6.3. Экозащитная техника и технологии

Основными направлениями инженерной защиты окружающей природной среды от негативного антропогенного воздействия являются:

1)внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологий;

2)развитие биотехнологий;

3)утилизация и детоксикация отходов;

4)экологизация всего производства, приближающая производственные циклы к природным биогеохимическим круговоротам.

Ресурсосберегающие технологии позволяют наиболее полно использовать перерабатываемое сырье, минимизировать количество об-

разующихся при этом отходов. Предлагаются следующие мероприятия, позволяющие снизить количество отходовИ:

1)внедрение бессточных технологий, водооборотных систем, основанных на очистке и повторном использованииД сточных вод;

2)переработка отходов производства во вторичные ресурсы;

3)создание новых технологий, позволяющих выпускать продукцию с учетом её переработкиАи повторного использования. Повторная, иногда многократная переработка образовавшихся отходов называется реутилизациейб;

4)создание принципиально новых технологий, позволяющих исключить или значительно сократить стадии, на которых происходит образование отходов.

СозданиеСновых технологий требует времени и больших материальных затрат, поэтому на современных предприятиях для защиты окружающей среды от вредных веществ используются различные методы очистки.

Для очистки газовых выбросов от аэрозолей и пыли применяют сухие и мокрые пылеуловители. К сухим пылеуловителям относятся

пылеосадительные камеры и циклоны. В пылеосадительных камерах удаление частиц происходит под действием сил инерции и тяжести, а

вциклонах – под действием центробежных сил и сил тяжести. Эти аппараты предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжёлой пыли. Эффективность сухих пылеуловителей составляет 90 – 95%.

Мокрые пылеуловители (скрубберы, турбулентные очистители,

газопромыватели) обеспечивают очистку газов от частиц размером

72

более 2 мкм на 99%. Они требуют подачи воды, удаление пылевых частиц происходит в результате осаждения пылинок на поверхности воды под действием сил инерции и броуновского движения. Такие аппараты незаменимы для очистки от пыли взрывоопасных и горячих газов. Недостатком мокрых пылеуловителей является большой расход воды и образование большого объёма сточных вод.

Для более тонкой очистки используют фильтры (тканевые, зернистые), которые способны задерживать частицы размером до 0,05 мкм. Особенно эффективны рукавные фильтры с тканями из термостойких синтетических волокон и металлических нитей.

Наиболее совершенным способом очистки от пыли и мелких частиц являются электрофильтры. Они позволяют улавливать частицы размером до 0,01 мкм. Принцип работы электрофильтров состоит в ионизации пылевых частиц у поверхности коронирующего электрода, в результате чего пылинки приобретают заряд и притягиваются к противоположно заряженному осадительному электроду. При встряхивании электрода пыль под действием силы тяжести падает в пылес-

тические методы основаны наАиспользовании катализаторов – веществ, которые ускоряют реакцию превращения токсичного компо-

нента в безвредное веществоб(например, катализатор дожига отработавших газов в автомоб ле). Абсорбционные методы основаны на

пропускании газовогоСипотока через жидкость (воду, раствор соды, извести, аммиака). Токсичные компоненты либо растворяются в воде, либо вступают в химическую реакцию с растворённым поглотителем, образуют малорастворимое соединение и оседают. Абсорбционные методы эффективно использовать при высокой концентрации токсичных компонентов в газе.

При незначительной концентрации токсичных компонентов эффективнее использовать адсорбционные методы. Эти методы основаны на удерживании токсичных компонентов на поверхности ультрапористых твердых веществ (активированный уголь, силикагель, алюмогель). Адсорбционные методы позволяют не только очистить воздух от токсичных компонентов, но и вернуть в производство ценные вещества.

73

Если в выбросах содержатся вредные вещества, состоящие только из углерода, водорода, кислорода (например, в выбросах нефтеперерабатывающих производств), применяют термический метод, то есть вредные вещества сжигают, в атмосферу при этом попадают только углекислый газ и пары воды.

Для очистки сточных вод применяют механические, физикохимические, химические и биологические методы. При механической очистке нерастворимые в воде загрязняющие вещества удаляют при помощи отстаивания, фильтрования, процеживания. Эти методы позволяют удалить до 90% нерастворимых примесей из промышленных стоков и до 60% примесей – из бытовых сточных вод. Аппараты для механической очистки – это решётки, песколовки, песчаные фильтры,

Химические и физико-химические методы применяют для очистки производственных сточных вод, особенно при организации системы замкнутого водооборотного водоснабженияД. К химическим методам относят нейтрализацию, осаждение и окисление. Для нейтрализации кислых и щелочных стоков производят их смешивание (при наличии стоков с различной кислотностьюА), а также добавляют специальные реагенты: известь, кальцинированную соду, аммиак. Для осаждения ионов металлов добавляютбизвесть. Для удаления из сточных вод токсичных компонентов, а также для о еззараживания воды используют сильные окислителии: соед нения хлора (гипохлорит натрия, хлорная известь, хлорамин), озон, перек сь водорода, перманганат калия.

К физикоС-хим ческ м методам относится коагуляция, сорбция, флотация, ионный обмен, мембранные технологии. Коагуляция применяется для осаждения из сточных вод тонкодисперсных (коллоидных) примесей, которые не удается удалить с помощью обычных фильтров. Для этого в воду добавляют специальные вещества – коагулянты (сульфат алюминия, хлорид железа и др.), а также флокулянты, что способствует слипанию мелких частиц в крупные хлопья, которые быстро оседают и легко удаляются.

Одним из наиболее эффективных методов очистки воды от растворимых загрязнителей является адсорбция. Ультрапористые вещества, имеющие высокую удельную поверхность, способны за счет избыточной поверхностной энергии поглощать из сточных вод растворённые вещества и удерживать их на поверхности. Такие вещества называются адсорбентами, в качестве адсорбентов используют акти-

74

вированный уголь, бентонитовые глины, цеолиты, силикагель и т.п. Достоинства сорбционных методов еще и в том, что с их помощью можно извлечь из сточных вод ценные компоненты и вернуть их в производство.

Флотация – метод удаления загрязнений за счет пропускания через сточную воду пузырьков воздуха, захватывающих при движении вверх поверхностно-активные вещества, нефть, масла. Образующаяся на поверхности пена легко удаляется.

Метод ионного обмена используется для извлечения из воды ионов металлов, для обессоливания воды. Мембранные технологии (обратный осмос, ультрафильтрация) используют для удаления растворенных в воде высокомолекулярных соединений. Этот метод доста-

Для очистки коммунально-бытовых промышленных стоков цел- люлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, пищевых предприятий

используют биологический метод очистки сточных вод. Метод осно-

тественных методов на полях орошенияА, полях фильтрации, биологических прудах, гидроботан ческих площадках, так и искусственными

ван на способности определенных штаммов микроорганизмов ис-

пользовать органические загрязнители как источник питательных ве-

ществ. Биологическая очистка может проводиться как с помощью ес-

работки ТБО сСполучением биогаза основана на анаэробной деструкции отходов микроорганизмами. Переработка ТБО с получением компоста основана на аэробном окислении.

Для снижения количества пестицидов, применяемых для борьбы с вредителями, предлагается использовать живые организмы – такой метод защиты растений называется биологическим.

75

Лабораторная работа № 8

Приготовление модельной смеси сточных вод промышленного типа

Цель работы: выявить наиболее характерные загрязнители для различных типов промышленного производства.

Материалы и оборудование: кристаллические вещества, хлорная известь CaOCl2, шестиводный хлорид железа FeCl3∙6H2O, железный купорос FeSO4∙7H2O, медный купорос CuSO4∙5H2O, шестиводный хлорид никеля NiSO4∙6H2O, нитрат калия KNO3, сульфид натрия Na2S,

цеха, цеха по крашению тканейАи ду лению кож, а также цеха по производству дезинф цирующ х средств. Пользуясь табл. 9, определите,

Получите у преподавателя задание: тип промышленного произ-

водства, сточные воды которого необходимо смоделировать. Предла-

какие загрязнители могутбсодержаться в стоках выбранного производства. ВыпишитеСз табл. 9 значения предельно допустимых кон-

гается приготовить модельную смесь сточных вод гальванического

центраций (ПДК) для выбранных компонентов-загрязнителей, а также из табл. 10 выберите вещества, необходимые для введения в модельную смесь нужных компонентов-загрязнителей.

Вычислите молярную массу вещества, которое будет использовано для приготовления модельной смеси. Рассчитайте, какое количество реагента необходимо ввести в модельную смесь для достижения

величины ПДК по формуле

где mВ – масса реагента, необходимая для приготовления 1 дм3 раствора с ПДК=1; ПДК – табличное значение предельно допустимой концентрации

компонента-загрязнителя (табл. 9);

76

МВ – молярная масса реагента, которая будет использована для приготовления модельной смеси; МК – молярная масса компонента-загрязнителя.

Таблица 9

Основные вещества-загрязнители водных объектов и характерные источники загрязнений

Для того, чтобы рассчитать количество реагента, необходимое для приготовления 100 см3 модельной смеси с значением ПДК=1, следует массу вещества, рассчитанную по формуле (6.1), разделить на 10:

Далее следует выбрать, во сколько раз будет превышено значение ПДК в модельной смеси для каждого компонента и умножить значение массы вещества m100 на это число. Это и будет величина навески, необходимая для приготовления модельной смеси.

Такой расчет производится по каждому компоненту, выбранному для приготовления модельной смеси сточных вод. Результаты расчета представить в виде таблицы (пример оформления табл. 11).

Под руководством преподавателя взвесить необходимое количество реагентов на часовом стекле на аналитических весах, количественно, то есть без потерь, перенести с помощью воронки навеску в мерную колбу объемом 100 см3, смывая вещество с часового стекла и воронки небольшими порциями дистиллированной воды. После того

ПриготовленнуюСмодельную смесь сдать для проверки преподавателю с указанием того, какие именно компоненты содержатся в ней.

Приготовленные смеси использовать для выполнения лабораторной работы № 9 «Экспресс-анализ модельной смеси сточных вод».

Контрольные вопросы и задания

1.Что называется нормированием качества окружающей среды?

2.Какие нормативы качества окружающей среды вы знаете?

3.Какие виды нормативов качества окружающей среды существуют для охраны от загрязнения атмосферного воздуха?

78

4.Перечислите и дайте определение нормативам качества для водоемов.

5.Назовите основные направления экологизации производственных процессов.

6.Какие методы очистки газовых выбросов вы знаете?

7.Какие методы снижения уровня загрязнения сточных вод вам известны?

Лабораторная работа № 9

Экспресс-анализ модельной смеси сточных вод

Цель работы: ознакомиться с основными методами экспресс-

чественного определения суммарного содержания 2- и 3- валентного

железа, активного хлора, хромат- и нитрат-ионов. Колориметрические шкалы для полуколичественного определения содержания ионов меди, никеля и трехвалентного железа; нитрат кадмия Cd(NO3)2, перекись водорода Н2O2, гидроксид натрия NaOH, часовые стекла, пинцет,

деленного типаСпромышленногои предприятия с указанием содержащихся в ней компонентов-загрязнителей.

Опыт 1. Определение суммарного содержания железа с помощью «феррум-теста»

От полоски индикаторной бумаги отрезать небольшой рабочий участок размером не менее 5х5 мм. Не снимая полимерного покрытия, опустить индикаторную полоску на 5-10 с в исследуемый раствор. Через 5 мин сравнить окраску индикаторной бумаги с контрольной шкалой, прилагаемой к тесту. За результат принимают значение концентрации, соответствующее ближайшему по окраске образцу шкалы. При промежуточной окраске за результат принимают соответствующий интервал концентраций.

79

Опыт 2. Определение содержания хромат-ионов с помощью «хромат-теста»

При значениях pH от 2 до 5 от полоски индикаторной бумаги отрезают рабочий участок размером не менее 10х10 мм. На рабочий участок наносят каплю анализируемого раствора до образования равномерного смоченного пятна и через 3 мин сравнивают окраску индикаторной бумаги с контрольной шкалой.

Опыт 3. Определение содержания нитрат-ионов с помощью «нитрат-теста»

Отрезать от индикаторной полоски рабочий участок размером 5х5 мм. Не снимая полимерного покрытия, погрузить участок в исследуемый раствор на 5-10 с. Через 3 мин сравнить окраску рабочего

Опыт4.Определениехлора спомощьютеста«активныйхлор»

номерно смоченного пятна. Сразу жеДсравнить окраску рабочего участка с контрольной шкалой.

Отрезать от индикаторной полоски бумаги рабочий участок 10х10 мм, нанести каплю исследуемого раствора до образования рав-

метрическую шкалу,исодержащуюбАгексацианоферрат (+2) меди. 1 мл исследуемого раствора помещают в пробирку, добавляют к нему 2 мл дистиллированнойСводы 1 каплю 0,5 молярного раствора гексацианоферрата (+2) кал я K4[Fe(CN)6]. Раствор приобретает коричневую окраску. Окраску раствора сравнивают с колориметрической шкалой, принимая за результат содержание ионов меди в той пробирке, цвет раствора в которой ближе всего к цвету исследуемого раствора.

Опыт 5. Определение содержания ионов меди

Для определения содержания ионов меди используют колори-

Опыт 6. Определение содержания ионов никеля

Для определения содержания ионов никеля используют колориметрическую шкалу, содержащую различные количества диметилглиоксимата никеля. К 1 мл исследуемого раствора добавляют 2 капли 1% спиртового раствора диметилглиоксима, затем 2 мл воды и 2 капли концентрированного раствора аммиака. Образуется розовый осадок, который при интенсивном перемешивании раствора окрашивает весь раствор в розовый цвет. Путем сравнения с колориметрической шкалой определяют содержание ионов никеля в исследуемом растворе.

80

Опыт 7. Определение содержания ионов 3-валентного железа

В пробирку помещают 1 мл исследуемого раствора, 2 мл дистиллированной воды и 1 каплю 0,5 молярного раствора роданида калия KCNS. Раствор приобретает красную окраску. Сравниваем пробирку с исследуемым раствором с колориметрической шкалой, приготовленной на основе роданида железа Fe(CNS)3. За результат принимаем значение, ближайшее по цвету к одной из пробирок колориметрической шкалы.

Содержание двухвалентного железа вычисляют по разности суммарного содержания железа, определенного с помощью «феррумтеста», и содержания трехвалентного железа, определенного по колориметрической шкале.

Опыт 8. Обнаружение в растворе сульфидИ-ионов

Нормативы не допускают содержания в воде сульфид-ионов, поэтому наличие или отсутствие этихДионов обнаруживаем качественной реакцией с нитратом кадмия. При наличии в растворе даже незначительного количества сульфид-ионов раствор после добавления капли нитрата кадмия приобрететАжелтоватую окраску или появится легкое помутнение. Если в растворе высокая концентрация сульфид-ионов, то образуетсябжелтый осадок сульфида кадмия.

Опыт 9. Определение содержания трехвалентного хрома

После того, как про зведено определение хромат- и бихроматионов, приступаютСк определению ионов трехвалентного хрома. Для этого к 1 мл исследуемого раствора добавляют по каплям 2 молярный раствор гидроксида натрия до образования осадка гидроксида хрома, далее добавляют избыток щелочи для полного растворения гидроксида и образования гидроксокомплексов. Добавляют 1 каплю 30%-ного или 10 капель 3%-ного раствора перекиси водорода Н2О2 и нагревают. Образуется желтый раствор хроматов. Далее определение проводят с помощью «хромат-теста», как описано выше. За результат принимают разность между определением суммарного содержания хромат-ионов (в том числе и после перевода трехвалентного хрома в хроматы) и первоначальным количеством хроматов, определенных в начале работы.

Результаты определения записывают в табл. 12.

81

По результатам работы сделать вывод о возможном источнике пробы сточной воды.

Контрольные вопросы

1. Какой реактив используется для качественного определения ионов меди?

2. Что собой представляет колориметрическая шкала?

3. Ионы какого металла можно определить с помощью роданида ка-

для студентов механическихС, строительных, экономических направлений и специальностей : учебное пособие /В.А. Хомич, О.В. Плешакова, С.А. Эмралиева, О.И. Корниенко. – Омск : СибАДИ, 2012. – 168 с.

5. Бондаренко, В.В. Общая экология : практикум лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 656600 «Инженерная защита окружающей среды» / В.В. Бондаренко ; Урал. гос. ун-т путей сообщения. – Екатеринбург : УрГУПС, 2004. – 25 с.

6. Анализ модельной смеси сточных вод промышленного типа : методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Экология» для специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды» / сост. : И.В. Каткова, Е.В. Шаповалова. − Омск : СибАДИ, 2007 – 28 с.

82

Приложение

Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования