Работа 8. Использование сточных вод для получения пигментов (красящих компонентов)

Работа знакомит с реагентными методами очистки воды. Соли металлов, находящихся в сточной воде, необходимо высадить в виде нерастворимых соединений с их последующей рекуперацией в качестве пигментов.

Реактивы и оборудование: 1) сточная вода, содержащая соли железа, меди; 2) парафин; 3) масло моторное (или подсолнечное); 4) раствор щелочи; 5) колба коническая; 6) фарфоровая чашка; 7) формочка для карандаша; 8) коническая воронка; 9) фильтровальная бумага; 10) электрическая плитка.

Ход работы

1. Сточную воду обрабатывают раствором щелочи до выпадения объемного осадка.

2. Осадок отфильтровывают, выпаривают на электрической плитке и высушивают.

3. Осадок тщательно растирают в фарфоровой ступке с другими ингредиентами примерно в следующей пропорции: гидроксид металла (или оксид металла) : парафин : масло – 1 : 4 : 0,4.

4. Смесь переносят в фарфоровую чашку, расплавляют и в горячем виде заливают в формочку.

5. После затвердевания массы ее осторожно выдавливают из формочки.

Расчет необходимого для осаждения количества щелочи проводят по уравнению химической реакции.

Задание: Выполнить работу, результаты записать в рабочую тетрадь и сделать соответствующие выводы.

2. Расчетные работы

2.1. Определение степени соответствия

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА (ПРОИЗВОДСТВА)

ЭКОЛОГИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ

Работа рассматривает одну из актуальнейших тем инженерной экологии по определению степени безотходности технологических процессов (производств) и их соответствия экологическим требованиям; нацеливает студентов на разработку экологической грамотной стратегии природоохранной деятельности на предприятии.

Цель работы: определить соответствие производства и технологических процессов требованиям, предъявляемым к малоотходным или безотходным технологиям, для разработки стратегии природоохранной деятельности на предприятиях.

Основные понятия

Безотходная технологическая система – это такой технологический процесс или технологическое производство, которое характеризуется полным использованием вовлекаемых в переработку материальных и энергетических ресурсов и отсутствием вредных выбросов в окружающую среду.

Безотходное производство – совокупность организационно-технологических мероприятий, технологических процессов, оборудования, материалов, обеспечивающих комплексное использование сырья и позволяющих предотвратить отрицательное воздействие на окружающую среду.

Малоотходная технология – технология (производство или совокупность), в результате практической деятельности которой вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, установленного санитарно-гигиеническими нормами, но по технологическим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязняющего вещества в воде (мг/л) – концентрация загрязняющего вещества в воде, выше которой вода непригодна для одного или нескольких видов водопользования.

Предельно допустимый сброс (ПДС) вещества в водный объект – масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

Предельно допустимая концентрация (ПДК м/р) примеси в атмосфере (мг/м³) – максимальная концентрация примеси в атмосфере, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного воздействия, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом.

Предельно допустимый выброс (ПДВ) загрязняющего вещества в атмосферу – научно-технический норматив, устанавливаемый из условия, что содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не превышало нормативов качества воздуха для населения, животного и растительного мира.

Предельно допустимое количество (ПДК) загрязняющего почву химического вещества – максимально массовая доля загрязняющего почву химического вещества, не вызывающая прямого или косвенного влияния, включая отдаленные последствия, на окружающую среду и здоровье человека.

Предельно допустимый уровень внесения (ПДУВ) загрязняющего вещества в почву – масса вещества, максимально допустимая для внесения в почву, при которой не наблюдается нарушений самоочищающей способности почвы, а при миграции в сопредельные среды – превышения в них соответствующих ПДК.

Лимитирующий признак вредности (ЛПВ) вещества в воде – признак, характеризующийся наименьшей безвредной концентрацией вещества в воде.

Экологические требования – комплекс требований к качеству воздуха, воды, топлива, сырья, промышленной продукции, к технологии производства, технологическим выбросам и методам их очистки и отвода.

Загрязнение промышленное – загрязнение, вызываемое отдельно взятым предприятием или их совокупностью.

Загрязнитель – 1) объект, служащий источником загрязнения среды (предприятие и т.д.); 2) загрязняющее вещество – любой (природный и антропогенный) физический или информационный агент, химическое вещество и биологический вид (главным образом микроорганизмы), попадающий в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, выходящих за рамки обычного содержания предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

Исходная информация для решения задач находится в приложении 1.

Методика расчета

1. Для определения соответствия производств и технологических процессов требованиям, предъявляемым к малоотходным или безотходным технологиям, введено понятие «коэффициент безотходности».

2. Коэффициент безотходности представляет собой обобщающий числовой показатель, характеризующий технологический процесс или производство с точки зрения его соответствия требованиям рационального природопользования.

3. Коэффициент безотходности (К) формируется из составляющих, каждая из которых характеризует полноту использования в производстве или технологическом процессе материальных и энергетических ресурсов, а также интенсивность этого производства (процесса), его отрицательного воздействия на окружающую среду:

К = (К_М; К_Э; К_ЭА), (4)

где К_М– коэффициент полноты использования материальных ресурсов; К_Э– коэффициент полноты использования энергетических ресурсов; К_ЭА– коэффициент экологической адекватности.

4. Значение величины К варьируется в интервале от 0 до 1. Значению К = 0 соответствует случай минимального полезного использования сырья и максимального отрицательного воздействия процесса или производства на окружающую среду. Значение К = 1 отвечает случаю полного использования ресурсов и отсутствия отрицательного воздействия на окружающую среду.

5. Рассмотрим подробнее один из составляющих коэффициента безотходности – коэффициент экологической адекватности.

6. Коэффициент экологической адекватности – агрегированный показатель, являющийся функцией валовых выбросов (сбросов) загрязняющих веществ, а также предельно допустимых выбросов (сбросов) загрязняющих веществ.

6.1. Агрегирование, проводимое с целью определения коэффициента К_ЭА, производится в два этапа. На первом этапе определяются коэффициенты соответствия производства или технологического процесса экологическим требованиям по отношению к воде (гидросфере), воздуху (атмосфере) и почве (литосфере) соответственно_г,_а,_л.

6.2. Агрегирование коэффициентов _г, _а, _л в коэффициент К_ЭА проводится по формуле:

, (5)

причем_iудовлетворяет условиям .

6.3. При определении коэффициента экологической адекватности учитываются только загрязнения атмосферы и водных объектов (гидросферы), т.е. _л = 1. Такой подход обусловлен тем, что проблема загрязнения литосферы не разработана в необходимой степени.

6.4. Для расчета _г – коэффициента соответствия производства или технологического процесса экологическим требованиям по отношению к водным объектам (гидросфере) – принята следующая формула:

, (6)

где n – число загрязняющих веществ, содержащихся в потоке жидкости, отводимой в водные объекты (гидросферу); B_i – фактический сброс i-го загрязняющего вещества в водные объекты (гидросферу) в годовом исчислении, т/г; ПДС_i – предельно допустимый валовой сброс i-го загрязняющего вещества в водные объекты (гидросферу) в годовом исчислении, т/г; ПДК_i – предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества в водных объектах (гидросфере); мг/л.

Если для некоторых iвыполняется условиеB_iПДС_iто соответствующий член в сумме, входящей в числитель, не учитывается. Коэффициент_г с ростомB_iуменьшается от 1 (приB_iПДС_i, i= 1, 2 ,…,n).

6.5. Если данные о величинах ПДС_i отсутствуют, то _г рассчитывается по формуле:

, (7)

где С_i– концентрацияi-го загрязняющего вещества, мг/л.

6.6. При сбросе в водоем нескольких загрязняющих веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности (ЛПВ) должно соблюдаться условие:

, (8)

где i = k, …, l – индексы веществ, относящихся к одному ЛПВ. Коэффициент _г в этом случае рассчитывается по формуле:

, (9)

где j = 1, 2, …, 6 – номера групп веществ с одинаковым ЛПВ. Если для некоторой группы веществ, относящихся к одному ЛПВ, условие (8) выполняется, соответствующая сумма в числителе (9) не учитывается.

6.7. Для расчета коэффициента соответствия производства или технологического процесса экологическим требованиям по отношению к атмосфере _а принята следующая формула:

, (10)

где ПДВ_i – предельно допустимый валовой сброс i-го загрязняющего вещества в атмосферу в годовом исчислении, т/г; m – число загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу; B_i – фактический сброс i-го загрязняющего вещества в атмосферу в годовом исчислении, т/г; – среднесуточная предельно допустимая концентрация i-го загрязняющего вещества в атмосфере, мг/м³.

Если для некоторых i выполняется условие , то соответствующий член в сумме, входящий в числитель, не учитывается.

6.8. В тех случаях, когда данные о величинах ПДВ отсутствуют, _а рассчитывается по формуле:

, (11)

где С_i – концентрация i-го загрязняющего вещества, мг/м³.

6.9. При поступлении в атмосферу токсичных веществ, обладающих суммацией действия, расчет _а должен производиться с учетом требования:

, (12)

где i = p, …, q – индексы веществ, относящихся к одной группе суммации действия.

Коэффициент _а в этом случае рассчитывается по формуле:

, (13)

где N – количество групп веществ, обладающих суммацией действия; p_j, q_j – начальный и конечный индексы веществ, относящихся к j-й группе по суммации действия.

Если для некоторых групп веществ с суммацией действия выполняется условие (12), то соответствующая сумма в числителе (13) не учитывается.

7. Определение степени безотходности. При значении К_ЭА= 0,8 производство (процесс) классифицируется как рядовое. При значении К_ЭАот 0,8 до 0,9 – малоотходное, при значении К_ЭА= 0,9 – безотходное.

Задания

1. Рассчитать коэффициент соответствия техпроцесса экологическим требованиям по отношению к воде (_г).

2. Рассчитать коэффициент соответствия техпроцесса экологическим требованиям по отношению к атмосфере (_а).

3. Рассчитать коэффициент экологической адекватности техпроцесса (К_ЭА) как среднеарифметическое от_ги_а.

4. Ранжировать данный техпроцесс по степени безотходности.

2. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОИЗВОДСТВА (ПРЕДПРИЯТИЯ)

НА АТМОСФЕРУ

Работа посвящена рассмотрению ведущей проблемы прикладной экологии – оптимизации воздействия промышленного производства на природные среды (в частности, на воздушный бассейн). Она позволяет на основе выявления уровня загрязнения, создаваемого источниками выбросов, выработать тактику атмосфероохранной деятельности на предприятиях с учетом способности атмосферы к самоочищению и применения инженерных средств защиты воздушного бассейна.

Цели работы:

1) разработка поведения примеси в атмосфере; установление зависимости уровня концентрации, создаваемой выбросами предприятий, от местоположения источника выбросов, особенностей газовоздушной смеси, выходящей из источника, орографических и метеорологических параметров окружающей среды, режима работы предприятия;

2) определение расстояния, на котором концентрация достигнет максимума;

3) разработка комплекса атмосфероохраннных мероприятий по снижению уровня концентрации, проведение контрольных расчетов, подтверждающих достаточность мероприятия.

Основные понятия

Зона повышенной концентрации (ЗПК) – территория с уровнем концентрации больше одного ПДК.

Атмосфероохранные мероприятия – комплекс организационно-технических решений, направленный на снижение уровня воздействия на воздушный бассейн.

Приземная концентрация – концентрация вещества в приземном слое воздуха (от поверхности земли до высоты 2,5 м).

Методика расчета

1. Определение максимального значения приземной концентрации загрязняющего вещества С_м(мг/м³) при выбросе газовоздушной смеси проводится в зависимости от расположения источников относительно друг друга.

1.1. Если источники находятся на расстоянии более 10 м друг от друга, то значение С_мопределяется по формуле:

, (14)

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, безразмерный; для территории от 50^oс. ш. до 52^oс. ш. равен 180;M_i– массаi-го вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;F– коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, безразмерный; равен: а) для газообразных вредных веществ 1; б) для прочих веществ – в зависимости от КПД очистки: при КПД > 90% 2; 75–90 % 2,5; в) менее 75% и при отсутствии очистки – 3; Н – высота источника над уровнем земли, м;V₁– расход газовоздушной смеси, м³/с;T– разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха, равной согласно СНиП 2.01.01. – 82 средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года (20,6°);– коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, безразмерный; в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, равен 1; m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, определяются в зависимости от параметровƒ, ν_м:

, (15)

где _ – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с; D – диаметр устья источника выброса, м;

(16)

Коэффициент m определяется в зависимости от ƒ по формуле:

при ƒ<100, (17)

при . (18)

Коэффициент n определяется в зависимости отν_м по формуле:

при n = 1, (19)

при , (20)

при . (21)

1.2. Для близко расположенных источников выбросов (менее 10 м) определяем суммарную концентрацию по формуле:

, (22)

где M – суммарная мощность выброса всеми источниками в атмосферу, г/с; V – суммарный расход газовоздушной смеси от всех источников выброса, м/с; N – количество источников выброса.

2. Определение расстояния Х_м (м) от источника выброса, на котором приземная концентрация С_м (мг/м³) достигнет максимального значения:

, (23)

где d – безразмерный коэффициент, определяется в зависимости от ƒ, ,, ƒ_е:

, (24)

, (25)

При f < 100

, (26)

, (27)

, (28)

при f > 100

, (29)

, (30)

. (31)

3. Разработка комплекса атмосфероохраннных мероприятий (установка пылегазоочистного оборудования, изменение режимов работы технологического оборудования, увеличение высоты источника выборов), направленных на снижение уровня концентрации до значений ПДК.

Атмосфероохранные мероприятия разрабатываются только для веществ, создающих концентрацию выше ПДК.

Выбор мероприятия зависит от уровня загрязнения, создаваемого источником выброса, и расстояния, на котором фиксируется максимальная концентрация. При уровне загрязнения от 1 до 1,5 ПДК и расстоянии до 400 м достаточно провести увеличение высоты источника выброса, способствующее лучшему рассеиванию примеси в атмосфере. При уровне загрязнения выше 1,5 ПДК и расстоянии более 400 м необходимо оборудовать источник выброса пылегазоочистными установками. При выборе пылегазоочистного оборудования необходимо учитывать степень очистки, а также исключить возможность образования нерастворимых соединений веществ, приводящих к закупорке выходных отверстий и выводу установки из действия.

Приведем эффектность ряда основных пылегазоулавливающих аппаратов:

пылеосадительная камера – 80 %;

фильтры – 99 %;

циклоны – 95 %;

скрубберы с мокрой очисткой – 99,5 %.

В случае недостаточности установки одного аппарата возможна установка несколько последовательно стоящих аппаратов, например, фильтр – циклон; фильтр – скруббер; циклон – пылеосадительная камера; фильтр – циклон – пылеосадительная камера; батарейные циклоны. Эффективность таких установок (%) определяется по формуле:

К = 1 – (1 – К₁) (1 – К₂) … (1 – К_n), (32)

где К₁, К₂, …, К_n – эффективность первого, второго и последующих аппаратов.

В качестве атмосфероохранного мероприятия может быть использовано изменение режима работы технологического оборудования, например, не совместное, а последовательное выполнение ряда операций. Использование данного мероприятия не связано с затратами, но требует знаний техпроцесса. Не подходит для непрерывного техпроцесса (например, химическое производство).

4. Определение достаточности атмосфероохранных мероприятий. После выбора атмосфероохранного мероприятия провести повторный расчет C_mi. Если после проведения мероприятия приземная концентрация C_mi будет равна или меньше ПДК_{мр i} , то мероприятие считается достаточным. В другом случае подбирается более эффективное мероприятие и проводится повторно определение достаточности.

Задания

1. Построить график расположения источников в соответствии с координатами. Выявить близко и далеко расположенные источники.

2. Провести расчеты приземной концентрации по каждому веществу, выделяемому из каждого источника.

3. Определить значение Х_M.

4. Построить график расположения источников и от каждого источника по каждому веществу провести окружности с радиусом, равным Х_M, для конкретного вещества.

5. Выделить зоны пересечения и описать в них экологическую ситуацию.

6. Выбрать атмосфероохранное мероприятие и обосновать его достаточность.

7. Рассчитать массу выбросов веществ до и после проведения мероприятия.