Теоретические основы защиты окружающей среды ТОЗОС

Теоретические основы защиты окружающей среды

ТОЗОС – это комплексная научно техническая дисциплина инженерной экологии, изучающая основы создания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промышленных производств, реализации инженерно экологических решений по рациональному природопользованию и охране окружающей среды. Цель курса – получение необходимых базовых знаний об основных методах и закономерностях физико химических процессов защиты окружающей среды, основах технологий очистки пылегазовых выбросов, жидких сбросов, утилизации и переработки твердых отходов, о физических принципах защиты окружающей среды от энергетических воздействий.

Шифр дисциплины СД. 01 ГОС дисциплины «ТОЗОС» Ø Теоретические основы защиты окружающей среды: физико химические основы процессов очистки сточных вод и отходящих газов и утилизации твердых отходов. Процессы коагуляции, флокуляции, флотации, адсорбции, жидкостной экстракции, ионного обмена, электро-химического окисления и восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации, электродиализа, мембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация), осаждения, дезодорации и дегазации, катализа, конденсации, пиролиза, переплава, обжига, огневого обезвреживания, высокотемпературной агломерации. Ø Теоретические основы защиты окружающей среды от энергетических воздействий. Принцип экранирования, поглощения и подавления в источнике. Ø Диффузионные процессы в атмосфере и гидросфере. Рассеивание и разбавление примесей в атмосфере, гидросфере. Методы расчета и разбавления.

• РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ПО УЧЕБНОМУ ПЛАНУ Всего на дисциплину 119 час. В том числе: аудиторные занятия 64 час. из них: лекции 32 час. лабораторные занятия 16 час. практические занятия 16 час. Самостоятельная работа студентов 55 час. К 30 час. Р час. Т 25 час. Семестр Лекции 6 32 Практ. Лаб. Самост. Форма занятия работы работа аттестации 16 16 55 экзамен

№ № те лек мы ции 1 2 1 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 Наименование лекции № № и ПЗ ЛЗ программные вопросы 3 4 5 Вводная лекция. Предмет, цель и основные задачи ТОЗОС. Показатели качества окружающей среды. Виды загрязненных 1 систем. Классификация загрязнений, процессов защиты ОС. 1. Теоретические основы защиты атмосферы. Источники и типы загрязнения атмосферы. Основные характеристики пылегазовых загрязнителей воздуха. Теор. осн. очистки воздуха от аэрозолей. Физ. сущность осн. методов пылеочистки. Осаждение гравитац. , центробежное, 2 инерционное. Фильтрование аэрозолей. Мокрая газоочистка. Электроочистка. Очистка воздуха от вредных газов и паров. Законы и движ. силы 1 межфаз. равновесия. Сущность массообмена. Абсорбция. Адсорбция газовых примесей. 3 Термохим. обезвреживание и каталитические методы очистки газовых выбросов. Конденсация газообразных примесей. Рассеивание и 4 разбавление выбросов в атмосфере.

3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 2. Теоретические основы очистки сточных вод. Вода и растворы, их свойства. Классификация и основные характеристики сточных вод. Мех. методы очистки ст. вод. Фильтрование, отстаивание. Общ. 5 кин. зак-сти осаждения и фильтрования д. ф. Центрифугирование. Физ. -хим. методы очистки сточ. вод. Коагуляция и флокуляция загрязнений. Природные и синтетические флокулянты. Механизм флокулирования. Флотация. Сущность процесса. Адсорбция. Промышл. сорбенты. Ионообменная очистка. Физ. 6 сущность процесса. Природные и синтетические иониты. Экстракция. Обратный осмос, микро- и ультрафильтрации. Физ. хим. основы процессов. Экстрагенты. Методы регенерации экстрагентов. Мембраны, их селективность и проницаемость. Влияние давления, т-ры и св-в воды на процесс разделения. Химические методы очистки ст. вод. Процессы нейтрализации, 7 окисления и восстановления. Области применения. Реагенты. Биохимические методы очистки ст. вод. Области применения. Достоинства и недостатки метода. БПК, ХПК. Индукц. период. Состав активного ила и биопленки. 2 3 4

3. Теоретические основы защиты литосферы. Теоретические основы предотвращения фильтрации воды из 4 15 каналов и засоления почвы. Регулирование структуры почвы. Предотвращение пылевого уноса почвы (пылевые бури). 4. Защита окружающей среды от энергетических воздействий. Защита от энергетических воздействий, 5 16 механических и акустических колебаний, ионизирующих, электромагнитных полей и излучений. 8 1. Ветошкин А. Г. Теоретические основы защиты окружающей среды. Учебное пособие. – М. : Высшая школа, 2008. – 397 с. : ил. , библиогр. 2. Зиганшин М. Г. Теоретические основы пылегазоочистки. Учебное пособие. – Казань: КГАСУ, 2005. – 262 с. : ил. , библиогр.

Материя. Уровни организации материи Большой взрыв 15 млрд. лет назад появились пространство и время mпокоя≠ 0 mпокоя=0 Элементарные частицы Поле Вещество протоны р+ нейтроны nº электроны е фотоны электромагн. силы мезоны ядерные силы «гравитоны» гравитация нуклоны (ядра атомов) Одноядерные системы (атомы и атомные частицы) химический элемент химическая связь Многоядерные системы химическое вещество ассоциаты химическая форма движения материи молекулы гетероядерные гомоядерные агрегаты при n > NА агрегатное состояние, фаза Тела газообразные жидкие твёрдые

Окружающая среда обычно рассматривается из трёх сфер: атмосфера, гидросфера и литосфера.

Производство – отходы – окружающая среда

Загрязнение окружающей среды – изменение качества среды, способное вызвать отрицательные последствия. Загрязнение 1. Механическое 2. Химическое 3. Физическое 1. Тепловое (термальное) 2. Световое 3. Шумовое 4. Электромагнитное 4. Радиационное 5. Биологическое 1. Биотическое 2. Микробиологическое

Нормативы качества окружающей среды З н РФ об охране окруж. среды (2001) устанавливает нормативы предельно допустимых воздействий на неё. Для этого используют ПДК, ПДВ, ПДС и ПДУ. Для санитарной оценки воздушной среды используют: ПДКр. з. – предельно допустимая концентрация хим. в-ва в воздухе рабочей зоны, мг/м 3. ПДКсс – предельно допустимая среднесуточная конц-ция хим. в-ва в воздухе населенных мест, мг/м 3. Это основной норматив оценки состояния атм. воздуха с сан. -гигиенич. т. з. ПДКмр – предельно допустимая максимальная разовая концция химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м 3.

ПДКр. з не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемых совр. методами иссл ния, в процессе работы или в отдаленные сроки при ежедневной работе в пределах 8 часов в течение всего рабочего стажа. ПДКсс не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании. ПДКмр не должна вызывать рефлекторных (в том числе субсенсорных) реакций в организме человека при вдыхании в течение 30 мин. Все вещества разделены на четыре класса опасности загрязняющих веществ (наиболее опасным является 1 й класс, наименее опасным 4 й).

Оценка качества воды нормируется по ПДК вредных загрязнений в мг/л, при этом ориентируются по одному из след. показателей: ППКо. р. л. – подпороговая концентрация в ва, определяемая по изм нию органолептических показателей (запах, цвет, привкус). ППКс. р. в. – подпороговая концентрация в ва, определяемая по влиянию на санит. режим водоёма (сапрофитная микрофлора, БПК и др. ). ППКт – подпороговая конц ция в ва в водоёме, определяемая по токсикологическим хар кам. ПДКв – предельно допустимая концентрация в ва в воде водоёма.

Загрязнение почв устанавливается по ПДКп – это конц ция хим. в ва в мг на 1 кг почвы в пахотном слое, к рая не должна вызывать отриц. воздействия на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также самоочищающую способность почвы. Существуют 4 разновидности ПДКп в зав сти от пути миграции хим. в в в сопредельные среды: ТВ – транслокационный показатель, характеризующий переход хим. в ва из почвы через корневую систему в зелёную массу и плоды растений; МА – миграционный воздушный показатель (переход в ва из почвы в атмосферу); МВ – миграционный водный показатель (переход в ва в подземные воды); ОС – общесанитарный показатель (влияние хим. в ва на самоочищающую способность почвы и микробиоценоз).

Методы защиты окружающей среды Пассивные Активные создание ресурсо сберегающих и малоотходных технологий рациональное размещение источников загрязнения локализация источников загрязнения Применение средозащитных технологий, техн. систем и устройств Процессы: 1) физические; 2) механические; 3) гидромеханические; 4) массообменные, 5) тепловые; 6) физико-химические; 7) химические; 8) биохимические; 9) процессы, осложненные химической реакцией; 10) процессы защиты от энергетических воздействий (принципы отражения и поглощения избыточной энергии)

Механические процессы – это измельчение (дробление), сортирование (классификация), прессование и смешивание сыпучих материалов. Движущая сила – силы механ. давления или центробежная сила. Гидромеханические процессы – это перемешивание, отстаивание (осаждение), фильтрование, центрифугирование. Движущая сила гидростатическое давление или центробежная сила. Тепловые процессы – нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация. Движущая сила – разность температур (терм. потенциалов) взаимодействующих сред. Массообменные (диффузионные) процессы – переход вещества из одной фазы в другую за счет диффузии – абсорбция, адсорбция, десорбция, экстрагирование, ректификация, сушка и кристаллизация. Движущей силой является разность концентраций переходящего вещества во взаимодействующих фазах.

Физико-химические процессы – совокупность химических и физических процессов разделения в в – коагуляция и флокуляция, флотация, ионный обмен, обратный осмос и ультрафильтрация, дезодорация и дегазация, электрохимические методы. Движущей силой является разность физических и термодинамических потенциалов разделяемых компонентов на границах фаз. Химические процессы – превращение одних веществ в другие, изменение их поверхностных и межфазных свойств (р ция нейтрализации, ОВР). Движущей силой является разность химических (термодинамических) потенциалов. Биохимические процессы – каталитические ферментативные реакции биохимического превращения веществ. Движущей силой является энергетический уровень (потенциал) живых организмов. На практике многие процессы осложнены протеканием смежно параллельных процессов.

Экология атмосферы Загрязнители физические механические вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии неоднородные Аэрозоли тв и жидк в-ва биологические тепло, шум, свет, эл магн. и р/акт излучения деятельность человека и микроорганизмов однородные пары и газы Выбросы вредных веществ по ГОСТ 17. 2. 1. 01 – 76 подразделяются ►по агрег. сост. на 4 класса: 1– г/о, 2 – жидк. . 3 – тв. , 4 – смешанные. ►по хим. составу – на группы, а ►по размеру частиц – на подгруппы. Например, 1; 1 – 10; 10 – 50; и более 50 мкм.

Поступление в атмосферу паров, газов, аэрозолей и других вредных веществ – прямой результат несовершенства технологического и транспортного оборудования, отсутствия или недостаточной эффективности пылеулавливающих и локализующих устройств и систем. В атмосферу Земли ежегодно поступает 150 млн. тонн различных аэрозолей; 220 млн. тонн диоксида серы; 450 млн. тонн оксида углерода; 75 млн. тонн оксидов азота. В год на каждого жителя Земли приходится в среднем 300 кг выбросов в атмосферу. Основные источники загрязнения внешней воздушной среды: • промышленные предприятия, в первую очередь, химические, нефтехимические и металлургические заводы (15 20%). • теплогенерирующие установки (тепловые электростанции, отопительные и производственные котельные); 60%. • транспорт, в первую очередь, автомобильный (20 25%). • животноводство

Аэрозоли — это дисперсные системы, в к рых дисперсионной средой явл ся газ (воздух), а дисперсной фазой – твёрдые или жидкие частицы. Обычно размер частиц от 1 10 нм до 100 200 (500) мкм. Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твёрдых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате газовых реакций. Дисперсионные аэрозоли грубее конденсационных и обладают большей полидисперсностью, ч цы имеют неправильную форму. К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.

Пыли – это дисперсионные аэрозоли с твёрдыми частицами, независимо от дисперсности. Пылью также называют совокупность осевших частиц (аэрогель). Туманы представляют газообразную среду с жидкими частицами как конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности. Дымы – это конденсационные аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой или включающие частицы и твёрдые, и жидкие. На практике аэрозоли имеют разное происхождение, и обычно полидисперсны.

Основные свойства аэрозолей: 1) дисперсность, 6) горючесть и 2) плотность, взрываемость, 3) слипаемость, 7) коагуляция. 4) смачиваемость, 5) электрические св ва,

1) Дисперсность – степень измельчения. Дисперсный состав пыли важен при разработке и совершенствовании пылеулавливающих аппаратов и систем, а также для осуществления мероприятий по предотвращению выделения пыли и ее распространению. Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы – это диаметр шара, объем к рого равен объему ч цы, или диаметр круга, площадь к рого одинакова с площадью проекции частицы. Седиментационный диаметр частицы – это диаметр шара, скорость оседания и плотность к рого соотв но равны скорости оседания и плотности ч цы неправильной формы.

Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Фракция объединяет частицы, находящиеся в пределах одного интервала размеров рекомендуемой шкалы. Пример такой шкалы размеров пылевых частиц: 1 – 1, 3 – 1, 6 – 2, 0 – 2, 5 – 3, 2 – 4, 0 – 5, 0 – 6, 3 – 8, 0 – 13 – 16 – 20 – 25 – 32 – 40 – 50 – 63 мкм. Дисперсный состав пыли можно представить в виде таблицы или графически. Размер частиц на границах <1, 5 2, 5 5 7, 5 10 10 15 15 25 25 35 >50 5 35 50 фракций, мкм Фракции, % от общ. массы 2, 19 частиц 3, 73 7, 89 13, 16 15, 45 21, 13 18, 63 6, 06 5, 1 6, 66

Масс. доля фракции Совокупность всех фракций аэрозоля называют фракционным составом его дисперсной фазы, которую можно представлять графически. Откладывая по оси абсцисс значения интервалов, составляющих фракции, а по оси ординат – доли или процентное содержание частиц соответствующих фракций, получают гистограммы – ступенчатые графики фракционного состава. С уменьшением интервалов фракций гистограммы приближаются к rmin rmax плавным кривым. Иногда такие кривые бывают близки по форме к кривой нормального распределения случайных величин, которая описывается двумя параметрами средним диаметром частиц Dm и стандартным отклонением σ от него: где Мi число частиц в i той фракции.

Кривую логарифмически нормального распределения также можно задать двумя параметрами – логарифмами среднего диаметра и стандартного отклонения от него: ГОСТ 12. 2. 043 80 подразделяет все зависимости от дисперсности на пять групп: I – наиболее крупнодисперсная пыль; II – крупнодисперсная; III – среднедисперсная; IV – мелкодисперсная пыль; V – наиболее мелкодисперсная пыль. пыли в

Номограмма для определения группы дисперсности пыли: D V Б A IV III II I Если линия АБ проходит по нескольким участкам номограммы, пыль относят к группе, более высокой по дисперсности. δ δ – размер частиц пыли, мкм; D – суммарная масса всех частиц пыли, имеющих размер менее данного δ, % (от общей массы частиц пыли); (I – V) – зоны, характеризующие группы дисперсности пыли.

2) Плотность – масса единицы объема, кг/м 3. Истинная плотность – масса единицы объема в ва пыли. Кажущаяся плотность – это масса единицы объема частиц, включая объем закрытых пор. Кажущаяся плотность монолитной частицы равна истинной плотности данной частицы. Насыпная плотность – масса единицы объема уловленной пыли, свободно насыпанной в емкость. В объем, занимаемый пылью, входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними. 3) Слипаемость пыли – склонность частиц к сцеплению друг с другом, определяемая аутогезионными (когезионными) св вами. Аутогенным воздействием вызывается образование конгломератов пыли. Взаим вие пылевых частиц с поверхностями называется адгезией. Она обусловлена силами электрического, молекулярного и капиллярного происхождения. Устойчивая работа пылеулавливающего оборудования зависит от слипаемости пыли.

4) Смачиваемость пыли. На смачивании пыли распыленной водой основано мокрое пылеулавливание. Смачиваемость пыли определяет возможность ее гидроудаления, применение мокрой пылеуборки производственных помещений. 5) Горючесть и взрываемость пыли. Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли. 6) Электрические свойства пыли — уд. эл. сопротивление и эл. заряд пыли. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует электрическую проводимость слоя пыли. УЭС равно сопротивлению прохождения эл. тока через куб пыли со стороной, равной 1 м (Ом. м). Эл. св ва оказывают значительное влияние на поведение пылевых частиц: коагуляция, уст сть пылевых агрегатов, взрывоопасность пыли, ее воздействие на живые организмы. Они влияют на работу электрофильтров, их эффективность и устойчивость.

7) Коагуляция аэрозолей. Аэрозоли неустойчивы. Они подвержены постоянным изменениям, в т. ч. укрупнению частиц – коагуляции (агрегирование, агломерация). Наибольшая роль принадлежит молекулярным силам и силам электрического притяжения. Коагуляция взвешенных в газах частиц существенно влияет на эффективность действия пылеулавливающих устройств. С точки зрения обеспыливания воздуха (газов) коагуляция явление полезное, т. к. укрупнение частиц пыли повышает эффективность их улавливания. Скорость коагуляции аэрозольных частиц подчиняется закону: 1/n – 1/n 0 = Кк·τ, (2. 4) где n концентрация частиц в некоторый момент времени τ (в с), 1/м 3; n 0 начальная концентрация частиц, 1/м 3; Кк константа коагуляции, м 3/с. Из (2. 4. ) следует, что скорость коагуляции со временем падает. Скорость коагуляции N подчиняется кинетич. ур нию 2 ого порядка: N = - dn/dτ = – Kк·n 2

Вредные газы и пары Газовые загрязнения образуют однородные, гомогенные смеси. с воздухом Это СО, SO 2, H 2 S, NOx NH 3 и др. Методы очистки принимают в зависимости от физико химических свойств загрязняющего вещества, его агрегатного состояния, концентрации в очищаемой среде и др.

Экология гидросферы В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материалов. Общее кол во природной воды на Земле составляет 1386 млн. куб. км, из них количество пресной воды 35 млн. куб. км, т. е. около 2, 5%. Объем потребления пресной воды в мире достигает 3900 млрд. куб. м/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды. Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, производственном или с/х употреблении, а также прошедшая через загрязненную территорию. Сточные воды – это главный источник загрязнений. Обычно выделяют химическое, биологическое и физическое загрязнения. Соединения As, Pb, Cd, Hg, Cr, Cu, F. Орг. в ва (фенолы, нефтепродукты, ПАВ). Для уменьшения потребления свежей воды создают оборотные и замкнутые системы водоснабжения.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), атмосферные (АСВ) и промышленные (ПСВ). 1) Хозяйственно-бытовые воды – это стоки душевых, прачечных, столовых, туалетов, от мытья полов и др. Они содержат примеси, из к рых ~ 58% орг. в в и 42% минеральных. 2) Атмосферные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами. 3) Промышленные сточные воды – это жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке органического и неорганического сырья.

Промышленные и бытовые сточные воды содержат растворимые и нерастворимые вещества. Классификация примесей по Л. А. Кульскому по их фазово дисперсному состоянию: а) гетерогенные системы: I – взвеси, размер частиц 10 1 мкм (суспензии, эмульсии, пены, микроорганизмы и планктон); II – коллоидные р ры, размер ч ц 10 1 10 2 мкм (золи и растворы ВМС). б) гомогенные системы: III – молекулярные р ры, размер частиц 10 2 – 10 3 мкм (газы, растворимые в воде, органические вещества); IV – ионные р ры, размер ч ц 10 3 мкм (соли, основания, кислоты).

Экология литосферы В процессе производства и потребления образуется большое количество отходов. Они подразделяются на отходы про-ва и отходы потребления. Общая масса в ва, перемещаемого человеком достигла 4 трлн. т в год. В РФ образование отходов оценивается в 2, 8 млрд. т в год. Масштабы образования ТБО в российских городах хар ся величиной 200 – 500 кг на человека в год. Классификация отходов ведётся по многим параметрам. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают тв. и жидк. пром. , с/х и бытовые отходы. Основными загряз нителями почвы являются металлы и их соединения, р/акт. в ва, удобрения и пестициды. Осн. источники загрязнения почвы: 1. Жилые дома и быт. предприятия (быт. и строит. мусор, пищевые отходы, мусор общ. учреждений: больниц, гостиниц, магазинов; 2. Пром. предприятия (в тв. и жидк. отходах часто присутствуют токсичные и вредные в ва). 3. Теплоэнергетика (шлаки, сажа). 4. Сельское хозяйство (удобрения, ядохимикаты, отходы). 5. Транспорт (оксиды азота, свинец и др. оседающие на поверхность почвы).

Энергетические загрязнения механические шумы вибрации инфразвук ультразвук электро статические магнито статические электромагнитные излучения: • промышл. частоты; • радиочастоты; • СВЧ – диапазон; • миллиметровый диапазон; • ИК – излучения (теплов. загрязн) • УФ – загрязнение; • рентгеновские и • γ излучения

способы переработки отходов значительная часть отходов перерабатывается совместно с первичным сырьем по схемам и на оборудовании, предназначенном для этого сырья. отходы перерабатываются в процессах специальной переработки вторичного сырья или защиты окружающей среды (воздушной, водной, почв). все процессы переработки и обезвреживания отходов можно разделить на физические, химические, физико-химические, биохимические и комбинированные.