Защита биосферы от загрязнений

  Методика  для расчета ПДВ основана на применении модели, которая учитывает индивидуальные свойства загрязнителя (ПДК_м.р.); фоновую концентрацию С_ф; геометрические размеры источника загрязнения (h – высота, м; D – диаметр устья, м); условия выхода газового потока из источника (Т – разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, V – средняя скорость выхода смеси из устья источника, м/с); W, f – условия вертикального и горизонтального рассеивания вредного вещества в атмосферном воздухе; А, – показатель относительной агрессивности; F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе; п – коэффициент, учитывающий рельеф местности.

  Физико-химические методы очистки атмосферы  от газообразных загрязнителей. Основное направление защиты воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами – создание новой безотходной технологии с замкнутыми циклами производства и комплексным использованием сырья.

  Многие  действующие предприятия используют технологические процессы с открытыми циклами производства. В этом случае отходящие газы перед выбросом в атмосферу подвергаются очистке с помощью скрубберов, фильтров и т.д. Это дорогая технология, и только в редких случаях стоимость извлекаемых из отходящих газов веществ может покрыть расходы на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.

  Наиболее  распространены при очистке газов  адсорбционные, абсорбционные и  каталитические методы.

  Санитарная  очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО₂, СО, оксидов азота, 8O₂, от взвешенных частиц.

• Очистка газов от СО₂.

  а) Абсорбция водой. Простой и дешевый  способ, однако эффективность очистки  мала, так как максимальная поглотительная способность воды – 8 кг СО₂ на 100 кг воды.

  б) Поглощение растворами этанол-аминов по реакции:

  2R – NH₂ + СО₂ + Н₂О → (R – NH₃)₂СО₃.

  В качестве поглотителя обычно применяется  моноэтаноламин.

  в) Холодный метанол СН₃ОН является хорошим поглотителем СО₂ при -35°С.

  г) Очистка цеолитами типа СаА. Молекулы СО₂ очень малы (d = 3,1 ). Для извлечения СO₂ из природного газа и удаления продуктов жизнедеятельности (влаги и СО₂) в современных экологически изолированных системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.) используются молекулярные сита типа СаО.

• Очистка газов от СО.

  а) Дожигание на Pt/Pd (платино-палладиевом) катализаторе:

  2СО + О₂ → 2СО₂.

  б) Конверсия (адсорбционный метод):

  СО + Н₂О → СО₂ + H₂.

• Очистка газов от оксидов азота.

  В химической промышленности очистка  от оксидов азота на 80% и более  осуществляется в основном в результате превращений на катализаторах.

  а) Окислительные методы основаны на реакции  окисления оксидов азота с  последующим поглощением водой  и образованием НNО₃:

  окисление озоном в жидкой фазе по реакции:

  2NO + О₃ + Н₂О → 2 НNО₃;

  окисление кислородом при высокой температуре:

  2NO + О₂ → 2NО₂.

  б) Восстановительные каталитические методы основаны на восстановлении оксидов  азота до нейтральных продуктов  в присутствии катализаторов или под действием высоких температур в присутствии восстановителей. Процесс восстановления можно представить в виде следующей схемы:

   N₂О₅  → N₂О₄  → NО₂ →  NO                     N₂ +О₂.

  -11°C        21,5°C      140°C      600°C   ^{10 000°С}

  Разложение  оксидов азота до нейтральных  соединений (2NO → N₂ + О₂) происходит в потоке низкотемпературной плазмы (10 000°С). Этот процесс при более низких температурах в присутствии катализатора протекает в двигателях внутреннего сгорания. Присутствие восстановителей в зоне реакции (угля, графита, кокса) также понижает температуру реакции восстановления. При температуре 1000°С степень разложения N0 в реакции С + 2NO → СО₂ + N₂ составляет 100%.

  При температуре выхлопных газов  автомобиля в двигателе внутреннего сгорания возможна реакция:

  2NO + 2СО → N₂ + 2СО₂.

  в) Сорбционные методы.

  Это адсорбция оксидов азота водными  растворами щелочей и известью СаСО₃ и адсорбция оксидов азота твердыми сорбентами (угли, торф, силикагели, цеолиты).

• Очистка газов от SO₂.

  ТЭС мощностью 1 млн кВт при работе на каменном угле выбрасывает в атмосферу 11 тыс. т SO₂, на газе – 20% этого количества.

  Очистка дымовых газов электростанций обходится  сейчас приблизительно в 300–400 тыс. руб. за 1 кВт в год. Снижение доли серы в нефтепродуктах на 0,5% обходится при этом в 30 тыс. руб. на 1 т. Методы улавливания SO₂ требуют больших затрат, их можно разделить на аммиачные, нейтрализации и каталитические.

  Эффективность очистки зависит от множества  факторов: парциальных давлений SO₂ и O₂ в очищаемой газовой смеси; температуры отходящих газов; наличия и свойств твердых и газообразных компонентов; объема очищаемых газов; наличия и доступности хемосорбентов; потребности в продуктах утилизации SO₂; требуемой степени очистки газа.

• Очистка газов от взвешенных частиц, например, пыли.

Можно выделить несколько методов улавливания  частиц пыли:

  гравитационное  оседание;

  центрифугирование;

  электростатическое  оседание;

  инерционное соударение;

  прямой  захват;

  диффузия.

  Все процессы очистки осуществляются с  помощью специальных фильтров, скрубберов и т.д.

  Защита  гидросферы

 

  Характеристика  гидроресурсов и сточных вод. Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных  вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10^-3% общей массы планеты.

  Роль  воды во всех жизненных процессах  общепризнана. Без воды человек может  жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания

  1 т пшеницы – 1500 т

  1 т риса  – 7000 т

  1 т хлопка  – 10 000 т

  Вода  необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется воды на производство

  1 т чугуна  –50–150т

  1 т пластмасс – 500–1000 т

  1 т цемента – 4500 т

  1 т бумаги   – 100 000 т

  На  электростанциях мощностью 300 тыс. кВт  расход воды составляет 300 млн т/год.

  Указанные производства требуют только пресную  воду. Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете; 85% – морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% – льды; 22,4% – грунтовые воды; 0,35% – атмосфера; 5,05% – устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10^-2%  всей пресной воды на Земле.

  Хозяйственная деятельность человека привела к  заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.

  Проблема  Каспия – хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме – Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.

  Проблема  Азовского моря – увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась с 9 до 15,6 ррт. Организмы, питающие рыбу, погибают. Результат – снижение возможности рыболовства на Азовском море.

  Проблема  Байкала – воду этого ценнейшего озера используют для получения целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей. Обычно в пресной воде содержание солей составляет 300–450 мг/л, в питьевой – 380 мг/л. Байкал после строительства целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске стал загрязняться (60-е годы). В озере Байкал находится несколько сот эндаминореликтов – редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С запозданием разработаны уникальные очистные сооружения, стоимость которых составила 30% стоимости основных фондов производства. Однако принимаемые меры недостаточны для защиты Байкала.

  По  количеству солей вода делится на: пресную (< 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (> 25). В  океане, например, – 35 г/л; Балтийском море – 8–16 г/л; Каспийском – 11–13 г/л; Черном – 17–22 г/л.

  Деградация  природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет, даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например, в Северном Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2–3 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения. Так, в Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5–5,0 г/л.

  Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.

  Громаден  объем сброса дренажных вод. К 2000 г. он составит 25–35 км³. Системы орошения потребляют обычно 1–2 тыс. м³/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса промышленных стоков. По данным за 1996 г. в России объем промстоков был равен стоку такой большой реки, как Кубань.

  Наблюдается постоянный рост водопотребления как  на производственные, так и на бытовые  нужды. В среднем в городах с населением 1 млн человек, по данным США, потребляется 200 л/сутки воды на человека, по другим городам, л/с. (литр/сутки):

  Москва  – 400  Лондон – 170

  С.-Петербург – 500  Париж  – 130

  Берлин  – 250  Брюссель –   85

  Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К важнейшим из них относятся:

• осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;
• окисление (минерализация) органических примесей;
• окисление минеральных примесей кислородом;
• нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;
• гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.