Oxorona_atmosfernogo_povitria / Vetoshkun_Injhenernuy_zaxust_NS

УДК 628.5 ББК 20.1

Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы). Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - с.: ил., библиогр. 24 назв.

Рассмотрены основные закономерности инженерной защиты окружающей среды, приведены классификация и характеристики основных видов загрязнений, даны классификации методов и процессов защиты атмосферы, гидросферы, литосферы от химических и физических видов загрязнений. Рассмотрены основы гидромеханических, массообменных и тепловых процессов защиты атмосферного воздуха от аэрозолей, вредных газов и паров, очистки сточных вод от примесей, защиты литосферы от отходов, изложены вопросы разбавления загрязненных выбросов и сбросов путем их рассеивания в атмосфере и разбавления в гидросфере, приведено описание основных химических, физико-химических и биохимических процессов очистки сточных вод и защиты литосферы от отходов, рассмотрены механические процессы переработки жидких и твердых отходов, изложены теоретические основы процессов защиты от энергетических воздействий.

Учебное пособие, подготовленное на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности» Пензенского государственного университета, предназначено для подготовки специалистов по направлению 280200 «Защита окружающей среды» со степенью (квалификацией) «Бакалавр техники и технологии» и инженеров-экологов по специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды» при изучении дисциплины ГОС «Теоретические основы защиты окружающей среды». Оно может быть использовано в качестве дополнительной учебной литературы при изучении дисциплины «Экология» студентами других инженерных специальностей.

Рецензенты:

Кафедра «Инженерная экология» Пензенского технологического института, зав. кафедрой Таранцева К.Р., к.т.н., доцент, член-корресподент Нью Йоркской Академии наук.

Кандидат технических наук, профессор, академик МАНЭБ В.В.Арбузов (Пензенский филиал Международного независимого эколо- го-политологического университета).

Издательство ПГУ А.Г.Ветошкин

2

Содержание

Предисловие

Введение Глава 1. Основные физико-химические свойства

перерабатываемых веществ.

1.1.Агрегатные состояния веществ.

1.2.Свойства твердых тел.

1.3.Объединенный газовый закон.

1.4.Основные понятия и законы термодинамики.

1.5.Смачивание и капиллярные явления.

1.6.Коллоидные системы.

1.7.Поверхностные явления.

1.8.Растворенное состояние веществ.

1.9.Кинетика химических процессов.

1.10.Свойства переноса в многокомпонентных системах.

1.11.Кинетика гетерогенных процессов.

1.12.Составы многокомпонентных систем.

1.13.Структурно-геометрические характеристики пористых сред.

Глава 2. Характеристики загрязнений окружающей среды и основные методы ее защиты.

2.1.Показатели качества окружающей среды.

2.2.Источники загрязнения атмосферы.

2.3.Характеристики пылегазовых загрязнителей воздуха.

2.4.Основные свойства аэрозолей.

2.5.Вредные газы и пары.

2.6.Классификация вод и свойства водных дисперсных систем.

2.7.Классификация промышленных отходов.

2.8.Энергетическое загрязнение окружающей среды.

2.9.Основные процессы инженерной защиты окружающей среды от техногенных загрязнений.

2.10.Методы очистки пылевоздушных выбросов.

2.11.Способы очистки газовых выбросов.

2.12.Классификация способов очистки сточных вод.

2.13.Методы защиты литосферы.

2.14.Методы защиты от энергетических воздействий.

2.15.Принципы интенсификации процессов защиты окружающей среды.

Глава 3. Гидромеханические процессы очистки газовых выбросов и жидкостных сбросов.

3

3.1.Основные закономерности движения и осаждения аэрозолей.

3.2.Гравитационное осаждение аэрозолей.

3.3.Отстаивание сточных вод.

3.4.Инерционное осаждение частиц аэрозолей.

3.5.Центробежное осаждение частиц аэрозолей.

3.6.Центробежное осаждение примесей из сточных вод.

3.7.Фильтрование аэрозолей через пористые материалы.

3.8.Фильтрование сточных вод.

3.9.Гидромеханическое обезвоживание осадков сточных вод.

3.10.Фильтрование осадков сточных вод.

3.11.Центробежное фильтрование осадков сточных вод.

3.12.Процессы мокрой газоочистки.

3.13.Процессы рассеивания выбросов в атмосфере.

3.14.Диффузионные процессы рассеивания в атмосфере. 3.15.Распространение загрязнений в атмосфере. 3.16.Изменение концентрации примесей в атмосфере.

3.17.Разбавление примесей в гидросфере.

3.18.Разбавление сточных вод при спуске в водоемы. Глава 4. Процессы массообмена.

4.1.Абсорбция газовых примесей.

4.1.1.Растворы газов в жидкостях.

4.1.2.Равновесие впроцессах абсорбции.

4.1.3.Материальный баланс абсорбции.

4.1.4.Массоперенос в процессе абсорбции.

4.1.5.Кинетические закономерности абсорбции.

4.1.6.Схемы абсорбционных процессов.

4.1.7.Десорбция и дегазация растворенных примесей. 4.2. Адсорбция газовых примесей.

4.2.1.Теория адсорбции.

4.2.2.Адсорбенты.

4.2.3.Механизм процесса адсорбции.

4.2.4.Равновесие при адсорбции.

4.2.5.Кинетика адсорбции.

4.2.6.Жидкостная адсорбция примесей.

4.2.7.Десорбция из адсорбентов поглощенных примесей. 4.3. Экстракция загрязнений из растворов и твердых тел. 4.4. Кристаллизация веществ из растворов.

Глава 5. Химические процессы защиты окружающей среды. 5.1.Каталитические процессы очистки газовых выбросов.

5.1.1.Теория катализа.

5.1.2.Кинетика реакций гетерогенного катализа.

4

5.2.Химические процессы очистки сточных вод.

5.2.1.Нейтрализация сточных вод.

5.2.2.Окисление загрязнителей сточных вод.

5.2.3.Очистка сточных вод восстановлением.

5.2.4.Химическая очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов.

5.3.Дезодорация и химическая дегазация сточных вод.

Глава 6. Физико-химические процессы защиты окружающей среды.

6.1.Осаждение частиц аэрозолей в электрическом поле.

6.2.Термофорез взвешенных частиц аэрозолей.

6.3.Коагуляция в аэрозолях.

6.4.Физико-химические процессы очистки сточных вод.

6.4.1.Коагуляция и флокуляция загрязнений сточных вод.

6.4.2.Процессы флотационной очистки сточных вод.

6.4.3.Пенная сепарация поверхностно-активных веществ.

6.4.4.Процесс ионного обмена в растворах.

6.4.5.Обратный осмос и ультрафильтрация в растворах сточных вод.

6.4.6.Электрохимические процессы очистки сточных вод.

6.5.Физико-химические методы обработки жидких отходов. Глава 7. Биохимические процессы защиты окружающей среды.

7.1.Основные показатели биохимических процессов очистки сточных вод

7.2.Аэробный метод биохимической очистки.

7.3.Механизм биохимического распада органических веществ.

7.4.Кинетика биохимического окисления.

7.5.Анаэробные методы биохимической очистки.

7.6.Обработка осадков сточных вод.

Глава 8. Тепловые процессы защиты окружающей среды

8.1.Конденсация парообразных примесей.

8.2.Высокотемпературное обезвреживание газов.

8.3.Термические процессы обработки сточных вод.

8.3.1.Концентрирование растворов сточных вод.

8.3.2.Термоокислительное обезвреживание сточных вод.

8.4. Термические процессы обработки отходов.

8.4.1.Термическое обезвреживание минерализованных стоков.

8.4.2.Термическое кондиционирование осадков сточных вод.

8.4.3.Сушка влажных материалов.

8.4.4.Термохимическая обработка твердых отходов.

Глава 9. Механические процессы защиты литосферы.

9.1.Механическая переработка твердых отходов.

9.2.Обогащение при рекуперации твердых отходов

5

Глава 10. Процессы защиты окружающей среды от энергетических воздействий.

10.1.Теоретические основы защиты от энергетических воздействий.

10.2.Защита от механических и акустических колебаний.

10.3.Защита от ионизирующих излучений.

10.4.Защита от электромагнитных полей и излучений. Заключение Литература.

6

Предисловие

Цель курса «Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы)» состоит в получении необходимых знаний об основных методах и закономерностях физико-химических процессов защиты окружающей среды, основах технологий очистки пылегазовых выбросов, жидких сбросов, утилизации и переработки твердых отходов, о физических принципах защиты окружающей среды от энергетических воздействий.

Общими задачами курса «Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы)» являются:

-получение базовых знаний о физико-химических процессах, лежащих в основе очистки отходящих газов, сточных вод и утилизации твердых отходов;

-приобретение практических навыков расчета параметров физикохимических процессов очистки промышленных выбросов в атмосфере и стоков в гидросфере.

Место курса «Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы)» в профессиональной подготовке выпускника связано с созданием необходимой базы для понимания физико-химической сущности технологических процессов защиты окружающей среды.

Предметом изучения этого курса являются механические, физикохимические и физические процессы: осаждения и разделения гетерогенных систем, фильтрования, коагуляции, флокуляции, абсорбции, адсорбции, конденсации, флотации, жидкостной экстракции, ионного обмена, электрохимического окисления и восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации, пиролиза, огневого обезвреживания и др.

Курс теоретических основ процессов инженерной защиты окружающей среды состоит из введения и десяти разделов:

Раздел 1. Основные физико-химические закономерности защиты окружающей среды.

Раздел 2. Характеристики загрязнений окружающей среды и основные методы защиты.

Раздел 3. Гидромеханические процессы очистки выбросов и сбросов. Раздел 4. Процессы массообмена.

Раздел 5. Химические процессы защиты окружающей среды. Раздел 6. Физико-химические процессы защиты окружающей среды. Раздел 7. Биохимические процессы защиты окружающей среды. Раздел 8. Тепловые процессы защиты окружающей среды.

Раздел 9. Механические процессы защиты литосферы.

7

Раздел 10. Процессы защиты окружающей среды от энергетических воздействий.

Врезультате изучения этих разделов выясняется место и роль данной дисциплины в системе высшего экологического образования, ее связь с другими дисциплинами, приводятся примеры взаимосвязи защиты окружающей среды и физико-химических дисциплин, классификации основных методов и способов, физико-химической сущности основных процессов защиты окружающей среды, основ технологии природопользования и защиты окружающей среды, характеристик, рациональных областей и примеров применения.

Знание данной дисциплины необходимо для более глубокого усвоения курсов дисциплин «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», «Промышленная экология», дисциплин специализации, а также применения знаний дисциплин «Физика», «Химия», «Гидравлика и теплотехника»,

воснове которых лежат такие явления, как термохимические и фазовые превращения, процессы излучения, горения и ряд других физических и химических явлений.

Врезультате изучения курса студенты должны знать:

-основные физико-химические законы очистки аэрозолей, коллоидных систем, растворов и сточных вод;

-основные физико-химические процессы, лежащие в основе утилизации твердых промышленных отходов;

-принципы защиты окружающей среды от энергетических воздейст-

вий.

Уметь:

-объяснить с научной точки зрения явления, процессы, протекающие при очистке газовых выбросов в атмосфере, сточных вод в гидросфере и твердых отходов в литосфере;

-правильно выбрать метод и способ очистки атмосферы, гидросферы, литосферы при выбросе и сбросе в них промышленных отходов;

-проводить оценку основных параметров физико-химических процессов защиты окружающей среды;

-правильно выбрать метод защиты от энергетических воздействий.

Введение

Развитие цивилизации и современный научно-технический прогресс непосредственным образом связаны с природопользованием, т.е. с глобальным использованием природных ресурсов.

Природопользование - отрасль материального производства и наука, решающие и исследующие проблемы удовлетворения материальных по-

8

требностей человеческого общества, необходимых для его нормального воспроизводства, интеллектуально-духовного развития в течение неограниченно долгого времени на базе ограниченных природных ресурсов без деградации окружающей среды.

Составной частью природопользования является переработка и воспроизводство природных ресурсов, охрана их и инженерная защита окружающей среды (инженерная экология).

Инженерная экология – наука о взаимодействии технических и природных комплексов (природно-технических геосистем) и комплексная на- учно-техническая дисциплина, изучающая области проектирования, создания и управления ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных сооружений и промышленных производств, реализации инженерноэкологических решений по рациональному природопользованию и охраны окружающей среды.

Процессы инженерной защиты окружающей среды - комплексная научно-техническая дисциплина, изучающая теоретические основы создания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промышленных производств, реализации инженерно-экологических решений по рациональному природопользованию и защите окружающей среды.

С точки зрения современной науки, геофизическая оболочка Земли представляет собой ноосферу - сферу взаимодействия природы и общества, или систему «окружающая природная среда - человек – техника». Под "окружающей природной средой" или "окружающей средой" понимается совокупность естественных и измененных природных условий обитания человека и производственной деятельности общества.

В процессе бытовой и производственной деятельности человеческое общество неизбежно влияет на окружающую среду, которая немедленно или через определенный промежуток времени реагирует на это влияние и оказывает обратное положительное, а чаще отрицательное действие.

Деятельность человека все глубже проникает в биосферу - область активной жизни оболочки Земли, включающей нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые заселены живыми организмами. Толщина этой оболочки (40…50 км) ничтожно мала по сравнению с диаметром Земли, доступна для человеческой деятельности и чрезвычайно ранима. Воздействие человека на биосферу тесно связано со все возрастающими темпами научно-технического прогресса и необходимостью решения возникающих социально-экономических задач.

Геохимическое воздействие человека на природу определяется тремя обстоятельствами:

9

1)синтезом множества (более миллиона) веществ, отсутствующих в естественных условиях и обладающих качествами, не свойственными природным соединениям;

2)строительством широкой сети газо- и нефтепроводов, шоссейных и железных дорог, что наряду со специализацией производства привело к массовому транспортированию разнообразного сырья из районов добычи в районы переработки, а также к перераспределению и рассеиванию загрязнений. Рассеиванию загрязняющих веществ во многом способствовало и задымление атмосферы выбросами ТЭЦ, металлургических, химических, нефтеперегонных и других заводов, автомобильного и авиационного транспорта;

3)интенсификацией производства сельскохозяйственной продукции, потребовавшей массового применения удобрений, гербицидов и пестицидов, отрицательное побочное воздействие которых на окружающую среду выявилось лишь спустя длительное время.

Развитие мирового общественного производства идет все ускоряющимися темпами, и размеры ущерба, наносимого окружающей среде, увеличиваются при этом так, что их уже невозможно, как раньше, преодолеть естественным путем, без использования глубоко продуманного комплекса законодательных и технологических мероприятий, затрагивающих все сферы производственной деятельности человека.

Промышленные отходы (ПО) и загрязнения, выделяющиеся в технологических циклах предприятий и при очистке производственных сточных вод, представляют наибольшую опасность прежде всего для населения крупных промышленных центров и окружающих их регионов, создают трудности в работе городских коммунальных служб. Известны, например, случаи взрывов легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), попавших в канализационные коллекторы. Кроме того, сбрасываемые в канализацию тысячи тонн гальванических шламов, содержащих токсичные тяжелые металлы, делают осадок городских станций аэрации в ряде случаев непригодным для использования в качестве удобрения.

В настоящее время по статистическим данным в различных странах образуются токсичные ПО в следующих количествах:

10