Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Технология пищевых производств и биотехнология»

Е.Ю. РУДЕНКО

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ, ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

В БИОТЕХНОЛОГИИ

Лабораторный практикум

Самара Самарский государственный технический университет

2018

1

Издается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от

31.03.2017 г.)

УДК 579 (076.5)

ББК 28я73

Р 830

Руденко Е.Ю.

Р 830 Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии: лабор. практ. / Е.Ю. Руденко. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2018. – 51 с.

Рассмотрены методы определения содержания углекислого газа в воздухе рабочей зоны, бихроматной окисляемости природных вод и емкости катионного обмена почвы; методы исследования свойств активного ила; способы проведения механической, химической и физико-химической очистки сточных вод; адсорбционная очистка сточных вод, содержащих тяжелые металлы; методы оценки состояния почв, загрязненных отходами.

Предназначен для магистров, обучающихся по направлению 19.04.01 «Биотехнология». Может быть интересен для преподавателей, специалистов биотехнологических отраслей промышленности, научных работников и аспирантов, интересующихся современными проблемами экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии.

УДК 579 (076.5)

ББК 28я73

Р 830

Рецензент канд. фарм. наук, доцент З.Е. Мащенко

2

ВВЕДЕНИЕ

В лабораторном практикуме рассмотрены методы определения содержания углекислого газа в воздухе рабочей зоны, бихроматной окисляемости природных вод и емкости катионного обмена почвы; методы исследования свойств активного ила; способы проведения механической, химической и физико-химической очистки сточных вод; адсорбционная очистка сточных вод, содержащих тяжелые металлы; методы оценка состояния почв, загрязненных отходами.

Материал предназначен для магистрантов факультета пищевых производств, обучающихся по направлению подготовки 19.04.01 «Биотехнология», и выполнен в соответствии с требованиями образовательного стандарта для данного направления.

Практикум включает девять лабораторных работ по основным разделам курса «Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии».

3

Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

В ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

Углекислый газ, или диоксид углерода (СО2), представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха, в полтора раза тяжелее воздуха. При сильном охлаждении он кристаллизуется с образованием белой снегоподобной массы – « сухого льда».

Большое количество углекислого газа выделяется в результате естественных процессов, происходящих в природе в различных экобиоценозах. Диоксид углерода образуется в процессах горения, брожения или гниения в результате окисления разнообразных органических веществ, он содержится в воздухе, выдыхаемом животными и людьми. Большие объемы углекислого газа поступают в атмосферу при сжигании огромных количеств топлива в результате работы автотранспорта и промышленных предприятий. Наряду с образованием диоксида углерода в результате разложения (диссимиляции) сложных органических веществ в природе активно происходит процесс потребления (ассимиляция) углекислого газа. Диоксид углерода активно поглощают растения в ходе процесса фотосинтеза, он также вымывается осадками.

Углекислый газ нетоксичен, но превышение допустимого количества углекислого газа во вдыхаемом воздухе может негативно отразиться на состоянии здоровья и самочувствии людей. Уже при концентрации 0,1 % CO2 во вдыхаемом воздухе человек начинает чувствовать слабость и сонливость. Увеличение содержания диоксида углерода во вдыхаемом воздухе до 2–4 % вызывает у людей легкую степень отравления углекислым газом, которая проявляется в виде общей слабости, повышенной сонливости и головной боли, снижения работоспособности. Повышение концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 5–8 % вызывает среднюю степень отравления, которая характеризуется раздражением слизистой оболочки дыхательных путей и органов зрения, понижением температуры тела, по-

4

вышением артериального давления, учащением и углублением дыхания. Симптомами средней степени отравления диоксидом углерода являются тошнота, одышка, головная боль, головокружение, сердцебиение, чувство жара, чрезмерная возбудимость, шум в ушах.

Повышение концентрация CO2 до 10 % может привести к развитию симптомов удушья, проявляющихся в виде общей слабости, головной боли, головокружения, чувства стеснения в груди, расстройства слуха и потери сознания, которые характерны для тяжелой степени отравления углекислым газом. Более высокие дозы диоксида углерода считаются смертельными и грозят летальным исходом от остановки дыхания.

Содержание углекислого газа является санитарным показателем, который позволяет оценить степень чистоты воздуха в рабочей зоне исследуемого помещения.

Экспресс-метод определения концентрации диоксида углерода в воздухе основан на реакции взаимодействия углекислого газа с раствором гидрокарбоната натрия [10].

Цель работы

Освоить методы определения содержания углекислого газа в рабочей зоне и определения вентиляционного объема воздуха.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Стеклянный или пластиковый шприц с градуировкой до 100 мл, 0,005%-ный раствор гидрокарбоната натрия с фенолфталеином.

Последовательность выполнения работы

1. Экспресс-метод определения концентрации углекислого газа в

воздухе рабочей зоны

В шприц вместимостью 100 мл набрать 20 мл раствора гидрокарбоната натрия, содержащего индикатор фенолфталеин, имеющий розовую окраску. После этого в тот же шприц набрать 80 мл воздуха. Содержимое шприца встряхивать в течение 1 мин.

5

Если не произошло обесцвечивания розовой окраски раствора гидрокарбоната натрия с фенолфталеином, воздух из шприца осторожно выдавить, затем снова набрать 80 мл воздуха. Встряхивать содержимое шприца в течение еще 1 мин. Если снова не произошло обесцвечивания раствора гидрокарбоната натрия, процедуру необходимо повторить еще несколько раз. Воздух в шприц следует набирать небольшими порциями объемом 10-20 мл, после этого встряхивая шприц в течение 1 мин. Произведя расчет общего объема воздуха, необходимого для обесцвечивания раствора гидрокарбоната натрия, содержащего фенолфталеин, определить концентрацию углекислого газа в воздухе рабочей зоны по табл. 1.1.

Таблица 1.1

Зависимость концентрации углекислого газа в воздухе от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005%-ного раствора гидрокарбоната натрия

2. Определение вентиляционного объема воздуха

Необходимый вентиляционный объем воздуха, т.е. объем свежего воздуха, который необходимо подавать в помещение на одного человека, чтобы содержание диоксида углерода не превысило допустимого уровня (0,1 %), вычислить по формуле (1.1).

Коэффициент вентиляции, показывающий сколько раз в течение 1 часа воздух помещения должен смениться, чтобы содержание углекислого газа не превысило допустимого уровня, вычислить по фор-

муле (1.2).

6

Воздушный куб, приходящийся на одного человека (физиологическая норма – 15–20 м3 на человека в час, гигиеническая норма – 4,5–5 м3 на одного человека) вычислить по формуле (1.3).

Получаемые результаты

Необходимый вентиляционный объем воздуха вычислить по формуле

где VОВ – необходимый вентиляционный объем воздуха, м3/ч;

VСО2 – объем углекислого газа, выдыхаемый одним человеком за один астрономический час при спокойной сидячей работе, л/ч (для взрослого человека среднее значение VСО2 составляет 22,6 л/ч);

Vпр – предельно допустимое содержание углекислого газа в воздухе помещения (0,1 % или 1 л/м3);

Vис – концентрация углекислого газа в исследуемой зоне (% или л/м3).

Коэффициент вентиляции вычислить по формуле

n – количество человек, находящихся в исследуемой рабочей зоне [10].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

7

Контрольные вопросы

1.Каковы физические и химические свойства углекислого газа?

2.Каковы источники поступления углекислого газа в атмосферу?

3.Каким образом осуществляется ассимиляция углекислого газа в природе?

4.Что происходит с человеком при незначительном повышении концентрации углекислого газа в воздухе рабочей зоны?

5.При какой концентрации в воздухе рабочей зоны наступает легкая степень отравления углекислым газом?

6.Каковы симптомы легкой степени отравления диоксидом углерода?

7.При какой концентрации в воздухе рабочей зоны наступает средняя степень отравления углекислым газом?

8.Каковы симптомы средней степени отравления диоксидом углерода?

9.При какой концентрации в воздухе рабочей зоны наступает тяжелая степень отравления углекислым газом?

10.Каковы симптомы тяжелой степени отравления диоксидом углерода?

11.Какова летальная концентрация диоксида углерода в воздухе?

12.На чем основан экспресс-метод определения концентрации диоксида углерода в воздухе?

13.Как определить концентрацию углекислого газа в воздухе рабочей зоны экспресс-методом?

14.Каким образом можно определить вентиляционный объем воздуха?

15.Как можно рассчитать воздушный куб?

16.Каким образом можно определить коэффициент вентиляции?

8

Лабораторная работа № 2 МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Механическая очистка позволяет удалить из сточных вод нерастворенные грубодисперсные минеральные и органические примеси. Механическую очистку используют на первых стадиях практически всех схем очистки сточных вод. Она позволяет предварительно очистить сточные воды и подготовить их к дальнейшей очистке, которую обычно проводят биологическими или физико-химическими методам. Механическая очистка позволяет удалить 70–95 % взвешенных частиц и 20– 25 % органических загрязнений, содержащихся в сточной воде. Сооружения, используемые для механической очистки сточных вод, представляют собой решетки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей, песка), отстойники и ловушки (для медленно оседающих и плавающих примесей), фильтры (для мелких нерастворенных примесей) [3, 5, 9].

Решетки позволяют удалить из сточных вод крупные взвешенные частицы органического и минерального происхождения. Сита используют для более полного избавления сточных вод от содержащихся в них грубодисперсных примесей. Загрязнения сточных вод, задержанные на решетках и ситах, обычно дробят, смешивают с осадками других очистных сооружений и направляют на совместную переработку, либо вывозят на полигоны, предназначенные для утилизации твердых бытовых и промышленных отходов [4].

Песколовки используют для удаления из сточных вод тяжелых примесей минерального происхождения, главным образом песка, шлака, боя стекла и т.п. [4]. Применение песколовок при очистке сточных вод необходимо потому, что при совместном выделении примесей минерального и органического происхождения появляются серьезные трудности в процессе удаления осадка, образующегося в первичных отстойниках. Песколовки задерживают до 60–70 % песчинок с диаметром более 0,2–0,25 мм и другие наиболее тяжелые загрязнения минерального происхождения. Оставшийся песок затем

9

извлекают в отстойниках [5]. Частицы, загрязняющие сточные воды, задержанные в песколовках, сначала обезвоживают, а затем складируют или используют в дорожных работах [5, 7].

Ловушки позволяют удалить с поверхности воды гидрофобные вещества (например масла и нефтепродукты).

Отстаивание – это процесс выделения из раствора одного или нескольких компонентов взвешенных частиц органических и минеральных примесей в виде твердого осадка осаждением или всплыванием под действием гравитационных сил, при этом частицы с плотностью меньшей, чем плотность воды, движутся вверх, с большей – вниз. Отстаивание является одним из самых дешевых и простых методов удаления дисперсных примесей из сточных вод [7].

Отстойники являются основным и наиболее распространенным типом очистных сооружений. Их используют практически во всех схемах очистки сточных вод [5, 7]. Области применения и назначения некоторых отстойников приведены в табл. 2.1 [5].

Первичные отстойники обычно применяют для удаления взвешенных частиц и осветления сточных вод перед их биологической очисткой. Вторичные отстойники используют для осветления сточных вод после их биологической очистки и с целью их рецикла на биологическую очистку для увеличения концентрации ила и окислительной (сбраживающей) способности биореактора [5].

По направлению движения основного потока сточных вод отстойники подразделяются на три основных типа: горизонтальные (сточные воды движутся в горизонтальной плоскости), вертикальные (сточные воды движутся снизу вверх) и радиальные (сточные воды движутся от центра к периферии) [7].

Отстаивание бытовых сточных вод позволяет удалить около 40– 60 % взвешенных частиц размером от 10 до 50 мкм и приблизительно 30 % органических веществ [5].

Осаждение взвешенных частиц органических и минеральных примесей, загрязняющих сточные воды, под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

10