Промышленное загрязнениебиосферы

Материальное (механическое,

химическое, биологическое)

Энергетические

Сточные воды

Твердые отходы

Выбросы в атмосферу

Тепловые выбросы

Шум, вибрация, ультразвук

Электромагнитные поля

Световое излучение

Ионизирующее излучение

Газо- и паро-образные

Жидкие

Твердые

Смешанные

К механическим загрязнениямотносятся аэрозоли, твердые тела и частицы в воде и почве.Химические загрязнения– разнообразные жидкие, твердые и газообразные соединения, вступающие во взаимодействие с компонентами биосферы.Биологические загрязнения– проникновение в экосистемы и технологические устройства чуждых им растений, животных и микроорганизмов (бактериологическое). Особенно загрязняют среду предприятия, производящие антибиотики, ферменты, биоконцентраты и т.д. В выбросах этих предприятий присутствуют живые клетки микроорганизмов. К биологическим загрязнениям можно отнести интродукцию, чрезмерную экспансию живых организмов (крысы, голуби, вороны и др.). Кэнергетическим загрязнениямотносятся все виды энергии: тепловая, механическая (вибрация, шум, ультразвук), световая (видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение), электромагнитные поля, ионизирующие излучения (альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское и нейтронное) – как отходы разнообразных производств. Некоторые виды отходов, например, радиоактивные, являются одновременно материальными и энергетическими.

Для снижения уровня энергетических загрязнений применяются в основном, экранирование источников шума, электромагнитных полей и ионизирующих излучений, поглощение шума, демпфирование и динамическое гашение вибраций.

Источники загрязнения биосферы подразделяются на сосредоточенные – точечные (например, заводская труба), линейные (автомагистраль) и рассеянные (свалки); а также непрерывного действия, периодического действия и аварийные.

Основными причинами разрушения биосферы являются следующие факторы:

1. Демографический взрыв.

2. Урбанизация населения.

3. Научно-технический прогресс, рост потребления энергии, промышленной продукции и использования средств транспорта.

4. Интенсификация сельскохозяйственного производства.

5. Ошибки планирования хозяйственной деятельности.

6. Аварии, катастрофы, военные действия и т.д.

Кроме того, на состояние биосферы определенное влияние оказывает низкий уровень системы контроля за состоянием природной среды и выбросами промышленных объектов; отсутствие совершенного законодательства в области охраны окружающей среды и правовых актов, регламентирующих природоохранную деятельность; низкий уровень экологического образования на всех этапах обучения и особенно в системе подготовки инженерных кадров, несущих прямую ответственность за неэкологичность эксплуатируемых технологий и машин.

Основная литература по теме: 1,2

Дополнительная литература по теме: 2, 3, 9, 10

12. Тема 3. Защита биосферы от загрязнений

13. Атмосфера

14. Состав и строение атмосферы.

15. Основные источники загрязнения атмосферы, основные загрязняющие вещества. Последствия загрязнения атмосферного воздуха промышленными выбросами: парниковый эффект, «озоновые дыры», смог, кислотные дожди. Система ПДВ (предельно допустимых выбросов) вредных веществ.

16. Средства защиты атмосферы. Рассеивание вредных веществ отведением выбросов на большую высоту. Основные методы очистки газовых выбросов. Совершенствование технологии как основной способ уменьшения количества газообразных выбросов промышленных предприятий.

Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов. Сухой воздух вблизи земной поверхности по объему будет содержать 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа. Количество остальных газов: водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, радона, озона, метана и др. - незначительно.

Вертикальное строение атмосферы. Область, прилегающую к земной поверхности, называют тропосферой. Высота ее составляет 12-20 км, верхняя граница называется тропопаузой. В тропосфере сосредоточено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар. В ней протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки.

Следующий слой атмосферы - стратосфера, она была открыта в начале ХХ века. Верхняя граница стратосферы 50-55 км. Своим существованием стратосфера обязана только одному газу - озону. Слой повышенной концентрации озона в стратосфере служит экраном, не пропускающим к земной поверхности губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца. Озоновый слой поглощает инфракрасные лучи, несущие тепловую энергию от поверхности Земли в космос.

Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой до высоты 85-90 км. Над ней располагается термосфера (верхняя граница 400 км). В термосфере газы очень разряжены. Наиболее интересной особенностью термосферы является ее ионизация, т.е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц - ионов. Т.к. ионизация газов является характерной для нижней части термосферы, ее называют ионосферой. Самая внешняя область атмосферы состоит из атомарного водорода. Это так называемая водородная геокорона.

Атмосферные загрязнения принято подразделять на естественные(пыль и газы растительного, вулканического, космического происхождения, туман, дым и газы лесных и степных пожаров, пыльные бури), иантропогенные- загрязнения, образующиеся в результате деятельности человека.

На сегодняшний день основными промышленными загрязнениями атмосферы являются оксиды серы и азота, оксид углерода, сероводород, углеводороды, пары кислот, пыль и «шумовые» загрязнения. Высокие концентрации примесей и их миграция в атмосферном воздухе приводит к образованию более токсичных соединений или к таким явлениям, как «парниковый эффект», кислотные дожди и смог.

Источники и основные группы загрязняющих веществ атмосферы.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят такие отрасли промышленности как тепловая энергетика, автотранспорт, черная и цветная металлургия; химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, целлюлозно-бумажная и деревообрабатывающая промышленность, производство цемента и стройматериалов.

В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, промышленные комплексы по производству мяса и т.д.

17. Особую проблему представляет автомобильный транспорт.

Для предотвращения и максимального снижения загрязнения атмосферного воздуха вводятся нормативы непосредственно на величину выброса из каждого источника (труба, шахта и т.д.). При этом основным нормативом остается ПДК, а величина предельно-допустимых выбросов (ПДВ) служит для облегчения контроля за выбросами предприятий.

ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени, которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающей значение ПДК. Единицы измерения - г/сек, мг/сек, т/год и т.п. ПДВ является научно-техническим нормативом для конкретного источника загрязнения, обязательный для данного предприятия.

Величины ПДВ пересматриваются не реже одного раза в пять лет.

18. Если в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина ПДВ по объективным причинам не может быть достигнута, то фактический выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).

19. Средства защиты атмосферы. В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы: 1) взвешенные частицы и аэрозоли твердых веществ пыль, дым; жидкостей - туман; 2) газообразные и парообразные вещества.

Выбор методов очистки промышленных выбросов и аппаратурное оформление этих методов зависит от состава, свойств и концентрации загрязняющих веществ и требуемой степени очистки.

К сожалению, не для всех видов производств и технологических процессов разработаны способы очистки газов. В некоторых случаях это требует больших затрат, поэтому часто загрязненные выбросы отводят на большую высоту. При этом выбрасываемые вредные вещества, достигая приземного пространства, рассеиваются, их концентрации снижаются до предельно-допустимых. Наиболее распространено отведение загрязнителей на большую высоту с помощью труб, которые в отдельных случаях достигают высоты 350 м и более. Расчет высоты трубы будет приведен на практическом занятии.

Для отведения выбросов на большую высоту используются не только высокие трубы, но и так называемые факельные выбросы, представляющие собой конические насадки на выхлопном отверстии, через которые загрязненные газы выбрасываются вентилятором с большой скоростью (20-30 м/с). Применение факельных выбросов создает меньшие единовременные затраты, но вызывает больший расход электроэнергии. Отведение вредных веществ на большую высоту с помощью высоких труб или факельных выбросов не уменьшает загрязнение ОС, а лишь приводит к их рассеиванию. При этом концентрация вредных веществ в воздушной среде у места выброса может оказаться меньше, чем на большом расстоянии.

Методы очистки газов обусловливаются физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом и концентрацией. Рассмотрим кратко методы очистки газовых выбросов.

Очистка от аэрозолей производится в основном механическимиифизическимиметодами. Механические делятся на сухие и мокрые. К сухим относятся: гравитационное осаждение взвешенных частиц при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока; инерционное осаждение, основанное на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока; центробежное осаждение, основанное на действии центробежной силы, возникающей при вращении газа в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата; фильтрование через тканевые и волокнистые фильтры. Мокрые методы являются универсальными для очистки газа от частиц пыли, дыма и тумана. Они основаны на промывании газа жидкостью (водой) в аппаратах мокрой очистки, башнях с насадками, орошаемых циклонах, пенных аппаратах, скрубберах Вентури, и др. Высокой эффективностью улавливания частиц отличаются пленочные аппараты (пыле- и золоулавливание пленками жидкости, сепарация брызг в тарельчатых и ректификационных аппаратах.

Физическиеметоды – это осаждение в электрическом поле и акустическая коагуляция.

Метод электростатической очистки основан на заряжении взвешенных частиц аэрозоля в поле высокого напряжения и осаждения их на заземленных электродах.

Метод акустической коагуляции применяют для интенсификации процессов очистки газов от мелкодисперсной пыли или тумана. Он основан на агрегировании мелких аэрозольных частиц при воздействии на очищаемый газ звуковым или ультрафиолетовым облучением.

Очистка от парообразных и газообразных соединений осуществляется методами абсорбции жидкостями, адсорбции твердыми поглотителями, а также методом каталитического окисления.

Метод абсорбции жидкостью основан на избирательной растворимости вредных веществ или на их взаимодействии с активными компонентами жидкого поглотителя (хемосорбента). Абсорбция жидкостями применяется для извлечения из газов диоксида азота, паров соляной и серной кислот, оксида углерода, диоксида серы, сероводорода, разнообразных органических соединений, летучих растворителей и др. В качестве абсорбентов применяется вода, растворы аммиака, щелочей, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, масла и др. Большинство абсорбционных процессов обратимо, что позволяет регенерировать абсорбент.

Адсорбция твердыми поглотителями основана на избирательном поглощении отдельных компонентов из парогазовой смеси с помощью адсорбентов, представляющих собой твердые зернистые материалы и большой удельной поверхностью. В качестве сорбентов используются активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Адсорбционными методами извлекают органические соединения, в первую очередь токсичные, а также пары ртути.

Каталитические методы очистки газа основаны на реакциях в присутствии твердого катализатора. В результате примеси превращаются в экологически безвредные соединения, либо в соединения, легко удаляемые из газа.

Термический метод применяется для высокотемпературного дожигания вентиляционных и других выбросов.

Наибольшая эффективность в защите воздушной среды от промышленных выбросов достигается при одновременном сочетании технологических, санитарно-технических и планировочных мероприятий.

Технологические мероприятия рассматриваются как основные, так как позволяют наиболее эффективно снижать и даже исключать выброс вредных веществ в атмосферу. К ним относят в первую очередь совершенствование технологического процесса и герметизация оборудования. Совершенствование технологического процесса идет по путям создания замкнутой технологии и организации промышленного производства по принципу "безотходной" технологии. В этих случаях возможно практически исключить выброс в атмосферу хвостовых газов, образующихся в промежуточных стадиях производства.

21. Гидросфера

22. Водные ресурсы Земли. Количество пресной воды, пригодной для использования. Водопотребление: сельскохозяйственное, промышленное и бытовое (питьевое). Деградация природных вод. Процессы самоочищения водоемов.

23. Основные источники загрязнения природных вод. Классификация и основные характеристики сточных вод. Система ПДС (предельно допустимых сбросов) загрязняющих веществ в водоемы.

24. Средства защиты гидросферы. Классификация и методы очистки сточных вод (механические, физико-химические, химические и биологические). Их применение и эффективность. Создание водооборотных циклов как основной путь снижения потребления воды питьевого качества в промышленности.

Гидросфера- это водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10^-3% общей массы планеты, при этом общая площадь морей и океанов в 2,5 раза превышает территорию суши. Количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете. Ее запасы распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды, 22,4% - грунтовые воды, 0,35% - атмосфера, 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать приходится всего 0,01% всей пресной воды на Земле.

В верхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды, как правило, залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, реках и болотах.

Вода – единственная природная жидкость, имеющаяся на поверхности Земли в огромном количестве. Она находится не только в гидросфере, но и в атмосфере, и в литосфере. Это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

По количеству солейвода делится на: пресную (менее 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (более 25 г/л солей). Например, в океане – 35 г/л, в обычной пресной воде – 300-450 мг/л.

Среди насущных проблем человечества проблема воды стоит на первом месте. Больше всего воды потребляется сельским хозяйством. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет. Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых для снижения засоленности рек, используется посадка лесов. Воды, используемые в мелиорации, в результате неправильной распашки земель также могут оказаться в реках. Ее минерализация при этом достигает 20 г/л. Огромный вклад в засоление воды вносит сброс промышленных стоков.

Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды.

Водоемы представляют собой сложную экосистему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов и, в дальнейшем, к гибели всей экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К ним относятся:

- осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

- окисление (минерализация) органических примесей;

- окисление минеральных примесей кислородом;

- нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

- гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:

- процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;

- источники загрязнения водоемов более разнообразны;

- естественные процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся действию загрязнений, более чувствительны сами по себе и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере.

Основными источниками загрязненияповерхностных и подземных природных вод являются:

- предприятия черной и цветной металлургии;

- нефтеперерабатывающая промышленность

- химическая промышленность

- легкая промышленность, особенно текстильное производство и процессы дубления кожи.

- городские (преимущественно - бытовые) сточные воды – это вода из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, столовых, прачечных;

- целлюлознобумажная и лесохимическая промышленность.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:

1) атмосферные воды (или ливневые), несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы веществ. Особенно опасны стоки с городских улиц, промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, мусора, фенола, кислот.

2) бытовыесточные воды, включающие преимущественно стоки, содержащие фекалии, детергенты, микроорганизмы, в том числе патогенные;

3) промышленныесточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Являются наиболее опасными отходами, т.к. содержат целый спектр вредных веществ – ксенобиотиков.

Для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду сточные воды (как бытовые так и промышленные) подвергаются очистке.

В настоящее время существует большое количество методов очистки сточных води различные виды их классификации. В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, принято все существующие методы классифицировать на четыре группы: механические, физико-химические, химические и биологические.

Механическая очисткасточных вод применяется для удаления из стоков твердых и жидких нерастворимых примесей.

Основными процессами механической очистки являются:

1) процеживание сточной воды на решетках и сетках для выделения крупных кусков примесей и посторонних предметов;

2) улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;

3) отстаивание для удаления нерастворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических веществ, не задерживаемых решетками и песколовками;

4) удаление твердых взвешенных частиц инерционными методами в гидроциклонах и центрифугах;

5) фильтрование через различные фильтры для задержки тонкодисперсных взвесей.

Тот или иной процесс механической очистки или комбинацию их применяют в зависимости от свойств примесей и необходимой степени их выделения.

Физико-химические методыиграют значительную роль при очистке ПСВ, применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Эти методы используются для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, флотация, ионный обмен, гиперфильтрация и электрохимические методы.

Коагуляция- это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов.

Сущность флокуляциизаключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса коагуляции.

Флотация- это процесс выделения мелкодисперсных загрязнений из воды с диспергированными пузырьками воздуха. Флотация применяется для удаления из СВ нефти, нефтепродуктов, масел, волокнистых материалов, ПАВ-ов. Принцип флотации заключается в том, что диспергированные в суспензии пузырьки воздуха прилипают к частицам взвеси и всплывают вместе с ними на поверхность жидкости, образуя на ней пену, которая может быть далее удалена различными методами. Выделяют следующие методы флотационной обработки ПСВ: флотация с выделением воздуха из раствора; флотация с механическим диспергированием воздуха; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация; химическая флотация.

Ионный обмен- процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы - ионитами. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты.

Гиперфильтрация(обратный осмос) - непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие молекулы или ионы растворенного вещества. Используются полимерные мембраны в виде пленки, вода после очистки может быть возвращена в оборотную систему водоснабжения, а концентрат подлежит дальнейшей утилизации.

Существует четыре основных электрохимических методадля очистки сточных вод:

- электролиз сточных вод (СВ) с использованием растворимых железных или алюминиевых электродов - анодов (электрокоагуляция);

- удаление растворимых примесей с использованием анодного окисления и катодного восстановления;

- электролиз с использованием полупроницаемых мембран (электродиализ);

- электрофлотация.

Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Основной недостаток - большой расход электроэнергии, а достоинство - возможность извлечения из СВ ценных продуктов при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основными методами химической очисткиСВ являются нейтрализация, окисление и восстановление. Ее применяют как метод глубокой очистки ПСВ с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения различных компонентов. Способынейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных СВ; нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная содаNaCO₃, аммиачная вода и др.); фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, мел, магнезит); В результате нейтрализации активная реакция водной среды приближается к рН=7. Выбор метода нейтрализации определяется различными факторами.

Окислительныйметод очистки СВ применяется для их обезвреживания, при содержании в них таких соединений, как цианиды, сероводород, сульфиды, соединения мышьяка и др. Для очистки СВ используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и т.д. В процессе окисления загрязнения, содержащиеся в СВ, в результате химических реакций переходят в менее токсичные и удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только в случаях, когда нецелесообразно или нельзя извлечь загрязняющие вещества другими методами.

Метод восстановленияоснован на восстановлении легко восстанавливаемых веществ - соединений ртути, хрома, мышьяка. В качестве восстановителей могут быть использованы активированный уголь, сульфат закисного железа, бисульфат натрия (используется наиболее часто на практике), водород.

Биологическая очисткаСВ применяется для выделения из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ и основана на способности микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.) (в качестве пищи). Процесс реализуется как в аэробных, так и в анаэробных условиях (т.е. без доступа кислорода).

Создание водооборотных цикловявляется одним из главных направлений охраны и рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выбросов загрязненных стоков в водоемы, а расход свежей воды связан лишь с естественной ее убылью (испарение, брызгоунос). В настоящее время доля оборотного водопотребления в промышленности составляет 86 %.

В настоящее время применяют три основные схемы водооборотных циклов. При этом вся вода в процессе производства может только нагреваться, либо только загрязняться или нагреваться и загрязняться одновременно. В первом случае ее охлаждают только в градирне или в другом аппарате, во втором – подвергают очистке, а в третьем – очищают и охлаждают, после чего она вновь поступает в производство.