Введение. Природа Земли – целостная система с множеством связей, обеспечивающих сбалансированность жизни

Природа Земли – целостная система с множеством связей, обеспечивающих сбалансированность жизни. В настоящее время численность людей на нашей планете неуклонно возрастает.

Прирост народонаселения составляет десятки миллионов в год, что приводит к серьезным нарушениям круговорота вещества, сужению площадей дикой природы и другим негативным явлениям в биосфере. Тем не менее каждый человек, каждый индивидуум, имеет право на достойное комфортное существование, достижение которого вполне логично сопровождается увеличением количества отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. Природоохранные технологии и соответствующее оборудование способствуют уменьшению эмиссии антропогенных агентов в среду обитания живых организмов, включая человека. Избежать антропогенного загрязнения невозможно, но сократить поступление загрязняющих компонентов жизненно важно, наряду с созданием малоотходных производств и технологических циклов предельной степени замкнутости. Решение экономических производственных задач невозможно без знания фундаментальных принципов данной технологии: без знания: а) математических описаний отдельных стадий, б) аппаратурного оформления; в) технических характеристик соответствующего оборудования.

Цель дисциплины «природоохранные системы и сооружения» – формирование у обучаемых на базе усвоенных опорных знаний компетенций по созданию рациональных схем природоохранных систем, по подбору наиболее эффективного оборудования природоохранных сооружений.

Задачи дисциплины:

- ознакомление с конструкциями типовых природоохранных систем и сооружений, их аппаратурными элементами

- выработка навыков подбора необходимых аппаратов для реализации природоохранной технологии в условиях конкретного производства.

Текст лекций

Введение:

природоохранные процессы с позиций экологии

Целевая установка: изучив материал введения студент будет знать наиболее глубокую и общую суть экологических последствий загрязнения окружающей среды и основной критерий (имеющий числовое содержание) для оценки уровня экологической безопасности среды в случае данного вероятного

загрязнения.

Основная цель создания природоохранных систем и сооружений – снизить содержание загрязняющих компонентов до значений не приводящих к нарушениям жизнедеятельности организмов (в том числе человека) обитающих в той среде, куда источник загрязнения вынужден производить выброс или сброс.

В прикладном смысле термин «природный» означает «не связан, не обусловлен деятельностью человека». Антропогенный, т.е. получен (произведен) в результате деятельности человека. Антропогенная деятельность всегда сопровождается возникновением отходов, в более широком смысле, загрязнения. Отходы могут быть промышленными, бытовыми.

Отходы (по происхождению)

промышленного производства

бытовые

По фазовому состоянию отходы подразделяют на твердые, жидкие; смесь твердой, жидкой и газовой фаз.

Отходы (по состоянию фаз)

твердые

жидкие

Смесь твердой, жидкой, газовой фаз

Выброс газов в атмосферу через трубы называют эмиссией производства, а не отходами. С другой стороны эмиссия ≡ испускание.

Эмиссия ≡ Испускание

Выброс

Сброс

Выброс – поступление компонентов загрязнения в атмосферу.

Сброс – поступление жидкостей, жидких растворов, твердых веществ в водную среду.

Экологическое качество и состояния и функционирования предприятия (жилищного комплекса) определяют по соотношению между текущей концентрацией (удельным содержанием) компонентов загрязнения и предельно допустимой концентрацией (ПДК), этих компонентов. Концентрация некоторого - го компонента в данном месте может меняться с течением времени , в зависимости от режима работы предприятия. Предприятие может функционировать, например, круглосуточно или только в течение 8 часов. Также выброс или (сброс) может быть непрерывным или дискретным (несколько раз в сутки, или в течение нескольких десятков минут).

При удовлетворенном экологическом состоянии среды имеет место неравенство: ; в случае неудовлетворенных условий >.

Сказанное иллюстрирует рисунок.

Удовлетворительное экологическое Неудовлетворительное экологическое

состояние среды. состояние среды.

≤ >

рис. 1. Соотношение между и в зависимости от

экологического качества среды.

Поясним упомянутые выше термины.

Под загрязнением в экологическом аспекте понимают привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических информационных агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде, нередко приводящее к негативным последствиям.

Загрязнение выводит природные системы из состояния равновесия, нарушает связи в них, в итоге может привести к деградации данной существующей естественной экосистемы. Деградация экосистем может обусловить снижение качества жизни самого человека. Загрязнение воздушной, водной среды, почвы приводит к истощению пищевых ресурсов, к онкологическим заболеваниям человека и др.

Концентрация характеризует удельное содержание какого-либо компонента (агента) в определенном месте, и ее количественно но оценивают по формулам:

(1)

(2)

где - масса загрязняющего - го компонента, поступившего в среду за время ; - масса среды; - объем среды.

Значение величин: обычно измеряют в мг или в мкг,

1 мг = 10^{-3 г; 1 мкг = 10-6 г;} m_среды - в кг; V_среды в м³ или л,

1л = 1 дм³ = 10^{-3 м3}. Таким образом единицы измерении или единицы измерения

Концентрацию рассчитывают по формуле (1), если средой является почва или ткани (тело) многоклеточного организма. Формулу (2) применяют для характеристики водной или воздушной среды. Значение и при сравнительном анализе должны быть выражены в одинаковых единицах измерения.

Предельно допустимая концентрация - норматив - количество вредного вещества в окружающей среде, при постоянном контакте (среднесуточная предельно допустимая концентрация, ) или при воздействии за определенный промежуток времени () практически не влияющее на здоровье человека и не вызывающее неблагоприятных последствий у его потомства. Числовые значения устанавливают в законодательном порядке или их рекомендуют компетентные учреждения. Эти значения можно найти в ГОСТах, в нормативной и справочной литературе.

В ряде случаев при определении учитывают не только степень влияния загрязнителей на здоровье человека, но и воздействия этих загрязнителей на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, на природные сообщества в целом. Исследования привели к выводу об отсутствии низких безопасных порогов при воздействии канцерогенов и ионизирующей радиации. Любое превышение ими природных фонов опасно для живых организмов, хотя бы генетически, в цепи поколений. В этом случае совпадает с фоновой природной концентрацией.

ПДК_i конкретного компонента загрязнения устанавливают исходя из значения пороговой концентрации данного компонента . С экологических позиций , где - лимитирующее значение экологического фактора (в нашем случае концентрации).

Таким образом, пороговая концентрация – это пограничная точка между зоной нормальной жизнедеятельности организма и его подавленным (пессимальным, болезненным) состоянием – см. рис.2.

По горизонтальной оси графика отложена концентрация ядовитого загрязняющего вещества в окружающей среде. А - физиологическое состояние, жизненное состояние организма; например физиологические показатели ткани, органа, острота зрения и т.п. Оптимальным для организма является отсутствие ядовитого вещества в среде обитания и оптимум жизненной активности организма располагается на вертикальной оси ординат - . При появлении ядовитого вещества в окружающей среде

(С > 0) имеет место снижение жизненной активности, но в области (где - критическое жизненное состояние организма) в организме необратимые болезненные изменения отсутствуют. Так, жители многих крупных промышленных центров подчас испытывают определенный дискомфорт, недомогание от присутствия тех или иных загрязняющих веществ в воздухе или в воде, но при этом у них нет хронических заболеваний.

При C >> 0 состояние людей ухудшается, т.е. жизненная активность подавляется область: - зона угнетения или зона пессимума, при соответствующих значениях C в организме человека происходят необратимые патологические изменения. С этими отклонениями от нормального жизненного состояния человек может жить долгие годы, но он не здоров, вспомним термин «профессиональное заболевание». На языке экологии пограничную точку обозначают , а на языке токсикологии - . Дальнейшее увеличение концентрации ядовитого вещества в окружающей среде может привести к смерти, т.е. А = 0, что обуславливает (летальные значение концентрации).

Обеспечить нулевое содержание тех или иных компонентов (агентов) загрязнения в среде обитания невозможно, но следует ограничивать их концентрации таких значений, которые не превышают . Значение устанавливают в результате сбора и анализа статистических данных по профессиональным заболеваниям, по результатам опытов на животных, по каким-либо тестам. По отношению к экспериментально установленному значению предельно допустимую концентрацию принимают с определенным «запасом», то есть она обычно меньше, чем (см. рис. 2).

Из сказанного понятно, что человеку жизненно важно находиться как можно меньше времени в среде, характеризуемой неравенством > .

Вопросы для самоконтроля.

1. Как связаны понятия «эмиссия вредного вещества», «выброс», «сброс»?

2. По какому показателю можно оценить состояние среды в экологическом аспекте?

3. Каковы экологические последствия загрязнения природной среды?

4. Каков экологический смысл концентрации ядовитого вещества в среде?

5. Как связаны между собой понятия «предельно допустимая концентрация вредного вещества» и «лимитирующая концентрация вредного вещества» ()?

Тема 1. Общие сведения о способах разделения (очистки)

загрязненных систем

Целевая установка – материал усвоен, если студент знает: 1) состав и структуру гетеро – и гомогенных загрязненных систем; 2) процессы разделения загрязненных систем, чем обусловлена движущая сила этих процессов, пути интенсификации процессов разделения.

1.1. Гетерогенные и гомогенные системы

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие по меньшей мере из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной (дисперсионная среда), а другая дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т.п.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы, туманы.

Суспензия – система, состоящая из жидкости (сплошная) и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии подразделяют на: а) грубые (с частицами размером более 100 мкм), б) тонкие (содержащие частицы размером 0,1 – 100 мкм), в) коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эмульсия – система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

Пена – система, состоящая из жидкости (сплошная фаза) и распределенных в ней пузырьков газа.

Пыль – система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером более 5 мкм. Пыль образуется при дроблении, смешивании и транспортировании твердых материалов. Полученная в результате промышленного производства пыль состоит из твердых частиц размерами 370 мкм, иногда размер превышает 70 мм.

Дым – система, состоящая из газа (сплошная фаза) и распределенных в нем твердых частиц, размером менее 5 мкм. Образуется при горении.

Туман – система, состоящая из газа (сплошная фаза) и распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее название – аэрозоли.

Сказанное можно охарактеризовать с помощью таблицы.

Таблица 1.1

Характеристика гетерогенных систем

Гетерогенная (неоднородная система)	Сплошная фаза: агрегатное состояние	Распределенные частицы	Примечание
агрегатное состояние	размер, мкм
Суспензия
- грубая	Ж	Т	более 100	-
- тонкая	Ж	Т	0,1 - 100	-
- коллоидный раствор	Ж	Т	менее 0,1	-
Эмульсия	Ж	Ж (капли)	-	-
Пена	Ж	Г (пузырьки)	-	-
Пыль	Г	Т	3-70 и более	образуется при дроблении
Дым	Г	Т	менее 5	образуется при горении
Туман	Г	Ж (капли)	менее 5	-

Примечание: Г- газ, Ж – жидкость, Т – твердое тело.

Для эмульсий и пен при определенных концентрациях дисперсной фазы возможен ее переход в сплошную; при этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход называют инверсией фаз.

В большинстве случаев гетерогенные системы содержат частицы, различающиеся по размеру. Такие системы называют полидисперсными. Они характеризуются фракционным, или дисперсионным, составом, т.е. долей частиц определенного размера от общего содержания дисперсной фазы.

Встречаются системы, в которых все частицы близки по размерам. Их называют монодисперсными.

Большинство гетерогенных систем неустойчиво, т.е. имеют тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель или пузырей путем их слияния называют коалесценцией, а укрупнение твердых частиц вследствие их слипания – коагуляцией.

Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют большую роль при очистке сточных вод и отходящих газов, при выделении из среды ценных компонентов, а также в химической промышленности.

Применяют следующие основные методы разделения неоднородных систем: осаждение, фильтрование, мокрую очистку газов. При разделении на молекулярном уровне применяют абсорбцию, адсорбцию, экстракцию. Особое место занимает биологическая очистка сточных вод.

Существуют и другие методы разделения и очистки.

Выброс и сброс могут представлять собой абсолютно однородные системы называемые истинными растворами. Растворы истинные – однородные смеси двух или большего числа веществ (компонентов), которые равномерно распределены по всему объему раствора в виде отдельных молекул, атомов или ионов. Размер распределенных частиц от 10^{-8 м и менее. Газовые растворы также называют смесью газов или газовой смесью. Классический пример газовой смеси – воздух. Абсолютно сухой приземный атмосферный воздух содержит, (% объемные): 78% азота (}N₂), ~ 21% кислорода; (O₂) ~ 0,9% аргона (Ar), ~ 0,03% диоксида углерода (CO₂) и в значительно меньшем количестве многие другие газы. При поступлении в природный воздух таких дополнительных компонентов загрязнения, как газы: диоксид серы (SO₂), оксиды азота (N_mO_n) и др. – загрязненный воздух продолжает представлять собой однородную систему – газовую смесь или истинный раствор.

Почва представляет собой сложную систему как по абиотическим (неживым), так и по биотическим параметрам. Почва – поверхностный слой земной коры (точнее коры выветривания), который образуется и развивается в результате взаимоотношений микроорганизмов, растений, животных, а также взаимодействия горных пород, воды и др. Почва – самостоятельное природное образование. Важнейшее свойство почвы – плодородие, т. е. способность обеспечивать рост и развитие растений. В верхнем почвенном профиле преобладают движения почвенных растворов сверху вниз. Твердая компонента почвы – минералы и фрагменты гумуса (перегноя). Между ними располагаются каналы и поры по которым циркулируют водные растворы, взвеси, газовые смеси.

Таким образом почва может подвергнуться комплексному многокомпонентному загрязнению. Уровень загрязнения почвы со временем понижается, благодаря функционированию здесь живых организмов. Ткани многоклеточных организмов могут содержать различные ядовитые вещества в концентрированном виде в результате питания на загрязненных почвах. Легко растворимые вещества диффундируют по разным участкам почвы в вертикальном и горизонтальном направлениях. В ряде случаев сильно загрязненные почвенные слои снимают и транспортируют на хранение подобно некоторым твердым отходам антропогенной деятельности. На соответствующей «оголенной» территории проводят мероприятия по рекультивации земель. Рекультивация земель – комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды.

1.2. Основные процессы разделения гетерогенных

и гомогенных систем

Осаждение от слова осадок. Осадок – образующая при очистке твердая или относительно высокой плотности жидкая компонента, включающая минеральные и органические вещества. Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс, центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом поле). Соответствующие аппараты и устройства: пылеосадительные камеры, отстойники, циклоны, гидроциклоны, центрифуги, электрофильтры.

Мокрая очистка газов – процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание обусловлено, как правило, силами инерции.

Фильтрование – это процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений . В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами процесс называют центробежным фильтрованием. Аппараты: фильтры.

Дата добавления: 2014-01-05