Предупреждение загрязнения морской среды от соединений тяжелых металлов и нефтепродуктов

21

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКА ДЕРЖАВНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

КАФЕДРА СУДНОВОДІННЯ,ОХОРОНИ ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

Заочна форма навчання

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 2

з дисципліни «Екологія та охорона навколишнього середовища»

на тему ПОПЕРЕДЖЕННЯ ЗАБРУДНЕННЯ МОРСЬКОГО СЕРЕДОВИЩА ВІД СПОЛУК ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ТА НАФТОПРОДУКТІВ

Херсон 2015

Содержание

Введение

1. Цель работы

2. Теоретическая часть

3. Практическая часть

4. Технические предложения по снижению уровня экологической безопасности морской среды

4.1 Очистка морской среды от соединений тяжёлых металлов

4.2 Очистка морской среды от нефтепродуктов

Выводы

Список рекомендуемой литературы

Введение

При эксплуатации судов и контакте их металлических поверхностей с морской средой протекают электрохимические процессы, в результате которых в морскую среду поступают ионы тяжёлых металлов. Последние ингибируют жизнедеятельность морепродуктов, приводят к нарушениям биохимических процессов морской среды, и, как результат, к уменьшению биопроизводства синезелёных водорослей (источника кислорода на Планете) и биопланктонов, разрушают морские экосистемы.

Нефтепродукты поступают в морскую среду вследствие промывки грузовых трюмов танкеров, аварийного сброса нефтепродуктов, льяльных вод в морскую среду, от контакта дейдвудного вала, якоря и якорной цепи с морской средой.

В процессе эксплуатации судов образуются отходы, которые можно разделить на две группы:

отходы, образующиеся вследствие неполноты выгрузки судов, обработки водой палуб, трюмов и танков;

отходы, образующиеся в результате жизнедеятельности экипажа и пассажиров (хозяйственно-бытовые, фекальные стоки и бытовой мусор), а также в результате эксплуатации судовых механизмов (подсланевые, нефтесодержащие воды, отработанные газы СЭУ, шум, вибрация, ЭМП, твердые отходы).

Весьма часты случаи аварийных разливов нефтепродуктов при бункеровке судов, различных аварийных ситуациях, военно-политических конфликтах, форс-мажорных явлениях.

Нефтесодержащие воды (льяльные воды) - образуются вследствие негерметичноси трубопроводов, арматуры, насосов, через обшивку корпуса и донную арматуру, при ремонте механизмов, топливной и масляной аппаратуры. Нефтесодержащие воды образуются и вследствие попадания под слани воды, использованной при промывке деталей, механизмов, пропарке топливных и масляных цистерн, а также в результате аварийных протечек, конденсации паров воды на внутренней поверхности корпуса судов в машинно-котельном отделении.



1. Цель работы

· освоить методику определения уровня экологической опасности морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

· приобрести практические навыки выполнения расчётов с определением уровня экологической опасности морской среды;

· рассчитать концентрации соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов в морской среде;

· выполнить санитарно-гигиеническую оценку морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

· разработать технические предложения по снижению уровня экологической опасности морской среды в процессе её загрязнения соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами при эксплуатации судов.



2. Теоретическая часть работы

Основными загрязнителями морской среды являются соединения тяжёлых металлов и нефтепродукты.

В качестве соединений тяжёлых металлов, растворимых в морской воде, рассматриваются такие соединения, как:

· мышьяк (М);

· ртуть (РТ);

· свинец (СВ).

В качестве нефтепродуктов рассматриваются:

· углеводороды (УВ);

· бензол (Б);

· толуол (Т).

Ионы тяжёлых металлов, поступающие за счёт коррозии металлических корпусов судов, а также коррозии затонувших судов, их фрагментов, орудий и боеприпасов, металлических трубопроводных коммуникаций, арматуры, в морскую среду, ухудшают качество этой воды, которая становится непригодной для разведения морепродуктов, рекреационных целей [1-4].

Соединения тяжёлых металлов, поступающие в организм человека по "пищевой цепочке", ингибируют процессы, происходящие в коре головного мозга, в спинном мозге и кровеносной системе.

Результатом этого влияния на человека соединений тяжёлых металлов являются такие осложнения, как лейкемия крови, проявляются тенденции к мутагенным и терратогенным последствиям [3, 4].

Борьба с угрозой глобального экологического кризиса стала международной проблемой. Решить ее в рамках отдельных стран невозможно. Предпринятые некоторыми государствами меры по охране природы не будут эффективными, если другие их не поддержат. В настоящее время эта проблема стала мировой и обусловлена следующими факторами:

*сброс промышленных и хозяйственных вод без очистки непосредственно в море или с речным стоком;.

*ядохимикаты, используемые в сельском и лесном хозяйствах, в частности наиболее вредный, токсичный ДДТ;

*балластные воды и перенос бактерий, биопланктона, морская инвазия;

*аварийные выбросы и сбросы со скважин, буровых или подводных трубопроводов при разведке, добычи, транспортировки нефти, попутного и природного газа, конденсата;

*разработка полезных ископаемых на морском дне;

*перенос вредных веществ в атмосферу, гидросферу и почву.

Экологическая обстановка стала заметно ухудшаться в 60-70 годах XX столетия.

К основным источникам антропогенного воздействия на экологию Черного моря относятся [3]:

1)сток рек с содержащимися в них различных вредных, токсичных веществ;

2) сельское хозяйство (удобрения, пестициды, инсектициды);

3) промышленность (соединения тяжёлых металлов, детергенты, нефтепродукты);

4) населенные пункты (сточные воды, патогенные организмы, детергенты, нефтепродукты);

5) атмосферные осадки;

6)речное и морское судоходство;

7) порты;

8) рыбный промысел;

9) добыча минеральных ресурсов;

10) защита берегов;

11) рекреация и туризм.

В процессе эксплуатации судов образуются газообразные, жидкие и твёрдые отходы.

Нефтесодержащие воды. В процессе эксплуатации судовых механизмов образуется особый вид отходов - подсланевые нефтесодержащие воды, которые скапливаются под сланями (льялами) машинных отделений. Основные причины их образования - негерметичность трубопроводов, обшивки корпуса и донной арматуры, разливы нефтепродуктов при ремонте механизмов, топливной и масляной аппаратуры. Количество нефтепродуктов во многом зависит от технического состояния оборудования и от выполнения правил его эксплуатации. Среднесуточное накопление нефтесодержащих вод в основном определяется мощностью главного двигателя.

При попадании в воду нефтепродукты образуют эмульсию. Ее устойчивость повышается, если в таких водах присутствуют эмульгаторы, они препятствуют укрупнению и всплытию частичек нефти. Содержащиеся в морской воде ионы различных металлов и солей также могут способствовать образованию эмульсии. Удалять из воды эмульгированные нефтепродукты гораздо сложнее, чем грубодисперсные. Поэтому по возможности следует исключать факторы, способствующие их образованию.

Сточные воды. При использовании природной, пресной воды для питьевых и хозяйственных нужд на судне накапливаются сточные воды. Сточные воды запрещено сбрасывать в морскую среду, их накапливают в специальных герметичных танках с последующей обработкой и нейтрализацией.

Влияние нефти на морскую среду:

1. нарушается природный кругооборот воды;

2. снижается концентрация растворимого кислорода в морской среде;

3. загрязняется морская поверхность, толща и морское дно.

Существенную роль в ухудшении качества морской, окружающей среды играет загрязнение оболочек Земли нефтепродуктами. Во всем мире при добыче, транспортировании, переработке и использовании нефти теряется 2 % ежегодно добываемой нефти, при этом 7 млн. т. - только при её добыче. Из 50 млн. т. в год потерь нефти на суше теряется 25 млн. т., на морской поверхности - 8 млн. т. и выбрасывается в атмосферу - 17 млн. т. Для сравнения, поступление нефти в океан по разломам земной коры не превышает 0,5 млн. т/год. Одна тонна сырой нефти покрывает тонкой пленкой около 6 км² морской акватории. Длительное воздействие нефти и её продуктов приводит к гибели 1/3 молодых морских организмов, особенно в прибрежной зоне. Морские организмы, аккумулируя соединения тяжёлых металлов и углеводороды, становятся опасными для человека.

В результате использования соединений свинца (тетраэтилсвинец) в качестве антидетонационной присадки к бензинам ежегодно в природную среду поступает свыше 2 млн. т. оксида и диоксида свинца от ДВС. За последние 100 лет концентрация соединений свинца в толще Гренландского ледника возросла в 5 раз, достигнув 2 мг/кг льда. За последние 20 лет концентрация свинца в воде возросла в 10 раз.

Аналогичное положение с ртутью, 8 тыс. т. которой ежегодно поступает в окружающую среду, из них 40 % при выветривании горных пород и 60 % техногенным путем, главным образом за счет отходов целлюлозно-бумажного, содового производства и рассеивания содержащих ртуть пестицидов.

Главная особенность современной экологической обстановки - накопление отходов промышленности и загрязнение окружающей среды. Только небольшое количество (5-15 %) добываемого минерального сырья превращается в полезный продукт, остальное в процессе переработки возвращается природе в виде отходов - газо-парообразных, жидких, твёрдых и энергетических. По ориентировочным данным, в настоящее время в биосферу ежегодно поступает в твердой, жидкой и газообразной фазах до 20-25 млрд. т. бытовых и промышленных отходов. Причем часто в биосферу поступают новые вещества, которые не вовлекаются в природный круговорот и постоянно накапливаются.

Воздействие современного промышленного производства оказывает влияние на тепловой баланс планеты. Одна из причин этого - отток в окружающую среду антропогенной энергии.

В определенных небольших концентрациях соединения тяжёлых металлов необходимы для роста и развития растений. Они выполняют разные физиологичные функции в организмах растений и других живых организмах. Они связываются с определенными белками и образуют много ферментов. Система цитохромов содержит железо. При высоких концентрациях соединения тяжёлых металлов наносят непоправимый урон окружающей среде, биосфере и человеку.



3. Практическая часть работы

Необходимо определить уровень экологической опасности морской среды по истечении одного месяца и одного года при непрерывном поступлении в морскую среду соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов.

Исходные данные принимаются по заданию согласно варианта курсанта (студента) и выдаются ответственным за практические работы преподавателем кафедры судовождения, охраны труда и окружающей среды:

· объём морской среды (V_мс, л (м³));

· интенсивность стока морской воды с соединениями тяжёлых металлов (V_тм, л/с);

· интенсивность стока морской воды с нефтепродуктами (V_нп, л/с);

· концентация соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов в стоке морской среды (С_м, С_рт, С_св, С_ув, С_б, С_т), мг/л.

Расчет

№	Объём морской среды (Vмс, л)	Интенсивность стока морской воды с соединениями тяжёлых металлов (Vтм, л/с)	Концентация соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов в стоке морской среды (См, Срт, Ссв,), мг/л
			мышьяк	ртуть	свинец
13	30 * 1010	325	0,2	0,6	1,5
	углеводороды	бензол	толуол
13	13* 1010	325	0,2	0,6	1,5

Объём стока с соединениями тяжёлых металлов (V_{тм мес}, м³/мес; V_{тм год}, м³/год) и нефтепродуктов (V_{нп мес}, м³/мес; V_{нп год}, м³/год) через один месяц и один год определяется по формулам:

V_{тм мес} = V_тм * ф_мес = 325 * 720 * 3600 / 1000 = 842400 (1)

V_{тм год} = V_тм * ф_год = 325 * 8760 * 3600 / 1000 = 10249200(2)

V_{нп мес} = V_нп * ф_мес = 325 * 720 * 3600 / 1000 = 842400(3)

V_{нп год} = V_нп * ф_год = 325 * 8760 * 3600 / 1000 = 10249200(4)

где ф_мес - месячный фонд рабочего времени (ф_мес = 24 * 30 = 720 час),

ф_год - годовой фонд рабочего времени (ф_год = 365 * 24 = 8760 час).

Масса тяжёлых металлов (G_{м мес}, G_{рт мес}, G_{св мес}, G_{м год}, G_{рт год}, G_{св год}, тонн/мес) и нефтепродуктов (G_{ув мес}, G_{б мес}, G_{т мес}, G_{ув год}, G_{б год}, G_{т год}, тонн/год), поступающих на протяжении одного месяца и одного года в морскую среду определяется по формулам:

G_{м мес} = С_м * V_{тм мес} = 0,2 * 10^-6 * 842400 = 0,16848 тонн/мес,(5)

G_{рт мес} = С_рт * V_{тм мес} = 0,6 * 10^-6 * 842400 = 0,5254 тонн/мес,(6)

G_{св мес} = С_св * V_{тм мес} = 1,5 * 10^-6 * 842400 = 1,2636 тонн/мес,(7)

G_{ув мес} = С_ув * V_{нп мес} = 0,2 * 10^-6 * 842400 = 0,1684 тонн/мес,(8)

G_{б мес} = С_б * V_{нп мес} = 0,6 * 10^-6 * 842400 = 0,5254 тонн/мес,(9)

G_{т мес} = С_т * V_{нп мес} = 1,5 * 10^-6 * 842400 = 1,2636 тонн/мес, (10)

G_{м год} = С_м * V_{тм год} = 0,2 * 10^-6 *10249200 = 2,0498 тонн/мес, (11)

G_{рт год} = С_рт * V_{тм год} = 0,6 * 10^-6 *10249200 = 6,1495 тонн/мес, (12)

G_{св год} = С_св * V_{тм год} = 1,5 * 10^-6 *10249200 = 15,3738 тонн/мес, (13)

G_{ув год} = С_ув * V_{нп год} = 0,2 * 10^-6 *10249200 = 2,0498 тонн/мес, (14)

G_{б год} = С_б * V_{нп год} = 0,6 * 10^-6 *10249200 = 6,1495 тонн/мес, (15)

G_{т год} = С_т * V_{нп год} = 1,5 * 10^-6 *10249200 = 15,3738 тонн/мес, (16)

Концентрация тяжёлых металлов (С_{м мес}, С_{рт мес}, С_{св мес}, С_{м год}, С_{рт год}, С_{св год}, мг/л) и нефтепродуктов (С_{ув мес}, С_{б мес}, С_{т мес}, С_{ув год}, С_{б год}, С_{т год}, мг/л) в морской среде через один месяц и один год определяется по формулам:

С_{м мес} = G_{м мес} / V_мс = 0,1684 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 0,5616 * 10^-3 мг/л, (17)

С_{рт мес} = G_{рт мес} / V_мс = 0,5254 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 1,6848 * 10^-3 мг/л, (18)

С_{св мес} = G_{св мес} / V_мс = 1,2636 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 4,212 * 10^-3 мг/л, (19)

С_{ув мес} = G_{ув мес} / V_мс = 0,1684 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 1,296 * 10^-3 мг/л, (20)

С_{б мес} = G_{б мес} / V_мс = 0,5254 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 3,888 * 10^-3 мг/л, (21)

С_{т мес} = G_{т мес} / V_мс = 1,2636 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 9,72 * 10^-3 мг/л (22)

С_{м год} = G_{м год} / V_мс = 2,0498 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 6,8328 * 10^-3 мг/л, (23)

С_{рт год} = G_{рт год} / V_мс = 6,1495 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 20,498 * 10^-3 мг/л, (24)

С_{св год} = G_{св год} / V_мс = 15,3738 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 51,246 * 10^-3 мг/л, (25)

С_{ув год} = G_{ув год} / V_мс = 2,0498 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 15,768 * 10^-3 мг/л, (26)

С_{б год} = G_{б год} / V_мс = 6,1495 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 47,304 * 10^-3 мг/л, (27)

С_{т год} = G_{т год} / V_мс = 15,3738 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 118,26 * 10^-3 мг/л, (28)

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по соединениям тяжёлых металлов) через один месяц и один год определяется по критериальному уравнению:

С_{м мес} ? ПДК_м0,5616 * 10^-3 < 6 * 10^-3 мг/л (29)

С_{рт мес} ? ПДК_рт1,6848 * 10^-3 < 5 * 10^-3 мг/л (30)

С_{св мес} ? ПДК_св4,212 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (31)

Т.к. С_{тм мес} < ПДК_тм - морская среда безопасна

С_{м год} ? ПДК_м6,8328 * 10^-3 > 6 * 10^-3 мг/л (32)

С_{рт год} ? ПДК_рт20,498 * 10^-3 > 5 * 10^-3 мг/л (33)

С_{св год} ? ПДК_св51,246 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (34)

Т.к. С_{тм год} > ПДК_тм - морская среда опасна.

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по нефтепродуктам) через через один месяц и один год:

С_{ув мес} ? ПДК_ув1,296 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (35)

С_{б мес} ? ПДК_б3,888 * 10^-3 < 50 мг/л (36)

С_{т мес} ? ПДК_т9,72 * 10^-3 < 5 мг/л (37)

Т.к. С_{нп мес} < ПДК_нп - морская среда безопасна

С_{ув год} ? ПДК_ув15,768 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (38)

С_{б год} ? ПДК_б47,304 * 10^-3 < 50 мг/л (39)

С_{т год} ? ПДК_т118,26 * 10^-3 < 5 мг/л (40)

Т.к. С_{нп год} < ПДК_нп - морская среда безопасна

Для веществ однонаправленного действия [2, 3] критерий опасности морской среды по рассчитываемым токсичным веществам через один месяц и один год определяется по уравнениям:

ц^тм_мес = ?(С_{тм мес}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м мес}/C_ПДКм)+(С_{рт мес}/C_ПДКрт)+(С_{св мес}/C_ПДКсв) (41)

ц^тм_мес = (0,561 * 10^-3 / 6 * 10^-3) + (1,684 * 10^-3 / 5 * 10^-3) + (4,212 * 10^-3 / 50 * 10^-3)= 0,5148 < 1

Т.к. ц^тм_мес < 1 - морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

ц^тм_год = ?(С_{тм год}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м год}/C_ПДКм)+(С_{рт год}/C_ПДКрт)+(С_{св год}/C_ПДКсв) (42)

ц^тм_год = (6,8328 * 10^-3 / 6 * 10^-3) + (20,498 * 10^-3 / 5 * 10^-3) + (51,246 * 10^-3 / 50 * 10^-3) = 6,2634 > 1

Т.к. ц^тм_год > 1 - морская среда опасна



ц^нп_мес = ?(С_{нп мес}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув мес}/C_ПДКув)+(С_{б мес}/C_ПДКб)+(С_{т мес}/C_ПДКт) (43)

ц^нп_мес = (1,296 * 10^-3 / 50) + (3,888 * 10^-3 / 50 * 10^-3) + (9,72 * 10^-3 / 5) = 0,0279 < 1

ц^нп_год = ?(С_{нп год}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув год}/C_ПДКув)+(С_{б год}/C_ПДКб)+(С_{т год}/C_ПДКт) (44)

ц^нп_год = (15,768 * 10^-3 / 50 * 10^-3) + (47,304 * 10^-3 / 50) + (118,26 * 10^-3 / 5) =0,3399<1

Т.к. ц^нп_{мес, год} < 1- морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

Опасность вещества определяется по формуле:

Z_тм= 1/ ПДК_Zтм, (45)

Z_нп= 1/ ПДК_Zнп, (46)

Для тяжёлых металлов получим:

Zм=1/0,006=166,667

Zрт=1/0,005=200

Zсв=1/0,05=20

Чем больше значение Z_тм, тем опаснее вещество для морской среды.

Наиболее опасным веществом будет ртуть.

Для нефтепродуктов опасность вещества составит:

Zув=1/0,05=20

Zб=1/50=0,02

Zт=1/5=0,2

Чем больше значение Z_нп, тем опаснее вещество для морской среды.

Наиболее опасным веществом будут углеводороды.

При условии, что расчетный критерий опасности морской среды составит ц^нп_{мес, год} < 1 необходимо рассчитать время за которое он станет представлять опасность морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровью человека.

Расчетное количество времени Тгод превышения критического порога для морской среды вычисляется по следующей формуле:

Тгод = 1 / ц^нп_год = 1 / 0,3399 = 2,9420 года

Соответственно количество дней с учетом погрешности при предыдущих расчетах составит:

Тсут = Тгод * 365 + 10 = 2,9420 * 365 + 10 = 1083,84 ? 1084 сут.



4. Технические предложения по снижению уровня экологической опасности морской среды

4.1 Очистка загрязненных вод от соединений тяжёлых металлов [2, 3, 6]

экологический загрязненный морской очистка

Очистка загрязненных вод от растворенных неорганических примесей

Реагентные методы очистки.

К реагентным методам очистки относятся - нейтрализация кислот и щелочей, перевод ионов в слаборастворимые соединения, осаджения минеральных примесей солями.

Нейтрализация.

Применяют следующие способы нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сред;

б) нейтрализация реагентами;

в) фильтрация через нейтрализующие твёрдые материалы.

Наибольшее применение для нейтрализации сточных вод получили гашеная и негашеная известь. Гашеная известь применятся в виде известкового молока. Установки для нейтрализации сточных вод включают реагентное хозяйство, усреднители, смесители, контактные резервуары, отстойники для выделения шлама.

Очистка загрязненных вод от тяжелых металлов.

Ионы ртути.

Глубокая очистка сточных вод от ионов ртути проводится путем осаждения.

Ионы цинка, хрома (III), свинца, меди, кадмия - образуют со щелочами труднорастворимые гидрооксиды.

Мышьяк - в сточных водах может присутствовать в составе анионов тиосолей или кислородосодержащих анионов.

Осаждение сульфида мышьяка с одновременным разложением тиосолей проводят путем обработки сточной воды раствором сульфата железа.

Фтор - в сточных водах обычно находится в виде фторводородной и кременефторводородной кислот и их солей. Обезвреживание производится обработкой их молотым известняком или известковым молоком.

Фосфаты - присутствуют в виде растворимых соединений орто- и метафосфатов. Методы обезвреживания основаны на обработке сточных вод известковым молоком (рН= 10-11) или сульфатом алюминия в щелочной среде. Эффективность очистки составляет 90-95%.

Метод окисления - используют для обезвреживания токсичных примесей или для дезодорации загрянённых вод. Для обезвреживания используют окислители: хлор, гипохлорит, диоксид хлора, озон, кислород и/или воздух.

Хлор как окислитель в зависимости от рН может находиться в виде разных соединений - в сильнокислой среде в виде молекулярного хлора, в средней кислотности - образуется хлорноватистая кислота, а в щелочной среде гипохлорита.

Метод восстановления - широкое применение получил для очистки сточных вод от солей хромовой кислоты.

Десорбция летучих примесей.

Выделение растворенных компонентов из загрязненных вод производится естественным или искусственным путем в специальных аппаратах - дегазаторах.

Очистка загрязненных вод методом обратного осмоса и ультрафильтрации.

Обратный осмос (гиперфильтрация) - это непрерывный процесс молекулярного деления растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, которые задерживают целиком или частично молекулы или ионы растворенного вещества.

Затраты энергии в процессе гиперфильтрации намного ниже, чем в других процессах, так как он осуществляется без фазовых переходов.

Ультрафильтрация - это мембранный процесс деления растворов, метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных соединений, взвешенных частиц и коллоидов.

Для процесса обратного осмоса применяют полупроницаемые мембраны ацетатцелюлозного типа, обработанные для водопроницаемости перхлоратом магния. Поры мембран 0,3-0,5 нм, мембраны характеризуются высокой скоростью пропускания воды, хорошо отделяют соли.

Срок службы мембран зависит от вида, концентрации растворенных в воде веществ и других факторов и колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет (рис. 1).

21

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рисунок 1 - Зависимость проницаемости и селективности мембран от времени

Влияние технологических факторов на мембранные процессы разделения.

Селективнисть мембран определяет эффективность очистки , % по формуле:



,(47)

где С₁ и С₂ - концентрация веществ в исходной воде и фильтрате, мг/л.

Давление.

Производительность мембран увеличивается с повышением давления, однако, начиная с определенного давления проницаемость мембран снижается вследствие уплотнения полимерного материала мембраны.

Температура.

С увеличением температуры уменьшается вязкость и плотность раствора и одновременно возрастает осмотическое давление. Уменьшение вязкости и плотности раствора усиливает проницаемость мембран, а увеличение осмотичного давления снижает движущую силу процесса. При температуре выше 40°С увеличивается скорость гидролиза ацетатцелюлозы, что приводит к уменьшению селективности мембран.

Концентрация растворов.

С ростом концентрации разделяемого раствора проницаемость мембран уменьшается вследствие увеличения осмотического давления растворителя и влияния концентрационной поляризации.

рН загрязненных вод практически не влияет на процесс очистки.

Термическое обезвреживание.

Метод термического обезвреживания минерализованных загрязненных вод применяют для выделения полезных солей, а также используют как первую ступень перед термоокислительным высокотемпературным обезвреживанием.

Различают две стадии термического обезвреживания: концентрирование и получение сухого остатка.

Аппараты для концентрирования.

Концентрирование осуществляют в испарительных установках поверхностного типа (мгновенное испарение).

В испарительных аппаратах концентрируют сульфатные соединения, радиоактивные сточные воды.

В аппаратах с погружными горелками загрязнённая вода нагревается при непосредственном контакте с дымовыми газами, полученными при сжигании топлива в горелках, частично или целиком погруженных в жидкость.

Аппараты для получения сухого остатка.

Выпаривание с получением сухого остатка осуществляют в сушилках, печах, кристализаторах и в аппаратах с «кипящим» слоем.

В сушилках высокая интенсивность испарения достигается за счет тонкого распыления загрянённой воды d_кап = 20-60 мкм (рис. 2).

Количество пара, получаемого с 1 м² аппарата в час, составляет всего 10-14 кг, требуются большие теплообменные поверхности, большая металлоемкость, которые ограничивают их применение.

1 - топка; 2 - форсунка; 3 - аппарат с «кипящим» слоем; 4 - газораспределительная решетка; 5 - циклон; 6 - воздуходувка; 7 - шнек; 8 - инертный материал.

Рисунок 2 - Аппарат с «кипящим» слоем



Очистка загрязненных вод методом ионного обмена

Используются ионообменные смолы, которые состоят из пространственно сшитых нерастворимых в воде углеводородных цепей с фиксированными на них активными ионогенными группами, имеют заряд, который нейтрализуется расположенными внутри полимера ионами противоположного заряда. При отрицательном заряде фиксированных групп ионит обменивает катионы (катионит), при положительном - анионы (анионит).

Различают следующие виды ионитов:

- сильнокислотные катиониты, которые содержат сульфогруппы - SO₃H или фосфорнокислые группы - РО(ОН)₂ и сильноосновные аниониты, которые содержат четвертичные аммониевые основания - N⁺(R)₃; катионит - КУ-2 и анионит - АВ-17;

- слабокислотные катиониты, которые содержат карбоксильные - СООН и фенольные группы, и слабоосновные аниониты, которые содержат первичные -NH₂ и вторичные -NH - аминогруппы;

- иониты смешанного типа, которые имеют свойства смеси сильной и слабой кислот или основ;

- иониты, обменная емкость которых постепенно меняется в широком диапазоне рН.

Полная емкость ионита - количество грамм-эквивалентов ионов загрязнителей, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения.

Рабочая емкость ионита - количество грамм-эквивалентов ионов загрязнителей, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат ионов загрязнителей.

Важной характеристикой ионитов является их способность к регенерации.

Процесс очистки состоит из следующих стадий:

- диффузия ионов из раствора сточной воды через пограничную пленку жидкости к поверхности ионита;

- диффузия ионов внутри зерна ионита;

- химическая реакция обмена ионов;

- диффузия вытесненных протоионов из объема зерна к его поверхности;

- диффузия протоионов от поверхности ионита в раствор.

Катионирование.

Для очистки применяют искусственные и природные, минеральные и органические катиониты. Природные, несмотря на низкую стоимость, не получили широко распространения из-за малой обменной емкости и недостаточной стойкости, хотя некоторые из них - вермикулит, доломит рекомендуется применять для очистки от радиоактивных элементов.

Чаще применяют искусственные органические катиониты, сульфоуголь, амберлайты, вофатиты.

Если катионит находится в Н⁺ форме, то обмен катионов происходит по реакции:

(48)

Если в Na⁺-форме, то:

(49)

где [K] - катионит;

Ме⁺ - катион раствора сточной воды.

Регенерация катионита достигается обработкой отработанного катионита кислотой:

(50)



или раствором поваренной соли:

(51)

Анионирование.

Аниониты представляют собой искусственные смолы, получаемые полимеризацией органических соединений - фенилендиамин, мочевина, меланин.

Слабоосновные аниониты обменивают анионы сильных кислот (SO₄^--, Cl^-, NO₃^-, PO₄^---) и не способны обменивать анионы слабых минеральных кислот (CO₃^--, Si₂^--):

(52)

Фильтры со смешанным слоем ионитов.

Полное обессоливание воды возможно при последовательном фильтровании через три стадии:

1-я стадия - Н-Катионирование;

2-я стадия - ОН-анионирование на слабоосновном анионите;

3-я стадия - ОН-анионирование на сильноосновном анионите для выделения ионов слабых кислот.

Промышленное применение ионного обмена

Тяжелые металлы.

Ионы цинка

Применяют Na- или Н-Катионирование. Для регенерации катионитов используют соляную кислоту и поваренную соль.

Хром - диапазон концентраций до 1200 мг/л.

Ртуть - максимальная сорбция 4-4,5 мг-экв/г на целлюлозных волокнах. Регенерировать ртуть можно путем сжигания волокна со следующей конденсацией паров ртути.

Медь, никель - обезвреживание проводят на сильнокислотных катионитах КУ-1, 2. Регенерируют катиониты 5 % раствором соляной кислоты.

Извлечение ионов никеля из морской воды эффективно осуществляется на катионите КУ-2.

Очистка от аммиака и аммонийных солей.

Очистка от аммиака на катионите КУ-2 - 100%. Обменная емкость катионита не снижается, 10% раствор серной кислоты полностью регенерирует катионит. Ионообменный метод очистки аммиачных сточных вод экономический, а очищенная вода может быть использована в производстве и для применения в паровых котлах.

Очистка от радиоактивных соединений.

Эффективность очистки от радиоактивных элементов зависит от солесодержания. Под действием ионизирующего излучения емкость ионообменных смол снижается и они разрушаются.

Очистка методом электрохимического окисления

В электродиализаторах протекают процессы: окисление на аноде, электрокоагуляция, электрофорез коллоидных частиц, электрофлотация.

Материал катода - нержавеющий сталь, анода - платина, графит, углеродистая сталь, никель, магнезит.

Очистка методом электродиализа.

Перед электродиализом необходимо загрязнённые воды предварительно очистить от взвешенных и коллоидных частиц для исключения возможности забивания ими ионитовых диафрагм. Метод электродиализа используется для очистки морской воды от радиоактивных соединений.

Метод электродиализа разрешает утилизировать кислоты и щелочи из загрязнённых вод (ЗВ) с одновременным их обессоливанием.

Сущность метода очистки сточных вод методом электродиализа.

В среднее отделение ванны, разделенной диафрагмами на три отделения, заливают загрязнённую морскую воду, которая содержит растворенные соли, например NaCl, а крайние отделения заливают чистой водой и помещают электроды. В крайних отделениях ведут электродиализ. Анионы переносятся током в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и хлор, образуется в данном случае соляная кислота пропорционально количеству образовавшегося кислорода. Катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и одновременно образуется щелочь (в данном случае NaOH). По мере прохождения тока концентрация солей в среднем отделении снижается. По мере повышения щелочности и кислотности в камерах с электродами, в процессе переноса начинают в большей степени принимать участие Н⁺ и ОН^- ионы, которые в среднем отделении образуют воду. Это обуславливает снижение процессов переноса ионов солей. В электродиализаторах применяют гомогенные и гетерогенные диафрагмы, гомогенные получают поликонденсацией, сополимеризацией мономеров, гетерогенные - смешением измельченного ионита и инертного неэлектропроводного соединения (полиэтилен, каучук) со следующим формированием в тонкие листы.

Катоды и особенно аноды изготавливают из стойких к окислению материалов - платина, магнетит, графит.

Технико-экономическая оценка показала, что очистка морской воды методом электродиализа в пять раз дешевле реагентного. К преимуществам метода электродиализа относится возможность рециклизации выделенных в процессе очистки примесей. Недостаток - затраты электроэнергии.

Методом электродиализа с высокой эффективностью удаляются из морской воды растворенные радиоактивные изотопы (¹³⁷Cs, ¹³¹Y, ⁸⁹Sr) без взвешенных ассоциированных фаз сточных вод (⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb).

Первая стадия - частичное обессоливание, вторая - глубокая очистка от радиоактивных изотопов. В результате двухстадийной очистки минерализация очищенных сточных вод не превышала 25 мг/л, а в-активность снижалась в 50-100 раз, по ⁹⁰Sr - в 1000 раз.

Термоокислительный метод.

Существуют следующие термоокислительные методы:

- парофазное окисление («огневой» метод);

- жидкофазное окисление;

- парофазное каталитическое окисление.

а) Сущность этих методов заключается в окислении примесей органики кислородом воздуха при повышенной температуре.

Очистка методом адсорбции

В зависимости от характера сорбционного взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую, активированную и химическую адсорбцию.

Физическая адсорбция - обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия Ван-Дер-Ваальса, протекает с высокой скоростью и имеет низкую теплоту адсорбции. Адсорбция протекает мономолекулярно. Физическая адсорбция характерна для веществ, адсорбируемых из парогазовой фазы, а при адсорбции в растворе осложнена физико-химическим взаимодействием адсорбата, адсорбтива и адсорбента.

Активированная адсорбция - обусловлена взаимодействием адсорбата и адсорбента с образованием поверхностного соединения. Активированная адсорбция избирательная, необратимая реакция, с повышением температуры скорость адсорбции увеличивается, характеризуется высокой теплотой адсорбции.

Хемосорбция - химическая реакция, которая протекает на поверхности адсорбента.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств адсорбента является изотерма адсорбции - зависимость активности адсорбента от концентрации адсорбата в условиях равновесия. Для описания изотермы адсорбции наибольшее применение получили уравнения Ленгмюра (66) и Фрейндлиха (67):

(53)

гдеА - максимальная адсорбция;

В - константа равновесия, зависящая от температуры;

С_равн - равновесная концентрация адсорбата, мг/л;

,(54)

где и - эмпирические константы, зависящие от температуры.

Скорость процесса адсорбции определяется внешней (перенос вещества из газового ядра к поверхности адсорбента) и внутренней диффузией в порах адсорбента.

Наиболее активным и широко применяемым адсорбентом для очистки является активированный уголь. Он очищает загрязнённые воды преимущественно от органических соединений.

Регенерация активированного угля - это один из основных вопросов, который возникает при адсорбционной очистке сточных вод.

Для удаления органических веществ с поверхности активированного угля используют динамическую десорбцию, смещение равновесного состояния системы осуществляется с изменением концентрации адсорбата и температуры. При деструктивной регенерации применяют процессы окисления хлором, озоном, кислородом и термическую.

Схема адсорбционной очистки представлена на рисунке 3.

А - адсорбент; ОА - отработанный адсорбент; ЗВ и ОВ - загрязнённая и очищенная вода; 1 - аппарат с мешалкой; 2 - отстойник

Рисунок 3 - Технологическая схема адсорбционной очистки

4.2 Очистка морской воды от нефтепродуктов [2, 3, 6]

Способы очистки нефтесодержащих вод (НВ).

Технология очистки НВ от углеводородов (УВ) определяется требованиями, предъявляемыми к глубине очистки.

Способы очистки НВ:

а) отстаивание;

б) флотация:

- пневматическая;

- напорная;

в) электрохимическая очистка;

г) адсорбция;

д) озонирование;

е) биохимическая очистка;

ж) жидкофазное окисление - заключается в окислении органических примесей кислородом воздуха при температуре не выше 350°С.

Известны такие способы очистки НВ, как обработка в электрическом, магнитном, ультразвуковом полях [2, 3, 6].

Биологические способы очистки НВ.

Путидойл - препарат очистки морской воды от НВ. Путидоил способен очищать воду с загрязнением УВ до 25 мг/л и грунт до 10 кг/м², имеет широкий спектр окислительной активности (перерабатывает до 20 компонентов сырой нефти, включая асфальтосмолистые фракции). «Путидойл» снижает содержание канцерогена типа бенз()пирена в остаточных продуктах распада нефти в 10 раз. Стойкий к химическому загрязнению воды. «Путидойл» работает в аэробной среде и гибнет в анаэробных условиях.

Система приема и обработки НВ.

Прием НВ осуществляется с помощью вакуум-баллона, расположенного в трюме. С помощью вакуум-баллона НВ поступают в цистерну нефтесодержащих вод, каскадный отстойник. Предусмотрен забор НВ из вакуум-баллона насосом АНС-60, а также выдача НВ из цистерны-отстойника этим же насосом на берег или на специальное судно.

Цистерна НВ (каскадный отстойник), расположенная в корпусе, разделена на четыре секции, соединенные между собой с помощью трубопроводов с каскадными отстойниками нефтепродуктов при последовательном пропускании через них НВ.

Процесс очистки включает следующие стадии (рис. 4):

- отстаивание - всплывшие нефтепродукты через воронки, установленные в верхней части каждой секции, отводятся в цистерну нефтеотходов;

- флотация - отстоявшаяся нефтесодержащая вода из цистерны-отстойника поступает во флотатор при давлении 0,3-0,6 кгс/см². Во флотаторе образуется пена - слой нефтепродуктов, которые периодически удаляются. Сброс нефтепродуктов производится при работе установки в автоматическом режиме. Выделенные нефтепродукты и пена отправляются на сжигание в инсениратор;

- окисление озоном эмульгированых нефтепродуктов - озон получают в озонаторном агрегате, охлаждение производится забортной морской водой;

- фильтрование - в процессе работы установки происходит загрязнение фильтра. Промывка фильтра осуществляется подачей горячей воды от системы водоснабжения. Сброс промывной воды после фильтра осуществляется в секцию каскадного отстойника;

Рисунок 6 - Принципиальная схема очистки НВ ССКПО



- жидкофазное окисление - нефтепродукты окисляются кислородом воздуха при температуре 350°С, концентрация в очищенной сточной воде нефтепродуктов 0,05 мг/л, что позволяет непосредственный сброс в море.

Биологическая очистка сточных вод

Метод биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать как питательную среду многие органические и некоторые неорганические соединения, которые содержатся в морской воде. При биологической очистке часть веществ, которые окисляются микроорганизмами, используется в процессах биосинтеза.

Экономический ущерб от загрязнения гидросферы НВ.

Экономический ущерб, У_в, грн./год, от загрязнения морской среды рассчитывается по формуле [3, 5, 6]:

(55)

где - численное значение - 144 грн./усл.т, оценка ущерба от годового сброса в водоем с корректировкой на назначение водоема;

- степень использования хозяйственных водоемов, величина задается в отраслевом плане - (0,1-0,2) и (2,6-3,79);

М - приведенная общая масса годового сброса НВ в море, усл.т/год.

(56)

Где А_i - показатель относительной опасности сброса i-того вещества в водоем, усл.т/т УВ, равен величине обратной ПДК по i-му загрязнителю;

m_i - масса годового сброса i-той примеси, т/год.



m_i = G_i = c_i V_мс * Ф_год, т/год. (57)

Если в водоем сбрасывается несколько видов отходов однонаправленного действия, то величина ущерба определяется аддитивно.

Для устранения отмеченных недостатков предлагается ресурсосберегающая технология очистки НВ, которая включает в себя следующие стадии:

- отстаивание нефтепродуктов;

- напорная флотация;

- коагуляция нефтепродуктов;

- адсорбция нефтепродуктов на эффективном сорбенте. По данным исследования сорбент снижает концентрацию нефтепродуктов от 15-20 мг/л до 0,03 мг/л [2, 3, 6], что позволяет сброс в морскую среду..

Выводы

Приобретены практические навыки выполнения расчётов с определением уровня экологической опасности морской среды.

Проведены санитарно-гигиенические оценки, разработаны технические, организационные и экономические мероприятия по снижению уровня экологической опасности морской среды.

Освоена методика расчетов определения уровня экологической опасности морской среды.

Рассчитана концентрация соединений тяжёлых металлов (мышьяка, ртути, свинца) в морской среде.

С_{м мес} = 1,188 * 10^-3 мг/л

С_{м год} = 14,454 * 10^-3мг/л

С_{рт мес} = 1,188 * 10^-3 мг/л

С_{рт год} = 14,454 * 10^-3 мг/л

С_{св мес} = 3,564 * 10^-3 мг/л

С_{св год} = 43,362 * 10^-3 мг/л

Рассчитана концентрация нефтепродуктов (углеводородов, бензола, толуола) в морской среде.

С_{ув мес} =3,24 * 10^-3 мг/л

С_{ув год} =39,42 * 10^-3 мг/л

С_{б мес} = 3,24 * 10^-3 мг/л

С_{б год} = 39,42 * 10^-3 мг/л

С_{т мес} = 9,72 * 10^-3 мг/л

С_{т год} = 118,26 * 10^-3 мг/л

Выполнены санитарно-гигиенические оценки морской среды.

ц^тм_мес = 0,50688 < 1

Т.к. ц^тм_мес < 1 - морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

ц^тм_год = 6,16704 > 1

Т.к. ц^тм_год > 1 - морская среда опасна

ц^нп_мес = 0,0668 < 1

ц^нп_год = 0,8128<1

Т.к. ц^нп_{мес, год} < 1- морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

Разработаны технические предложения по снижению уровня экологической опасности морской среды от соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов.

Список рекомендуемой литературы

Основная

1. Дмитриев В.И., Леонов В.Е., Химич П.Г., Ходаковский В.Ф, Куликова Л.Б. Обеспечение безопасности плавания судов и предотвращение загрязнения окружащей среды. Монография/под ред. В.И. Дмитриева, В.Е. Леонова. - Херсон: ХГМА, 2012-397 с.: рос.мовою.

2. Леонов В.Е., Шерстюк В.Г., Бень А.П. Технологія очищення стічних вод з метою захисту гідросфери. Монографія./За редакцїєю д.т.н., професора Леонова В.Є.- Херсон: ПП Вишемирський В.С., 2008.-152 с.