Экология и окружающая природная среда

Во-вторых, возможностью массированного воздействия, так как акт дыхания является беспрерывным и человек за сутки вдыхает до 20 тыс. л воздуха. Даже незначительные концентрации химических веществ при таком объеме дыхания приводят к значительному поступлению примесей в организм.

В-третьих, непосредственным доступом загрязнителей во внутрь организма. Воздух при дыхании входит почти в непосредственный контакт с кровью, в которой растворяется почти всё, что присутствует в воздухе. Из легких кровь поступает в большой круг кровообращения, минуя такой детоксикационный барьер, как печень. Установлено, что яд, поступивший ингаляционным путем, нередко действует в 8-100 раз сильнее, чем при поступлении через желудочно-кишечный тракт.

В-четвертых, трудностью защиты от загрязнителя. Человек, отказавшись употреблять в пищу загрязненные продукты или недоброкачественную воду, не может не дышать загрязненным воздухом.

Тема 3. Методы и средства защиты атмосферы от загрязняющих ее веществ

1. Методы защиты атмосферы от химических примесей

Все известные методы и средства защиты атмосферы от химических примесей можно объединить в три группы:

1. мероприятия, направленные на снижение мощности выбросов, т.е. уменьшение количества выбрасываемого вещества в единицу времени. Для снижения мощности выбросов химических примесей в атмосферу наиболее широко используют:

- замену менее экологичных видов топлива экологичными (применяют топливо с более низким баллом загрязнения атмосферы);

- сжигание топлива по специальной технологии (либо в кипящем (псевдоожиженном) слое, либо предварительной их газификацией);

- создание замкнутых производственных циклов (вторично используются и потребляются выбрасываемые в атмосферу отходы).

мероприятия по нормированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройствах, так и в регионе в целом.

мероприятия, направленные на защиту атмосферы путем обработки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки.

2. Классификация систем очистки воздуха.

По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделяются на пыли, туманы и газопарообразные примеси.

Механические системы очистки воздуха от пыли (см. рис.2) делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также электрофильтры и фильтры. При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м³. Выбор пылеулавливающего устройства также определяется дисперсным составом улавливаемой частицы промышленной пыли.

Для механической очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называемых туманоуловителями.

Средства защиты воздуха от газопарообразных примесей зависят от выбранного метода очистки. По характеру протекания физико-химических процессов выделяют методы абсорбции (промывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов), термической нейтрализации (сжигание) и каталитический метод.

Процесс очистки от вредных примесей характеризуется тремя основными параметрами: общей эффективностью очистки, гидравлическим сопротивлением, производительностью.

1. Общая эффективность очистки показывает степень снижения вредных примесей в применяемом средстве и характеризуется коэффициентом

загрязнение атмосфера гидросфера литосфера

где Свх и Свых - концентрации вредных примесей до и после средства очистки.

2. Гидравлическое сопротивление определяется как разность давления на входе Рт и выходе Рвых из системы очистки.

3. Производительность систем очистки показывает, какое количество воздуха проходит через нее в единицу времени (м³/ч).

3. Системы и аппараты пылеулавливания (механические методы очистки запыленного воздуха)

Сухие пылеуловители. К сухим пылеуловителям относятся такие, в которых очистка движущегося воздуха от пыли происходит механически под действием сил гравитации и инерции. Эти системы называются инерционными, так как в них при резком изменении направления движения воздуха частицы пыли, по инерции сохраняя направление своего движения, ударяются о поверхность, теряют свою энергию и под действием сил гравитации осаждаются в специальном бункере.

Для сухой очистки воздуха чаще употребляют центробежные обеспыливающие системы (циклоны). Воздух, попадая во внутренний корпус циклона, совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по направлению к бункеру (вниз). Под действием сил инерции частицы пыли осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Очищенный воздух выходит из бункера через выходную трубу.

Особенностью таких систем очистки является обязательная герметичность бункера, в противном случае из-за подсоса воздуха осаждаемые частицы пыли падают в выходную трубу. Эффективность циклонов зависит от концентрации пыли и размеров ее частиц и резко снижается при уменьшении этих показателей. Общая степень улавливания циклона составляет 95 %. Преимущество циклонов - простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей; недостатки - затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

Мокрые пылеуловители - скрубберы. Особенностью этих систем очистки является высокая эффективность очистки воздуха от мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Они работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения.

В качестве орошающего агента в скруббер может подаваться химический агент (например, известковое молоко), тогда в аппарате будет происходить химическая очистка газов.

Электрофильтры. Их работа основана на одном из наиболее эффективных видов очистки газов от пыли - электрическом. Основной принцип работы - ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между коронирующим и осадительным электродами. Загрязненные газы, попав между электродами, способны проводить электрический ток вследствие имеющейся частичной ионизации. Отрицательно заряженные частицы движутся к осадительному электроду, положительно заряженные оседают на коронирующем электроде. Так как большинство частиц пыли получают отрицательный заряд, основная масса пыли осаждается на положительном осадительном электроде, с которого затем легко удаляется. Эффективность очистки газов электрофильтрами достигает 97%. Преимущества: способность очищать газы от мелких частиц (от 0,2 мкм). Недостатки: значительный расход энергии, необходимость чистить электроды с помощью встряхивающих устройств, высокие требования к технике безопасности.

Фильтры широко используются для тонкой очистки промышленных выбросов. Работа их основана на фильтровании воздуха через пористую перегородку, в процессе которой твердые частицы примесей задерживаются на ней. В промышленности наиболее употребительны тканевые рукавные фильтры. В корпусе фильтра устанавливается необходимое число рукавов, на которые подается загрязненный воздух, при этом очищенный воздух выходит через патрубок. Частицы загрязнений оседают на фильтре. Насыщенные загрязненными частицами рукава продувают и встряхивают для удаления осажденных частиц пыли. Эффективность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером боле 0,5 мкм.

Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим их стеканием под действием гравитационных сил.

4. Физико-химические методы очистки загрязненного воздуха

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в нем поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических углеводородов - вязкие масла.

Абсорберы чаще всего представляют собой скрубберы, в которые подается не вода, а жидкий реагент. В абсорберах в отличие от обычных скрубберов имеется насадка для увеличения площади поверхности контакта жидкости и газов. В них происходит механическая и главным образом химическая очистка газов от таких вредных выбросов, как оксиды азота, серы, угля, а также от сероуглерода и меркаптанов. Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления: чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические (поглощение тепла). Установки для хемосорбции внешне напоминают абсорберы. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75-0,92.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов, извлекать из газовоздушной смеси отдельные ее компоненты. Широко известный пример адсорбента с ультрамикроскопической структурой - активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах. Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

При каталитическом методе токсичные компоненты газовоздушной смеси, взаимодействуя со специальным веществом - катализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы или их соединения (платина, оксиды меди и марганца и пр.). Катализатор, выполняемый в виде шаров, колец или спиральной проволоки, играет роль ускорителя химического процесса. Добавка благородных металлов в виде пленки на поверхности катализатора составляет сотые доли процента к его массе.

Термический метод требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9-0,99, температура в зоне горения 500-750 °С.

Характерным примером очистки газов этим способом является применение факела на нефтеперерабатывающих заводах. Со всех производств нефтеперерабатывающего завода отработавшие газы с различным содержанием горючих веществ собираются в одну магистраль, подаются в трубу и на высоте около 100 м сжигаются. Выброс этих газов (отходов производства) без сжигания недопустим, так как они не только ядовиты, но и взрывоопасны. Преимуществом метода сжигания вредных примесей является полная очистка газов в широком диапазоне типов загрязнителей с выделением оксида углерода и пара, а недостатком - дополнительный расход топлива.

Тема 4. Гидросфера

1. Источники загрязнения гидросферы

Загрязнение водных ресурсов возникает при залповом сбросе вредных веществ в поверхностные и подземные водные объекты, который причиняет вред или создает угрозу здоровью населения, нормальному осуществлению хозяйственной и иной деятельности, состоянию окружающей природной среды, а также биологическому разнообразию.

Объект, вносящий в поверхностные или подземные воды различные вредные вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения. Источниками загрязнения также признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов. Подавляющее большинство источников загрязнения гидросферы - техногенного происхождения. Среди них доминируют сбросы в водоемы сточных вод субъектами природопользования (предприятиями промышленности, коммунальными и сельскохозяйственными).

Сбросами называют сточные воды, содержащие в своем составе растворенные и взвешенные вещества, отводимые в гидросферу или литосферу. Сбросы подразделяются на организованные (отводятся через специальные сооружения водовыпуски) и неорганизованные (стекают в водные объекты непосредственно с территории предприятий, необорудованных ливневыми канализациями или другими устройствами).

Сточные воды - воды, используемые на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные различными примесями, которые изменили их первоначальный состав, физические и биологические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или полива территории. В состав сточных вод входят минеральные вещества (глина, песок, хлориды, сульфаты и соли тяжелых металлов), органические вещества (белок, жиры, нефтепродукты, СМС и ПАВ) и биогенные элементы (соединения азота и фосфора). Все вышеперечисленные вещества могут находиться в грубодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях. В грубодисперсном состоянии находятся от 15-20% загрязнителей, в коллоидном - от 50 до 60%, все остальные - в растворенном виде. Все сточные воды по источнику образования могут быть разделены на производственные, бытовые и атмосферные:

1. К производственным относят сточные воды технологических процессов изготовления и перемещения материальных благ. Промышленные сточные воды представляют собой жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке органического и неорганического сырья. В технологических процессах источниками сточных вод являются:

а) воды, образующиеся при протекании химических реакций (они загрязнены исходными веществами и продуктами реакций);

б) воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах, выделяющиеся в процессах переработки;

в) промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования;

г) водные экстракты и абсорбенты;

е) воды охлаждения;

ж) воды с вакуум-насосов, конденсаторов смешения, систем гидрозолоудаления, после мытья тары, и помещений.

2. В бытовые входят стоки от санитарных узлов, душевых и им подобных установок технологических производств, все стоки предприятий сферы услуг, коммунального хозяйства и жилищного фонда. Они содержат примеси, из которых примерно 58% органических и 42% минеральных веществ.

3. Атмосферные стоки представлены потоками дождя и тающего снега. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.

В зависимости от происхождения и степени загрязнения сточные воды, сбрасываемые в водоем, делят на незагрязненные (условно чистые), нормативно очищенные и без очистки (загрязненные):

1. К условно чистым относят такие стоки, которые не приводят к изменениям физико-химического состава водоема в месте сброса (образуются после вентиляционных установок и охлаждения оборудования). Они не требуют предварительной очистки (от 6 до 18%).

2. Нормативно очищенными называют прошедшие очистку стоки, сброс которых не приводит к изменению качества воды в водоеме. Содержание загрязняющих веществ в них соответствует предельно допустимым концентрациям (7-9%).

3. К загрязненным относят стоки, сброшенные без очистки или недостаточно очищенные, содержащие загрязняющие вещества выше предельно допустимых норм (смесь отработанных жидкостей после технологического процесса, а также после мытья оборудования - от 70 до 80%).

По генезису примесей стоки классифицируют на загрязненные преимущественно неорганическими (металлургические и цементные заводы, предприятия химической промышленности), органическими (нефтехимия, органический синтез), смешанными, т.е. органическими и неорганическими (нефте- и газодобыча) примесями, а также микроорганизмами (бактериями, вирусами), наиболее характерными для биохимических и биологических процессов.

По концентрации загрязняющих веществ производственные сточные воды подразделяют на четыре группы: I -- 500, II -- 501-5000, III - 5001-30000, IV - более 30 тыс. мг/л.

По степени агрессивности различают неагрессивные (рН=6,5-8,0), слабоагрессивные (рН=6,0-6,5 и 8-9) и сильноагрессивные (рН менее 6 и более 9) стоки. Это деление совпадает с представлениями соответственно о нейтральных, слабокислых и слабощелочных, сильнокислых и сильнощелочных средах.

Источники загрязнения природных вод подразделяются на:

1. Сточные воды промышленных предприятий объёмом несколько тыс. км³ в год. При разработке пластовых месторождений в нашей стране каждый год образуется около 2,5 тыс.км³ дренажных шахтных и шламовых вод, которые загрязнены хлористыми и сульфатными соединениями, соединениями железа и меди, не годятся даже в качестве технической воды и перед сбросом должны быть очищены.

2. Городские сточные воды, содержащие растворимые органические вещества, микроорганизмы, взвешенные частицы. Всего в стране за год образуется около 100 км³ таких вод.

3. Канализационные воды животноводческих хозяйств.

4. Дождевые и талые воды с растворёнными химическими веществами, образующиеся в городах и на полях.

5. Водный транспорт.

6. Естественные осадки из атмосферы.

7. Газодымовые выбросы.

8. Утечки нефти и нефтепродукты.

Под загрязняющим агентом водного бассейна понимают материальные субстанции (химические соединения, микроорганизмы, тепло), нарушающие нормы качества воды.

В зависимости от влияния на водную среду выделяют следующие группы загрязняющих веществ:

- загрязняющие вещества, способные самоочищаться или включаться в природные циклы, т.е., вещества, поддающиеся биохимическому разложению (органические вещества);

- загрязняющие вещества, накапливающиеся в живых организмах и поддающиеся медленному биохимическому окислению или разложению (фенолы, цианиды, ПАВ);

- загрязняющие вещества, имеющие ярко выраженную токсичность, способные накапливаться в живых организмах и переходить от одного трофического уровня к другому (тяжелые металлы, пестициды, органические растворители);

- патогенные организмы, вирусы, микробы и т.д.

2. Нормирование загрязнений гидросферы

Особенности нормирования химических веществ в водной среде обусловлены несколькими факторами.

1. С гигиенических позиций оценивается уровень загрязнения воды, предназначенной для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (спорт, купание, отдых).

2. Гигиенические нормативы качества воды распространяются не на весь водный объект, а только на пункты водопользования.

3.Вода используется населением не только для питья, приготовления пищи, личной гигиены, но и для хозяйственно-бытовых целей. В связи с этим при нормировании учитывается как непосредственное влияние химических загрязнителей на организм, так и их влияние на органолептические свойства и процессы самоочищения воды водоёмов.

4. Для всех водных объектов, используемых населением, устанавливаются единые гигиенические нормативы (ПДК, ОДУ).

В отличие от атмосферы, которая может рассматриваться как единое целое, водные бассейны более изолированы. В связи с этим по характеру использования водоемы подразделяют на две категории:

-- питьевого и культурно-бытового назначения;

-- рыбохозяйственного назначения.

Основным нормирующим показателем, характеризующим качество воды, как и атмосферы, является ПДК.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воде водоема (ПДКв, мг/л) -- это такая его концентрация, которая не оказывает негативного влияния на организм человека при различных видах употребления воды.

Нормами установлены ПДК более 2000 вредных веществ в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения и более 1130 веществ в водоемах рыбохозяйственного назначения. Это две самостоятельные, биологически несходные системы нормативов, так как человек слишком удален на биологической лестнице от форм водной биоты.

Кроме этого, при выделении зон ЧЭС и экологического бедствия предложено использовать суммарный показатель химического загрязнения (ПХЗ). Его расчет ведут по десяти соединениям с максимальным превышением ПДК.

Концентрация вредных веществ в водоемах, как и в атмосфере, зависит от их количества, выбрасываемого всеми источниками загрязнения. Чтобы эти концентрации не превышали ПДК, для каждого источника загрязнения устанавливают величину ПДС -- массы вещества, максимально возможной к отведению в единицу времени в данном пункте объекта при условии сохранения качества воды в контрольном пункте (г/м³).

Санитарные нормы и правила охраны поверхностных вод от загрязнения запрещают сбрасывать сточные воды в водоемы, если они:

- могут быть устранены путем усовершенствования технологии, максимального использования в системах оборотного водоснабжения или устройства бессточных производств;

- включают ценные отходы, которые можно утилизировать;

- содержат исходное сырье, реагенты, полу- и конечные продукты в количествах сверх установленных нормами технологических потерь;

- могут быть использованы для орошения при соблюдении санитарных требований.

Имеется несколько путей уменьшения количества загрязненных сточных вод, среди них следующие:

1) разработка и внедрение безводных технологических процессов;

2) усовершенствование существующих процессов;

3) разработка и внедрение совершенного оборудования;

4) внедрение аппаратов воздушного охлаждения;

5) повторное использование очищенных сточных вод в оборотных и замкнутых системах.

3. Методы очистки воды

Методы очистки сточных вод обычно классифицируют по характеру основных процессов, на которых они основаны. По этому признаку их подразделяют на механические, химические, физико-химические и биологические или биохимические.

1. Использование физических методов приводит лишь к изменению формы, размеров, агрегатного состояния и других физических свойств. При этом в последних не исчезают прежние и не возникают какие-либо новые вещества. Физические методы обеспечивают выделение из сточных вод до 95-99% взвешенных веществ и снижают органические загрязнения на 20-25%. Их разделяют на методы процеживания, отстаивания, центрифугирования и фильтрации. В качестве основного оборудования в них применяют различные модификации решеток, сит, отстойников, центрифуг, гидроциклонов и фильтров.

2. Химические методы применяют для удаления из сточных вод растворимых загрязнителей, используя различные реагенты. При взаимодействии с примесями последние образуют безвредные соединения или малорастворимые осадки, в состав которых переходят элементы вредных веществ. Таким образом, изменяются не только физические, но и химические свойства подвергаемых очистке систем. Основными методами химической очистки являются нейтрализация, окисление и восстановление.

Й. Нейтрализация.

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН=6,5-8,5. Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы и абсорбцией кислых газов щелочными водами. Выбор метода нейтрализации зависит от объема и концентрации сточных вод, наличия и стоимости реагентов.

1. Нейтрализация смешением. Этот метод применяют, если на предприятии имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в специальной емкости с мешалкой и без неё. В последнем случае перемешивание ведут воздухом.

2. Нейтрализация путем добавления реагентов. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, КОН, Na₂CO₃, СаСО₃, цемент и гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са(ОН)₂ 5--10%. Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе образовываться осадок или нет.

3. Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, твердых отходов (шлак, зола). Процесс ведут в фильтрах-нейтрализаторах, которые могут быть горизонтальными или вертикальными.

4. Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных вод используют отходящие газы, содержащие СО₂, SO₂, NO₂, N₂O₃. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов.

ЙЙ. Окисление.

Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и др. В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые удаляют из воды.

1. Окисление хлором. Хлор и вещества, содержащие «активный» хлор, являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, гидросульфида, фенолов, цианидов и др.

2. Окисление пероксидом водорода. Пероксид водорода является бесцветной жидкостью, в любых соотношениях смешивается с водой. Он может быть использован для окисления нитритов, цианидов, серо- и железосодержащих отходов и активных красителей.

В кислой среде пероксид водорода переводит соли двухвалентного железа в соли трехвалентного, азотистую кислоту -- в азотную, сульфиды -- в сульфаты. Цианиды в цианаты окисляются в щелочной среде (рН=9--12).

3. Окисление кислородом воздуха. Кислород воздуха используют при очистке воды от железа для окисления соединений двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением от воды гидроксида железа. Образующийся гидроксид железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Кислородом воздуха окисляют также сульфидные стоки целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.

4. Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов, запахов и обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений: мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др. При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором.

При введении озона в воду идут два основных процесса -- окисление и дезинфекция. Кроме того, происходит значительное обогащение воды растворенным кислородом.

Процесс очистки сточных вод значительно сокращается при совместном использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового облучения и озона. Так, ультрафиолетовое облучение ускоряет окисление в 10²--10⁴ раз.

ЙЙЙ. Очистка восстановлением. Методы восстановительной очистки сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка.

а) в процессе очистки неорганические соединения ртути восстанавливают до металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием или фильтрованием. Органические соединения ртути сначала окисляют с разрушением соединения, затем катионы ртути восстанавливают до металлической ртути. Для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, железный порошок, сероводород и др.

б) наиболее распространенным способом удаления мышьяка из сточных вод является осаждение его в виде труднорастворимых соединений. При больших концентрациях мышьяка (до 110 г/л) метод очистки основан на восстановлении мышьяковой кислоты до мышьяковистой диоксидом серы.

в) метод очистки сточных вод от веществ, содержащих шестивалентный хром, основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в виде гидроксида в щелочной среде. В качестве восстановителей используются активный уголь, сульфат железа, водород, диоксид серы.

3. Физико-химические методы основаны на явлениях химического характера, получающих развитие под влиянием изменения термодинамических параметров (давление, объем, температура), эти способы очистки базируются на совокупности явлений, пограничных между физическими и химическими. Физико-химические методы пригодны для осаждения токсичных металлов и их солей, удаления масел и суспендированных веществ, осветления стоков. Выбор конкретного способа определяется свойствами и количеством стоков (коагуляция и флокуляция).

4. Биохимические способы очистки в настоящее время нашли широкое применение для очистки как хозяйственно-бытовых, так и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и неорганических веществ, которые используются микроорганизмами в качестве питательных веществ и источников энергии и при этом подвергаются окислению с образованием воды и СО₂ при аэробной и восстановительным процессам с образованием метана при анаэробной очистке. В процессе питания микроорганизмов происходит прирост их массы. В сообщество микроорганизмов входит множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных микроорганизмов (микроводорослей, грибов и дрожжей). Основная роль в сообществе принадлежит бактериям, число родов которых может достигать 5-10, а видов - несколько десятков и даже сотен. Масса микроорганизмов создает так называемый активный ил с концентрацией до 2-5 г/л сточных вод.

Возможность биохимического окисления определяется по отношению, называемому биохимическим показателем. (БПКполн/ХПК)*100,%.

БПК_ПОЛН -- потребление кислорода до начала процессов нитрификации, т.е. окисления нитритов до нитратов.

ХПК -- величина, характеризующая общее количество органических и неорганических восстановителей, реагирующих со всеми окислителями, находящимися в сточной воде. Если это отношение равно 50%, то вещества будут поддаваться биохимическому окислению.

Известны два вида процессов с участием микроорганизмов: окислительные (аэробные) в присутствии кислорода, наиболее распространенные в очистке сточных вод. Аэробный метод очистки основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40 градусов. При аэробном методе очистки микроорганизмы культивируются в виде активного ила или биопленки.

Восстановительные (анаэробные) методы протекают в отсутствие кислорода и используются для сбраживания осадков.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях.

1. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах.

а) Поля орошения. Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения.

Серьезной проблемой использования полей орошения может явиться загрязнение почвы и заражение растений патогенными бактериями и яйцами гельминтов.

б) Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то их называют полями фильтрации. Недостатки - большая площадь, возможность загрязнения подземных вод и воздуха газообразные продуктами разложения /запах - на 200 м/.

в) Биологические пруды - представляют собой каскад прудов, состоящий из 3--5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает сточная вода. Пруды имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами. Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО₂, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при разложении органических веществ.

К недостаткам этих сооружений следует отнести низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях, затрудненность очистки, трудно подобрать состав микроорганизмов, поддерживать их концентрацию на нужном уровне, микроорганизмы часто гибнут.

2. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры при аэробной очистке и метатенки при анаэробной. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

1. Очистка в биофильтрах. Биофильтры - сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов (биопленкой). Биопленка представляет собой слизистые образования толщиной от 2 мм и более. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и простейших.

Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий и шлак.

2. Очистка в аэротенках. Аэротенки представляют собой резервуары, в которых сточная вода смешивается с комплексом развивающихся микроорганизмов, образующих легко оседающие хлопья - активный ил, и насыщается воздухом или кислородом с помощью различных систем аэрации. Аэрация обеспечивает эффективное смешение сточных вод с активным илом, подачу в иловую смесь кислорода и поддержание ила во взвешенном состоянии. В процессе окисления органического вещества увеличивается биомасса микроорганизмов и образуется избыточный активный ил. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

3. Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод. Для очистки сточных вод используют метановое брожение, которое состоит из двух фаз: кислой и щелочной. В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Процесс брожения проводят в метантенках - герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка.

К недостаткам относится медленный рост анаэробных, особенно метановых, бактерий.

Тема 5. Почвы и земельные ресурсы

1. Источники загрязнения литосферы

Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км², или 86,5% суши. Из них пахотно-пригодными являются 25-35 млн. км², из которых используются около 15 млн.км². Сенокосы и пастбища занимают 37,4 млн. км².

Существует множество классификаций источников загрязнения почвенного покрова. Наиболее распространена:

1. Природные процессы, неблагоприятное воздействие которых на почвенный покров предотвратить нельзя. Это землетрясения, извержения вулканов и оплывание почв на склонах.

2. Природные процессы, которые человек иногда может в какой-то мере предотвратить или уменьшить их неблагоприятное воздействие на почву, например, наводнения и сопровождающийся при этом смыв пахотного слоя и занос плодородных почв песком и галькой.

3. Природные процессы, интенсивное проявление которых во многом обусловлено неразумной деятельностью человека. Это в первую очередь интенсивный смыв и размыв почвы поверхностным стоком временных водных потоков и погребение плодородных почв продуктами эрозии - менее плодородными наносами, занос почв подвижными песками, вторичное засоление почв, связанное с избыточным поливом.

4. Явления, целиком связанные с хозяйственной деятельностью человека. Это загрязнение почв токсическими выбросами, поступающими в атмосферу при работе промышленных предприятий и транспорта. Снижение плодородия от неправильного применения удобрений и пестицидов. Разрушение почвенного покрова при разработке месторождений полезных ископаемых. Пересушивание почвы при неправильном проведении осушительных мелиораций. Необоснованное отчуждение ценных сельскохозяйственных земель для использования в других отраслях народного хозяйства.

Основными антропогенными источниками загрязнения почвы являются:

- теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы, в конце концов оказывающихся в почве.

-транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями.

- жилищно-коммунальное хозяйство. Почва может загрязняться бытовым мусором, пищевыми отходами, фекалиями, строительным мусором, пришедшими в негодность предметами домашнего обихода.

- сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые в сельском и лесном хозяйстве для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. Сюда также относятся отходы, отбросы и экскременты животноводческих хозяйств.

2. Эрозионные процессы

Эрозионные процессы - это явления, ведущие к разрушению горных пород и почв, равным образом обусловливаются как природными факторами геологического характера, ведущими к изменению поверхности Земли, так и антропогенными нагрузками на окружающую среду.

Известно, что земная кора находится под влиянием внутренних и внешних сил. Первые приводят к образованию крупных форм рельефа -- гор, вулканов, плоскогорий, глубоких впадин, в результате поднятия и опускания земной коры, вулканической деятельности. Вторые вызывают разрушение горных пород и образование осадочных материалов вторичного происхождения.

Все факторы внешнего воздействия проявляются либо на границе атмосферы и литосферы, либо гидросферы и литосферы.

1. В первом случае наиболее разрушительными являются колебания температуры, атмосферные осадки, замерзание воды, ветер, объединяемые в группу атмосферных агентов. Их совокупность обусловливает выветривание горных пород. В зависимости от того, какие именно атмосферные агенты являются основными, каков при этом характер изменения горных пород, различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

а) Физическое выветривание разрушает горные породы без изменения их минерального состава. Оно происходит за счет быстрой смены температур, действия льда, образующегося при замерзании воды, и ветра.

б) Химическое выветривание имеет место при взаимодействии минералов и пород с водой и содержащимися в них веществами, с диоксидом углерода и кислородом воздуха. При этом происходит растворение минералов и изменение химического состава пород.

в) Биологическое выветривание развивается под воздействием растительных и животных организмов, микробов, продуктов жизнедеятельности живых существ и разложения последних после отмирания.

2. Во втором случае разрушение осуществляется движущимися потоками воды (водная эрозия). В данном виде эрозии основной разрушительной силой являются моря, потоки дождевых, талых и речных вод, грязекаменные потоки и ледники.

Водную эрозию подразделяют на горизонтальную (плоскостную) и вертикальную (глубинную).

а) Горизонтальная эрозия проявляется в том, что выпадающие осадки или талые воды, стекая по уклону, захватывают и сносят вниз верхний слой почвы.

б) При вертикальной эрозии образуются овраги -- вытянутые и разветвленные углубления, врезанные в рыхлую породу. Их образованию способствуют пересеченный рельеф местности, ливневый характер выпадающих осадков, быстрое снеготаяние, наличие легко размываемых пород.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер:

- землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам);

- агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.);

- лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.);

- гидротехнических (каскадные пруды и т. д.).

При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия останавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же после их устройства, агротехнические - через несколько лет, а лесомелиоративные - через 10-20 лет после их внедрения.

Для почв, подверженных сильной эрозии, необходим весь комплекс противоэрозионных мер:

- полосное земледелие, т.е. такая организация территории, при которой прямолинейные контуры полей чередуются с полезащитными лесными полосами;

- почвозащитные севообороты (для защиты почв от дефляции);

- облесение оврагов;

- бесплужные системы обработки почв (применение культиваторов, плоскорезов и т. п.);

- различные гидротехнические мероприятия (устройство каналов, валов, канав, террас, сооружение водотоков, лотков и др.) и другие меры.

3. Факторы деградации почв

Основные факторы деградации почв, вызывающие ее эрозию, - сельскохозяйственные и промышленные.

К сельскохозяйственным относятся:

- уменьшение площади лесов, что приводит к резкому повышению скорости смывания почвенного слоя;

- вторичное засоление почв, которое заключается в накоплении в верхних слоях почвы легкорастворимых солей (соды, хлоридов, сульфатов) в результате неумеренного полива земель и нарушения водного баланса фильтрационными водами оросительных систем;

- опустынивание. Оно приводит к потере экосистемой сплошного растительного покрова и невозможности его восстановления без участия человека. Этот процесс протекает под влиянием таких факторов, как вырубка лесов, неумеренная эксплуатация пастбищ и нерациональное использование водных ресурсов при орошении;

- нерациональное ведение сельскохозяйственных работ. Оно обусловливается применением крупной тяжелой техники, ее использованием на повышенных скоростях, количества пестицидов -- химических средств защиты растений. Опасность пестицидов обусловлена, прежде всего, тем, что они активно включаются в трофические цепи и аккумулируются в тканях животных. В настоящее время разрешено использование более 60 различных пестицидов, относящихся к самым разнообразным классам химических соединений. Все они, помимо специфического действия на сельскохозяйственных вредителей (инсектициды), патогенные грибы (фунгициды) и сорняки (гербициды), могут вызывать неблагоприятные отдаленные последствия канцерогенного и тератогенного характера.

Особо опасны гербициды, относящиеся к группе стойких хлорорганических соединений (ДДТ, ГХБ, ГХЦБ и др.). Хлорорганические пестициды, будучи опасны сами по себе, зачастую содержат трудно выделяемые из них и близкие им по составу диоксины, поражающее действие которых многократно выше.

Промышленные факторы обусловлены:

- разработкой полезных ископаемых. Наибольший ущерб наносит их открытая добыча. Она связана с отчуждением земельных площадей, которые в результате проведения горных работ становятся непригодными для использования в народном хозяйстве;

- загрязнением почв токсикантами;

- наличием водохранилищ, которые изменяют режим грунтовых вод, затопляют большие участки плодородных земель, приводят к вторичному засолению почв;

- кислотными дождями. Атмосферные осадки, имеющие рН менее 5,6, приводят к закислению почв. При снижении рН менее 5,0 вырождение плодородия начинает резко прогрессировать, а при рН =3,0 почвы становятся практически потерянными для сельского хозяйства.

Загрязнение почв тормозит ход почвообразовательных процессов, резко снижает урожайность, вызывает накопление вредных веществ в растениях. Из последних они прямо или опосредствованно (через продукты питания) попадают в организм человека. Ослабляется также самоочищающая способность почв, что повышает опасность заболеваний, вызываемых болезнетворными бактериями. Например, в обычных условиях возбудители дизентерии и тифа сохраняются 2-3 сут. В ослабленных загрязнителями почвах возбудители дизентерии опасны несколько месяцев, а тифа-- до полутора лет.

4. Нормирование загрязнений в почвенном покрове

Основные положения гигиенического нормирования содержания вредных веществ в почве заключаются в следующем.

1. Не всякое поступление химических веществ в почву следует рассматривать как опасное для здоровья человека и окружающей среды.

2. Безопасность поступления химических веществ в почву определяется недопустимостью превышения адаптационной возможности самых чувствительных групп населения или порога самоочищающей способности почвы.

3. Гигиенические нормативы устанавливаются с учётом лимитирующего показателя вредности: общесанитарного, миграционного водного, воздушного, органолептического, фитоаккумуляционного и токсикологического.

4. Если учитывать чрезвычайную изменчивость климатогеографических условий формирования почв, то экспериментально обоснованную ПДК можно рассматривать как эталонную величину отсчёта, используемую для оценки опасности загрязнения почвы в конкретных почвенно-климатических условиях.

Нормирование химического загрязнения почв устанавливается по (ПДКп). По своей величине ПДКп отличаются от принятых ПДК для воды и воздуха (в большую сторону). Это объясняется тем, что непосредственное поступление вредных веществ в организм из почвы происходит лишь в исключительных случаях и незначительных количествах, в основном через контактирующие с почвой среды (вода, воздух, растения).

ПДКп -- это концентрация химического вещества (мг/кг) в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. ПДК учитывает шесть лимитирующих показателей.

1. Органолептический показатель - минимальное содержание вещества в почве, вызывающее достоверные отрицательные изменения в пищевой ценности растительной пищи.

2. Общесанитарный, показатель характеризует самоочищающую способность почвы. Он представляет собой максимальную концентрацию токсиканта в почве, которая за 7 суток не приводит к сокращению на 50% и более численности микроорганизмов.

3. Токсикологический показатель -- максимальная не действующая на организм человека при непосредственном контакте доза загрязнителя в почве.

4 .Остальные лимитирующие показатели -- это количество токсикантов в почве, при которых их концентрация соответственно в сельскохозяйственных растениях, грунтовых водах и воздухе не превышает ПДК для пищевых продуктов, воды водоемов и атмосферы.

При выявлении зон ЧЭС и экологического бедствия загрязнение почв оценивается по суммарному показателю Zc химического загрязнения. Он определяется как сумма коэффициентов концентраций отдельных компонентов загрязнений по формуле

Zc=Kс_l+Кс₂+…+Kc_n-(n-1)

где n - число определяемых элементов;

Кс -- коэффициент концентрации i-го загрязнителя, равный частному от деления его массовых долей в загрязненной и «фоновой» почвах.

5. Почвозащитные мероприятия на сельскохозяйственных землях

В условиях интенсификации производства охрана земной поверхности и её рациональное использование осуществляются с помощью следующих мероприятий:

- запрещение использования для строительства пашни и садов;

- разработка и внедрение комплексов противоэрозионных мероприятий;

- сокращение использования земельного фонда для промышленных целей в процессе проектирования и строительства;

- переход на биологические методы (вместо пестицидов) борьбы с сорняками, вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур;

- устранение загрязнения почвы промышленными предприятиями, рекультивация нарушенных горными и строительными работами земель.

Рекультивация - совокупность работ по приведению почвы в пригодное для использования в народном хозяйстве состояние. Рекультивация осуществляется в два этапа:

1. Механическая рекультивация состоит в подготовке территории после окончания разработки месторождения или строительства путём планировки отвалов, засыпки выемок, придания откосам удобной формы, насыпания плодородной почвы, проведения мелиоративных работ и создания подъездных путей.

2. Биологическая рекультивация заключается в восстановлении первоначального плодородия земель путём их озеленения. Основные методы биологической рекультивации:

- внесение повышенных доз органических и минеральных удобрений, орошение;

- посадка многолетних бобовых культур;

- посадка улучшающих почву деревьев и кустарников, характерных для данной почвенно-климатической зоны.

6. Природные ресурсы и их классификация

Природные ресурсы - это различные природные объекты и явления, которые используются или могут использоваться в социально-хозяйственной деятельности человека. В основу их классификации положены четыре признака.

Первый - по источникам происхождения: биологические, минеральные и энергетические. Биологические ресурсы (растения, животные) являются возобновляемыми ресурсами, если деятельность человека не лишила их необходимых условий для размножения и воспроизводства численности. Большинство минеральных ресурсов относится к невозобновляемым. Это - руды, глины, пески, нефть, газ и редкоземельные элементы.

Второй - по использованию в качестве производственных ресурсов: земельный фонд, лесной фонд, водные ресурсы, гидроэнергетические ресурсы, ресурсы животного мира, полезные ископаемые.

Третий признак - по степени истощаемости ресурсов:

- неисчерпаемые - атмосферный воздух, осадки, вода, солнечная радиация, энергия ветра, энергия морских приливов и отливов, энергия земных недр;

- исчерпаемые - расходуются при использовании человеком и подразделяются на возобновляемые (животный и растительный мир), относительно возобновляемые (деревья большого возраста, плодородие почв, некоторое минеральное сырье) и не возобновляемые (полезные ископаемые).