Промышленная экология методы и способы защиты воздушного бассейна
Вид материала | Документы |
- Типовая програма курса «охрана воздушного и водного бассейна» 36 часов теоретическая, 277.8kb.
- Задачи исследования : Изучить экологическое состояние воздушного бассейна в районе, 403.46kb.
- Промышленная экология) учебно-методический комплекс по дисциплине Прикладная экология, 384.12kb.
- Экология зоопланктона разнотипных водоемов бассейна Верхней Волги, 761.39kb.
- Комплекс технических средств физической защиты стационарного объекта со стороны воздушного, 26.78kb.
- Тематика рефератов по дисциплине «охрана воздушного и водного бассейна», 11.38kb.
- Тематика курсовых работ по дисциплине «охрана воздушного и водного бассейна», 6.52kb.
- Н. Т. Шумской на заседании Экологического Совета при министерстве 22 сентября 2010, 141.12kb.
- Темы рефератов История становления науки "Экология", 18.77kb.
- Математическое моделирование течения высоковязких жидкостей с маловязким пристенным, 225.73kb.
Классификация сточных вод. Основные характеристики
различных видов сточных вод.
Решив вопрос о необходимой степени очистки, приступают к разработке мероприятий, обеспечивающих эту степень очистки. При этом первоначально выбирается метод или комплекс методов, позволяющих наиболее эффективно, с наименьшими затратами решить эту задачу.
Выбор методов и их эффективность зависит от вида сточных вод и их характеристик.
СТОЧНЫМИ ВОДАМИ называются воды, использованные промышленными, коммунальными предприятиями и населением и подлежащие очистке от различных примесей.
В зависимости от условий образования сточные воды подразделяются на:
1) Атмосферные или дождевые и талые (АСВ);
2) Городские (ГСВ), включающие преимущественно бытовые, хозяйственно- фекальные сточные воды (БСВ);
3) Сельскохозяйственные;
4) Промышленные (ПСВ).
1. АТМОСФЕРНЫЕ сточные воды, несущие массы вымываемых, адсорбируемых из воздуха поллютантов (загрязнителей) промышленного происхождения. При стекании по склонам, территориям населенных пунктов и промышленных предприятий дождевые и талые сточные воды дополнительно увлекают с собой массы различных веществ, находящихся на поверхности этих территорий. Особенно опасны стоки с территорий современных городов, промышленных и сельскохозяйственных площадок, несущие нефтепродукты, механические примеси (бытовой и промышленный мусор), многие минеральные и органические вещества, в том числе фенолы, кислоты и другие химические соединения, например, тетраэтилсвинец.
2. ГОРОДСКИЕ сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие продукты жизнедеятельности человека (фекалии, соединения азота и фосфора), детергенты (СПАВы), микроорганизмы, в том числе патогенные.
3. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ сточные воды, образующиеся при смыве с площадок и помещений содержания животных, мест разгрузки и хранения удобрений и инсектицидов, а также при смыве этих веществ с полей атмосферными осадками и при орошении площадей.
4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ сточные воды образуются в технологических процессах различных отраслей промышленности, среди которых в наибольших количествах потребляют воду и отводят в водоемы сточные воды черная и цветная металлургия, горнодобывающая, химическая, лесохимическая, целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая промышленности.
С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество жидких отходов – сточных вод. В технологических процессах различных производств образуются следующие основные виды сточных вод:
1) Реакционные сточные воды, образующиеся в процессах химических реакций с выделением воды. Такие сточные воды загрязнены как исходными веществами, так и продуктами и различными полупродуктами реакций;
2) Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная и связанная вода) и выделяющиеся при их переработке; в результате переработки загрязняются и исходными веществами и продуктами переработки;
3)Промывочные воды - от промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;
4) Маточные и отработанные водные технологические растворы;
5) Водные экстрагенты и абсорбенты;
6) Транспортировочные воды, образующиеся при гидротранспорте твердых отходов производства (хвосты флотации от обогащения руд, золы ТЭЦ и котельных, различные шламы);
7) Охлаждающие воды, не контактирующие с технологическими продуктами и используемые в системах оборотного охлаждения, имеют в основном тепловое загрязнение (повышенную температуру);
8) Дождевые и талые воды, стекающие с территорий промышленных предприятий, загрязнены различными взвешенными и растворенными веществами, в зависимости от профиля производства;
9) Хозяйственно – бытовые сточные воды – от столовых, прачечных, душевых, туалетов, от мытья полов в производственных помещениях.
Для защиты водного бассейна (поверхностных и подземных вод) все перечисленные виды сточных вод перед отведением в водоемы, а также в канализационные сети населенных пунктов должны подвергаться очистке от токсичных загрязняющих веществ до нормативного качества.
Для очистки сточных вод от различных загрязняющих примесей, в зависимости от их свойств, состояния и концентраций, применяются следующие методы:
- Механические или физические;
- Химические;
- Физико-химические;
- Биологические или биохимические;
- Термические.
Кроме такой классификации по принципу воздействия на загрязняющие вещества, все указанные методы подразделяются еще на:
- Рекуперационные
- Деструктивные.
Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных или токсичных веществ и возврат воды на повторное использование в технологических процессах.
При использовании деструктивных методов токсичные вещества, загрязняющие воду, подвергаются разрушению или видоизменению путем их окисления или восстановления или другими превращениями до нетоксичных веществ. Образующиеся продукты деструкции удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде в растворенном состоянии в виде нетоксичных или малотоксичных соединений, удаляемых (при необходимости) другими методами.
Механические методы очистки сточных вод применяются для отделения нерастворимых твердых, суспендированных или эмульгированных примесей. Они заключаются в процеживании сточных вод через решетки или сетки (отделение грубодисперсных примесей), отстаивании, воздействии центробежными силами в гидроциклонах или центрифугах, фильтровании через пористые перегородки или зернистые загрузки. Для интенсификации этих процессов в воду вводятся коагулянты или флокулянты.
Химические методы применяются для удаления из воды растворенных или коллоидных примесей. Они заключаются в обработке воды различными реагентами, вступающими в химические реакции с удаляемыми веществами, в результате которых образуются нетоксичные или малотоксичные продукты (окисление «активным» хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода; восстановление, гидролиз) или трудно растворимые соединения, выделяемые из воды в виде осадков (реакции нейтрализации, замещения и т.п.).
Физико-химические методы (коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, кристаллизация, дистилляция, ректификация, ультрафильтрация, обратный осмос, электролиз и электродиализ, эвапорация, дезодорация и др.) применяются для удаления из воды суспендированных, эмульгированных, а также растворенных и коллоидных примесей как органических, так и минеральных.
Биологические (биохимические) методы применяются для деструкции органических веществ, присутствующих в воде в коллоидном или растворенном состоянии и окисляющихся микроорганизмами до нетоксичных соединений (преимущественно до диоксида углерода и воды). При этом наиболее распространено применение аэробных процессов в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или при искусственной аэрации (аэротенки, биофильтры, окситенки, биосорберы и т. д.)
Анаэробные процессы используются для обезвреживания органических осадков и высококонцентрированных сточных вод, образующихся при биохимической очистке сточных вод.
Необходимая степень очистки сточных вод определяется исходя из того, чтобы качество очищенной воды соответствовало стандартным или специальным требованиям, устанавливаемым водохозяйственными органами контроля.
Кроме загрязненных сточных вод на промышленных предприятиях могут образовываться условно чистые воды, которые обычно, после охлаждения в градирнях или других сооружениях, используются в оборотных охлаждающих системах.
Одним из основных видов загрязнений производственных сточных вод являются нерастворимые (легкие и тяжелые) минеральные и органические примеси. Выделение нерастворимых примесей из воды входит в задачу механической очистки.
Механическая очистка сточных вод
Для механической очистки применяются: процеживание, отстаивание, фильтрование и центрифугирование. При применении этих методов очистки нет необходимости во введении реагентов, только в некоторых случаях, для повышения эффекта осветления применяются коагулянты и флокулянты. В зависимости от требований к качеству очищенной воды применяют сооружения и агрегаты:
- для процеживания – решетки и сетки, предназначенные для задерживания крупных частиц;
- для задержания более мелких тяжелых минеральных частиц – песколовки;
- для выделения взвешенных осаждающихся или всплывающих примесей – отстойники и фильтры с зернистой загрузкой (кварцевый песок, гранитный щебень, дробленый антрацит и керамзит, доменные шлаки), с плавающей загрузкой (пенополистирол), или сетчатые фильтры и микрофильтры, а также гидроциклоны, сепараторы и осадительные центрифуги.
Механическая очистка, как правило, является предварительным, и реже, окончательным способом очистки производственных сточных вод.
Решетки. Для извлечения из производственных сточных вод крупных частиц применяются неподвижные малогабаритные вертикальные механизированные решетки РМВ и РММВ и наклонные решетки с механическими граблями типа МГ с механизированной выгрузкой задержанных примесей на транспортирующие устройства. Для дробления задержанных крупных предметов при этих решетках устанавливаются дробилки.
Если сточные воды агрессивны, то решетки должны выполняться из антикоррозионных материалов.
Песколовки. Предназначаются для удаления песка и других тяжелых частиц из сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию.
Задача песколовок состоит еще и в том, чтобы выделить тяжелые минеральные частицы в относительно чистом виде, отмытые от органических примесей.
По способу ввода сточных вод, форме, виду движения воды и другим показателям и конструктивным особенностям, песколовки подразделяются на:
1) -горизонтальные с круговым движением воды (разновидность – аэрируемые песколовки с круговым движением воды);
2)- горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды;
- - тангенциальные пе6сколовки типа «Вортекс» с вихревой водяной воронкой;
- - горизонтальные квадратные песколовки с механическим удалением песка.
Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками, располагаемыми на уровне поверхности земли или в насыпи.
Осадок из песколовок удаляют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости и отвод пульпы осуществляется напорными трубопроводами.
Некоторые типы песколовок оборудованы устройствами для сбора нефтепродуктов. Для сокращения количества воды, отводимой с песком и расходуемой на отмывку его от нефтепродуктов, применяются гидроциклоны.
Процессы отстаивания, отстойники. Отстаивание – один из основных процессов выделения из сточных вод нерастворимых оседающих или всплывающих механических примесей: взвешенных веществ, эмульгированных масел и т.п.
В одних случаях отстаивание является предварительным этапом обработки сточных вод, в других оканчивает их очитку.
Отстаиванием можно выделить из воды взвешенные частицы определенного размера с плотностью, большей или меньшей плотности воды.
Закономерности движения тел в жидкости под действием сил тяжести позволяют определить скорость свободного осаждения частиц монодисперсной взвеси при условии, что частицы в процессе осаждения не слипаются и не изменяют своей формы и размеров.
Биохимические методы очистки сточных вод.
Биохимические (биологические) методы очистки занимают первое место по объему обрабатываемых сточных вод среди всех известных методов. Наибольшее распространение они получили в технологии очистки хозяйственно – бытовых, городских и промышленных сточных вод, приоритетными загрязняющими компонентами которых являются соединения различных классов.
Биохимические методы предназначены для извлечения из бытовых и промышленных сточных вод тонкодисперсных, коллоидных и растворенных в них органических веществ. Применяются они обычно после того, как из сточных вод извлечены грубодисперсные примеси.
В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных (в присутствии кислорода) или анаэробных (без доступа кислорода) условиях. При этом используется способность микроорганизмов потреблять в качестве питательного субстрата многие органические вещества и некоторые неорганические соединения (органические кислоты, спирты, белки, углеводы и т.д.), которые являются для них источниками углерода. Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий они получают из различных соединений: азот – из аммиака, нитратов, аминокислот и др., фосфор и калий – из соответствующих минеральных солей.
Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене живой клетки, органические вещества претерпевают сложные химические и биологические превращения. В результате катаболических процессов происходит распад этих веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть из которых либо подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О с выделением энергии, либо превращается в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в процессах анаболизма.
В процессе питания микроорганизмы получают материал для строения своего тела, вследствие чего происходит прирост их массы (биомассы или активного ила).
Процессы сорбции органических веществ микроорганизмами существенного влияния на механизм биологической очистки сточных вод не оказывают. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки.
Соответственно условиям проведения процесса очистки (аэробные или анаэробные) и микроорганизмы, осуществляющие процесс, делятся на две группы: аэробные и анаэробные.
Прирост биомассы микроорганизмов за счет потребления части органических веществ на построение своего тела зависит от соотношения количества веществ, поддающихся биохимическому распаду (выражается показателем БПК), и общего количества органических веществ, содержащихся в очищаемой сточной жидкости (выражается показателем ХПК).
БПК - биохимическое потребление кислорода – это количество кислорода, израсходованное за определенный промежуток времени на аэробное биологическое разложение органических веществ, содержащихся в сточных водах, выраженное в мг∙О2/л. Определение БПК проводится в стандартных условиях (температура 20±1оС, отсутствие света, нормальное давление и доступ воздуха). Обычно для характеристики воды определяют БПК5 и БПК20 (БПКПОЛН.) по времени инкубации микроорганизмов и до полного окисления органических веществ микроорганизмами.
ХПК – химическое потребление кислорода – количество кислорода (мг∙О/л) , необходимое для окисления органических веществ до CO2, H2O и NO3 , серосодержащих веществ – до сульфатов, фосфорсодержащих –до фосфатов.
Таким образом, чем больше отношение БПК/ХПК, тем полнее будет биохимическая очистка с расходованием значительной части углерода и водорода органических веществ на энергетические потребности микроорганизмов и, в меньшей степени, на прирост биомассы (активного ила) и наоборот. Следовательно, значительная часть прироста биомассы происходит за счет разницы в количестве органического вещества, оцениваемого по ХПК и БПК.
Отношение БПК к ХПК зависит от вида сточных вод. В хоз.-бытовых водах оно колеблется незначительно, в пределах 0,7 – 0,9. В производственных сточных водах это отношение может изменяться от 0 до 0,9 и определяется видом органических загрязнений, присутствующих в конкретном стоке.
Активный ил и его влияние на процессы биохимической очистки
сточных вод.
Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий, т.е. приростом биомассы активного ила, в единицу времени, а также его концентрацией.
Состав и микрофауна активных илов любых сооружений формируется в зависимости от экологических условий, основными из которых являются: состав обрабатываемых сточных вод, наличие или отсутствие растворенного кислорода, температура, уровень рН, соотношение количества пищи и микроорганизмов, гидродинамическая структура потоков.
Ил аэротенков и биофильтров – это сложное сообщество микроорганизмов различных групп: бактерий, актиномицетов, простейших, грибков, водорослей, вирусов, членистоногих и некоторых других. Основная роль в процессах очистки сточных вод принадлежит бактериям, число которых в расчете на 1 г сухого вещества ила колеблется от 1018 до 1014 клеток. Ил имеет весьма развитую поверхность – до 100 м2 на 1г сухой массы; размер клеток колеблется от 0,1 до 3 мм и более; частицы ила имеют отрицательный заряд при рН = 4,5 -9.
Биопленка в биофильтрах представляет собой слизистые обрастания загрузки, толщина биопленки обычно не превышает 3 мм.
При очистке сточных вод обычно наиболее многочисленными оказываются бактерии рода Pseudenonas – грамотрицательные палочки. Далее по численности следуют кокковые формы и бациллы. В зависимости от условий существования ила в нем развивается от 1 до 5 – 8 родов бактерий.
Свойства активного ила. Важнейшее свойство активного ила – способность к седиментации и хлопьеобразованию. Существует несколько теорий образования хлопка. В настоящее время большинство исследователей считают, что бактериальная флокуляция – это физиологическое состояние микроорганизмов, и она не наблюдается до тех пор, пока не заканчивается фаза роста и не наступает фаза эндогенной респирации. При этом снижение потенциала на поверхности клетки не является необходимым условием флокуляции.
Флокуляция не определяется каким–либо одним типом микроорганизмов, она свойственна многим бактериальным культурам. Имеется прямая корелляция между аккумуляцией внеклеточных полимеров и микробиальным хлопьеобразованием и, в дополнение к этому, отмечено, что в период образования хлопьев увеличивается отношение содержания внеклеточных полимеров к массе бактерий. Таким образом, механизм биологической флокуляции интерпретируется как результат взаимодействия высокомолекулярных внеклеточных полимеров, аккумулирующихся на оболочке клетки в стадии эндогенной фазы развития культуры (эндогенные процессы – это процессы, происходящие во внутренней среде организма).
Вспучивание ила. Активные илы аэротенков подвержены так называемому вспучиванию. Это явление связано с развитием нитчатых бактерий и происходит по многим причинам, среди которых: уменьшение концентрации кислорода, избыточное количество углеводородов в исходной воде, недостаток азота и фосфора, резкие изменения нагрузок на ил и др.
Борьба с вспучиванием ведется по многим направлениям: применение специальных химических реагентов – утяжелителей, сепарирование и измельчение нитей и др. Несмотря на то, что вспухший ил обладает повышенной окисленной способностью, нормальная эксплуатация сооружений с таким илом невозможна из-за отсутствия технических решений по отделению его от очищенной воды.
Химический состав ила. Клетка микроорганизма имеет сложный химический состав, представленный многими классами соединений. Практический интерес представляет расшифровка состава по терм классам химических соединений: жиро- , белково- и углеводоподобных веществ, принимающих участие в газообразовании в анаэробных биологических процессах.
Важно также знать элементный состав ила, позволяющий составить среднестатистическую формулу органического вещества ила, необходимую для расчетов кинетики метаболических процессов, определения выхода клеточного вещества, расчета выделяющейся теплоты реакции и т.п.
Аэротенки - обширная группа биологических окислителей, принцип действия которых основан на минерализующей способности активного ила, представляющего собой суспензию аэробных микроорганизмов. Для их нормальной жизнедеятельности в аэротенке необходимо поддержание определенной концентрации кислорода, что достигается постоянной подачей в аэротенк воздуха. Для окисления органических веществ, запасённых микроорганизмами ила, и восстановления окислительной способности необходима регенерация активного ила.
Аэротенки – смесители – сооружения, в которых поступающие сточные воды и активный ил почти мгновенно перемешиваются со всей массой иловой смеси резервуара. В этом сооружении обеспечивается равномерное распределение органических загрязнений и растворенного кислорода. Конструктивная особенность – рассредоточенный впуск смеси сточных вод и активного ила и такой же выпуск их.
Высоконагружаемые аэротенки – сооружения, работающие с нагрузками на активный ил более 0,8 г БПК/ г ила в 1 сутки.
Химические и физико-химические методы
Химические и физико-химические методы очистки сточных вод широко применяются в практике с целью удаления из них растворенных и дисперсных минеральных и органических соединений или перевода их в нетоксичные вещества.
К этим методам относятся: нейтрализация, восстановление, адсорбция, кристаллизация и т.д.
Среди химических методов наиболее широкое применение получили реагентные, основанные на взаимодействии токсичных химических соединений, присутствующих в сточных водах, с веществами, вводимыми в обрабатываемую воду и не обладающими токсичными свойствами. При этом образуются новые вещества, малотоксичные или выделяющиеся из воды в виде труднорастворимых соединений.
К реагентным методам относится, в первую очередь, нейтрализация кислот и оснований, осаждение труднорастворимых соединений металлов.
В различных технологических процессах производств многих отраслей промышленности образуются сточные воды, содержащие избыток кислот или оснований. В соответствии с «Требованиями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений», а также «Правил приема производственных сточных вод в канализационные сети населенных пунктов» такие сточные воды перед сбросом должны подвергаться нейтрализации таким образом, чтобы величина их рН находилась в пределах 6,5 – 8,5. Нейтрализация сточных вод основана на взаимодействии содержащихся в них кислот или оснований с веществами, придающими воде реакцию, близкую к нейтральной (рН = 7). Иными словами, нейтрализация – это взаимодействие ионов водорода и гидроксид-ионов.
В практике очистки сточных вод применяются следующие способы нейтрализации:
а) Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (если на данном предприятии имеются те и другие);
б) Нейтрализация реагентами, вводимыми в обрабатываемую воду в виде растворов или суспензий;
в) Фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк – CaCO3, долмит - CaCO3∙MgCO3, магнезит -MgCO3, обожженный магнезит - MgO, мрамор - CaCO3∙ - CaCO3∙MgCO3).
Реакции нейтрализации протекают по общим уравнениям:
В практике наиболее распространены сточные воды, содержащие избыток кислот. Поэтому, для их нейтрализации могут применятся сильные основания (щелочи), карбонаты и некоторые минералы, указанные выше.
Наиболее дешевым реагентом для нейтрализации кислот является известь, которая применяется в виде водной суспензии – известкового молока, получающегося растворением гашеной извести в воде:
Деструктивные методы очистки сточных вод.
К основным деструктивным методам обезвреживания сточных вод от органических и неорганических веществ относятся: химическое и электрохимическое окисление, термоокисление, гидролиз. Эти методы применяются при невозможности или нецелесообразности извлечения примесей из сточных вод или удаления их другими, более дешевыми способами.
Выбор деструктивного метода производится с учетом расхода и состава сточных вод, концентраций и свойств удаляемых примесей, требований к качеству очищенной воды и возможности ее повторного использования.
Химическое окисление «Активным хлором». Химическое окисление наиболее часто применяется при очистке сточных вод от цианидов, фенолов, сульфидов, СПАВ и других органических примесей. В качестве окислителей широко применяются соединения, содержащие «активный хлор», пероксид водорода, озон, перманганат калия и оксиды марганца, кислород воздуха и технический кислород.
До последнего времени одним из наиболее широко применяемых в практике водоподготовки и очистки сточных вод является «активный хлор».
Под термином «активный хлор» понимают суммарное содержание свободного хлора (Cl2), хлорноватистой кислоты (HOCl), гипохлорит-ионов (ClO-) и хлораминов (NH2Cl, NHCl2, NCl3) – в пересчете на Cl2.
Свободный (молекулярный) хлор, хлорноватистая кислота и гипохлорит-ионы в растворах находятся в равновесии. Относительные количества этих веществ определяются величиной рН:
Окисление озоном. Высокая окислительная способность озона обуславливает быстрое протекание реакций окисления многих органических веществ при взаимодействии с ним.
В процессе озонирования воды возможно одновременное окисление примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание воды и насыщение её кислородом.
ОЗОН (О3) – бледно-фиолетовый газ, образующийся при пропускания воздуха или кислорода через электрический разряд высокого напряжения (5000 – 25000 В) в генераторе озона, состоящего из двух близкорасположенных электродов. Плотность озона при давлении 0,1Мпа составляет 2,41 г/л, температура кипения = -112оС, растворимость в воде при 0оС – 1,42 г/л, при 10оС – 1,04 г/л, при 30оС – 0,45 г/л.
Озон самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в воде с образованием кислорода. Распад его резко увеличивается с ростом рН и температуры. Озон весьма токсичен – его ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 0,0001 мг/л.