Полная версия

Главная arrow Агропромышленность arrow ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Природоохранные системы и сооружения. Принципы работы и эффективность применения

Важной составляющей поддержания качественных и количественных параметров окружающей среды выступают природоохранные системы и сооружения, которые также являются важнейшей составляющей общей системы природоохранных мероприятий. Тут следует отметить, что под природоохранными мероприятиями понимают те или иные действия, способствующие сохранению целостности окружающей природной среды и обеспечению ее параметров на уровне, необходимом для устойчивого существования природных биотических сообществ и человека. Природоохранные мероприятия могут проявляться в форме законодательных актов, экологического нормирования, ограничений (лицензирования и лимитирования) в сфере природопользования, в форме проектов природообустройства, а также в форме технических систем, обеспечивающих нормативный уровень воздействия на компоненты окружающей природной среды.

В целом природоохранные системы и сооружения по назначению могут быть подразделены на две основные группы:

  • • обеспечивающие снижение или недопущение поступления загрязняющих веществ в окружающую среду;
  • • позволяющие сохранить или увеличить общую устойчивость компонентов окружающей природной среды.

К системам, обеспечивающим стабильность компонентов окружающей среды, можно отнести противопаводковые сооружения, сооружения, снижающие уровень шумового воздействия, противоэрозионные сооружения, противоселевые сооружения, сооружения, препятствующие образованию оврагов, противооползневые сооружения, объекты обеспечения пожарной безопасности в лесах, рыбозащитные сооружения на водозаборах, питомники и фермы для восполнения численности объектов животного мира, берегоукрепительные сооружения, противолавинные сооружения и многие другие объекты. Во многих случаях эта группа систем рассматривается как объекты природообу- стройства.

Паводки хоть и являются естественным проявлением сил природы, тем не менее способны наносить существенный вред природным биотическим сообществам и биогеоценозам в целом. Это связано с риском гибели в результате паводка многих представителей фито- и зооценоза, а также с риском поступления в водные объекты больших количеств загрязняющих веществ, высвобождающихся при размыве территорий и в результате смыва с поверхности земли. Паводки наблюдаются в сезон снеготаяния, а также при обильных осадках. Предотвратить выход воды за пределы естественного русла водотоков возможно, обеспечив пропуск всего количества поступившей с водосборной площади воды в виде сосредоточенных потоков. Для этого строят водопропускные каналы, дамбы, производят обваловывание берегов водотоков, берегоукрепительные работы, предотвращающие размыв берегов и изменение направления русла водотока. Увеличению пропускной способности водотока эффективно способствует спрямление его русла. В любом случае все противопаводковые мероприятия требуют тщательного расчета, чтобы стал возможен пропуск всего объема паводка, рассчитанного на определенную обеспеченность. Величина паводка может колебаться из года в год. Предсказать, на какой объем паводка надо рассчитать защитные сооружения, — весьма сложная задача. Под обеспеченностью паводкового расхода воды понимают статистическую вероятность, с которой возможно развитие паводка с данным расходом воды. Например, если говорят о паводке с обеспеченностью в 1%, то это означает, что такой высокий паводок может произойти на данном водотоке лишь один раз в 100 лет. Если обеспеченность паводка составляет 2%, то такой подъем воды возможен лишь одни раз в 50 лет и т.д. Аналогичный смысл имеет и понятие обеспеченности уровня воды. Расчет обеспеченностей расходов и уровней воды производят по данным многолетних наблюдений за гидрологическим режимом водного объекта. Выбор того, на паводок какой обеспеченности следует рассчитывать противопаводковые сооружения, зависит от важности объектов инфраструктуры, защищаемых этими сооружениями, от срока службы проектируемых сооружений и зачастую от размера финансирования.

Шумозащитные сооружения чаще всего рассматриваются с позиций дисциплины «Безопасность жизнедеятельности» и чаще всего представляют собой защитные экраны, препятствующие распространению звуковых колебаний от технических объектов. Обычно такие экраны располагают вблизи зон жилой застройки, чтобы обеспечить нормативный уровень шума в селитебной зоне.

Противоэрозионные сооружения делятся на сооружения, предотвращающие ветровую эрозию и предотвращающие водную эрозию. Эффективным техническим способом предотвращения ветровой эрозии является увлажнение поверхностного слоя почвы, что затрудняет унос частиц почвы воздушным потоком. Водная эрозия предотвращается путем так называемого выполаживания склонов до величин уклонов, обеспечивающих их естественную устойчивость. Еще одним техническим способом предотвращения водной эрозии является укладка на опасном участке так называемой георешетки, выполненной из полимерных материалов и представляющей собой объемную сотовую структуру. Георешетку укладывают на склон, надежно крепят к поверхности почвы и заполняют соты каким-нибудь материалом, обеспечивающим хорошую фильтрацию воды и одновременно имеющим большой удельный вес, например щебнем. В результате вода впитывается в почву и не может сливаться по поверхности склона, разрушая его.

Противооползневые сооружения увеличивают устойчивость склонов, на которых существует опасность развития оползневых процессов (это системы понижения уровней грунтовых вод, подпорные стенки, системы анкерных свай и прочие укрепляющие конструкции).

К рыбозащитным сооружениям относят устройства, препятствующие попаданию рыбы в узлы и детали гидротехнических сооружений, например в насосное оборудование водозаборов, в турбины гидроэлектростанций и т.д. Рыбозащитными устройствами могут быть простейшие сетки различного сечения, установленные поперек водяного потока и преграждающие рыбе путь к движущимся узлам гидроагрегатов Также можно использовать отпугивающие устройства различного принципа действия. Примером таких устройств являются электрозаградители, генерирующие электрическое поле, которое оказывает раздражающее действие на органы чувств рыбы, препятствуя таким образом ее проходу. Сохранению численности поголовья рыбы способствуют и так называемые рыбопропускные сооружения, которые позволяют рыбе преодолевать гидротехнические сооружения при движении к местам нереста или местам нагула. Такие сооружения в большинстве случаев представляют собой обводные каналы, по которым рыба может обойти такие сооружения, как плотина ГЭС, и выйти в верхний бьеф, или наоборот.

Наибольшее распространение получили природоохранные системы и сооружения, препятствующие загрязнению окружающей среды. В зависимости от защищаемого компонента, указанная группа природоохранных систем и сооружений может быть подразделена на системы защиты атмосферного воздуха, защиты вод, защиты почв.

Для предотвращения загрязнения атмосферы существуют пылегазоулавливающие установки, а также дымовые трубы, обеспечивающие наилучшие условия для рассеивания вредных примесей и снижения таким образом их концентраций. Тем не менее дымовые труды не уменьшают общего количества вредных примесей, поступающих в атмосферу. Вредные примеси из отходящих дымовых труб удаляют разнообразные устройства, позволяющие разделять пылегазовоздушную смесь. Проще всего с технической точки зрения убрать из отходящих газов взвешенные частицы, которые в данном случае называются пылью или аэрозолями. Это связано с нахождением указанных компонентов в агрегатном состоянии, отличном от состояния основной массы газового потока. Для удаления пылевых примесей небольшого количества отходящих газов используют рукавные фильтры (корпус с размещенными в нем одним или множеством тканевых рукавов, сквозь которые под давлением продувается очищаемый от пыли воздух). Таким образом, принцип действия рукавного фильтра основан на принципе действия простейшего мешочного пылесоса. В качестве материала для изготовления фильтрующих рукавов применяют специальные фильтрующие ткани, разрабатываемые специально для целей очистки газовых потоков от пыли различного фракционного состава. По мере наполнения рукава частицами уловленной пыли растет сопротивление, которое фильтр оказывает проходящему через него воздуху. Поэтому рукавный фильтр необходимо очищать от собранной пыли путем обратной продувки или встряхиванием.

Кроме рукавных фильтров можно применять фильтры, в корпусе которых содержится фильтрующий материал, например активированный уголь, пористые материалы, способные пропускать воздух (поролоновые губки), или засыпки, способные задерживать содержащуюся в воздухе пыль. Такие фильтры, как и рукавные, требуют периодической очистки.

Еще одним типом фильтрующих установок, используемых для очистки газов от твердых, жидких аэрозольных включений, являются электрофильтры. Принцип их работы основан на осаждении аэрозолей на электродах под действием электростатических сил. Для создания таких полей электрофильтр нуждается в подключении к высоковольтному источнику, что обеспечивает создание так называемого высоковольтного коронирующего разряда. Электрод, на котором происходит осаждение аэрозолей, называют осадительным и присоединяют к положительному полюсу источника тока. Важно периодически удалять с осадительного электрода электрофильтра осажденные частицы, путем встряхивания либо промывкой (в этом случае электрофильтр называется мокрым). Электрофильтры способны задерживать до 99% всех пылевых примесей и одновременно обрабатывать промышленные объемы отходящих газов. Среди недостатков электрофильтров высокая стоимость, необходимость высококвалифицированного персонала и невозможность удалить частицы с низким электрическим сопротивлением, например частицы угольной пыли.

Если высокая степень очистки отходящих газов от пыли не требуется, то используют так называемые пылеосадительные камеры, как правило, для предварительной очистки газов от аэрозолей перед подачей на электрофильтры. В пылеосадительной камере применяются гравитационные силы. Газы проходят между горизонтальными полочками, расстояния между которыми составляют от 5 до 40 см. Это позволяет сократить путь, который необходимо преодолеть аэрозольным частицам для оседания на поверхности полочек. Осевшую на полочках пыль периодически удаляют специальными скребками.

Часто для удаления аэрозолей используют аппараты, называемые циклонами, в них нет никаких вращающихся элементов, но очищаемый воздух, проходя внутри аппарата, закручивается — возникают центробежные силы. Под действием этих сил аэрозольные частицы отбрасываются на стенки аппарата и таким образом удаляются из воздушного потока. Циклон не требует сложного обслуживания, так как его конструкция предельно проста. Они могут очищать большие объемы газов, так как имеют большую производительность. Тем не менее мелкие частицы улавливаются циклонами хуже, так как центробежные силы на них меньше воздействуют. Кроме того, аэрозольные частицы оказывают на стенки циклона абразивное воздействие, приводя к истиранию. Несмотря на перечисленные недостатки, циклоны — один из основных видов пылегазоочистного оборудования, благодаря своей надежности, простоте конструкции и высокой производительности.

Перечисленные выше способы очистки газов от аэрозолей представляют собой так называемые сухие методы очистки. Если в качестве поглотителя пыли выступает жидкая среда, то способ очистки относят к так называемым мокрым. Одним из наиболее распространенных аппаратов мокрой очистки газовых выбросов от пыли является скруббер Вентури. Содержащиеся в газе твердые частицы улавливаются с помощью капель жидкости, двигающихся вместе с потоком очищаемого газа. В результате взаимодействия аэрозольных частиц с мелкими каплями жидкости пыль переходит из газа в жидкость. На выходе из аппарата капли жидкости с уловленными частицами пыли отводятся от потока очищаемого газа.

По схожему со скруббером Вентури принципу работают орошаемые циклоны. Разница заключается в том, что жидкость распределяется не по всему объему аппарата, а наносится лишь на его стенки, стекая по их поверхности. В результате пыль, отбрасываемая на стенки циклона центробежными силами, улавливается пленкой жидкости, присутствующей на стенках. Это позволяет исключить повторное попадание пыли в очищаемый воздух в результате ее сдува со стенок циклона. Недостатком тут является сравнительно большое количество шлама, образующегося при смешивании орошающей стенки жидкости и пыли.

Помимо рассмотренных аппаратов мокрой очистки, использующих центробежные силы, существуют и так называемые газопромыватели,

в которых очищаемый газ движется поступательно, а навстречу ему разбрызгивается вода, капли которой улавливают частицы пыли. Получается своего рода водяная завеса на пути потока очищаемого газа.

Если в газопромыватель вставить так называемую насадку, заполняющую поперечное сечение аппарата, то можно отказаться от использования распылителей улавливающей жидкости, а дать жидкости свободно стекать по поверхностям насадки и удавливать сталкивающиеся с насадкой частицы пыли. Такие аппараты называются насадочными, например насадочные газопромыватели. Насадками можно оснащать и центробежные аппараты мокрой очистки, в результате получая так называемые насадочные скрубберы.

К аппаратам мокрой очистки относят и так называемые барботаж- ные аппараты, еще называемые пенными. В этом случае очищаемый газ пропускается через слой очищающей жидкости, которая и захватывает присутствующие в жидкости аэрозольные частицы. Пропускание газа через слой воды сопровождается обильным образованием пены. Отсюда и название — пенный аппарат. Образовавшаяся пена с содержащимися в ней уловленными частицами отводится из барботажного аппарата.

Большие сложности представляет удаление из отходящих газов вредных газообразных примесей, так как и воздух, и вредные газообразные примеси находятся в одной фазе, что делает невозможным использование гравитационных и центробежных принципов. Для удаления вредных газообразных примесей часто применяют метод абсорбции, при котором удаляемый газообразный компонент растворяется в поглощающей жидкости, химический состав которой подбирают специально для отделения конкретного газообразного вещества. Реакции проводятся в тех же аппаратах, что и при удалении из воздуха аэрозольных частиц. Отличие главным образом заключается в составе поглощающей жидкости и в подборе конструкционных материалов, обеспечивающих химическую стойкость оборудования. Наиболее часто на практике встречается необходимость удаления из газового потока таких опасных для окружающей природной среды компонентов, как оксиды азота, аммиак, сероводород, оксид серы IV, метилмеркаптан.

Сравнительно просто удалить из газовой смеси аммиак, так как он легко растворяется в воде. Поэтому для решения такой задачи необходимо обеспечить по возможности наиболее тесный контакт очищаемой газовой смеси с водой. Для этого можно использовать уже описанные выше аппараты мокрой очистки.

Оксиды азота хорошо взаимодействуют со щелочными растворами, что позволяет в этом случае использовать щелочи в качестве орошающей жидкости аппаратов мокрой очистки. Следует отметить, что при подборе орошающей жидкости важно избегать образования кислот, например азотной или серной, которые могут привести к быстрому разрушению технологического оборудования или необходимости применять дорогостоящие химически стойкие конструкционные материалы. По этой причине вода для удаления из газовой смеси сернистого газа и оксидов азота в качестве орошающей жидкости, как правило, не подходит. Например, для связывания сернистого газа часто используется раствор извести, в результате чего образуется сульфат кальция. При водном щелочном растворе реакция поглощения сернистого газа или оксидов азота пойдет в два этапа: на первом этапе при реакции с водой из оксида серы или азота образуется соответствующая кислота, а на втором — кислота прореагирует со щелочью с образованием соответствующих солей.

В отличие от абсорбционных адсорбционные методы очистки газов заключаются в осаждении молекул вредных газов на поверхности специального сорбента. В качестве сорбента выступают материалы, имеющие большую площадь поверхности, например пористые среды. Один и наиболее распространенных и эффективных сорбентов — активированный уголь. Его часто используют для удаления из газовой смеси дурнопахнущих веществ. Проблемой таких методов является необходимость извлечения уловленного компонента из сорбента или захоронение сорбента.

Очистка воды не менее сложная по сравнению с газоочисткой задача, особенно, если речь идет об удалении растворенных веществ. Сравнительно просто из сточных вод удаляются твердые включения. Для этого, как и в газоочистке, используются главным образом устройства механической очистки и гравитационные методы.

Устройства механической очистки, как правило, представляют собой решетки и сита с различным размером ячеек, которые задерживают механические включения, например куски пластика, обрывки тканей, бумаги и прочие сравнительно крупные предметы, присутствующие в воде. В процессе работы сита периодически очищают от собранных материалов.

Для удаления из сточных вод мелких взвесей, например песка или активного ила, которые не могут быть задержаны на решетках и ситах, используют процессы отстаивания, а при небольших объемах очищаемых стоков — фильтрование. Аппараты, в которых происходит оседание взвешенных в воде частиц, называют отстойниками. Отстойники представляют собой бетонные резервуары как правило круглой формы, в которых скорость движения потока жидкости снижается до уровня, при котором мелкие частицы более не могут удерживаться во взвешенном состоянии и под действием силы тяжести оседают на дно резервуара. Верхний слой жидкости сливается для прохождения последующих стадий очистки, а выпавший на дно осадок удаляется специальными приспособлениями. Преимущество аппаратов осадительного типа, например отстойника, является возможность обработки очень больших объемов загрязненных стоков в автоматическом режиме, а недостатком — громоздкость оборудования. Поэтому отстойники применяют в основном для централизованной очистки стоков населенных пунктов.

Образующийся при работе отстойника осадок, как правило, имеет очень высокую влажность и представляет собой густую полужидкую массу. Для удаления избытка воды из такой массы используют центрифуги. Под действием центробежных сил вода отделяется от основной массы осадка, что позволяет существенно сократить объем осадка, подлежащего утилизации и облегчить этот процесс.

Для удаления взвешенных частиц из воды также используют фильтры, основным компонентом которых является фильтрующий материал. Загрязненная вода пропускается через фильтрующий материал, на котором задерживаются мелкие механические примеси. В качестве фильтрующего материала могут быть использованы различные фильтровальные ткани, пористые материалы, а также засыпки, в фильтрах механической очистки — волокна, пористую керамику, вспененные пластики. Величина пор фильтрующего материла очень важна для процесса фильтрации. При увеличении размера пор снижается гидравлическое сопротивление фильтра, но одновременно растет количество неуловленных частиц. Поэтому перед выбором фильтрующего материала необходимо тщательно изучить характер взвешенных частиц, присутствующих в воде.

Для удаления из сточных вод органических примесей используют биологические методы очистки. Биологические методы подразделяются на аэробные и анаэробные. Основным аэробным аппаратом такого типа является аэротенк, в котором органические примеси разрушаются до безопасных компонентов под действием микроорганизмов так называемого активного ила. Процесс происходит в присутствии избыточного количества кислорода, поэтому требует активной аэрации среды. Внешне аэротенк представляет собой бетонный резервуар круглой, прямоугольной формы или в случае с аэротенком-вытеснителем — формы длинного узкого бассейна. В аэротенк подается сточная вода, прошедшая стадию предварительной очистки от взвешенных частиц и прочих механических включений. В аэротенке вода смешивается с активным илом, в процессе жизнедеятельности которого растворенная органика разрушается, а масса активного ила увеличивается за счет процессов размножения. Избыток активного ила из воды удаляется методом осаждения как в самом аэротенке, так и во вторичном отстойнике, а очищенная вода поступает на обеззараживание и сброс в водоприемник.

Помимо аэротенка описанный принцип очистки может быть реализован в биофильтре, в котором организмы активного ила находятся на поверхности гранул, засыпанных в корпус фильтра, а очищаемая сточная вода пропускается сквозь слой такой засыпки.

Метантенк — железобетонный резервуар, представляющий собой аппарат анаэробной обработки жидких органических отходов с целью получения горючих газов, например метана. В метантенке происходят процессы брожения с образованием метана, который может затем использоваться для производства тепла и электроэнергии. Сырьем для метантенка может быть осадок, извлеченный из аэротенка, а также реже отходы растениеводства и животноводства. В среднем из одного кубометра органического осадка очистных сооружений в метантенке можно получить до 15 м3 метана.

Для очистки стоков применяют и так называемые поля орошения, на которых сточные воды используют для полива сельскохозяйственных культур. При этом очистка воды происходит в условиях, максимально приближенных к естественным, но при этом достигается еще и эффект удобрения. Недостатком этого метода является необходимость контроля содержания в сточных водах веществ, способных передаваться по пищевой цепи, например тяжелых металлов. Поля орошения должны находиться вдали от населенных пунктов по санитарно-гигиеническим соображениям.

Поля фильтрации действуют по тому же принципу, что и поля орошения, но выращивание сельскохозяйственных культур на этих участках не производится. Очистка стоков от загрязняющих веществ происходит, как и в предыдущем случае, под действием почвенной микрофлоры.

Если в сточных водах присутствуют значительные количества минеральных примесей, например кислот, щелочей, солей, а также соединений тяжелых металлов, то использование биологических методов очистки затруднено из-за пагубного воздействия этих соединений на микрофлору активного ила. В этом случае целесообразно применение физико-химических методов очистки, например электролиза. Электролиз проводится в специальных электролизерах. При этом через погруженные в сточные воды электроды проходит электрический ток, под действием которого происходит разрушение неорганических соединений и осаждение их компонентов на электродах. Процесс может приводить к растворению материала электродов, например алюминия, и возникновению связанного с этим эффекта электрокоагуляции и электрофлотации, которые также способствуют выделению неорганических примесей из сточных вод.

Наибольшие трудности возникают с очисткой стоков, содержащих одновременно и органические вещества, и минеральные компоненты, в частности при смешивании промышленных и коммунально-бытовых стоков. В этом случае применение биологических методов очистки затруднено из-за присутствия минеральных кислот, щелочей и солей тяжелых металлов, а использование физико-химических методов затруднено присутствующими органическими веществами. Поэтому при невозможности раздельного сбора коммунально-бытовых и промышленных стоков используют принцип предварительной очистки промышленных стоков в месте их образования перед сбросом в общий коллектор сточных вод.

Системы защиты почв от загрязнения создаются в основном для предотвращения попадания в почву тяжелых металлов и нефтепродуктов, так как именно эти загрязнители могут нанести почвам наибольший вред по сравнению с прочими.

Предотвращение попадания в почву тяжелых металлов связано, в свою очередь, с предотвращением проникновения этих химических элементов в атмосферу в виде пыли. Выпадая из атмосферы на поверхность почвы, эти вещества приводят к возникновению соответствующего загрязнения.

Выбросы предприятий, производящих синтетические моющие средства, также могут негативно сказаться на состоянии почв, на их химическом составе за счет действия компонентов синтетических поверхностно активных веществ (ПАВ). В результате видно, что защита почв от загрязнения тесно связана с защитой атмосферы.

Защита почв от загрязнения нефтепродуктами связана с предотвращением возможных разливов. Для этого в местах возможных утечек, например вокруг емкостей с нефтепродуктами, устраивают насыпи (обваловывание), предотвращающие растекание нефтепродуктов на больших площадях.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>