Методы обработки и очистки сточных вод

Под обработкой сточных вод понимают воздействие на них с целью обеспечения необходимых свойств и состава.

Очистка сточных вод – это обработка воды с целью разрушения или удаления из них определенных веществ.

Классификация методов очистки представляет следующее:

• гидромеханические методы применяют для удаления из сточных вод нерастворимых примесей:

1. очистка от грубодисперсных примесей (процеживание, отстаивание);

2. очистка от тонкодисперсных и коллоидных примесей (фильтрование, центрифугирование).

- физико-химические методы используют для удаления из сточных вод мелкодисперсных взвешенных частиц, растворенных газов, минеральных и органических веществ:

1. очистка от органических веществ (адсорбция, экстракция);

2. очистка от минеральных примесей (ионообменная, обратный осмос, ультрафильтрация)

3. очистка от тонкодисперсных и коллоидных примесей (флотация).

• химические методы основаны на проведении химических реакций с использованием реагентов и на получении из загрязняющих примесей менее вредных веществ:

1. очистка от минеральных примесей (нейтрализация);

2. очистка от тонкодисперсных примесей (коагуляция, флокуляция).

• электрохимические методы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока:

1. очистка от тонкодисперсных и растворенных веществ (анодное окисление и катодное восстановление);

2. очистка от взвешенных и коллоидных веществ (электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ).

• биологические методы осуществляются при помощи живых организмов разного уровня организации:

1. очистка от растворенных органических и неорганических веществ (аэробные и анаэробные методы).

• термические методы используют для обезвреживания минерализованных сточных вод разными режимами температур:

1. очистка от минеральных примесей (концентрирование, вымораживание, кристаллизация);

2. термокаталитическое обезвреживание жидких отходов (жидкофазное окисление, парофазное каталитическое окисление).

Лекция № 6

Промышленные отходы и методы их утилизации

В результате технологических процессов наряду с получением целевых продуктов образуются отходы или остатки, которые в силу состава и несовершенства технологии на современном этапе не могут быть переработаны в готовую продукцию, но в будущем могут утилизироваться.

Далее рассматриваются только твердые отходы, которые подразделяются на промышленные и бытовые. Совокупный рост объемов ТПО и ТБО составляет примерно 5-8 % в год.

Основной тенденцией в сфере управления отходами в развитых странах является их минимизация путем:

• предотвращения или уменьшения образования отходов;

• улучшения качества образующихся отходов, включая уменьшение количества токсичных веществ в них;

• повторного использования, рецикла и восстановления или извлечения полезных компонентов из них.

Проблема твердых бытовых отходов в настоящее время становится все более актуальной. Рост населения и общее повышение уровня жизни привели к увеличению потребления товаров и, как следствие, упаковочных материалов разового пользования, что сильно сказалось на количество ТБО. Ежегодный прирост количества ТБО составляет 3-5 %.

При выборе способа утилизации отходов важно знать их химический состав, влажность, теплотворную способность, растворимость компонентов в воде, плотность и др. характеристики. По степени опасности отходы подразделяются на 4 класса: 1 – чрезвычайно опасные, 2 – высоко опасные; 3 – умеренно опасные; 4 – мало опасные.

До сих пор основными методами утилизации твердых промышленных и бытовых отходов в большинстве стран является сбор, общая сортировка, вывоз на санитарные свалки (полигоны), извлечение полезных веществ, компостирование, обезвреживание, уничтожение (захоронение).

В некоторых странах (Великобритания, Германия, Франция, США, Швейцария, Италия и др.) стали проводиться работы по раздельному сбору твердых бытовых отходов путем их сортировки населением на несколько видов: пищевые отходы, черные и цветные металлы, стекло, пластмасса, бумага, картон, тряпье и т.д. Для этих целей используются контейнеры, ящики или мешки различного цвета.

Сбор твердых токсичных отходов осуществляется с учетом класса опасности: отходы 1-го класса помещают в тару – в стальные баллоны; 2-го класса – в прочные полиэтиленовые мешки. Сбор жидких токсичных отходов осуществляется в специальные емкости, обеспечивающие герметичность и коррозийную стойкость. Токсичные отходы предприятий подлежат временному хранению на их территории до тех пор, пока не будет разработана технология по их утилизации или не будут созданы региональные полигоны для захоронения этих отходов.

На санитарные свалки (полигоны) вывозят до 90 % ТБО. Достоинствами этого метода являются простота и относительная дешевизна по сравнению с др. методами, недостаток – расход больших площадей, вторичное загрязнение окружающей среды и потеря ценных компонентов ТБО. Полигон размещается в обособленных, свободных от застройки, хорошо проветриваемых местах, исключающих загрязнение окружающей среды, населенных пунктов, зон отдыха и источников питьевого водоснабжения. Альтернативой вывозу на свалки может стать санитарное (контролируемое) захоронение отходов. Концепция метода нацелена на создание полигонов как экономически нейтральных производственных объектов и вклю­чает следующие основные принципы: максимальное использова­ние рабочего объема полигона, контроль состава поступающих на захоронение отходов; учет поступающей на захоронение массы, минимизация негативного влияния ингредиентов отхода на био­сферу и др.

Санитарному захоронению подлежат отходы, обезвреживание которых нецелесообразно по экономическим соображениям или технически затруднено (часто невозможно). Причем наземное скла­дирование вновь образуемых твердых отходов недопустимо. Суще­ствующие отвалы, например фосфогипса, являются потенциаль­ным сырьем для стекольной промышленности.

Полигон для захоронения отходов должен быть обустроен при­родоохранными техническими средствами, обеспечивающими пе­рехват водных и газовых эмиссий, формируемых структурой отхо­дов. К этим средствам относятся: противофильтрацион­ный экран в основании полигона, система дренажа для сбора филь­трата в основании полигона, система дренажа для отвода поверх­ностного стока с прилегающих территорий, система откачки и очистки свалочного фильтрата, газодренажная система, система откачки и обезвреживания (утилизации) газовых эмиссий, не­проницаемый поверхностный рекулътивационный экран.

Принцип максимального использования рабочего пространства предполагает реальное доведение плотности ТПБО до ≥0,8 т/м³ и реализацию высотной схемы складирования. Средние за­траты захоронения отходов составляют 110—340 долл./т, хими­ческая фиксация в твердое состояние увеличивает затраты при­мерно на 200 долл./т, фиксация отходов капсулированием — на 100 долл./т.

Для извлечения ценных компонентов из вторичных материальных ресурсов (ВМР) используют ме­тоды экстрагирования и кристаллизации. Экстрагирование — из­влечение из твердого вещества одного или нескольких компонен­тов с помощью растворителя. При этом извлекаемые компоненты переходят из твердой фазы в растворитель (экстрагент). Для по­следующего выделения целевого компонента из смеси с экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию. Используются следующие основные типы экстракторов: смесительно-отстойные, колонные и центробежные. Примером может служить установка по очистке грунта от нефти и нефтепродуктов основанная на использовании экстракции нефтесодержащих загрязнений, с последующим разделением пульпы на чистый «песок» и извлеченную нефть (нефтепродукты). В качестве экстрагентов могут использоваться вода, углеводороды, морская вода.

Кристаллизация — выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Процесс ха­рактеризуется переходом вещества из жидкой фазы в твердую вслед­ствие изменения его растворимости. Далее выделенный кристал­лический продукт подлежит вторичной переработке, а фильтрат подлежит дальнейшей переработке. Процесс кристаллизации осуществляется в кристаллизаторах с водяным или воздушным охлаждением, а образовавшиеся кристаллы затем проходят сушку в сушилках разного вида.

Метод сжигания твердых отходов позволяет использовать энергетический (топливный) потенциал отходов, а в случае комплексной переработки – извлекать из продуктов термообработки вещества, применяемые в основной или смежной отраслях. Процесс осуществляется в термических реакторах разных конструкций (шахтных, циклонных и др.). Метод имеет как несомненные достоинства – использование теплоты сгорания ТБО для получения энергии и отопления зданий, так и существенные недостатки. – образование сопутствующих топочных газов, для которых необходима качественная система очистки, так как при сжигании ТБО в атмосферу выделяются хлористый и фтористый водород, сернистый газ, оксиды азота, а также диоксины и др. Температура сжигания в камере термического разложения достигает 900-1000°С (1350-1400°С), очистка отходящих газов проводится на электрофильтрах. Таким способом утилизируются отходы химической переработки углеродистого или углеводородного сырья, древесные отходы в лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и др.

Основной целью компостирования является обезвреживание ТБО и переработка в удобрение – компост за счет биохимического разложения органической части ТБО микроорганизмами. Применение компоста в качестве удобрения позволяет повысить урожайность выращиваемых культур, улучшить структуру почвы и увеличить содержание гумуса в ней. Весьма существенным недостатком компоста является высокое содержание тяжелых металлов в нем. Оптимальными условиями компостирования является: рН от 6 до 8, влажность 40-60 %, время компостирования 25-50 ч. Компостирование осуществляется в специальных закрытых бассейнах или тоннелях в течение месяца.

Для обезвреживания твердых отходов часто применяют метод их капсулирования, заключающийся в обволакивании токсично­го отхода инертной пленкой, например стеклообразной или по­лимерной. Используемый метод переплавки отходов заключается в выжигании вредных компонентов, формировании новой струк­туры вторичных материальных ресурсов (ВМР) и их потребительских свойств: размеров, цвета и т.п. Химические методы позволяют получать из отходов новые про­дукты: превращать твердые органические отходы гидрированием и гидролизом в жидкое и газообразное топливо. Наиболее распро­страненный метод фиксации отходов — цементирование — при­меняется для отходов, содержащих воду. Недостаток метода — уве­личение объема отходов и возможная гидратация цемента при ма­лых рН. Применяется для неорганических отходов, особенно тя­желых металлов, а также радиоактивных веществ. Для фиксации с использованием органических полимерных материалов готовится смесь отходов с соответствующими смолами или мономерами, за­тем вводится катализатор, который обеспечивает полимеризацию и создание объема фиксированного материала. Отходы обычно хи­мически не связываются с полимером. Происходит микрообвола­кивание органической оболочкой. Для обработки отходов обычно используют формальдегидные, виниловые и полиэстеровые со­единения. Такой монолит обладает сопротивлением на сжатие на уровне бетона. Недостаток метода — возможность появления ядо­витых паров в процессе полимеризации.

Обезвреживание и захоронение токсичных отходов проводится на специальных полигонах, строительство и эксплуатация которых осуществляется в соответствии с СНиП «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов». Полигон размещается в обособленных, свободных от застройки, хорошо проветриваемых местах, исключающих загрязнение окружающей среды, населенных пунктов, зон отдыха и источников питьевого водоснабжения. Особое внимание уделяется проектированию дождевой, хозяйственно-бытовой канализации и дренажа. Общая система канализации должны быть бессточной, загрязненная сточная вода должна сжигаться или испаряться. Приему на полигоны подлежат только токсичные отходы 1, 2, 3-го классов опасности.

Наиболее распространенными методами обезвреживания токсичных отходов в настоящее время являются:

- для отходов органического происхождения – сжигание при высоких температурах;

- для неорганических отходов – физико-химическая обработка в несколько стадий.

Лекция № 7

Земельные ресурсы, их состояние и использование

Материальной основой формирования почвенного покрова является литосфера, важнейшими почвообразовательными процессами - климат и деятельность живых организмов.

Почва - верхний рыхлый слой литосферы, состоящий из нескольких слоев, обычно отличающихся по цвету, называемых почвенными горизонтами. По свойствам и химическому составу выделяют 3 основных слоя:

1) перегнойно-аккумулятивный горизонт – самый верхний, темно-окрашенный, богатый гумусом, содержащий основную массу корней растений, почвенных животных и микроорганизмов;

2) горизонт вымывания - в нем накапливаются, аккумулируются и преобразуются вещества, поступающие из верхнего горизонта;

3) материнская порода.

Плодородие почв обусловлено их физико-химическими и биологическими свойствами. К физическим свойствам относятся механический состав, относительная рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, малая амплитуда колебания температуры и др. Химические свойства обусловлены наличием минеральных веществ, реакцией среды, наличием солей.

Обитатели почвы в результате жизнедеятельности проводят огромную почвообразующую работу: смешивают слои почвы между собой, уносят в глубину органические вещества, разлагают и минерализуют лесной опад и отмершие организмы.

Из хозяйственного использования каждый год исключается по ряду причин в среднем 5-7 млн. га угодий различного вида. Основной причиной, выводящей земли из хозяйственного использования является эрозия – многообразные процессы разрушения и выноса почвенного покрова потоками воды и ветра. Она охватывает свыше 1/3 сельскохозяйственных угодий.

Возникновение и развитие эрозионных процессов обусловлено физико-географическими факторами (рельеф, климат, состав почвообразующих пород, характер растительного покрова) и антропогенными факторами (распашка земель, выпас скота, севообороты, мелиоративные работы и др.).

Различают следующие виды эрозии:

• механическая – сдвиг почвы вниз по склону во время обработки склоновых земель сельскохозяйственной техникой;

• водная – смыв почвенного покрова потоками воды (может быть: плоскостной, струйной, овражной, а также вызванной селевыми потоками, оползнями);

• ветровая – вынос почвенного покрова ветром (может быть: повседневной, пыльной вызванной бурями);

• овражная – размыв и обрушение склонов, лишенных древесной растительности.

Система противоэрозионных мероприятий различается в зависимости от вида эрозии и степени ее глубины.

В районах распространения ветровой эрозии – почвозащитные севообороты, залужение сильно эродированных земель путем посадки буферных полос из многолетних трав, снегозадержание, посадка полезащитных полос и др.

В районах распространения водной эрозии – обработка почв и посевов поперек склонов, контурная вспашка и др.

В горных районах – устройство противоселевых сооружений, террасирование, облесение, сохранение горных лесов и др.

Помимо развития эрозии почвы подвергаются загрязнению.

Один из источников загрязнения почв — дымовые выбросы заводов в крупных промышленных районах. Наиболее распространенными, загрязняющими почву веществами, поступающими из атмосферы, являются окислы серы и азота. Они попадают в почву вместе с осадками, повышают ее кислотность и заметно сни­жают плодородие, а также качество выращиваемой продукции.

Увеличение концентрации тяжелых металлов в по­чве вокруг промышленных предприятий является при­чиной обеднения флоры вследствие исчезновения бо­лее чувствительных видов. При этом вблизи промыш­ленных предприятий вместо естественных фитоценозов возникает так называемая техногенная флора, огра­ниченная небольшим числом устойчивых видов.

Восстановление плодородия почв, загрязненных тя­желыми металлами, — сложная проблема. Основным мероприятием по ликвидации загрязнения почв является совершенствование технологии производства, с тем, чтобы отходы его не выбрасывались в окружаю­щую среду. Иногда практикуют удаление загрязненно­го горизонта почвы, вносят в почву различные хими­ческие вещества, нейтрализующие вредное влияние почвенных загрязнителей, и т. п.

В некоторых случаях почва может сильно загряз­няться отходами животноводческих комплексов, а так­же при неправильном применении удобрений и пести­цидов. Избыточное внесение в почву минеральных удобрений ведет к загрязнению грунтовых и поверхностных вод. Удобрения, смытые снеговыми и дождевыми водами в водные объекты, вызывает их эвтрофирование, т.е. чрезмерную концентрацию питательных веществ, в результате чего происходит цветение воды.

В процессе производства и потребления образуются отходы, приводящие к захламлению земель.

Основными направлениями по уменьшению образования отходов являются:

• предотвращение или уменьшение образования отходов;

• улучшение качества отходов, путем уменьшения количества токсичных веществ в них;

• повторное использование, восстановление или извлечение полезных компонентов из них.

Отдельно стоит упомянуть о влиянии горнодобывающей промышленности на земельные ресурсы, выражающееся в создании отвалов, карьеров, терриконов, провальных воронок и др. Отвалы образуются либо из пустой породы, которую поднимают из шахт вместе с рудой или углем (образуются хвостохранилища), либо из отходов промышленных предприятий (например, золоотвалы ТЭС), либо из так называемой вскрыши, т.е. верхних слоев земной коры, покрывающих залежи.

В районах подземной добычи полезных ископаемых формируются провально-терриконовый тип местности. Провалы образуются в результате возникновения пустот под земной поверхностью, а терриконы (земляные конусы) – в том месте, где складывается ненужная порода.

После отработки месторождения необходимо провести рекультивацию нарушенных земель, включающую два этапа: технический, который представляет собой конструирование земельной площади, и биологический, в задачу которого входит освоение земли.

На техническом этане необходимо засыпать карь­еры (рвы), выровнять землю, произвести химическую мелиорацию (при фитотоксичности пород), насыпать сверху слой плодородной почвы, которую предварительно разработки месторождения снимают и складируют.

На биологическом этапе производят озеленение, то есть восстанавливают лесные или сельскохозяй­ственные угодья, планируют парки, заселяют водоемы рыбой и т.д. В малонаселенных районах чаще приме­няют рекультивацию путем лесоразведения. Это объясняется тем, что лесные культуры менее требова­тельны к условиям местообитания по сравнению с культурами сельскохозяйственными. При лесоразве­дении допустимо менее тщательное разравнивание по­верхности и нанесение более тонкого слоя плодород­ной почвы. Это, конечно, упрощает и удешевляет озеленительные работы.

Лекция № 8

Ландшафты, их трансформация и охрана

Жизнь человека протекает в условиях тех или иных ландшафтов. Воздействуя на один или несколько компонентов окружающей среды, человек неизбежно изменяет весь ландшафт в целом, его структуру и функции. Это объясняется наличием круговоротов веществ, энергии, информации в природе, а также взаимодействиями и единством географической оболочки, включающей литосферу, атмосферу, гидросферу, биосферу.

Ландшафт – это генетически обособленная часть территории, характеризующаяся однородностью и обладающая индивидуальной структурой и морфологическим строением.

Ландшафты в зависимости от особенностей основного вида миграции вещества и энергии в них можно разделить на абиогенные, биогенные и техногенные.

Абиогенные характеризуются относительным отсутствием биогенной миграции элементов (т.е. связанной с живыми организмами), а следовательно, и биологическим круговоротом веществ. К таким ландшафтам в настоящее время относятся центральные части Антарктиды и Гренландии, а также наиболее высокие вершины гор. В пределах данных ландшафтов преобладает механическая и физико-химическая миграция элементов. Однако и в эти ландшафты все больше попадает элементов и веществ за счет процесса техногенеза: во льдах Антарктиды увеличилось содержание свинца; на ледниках Эльбруса установлено повышенное содержание вольфрама и молибдена и др. Следовательно, можно говорить о начинающейся трансформации абиогенных ландшафтов в техногенные.

Биогенные (природные) ландшафта характеризуются постоянным биологическим круговоротом веществ, а ведущим видом миграции элементов является биогенный. Механическая и физико-химическая миграция элементов в ландшафтах такого типа являются второстепенными. К ним относятся альпийские луга, тундра, тайга, леса, пустыни, саванна, степи, луга. Следует отметить, что большая часть биогенных ландшафтов используется в настоящее время и испытывает техногенное поступление чужеродных для экосистем техногенных элементов и включение их в круговорот веществ, что приводит к постепенной трансформации биогенного ландшафта в техногенный. Кроме физико-химического воздействия хозяйственной деятельности человека биогенные ландшафты испытывают мощное механическое воздействие вследствие сельскохозяйственной деятельности, проведения геологических, строительных и мелиоративных работ.

Техногенные ландшафты разделяются на сельскохозяйственные, промышленные, лесотехнические, ландшафты населенных пунктов, искусственных водоемов и дорожные ландшафты. Они характеризуются техногенной миграцией элементов, необратимо исключающихся из круговорота веществ, и включением в них не свойственных данной природной среде техногенных элементов, механическим нарушением целостности ландшафтов. Это приводит к изменению рельефа, физико-химических и механических свойств почвы, исчезновению присущих данной природной среде растений и животных, полной трансформации ранее существующего ландшафта.

В настоящее время техногенная трансформация ландшафтов приняла такие угрожающие формы, что возникла необходимость восстановления и охраны ландшафтов. Восстановление техногенно нарушенных ландшафтов ведется при рекультивации этих территорий. Рекультивация предусматривает восстановление определенного рельефа (в зависимости от будущего назначения территории), восстановление почвы и почвенного плодородия и соответствующей растительности. В дальнейшем в течение ряда лет рекультивированные территории не должны включаться в хозяйственную деятельность с целью закрепления восстановленных природных качеств. После этого они могут вовлекаться в хозяйственную деятельность крайне медленно, не в полном объеме и с большой осторожностью.

Существующие формы охраны ландшафтов могут быть условно объединены по следующим признакам:

• полная охрана ландшафтов, т.е. совокупности всех компонентов природного территориального комплекса. Сюда относятся создание национальных парков, заповедников, биосферных заповедников, где полностью запрещена какая-либо деятельность;

• охрана отдельных природных объектов при возможно полном сохранении целостности или облика ландшафта путем создания заказников, резерватов и памятников природы. Здесь хозяйственная деятельность (рубка леса. Сбор ягод, грибов, отстрел животных и т.д.) частично разрешена под строгим контролем соответствующих органов;

• охрана естественных ландшафтов в процессе эксплуатации. Обеспечивается службами охраны природы и соответствующими государственно-правовыми структурами;

• использование и охрана антропогенных ландшафтов путем восстановления их свойств и щадящего использования в других целях.

Лекция № 9

Комплексное использование природных ресурсов