Меры борьбы для приоритетных загрянителей
Задание
На предприятии расположенном в Новосибирской области образуются отходы:
газообразные – 3589 м3/ч, содержащие 205 мг/м3 пыль нетоксичных металлов и их оксидов; 179 мг/м3 диоксид азота; 304 мг/м3 SO2; 15 мг/м3 бензола; 6,5 мг/м3 бенз(а)пирена;
сточные воды – 3612 м3/сутки, содержащие 396 мг/л сульфат-ионов; 8 мг/л формальдегида;12 мг/л Cd; 6,9 мг/л СПАВ;
твёрдые – в количестве _____ т/год.
Предприятие работает 345 дней в году, режим работы – непрерывный.
Территория вокруг предприятия включает 10 % лесов II-й группы, 40 % лесов I-й группы, 30% территория промышленного предприятия, 20 % - населённый пункт с плотностью населения 190 чел/га.
Рассчитать возможный ущерб от деятельности предприятия в течение года. Предложить эффективные меттоды очистки газообразных выбросов и сточных вод от приорететных загрязнителей.
1. Оценка ущерба
1.1. Ущерб атмосфере
Ущерб атмосфере рассчитывается по следующей формуле:
, где
– удельный ущерб, который учитывает сроки введения природоохранных предприятий;
– поправка, учитывающая, что загрязнение происходит на территориях разного типа;
– поправка на рассеивание примесей в атмосфере;
– приведённая масса примесей.
В нашем случае : 
144, 
где
К – коэффициент инфляции. За 2011 год он равен 1,372.
144 
1,372=197,568 руб/усл.т
Из таблицы находим:
| Тип загрязняемой территории | 
|
| Леса I-й группы | 0,2 |
| Леса II-й группы | 0,1 |
| Территория промышленых предриятий | 4,0 |
| Территория населённых мест с плотностью населения 190 чел/га | 0,1×190 = 19 |
, где
– зона активных загрязнений, 
дано в условии, тогда:
= 0,2 × 0,4 + 0,1 × 0,1 + 4,0 × 0,3 + 19 × 0,2 = 5, 09
Рассчитаем значение коэффициента 
для аэрозолей. В нашем случае КПД очистки равен 85 %, тогда:
, где
– поправка, зависящая от температуры,
– высота трубы, в нашем случае 
м,
– скорость ветра среднегодовая на уровне флюгера, в нашем случае U = 4 м/с.
рассчитывается по формуле:
, где
– разность между среднегодовыми температурами отходящих газов и температурой окружающей среды, в нашем случае 
°С, тогда
,
Значение коэффициента для газов вычисляется по формуле:
.
Приведённая масса примесей рассчитывается по формуле:
, где
– масса выброса i-примеси, т/год;
– коэффициент относительной агрессивонсти i-примеси.
Коэффициент относительной агрессивности зависит от ПДК и характера вещества:
, где
– показатель относительной опасности воздействия вещества на человека инголя-ционным путём;
– поправка на возможность воздействия вещества на человека неинголяционным путём (например через кожные покровы);
– поправка, связанная с возможностью воздействия вещества на других реципиентов;
– поправка на вероятность повторного попадания веществ в атмосферу;
– поправка на вероятность образования в атмосфере вторичных более токсичных соединений.
Показатель характеризует относительную опасность присутствия примеси i-го вида в воздухе, вдыхаемом человеком, по отношению к уровню опасности условного загрязняющего вещества – оксида углерода:
, где
– среднесуточная предельно допустимая концентрация примеси, мг/м3 (для монооксида углерода 
= 3 мг/м3 );
– предельно допустимое значение средней за рабочую смену концентрации вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м3 (для монооксида углерода 
= 20 мг/м3 ).
Таким образом, предельно допустимые концентрации, показатели агрессивности и
опасности некоторых веществ в атмосферном воздухе можно представить в виде таблицы:
| Загрязняющее вещество |  мг/м3
|  мг/м3
|  усл.т/т
|
|
|
|
| 
|
| Пыль нетоксичных металлов и их оксидов | 0,15 | 6,32 | 1,2 | 15,18 | ||||
| Диоксид азота | 0,04 | 17,32 | 1,5 | 25,98 | ||||
| Диоксид серы | 0,05 | 10,95 | 1,5 | 16,43 | ||||
| бензол | 0,1 | 10,95 | 21,9 | |||||
| Бенз(а)пирен | 10-6 | 1,5×10-4 | 6,3×105 | 1,26×106 |
Рассчитаем, исходя из данных задачи, массу выброса i-примеси в год. Общий объём выбросов в атмосферу составит:
V = 3589 м3/ч = 3589 
24 
345 м3/год = 29, 717 
м3/год.
Соответственно масса выброса i-примеси:
, где
– концеентрация i-примеси в т/м3.
Приведённая масса примесей тогда составит:
| Загрязняющее вещество |  , т/м3
| , т/год
| 
|  , усл.т/год
|
| Пыль нетоксичных металлов и их оксидов | 205 
| 6,09 | 15,18 | 92,45 |
| Диоксид азота | 179 
| 5,32 | 25,98 | 138,21 |
| Диоксид серы | 304 
| 9,03 | 16,43 | 148,36 |
| Бензол | 15 
| 0,446 | 21,9 | 9,77 |
| Бенз(а)пирен | 6,5 
| 0,193 | 1,26×106 |
Ущерб атмосфере от i-примеси рассчитаем по приведённой выше формуле:
| Загрязняющее вещество |  , руб/усл.т
| 
| 
|  , усл.т/год
| 
|
| Пыль нетоксичных металлов и их оксидов | 197,568 | 5,09 | 1,461 | 92,45 | |
| Диоксид азота | 0,235 | 138,21 | |||
| Диоксид серы | 148,36 | ||||
| Бензол | 9,77 | ||||
| Бенз(а)пирен | 57,47 
| ||||
| 57,68
|
1.2. Ущерб для водоёмов
Ущерб для водоёмов рассчитывается по следующей формуле:
, где
– удельный ущерб, который учитывает сроки введения охранных предприятий;
– поправка, учитывающая, опасность загрязнения в том или ином регионе;
– приведённая масса примесей.
В нашем случае: 
, К=1,372
Поправка 
в Новосибирской области (юго-восточная часть) составляет 
= 0,34. Приведённая масса i-примеси рассчитывается по формуле:
, где
– предельно допустимая концентрация i-примеси в водоёмах рыбохозяй-ственного назначения.
Рассчитаем, исходя из данных задачи, массу выброса i-примеси в год. Общий объём выбросов в водоёмы составит:
V = 3612 м3/сут = 3612 
345м3/год = 2,178 
м3/год.
Соответственно масса выброса i-примеси:
, где
– концеентрация i-примеси в т/м3.
Тогда в соответствии со справочными таблицами и условиями задачи:
| Загрязняющее вещество | , т/м3
| , т/г
|  , мг/л
|  , усл.т/год
|
| Формальдегид | 0,008 | 0,01 | 1,74 
| |
| Кадмий | 0,012 | 0,005 | 5,23 
| |
| СПАВ | 0,0069 | 0,1 | ||
| Сульфат-ион | 0,396 | 8624,88 |
Ущерб для водоёмов от i-примеси рассчитаем по приведённой выше формуле:
| Загрязняющее вещество |  , руб/усл.т
| 
| , усл.т/год
| 
|
| Формальдегид | 0,34 | 1,74
| 19,48 
| |
| Кадмий | 5,23
| 58,55 
| ||
| СПАВ | 1,68 
| |||
| Сульфат-ион | 8624,88 | 96,56
| ||
| 79,81
|
1.3. Суммарный ущерб
Общий ущерб и доля в общем ущербе i-примеси определяются по формулам:
57,68 
+ 79,81 =79,868 ,
.
Итоговая таблица:
| Загрязняющее вещество |  , %
| Приоритет | |
| атмосфера | Пыль нетоксичных металлов и их оксидов | 0,170 
| |
| Диоксид азота | 0,041
| ||
| Диоксид серы | 0,044
| ||
| Бензол | 2,9 
| ||
| Бенз(а)пирен | 71,96
| ||
| водоёмы | Формальдегид | 24,4 | |
| Кадмий | 73,31 | ||
| СПАВ | 2,1 | ||
| Сульфат-ион | 0,121 |
Меры борьбы для приоритетных загрянителей
2.1. Кадмий
В природные воды кадмий поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными водами свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами. Понижение концентрации растворенных соединений кадмия происходит за счет процессов сорбции, выпадения в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными организмами.
В воде кадмий находится в растворенной форме (сульфат, хлорид, нитрат кадмия) или входит в состав органических минеральных комплексов во взвешенном состоянии.
ВОЗ приводит данные о содержании кадмия в незагрязненной воде порядка 0.02 - 0.3 мкг/л. В загрязненных районах его концентрация доходит до 10 мкг/литр.
Кадмий является одним из самых токсичных тяжелых металлов. По нормам СанПин он относится ко 2-му классу опасности. Кадмий как и другие тяжелые металлы накапливается в организме до 30-50 мг: в почках 30-60%, в печени 20-25%.
Опасность представляют все химические формы кадмия. Смертельной для человека может быть одноразовая доза в 30-40 мг. Особенностью кадмия является большое время удержания: за 1 сут из организма выводится около 0,1 % полученной дозы
Избыточное поступление кадмия в организм может приводить к анемии, поражению печени, кардиопатии, эмфиземе легких, остеопорозу, деформации скелета, развитию гипертонии. Наиболее важным в кадмиозе является поражение почек. Избыток кадмия вызывает и усиливает дефицит Zn и Se.
Весьма демонстративен пример с болезнью "итай-итай". Это заболевание было впервые отмечено в Японии в 1940-х гг. и характеризовалось сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, повреждением почек. Спустя 15-30 лет более 150 человек погибли от хронического отравления кадмием. В основе этого отравления — орошение рисовых чеков и соевых плантаций водой из р. Дзинцу, загрязненной кадмием из стоков цинкового рудника. Концентрация кадмия в рисе была на порядок больше, чем обычно, он и аккумулировался в организме жителей.
Кадмий достаточно эффективно удаляется из воды при известковом умягчении (более 98% при рН воды в диапазоне 8.5-11.3) и коагуляции (с помощью сульфата железа - более 90% при рН около 8, но только 30% при рН=7. Алюмо-коагулянты менее эффективны - степень удаления кадмия составляет порядка 50% при рН от 6.5 до 8.5).
Очень эффективен ионный обмен. Стандартные катионообменные умягчители удаляют из воды 99% кадмия. Системы обратного осмоса гарантированно удаляют не менее 90% кадмия. Действенным методом является дистилляция.
Одноклеточные цианобактерии вида Nostoc muskorum утилизируют кадмий. Ностоки живут в губительной для других цианобактерий среде по полгода, потому что извлекают из воды соли кадмия иначе. Кадмий не проникает внутрь их клетки, чтобы связаться с жизненно важным белком, он застревает в ее слизистой оболочке, откуда и берет серу для создания сульфида кадмия. Это вещество не растворяется в воде и потому не так опасно для человека, даже при попадании в организм оно, скорее всего, просто выйдет, не задерживаясь. В оболочке клетки скапливаются и кристаллы чистого кадмия, который образуется внутри кристаллов сульфида кадмия под воздействием солнечного света.
2.2. Формальдегид
Формальдегид поступает в водную среду с промышленными и коммунальными сточными водами. Он содержится в сточных водах производств основного органического синтеза, пластмасс, лаков, красок, лекарственных препаратов, предприятий кожевенной, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности. Это опасное для окружающей среды и человека вещество широко используется при изготовлении фенолоальдегидных смол.
В дождевой воде городских районов зарегистрировано присутствие формальдегида. Формальдегид - сильный восстановитель. Он конденсируется с аминами, с аммиаком образует уротропин. В водной среде формальдегид подвергается биодеградации. В аэробных условиях при 20°С разложение продолжается около 30 часов, в анаэробных - примерно 48 часов. В стерильной воде формальдегид не разлагается. Биодеградация в водной среде обусловлена действием Pseudomonas, Flavobacterium, Mycobacterium, Zanthomonas.
Подпороговая концентрация, не влияющая на санитарный режим водоемов и сапрофитную микрофлору, составляет 5 мг/дм3; максимальная концентрация, не вызывающая при постоянном воздействии в течение сколь угодно длительного времени нарушение биохимических процессов, - 5 мг/дм3, максимальная концентрация, не влияющая на работу биологических очистных сооружений, - 1000 мг/дм3.
Формальдегид оказывает общетоксическое действие, вызывает поражение ЦНС, легких, печени, почек, органов зрения. Возможно кожно-резорбтивное действие. Формальдегид обладает раздражающим, аллергенным, мутагенным, сенсибилизирующим, канцерогенным действием.
В соответствии с действующим ГОСТ, очистка сточных ливневых вод от формальдегида до уровня, не превышающего концентрацию 2,8%, является обязательной. Помимо соответствия предприятия законодательным требованиям, очистка стоков от формальдегидовпозволяет обеспечивать существенную экономию, потому что вещество может повторно использоваться в технологическом процессе.
Одним из используемых методов является адсорбция - водоочистка стоков от формальдегида активированным углем. Более распространенным является метод конденсации, потому что он значительно эффективнее.
В процессе конденсации под воздействием щелочной и кислотной сред образуется смола, то есть жидкость разделяется на концентрированную смолу и чистую составляющую. Параллельно обеспечивается серьезное умягчение состава.Очистка сточных вод, содержащих формальдегидные компоненты, путем конденсации является самым экономически целесообразным методом, позволяющим повторно использовать выделенные смолы в производстве.
Известены способы очистки альдегидсодержащих сточных вод, включающие биологическую очистку специальной аэробной микрофлорой, предварительно выращенной на органических соединениях, а ткже способы биохимического окисления специальной микрофлорой, включающий введение биогенных добавок. Недостатком этих методов является сравнительно низкая степень очистки (около 70 %).
Биохимическую очистку сточных вод осуществляют микрофлорой активного ила, предварительно выращенной на органических соединениях, содержащихся в сточных водах, содержащего род Bacillus, Bacterium, Pseudomonas при подаче питательного раствора. В этом случае степень очистки сточных вод от формальдегида увеличивается до 90 – 98 %.
Известен способ очистки сточных вод от формальдегида аммиачной водой.
Продукты взаимодействия формальдегида с аммиаком нетоксичны. Однако используемый аммиак относится к токсичным веществам, работа с которыми требует дополнительных охранных мер и усложненного оборудования. Следует учесть, что ПДК аммиака среднесуточная составляет: ПДКсс=0,04 мг/м3.
2.3. СПАВ
Синтетические поверхностно-активные вещества. СПАВ — группа химических соединений, присутствие которых в сточных водах особенно угрожает санитарному состоянию водоема (водоприемника) и резко отрицательно сказывается на работе очистных сооружений. Появляются СПАВ в сточных водах в результате широкого применения их в быту и промышленности в качестве моющих средств, а также смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих, дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находят в нефтяной, текстильной и кожевенной промышленности. В бытовых моющих средствах содержание активного агента достигает 20—30%.
Большинство СПАВ — органические вещества, состоящие из двух частей: гидрофобной и гидрофильной. Гидрофобная часть СПАВ соединена обычно с одной гидрофильной группой. В зависимости от физико-химических свойств гидрофильной части СПАВ делятся на три основных типа: анионоактивные, катионоактивные, неионогенные. Каждый тип в свою очередь делится на классы в зависимости от химического состава гидрофобной части.
Примерно 75—80% всех СПАВ, применяемых в быту и промышленности, составляют анионоактивные. Важнейшим из них являются: алкилсульфаты с общей формулой R—O—SO3Na (где R — углеводородный радикал с числом углеродных атомов от 10 до 20); алкилсульфонаты R—SO3Na (с числом углеродных атомов 12—15) и алкиларилсульфонаты R—C6Н4—SO3Na (с числом углеродных атомов в радикале 5—18). Наличие СПАВ в стоках сказывается на эффективности производительности первичных отстойников: ухудшается оседание взвеси, замедляются биохимические процессы и в отстойниках появляется пена. Присутствие СПАВ в водоемах также негативно влияет и на их процесс самоочищения от остаточных загрязнений, поступаемых с очищенными водами. Не зависимо от вида СПАВ, по отношению к их степени биохимической окисляемости, подразделяют на три категории: «мягкие» - удаление и окисление при биологической очистке сточных вод составляет 75-85%, «промежуточные» - 60% и «жесткие» - меньше 60%. ПДК сооружениях биологической очистки для значительной части СПАВ составляет 10-20 мг/л. Нормы СНиП не допускают сброс в канализацию «жестких» СПАВ.
В настоящее время для очистки сточных вод от СПАВ широко применяются электрохимические методы, например электрокоагуляцию.
Известен способ очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ согласно которому сточные воды подвергают обработке хлоридом кальция с последующей электрокоагуляцией с алюминиевым анодом при плотности тока 0,010-0,12 А/см2 в течение 15-12 мин.
Как правило, сточные воды сложно очищать от СПАВ каким-то одним методом. Поэтому часто применяются технологии очистки, сочетающие различные способы, например электрокоагуляцию и сорбцию.
Озонирование широко распространено и является эффективным методом окислительной деструкции СПАВ.Окисление СПАВ в сточных водах позволяет снизить концентрации содержащихся в них алкилбензолсульфонатов и алкифенолов до требуемой степени (по ПДК) при приемлемых по технико-экономическим соображениям расходах окислителя. Но перед окислением сточная вода должна быть освобождена от взвешеных веществ фильтрованием, т.к. СПАВ сорбируется на их поверхности, что затрудняет процесс окисления.