Міністерство освіти і науки України. Міністерство освіти і науки України

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. 1 12                                                                    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 201 1

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                                                                                                       

 

 

В ступ

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.

 

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.

 

 

Термічне знешкодження

Метод термічного знешкодження мінералізованих СВ застосовують для виділення коштовних солей, а також використовують як перший щабель перед термоокислювальним високотемпературним знешкодженням СВ.

Апарати для концентрування стічних вод.

Концентрування СВ здійснюється у випарних установках поверхневого типу. У випарних апаратах концентрують сульфатні, лужні, радіоактивні стічні води.

В апаратах із зануреними пальниками упаюються СВ нагріванням при безпосередньому контакті з димовими газами, отриманими при спалюванні палива в пальниках частково або повністю занурених у стічні води. Їх використовують для розпарювання агресивних рідин, коли в процесі випарювання виділяють кристали солей. Димові гази, що мають t = 1500°С, нагрівають СВ до 80-95°З. Коефіцієнт використання тепла згоряння палива – 85 %.

Апарати для одержання сухого залишку.

Випарювання СВ із одержанням сухого залишку здійснюють у розпилюючих сушарках, печах, кристалізаторах і апаратах з "киплячим шаром"(мал. 4).

У розпилювальних сушарках висока інтенсивність випару досягається за рахунок тонкого розпилення СВ, d_краплі = 20-60мкм. Кількість пари, одержуваного з 1 м² апарата 10-14 кг/година.

 

 

Умовні позначення:

1 - топка;

2 - форсунка;

3 - апарат з "киплячим шаром";

4 – газорозподільна решітка;

5 - циклон;

6 - повітродувка;

7 - шнек;

8 - інертний матеріал.

Рисунок  4 – Апарат з "киплячим шаром" [5]

 

 

Катіонірування

Для очищення СВ застосовують штучні й природні, мінеральні й органічні катіоніти. Природні не одержали широкого поширення через малу обмінну ємність і недостатню стійкість, хоча деякі з них (вермикуліт, доломить) рекомендуються застосовувати для очищення СВ від радіоактивних елементів, частіше застосовують штучні органічні катіоніт, сульфовугілля, амберлайти, вофатіти.

Якщо катіоніти перебуває в Н⁺ формі, то обмін катіонів відбувається за реакцією:

Ме⁺ +Н [К] = Me [К] + Н⁺                                     (14)

Якщо у формі – Na⁺, то

Ме⁺ + Na [К] = Me [К] + Na⁺,                         (15)

де: [К] - катоніти,

Ме⁺ - катіон металу розчину СВ.

Регенерація насиченого катіоніта досягається обробкою його розчином мінеральної кислоти (5 - 15 % мас.) і протікає за рівнянням:

2Me [К] + H₂SO₄  2H [K] + Me₂ SO₄,        (16)

або розчином повареної солі (5 - 15 % мас):

Me[К] + NaCl = Na [K] + MeCl,                   (17)

Аніонірування

Аніоніти являють собою штучні смоли, одержувані полімеризацією органічних сполук - фенилендиамін, сечовина, меланін.

Слабоосновні аніони обмінюють аніони сильних кислот (SO 4-₄^{- -}, Cl^-, NO 3-₃^-, PO 4-₄ ^{- -}) і не здатні обмінювати аніони слабких мінеральних кислот (CO 3-₃ ^{- -}, Si 2-₂^{- -}).

Аніонірування протікає за рівнянням:

2[A]OH + H₂SO₄  [A]₂SO₄ + 2H₂O,          (18)

де [A] - аніоніти.

ГДК важких металів, мг/кг

Елемент	ГДК валових форм		ГДК рухомих форм Кисіль В.І., 1997 (ацетатно-амонійний буфер, рН 4,8)	ГДК валового вмісту в рослинній продукції, мг/кг сух. реч.(Кисіль В.І.)
	Мінеєв, 1990	Черних, Ладинін, 1995
Сu	100	100	3	5
Ni		50	4	-
Co		50	5	-
Zn	300	300	23	10
Cd	5	3	0,7	0,003
Pb	100	32	2	0,5
Cr	100	100	6	0,3

Висновки

Набуто практичні навички виконання розрахунків з визначенням рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми.

Самостійно проведено санітарно-гігієнічні оцінки, розробки технічних, організаційних та економічних заходів по зниженню рівня екологічної небезпеки гідросфери.

Освоєно методику розрахунку рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми.

Розраховано концентрацію сполук важких металів у замкнутій водоймі (привести конкретні значення ГДВ).

Виконано санітарно-гігієнічну оцінку замкнутої водойми протягом одного місяця та одного року (вказати конкретні значення).

Розроблено технічні пропозиції по зниженню рівня екологічної небезпеки замкнутої водойми.

 

 

Список рекомендованої літератури

Основна

1. Бедрій ЯЛ. та ін. Основи екології та охорона навколишнього природного середовища: Навч. Посібник. - Львів, 1999. - 238 с.

2. Джигирей B.C. Екологія та охорона навколишнього природного середовища: Навч. посібник. - К.: Т-во «Знания», КОО, 2000. - 203 с.

3. Леонов В.Е. Экология: Учебное пособие. – Новосибирск: НГАВТ, 1999, - 133с.

4. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов. - М.: Агенство «Фаир», 1998. - 320 с.

5. Леонов В.Е. Технология очистки сточных вод. Учебное пособие. - Новосибирск: НГАВТ, 2001, - 116 с.

 

Додаткова

6. Конвенція СОЛАС. С-Петербург, 1993.

7. Международный Кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнения (МКУБ, 1993).

8. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1978г., измененная протоколом 1978г. к ней (МАРПОЛ 73/78)

9. Закон України про охорону навколишнього середовища, 1993.

10. Система управления окружающей средой. Общие руководящие указания по принципам управления, системам и средствам обеспечения: Киев. Госстандарт Украины. 1997.

11. Конвенция ООН по морскому праву: 1982. Часть XII. Защита окружающей среды. (Справочник по гигиене и санитарии на судах. Под редакцией Стенько Ю.М. и Арановичя Г.И.) - Ленинград: «Судостроение» 1984.

12. Мельник П.С., Сурин СМ. Технология обработки сточных вод морских судов. Москва: В/О «Мортехинформреклама», 1986.

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ