Лекція № 2-4

Одной из наиболее актуальных для Украины экологических проблем является предотвраще­ние загрязнения водных объектов, в первую очередь - поверхностных водоемов,промыш­лен-ными сточными водами, содержащими токсичные металлы. Как известно, металлосодер­жа-щие сточные воды образуются на промышленных предприятиях в результате технологи­чес-кой обработки различного сырья, материалов и изделий из них. Металлосодержащие сточ-ные воды образуются на предприятиях черной и цветной метал­лургии, на машиностроитель-ных заводах и заводах по производству аккумуляторов, некото­рых нефтеперерабатываю-щих производствах, предприятиях транспорта и сферы услуг.

Электрокоагуляция - устаревшие технологически методы, которые до настоящего времени используются на машиностроительных и металлообрабатывающих предприятиях для очист-ки сточных вод гальванического производства (в основном для очистки хромсодержащих сточных вод от ионов хрома Cr⁶⁺). В данных методах по электрохимическому механизму растворяют железо, и образовавшиеся ионы Fe²⁺ восстанавливают шестивалентный хром Cr⁶⁺ до трёхвалентного Cr³⁺ с последующим образованием гидроксида хрома. Различие электрокоагуляции и гальванокоагуляции заключается в способе растворения железа. В электрокоагуляционном методе железо растворяется электрохимически при наложении на стальные аноды потенциала от внешнего источника питания. В гальванокоагуляционном ме-тоде железо растворяется гальванохимически за счет разности потенциалов, возникающей при контакте железа с медью или коксом. Следовательно,оба метода различаются движущей силой процесса растворения металлического железа, что и определяет их технологические различия. Электрокоагуляция и гальванокоагуляция имеют огромное количество недостат-ков, основными среди которых являются следующие:

· трудность в обслуживании электрокоагуляторов за счет засорения межэлектродного прост-ранства, которое необходимо постоянно прочищать скребками;

· трудность в обслуживании гальванокоагуляторов определяется необходимостью поддер-жания соотношения стальной стружки и кокса или стальной и медной стружки, неудобством засыпки загрузки, необходимостью тщательной фильтрации от мелкодисперсной фазы, сос-тоящей из частиц кокса и оксидов железа.

· оба метода требуют огромного количества химических реагентов (На восстановление од-ного хромат иона расходуется три иона двухвалентного железа и четыре молекулы серной или восемь молекул соляной кислоты. Чтобы восстановление шестивалентного хрома шло с достаточной эффективностью, расходующиеся реагенты должны присутствовать в обраба-тываемых сточных водах в большом избытке. Это приводит к тому, что норму расхода и ки­слоты и железа приходится увеличивать еще в 1,5-2 раза)

· оба метода создают огромное количество практически не утилизируемых твердых отходов - смесей гидроксидов железа и хрома: в пересчете на сухой вес около 10 кг на 1кг хрома Cr³⁺, содержащегося в исходном стоке.

Взамен электрокоагуляторов в пос-ледние годы применяются электро-флотаторы - оборудование для очистных сооружений сточных вод гальванических производств. Очи-щенная вода после электрофлота-тора подается на мембранную ус-тановку гиперфильтрации для соз-дания оборотного водоснабжения или сбрасывается в систему канализации. Электрофлотатор работает на основе процесса вы-деления микропузырьков электролитических газов и флотационного эффекта. Электрофло­татор с блоком нерастворимых электродов входит в состав электрофлотацион-ного модуля, который укомплектован системой сбора шлама, источником постоянного тока, вспомога­тельными емкостями из полипропилена для загрязненной и очищенной воды, насо-сами и дозирующим оборудованием. Очистка сточных вод от тяжелых металлов: меди, хро-ма, цинка, никеля, железа, алюминия, кадмия, свинца, нефтепродуктов, спав и взвешенных ве­ществ производится в непрерывном режиме.

Преимущества использования электрофлотационных модулей очевидны:

1.высокая эффективность извлечения дисперсных веществ (гидроксидов и фосфатов тяже­лых металлов и кальция, нефтепродуктов, поверхностно-активных и взвешенных веществ);

2.высокая производительность (1м² оборудования - 4м³/ч очищаемой воды);

3.отсутствие вторичного загрязнения воды благодаря примению нерастворимых электродов ОРТА;

Сущность ферритизации гальванических шламов заключается в образовании на поверх-ности частиц гидроксидов металлов плёнки смешанных оксидов ионов тяжёлых металлов и железа – ферритов с общей формулой MeO·Fe₂O₃. Процесс ферритизации гальванических шламов протекает в щелочной среде с добавлением соли Fe(II) при температуре 70-80°С и состоит из двух стадий:

· образования смешанных гидроксидов: (3-n)Fe²⁺ +nMe²⁺ + 6OH^– → Me_nFe_3-n(OH)₆

· образования ферритов: Me_nFe_3-n(OH)₆ + O₂ → Me_nFe_3-nO₄ + 2H₂O + 2OH^–

Ферриты тяжёлых металлов в отличие от гидроксидов практически нерастворимы в воде и разбавленных водных растворах сильных минеральных кислот и щелочей, поскольку они имеют кристаллическую решётку шпинельного типа.

Выщелачиваемость ионов тяжёлых металлов из ферритного гальваношлама, показала, что в кислой среде (рН 4-4,5) их растворимость примерно на порядок ниже растворимости необра-ботанного гальванического шлама. Установлено также, что длительная обработка ферритно-го гальваношлама водой (до 60 дней) не приводит к возрастанию концентрации ионов тяжё-лых ме­таллов в вытяжке. Расчёт класса опасности полученных ферритных шламов показал, что данные отхо-ды относятся к IV классу опаснос-ти. Ферритизация обеспечивает восстановление хрома, а выведение остальных ионов тяжелых металлов и органических соединений из воды происходит посред-ством реагентной коагуля­ции, фильтрации и сорбции.

Метод «шпинельной ферритизации» - очистки сточных вод, при котором в качестве желе-зосодержащего реагента используется ферромагнитные частицы (ФМЧ) осадка пульпы очи-щаемых растворов после гальванокоагулятора с загрузкой Fe:C. Наиболее полно, с образова-нием кристаллов сорбционных форм железа и ферритов тяжелых металлов, процесс прохо-дит в щелочной среде с рН 8,5 ÷ 9,5.
Интенсификация окисления Fе ²⁺ в Fе ³⁺, процессов образования магнито - восприимчивых форм железа, а также на их основе - ферритов тяжелых и цветных металлов, производится в специальном реакторе - «ферритизаторе», где пульпу подщелачивают раствором щелочи и насыщают кислородом за счет мелкодисперсной аэрации сжатого воздуха. Твердую фазу пульпы осаждают в отстойниках. В образовании ферритов тяжелых металлов участвуют только магнитные оксидные и гидроксидные формы железа (ФМЧ), имеющие кубическую кристаллическую структуру типа шпинели. При шпинельной ферритизации в этих соедине-ниях происходит замещение атома железа атомом тяжелого (цветного) металла. Реакции, характеризующие возникновение зародышей ФМЧ в пульпе гальванокоагулятора с загруз-кой Fe:С, а также образования ферритов при совместном соосаждении гидроксидов метал-лов можно выразить следующими формулами:

Разработаны и успешно реализуются различные варианты технологии очистки почв, водое-мов, сточных вод, резервуаров, загрязненных газовым конденсатом, нефтью, мазутом, свет-лыми нефтепродуктами и т. д. Технология очистки в данном случае заключается в нанесе-нии препарата на загрязненную поверхность или в его смешивании с источником загрязне-ния в присутствии обычных минеральных удобрений. При этом осуществляется аэрация (в случае почвы - рыхление, при очистке воды и резервуаров - барботаж воздуха). Степень очистки при однократной обработке биопрепаратами составляет от 60% до 100%, при этом процесс очистки занимает период от нескольких часов до нескольких месяцев, что зависит как от вида загрязнителя и его количества, так и от физико-химических и климатических факторов: температуры, рН, аэрации, влажности (при очистке почвы). Биологические техно-логии утилизации таких отходов, как нефтешламы, гудроны, нефтесодержащие осадки, сма-зочно-охлаждающие жидкости и др., содержащих смеси трудноокисляемых углеводородов, требуют проведения подготовительных мероприятий. Рекомендуется способ предваритель-ного ультразвукового облучения нефтешламов или их предварительное растворение в жид-ком парафине, который одновременно является стимулятором роста микроорганизмов.Даль-нейшая утилизация углеводородов нефтешламов происходит по принципу соокисления с данным субстратом. При этом жидкий парафин добавляется к нефтешламам в соотношении 1:50. При добавлении к смеси "нефтешлам-парафин" 1% биопрепарата в условиях интенсив-ной аэрации при температуре 32–37°С полная утилизация нефтепродуктов происходит в те­чение 3–7 сут. Степень очистки отработанной смазочно-охлаждающей жидкости после до­бавления жидкого парафина и биопрепарата "Валентис" составляет 99,16%. Работа про-во­дится при температуре 32–34° в течение 48 час. Очистка нефтесодержащих осадков, обра-зующихся, например, при мойке автомобилей, производится в буртах, в которые для уско-рения очистки добавляют навоз, опилки и другие отходы в количестве 25% от общей массы, а также стимуляторы жизнедеятельности микроорганизмов. Влажность поддерживается на уровне 55–60%. При оптимальном режиме степень очистки через 3 мес. достигает 99,9%. Биологичнская утилизация кислого гудрона возможна в присутствии минеральных удобре-ний, если предварительно рН среды устанавливается на уровне 6,8–7,2. Соотношение "био-препарат-гудрон" составляет 1:50. Аэрация обеспечивается интенсивным перемешиванием смеси и пропусканием воздуха. Температура культивирования 30°С. Установлено, что бак-терии интенсивно размножаются и накапливают свою биомассу за счет утилизации углево-дородов гудрона. Степень утилизации гудрона за 24 часа составляет свыше 47%, а за 72 часа - 100%. Биологические технологии оказались чрезвычайно эффективными для ликвидации загрязнений, вызванных присутствием других вредных и токсических веществ, таких как жидкое ракетное топливо (гептил) и авиатопливо, а также некоторые полихлорбифенилы (в том числе пестициды, гербициды, диоксины и др.). Биологические технологии являются на-иболее эффективными, экологически чистыми и экономически выгодными.Это делает их не-заменимыми при утилизации отходов, образующихся на предприятиях нефтегазового ком­плекса.

Созданная в Японии более 10 лет назад, ЭМ-технология получила признание и серьезно вне-дряется во многих странах мира. ЭМ-технология - это экономичное производство качествен-ных продуктов питания, улучшение экологического состояния нашей планеты и здоровья населения. Благодаря использованию этой технологии в сельском хозяйстве достигается экономически эффективное обеспечение продуктами питания высокого качества при береж-ном использовании драгоценных природных ресурсов.ЭМ-препарат - это созданный по спе-циальной технологии концентрат в виде жидкости, в которой выращено большое количество ана-биотических (полезных) микроорганизмов,обитающих в почве: бактерии фотосинтеза, молочнокислые, дрожжевые и клеточные. Взаимодействуя в почве, они вырабатывают фер-менты и физиологически активные вещества, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и пр., оказывающие как прямое, так и косвенное положительное влияние на рост и развитие расте-ний. Свежие пищевые отхoды, содержащие мало воды - картофельные очистки, остатки хле-ба, арбузные корки, яичная скорлупа, рыбьи кости и т.д. после приготовления органно-мик-робиологического препарата универсального действия «Ургаса»,содержащего глубоко фер-ментированные эффективные микроорганизмы могут использоваться и в качестве биодобав-ки для скота и птицы. Ценность Ургасы заключается именно в разнообразии ее компонен-тов. Достоинства препарата:

 Обеспечивает естественную водо - и воздухопроницаемость плодородного слоя почвы до глубины 60-80см.

 В несколько раз ускоряет процессы гумусообразования (за три года применения ЭМ-пре­парата толщина гумусосодержащегося слоя увеличивается в 2-3 раза, а органика преобразу­ется в ЭМ-компост уже за 2-3 недели!)

 Повышает температуру почвы на 2-5 градусов по Цельсию, что ускоряет корнеобразова­ние, всхожесть, цветение и плодоношение.

 Улучшает вкусовые и качественные показатель плодов.

 Способствует снижению содержания нитратов в овощах и фруктах в 4-5 раз.

 Повышает устойчивость растений к болезням и вредителям, а также к неблагоприятным природным факторам, в частности к засухе и заморозкам.

 Способствует нейтрализации солей тяжелых металлов до безопасного для человека со­стояния.

 Помогает выращивать здоровую, экологически чистую сельскохозяйственную продук­цию и цветы с более длительным сроком хранения.

 Устраняет неприятные запахи при разложении органики в выгребных ямах, а также в по­мещениях для скота и отстойниках.

Ургаса из пищевых отходов может использоваться и в качестве биодобавки для скота и птицы. В результате приема у животных нормализуется кишечная микрофлора и улучшается усвояемость кормов. Обычная норма Ургасы в рационе скота - 5% от количества корма.

Полигонное захоронение бытовых отходов, практикуемое в нашей стране, - это не решение проблемы,а лишь не самая удачная попытка отложить его на потом. Мусор,ежедневно выво-зимый на городские свалки, разлагается, продуцирует метан, в прямом смысле слова отрав-ляя людям жизнь. Не случайно в странах Европы планируют к 2010 году полностью отказа-ться от полигонного захоронения. Только промышленная переработка, позволяющая цели-ком и полностью решить вопрос обезвреживания, ликвидации и утилизации отходов, пред-ставляет собой кардинальный путь решения этой проблемы. Поэтапный переход от захоро-нения к промышленной переработке является основной тенденцией решения проблемы от-ходов в мировой практике. Оригинальная технология переработки твердых бытовых отхо-дов, базирующаяся на принципе высокотемпературного пиролиза органической массы в расплаве солей в присутствии катализаторов, разработана и запатентована в Украине. Она успешно прошла все испытания, проведенные на опытном оборудовании. Сегодня уже идет проектирование первого мусороперерабатывающего завода по этой технологии, при этом на ведущих машиностроительных предприятиях страны ведется изготовление узлов опытно-промышленного комплекса. На нем будет отрабатываться промышленная технология для проектируемого завода. Перерабатывающий комплекс состоит из автономных модулей про-изводительностью по исходному сырью 100 тонн в сутки. Суточная производительность му-сороперерабатывающего завода - 1000 тонн. Основой комплекса является реактор, в кото-ром под воздействием высоких температур происходит разложение органических соедине-ний с получением углерода, синтез-газа и расплавленных твердых минеральных остатков. Полученный синтез-газ затем преобразуется в метиловый спирт или бензин. Может возник-нуть вопрос: а почему пиролиз, а не более известное нам сжигание твердых бытовых отхо-дов? С ужесточением норм выброса в атмосферу продуктов сжигания мусоросжигательные заводы повсеместно стали убыточными. Стоимость очистительных сооружений высока, а без них в атмосферу выбрасывается большое количество токсичных веществ, в том числе диоксинов. Пиролиз же является беспламенным способом переработки твердых отходов, и его преимущество, прежде всего, в предотвращении загрязнения окружающей среды. Кроме того, с его помощью можно перерабатывать трудно поддающиеся утилизации отходы, такие, как изношенные автопокрышки, пластмассы,отработанные масла. Пиролиз не оставляет пос-ле себя биологически активных веществ,образующийся пепел имеет высокую плотность, что резко уменьшает его объем,при пиролизе не происходит выбросов тяжелых металлов в атмо-сферу. Полученные после пиролиза продукты легко хранить и транспортировать, а оборудование для его осуществления потребляет небольшую мощность, да и весь процесс в целом требует меньших капиталовложений.

Сам по себе пиролиз далеко не нов. Но предлагаемая технология отличается использованием уникального устройства - электромагнитного ускорителя химических реакций. В отличие от других технологий пиролиза и сжигания твердых бытовых отходов, он обеспечивает мгно­венный распад всех органических составляющих во всем объеме исходного сырья с выделе­нием тепла и получением углерода и метанола.

Сегодня, когда глобальные экологические процессы приводят к изменениям климата на пла­нете, а антропогенные выбросы парниковых газов, производимых энергетикой, промы-шленностью, сельским хозяйством и отходами жизнедеятельности человека, достигают кри­тических величин, мировое сообщество всеми силами стремится предотвратить возмож-ные катастрофические последствия.

В середине прошлого века выдающийся физик Нильс Бор произнес слова, уже ставшие про-роческими: «Человечество погибнет не в атомном кошмаре - оно задохнется в собственных отходах». В самом деле, статистика утверждает, что в расчете на каждого жителя Земли еже-годно добывается около 50 т твердого сырья, из которых получают всего 2 т качественного полезного продукта, а 48 т - это отходы. Причем от сжигания топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается более 30 млрд. т СО₂, 100 млн. т оксидов углерода, серы и др. элементов, а более 70% энергии в виде тепловых отходов уходит опять же в окружающую среду. К тому же следует приплюсовать многие миллионы тонн токсичных канцерогенов (диоксины, фура-ны, тяжелые металлы и пр.), 200 млрд. т твердых промышленных отходов, 2,5 млрд. т твер-дых бытовых отходов и реки сточных вод.

Гигантское скопление мусора продолжает разрастаться в Тихом океане у берегов США, ме­жду Калифорнией и Гавайскими островами. Площадь острова в два раза превосходит штат Техас, а масса бытовых отходов, на 80% состоящая из пластика, превышает 3,5 млн.т. Му­сорный «айсберг» наблюдается с 1950-х годов. Каждое десятилетие его площадь вырас­тает в 10 раз. Пустые пакеты через канализацию попадают в океан, а к мусорному острову их доставляют течения. Поскольку течения приобретают круговое направление, куски мусора попадают в своего рода водово­рот и сбиваются в кучу на одном месте. Район расположения мусорной кучи находится в нейтральных водах, в стороне от основных судоходных маршру­тов. Удаление мусора стоило бы миллиарды долларов. Кроме того, ни одна из стран мира не берется взять на себя работу в нейтральных водах и убирать не только за собой, но и за другими. На разложение пластика требуются десятилетия. Убрать его едва ли возможно, единственный выход - отказаться от использования пластиковой упаковки.

Экологи предупреждают о серьезной опасности, которую мусор представляет для обитате­лей океана. Птицы по ошибке принимают куски пластмассы за пищу, но обрывки пакетов застревают в их пищеварительной системе, и птицы погибают от голода. Местные власти пытаются запретить производство и использование пластиковых пакетов в магазинов, пред­лагая покупателям вместо них поль­зоваться многоразовыми авоськами, и предписать произ­водителям продуктов питания заво­рачивать их в натуральные легкоразлагаемые оберточные материалы или в такую упаковку, которая бы легко подвергалась переработке.

Сейчас основная доля упаковочных материалов приходится на пластики. И это объясняется их достаточно высокой механической прочностью, легкостью, индифферентностью к боль­шому числу пищевых продуктов, технологичностью изготовления, дешевизной и доступно­стью исходного сырья, возможностью создавать композиционные средства. Но такая упа­ковка, как показала жизнь, чревата тем. что на ее разложение в природных условиях (на по­лигонах) требуется большое время, исчисляемое десятками и сотнями лет. И несмотря на это полимерный упаковочный бум продолжает расти. Кроме того, по подсчетам экспертов, ос­новного сырья для изготовления полимерной упаковки – нефти хватит человечеству лишь на ближайшие 100 лет.

Исходя из этого, одним из актуальных направлений становится производство экологически чистой биодеградируемой упаковки. Ее изготавливают на основе полимеров, которые могут разрушаться в естественных условиях под воздействием таких природных факторов, как свет, температура, влага, а также при участии живых микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов и т.д.). При этом высокомолекулярные вещества разлагаются на низкомолекулярные, такие, как вода, углекислый газ и т.д. Таким образом совершается естественный круговорот веществ, созданный эволюцией и способный поддерживать экологическое равновесие в природе.

Такие биопластики можно получать двумя способами: либо на основе веществ органической природы (олигосахариды, целлюлоза, зерно, молоко и т.д.), либо биотехнологическим пу­тем. Сейчас наибольшее распространение получило изготовление биоразрушаемой упа­ковки, основанное на введении в синтетический полимер веществ растительного происхож­дения. Они служат питательной средой для микроорганизмов, что приводит к нарушению целостности упаковки и соответственно к ее разрушению.

Поиск по сайту: