптического возбуждения; регистрируется интенсивность люминесценции, возникающей при возвращении их в равновесное состояние (три метода: а) хемилюминесценция – возбуждение за счет химической реакции; б) фотолюминесценция – оптическое возбуждение; в) люминесценция в пламени – возбуждение в пламёнах).

К электрохимическим методам анализа газов относятся а) кондуктометрия и б) кулонометрия.

а) измеряется электропроводность раствора при поглощении компонентов газовых смесей соответствующим растворителем;

б) измеряется количество электричества, затраченного на протекание химической реакции с анализируемыми компонентами.

Хроматографический метод: компоненты газа продвигаются по хроматографической колонке с разными скоростями за счет разного адсорбционного сродства. Могут быть реализованы газовая адсорбционная хроматография и газо-жидкостная распределительная хроматография. Чувствительность – до 10^-12%, используют для измерения концентрации сероводорода, диоксида серы, выхлопных газов автомобилей и др.

Лазерный метод – используется рассеяние лазерного луча на молекулах газов. Рассеянная энергия может регистрироваться с помощью приемной антенны-локатора. Разработка оптических генераторов высоких мощностей с узкими и стабильными спектрами излучения, совершенствование методов извлечения информации с передачей результатов в вычислительный центр Зондирование атмосферы.

Методы и средства очистки выбросов от пыли:

(а) гидрообеспыливание, (б) сухое пылеулавливание

Для эффективной реализации процесса очистки воздуха надо знать физико-химические характеристики пыли: плотность, смачиваемость, диэлектрическую проницаемость, магнитную восприимчивость, дисперсный состав.

Гидрообеспыливание – процесс очистки газов от твердых частиц с использованием жидкости. В основе – процесс смачивания частиц пыли жидкостью. Эффективность применения жидкости (чаще воды) зависит от смачиваемости пыли. Границы смачиваемости веществ водой пытаются расширить добавлением в воду смачивающих веществ и обработкой воды электрическими, магнитными и другими методами.

Жидкость для мокрой очистки может находиться в а) непрерывной фазе; б) быть диспергированной.

Встреча частицы пыли с каплей приводит к их взаимодействию, которое может происходить по следующим механизмам:

1) кинематическому, включающему в себя эффект касания и инерционного осаждения;

2) гравитационному;

3) тепловому (диффузионному);

4) электрическому (в случае присутствия на каплях воды электрического заряда.

Роль каждого механизма определяется размером и плотностью частиц, скоростью и свойствами газа, дисперсностью капли. Показано, что основную роль в этом процессе играет инерционное осаждение частиц пыли на каплях воды.

Крупные частицы в меньшей мере, чем газ, изменяют свое направление при подходе к капле и осаждаются на ней. Мелкие частицы, следуя вместе с газом, огибают каплю и уходят с потоком газа. У этих частиц инерция недостаточна для преодоления сопротивления газа.

Для частиц размером более 0,2 мкм диффузионное осаждение можно не учитывать. Для частиц меньше 0,1 мкм существенное влияние оказывает броуновское движение. (Описанный процесс аналогичен процессу фильтрации газовоздушных выбросов и сточных вод, содержащих взвешенные частицы, через тканевые фильтры).

Подробно процессы и аппараты, используемые в очистке газовоздушных выбросов путем гидрообеспыливания, будут рассматриваться в курсе «Процессы и аппараты защиты ОС».

Сухое пылеулавливание. Классификация методов.

1. Осаждение пыли в гравитационном поле (в основном, для частиц размером более 100 мкм);

2. инерционная сепарация;

3. осаждение в центробежном поле;

4. фильтрация;

5. улавливание (осаждение) в электрическом поле (два электрода: коронирующий и осадительный; частицы получают заряд в неоднородном электрическом поле и движутся в направлении осадительного электрода под действием сил поля);

6. улавливание (осаждение) в магнитном поле;

7. осаждение в акустическом поле.

Методы и средства очистки выбросов от вредных газов и жидкости

1. Абсорбция;

2. адсорбция;

3. ионный обмен;

4. катализ;

5. биотехнологические методы.

4. Классификация методов очистки природных и сточных вод.

5. Основы биохимических методов очистки природных сточных вод.

Биологические (биохимические) методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных (гетеро – иное, в отличие от неорганического углерода, питание) микроорганизмов. Выделяют три свойства микроорганизмов, широко используемые для целей водоочистки:

1) способность потреблять в качестве источников питания органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования;

2) свойство быстро размножаться – удвоение числа клеток за каждые 30 минут. Расчеты показывают, что за 5-7 дней 1 вид микроорганизмов может заполнить все моря и океаны (за сутки – 2²⁴, за 5 суток ~2¹²⁰=2^10*121000¹²=10³⁶);

3) способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищаемой воды.

Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата носит многоступенчатый характер:

1) сорбционное изъятие и накопление изымаемого вещества на поверхности клетки;

2) перемещение через клеточную оболочку либо самого вещества, либо продуктов его гидролиза, либо гидрофобного комплекса;

3) метаболическая трансформация поступивших внутрь клетки питательных веществ.

Ранее считалось, что механизм переноса (2) – диффузионный. С началом метаболических превращений сорбционное равновесие нарушается, и за счет градиента концентраций обеспечивается дальнейшее поступление субстрата в клетку. В настоящее время полагают наличие гидрофильного «канала», через который внутрь клетки проходят гидрофильные субстраты. Может быть «эстафетная» передача молекул субстрата от одной функциональной группы к другой. Другая альтернативная модель – наличие гидрофобного мембранного переносчика, который путем конформационных изменений, вызываемых субстратом, проводит его на внутреннюю сторону мембраны (модель конформационной транслокации).

Т.о., происходит процесс «активного» транспорта, приводящего к повышению содержания питательных веществ в клетке против градиента концентраций. Необходимая энергия высвобождается в результате протекания в клетке метаболических процессов.

На третьем этапе в аэробных условиях происходят метаболические превращения субстрата частично в такие конечные продукты как СО₂, Н₂О, нитраты, сульфаты (процесс окисления органических веществ), частично в новые микробные клетки (процесс синтеза биомассы). В анаэробных условиях могут образовываться промежуточные продукты (спирты, глицерин, летучие жирные кислоты, бутанол, ацетон, водород), а также такие продукты как СН₄, NH₃, H₂S и новые клетки.

Ферментативное анаэробное расщепление белков и аминокислот – гниение.

Представляют интерес основные закономерности колонии микроорганизмов, вводимой в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. Можно выделить следующие фазы (рис.2):

I – лаг-фаза (фаза адаптации) – сразу после введения микробной культуры в контакт с питательной средой. Не происходит прироста биомассы. Длительность зависит от природы органических веществ, степени адаптации микроорганизмов к ним, от условий, в которые вносится биомасса.

II – фаза экспоненциального роста – избыток питательных веществ, отсутствие (недостаток) продуктов обмена.

III – фаза замедленного роста – истощение питательных веществ, накопление продуктов метаболизма.

IV – фаза нулевого роста (прекращения роста) – равновесие между наличием питательных веществ и накоплением биомассы.

V – фаза эндогенного дыхания (самоокисления) – из-за недостатка питания начинается отмирание и распад клеток, что приводит к снижению общего количества биомассы в биореакторе.

Рис.2. Зависимость прироста биомассы в аэробных условиях от концентрации питательных веществ

Аэробный процесс

В условиях аэробного метаболизма около 90% потребляемого кислорода используется на дыхательный путь получения энергии клетками микроорганизмов (процесс называется клеточным дыханием, если акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата, является кислород).

Аэробный процесс окисления является наиболее полным, т.к. его продукты – вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные из этих веществ – диоксид углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Несмотря на то, что оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования в клетке может быть различным. Углекислый газ может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной среде под действием ферментов декарбоксилаз, которые отщепляют СО₂ от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода образуется в результате жизнедеятельности клеток путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он отщепляется в процессе их окисления.

Упрощенно весь процесс распада органических веществ в ходе аэробных превращений может быть представлен схемой, приведенной на рис.3.

Таким образом, в аэробном процессе липиды (в присутствии бактерий и грибов) подвергаются гидролизу с образованием глицерина и жирных кислот, затем происходит их биохимическая деструкция до предельных карбоновых кислот (муравьиной, уксусной, пропионовой, масляной), а впоследствии, до углекислого газа и воды. Углеводы под действием микроорганизмов разлагаются до глюкозы, которая затем окисляется. Белки под влиянием микроорганизмов и экзоферментов гидролизуются с образованием полипептидов, расщепляющихся до аминокислот, которые в присутствии микроорганизмов–аммонификаторов разлагаются с образованием аммиака, СО₂ и воды. Если в белковых соединениях присутствует сера, то при разложении могут образоваться тиоспирты (меркаптаны) и сульфат-ионы. Фосфор органических соединений (входящий в состав клеточных мембран, нуклеиновых кислот) окисляется до минеральных фосфатов и, взаимодействуя с ионами металлов (Ca²⁺, Mg²⁺ и др.), осаждается.

Анаэробное разложение

На рис.4 представлена упрощенная схема анаэробного сбраживания биоорганических соединений.

Стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных биоорганических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение pH для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

Стадия кислотообразования (ацидогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям гетерогенными бактериями.

Ацетогенная стадия превращения летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетогенных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетогенами, образующими водород: CH₃CH₂COOH + 2H₂O  CH₃COOH + CO₂ + 3H₂

Вторая группа, также образующая ацетаты и использующая водород для восстановления диоксида углерода, называется ацетогенами, использующими водород: 4H₂ + 2CO₂  CH₃COOH + 2H₂O

Рис.4. Схема анаэробного метанового сбраживания сложных биоорганических соединений I – гидролиз; II – кислотогенез (ацидогенез); III – ацетогенез; IV – метаногенез. 1 – ферментативные кислотогены; 2 – ацетогены, образующие H2, 3 – ацетогены, использующие H2; 4 – метаногены, восстанавливающие CO2; 5 – метаногены, использующие ацетат.

Метаногенная стадия, осуществляется медленнорастущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению pH менее 7,0-7,5 и температуры. Разные группы метаногенов образуют метан двумя путями:

- расщеплением ацетата: CH₃COOH  СH₄ + 2CO₂

- восстановлением диоксида углерода: CO₂ + H₂  CH₄ + H₂O

По первому пути образуется 72% метана, по второму 28%. Таким образом, анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, причем продукты метаболизма одних групп бактерий используются другими. Первичные факультативные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, вторичные – стадии ацетогенеза и метаногенеза из субстратов, образующихся первичными анаэробами.

Схема узнавания ферментом субстрата, образование фермент-субстратного комплекса и катализ (извлечение глюкозы из раствора). Образовавшийся глюконолактон подвергается гидролизу с образованием глюконовой кислоты. Суммарно обе реакции можно выразить уравнением: Пероксид водорода под действием фермента каталазы (или пероксидазы) расщепляется на воду и кислород, т.е.