Технічні пропозиції по зниженню рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ІНСТИТУТ

КАФЕДРА СУДНОВОДІННЯ,ОХОРОНИ ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1

З дисципліни «Екологія та охорона навколишнього середовища»

На тему «Розрахунок рівня екологічної безпеки замкнутої водойми від промислових стічних вод»

Виконав курсант (студент)

Гр. 112                                                                   Василевський М.О

Перевірив завідувач кафедри судноводіння,

Охорони праці та навколишнього

Середовища, професор, д.т.н.                                            Лєонов В.Є.

Асистент кафедри судноводіння,

Охорони праці та навколишнього середовища         Геращенко І.С.

Херсон 2011

Зміст

Вступ                                                                                                           3

1. Мета роботи                                                                                           4

2. Теоретична частина                                                                                         5

3. Практична частина                                                                                       6

4. Розрахунки                                                                                         8

5. Технічні пропозиції по зниженню рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми                                                                                                                11

5.1. Реагентні методи очищення                                                                     15

5.2. Десорбція летучих домішок                                                                                   16

5.3. Очищення СВ методом зворотного осмосу й ультрафільтрації                    17

5.4. Термічне знешкодження                                                                 18

5.5. Очищення стічних вод методом іонного обміну                           20

5.6. Очищення СВ методом електрохімічного окислювання               22

6.Контрольні питання                                                                                        24

Висновки                                                                                                     36

Список рекомендованої літератури                                                                    37                                                                                                       

Вступ

Техногенна система споживає природну прісну воду, в результаті обробки якої утворюються стічні води. Особливу шкоду для гідросфери (замкнуті водойми, ріки, моря, океани) представляють розчинні сполуки важких металів. При експлуатації суден та контакті їх металевих поверхонь з морським середовищем протікають електрохімічні процеси, в результаті яких у морське середовище надходять іони важких металів. Останні інгібірують життєдіяльність морепродуктів, приводять до порушення біохімічних процесів морського середовища, і, як наслідок, до зменшення біовиробництва синезелених водоростей і біопланктонів.

У даній практичній роботі розглядаються умови забруднення іонами важких металів гідросфери, визначаються розрахунковим шляхом межи екологічної безпеки, а у випадку їхнього перевищення пропонуються конкретні рекомендації з очищення стічних вод від іонів важких металів, створення замкнених водообігових циклів, використання повітряних холодильників-конденсаторів, замість водних.

Мета роботи

· набути практичні навички виконання розрахунків з визначенням рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми;

· самостійно провести санітарно-гігієнічні оцінки, розробки технічних, організаційних та економічних заходів по зниженню рівня екологічної небезпеки гідросфери;

· освоїти методику розрахунку рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми;

· розрахувати концентрацію сполук важких металів у замкнутій водоймі;

· виконати санітарно-гігієнічну оцінку замкнутої водойми;

· розробити технічні пропозиції по зниженню рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми.

Теоретична частина

У даній роботі як шкідливі речовини, що надходять в озеро, приймаються сполуки важких металів, таких як:

· миш’як;

· ртуть;

· свинець.

Джерелами сполук цих металів являються такі промислові підприємства, як гальвано-хімічні, механообробні, металургійні, коксохімічні, нафтохімічні.

Важкі метали, що надходять зі стічними водами в замкнуту водойму, погіршують якість цієї води, що стає непридатною для розведення риб, питних і рекреаційних цілей [ 1-3].

Важкі метали, що надходять в організм людини по "харчовому ланцюжку", інгібіруют процеси, що відбуваються в корі головного мозку, у спинному мозку й кровоносній системі.

Результатом цього впливу на людину важких металів є такі важкі ускладнення, як лейкемія крові, проявляються тенденції до мутагенних й терратогенних наслідків [3, 4].

Практична частина

У результаті обробки природної прісної води в гальвано-хімічному виробництві утворяться промислові стічні води, які без очищення надходять у замкнуту водойму (мал. 1).

Потрібно визначити рівень екологічної небезпеки замкнутої водойми через один місяць і один рік.

Витрата стічної води через один місяць і один рік (V_{св міс}, м³; V_{св рік}, м³):

V_{св міс} = V_св*30*24,                                       (1)

V_{св рік} = V_св*365*24,                                                           (2)

де V_св - витрата стічної води, л/с.

Маса важких металів, що надходять протягом одного місяця й одного року в замкнуту водойму (G_{i вм міс}, т; G_{i вм рік}, т):

G_{i вм міс} = С_{i вм *}V_{св міс},                            (3)

G_{i вм рік} = С_{i вм *}V _{св рік},                           (4)

де i – [М, РТ, СВ], відповідно, миш'як, ртуть, свинець;

С_{i вм} - концентрація важких металів у стічній воді i-гo виду, мг/л.

Умовні позначення:

ППВ - природна прісна вода;

ГХП - гальвано-хімічне підприємство;

ПСВ - промислові стічні води;

ВМ - важкі метали

Рисунок 1 - Принципова схема утворення промислових стічних вод

Концентрація важких металів в озері через один місяць і один рік (С_{оз.вм.міс}, мг/л; С_{оз.вм.рік}, мг/л):

С_{оз вм міс} = G_{i вм міс} / V_оз,                           (5)

С_{оз вм рік} = G_{i вм рік} / V_оз,                            (6)

де V_оз - об'єм озера, л

Об'єм озера:

V_оз = S*h,                                            (7)

де S – площа озера, км²;

h - середня глибина озера, м.

Санітарно-гігієнічна оцінка рівня екологічної небезпеки озера через один місяць і один рік:

С_{оз вм міс}  ГДК_вм                                        (8)

Якщо С_{оз вм міс}  ГДК_вм - це безпечно.

Якщо С_{оз вм міс} > ГДК_вм - небезпечно для людини, біосфери й навколишнього середовища.

С_{оз вм рік}  ГДК_вм                                        (9)

Якщо С_{оз вм рік}  ГДК_вм - це безпечно.

Якщо С_{оз вм рік} > ГДК_вм - небезпечно для людини, біосфери й навколишнього середовища.

Критерії екологічного суммаціонного стану озера через один місяць і один рік:

φ_міс = ∑(С_{оз вм міс}/ГДК_вм) = (С_{м міс}/ГДК_м)+(С_{рт міс}/ГДК_рт)+(С_{св міс}/ГДК_св) (10)

φ_рік = ∑(С_{оз вм рік}/ГДК_вм) = (С_{м рік}/ГДК_м)+(С_{рт рік}/ГДК_рт)+(С_{св рік}/ГДК_св) (11)

Якщо φ_{міс рік}  1 – безпечно використовувати воду в питних і рекреаційних цілях, якщо φ_{міс рік} > 1 - небезпечно.

Розрахунки

1.Вихідні дані (варіант 89):

S_оз = 35 км², h = 3,5 м, Т = один міс., один рік.

Біля озера розташовані підприємства, які використовують воду озера для технічних цілей і скидають стічні води в озеро.

Розрахувати: як буде забруднене озеро через один місяць, один рік.

Витрата стічної води V_св = 300 л/с.

Концентрація сполук металів у стічній воді, мг/л:

С_м. - миш'як = 0,3;

С_рт - ртуть = 0,7;

С_св - свинець = 1,2;

Гранично-допустима концентрація (ГДК) у поверхневій водоймі, мг/л:

- миш'як = 0,006

- ртуть = 0,005;

- свинець = 0,05.

2.Фонд робочого часу:

Ф_міс = 30*24 = 720 година/міс

Ф_рік = 365*24 = 8760 година/рік

3.Скидання стічної води протягом одного місяця:

V_{св міс} = V_св*30*24 = (300 л/с*3600/1000)*720 година/міс = 777600 м³/міс

Скидання стічної води протягом одного року:

V_{св рік} = V_св*365*24= (300 л/с*3600/1000)*8760 година/міс = 9460800 м³/рік

4.Маса важких металів, що надходять в озеро протягом одного місяця:

G_{i вм міс} = С_{i вм *}V_{св міс}

G_{м міс} = 0,3 мг/л * 777600 м³/міс * 10^-6 = 0,2332 тонн/міс;

G_{pт міс} = 0,7 мг/л * 777600 м³/міс * 10^-6 = 0,5443 тонн/міс;

G_{св міс} = 1,2 мг/л * 777600 м³/міс * 10^-6 = 1,1197 тонн/міс.

5.Визначимо масу важких металів, що надходять в озеро протягом одного року:

G_{i вм рік} = С_{i вм *}V _{св рік}

G_{м рік} = 0,3 мг/л * 9460800 м³/рік * 10^-6 = 2,8382 тонн/рік;

G_{pт рік} = 0,7 мг/л * 9460800 м³/рік * 10^-6 = 6,6225 тонн/рік;

G_{св рік} = 1,2 мг/л * 9460800 м³/рік * 10^-6 = 11,3529 тонн/рік.

6.Концентрація важких металів в озері через один місяць:

С_{оз вм міс} = G_{i вм міс} / V_оз

V_оз = S*h = 35 км² *3,5м*10⁹ = 122,5*10⁹л

Відповідність реальної концентрації важких металів гранично-допустимій концентрації:

Ψ_вм = С_{i вм} / ГДК_вм

С_{м міс} = (0,2332 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0019 мг/л < ГДК_м = 0,006 мг/л

ψ_{м міс} = 0,3173 ГДК_м

С_{pт міс} = (0,5443 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0044 мг/л< ГДК_рт =0,005мг/л

ψ_{рт міс} = 0,88 ГДК_рт

С_{св міс} = (1,1197 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0091 мг/л < ГДКсв = 0,05мг/л

ψ_{св міс} = 0,182 ГДК_св

Оскільки реальна концентрація по сполуках миш'яку, ртуті й свинцю не перевищує ГДК, то протягом місяця немає екологічної небезпеки по цих речовинах.

7.Концентрація важких металів в озері через один рік:

С_{оз вм рік} = G_{i вм рік} / V_оз

С_{м рік} = (2,8382 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0231 мг/л > ГДК_м = 0,006 мг/л

ψ_{м рік} = 3,85 ГДК_м

С_{рт рік} = (6,6225 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0540 мг/л> ГДК_рт =0,005мг/л

ψ_{рт рік} =10,8 ГДК_рт

С_{св рік} = (11,3529 тонн/міс*10⁹)/(122,5* 10⁹л) = 0,0926 мг/л > ГДКсв. = 0,05мг/л

ψ_{св рік} = 1,852 ГДКсв

Оскільки реальна концентрація по сполуках миш'яку, ртуті, свинцю перевищує ГДК на них, то через рік в озері створюється екологічна небезпека, вода непридатна для питних і рекреаційних цілей.

8.Критерії екологічного стану озера через один місяць і рік. Суммаційний вплив металів, що надходять в озеро зі стічними водами:

φ_міс = (С_{м міс}/ГДК_м)+(С_{рт міс}/ГДК_рт)+(С_{св міс}/ГДК_св)

φ_міс=(0,0019мг/л/0,006мг/л)+(0,0044мг/л/0,005мг/л)+(0,0091мг/л/0,05мг/л)= 1,3786 > 1

Оскільки > 1 має місце екологічний ризик для біосфери й людини, воду озера не можна використовувати для питних, рекреаційних цілей і розведення риб.

φ_рік = (С_{м рік}/ГДК_м)+(С_{рт рік}/ГДК_рт)+(С_{св рік}/ГДК_св)

φ_рік=(2,8382мг/л/0,006мг/л)+(6,6225мг/л/0,005мг/л)+(11,3529мг/л/0,05мг/л)=

=2024,591333 > 1

Суммаційний вплив важких металів, що надходять в озеро через місяць і рік, є небезпечним для здоров'я людини, біосфери й навколишнього середовища. Тому для зниження рівня екологічної безпеки необхідно встановлювати комплексну систему очищення промислових стічних вод.

Технічні пропозиції по зниженню рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми

Очищення стічних вод роблять механічними, фізико-хімічними й біологічними методами (мал.2). Використовують термічні методи нейтралізації, накачування СВ у підземні обрії.

В промислово-розвинутих країнах є досвід використання очищених промислових стічних вод для зрошення сільськогосподарських культур.

Вибір схеми очищення стічних вод залежить від багатьох факторів: кількості різних потоків стічних вод, їх витрати, складу можливості й економічній доцільності витягу коштовних компонентів зі стічних вод, вимог до якості очищеної води з метою використання її в системах повторного оборотного водопостачання, якості свіжої води водойми, наявності міських очисних споруд.

Схема очищення стічних вод повинна забезпечувати мінімальне скидання забруднених вод у водойму, максимальне використання очищених стічних вод у технологічних процесах і системах оборотного водопостачання, більш повний витяг коштовних домішок.

Для очищення стічних вод застосовують три типи очисних споруд (мал.3):

1. Локальні - призначені для знешкодження стічних вод безпосередньо після технологічних установок, на борту судна. На локальних спорудах очищаються стічні води, які без очищення не можуть бути спрямовані в системи повторного оборотного водопостачання, загальні й міські. На цих установках використовують регенераційні системи очищення.

2. Загальнозаводські очисні споруди включають первинну (механічна), вторинну (фізико-хімічна, біологічна), третинну (доочищення) стадії очищення стічних вод.

3. Міські очисні споруди (МОС) - призначені для механічного й біологічного очищення стічних вод каналізаційних систем.

Рисунок  2 - Класифікація методів знешкодження СВ

Знизити збиток, рівень екологічної небезпеки замкнутої водойми можна, використовуючи методи комплексного очищення:

1. локальне очищення;

2. загальнозаводське очищення (механічна, фізико-хімічна);

3. міські очисні споруди (біологічне очищення стічних вод).

Умовні позначення:

СВ - стічна вода;

ОСВ - очищена стічна вода;

ЛО - локальне очищення;

ЗО - загальнозаводське очищення;

МОС - міські очисні споруд;

ПВ - поверхнева водойма;

ВВ - вихідна вода.

Рисунок  3 - Основні типи очисних споруд стічних вод

Підприємство контролює скидання шкідливих речовин у водне середовище й повинне знизити його до мінімуму, що приведе до підвищення рівня екологічної безпеки й знизить ризик забруднення гідросфери.

Для зниження рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми повинна бути створена комплексна установка по очищенню стічних вод (КУОСВ).

КУОСВ містить у собі наступні методи очищення стічних вод від важких металів:

1. Реагентні методи очищення.

2. Десорбція летучих домішок.

3. Очищення стічних вод методом зворотного осмосу й ультрафільтрації.

4. Термічне знешкодження.

5. Очищення стічних вод методом іонного обміну.

6. Очищення стічних вод методом електрохімічного окислення.

Реагентні методи очищення

До них ставляться - нейтралізація кислот і лугів, переклад іонів у малорозчинні сполуки, соосадження домішок розчинами солей.

Нейтралізація

Кислі й лужні стічні води перед випуском у водойму або подачею на біологічне очищення повинні бути нейтралізовані.

Способи нейтралізації стічних вод:

1) взаємна нейтралізація кислих і лужних стічних вод;

2) нейтралізація реагентами;

3) фільтрація через нейтрализаційні матеріали (вапняк СаСО₃, доломит CaCО₃+MgCО₃, магнезит).

Метод соосадження

Глибоке очищення стічних вод від іонів ртуті виробляється шляхом осадження у вигляді сульфідів ртуті за реакцією:

4Hg⁺² +S₂⁺  2Hg₂S                                    (12)

Добуток розчинності Hg₂S = 1.6* 10^-52 (практично нерозчинна речовина).

Миш'як - у стічних водах може бути присутнім у складі аніонів тіосолей або кисневмісних аніонів.

Осадження сульфіду миш'яку з одночасним розкладанням тіосолей проводять шляхом обробки стічної води розчином сульфату заліза:

2As₂-^- +Fe⁺³  As₃  + Fe                          (13)

Метод окислювання - використовують для знешкодження СВ, що містять токсичної домішки або для дезодорації погано-пахнучіх СВ. Для знешкодження СВ використовують окислювачі: хлор, гіпохлорит натрію, кальцію, діоксид хлору, озон, кисень.

Метод відновлення - широке застосування одержав для очищення стічних вод від солей хромової кислоти хром Сг⁺⁶ відновлюється до Сг⁺³, що у вигляді Сг (ВІН)₃ виділяють (осаджують) зі СВ. Для відновлення Сг⁺⁶ використовують солі Fe⁺², NaHSО₃, SO₂.

Десорбція летучих домішок

Цим способом можна очистити стічні води, забруднені сірководнем, діоксидом сірки, сірковуглецем, аміаком, діоксидом вуглецю. Концентрація їх у стічних водах звичайно становить 0,1 - 1г/л, у той час, як ГДК у водоймі для H₂S - не встановлена, ГДК – Cs₂ і NН₃ - 0,1 мг/л.

Виділення розчинених газоподібних компонентів із СВ виробляється природним і штучним шляхом у спеціальних апаратах - дегазаторах.

Ефективність природної десорбції не перевищує - 50 %. Десорбцію в штучних умовах проводять у струмі інертного газу або випарюванням розчину, комбінуванням цих методів або під вакуумом.