СОДЕРЖАНИЕ
1. Эволюция взаимоотношений в системе «человек – природа»: биосфера и естественные факторы её формирования, появление человека и рост его влияния на биосферу, понятие антропогенного воздействия и его виды, биосоциальная природа человека……………………………………………………………………3
21. Принципиальные основы механического выделения взвешенных и плавающих примесей сточных вод: процеживание, отстаивание, фильтрация..10
31. Термическое обезвреживание сточных вод. Способы концентрирования и их физико-химическая сущность. Процессы парофазного, жидкофазного, каталитического термоокисления………………………………………………….18
Список использованной литературы………………………………………..…23
1. Эволюция взаимоотношений в системе «человек – природа»: биосфера и естественные факторы её формирования, появление человека и рост его влияния на биосферу, понятие антропогенного воздействия и его виды, биосоциальная природа человека.
Биосфера —(греч. bios — жизнь , sphaira — шар) — это оболочка Земли, включающая область распространения жизни и часть вещества планеты, которое состоит в постоянном обмене с живыми организмами. Впервые представление о биосфере как наружной оболочке нашей планеты было предложено Ж.Б. Ламарком(1744-1829) в начале 19-го века. В научный обиход термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс (1875), выделивший ее как одну из земных оболочек.
Основы научного понимания биосферы заложил русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). По Вернадскому биосфера — область существования живого вещества, которая включает нижние слои атмосферы (до озонового пояса — на высоте около 25 км), всю гидросферу (до максимальных глубин) и верхнюю часть литосферы. Однако определение биосферы, отмечал В.И. Вернадский, только как области жизни неполно. Биосфера включает:
1) живое вещество;
2) биогенное вещество, т.е. органоминеральные или органические продукты, созданные живым веществом (каменный уголь, нефть, торф, известняк, гумус и т.д.);
3) биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой природой (вода, атмосфера, осадочные породы).
Существует два основных определения понятия «биосфера», одно из которых и дало начало применению данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. В.И.Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, переосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.
Такое толкование определило взгляд В.И.Вернадского на проблему происхождения жизни. В.И.Вернадский считал что жизнь возникла вместе с формированием Земли, нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.
Различают три этапа эволюции биосфера. Первый этап – возникновение биотического круговорота, означавшего формирование биосферы. Второй этап – усложнение жизни на планете, обусловленное появлением многоклеточных организмов. Третий этап – формирование человеческого общества, оказывающего своей хозяйственно-экономической деятельностью все большее влияние на эволюцию биосферы.
С возникновением жизни (саморазвивающихся устойчивых органических форм) сначала медленно и слабо, затем все быстрее и заметнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.
Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования — биосферы, тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли.
Так, например, в результате процесса фотосинтеза (деятельности зеленых растений) образовался современный газовый состав атмосферы, в которой появился кислород. В свою очередь, на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.
Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату, рельефу, деятельности микроорганизмов и растений, материнским породам.
Биосфера, возникнув и сформировавшись 1— 2 млрд лет назад (к этому времени относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии.
Еще на ранних этапах эволюции живое вещество распространилось по безжизненным пространствам планеты, занимая все потенциально доступные для жизни места, изменяя их и превращая в места обитания. И уже в древние времена различные жизненные формы и виды растений, животных, микроорганизмов, грибов заняли всю планету. Живое органическое вещество можно найти и в глубинах океана, и на вершинах самых высоких гор, и в вечных снегах Арктики, и в горячих водных источниках вулканических районов. Такую способность к распространению живого вещества В. И. Вернадский назвал «всюдностью жизни».
Эволюция биосферы шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, умножения числа видов и совершенствования их приспособленности. Это сопровождалось увеличением эффективности преобразования энергии и вещества биологическими системами: организмами, популяциями, сообществами.
Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как биологический вид на основе многочисленных эволюционных изменений приобрел не только сознание, но и способность изготавливать и использовать в своей жизни орудия труда.
Посредством орудий человечество стало создавать фактически искусственную среду своего обитания (поселения, жилища, одежду, продукты питания, машины и многое другое). С этихпор эволюция биосферы вступила в новую фазу, где мощной природной движущей силой стал антропогенный (то есть человеческий) фактор.
Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов. Достигалось это посредством сложного механизма круговорота веществ, рассмотренного нами во втором разделе.
Главным событием эволюции биосферы признавалось приспособление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации. Гарантом динамической устойчивости биосферы в течение миллиардов лет служила естественная биота в виде сообществ и экосистем в необходимом объеме.
Однако по мере возникновения, совершенствования и распространения новых технологий (охота — земледельческая культура — промышленная революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в большей степени стала испытывать влияние новых небывалых по мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они человеком, а потому называются антропогенными. Под антропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в природную среду.
Американский эколог Б. Коммонер (1974) выделил пять видов вмешательства человека в экологические процессы:
упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов;
концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения;
рост ядовитых отходов от химических производств;
введение в экосистему новых видов;
появление генетических изменений в организмах растений и животных.
Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия. Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки и др.
Нарушения основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными: длительными и кратковременными, площадными и точечными, прямыми и косвенными и т. д. (Сергеев, Трофимов,1985).
Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия.
Отрицательное (негативное) воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: вырубке леса на больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и опустынивании земель, резком сокращении численности и видов животных и растений и т. д.
К числу основных глобальных факторов дестабилизации природной среды относятся (Экологическая доктрина Российской Федерации, 2002):
рост потребления природных ресурсов при их сокращении;
рост населения планеты при сокращении для обитания территорий;
деградации основных компонентов биосферы, снижение способности природы к самоподдержанию;
возможные изменения климата и истощение озонового слоя Земли;
сокращение биологического разнообразия;
возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф;
недостаточный уровень координаций действий мирового сообщества в области решения экологических проблем.
Современный характер взаимоотношений в системе «человек — природа», или «человек — биосфера», можно назвать антагонистическим. Человек в процессе познания и освоения природы вступил с ней в противоречие. (Противоречивыми также можно назвать современные взаимоотношения между экономикой и экологией.) Ряд законов и правил объективно характеризует современные взаимоотношения человека и природы.
Закон обратной связи взаимодействия «человек — биосфера» П.Дансеро (1957), или закон бумеранга (четвертый закон Б. Коммонера, 1974): антропогенная нагрузка на биосферу приобрела такие масштабы, что под угрозу поставлено само существование человечества.
Закон необратимости взаимодействия «человек — биосфера» П.Дансеро (1957): возобновимые природные ресурсы делаются невозобновимыми в случае глубокого изменения среды, значительной переэксплуатации, доходящей до поголовного уничтожения или крайнего истощения, а потому превышения возможностей их восстановления. Это соответствует современной фазе развития системы взаимоотношений «человек — природа». Современная цивилизация и культура не обеспечивают стабильных условий существования на Земле ни жизни, ни человека как ее части.
Правило меры преобразования природных систем: в ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (саморегуляции).
Американский эколог Б.Коммонер предложил ряд законов, отражающих всеобщую связь процессов и явлений в природе (1974):
- «Все связано со всем». Биосфера представляет собой единую систему живых организмов, обладающую способностью к саморегуляции и поддержанию равновесия. Эти же свойства под влиянием внешних перегрузок могут привести к драматической развязке. Уровень антропогенного воздействия на биосферу приводит к перегрузке ее саморегулирующих механизмов.
- «Все должно куда-то деваться». В природе не существует такой вещи, как «мусор». В естественных системах любые «отходы» порождают новую жизнь, включены в биосферные циклы. Отходы антропогенной деятельности — новые вещества и соединения — рассеиваются в природе, отягощают жизненные процессы, образуя экологические «тупики».
- «Природа знает лучше». Не стоит стремиться «улучшить природу». Помнить: все могущество человека — в познании законов природы и умении их изменять. Лучший способ — разумная деятельность человека по отношению к природе.
- «Ничто не дается даром» (закон бумеранга). В природе ничто не может быть выиграно или потеряно. Все, что извлечено человеческим трудом, должно быть возвращено. Платежа нельзя избежать, он может быть только отсрочен.
Человек высшая ступень развития живых организмов на Земле. Он, по И. Т. Фролову (1985), «субъект общественно-исторического процесса, развития материальной и духовной культуры на Земле, биосоциальное существо, генетически связанное с другими формами жизни, но выделившееся из них благодаря способности производить орудия труда, обладающее членораздельной речью и сознанием, творческой активностью и нравственным самосознанием».
Биосоциальная природа человека отражается в том, что его жизнь определяется единой системой условий, в которую входят как биологические, так и социальные элементы. Это вызывает необходимость не только его биологической, но и социальной адаптации, т. е. приведение межиндивидуального и группового поведения в соответствие с господствующими в данном обществе, классе, социальной группе нормами и ценностями в процессе социализации (путем усвоения знаний об этом обществе, классе и т. д.). Эту область человеческой природы изучает большая группа социальных дисциплин, с которыми экология весьма тесно связана (социально-экономические науки и др.). Биологическая адаптация человека весьма отличается от таковой в животном мире, так как стремится сохранить не только его биологические, но и социальные функции при возрастающем значении социального фактора. Последнее обстоятельство имеет важное экологическое значение и нашло свое отражение в экологическом подходе к определению понятия «человек».
Человек один из видов животного царства со сложной социальной организацией и трудовой деятельностью, в значительной мере «снимающими» (делающими малозаметными) биологические, в том числе этологические (первично поведенческие) свойства организма (Реймерс, 1990).
Общие законы взаимоотношения человека (или группы людей) и биосферы, влияние на человека (или группы людей) природной и социальной среды изучает наука экология человека.
21. Принципиальные основы механического выделения взвешенных и плавающих примесей сточных вод: процеживание, отстаивание, фильтрация.
Сточные воды — любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализацииили самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.
Сточными водами предприятий промышленности и агропромышленного комплекса загрязняются реки, озера и моря. Быстрое развитие химических отраслей промышленности, образование значительных количеств сточных вод, загрязненных различными химическими веществами, повышение требований к качеству очищенных сточных вод обусловливают широкое применение разнообразных методов их очистки.
Почти вся вода, которая используется человеком для различных целей, снова возвращается в источник. Однако возвращает её человек в загрязнённом, не пригодном для повторного применения виде. Воду, которая возвращается после использования человеком в водоемы, необходимо очищать.
Для предохранения водоемов от загрязнений сточными водами производится ряд мероприятий: изменение технологического режима производства, многократное использование отработанной воды на других операциях, извлечение и утилизация ценных веществ из стоков, получение новых продуктов, и наконец, очистка производственных сточных вод.
Способы очистки сточных вод разделяют на: механические, химические, физико-химические, биологические, термические.
Для ликвидации бактериального загрязнения сточных вод применяют их обеззараживание.
Механическая очистка производится для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных загрязнений путем процеживания, отстаивания и фильтрования.
Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различного рода решетки и сита.
Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки. Решетки изготовляют из металлических стержней и устанавливают на пути движения сточных вод под углом 60-75°. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды, в решетку.
Рисунок 1 – Решетки с граблями для очистки: 1 – решетка; 2 – бесконечная цепь; 3 – грабли
Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (рисунок 1). Ширина прозоров в решетке равна 16-19 мм. Скорость сточной воды между стержнями принимается равной 0,8-1 м/с.
Снятые с решеток загрязнения направляют на переработку. Для измельчения отходов используют дробилки. Решетки-дробилки представляют собой агрегат, совмещающий функции решетки и дробилки. Дробилки измельчают отходы, не извлекая их из воды.
Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность и в зависимости от подвода воды снаружи или внутрь. Задерживаемые примеси смываются с сетки водой и отводятся в желоб. Сита применяют в текстильной, целлюлозно-бумажной и кожевенной промышленности.
Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части (рисунок 2). Диаметр отверстий сетки 60-100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции. При разделении 50-80% взвешенных частиц остается в грубой фракции.
1 – корпус; 2 – сопло; 3 – сетка
Рисунок 2 – Фракционатор
Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, частицы которых имеют больший или меньший удельный вес, чем удельный вес воды, применяют отстаивание. При этом тяжелые частицы осаждаются на дно под действием силы тяжести, а частицы, имеющие меньший удельный вес, чем удельный вес воды, всплывают на поверхность.
Выделение из сточных вод взвешенных частиц минерального происхождения, главным образом песка, производится путем осаждения в сооружениях, называемых песколовками.
Выделение из сточных вод основной массы более мелкой взвеси, преимущественно органического характера, производится в отстойниках.
Вещества, более легкие, чем вода, жиры, масла, нефть и смолы, и вообще всякого рода всплывающие на поверхность вещества выделяются в сооружениях, называемых жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и смолоуловителями; эти сооружения применяются для очистки производственных сточных вод.
Отдельные жироловки для выделения жиров из бытовых сточных вод в настоящее время почти не применяют, так как эту задачу выполняют отстойники, оборудованные специальными устройствами для этой цели.
Песколовки. Их применяют для предварительного выделения минеральных и органических загрязнений (0,2-0,25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25-1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Применяются при расходах до 7000 м3/сут. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.
Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.
Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два и более одновременно работающих отделения (рисунок 3а). Вода движется с одного конца отстойника к другому.
Глубина отстойников равна Н = 1,5-4 м, длина 8-12 м, а ширина коридора 3-6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м3/сут. Эффективность отстаивания достигает 60%. Горизонтальную скорость движения воды в отстойнике принимают не более 0,01 м/с. Продолжительность отстаивания 1-3 ч.
а – горизонтальный: 1 – входной лоток, 2 – отстойная камера, 3 – выходной лоток, 4 – приямок; б – вертикальный: 1 – цилиндрическая часть, 2 – центральная труба, 3 – желоб, 4 – коническая часть; в – радиальный: 1 – корпус, 2 – желоб, 3 – распределительное устройство, 4 – успокоительная камера, 5 – скребковый механизм; г – трубчатый; д – с наклонными пластинами: 1 – корпус, 2 – пластины, 3 – шламоприемник
Рисунок 3 – Отстойники.
Вертикальные отстойники. Схема вертикального отстойника одной из конструкций показана на рисунке 3б. Отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 м/с. Высота зоны осаждения — 4-5 м. Эффективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10-20%, чем в горизонтальных.
Радиальные отстойники. Они представляют собой круглые в плане резервуары (рисунок 3в). Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника — 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16-60 м. Эффективность их осаждения составляет 60%.
Повысить эффективность отстаивания можно путем увеличения площади отстаивания и проведения процесса осаждения в тонком слое жидкости. В последнем случае используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4-10 мин), что позволяет уменьшить размеры отстойников.
Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м. Трубки можно устанавливать с малым (до 5°) и большим (45-60°) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном работает периодически. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100-10000 м3/сут. Эффективность очистки 80-83%.
В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу-вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое пространство.
Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточные — вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.
Наконец, для освобождения сточных вод от частиц очень мелкой суспензии, находящейся во взвешенном состоянии, применяют фильтрование сточных вод путем пропуска их через специальные ткани или слой зернистого материала, на поверхности и в толще которого задерживается выделяемая из сточных вод взвесь.
Фильтрование находит применение при механической очистке главным образом производственных сточных вод.
Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.
Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.
Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые — для удаления осаждающих и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, их легко oбcлуживaть. Они отличаются высокой производительностью и небольшой стоимостью. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%.
Механическую очистку как самостоятельный метод применяют в тех случаях, когда достигаемое при ее применении освобождение сточных вод от загрязнений позволяет (по местным условиям и в соответствии с санитарными правилами) использовать осветленную воду для тех или иных производственных целей или спускать эти воды в водоем. Во всех других случаях механическая очистка служит предварительной стадией перед биохимической очисткой.
Описание технологической схемы узла механической очистки сточных вод.
Сточные воды поступают в водосборный бассейн. Здесь стоки со всего производства смешиваются аэрацией при помощи воздуходувки, а затем перекачиваются насосом и направляются в узел очистки сточных вод.
Сточная вода проходит через решетки, где происходит процеживание. Очищенная вода подается насосами дальше, а шлам, осевший на решетках, очищается граблями и направляется в шламосборник.
Вода, очищенная от крупных примесей, поступает в секцию отстаивания, где сначала в песколовке, затем в горизонтальных отстойниках происходит выделение минеральных и органических загрязнений из сточных вод под действием силы тяжести. Время пребывания стоков в них не менее 1,5 часа.
Очищенная вода направляется в осветлитель. Туда же подаётся сточная вода от производства катализаторов гидрокрекинга в качестве коагулянта. Осадок направляется в шламосборник.
Далее вода направляется на пресс-фильтр, где происходит отделение мелкодисперсной фазы. Шлам также направляется в емкость для сбора шлама.
Вода самотеком перетекает на следующие этапы очистки – на (например, на химическую или биологическую).
Принципиальная схема узла механической очистки сточных вод.
Позиции:
А – решетка,
Б – песколовка,
В – горизонтальный отстойник,
Г – осветлитель,
Д – пресс-фильтр.
Потоки:
I – сточная вода от производства,
II – шлам, осевший на решётке,
III – вода на дальнейшую очистку,
IV – осадок песколовки,
V – вода на доочистку в отстойник,
VI – шлам отстойника,
VII – вода в фильтр,
VIII – шлам осветителя,
IX – сточные воды от производства катализатора гидрокрекинга в качестве коагулянта,
X – вода на фильтр,
XI – осадок фильтра,
XII – вода на дальнейшую доочистку.
31. Термическое обезвреживание сточных вод. Способы концентрирования и их физико-химическая сущность. Процессы парофазного, жидкофазного, каталитического термоокисления.
Термическими методами обезвреживаются сточные воды, содержащие минеральные соли кальция, магния, натрия и др., а также органические вещества.
Такие сточные воды могут быть обезврежены:
— концентрированием сточных вод с последующем выделением растворенных веществ;
— окислением органических веществ в присутствии катализатора;
— жидкофазным окислением органических веществ;
— огневым обезвреживанием.
Концентрирование сточных вод
Этот метод в основном используют для обезвреживания минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения. Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ.
Концентрирование сточных вод может быть проведена испарением (выпариванием), вымораживанием и кристаллизацией.
Выпариваниеявляется энергоемким процессом. Энергия, затрачиваемая на выпаривание, складывается из энергии на нагрев сточной воды от начальной температуры до температуры испарения; на деформирование и перенос центров парообразования; на работу, затраченную на разделение растворителя и раствора; на формирование поверхностных паровых пузырей при испарении; на преодоление сил давления при формировании пузырей; на преодоление пузырем границы раздела фаз и на транспортирование паровых пузырей до границы раздела фаз.
При расчете энергетических затрат учитывают энергию, затраченную на испарение r, и на работу разделения раствора и растворителя lp, т.к. остальные составляющие невелики: q = r + lp.
Поскольку при выпаривании с кристаллизацией выделяется теплота кристаллизации rкр, то затраты энергии на выпаривание будут q∗= q – rкр.
При выпаривании низкоконцентрированных растворов с кристаллизацией значение lр мало, поэтому затраты энергии на выпаривание составят q = r – rкр.
Процесс вымораживаниязаключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а
раствор с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. Для
исключения образования мелких кристаллов и отделения межкристаллитного
рассола процесс вымораживания проводят при режимах медленного переохлаждения.
Разность между температурой замерзания чистого растворителя tз и раствора tз ∗называют понижением температуры замерзания раствора Δtз: Δtз = tз∗– tз.
Понижение температуры замерзания для разбавленных растворов неэлектролитов пропорционально концентрации раствора: Δtз = k · m,
где k – криоскопическая константа растворителя, зависящая только от природы растворителя (но не растворенного вещества), для воды k = 1,85; m – молярная концентрация.
Вымораживание можно проводить под вакуумом или при помощи специальной холодильной установки.
Наиболее распространенными хладоагентами являются аммиак, диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (ССl2F2, ССl3F, ССlF3) и их оксиды.
Кристаллизация веществ из растворов
Для выделения веществ из концентрированных растворов используют
методы кристаллизации и сушки.
Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры (положительная растворимость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов – это политермическая или изогидрическаякристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с
ростом температуры растворимость вещества уменьшается (отрицательная
растворимость), то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре – изотермическая кристаллизация.
Положительной растворимостью обладают растворы МgCl2, МgSO4, NaCl; отрицательной — растворы CaSO4, СаSiO3, и др.
Кристаллизацию соли можно также проводить введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Это вещества,содержащие одинаковый ион с данной солью или связывающие воду. Кристаллизацию такого типа называют высаливанием.
Распространенным видом кристаллизации является химическое осаждение вещества из растворов с применением реагентов. Например, примесиионов металлов осаждают в виде гидроксидов, добавляя в раствор щелочи.
Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных растворов.
Пересыщенные растворы характеризуют разностью между концентрациями
пересыщенного Сп и насыщенного С* растворов, относительным пересыщением (Сп — С*)/С* или коэффициентом пересыщения Сп/С*.
Образование кристаллов состоит из двух последовательных стадий:
1) возникновение в пересыщенном растворе центров кристаллизации — зародышей кристаллов;
2) рост кристаллов на базе этих двух зародышей.
Для зародыша сферической формы работа образования равна: А = 4/3 π·r2·σ,
где r — размер зародыша; σ — коэффициент поверхностного натяжения.
Размер зародыша, находящегося в равновесии с пересыщенным раствором, обратно пропорционален логарифму степени пересыщения:
r = 2 σ·М/[ρ·R·T·ln(Сп/С*)],
где М — молярная масса твердой фазы; ρ — плотность вещества; R — универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.
Вероятность образования зародышей возрастет с повышением температуры. Этому процессу способствует механическая вибрация, перемешивание, воздействие акустического и магнитных полей.
Рост кристаллов происходит в результате диффузии вещества из основной
массы раствора к поверхности растущего кристалла с последующим включением частиц растворенного вещества в кристаллическую решетку.
Скорость диффузии частиц к поверхности кристалла определяется по
уравнению dMτ/dτ = β·F(Сп — Скр),
а скорость роста кристалла dMτ/dτ = βкр·F(Скр — С*).
Общее уравнение скорости кристаллизации имеет вид
dMτ/dτ = 1/(1/β + 1/βкр)·F(Cп — С*) = kкр·F(Сп — С*),
где Мτ – количество диффундирующего вещества; τ – время; β и βкр – коэффициент массоотдачи и процесса кристаллизации; F – площадь поверхности
кристалла; Скр – концентрация вещества у поверхности кристалла; kкр – коэффициент скорости кристаллизации.
Некоторые примеси в растворе увеличивают скорость кристаллизации,
другие уменьшают.
Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод
По теплотворной способности промышленные стоки делят на сточные
воды, способные гореть самостоятельно, и на воды, для обезвреживания ко-
торых необходимо добавлять топливо. Эти сточные воды имеют энтальпию
ниже 8400 кДж/кг (2000 ккал/кг).
При использовании термоокислительного метода все органические вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом
воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный или “огневой” метод. Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и требований, предъявляемых к очищенным водам.
Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при температурах 100…350°С и давлениях 2…28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ. Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Летучие вещества окисляются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие – в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.
Метод начинают использовать для очистки сточных вод в химической,
нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной, фармацевтической и других
отраслях промышленности.
Метод парофазного каталитического окисления. В основе метода находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в сточных водах. Процесс протекает интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или другого катализатора.
Основной недостаток метода – возможность отравления катализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Поэтому необходимо предварительное
удаление каталитических ядов из сточных вод.
Достоинства метода: возможность очистки большого объема сточных
вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окис-
ления вредных органических веществ; возможность комбинирования с другими методами; безопасность в работе.
Недостатки метода: неполное окисление некоторых органических веществ; высокая коррозия оборудования в кислых средах.
Огневой метод. Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболее эффективным и универсальным из термических методов. Сущность его
заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы,
нагретые до 900…1000°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают.
Огневой метод применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Метод может быть использован также
для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими методами
невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод целесообразен,
если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо.
В процессе обезвреживания сточных вод различного состава могут образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO,
BaO, K2O, Na2O и др.). При диссоциации хлоридов в дымовых газах содержится хлор и хлороводород. Органические соединения, содержащие серу,
фосфор, галогены, могут образовывать SO2, SO3, P2O5, HCl, Cl2 и др. Присутствие этих веществ в дымовых газах нежелательно, т.к. это вызывает коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения, могут выделяться оксиды азота. Между этими соединениями происходят взаимодействия с образованием новых соединений, в том числе и токсичных.
Для огневого метода обезвреживания используют различные печи. Процесс проводят при температуре 800…890°С.
Список использованной литературы
1. Аствацатуров А.Е. Инженерная экология: Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2006 – с.
2. Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е.,CD Экология: электронный учебник. Учебник для ВУЗов,2009- КноРус.
3. Алферова Л.А. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М.: Стройиздат,1984.
4. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983.
5. Очистка промышленных сточных вод. Под ред. Кравеца В.И. Киев: Технiка, 1974.
6. Лапицкая М.П., Зуева Л.И., Балаескул Н.М., Кулешова Л.В. Очистка сточных вод. — Минск : Высшая школа, 1983. – 256 с.
7. Яковлев С.В., Корелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. – М.: Стройиздат, 1985. – 336 с.
8. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Учебное пособие. /Под ред. доктора технических наук, профессора, академика МАНЭБ и АТП РФ А.Г.Ветошкина –Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2004. — с.: ил., библиогр.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Эволюция взаимоотношений в системе «человек – природа»: биосфера и естественные факторы её формирования, появление человека и рост его влияния на биосферу, понятие антропогенного воздействия и его виды, биосоциальная природа человека……………………………………………………………………3
21. Принципиальные основы механического выделения взвешенных и плавающих примесей сточных вод: процеживание, отстаивание, фильтрация..10
31. Термическое обезвреживание сточных вод. Способы концентрирования и их физико-химическая сущность. Процессы парофазного, жидкофазного, каталитического термоокисления………………………………………………….18
Список использованной литературы………………………………………..…23
