Московский государственный университет печати

Рекус И.Г.
Шорина О.С.


         

Основы экологии и рационального природопользования

Учебное пособие


Рекус И.Г.
Основы экологии и рационального природопользования
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Введение в экологию

1.1.

Общие понятия экологии

1.2.

Основные законы и проблемы экологии

1.3.

Основные виды загрязнения природной среды

2.

Основные критерии оценки качества среды

3.

Экологический мониторинг

4.

Охрана гидросферы

4.1.

Характеристика гидроресурсов и сточных вод

4.2.

Характеристика замкнутых водооборотных систем

4.3.

Виды промышленных сточных вод и методы очистки воды

4.4.

Очистка сточных вод полиграфических предприятий

5.

Охрана атмосферы

5.1.

Основные компоненты и загрязнители атмосферы

5.2.

Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей

5.3.

Выбросы полиграфических предприятий и их очистка

6.

Охрана литосферы

6.1.

Загрязнение литосферы твердыми отходами

6.2.

Твердые бытовые отходы и их утилизация

6.3.

Твердые промышленные отходы и их переработка

7.

Рациональное природопользование

7.1.

Основные понятия

7.2.

Понятие безотходного производства

7.3.

Основные принципы создания безотходных производств

8.

Расчет экономических показателей природоохранных мероприятий

8.1.

Оценка экономической эффективности природоохранных мероприятий

8.2.

Расчет ущерба, наносимого окружающей среде в результате загрязнения атмосферы

8.3.

Укрупненная оценка ущерба, наносимого окружающей среде в результате загрязнения водоемов

8.4.

Расчет ущерба, наносимого окружающей среде в результате загрязнения поверхности Земли

8.5.

Применение нормативов платы за загрязнение природной среды на территории Российской Федерации

8.6.

Расчет платы за загрязнение земель химическими веществами и несанкционированными свалками отходов

9.

Правовые основы экологии

9.1.

Основные понятия

9.2.

Формы экологического управления и контроля в Российской Федерации

9.3.

Международные экологические отношения

Литература

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

Приложение 14

Указатели
8   именной указатель
74   предметный указатель
14   указатель иллюстраций
Рис. 07. Принципиальная схема окситенка Рис. 08. Принципиальная схема электродиализа

Гидросфера Гидросфера - это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод, т.е. водная оболочка Земли.

Гидросфера - самая тонкая оболочка нашей планеты, составляющая лишь 10-3% общей массы Земли. Около 80% - это морская вода, содержащая до 35 г/л солей. По подсчетам ученых количество пресной воды составляет всего 2,5% от всей воды на планете. При этом запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды; 22,4% - грунтовые воды; 0,35% - вода в атмосфере; 5,05% - устойчивый сток рек и озер. На долю воды. которую мы можем использовать, приходится всего лишь 10-2% от всей воды, имеющейся на Земле.

По содержанию солей вода делится на

  • пресную (менее 1 г/л),

  • засоленную (до 25 г/л),

  • соленую (более 25 г/л).

В океанской воде содержится около 35 г/л различных солей, в воде Балтийского моря - от 8 до 16 г/л, в воде Каспийского моря - от 11 до 13 г/л, а в воде Черного моря - от 17 до 22 г/л. В пресной воде содержание солей обычно составляет 300-450 мг/л, а в питьевой - 380 мг/л.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнанна. Растения содержат до 80% воды. Без воды человек может жить всего лишь 8 суток.

В России в настоящее время сложилась следующая структура водопользования: более 50% от суммарного забора воды расходуется на нужды различных видов промышленности, около 20% воды расходуется на орошение и сельскохозяйственное водоснабжение, на хозяйственно-питьевые нужды - около 15%, оставшееся количество - на прочие нужды.

Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, в энергетике на электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн. тонн в год.

Производство 1 т чугуна требует 50-150 т воды, меди - 500, пластмасс - 500-1000, каучука - 2000-3000, цемента - 4500, бумаги - 100000 тонн воды, одной банки консервов - 40 л воды.

Для всех указанных производств необходима только пресная вода.

В сельском хозяйстве вода идет на обслуживание животноводческих комплексов, но основная часть расходуется на орошение. Так, для выращивания 1 т пшеницы требуется 1500 т воды, риса - 7000, хлопка - 10000.

Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в пресных водоемах суши: заметно мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Снижение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

Серьезные проблемы, связанные с хозяйственной деятельностью человека, встают и перед более крупными водными объектами. Например:

  • проблема Каспия - хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб. При этом разведение молоди осетровых, т.е. восстановление их популяции ведется только рыбными хозяйствами России и в небольшом объеме - Азербайджаном, а остальные страны СНГ - только потребители;

  • проблема Азовского моря - увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась почти в 2 раза. Организмы, служащие пищей для рыбы, погибают. Это вызывает снижение возможности рыболовства на Азовском море;

  • проблема озера Байкал - использование воды минимальной минерализации, содержащей менее 100 мг/л солей, для получения целлюлозы по финской технологии. После строительства в 60-х годах целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске Байкал стал загрязняться. Против строительства выступали только ученые, но к ним никто не прислушался. В озере Байкал обитают несколько сот эндаминореликтов - редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С запозданием создали комиссию, которая разработала уникальные очистные сооружения, стоимость которых составила 30% от стоимости основных фондов производства. В настоящее время качество вод, идущих на сброс при условии нормальной работы комбината, находится на уровне питьевой воды, но для Байкала этого все равно недостаточно. Началась кампания в прессе по защите Байкала, которая ведется до сих пор, а комбинат продолжает работать.

Увеличение солесодержания природных вод приводит к их деградации. Количество минеральных солей в водах постоянно растет даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волга с ее притоками Камой и Окой. Огромный вклад в минерализацию воды осуществляет сброс промышленных стоков. По данным за 1996 год объем промышленных стоков в России был равен стоку такой большой реки как Кубань. Так, в Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5-5,0 г/л. В некоторых небольших реках, например в Северном Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2-3 г/л. В настоящее время многие реки Урала уже не могут быть использованы как источники водоснабжения. Основной причиной засоленности воды является истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в моря. Одной из мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, является посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.

Громаден объем сброса дренажных вод. В последние годы он составляет 25-35 км3. Системы орошения обычно потребляют воду объемом 1-2 тыс. м3/га, а ее минерализация достигает 20 г/л.

Постоянно растет уровень загрязнения поверхностных водных объектов. К основным нарушениям относятся неудовлетворительная эксплуатация и плохое состояние водоочистного оборудования, отсутствие разрешения на специальное водопользование, сброс сточных вод с превышением нормативных показателей, участившиеся случаи аварийных и залповых выбросов сточных вод и т.д. По современным данным на территории России сложилась следующая картина загрязнения поверхностных водных объектов: количество условно чистых водоемов (фоновых) составляет 12% от обследованных водных объектов, количество умеренно загрязненных - 32%, остальные 56% - загрязненные водные объекты.

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

  1. Бытовые сточные воды - стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов и т.д. Их количество в среднем составляет 0,5-2 л/с с 1 га жилой застройки.

  2. Атмосферные или ливневые сточные воды. Их сток неравномерен: 1 раз в год - 100-150 л/с с 1 га; 1 раз в 10 лет - 200-300 л/с с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из-за их неравномерности затруднены их сбор и очистка.

  3. Промышленные сточные воды - жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья.

    Основные характеристики сточных вод, влияющих на состояние водоемов:

      а) температура, °С;

      б) минералогический состав примесей;

      в) содержание кислорода, мг/л;

      г) кислотность, рН;

      д) концентрация вредных примесей, мг/л.

Особенно большое значение для процессов самоочищения водоемов имеет кислородный режим водоемов.

Условия спуска производственных сточных вод регламентируются специальными правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами.

Сточные воды характеризуются следующими признаками:

    1) мутность (мг/л) - определяется с помощью мутномера, в котором исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором;

    2) цветность - определяется путем сравнения интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой, выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей свинца и кобальта;

    3) сухой остаток (мг/л) - это масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды;

    4) кислотность (рН), природная вода обычно имеет щелочную реакцию среды;

    5) жесткость (мг-экв/л солей Ca+2 и Mg+2 или градусы жесткости);

    6) растворимый кислород (мг/л). Содержание его в воде зависит от температуры воды и от барометрического давления;

    7) ХПК (мг O2/л);

    8) БПК (мг O2/л).

По СНИП БПК в воде природных водоемов не должна превышать 3-6 мг/л. В сточных водах БПК составляет от 200 до 3000 мг/л, поэтому при сбросе сточных вод в водоемы необходимо их чистить или сильно разбавлять.

Количество загрязняющих веществ, сброшенных в водоемы города Москвы в 1992-1996 гг., представлено в табл. 4.

Таблица 4 

Количество загрязняющих веществ, сброшенных
в водоемы г. Москвы в 1992-1996 гг.

Загрязнитель(показатель загрязнения)

Масса сброса загрязнителя, 1000 т

1992 1993 1994 1995 1996
Нефтепродукты 2,335 2,119 1,675 1,56 0,66
СПАВ 0,200 0,421 0,338 0,39 0,428
Железо 0,658 0,554 0,557 0,57 0,758
Медь 0,095 0,059 0,054 0,059 0,046
Цинк 0,608 0,154 0,217 0,160 0,206
Никель 0,084 0,062 0,037 0,036 0,043
Хром 0,230 0,224 0,124 0,072 0,020
Нитраты 10,745 24,206 20,850 51,503 63,609
Алюминий 0,0004 0,083 0,220 0,16 0,094
Нитриты 0,735 2,04 2,12 2,56 5,212
БПK 17,58 23,66 23,40 22,66 22,14
Взвешенные вещества 27,670 24,010 24,612 24,03 23,13
Сульфаты 128,2 116,1 110,5 108,28 111,42
Азот аммонийный 28,88 17,99 17,72 14,1721 13,552
Хлориды 232,00 185,70 164,49 46,89 144,58
Сухой осадок 1101,00 991,00 958,17 942,31 915,37
Фенол 0,004
Фосфор общий 2,626
Сероводород 0,460
Фтор 0,00029
Свинец 0,099
Марганец 0,212

ИТОГО:

3102,04  2776,56 2649,17 2541,71 1304,881

Концентрации некоторых загрязнителей во многих водоемах России превышают установленные ПДК. Особенно отмечается превышение нормативов по нефтепродуктам, органическим веществам, аммонийному азоту, соединениям меди и цинка.

Качество сбрасываемых сточных вод в водоемы оказывает существенное влияние на сложные экосистемы водоемов. Эти экосистемы создавались в течение длительной эволюции. Водоемы являются не просто емкостями для разбавления воды и усреднения ее по качеству. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. В естественных водоемах развиваются различные животные и растительные организмы: бактерии, грибы, водоросли и т.д. Эти организмы образуют сообщества, находящиеся в определенном динамическом равновесии, свойственном для данных экологических условий. Спуск в водоемы сточных вод приводит к изменению условий среды и биологического состава.

В разложении органических веществ участвуют различные группы организмов, главным образом бактерии. В результате сложных биохимических процессов углеводы, жиры и белки разлагаются на более простые соединения. Конечными продуктами являются минеральные соли (нитриты, фосфаты, сульфаты), газы (водород, сероводород, углекислый газ) и вода. Эти соединения поглощают водоросли, высшие растения и простейшие организмы. Мелкие организмы поедают рыбы, рыба служит пищей для человека. Так замыкается круг биологических изменений, связанных с самоочищением водоемов. Если разложение органических веществ происходит полностью, то в водоеме устанавливается равновесие, результатом которого является чистая вода.

Самым важным условием, необходимым для самоочищения водоема, является наличие в воде водоема растворенного кислорода. Если кислорода в воде недостаточно, то высшие организмы погибают. В результате органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением H2S, CH4, CO2 и H2, создающих вторичное загрязнение водоема.

Значительные отклонения от состояния равновесия ведут к гибели отдельных популяций и экосистем водоемов в целом.

Процессы самоочищения водоемов Процессами самоочищения водоемов называют процессы, связанные с возвращением экосистем водоемов в первоначальное состояние.

К важнейшим процессам самоочищения водоемов относятся:

    1) осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

    2) окисление (минерализация) органических примесей;

    3) окисление минеральных примесей кислородом;

    4) нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости водоема;

    5) гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и т.д.

Таким образом, хозяйственная деятельность человека привела к сокращению количества воды в водоемах суши, к росту водопотребления, к исчерпанию самоочищающей способности водоемов и к деградации природных вод. Выход из положения - создания замкнутых водооборотных систем.

Необходимость создания водооборотных систем связана с экономическими соображениями. Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень велика. Так, если принять стоимость очистки на 90% за 1 условную единицу (у.е.), то очистка на 99% дороже в 10 раз, а очистка на 99,9%, которая требуется чаще всего, будет дороже уже в 100 раз, т.е. составит 100 у.е. В результате локальная очистка сточных вод только от характерного для данного вида стоков загрязнения в случае их повторного использования оказывается существенно дешевле их полной очистки, которая осуществляется перед сбросом в водоемы в соответствии с требованиями санитарных органов.

Замкнутые системы водного хозяйства введены в эксплуатацию, например, на Краснодарском витаминном заводе и на Липецком металлургическом комбинате.

Для характеристики замкнутых водооборотных систем используется критерий кратности использования воды

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, (4.1)

где n - критерий кратности использования воды;

Qисп. - общий объем воды, потребляемый предприятием (м3/ч, м3/т сырья или продукции);

Qз. - забор свежей воды предприятием (м3/ч, м3/т сырья или продукции).

Чем больше кратность использования воды, тем совершеннее схема водоснабжения. В США в 1995 году среднее значение критерия кратности использования воды было равно 7,5. В России в 1995 году критерий кратности использования воды в различных отраслях составлял:

    в нефтехимии - 7,00;

    в черной и цветной металлургии - 5,25;

    в пищевой промышленности - 3,00;

    в теплоэнергетике - 2,25;

    в производстве стройматериалов - 1,60;

    в легкой промышленности - 1,30 и т.д.

В нашей стране планировалось к 2000 году довести средний по отраслям промышленности критерий кратности использования воды до 7,00; а в США - до 22.

Создание замкнутых систем водного хозяйства является весьма трудной задачей. Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них химических соединений делает невозможным разработку универсальной бессточной технологической схемы водоснабжения. Можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем водоснабжения.

Основные положения создания водооборотных систем

  1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости использовать воду питьевого качества как это делали ранее, когда не были установлены цены на воду из природных источников. Сточные воды при этом сливали без очистки, достигая ПДК путем простого их разбавления.

  2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водяного. Большую роль при этом может сыграть внедрение агрегатов большой единичной мощности. Высокоэнергетическое тепло может использоваться для технологических целей, а низкоэнергетическое - для обогрева. Так, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на нефтеперерабатывающих предприятиях потребление воды сократилось в среднем на 110-160 млн. м3/год. Примером является Омский нефтеперерабатывающий завод.

  3. Размещение на производственных площадках территориально-производственных комплексов, позволяющих осуществить многократное каскадное использование воды в технологических схемах и операциях.

  4. Многократное последовательное использование воды в технологических операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объема максимально загрязненных сточных вод.

  5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты.

  6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только в замкнутом цикле.

Нормативы качества воды водных объектов едины и утверждены принятыми в 1974 году Минводхозом, Минздравом и Минрыбхозом правилами охраны вод от загрязнения сточными водами. В 1996 году на базе Роскомвода и Роскомнедр было создано Министерство природных ресурсов и был принят ряд новых законов Российской Федерации, которые значительно меняют сложившуюся нормативно-правовую базу и систему управления и контроля в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

В соответствии с действующей классификацией сточные воды подразделяются на:

    1) чистые сточные воды, которые, участвуя в производстве, практически не загрязняются и сброс которых без очистки не вызывает нарушения нормативов качества воды водных объектов;

    2) загрязненные сточные воды, которые в процессе их использования загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также сточные воды, проходящие очистку, но степень очистки которых ниже норм, установленных местными органами Госкомприроды, и их сброс вызывает нарушение нормативов качества воды водных объектов.

Загрязненные сточные воды перед сбросом в водные объекты должны подвергаться очистке, что благоприятно сказывается на качестве воды и водоемах. Например, в результате очистки сточных вод улучшилось качество воды на некоторых участках таких рек, как Кубань и Волга. В реке Москве появилась рыба, хотя питаться ею пока не рекомендуется.

Практически всегда очистка промышленных стоков - это комплекс методов. Наиболее широко используется сочетание механической очистки, нейтрализации промышленных стоков, реагентной очистки и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых (канализационных) стоков. Рассмотрим их подробнее.

1. Механическая очистка

Этот метод очистки используется для удаления из сточных вод нерастворимых примесей. Для удаления крупных кусков примесей применяют решетки, на которых происходит осаждение примесей. Для удаления твердых частиц, например песка, используют песколовки. В специальных отстойниках происходит осаждение взвешенных частиц на дно. Сбор нефтепродуктов, жиров, смол и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности стоков осуществляют в нефтеловушках, в жироуловителях, в смолоуловителях, на кварцевых фильтрах, а также с помощью устройств типа механических рук. Для удаления очень мелких частиц применяют фильтры или слой песка примерно 1,5-метровой толщины.

2. Физико-химическая очистка

Методы физико-химической очистки сточных вод основаны на изменении физического состояния загрязнителей и в большинстве случаев требуют применения реагентов:

  • Коагуляция коагуляция - метод, позволяющий увеличить размер загрязняющих частиц, что облегчает их осаждение;

  • Флотация флотация - метод, позволяющий придать примеси плавучие свойства, что облегчает ее удаление.

3. Химическая или реагентная очистка

Одним из видов обработки сточных вод является реагентная очистка, которая представляет собой сочетание различных типов химических реакций, приводящих к удалению из сточных вод токсичных компонентов.

А. Нейтрализация сточных вод - это химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора - с помощью кислот.

Поскольку химическая природа отходов может быть различной, то для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства, а для другого вида отходов - щелочные. О степени кислотности или щелочности раствора можно судить по значению водородного показателя рН.

Самую простую систему нейтрализации можно представить в виде измельченного известняка, на который выливают раствор кислоты, а осадок собирают в отстойник. При рН = 4,3 все карбонаты и гидрокарбонаты, являющиеся основными компонентами природной воды, разлагаются с выделением CO2.

Б. Реакции осаждения - это химические реакции, приводящие к осаждению загрязняющих веществ или ценных компонентов.

Сточные воды содержат, как правило, растворенные нежелательные или ценные компоненты. Для их выделения используют реакции осаждения.

Например:

  • очистку сточных вод от ионов некоторых металлов (Cu+2, Ni+2, Fe+2 и др.) можно производить, используя щелочи. При рН = 8 яю& 9 обеспечивается наиболее полное осаждение труднорастворимых соединений меди, никеля и железа в результате реакции

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.2)

    где Me+2 - ионы Cu+2, Ni+2 и Fe+2.

  • очистку промывной воды от ионов F- при производстве стекла осуществляют согласно реакции

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.3)

  • алюминат, образующийся при травлении или анодировании алюминия, удаляют по реакции

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.4)

  • соединения железа, образующиеся при травлении стали, удаляют следующим образом:

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.5)

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.6)

  • фосфаты, образующиеся в городских сточных водах, удаляют, используя реакции

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.7)

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.8)

  • для осветления воды проводят флокулирование квасцами:

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.9)

В. Реакции окисления-восстановления - это одновременное окисление одних компонентов и восстановление других.

Ниже приводится список наиболее распространенных окислителей и восстановителей:

  • окислители - кислород или воздух, озон, хлор, гипохлорит, перекись водорода, перманганат калия;

  • восстановители - хлорит, сульфат железа (II), гидросульфат, оксид серы (IV), сероводород.

Окислительно-восстановительные реакции применяют для превращения токсичных веществ в безвредные, а также для извлечения ценных компонентов.

Например:

  • в выщелоченных водах, образующихся при извлечении меди из руды, содержится растворенная медь, которая сможет быть регенерирована при пропускании стока через железный лом, а затем отфильтрована и направлена в печь. В основе процесса лежит реакция

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.10)

  • отходы, образующиеся в процессе плакирования металлов, содержат ионы Cr(VI) в виде <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, которые образуются в результате использования хромовой кислоты в процессах нанесения электролитического покрытия. Из концентрированных растворов хром может быть регенерирован. На первом этапе Cr(VI) восстанавливают до Cr(III) или до Cr(II), поскольку ионы Cr(VI), как известно, наиболее токсичны. Затем хром осаждают в виде гидроксида хрома (III) и подвергают термической обработке. Так замыкается цикл по хрому.

Для восстановления Cr(VI) можно использовать металлическое железо или соли Fe(II). Наиболее хорошие результаты получают при рН = 2,5-3,0. Процесс восстановления протекает по реакции

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.11)

Для восстановления Cr(VI) можно также использовать SO2:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.12)

Далее восстановленный хром осаждают известью:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.13)

Затем влажный осадок Cr(OH)3 прокаливают до образования Cr2O3, служащего источником получения хрома в промышленности.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.14)

Две последние реакции являются иллюстрациями реакций осаждения и термической обработки и используются для получения вторичного сырья, из которого экономически выгодно извлекать такие металлы как, например, Ni, Zn, Cu и Pb.

4. Биохимическая очистка

Методы биохимической очистки применяются для удаления из сточных вод органических веществ.

А. Аэробная биохимическая очистка - это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного кислорода.

При окислении протекает реакция

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
 (4.15)

Было установлено, что органические вещества омертвевших организмов разрушаются под действием бактерий, если для последних созданы соответствующие условия, т.е. своевременно подается кислород и среда-носитель оказывается благоприятной для развития микроорганизмов. В качестве среды-носителя был выбран песчаный слой толщиной 1,5 м. Доступ кислорода обеспечивался с помощью вентиляции или путем естественной тяги. Сточные воды сливались на грунт в течение 6 часов, а на биохимические процессы отводилось 18 часов. Культура микроорганизмов в этих условиях развивается в верхних слоях песка. Этот метод очистки впервые стал использоваться в 1866 году в Лондоне и получил название метода капельной фильтрации. Метод позволяет очистить 1,038×106 л/сут сточных вод при использовании 1 га песчаной почвы. Следовательно, Лондону в 1866 году для очистки 1,57×109 л/сут сточных вод было бы необходимо иметь 810 га подходящих земель. Но это слишком большая площадь.

Усовершенствование метода капельной фильтрации - перполяционный фильтр, т.е. разбрызгивание сточных вод на пласт щебня. Щебень не является фильтрующим материалом, а только способствует биологическому разрушению вещества в коллоидном и растворенном состоянии. Наиболее широко система с перполяционным фильтром стала применяться, когда были достигнуты значительные успехи в области получения пластмасс с заданными свойствами. В современных системах очистки накопление бактериального материала осуществляется на пластмассовых дисках, укрепленных на вращающейся оси. Диски наполовину погружены в сточные воды, и, по мере их вращения, бактерии периодически снабжаются питательной средой и кислородом.

Параллельно с развитием метода капельной фильтрации осуществлялась разработка такой системы, в которой микроорганизмы находились бы во взвешенном состоянии, а не образовывали стационарного слоя на стенках среды-носителя. В настоящее время метод капельной фильтрации используют только при условии дешевой земли и мягкого климата.

Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка активным илом. Суть этого способа состоит в том, что сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод. Как известно, ил представляет собой огромную популяцию различных бактерий, грибков и другой флоры, добавление которой к сточным водам приводит к быстрому установлению равновесия, способствующего разложению органических веществ. В результате образуются CO2 и H2O. По существу авторы нового способа обработки изменили естественный биологический цикл таким образом, что скорость потребления питательного вещества (скорость разложения органического вещества) увеличилась на несколько порядков. Дальнейшее усовершенствование этого способа было связано с разработкой методов надлежащего ухода и питания используемой популяции микроорганизмов.

Активный ил с точки зрения технолога представляет собой аморфный коллоид с поверхностью 100 м2 /г сухого вещества. С точки зрения обывателя активный ил - это взвешенные в воде буро-желтые мелкие хлопья размером 3-150 мкм. В 1 г сухого ила содержится от 108 до 1012 единиц бактерий. При этом определенный вид бактерий способен окислять определенные вещества.

Для синтеза биомассы используются неорганические вещества, поэтому их количество в сточных водах тоже уменьшается. Для успешного протекания реакций биохимического синтеза необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов. Основными из них являются азот, фосфор, калий и сера. Их содержание в обрабатываемых сточных водах нормировано, и при недостатке в сточные воды вносят азотные, фосфорные и калийные удобрения. Эти элементы в достаточном количестве содержатся в бытовых стоках, поэтому при совместной очистке бытовых и промышленных сточных вод добавлять биогенные вещества не требуется.

Бактерии, входящие в состав активного ила, способны перерабатывать только те сточные воды, из которых сформировался этот активный ил. Поэтому, если в состав сточных вод вводятся новые вещества, то для наилучшей очистки необходимо время, чтобы в достаточном количестве размножились бактерии, способные окислять эти вещества. Иногда даже приходится завозить на вновь создаваемое предприятие активный ил с другого предприятия, где налажена очистка аналогичных по составу сточных вод и в состав активного ила входят нужные виды бактерий. Например: авиационное предприятие, где осуществлялась очистка сточных вод от фенолов, остановили на ремонт. Пришлось закупать, завозить и добавлять в активный ил фенол, чтобы популяция не погибла.

Обычно концентрацию активного ила поддерживают равной 2-4 г/л. В ходе очистки избыточное количество активного ила время от времени выскребают из очистных сооружений, так как его количество непрерывно растет. Часть используют в качестве удобрения, если активный ил не содержит тяжелых металлов, другую часть стабилизируют, т.е. обрабатывают избытком кислорода для удаления всевозможных органических веществ, предотвращая таким образом гниение, а оставшееся количество поступает на анаэробное разложение.

Аппарат для аэробной биохимической очистки представляет собой так называемый аэротенк или окситенк, принципиальная схема которого представлена на рис. 7Рис. 07. Принципиальная схема окситенка

Б. Анаэробная биохимическая очистка (метановое брожение или ферментация) - это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии анаэробных микроорганизмов в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания.

Процессы анаэробного окисления протекают без доступа молекулярного кислорода, при этом источником кислорода в воде служат кислородосодержащие анионы: и т.д. В основе метода лежит способность определенных микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности сначала гидролизовать сложные органические соединения, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и угольную кислоту. В качестве примера можно привести две возможные схемы процессов ферментации глюкозы:

    1) <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.16)

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.17)

    2)<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.18)

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.19)

Процесс анаэробной биохимической очистки проводят при температуре 30-55°С в метантенке, который представляет собой реактор с мешалкой и теплообменником и принципиально отличается от аэротенка тем, что в него не подается воздух. Образующийся в результате метанового брожения газ состоит на 65% из метана и на 33% из углекислого газа. Он может быть использован для обогрева самого метантенка, в котором происходит анаэробное брожение. Например, в США животноводческий комплекс, имеющий 500 голов свиней, за счет сжигания метана, образующегося при анаэробной очистке сточных вод, может не только обеспечивать себя электроэнергией, но и иногда в летнее время ее продавать.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95-98%). Его уплотняют, сушат и затем используют в качестве удобрения. Если осадок имеет токсичные примеси, то его сжигают. В свою очередь образующиеся после анаэробной биохимической очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания водорослей типа хлореллы, которые затем предназначаются на корм скоту.

К сожалению не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биохимическими методами, так как не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической очистки. Так, не могут быть очищены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300-500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов. Практически не разрушаются бензин, красители, мазут и т.д. Существуют определенные нормы на содержание вредных веществ в сточных и природных водах, которые поступают на биохимические очистные сооружения. Например: Al+3 - 5; Fe+3 - 5; Cr+6 - 0,1; Mg+2 - 1000 мг/л. Следует отметить, что эффективность биохимической очистки на самых современных очистных установках составляет 90% по органическим веществам и 20-40% по неорганическим веществам, т.е. практически не снижается солесодержание. Сравнительная характеристика методов очистки сточных вод представлена в табл. 5.

Таблица 5

Эффективность методов обработки сточных вод

Метод очистки

Процент удаления

Объем полученного ила (% от объема сточных вод)
Взвешенное твердое вещество БПK Бактерии типа KП
Первичная очистка:         

отстой

40–95 30–35 40–75 0,1–0,5

химическое осаждение

75–95 60–80 80–90 0,5–1,0

слив очищенных сточных вод

35–80 25–65 40–75 0,025–0,05
Вторичная очистка:        

капельная фильтрация

20–80 60–90 70–85 0,1–0,5

обработка активным илом

70–97

70–96 95–99 1,0–3,0

При очистке сточных вод целесообразно искать такие способы ликвидации отходов, которые давали бы возможность получать полезные продукты. Например: сахара отработанных сульфитных щелоков, образующихся при переработке древесины в процессе сульфитной варки бумаги, являются питательной средой для дрожжей. Перед биологической обработкой щелока из него перегонкой с водяным паром удаляют SO2 и увеличивают рН до 5,0. Далее возможны два варианта биохимической очистки: аэробный и анаэробный.

А. Аэробная биохимическая очистка растворов сахаров является наиболее продуктивной для максимального увеличения массы дрожжей в случае, если дрожжи выращивают для пищевых целей. В этом процессе выделяется много энергии - 3,75 ккал на 1 кг выращенных дрожжей. Для благоприятного протекания реакции реактор охлаждают до 34-37°С и в него подводят большое количество воздуха. Так как сульфитный щелок не содержит соединений азота и фосфора, то их вводят в раствор дополнительно. При этом в качестве источника азота целесообразно использовать гидроксид аммония, так как он позволяет регулировать величину рН. Содержимое реакторов уплотняют в центрифугах, охлаждают и высушивают. Высушенные лепешки превращают в хлопьевидную массу, которую упаковывают в мешки. Из 1 тонны отходов сульфитного щелока получают 50 кг дрожжей, богатых протеином. При этом стоимость 1 кг дрожжей равна 11 центам.

Б. Ферментацию (анаэробную очистку) отходов сульфитного щелока осуществляют аналогично ферментации пива. Обрабатываемый раствор находится в реакционной зоне в течение 15-20 часов. Для максимального превращения сахаров требуется проведение ступенчатой ферментации, т.е. необходимо несколько тенков и их количество иногда достигает 7. При семиступенчатом процессе превращение достигает 95%. После завершения процесса ферментации жидкая масса содержит 1% (по массе) дрожжей. Дрожжи центрифугированием отделяют от спиртовой среды, затем их концентрацию тем же путем доводят до 10% и образующуюся массу возвращают в рециркуляционную систему для проведения повторной ферментации. Путем перегонки осветленной жидкости из 1 тонны пульпы получают около 83 литров этилового спирта крепостью 90°. Получаемый этиловый спирт отличается высоким качеством и является превосходным сырьем для производства уксуса, уксусного альдегида и других химических продуктов.

5. Удаление остаточных органических веществ

После биохимической очистки могут остаться органические, вещества плохо усваиваемые микроорганизмами. Лучший способ их удаления - адсорбция активированным углем, который впоследствии регенерируют. Обычно сточные воды пропускают через колонки с активированным углем, где обеспечивается с ним контакт в течение 20-40 минут. Это весьма эффективный метод, имеющий сравнительно простое аппаратурное исполнение и позволяющий очистить сточные воды до БПК < 1 мг O2/л (меньше ГОСТ). Адсорбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и ее используют для очистки бытовых стоков, отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений. Неорганические вещества активированный уголь, как правило, не удаляет. Некоторые органические соединения, обладающие высокой растворимостью (глюкоза и спирт) являются исключениями и плохо адсорбируются. Именно поэтому активированный уголь используется для обесцвечивания сахара.

Данный метод может быть рекомендован только для очистки больших объемов воды в связи с тем, что очистка воды активированным углем является процессом длительным, а регенерация угля требует нагревания.

6. Специальные методы очистки воды

Механическая, реагентная и биохимическая очистка не могут обеспечить обессоливания природных и сточных вод. Как известно, вода питьевого качества должна содержать не более 1000 мг/л солей, из которых хлоридов - 350 мг/л и сульфатов - 500 мг/л. Где же ее взять? Для этого существуют специальные методы выделения солей из сточных и природных вод.

А. ДистилляцияДистилляция (выпаривание) - это процесс разделения растворов путем выпаривания и последующей конденсации растворителя.

Этот метод хорошо освоен и широко применяется. Мощность выпарных установок составляет 15-30 тыс. м3/сут. Одними из самых мощных выпарных установок обладают предприятия атомной энергетики, требующие опреснения морской воды. Например, реактор на быстрых нейтронах в городе Шевченко также требует опреснения морской воды. Основной недостаток этого способа - его большая энергоемкость, которая значительно увеличивает стоимость опреснения.

Б. ВымораживаниеВымораживание - это метод разделения водных растворов путем их медленного охлаждения, в результате чего в первую очередь выпадают кристаллы льда, практически не содержащие солей.

По сравнению с дистилляцией у вымораживания имеются энергетические, технологические и конструкционные преимущества.

В. Ионный обмен - этот метод извлечения из воды растворенных в ней солей с помощью ионообменных смол.

Очень широкое применение этот метод нашел в практике умягчения воды, т.е. удаления из нее солей постоянной жесткости, которые служат серьезной помехой в сверхтонких технологиях (например, в фармацевтической промышленности). Схематично умягчение воды методом ионного обмена можно представить на примере соли CaSO4 следующим образом

Катионит: <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.20)

Анионит: <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.21)

В результате: <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(4.22)

Этот метод применяется во всех странах мира. В настоящее время ионный обмен является основным методом при приготовлении глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления, а также он применяется в водооборотных циклах на предприятиях, осуществляющих концентрирование и извлечение из сточных вод ценных компонентов (например, тяжелых металлов).

Основным недостатком общепринятых технологических схем ионного обмена является избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Другими недостатками метода являются значительный расход воды на собственные нужды (20-60% от производительности установки) и необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитов. Поэтому ионный обмен с большим допущением можно назвать методом обессоливания сточных вод. Скорее это технологический прием получения воды высокой степени очистки.

Г. Мембранные методы. К ним относятся электродиализ и гиперфильтрация (обратный осмос).

Электродиализ Электродиализ - это современный метод деминерализации и концентрирования растворов, основанный на направленном переносе ионов солей в поле постоянного тока через ионоселективные мембраны из естественных или синтетических материалов, в которых протекают рассмотренные выше процессы ионного обмена.

За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессоливания морской воды. Например, в Ливии действует установка на 20 тыс. м3/сут, а в США - на 400 тыс. м3/сут. Принципиальная схема электродиализа представлена на рис. 8Рис. 08. Принципиальная схема электродиализа.

Обратный осмос Обратный осмос - это процесс разделения водных растворов путем их фильтрования под давлением выше осмотического (6-8 МПа) через полупроницаемую мембрану.

Метод характеризуется небольшими энергозатратами. За рубежом освоено производство установок производительностью до 1 тыс. м3/сут, тогда как в России работают установки меньшей мощности. Основные трудности этого метода - создание полупроницаемых мембран и давления.

Все известные способы обессоливания сточных вод наряду с очищенной водой дают огромное количество растворов с высоким содержанием солей, рассолов и даже рапы. Эти концентрированные растворы необходимо либо утилизировать, либо обезвреживать.

7. Обеззараживание воды

Хорошо известно, что через воду могут распространяться такие страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит, дифтерия и др. Поэтому последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее обеззараживание, т.е. уничтожение болезнетворных микроорганизмов. Многие годы обеззараживание воды осуществляли, обрабатывая ее хлором. Однако при таком способе обработки воды в ней образуются полихлорированные бифенилы, которые являются токсичными веществами. Окисляясь, они образуют абсолютные яды - диоксины. Летальная доза диоксидов для свиней, являющихся тест-объектами, составляет 10 мкг/кг их веса. Эту дозу организм может набрать постепенно. Проведенные исследования привели ученых к выводу о возможной вредности хлорирования воды. Во многих странах Европы и в США в 80-е годы перешли к фторированию воды, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире и в России тоже отдают предпочтение озонированию воды.

Сточные воды полиграфических предприятий подразделяются на кислотные, щелочные, сложные (содержащие соли металлов, нефтепродукты и т.д.). Сброс их в водоемы или канализацию без очистки не разрешен.

Основными загрязнителями сточных вод полиграфических предприятий являются соли металлов (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, Sb), нефтепродукты, кислоты (HNO3, H2SO4, H3PO4, HCl), щелочи (KOH, NaOH), диазосоединения и абразивные вещества.

Очистку различных видов сточных вод рекомендуется проводить раздельно. Для очистки от загрязнителей применяют механические, химические и другие методы.

Механическая очистка применяется для очистки сточных вод от твердых частиц, нефтепродуктов и жировых веществ. Для этих целей используют песколовки, отстойники, нефтеловушки, жироуловители, кварцевые фильтры и т.д.

Общее количество химически загрязненных сточных вод на полиграфическом предприятии обычно не превышает 50 м3/сут. Кислотные и щелочные стоки целесообразно смешивать для взаимной нейтрализации. Ионы Cr+6, Ni+2, Cr+6, Cu+2, Fe+2 и Al+3 удаляют из сточных вод в виде труднорастворимых соединений (гидроксидов, основных солей и т.д.). При этом ионы Cr+3 получают предварительным восстановлением металлическим железом или солями Fe(II).

Основными перспективными методами очистки сточных вод полиграфических предприятий являются методы ионного обмена и адсорбционные методы. Использование этих методов позволяет возвратить в производство извлекаемые их сточных вод вещества. Реагентные методы очистки сточных вод нельзя считать перспективными, хотя в настоящее время они широко используются.

© Центр дистанционного образования МГУП