Очистка сточных вод

1. Классификация и принципы электрохимической и термической очистки сточных вод

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленнобытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод — обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения — сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода) Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические и термические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Практическое применение находят способы электрохимической очистки стоков, содержащие стоки металлов, кислот и щелочей, которые позволяют одновременно с очисткой извлекать и использовать основную массу ценных продуктов.

Электрохимическая обработка является разновидностью физико-химического метода. Процесс электрохимической очистки сточных вод происходит под действием электрического тока с использованием растворимых и нерастворимых электродов. В качестве растворимых используют алюминиевые, железные и другие электроды, ионы которых, выходя в раствор при электролизе, обладают хорошими коагулирующими свойствами.

На растворимых электродах происходит ионизация металла с переходом в раствор его ионов

(Mе — nе = Meⁿ⁺),

которые гидролизуясь, образуют

(Meⁿ⁺ + nH₂O = Me (OH)n + nH⁺)

гидрооксиды металлов, являющиеся хорошими коагулянтами загрязнений и адсорбентами для уже коагулированных частиц. При электролизе происходит разложение воды с подщелачиванием обрабатываемой жидкости у катода

(2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^-)

и подкислением у анода

(H₂O — 2e = ½ O₂ + 2H⁺)

Кроме того, при прохождении жидкости между электродами под воздействием электрического поля происходит нейтрализация заряда загрязняющих частиц с последующей их коагуляцией. Одновременно пузырьки газа, который образовался при электролизе, осуществляют флотацию загрязнений. Процессы, происходящие при электрохимической очистке, представлены на рисунке 1.

Рис. 1 - Схема технологического процесса электрохимической обработки сточных вод на установках ЭОС В качестве нерастворимых электродов используют электроды из графита, магнетита (МТА), металл-оксидный анод (МОА), платина-титановый анод (ПТА), оксидно-рутений-титановый анод (ОРТА), аноды из пиррографита или стеклоуглерода.

На нерастворимых электродах, кроме процесса электрохимической флотации загрязнений, при рН = 8,9 происходит процесс электрохимической деструкции загрязнений на катоде и на аноде. При этом обеззараживание сточных вод происходит ионами гипохлорита, которые образуются на аноде (при наличии в сточных водах хлоридов), или полученной при электрохимических процессах перекисью водорода и озоном.

Способ термической очистки сточных вод заключается в полном окислении при высокой температуре загрязняющих веществ с получением нетоксичных продуктов сгорания и твердого остатка.

Возможны различные варианты применения термического способа, начиная от полного уничтожения стоков или загрязненного ила с небольшим количеством твердого остатка и до значительного уменьшения их, после чего концентрированные растворы можно либо захоронить в отвалах, либо использовать для получения ценных продуктов. Но в любом варианте термическая очистка исключает загрязнения стоками водоемов, это является ее большим достоинством. При термической очистке используется оборудование: выпарные аппараты, распылительные сушилки, аппараты для получения твердого продукта и др.

Обычно применяют многокорпусные выпарные установки, состоящие из ряда последовательно установленных выпарных аппаратов; аппараты с погруженными горелками в производствах синтетических смол; печи с псевжосжиженным слоем, установки термического обезвреживания и обессоливания, установки огневой очистки стоков камерного и шахтного типа, установки «мокрого сжигания» и ряд других огневых установок. В процессе упаривания достигается 30-ти кратное выделение сухого вещества, что соответствует 300−400г/л.

2. Провести сравнительный анализ ветроэнергетики и гелиоэнергетики

Основной целью энергетической политики Республики Беларусь на период до 2015 г. является определение путей и формирование механизмов оптимального развития и функционирования отраслей топливно-энергетического комплекса, надежное и эффективное энергообеспечение всех отраслей экономики, создание условий для производства конкурентоспособной продукции, достижение стандартов уровня жизни населения аналогичного высокоразвитым европейским государствам.

Ветроэнергетические ресурсы. Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы; вызванное перепадом температур в атмосфере из-за неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезные виды энергии (механическую, электрическую или тепловую), называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ), или ветроустановками.

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175— 219 тыс. ТВт*ч в год. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и года (муссоны) Полезно может быть использовано лишь 5% указанной величины энергии ветра. Используется же значительно меньше. Выявим причины этого и перспективы развития ветроэнергетики.

Наиболее эффективный способ использования энергии ветра — производство электроэнергии. В ветроэнергетической установке (ВЭУ) кинетическая энергия движения воздуха превращается в энергию вращения ротора генератора, который вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра в кубе. Поэтому ВЭУ большой мощности оказываются крупногабаритными, ведь скорость ветра в среднем бывает небольшой. Для защиты от разрушения сильными случайными порывами ветра установки проектируются со значительным запасом прочности. Трудности в использовании ВЭУ связаны с непостоянством скорости ветра. Приходится управлять часто той вращения ветроколеса и согласовывать ее с частотой вращения электрогенератора. Кроме того, в периоды безветрия электроэнергия не производится. Для исключения перерывов в электроснабжении, ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии. Крупномасштабное применение ВЭУ в каком-то одном районе может вызвать значительные климатические изменения, испортить ландшафт. ВЭУ создают шум и электромагнитные помехи.

Научные разработки и исследования ориентированы на использование ВЭУ по двум направлениям: в региональных энергосистемах и для местного (автономного) энергоснабжения. Функционируют ВЭУ мощностью до 200 кВт, и созданы установки мощностью 3—4 МВт. Срок службы таких генераторов около 20 лет. Стоимость вырабатываемой ими электроэнергии будет меньше, чем ТЭС на жидком топливе. Устанавливаться такие ВЭУ могут на открытых равнинных местах. Ветроустановки мощностью от 10 до 100 кВт для автономного энергоснабжения жилых помещений, ферм и других потребителей могут применяться в странах с высоким жизненным уровнем.

Обратим внимание на современные способы применения энергии ветра в механических целях:

— гоночные яхты, паромы, большие суда для перевозки грузов с автоматизированным управлением парусами;

— ветряные мельницы;

— водяные насосы мощностью до 10 кВт, приводимые в движение ветроколесом и используемые в сельском хозяйстве.

Территория Республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильная скорость ветра составляет 4—5 М/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5—2,5% ветровой энергии. К зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики, со среднегодовой скоростью ветра выше 5—5,5 м/с, относится 20% территории страны. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси и в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней районы с запада. По некоторым оценкам, возможная установленная мощность ВЭУ к 2010 г. в республике может составить 1500 кВт. Поэтому ветроэнергетику можно рассматривать в качестве вспомогательного энергоресурса, решающего местные проблемы, Например, отдельных фермерских хозяйств.

Основным направлением использования ВЭУ в нашей республике на ближайший период будет применение их для привода насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании с МГЭС для перекачки воды. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Готовится к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5—8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разрабатывается и готовится к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом.

По сегодняшним прогнозам вклад ветровой энергетики в общий энергобаланс республики в ближайшей перспективе предполагается незначительным.

Солнечная энергия. Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю — практически неисчерпаемый источник. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов — водорода и гелия.

Известно два направления использования солнечной энергии. Наиболее реальным, находящим относительно широкое распространение в таких странах, как Австралия, Израиль, США, Япония, является преобразование солнечной энергии в тепловую энергию и использование в нагревательных системах. Второе направление — системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

— подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий;

— сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

— поставку теплоты для работы абсорбционных холодильников;

— опреснение воды в солнечных дистилляторах;

— приготовление пищи;

— привод насосов.

Для территории Беларуси свойственны относительно малая интенсивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток и года. В этой необходимо отчуждение значительных участков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие материальные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потребностей Беларуси в электроэнергии при современном техническом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200—600 км т. е. 0,1—0,3% площади республики. Появились предложения об использовании территории Чернобыльской зоны для строительства площадок солнечных и ветровых электростанций.

Для нашей республики реально использование солнечной энергии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тыс. т у. т./год. В республике начат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некоторый опыт их эксплуатации.

В целом вопрос широкомасштабного использования солнечных теплоиспользующих систем различного назначения требует тщательной проработки и соответствующих инвестиций. Так, для круглогодичного применения солнечной энергии для нужд теплоснабжения необходимы сезонные аккумуляторы тепла большой емкости, а фотоэлектрические системы требуют значительного уменьшения их стоимости.

В таблице 1 приведена цифра по годовому использованию солнечной энергии при нынешних экономических и технических возможностях.

3. Решить ситуационные задания:

Задание 1

Примерно 500−600 млн. лет назад в археозое сформировался обмен веществ между неорганической и органической природой, который сохраняется до настоящего времени. В этом обмене первичную органическую продукцию дают растительные (автотрофные) организмы, которые синтезируют из минеральных элементов, органическое вещество своего тела составляет основу пищевой цепи. Питающееся ими гетеротрофные организмы потребляют готовое органическое вещество, и поэтому их продукция является вторичной. Бактерии питаются остатками отмерших организмов и, в свою очередь служат пищей для многих животных. Они играют большую роль в обмене веществ, восстанавливая в процессе своей жизнедеятельности из органических продуктов минеральные элементы.

a) Объяснить, как происходит обмен веществ между неорганической и органической природой?

b) Назвать основные химические элементы, которые постоянно находятся в круговороте веществ в периоде.

c) Какова роль бактерий в образовании почвы?

Круговорот веществ — закономерный процесс многократного участия веществ в явлениях, протекающих и биосфере планеты. Вещество, вовлеченное в круговорот, не только перемещается, но и испытывает трансформацию и не редко меняет свое физическое и химическое состояния. Особенно активную роль в ускорении круговорота и трансформации играют живые организмы.

Схема переноса веществ и энергии в природных экосистемах представлена на рисунке 2.

Рис. 2 — Схема переноса веществ и энергии в природных экосистемах представлена на рисунке

Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

1) круговорот воды;

2) круговорот элементов преимущественно в газовой фазе (кислорода, углерода, азота и др.);

3) круговорот элементов преимущественно в твердой и жидкой фазах (фосфора и др.).

Круговорот углерода на суше начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза. Из СО₂ и Н₂О образуются углеводы и высвобождается кислород. Фиксированный в растениях углерод в некоторой степени потребляется животными. Отжившие животные и растения разлагаются микроорганизмами. В результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Кроме того, углерод частично выделяется на всех стадиях круговорота в составе СО₂ во время дыхания растений и животных. Подобный круговорот углерода совершается и в океане.

Круговорот азота (рис. 3). Азот, которого очень много в атмосфере, усваивается растениями лишь после соединения его с водородом или кислородом.

Рис. 3 — Круговорот азота Это, как правило, происходит в результате различных физических явлений, протекающих в атмосфере (атмосферная фиксация) и производстве (промышленная фиксация), а также в результате действия азотфиксирующих бактерий или водорослей (биофиксация). Соединения азота используются растениями и через них по пищевым цепям попадают к животным. Растительные и животные отходы, мертвые организмы разлагаются, и с помощью денитрифицирующих бактерий происходит восстановление азота и возвращение его в атмосферу.

Бактерии в почве разлагают органические вещества на неорганические и тем самым играют важнейшую роль в образовании почвы.

Список использованных источников

1 Шимова О. С. Основы экологии и экономика природопользования: Учебник, — Мн.: БГЭУ, 2001 — 367 с.

2 Акимова Т. А. Экология: Учебник для вузов, — Мн.: Выш. шк., 2000 — 317 с.