Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные проблемы обеспечения безопасности и экологич t ности функционирования технологических процессов основных, вспомогательных и обслуживающих производств предприятий радио электроники и приборостроения 10
1.1. Технологические отходы производства предприятий радиоэлектрон
ного профиля 10
1.1.1. Отходы из загрязняющих веществ и аэрозолей воздуха 11
1.1.2. Твердые производственные отходы 22
1.1.3. Жидкие технологические отходы и сточные воды
1.2. Об определении возможного вреда отходов радиоэлектронного производства, причиняемого ОС 27
1.3. Основные методы и технологии очистки и обеззараживания жидких отходов предприятии радиоэлектроники, реализуемые на вспомогательных и обслуживающих производствах 35
Выводы к главе 1 54
Глава 2. Роль биологического процесса в технике очистки жидких сред от тяжелых металлов и вредных органических веществ 56
2.1. О механизмах самоочищения воды 56
2.2. Биологическая очистка воды в аэротенках 63
2.3. Биологические пруды и биоинженерные сооружения 71
Выводы к главе 2 78
Глава 3. Характеристика объекта исследования и техника $ эксперимента 79
3.1. Объект исследования 79
3.2. Некоторые подходы к исследованию основных свойств объекта 87
3.3. Аппаратура и методики исследований 95
Выводы к главе 3 111
Глава 4. Оптимизация механизмов очистки фильтрата регионально го полигона промышленных отходов 112
4.1. О механизме изменения свойств технической воды при магнитной обработке 112
4.2. Биологическая обработка фильтрата после его очистки в магнитном
поле 116
4.2.1. Особенности свойств фильтрата на этапе биологической очистки
4.2.2. Теоретические предпосылки биологической очистки фильтрата. Выбор оптимальных ВВР 118
4.2.3. О модели распада веществ в биосооружении 127
4.2.4. Выбор биоиндикатора для оценки качества очистки фильтрата 129
4.2.5. Изучение возможностей природных сорбентов 133
4.2.6. Моделирование процессов в лабораторных условиях. Механизм очистки фильтрата в биосооружении
4.3. Ультрафиолетовая обработка фильтрата полигона промышленных отходов 144
4.4. Нанофильтрация очищенных сточных вод 146
4.5. Очистка фильтрата от Калужского регионального полигона промышленных отходов в практическом исполнении
4.5.1. Предпроектные исследования 147
4.5.2. Особенности конструкции биосооружения для реализации очистки фильтрата от полигона промышленных отходов 150
Выводы к главе 4 156
Заключение и общие выводы по работе 158
Список литературы
- Отходы из загрязняющих веществ и аэрозолей воздуха
- Биологические пруды и биоинженерные сооружения
- Некоторые подходы к исследованию основных свойств объекта
- О модели распада веществ в биосооружении
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В электронной и радиоэлектронной промышленности России за последние годы произошли позитивные изменения. В связи с общим ростом экономики возникла потребность в отечественных приборах и радиокомпонентах, с одной стороны, и, с другой, появились отечественные, пользующиеся широким спросом, новые уникальные радиоэлектронные устройства, приборы и системы широкого спектра применения. Те радиоэлектронные предприятия, которые адаптировались к новым экономическим условиям, пройдя различные этапы акционирования и прива-тшации. нашли ниши в мировом рынке для своей, как ранее выпускаемой, іак и дія вновь созданной продукции.
Возрастание мощности промышленного потенциала России, после некоторого спада в годы стагнации, вновь привело к резкому ухудшению состояния окружающей среды (ОС). Загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы (т.е. воздуха, воды и почвы) твердыми, жидкими и газообразными отходами промышленной деятельности достигло угрожающего состояния, что может привести к далеко идущим отрицательным последствиям для нынешних и будущих поколений россиян. Защита от загрязнений и охрана природы стала актуальной, важнейшей и глобальной проблемой для всей отечественной промышленности.
Для радиоэлектронных предприятий в перспективе это связано с разработкой и внедрением технологических процессов получения элементов и приборов, обеспечивающих комплексную переработку материалов (сырья) с замкнутой системой водооборота или с полным улавливанием и использованием отходов производства в циклах реутилизации на вспомогательных и обслуживающих производствах.
Для реализации этой цели уже в настоящее время актуально изучение характера образования технологических и других отходов, техники их учета, переработки, механизмов обезвреживания, способов хранения и утилизации.
Сегодня особенно важны исследования о характере обращения с теми
видами технологических отходов радиоэлектронных и приборостроительных
і предприятий, с переработкой которых они не могут справиться и направляют
их на полигоны промышленных отходов.
Научно-техническая информация о современных способах обезвреживания и обеззараживания различных отходов, применяемых в мировой практике, носит сугубо рекламный характер и не может быть использована для создания методов обработки промышленных и других отходов, образующихся на отечественных радиоэлектронных предприятиях. Исследование научных трудов Эльпинера Л.И., Соложенкина П.М., Чантурия В.А., Синельникова В.Е., Родионова А.И., Клушина В.Н., Систера В.Г., Штамма В.Е. дают основание отметить, что ими внесен суягестоониый^цслад в изучение общих
явлений, происходящих в очищаемых сточных водах (СВ) при химических и биологических воздействиях. Результаты этих исследований дают основания к постановке работы по созданию методов, в которых химические реагенты не используются в процессах очистки водных сред от загрязняющих веществ (ЗВ). Поскольку было выявлено, что наиболее опасным, с точки зрения влияния на ОС, является отход радиоэлектронного производства - влажные гальваношламы - депонированный на полигоне промышленных отходов и образующий фильтрат (СВ) с широким спектром ЗВ, отравляющих и воздух, и почву, и воду, поиск путей оптимизации механизмов обезвреживания такого отхода был признан своевременным. Поскольку в Калужском регионе сосредоточено значительное количество предприятий радиоэлектроники и приборостроения, депонирующих влажные гальваношламы на едином полигоне промышленных отходов, то и цели работы ставились соответствующим образом.
Целью диссертационной работы является создание основ обезвреживания наиболее экологически опасных отходов (гальваношламов) предприятий радиоэлектроники и приборостроения путем совершенствования физико-химических и биологических механизмов очистки и обеззараживания фильтрата (СВ) от гальваношламов.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать особенности возникновения технологических отходов радиоэлектронного и приборостроительного производства, и прежде всего, образующихся при нанесении на детали различных покрытий химическими и гальваническими способами, и изучить глубину их переработки вспомогательными и обслуживающими подразделениями предприятий радиоэлектроники, используя системный подход как методическую основу оценки качества и эффективности их функционирования.
-
Изучить существующие способы и процессы, а также механизмы освобождения от железа, других тяжелых металлов и органических загрязнителей пресных и СВ, и оптимизировать их применительно к очистке фильтратов и стоков полигонов промышленных отходов от таких загрязнителей.
-
Получить аналитические и экспериментальные данные, дающие основу для разработки единого, комбинированного способа очистки фильтрата от гальваношламов, в котором были бы задействованы, наряду с безреагент-ными физико-химическими, и биологические способы очистки воды от ЗВ.
-
Уточнить закономерности очистки фильтратов полигонов промышленных отходов на модельных растворах, с целью оптимизации механизмов их обезвреживания при протекании изучаемых физико-химических и биологических процессов, и для выработки технических параметров построения и эксплуатации биоинженерного сооружения (БИС) полигона гальваношламов.
Предметом исследования являются механизмы обезвреживания фильтрата от наиболее опасных отходов радиоэлектронного производства - жид-
ких гальваношламов - при открытом их хранении.
Объектом исследования является региональный полигон промышленных отходов предприятий радиоэлектроники и приборостроения (г. Калуга).
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в разработке и обосновании научных принципов и положений по минимизации воздействия отходов радиоэлектронного производства на ОС:
- установлено, что из всех технологических отходов радиоэлектронного
производства наибольшую вероятность загрязнения ОС ионами тяжелых ме
таллов представляют влажные гальваношламы, которые являются, как пра
вило, веществами первого класса опасности, независимо от того, перераба
тываются или депонируются они вспомогательными цехами на предприятиях
радиоэлектроники или в открытых полигонах промышленных отходов;
впервые систематизированы способы очистки особо загрязненных промышленных вод, в том числе фильтратов (СВ) от полигонов промышленных отходов, и показано, что их эффективную очистку способны осуществить лишь те, в которых задействованы безреагентные (не использующие химические реагенты) физико-химические и биологические механизмы выведения ЗВ;
основываясь на природных свойствах воды к самоочищению от ЗВ, предложены пути оптимизации механизмов обезвреживания фильтрата от гальваношламов физико-химико-биологическими способами осуществлением процессов: предварительной его аэрации с применением озона, обработки в магнитном поле постоянных высокоэнергетических магнитов и последующей биологической очистки анаэробными микроорганизмами и высшими водными растениями (ВВР);
на основе модели фильтрата от гальваношламов, как водного раствора, компонентами которого являются ионные примеси и молекулярно растворенные вещества, уточнены механизмы его обезвреживания в процессе физико-химико-биологической обработки и оптимизированы механизмы: образования ферромагнитных частиц при аэрации с озоном, улавливания, коагуляции и осаждения ферромагнитных частиц в процессе и после воздействия магнитного поля, вывода других ЗВ из фильтрата на этапе взаимодействия его с анаэробными микроорганизмами активного ила и ВВР;
обнаружено, что полное обеззараживание фильтрата, прошедшего фи-зико-химнко-бнологическую очистку в экспериментальном водоеме, в т.ч. и биоценозом активного ила и ВВР, и доведение его параметров до требований к воде рыбохозяйственного значения перед сбросом в их поверхностные источники, обеспечивается жесткой (А. ~ 200 нм) УФ-обработкой или ультрафильтрацией.
Практическая ценность полученных результатов обусловлена применением оптимизированных физико-химико-биологических механизмов очистки:
- для разработки технологий обезвреживания и обеззараживания
фильтратов СВ от полигонов и свалок промышленных отходов в различных
регионах, с обязательным учетом условий, обеспечивающих адаптацию там
ВВР;
при разработке технологий переработки отходов гальванических производств промышленных предприятий, использующих техпроцессы, сходные с характерными для радиоэлектронных заводов;
в учебных и образовательных процессах вузов радиоэлектронного и экологического профилей (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГИРЭА, МГИЭМ и др.).
Положения, выносимые на защиту:
-
Основные особенности сбора и обращения с технологическими отходами радиоэлектронных производств, и прежде всего с влажными гальва-ношламами - опасными загрязнителями ОС.
-
Модели извлечения из СВ различных видов ЗВ при безреагентной очистке фильтрата гальваношламов.
-
Закономерности и оптимизированные механизмы очистки фильтрата гальваношламов от ЗВ физико-химическими (аэрация с применением озона, обезжелезивание фильтрата в магнитном поле постоянных высокоэнергетических магнитов) и биологическими методами. Установленная последовательность извлечения из СВ железа, тяжелых металлов, других ЗВ и разрушения патогенных микроорганизмов в БИС.
-
Полученные на основе исследований модельных растворов технические составляющие и конструктивные параметры для реализации физико-химико-биологического способа по обезвреживанию фильтрата в БИС: скорость введения потока фильтрата, процентное соотношение его с водой - разбавителем, толщина покрытия стенок БИС активным илом, порядок размещения и соотношение по площади заполнения ВВР в БИС.
Апробация работы и публикации.
Апробация работы произведена на различных научно-технических конференциях и симпозиумах, таких как Российская конференция молодых ученых по математическому моделированию (г. Москва, 2000г.); Региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Калуга, 2000г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Калуга, 2000г.); Региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Калуга, 2001г.); Тридцать четвертые чтения, посвященные разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (г. Калуга, 1999г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Москва, 2004г.); Всероссийская научно-техническая конферен-
ция, посвященная 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (г. Москва, 2005г.) и др.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 научных работах, в том числе три из них - в журнале «Наукоемкие технологии». Общий объем публикаций - около 10 п.л.
Личный вклад автора. Автору принадлежит конкретизация решаемых задач, получение и исследование модельных растворов с фильтратами от гальваношламов, выявленные параметры процессов при оптимизации механизмов обезвреживания технологических отходов гальванического производства, данные всех аналитических и экспериментальных исследований, выполненных в работе, а также техника обработки и обобщения полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка использованной литературы (97 наименований) и приложения. Её общий объем составляет 178 страниц, включая 24 рисунка и 19 таблиц.
Отходы из загрязняющих веществ и аэрозолей воздуха
Фильтрующие ленты для анализа состава аэрозоля в лабораториях изготавливают также из материала ФП. Материал фильтрующей ленты растворяют в смеси 1,2 - дихлорэтана с бутилацетатом и осадок анализируют, обычно с использование хромато-масс-спектрометрии и газовой хроматографии.
Принято на каждом участке обработки деталей радиоэлектронного производства, в том числе и в местных отсосах, ставить индивидуальные фильтры грубой и тонкой очистки. Уловленные ими вещества, осевшие на их поверхности и в объеме, удобно затем классифицировать, размещать, перерабатывать или подвергать захоронению.
Например, фильтры с участков обработки изделий из Pt, Pd, Au, Ag, Ru, Os и других благородных металлов, представляющих собой ценные отходы, направляют для переработки на аффинажные заводы, а фильтры, содержащие мышьяк, арсенид галлия, германий, кремний, в зависимости от содержания ЗВ либо складируют в специальных контейнерах, либо подвергают захоронению на специальных полигонах.
Таким образом, фильтры грубой и тонкой очистки воздуха производственных помещений радиоэлектронного производства, предназначенные для защиты от ЗВ персонала и ОС, выполняют также функции сбора технологических отходов из аэрозольных частиц, которые в ряде случаев являются ценным вторичным сырьём (цветные, редкие и благородные металлы и их соединения). Вопросами обеспечения безопасности и экологичности воздушной среды радиоэлектронного производства на предприятии занимается вспомогательное подразделение - хозяйство главного механика и энергетика, которое, наряду с другими энер го-механическими функциями, еще и обслуживает как имеющиеся установки вентиляции и кондиционирования воздуха в цехах, так и уникальные вентсистемы и фильтры чистых технологических помещений.
Технологические отходы предприятий радиоэлектроники и приборостроения компактного вида, твердой фазы разнообразны: отходы от обработки материалов и изделий из благородных металлов, цветных металлов и сплавов, черных металлов, редких металлов, полупроводниковых материалов, химических соединений металлов с кислородом, азотом, углеродом, кремнием, керамики, стекла, пластмассы, синтетической пленки, текстиля, картона, твердых химических реагентов, отработанные ртутные лампы и т.п. Отходы благородных металлов, традиционно, имеют хорошую систему учета и обращения. Вредные вещества, содержащиеся в технологических отходах, - особый предмет заботы вспомогательных и обслуживающих производств предприятий радиоэлектронного профиля.
Гальваношламы - отходы из гальванических цехов радиоэлектронных и приборостроительных предприятий - в настоящее время важнейшая проблема, поскольку, как правило, отсутствуют места их хранения, переработки или захоронения, что наносит значительный вред ОС и здоровью населения.
Такие отходы получаются следующим образом. Стоки гальванических производств собираются в емкости и подвергаются нейтрализации щелочными реагентами или предварительной окислительной и восстановительной обработке. После этого и выпадают из растворов в емкости гальваношламы, представляющие собой смесь гидроксидов и основных солей тяжелых металлов. Эти шламы и должны направляться на специальные полигоны. Такие полигоны являются вторичными источниками загрязнения ОС. Однако не во всех регионах России имеются такие полигоны, и ситуация складывается еще опаснее - предприятия нелегально вывозят шламы или сбрасывают в канализацию, что приносит уже непоправимый вред природе и здоровью людей.
В вышеприведенном виде непосредственная утилизация шламов в металлургии невозможна в виду их тоикодисперсности и сложного химического состава.
Санкт-Петербургским РНЦ «Прикладная химия» разработан в настоящее время опытный технологический процесс переработки гальванош-ламов, заключающийся в сгущении стоков гальванических производств с последующим сульфидированием цветных металлов и флотационном разделении на медный и железохромовый концентраты, которые после фильтрации и сушки могут быть реализованы, как товарные продукты. Содержание меди, хрома, цинка, железа и никеля в них не менее 20%. Планируется использовать медный концентрат в технологиях заводов цветной металлургии, а железохромовый концентрат — в качестве наполнителя в пигментной промышленности. Сегодня сложно оценить перспективы внедрения этой технологии, поскольку отечественный рынок наполнен импортными красками высокого качества, а цветная металлургия не испытывает недостатка в том же ломе цветных металлов.
В лучшем случае гальваношламы будут складированы на специальных полигонах. Но даже если полигоны будут изначально правильно заложены (с соответствующими противофильтрационными защитными слоями), сточные воды (СВ) — фильтраты от полигонов при открытом хранении гальваношла-мов требуют утилизации. Это важнейшая и актуальная задача, которая должна быть решена при обустройстве полигонов промышленных отходов радиоэлектронного производства, где хранятся гальваношламы.
Остальные твёрдые технологические отходы радиоэлектронных произ 24 водств, если концентрация вредных (мышьяк, бериллий) или радиоактивньгх; веществ превышает ПДК, герметично упаковываются в полиэтиленовые мешки, заливаются бетоном и захораниваются в специальных шахтах в скальных породах, чтобы предотвратить их контакт с подземными водами.
Жидкие технологические отходы производственных цехов заводов радиоэлектроники и приборостроения состоят из широкого спектра неорганических веществ, кислот, щелочей, сложных травильных растворов и т.п. Еще в большем количестве жидкие отходы содержат органические вещества. Об их количестве можно судить по примерному перечню органических веществ, применяемых на таких предприятиях (см. табл. 3).
Биологические пруды и биоинженерные сооружения
Механизмы переноса включают в себя: - функциональный насос, способствующий перемещению части поллю-тантов из водной толщи в донные осадки (седиментация, сорбция); - функциональный насос, обеспечивающий перемещение части поллю-тантов из водной толщи в атмосферу - испарение; - функциональный насос, определяющий перемещение части биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем - совокупность миграционных процессов в связи с вылетом из воды взрослой стадии (имаго) тех насекомых, у которых личиночная стадия была проведена в воде; - функциональный насос, перемещающий часть биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем - в связи с питанием рыбоядных птиц гидробионтами, например, рыбой (при питании рыбоядные птицы изымают биомассу рыб из водной экосистемы и тем самым выносят из воды биогенные элементы, содержащиеся в этой биомассе, поскольку эти птицы гнездятся на территории, окружающей водоем или водоток).
К механизму расщепления ЗВ относятся: - мельница внутриклеточных ферментативных процессов; - мельница внеклеточных ферментов, находящихся в водной среде; - мельница фотохимических процессов, сенсибилизированных веществами биологического происхождения; - мельница свободно-радикальных процессов с участием лигандов биологического происхождения [68].
Для энергообеспечения биотических процессов самоочищения используются такие источники энергии, как фотосинтез, окисление автохтонной органики (органического вещества, образуемого внутри водной экосистемы ав-тотрофными организмами), окисление аллохтонной органики (органического вещества, которое попадает в воду извне, например, при смыве воды и час 59 тиц почвы с окружающей водоем территории) и другие окислительно-восстановительные реакции. В процессе самоочищения задействованы практически все доступные источники энергии. Часть энергообеспечения идет и за счет окисления тех самых компонентов (растворенное и взвешенное органическое вещество), от которых система избавляется. Что интересно, сама энергетика процессов самоочищения напоминает создаваемые в настоящее время энергосберегающие технологии.
Многие компоненты системы дублируются. Это выявляется при анализе функционирования водных экосистем. Например, фильтрационную активность гидробионтов осуществляют две большие группы организмов - планктон (в толще воды) и бентос (организмы, живущие на дне водоема). Обе группы организмов фильтруют воду со значительной скоростью. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в толще воды планктонных организмов, благодаря тому, что личинки многих бентосных фильтраторов ведут планктонный образ жизни. В составе планктона имеются две большие группы многоклеточных беспозвоночных фильтраторов - ракообразные и коловратки, которые дублируют друг друга. Простейшие также фильтруют воду наряду с фильтрационной активностью многоклеточных фильтраторов (ракообразных и коловраток).
Процессы ферментативного разрушения поллютантов - еще один центральный механизм самоочищения воды - параллельно ведут бактерии и грибы. Функцию окисления растворенной органики одновременно осуществляют почти все гидробионты, в той или иной степени способные к поглощению и окислению растворенного органического вещества (хотя имеется специфика в активности конкретных групп организмов) [68-69].
Практически все организмы, активно осуществляющие процессы, ведущие к самоочищению, регулируются двояким образом: с одной стороны, доступностью пищевых ресурсов, а с другой стороны, организмами последующего трофического звена в пищевой цепи. Регулирующая роль организмов может эффективно исследоваться с помощью предложенного в [68] метода ингибиторного анализа регуляторных взаимодействий в трофических цепях.
В механизмах регуляции экосистемы значительную роль играют различные формы сигнализации, в т.ч. химические вещества - носители информации. Было предложено называть такие вещества экологическими хеморе-гуляторами и экологическими хемомедиаторами.
Скорость некоторых процессов самоочищения зачастую значительно ниже максимально возможной, на которую способны гидробионты. Например, наблюдаемая скорость фильтрации воды не настолько велика, чтобы до конца извлекать из нее частицы взвешенного органического вещества. Для многих фильтраторов показано снижение скорости фильтрации при нарастании концентрации частиц взвешенного вещества. Однако такая регуляция механизма самоочищения, приводящая к уменьшению скоростей тех или иных биотических процессов, в конечном итоге может нести позитивную функцию, поскольку обеспечивает определенный баланс, нарушение которого может оказаться опасным. Например, осуществление излишне быстрого разрушения органических веществ в воде в результате ускоренного их окисления микроорганизмами может привести к экологически нежелательному результату - быстрому исчерпанию растворенного в воде кислорода, что вызовет гибель многих аэробных организмов. Другой пример: излишне быстрая фильтрация воды гидробионтами может привести к резкому снижению численности в воде взвешенных в ней микроорганизмов, которые осуществляют многие процессы, важные для самоочищения.
Очищение воды и постоянное возобновление (репарация) ее качества являются важнейшим элементом самоподдержания стабильности всей водной экосистемы. Постоянно идущие процессы восстановления качества воды и ее самоочищения совершенно необходимы для сохранения свойств и поддержания стабильности экосистемы, ибо эти процессы противостоят тому, что постоянно происходят и противоположные процессы, которые ведут, в конечном счете, к ухудшению качества воды.
Действительно, в воду всех природных водных объектов постоянно поступают органические, как мы установили выше - автохтонные и аллохтон-ные вещества. Поступают в нее также биогены (Р, N) с окружающей территории, как с водой притоков, так и с выпадающими из воздуха осадками и частицами. Идет также процесс поступления в водоем азота в результате постоянной деятельности азотфиксаторов (например, азотфиксирующих циано-бактериЙ). Если эти спонтанные процессы ухудшения качества воды перестанут уравновешиваться постоянно действующей активностью гидробиологического механизма восстановления качества воды и ее самоочищения, то в водном объекте со временем усилится опасность снижения качества воды.
Система процессов самоочищения и формирования качества воды, по данным исследований кафедры гидробиологии МГУ [69], лабильна и легко перестраивается при изменении внешних условий, что затрудняет выявление общих закономерностей ее функционирования. Эти экспериментальные работы показали существование важного элемента лабильности одного из конкретных процессов - фильтрации воды гидробионтами, в т.ч. моллюсками и коловратками. Как показали дальнейшие опыты кафедры гидробиологии по воздействию катионного поверхностно-активного вещества (ПАВ) и синтетических моющих средств на водных беспозвоночных (моллюсков и коловраток), эти процессы фильтрации ингибировались (усиливались) при воздействии сублетальных концентраций антропогенных поллютантов: ПАВ и ПАВ-содержащих смесевых препаратов. Есть указания на аналогичное действие и других поллютантов на моллюсков и фильтраторов зоопланктона. Это свидетельствует об опасности снижения эффективности механизма самоочищения воды в условиях антропогенных воздействий на водные экосистемы.
Некоторые подходы к исследованию основных свойств объекта
Вышеприведенное позволяет в общих чертах обобщить, что же может содержать в себе фильтрат и от чего предстоит его очистить, прежде чем слить в поверхностный водный объект. В фильтрате может быть обнаружено: - наличие в воде нерастворенных механических частиц, песка, взвесей, ржавчины, а также коллоидных веществ. Их присутствие в воде приводит к ускоренному абразивному износу сантехники и труб, а также к их засорению; - присутствие в воде растворенного железа и марганца. Такая вода первоначально прозрачна, но при отстаивании или нагреве приобретает желтовато-бурую окраску, что является причиной ржавых подтеков на сантехнике. При повышенном содержании железа вода также приобретает характерный "железистый" привкус; - жесткость, которая определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния. При их высоком содержании возможно выпадение осадка и появление белесых разводов на поверхности ванны, мойки и т. д. Соли кальция и магния, называемые также солями жесткости, являются причиной возникновения всем хорошо известной накипи; - наличие в воде неприятного привкуса, запаха и цветности. На эти три параметра, которые принято называть органолептическими показателями, могут оказывать влияние находящиеся в воде органические вещества, оста 94 точный хлор, сероводород; - бактериологическая загрязненность. Вызвана наличием в воде различных микробов или бактерий. Некоторые из них могут представлять непосредственную угрозу здоровью и жизни человека, но даже сравнительно безопасные бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют органические вещества, которые не только влияют на органолептические показатели воды, но и, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны создавать ядовитые и канцерогенные соединения.
В настоящее время существует множество устройств, позволяющих довести исходную воду практически любого качества до уровня, соответствующего самым строгим нормативам. Разные виды оборудования отличаются как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению. Наибольшее распространение получили механические, химические, адсорбционные и мембранные методы очистки.
Не вдаваясь в экономические аспекты практического применения устройств, принцип действия которых базируется, например, на основе электролиза и обратного осмоса, пока трудно дать однозначную оценку их применению для реализации целей данной работы. В Европе, правда, работают более 140 ROCHEM - фильтрационных систем обратного осмоса, которые осуществляют инфильтрацию СВ различных свалок [62]. Однако утилизация концентрата после фильтрации СВ свалок однозначно еще не решена.
Действие акустических систем (ультразвук и инфразвук) локально и не всегда эффективно при самостоятельном применении [63].
Устройства для обработки СВ электромагнитными волнами расчетной частоты достаточно экономичны, но имеют ограничения к колебаниям температуры воды и по сроку службы (1-2 года) [64].
Более перспективные устройства для этих целей - электромагнитные аппараты постоянного тока и нерегулируемые устройства на постоянных магнитах [65]. Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением [66] и ультрафильтрационная очистка в конце обработки стоков полигона [67] могут быть рекомендованы в качестве финишных методов. Поэтому в нашем распоряжении остаются безреагентные и биологические способы.
Уточнить и оптимизировать механизмы физико-химических и биологических способов очистки воды от ЗВ и микроорганизмов возможно при исследовании как каждого из них, так и при комплексном воздействии на исследуемый объект. Основные исследования были выполнены в лабораторных условиях с применением стандартных и вновь разработанных устройств и методов.
Обобщенный алгоритм исследований по очистке фильтрата от гальва-ношламов, по нашему мнению, должен быть таким, как это приведено на рис. 3.2. Для оценки уровня загрязнения фильтрационной водной среды использовали традиционные приборы физико-химического анализа, а также хроматографы. Контролировались мутность, цвет, запах, жесткость, удельная электрическая проводимость, коэффициент светопропускания, активность водородных ионов (рН), уровень насыщения кислородом, активность и концентрация ионов различных веществ, поступающих в воду фильтрата загрязнений, а также температура и скорость потока. Химический анализ воды и спектральный анализ твердых веществ (золы) производились в специализированных лабораториях, о чем будет сказано ниже. Некоторые физико-химические свойства фильтрата изучались там же с применением атомно-абсорбционных, инфракрасных, калориметрических спектрометров, ионо-метров, комплексных анализаторов качества воды. Для аэрации исследуемых объектов использовали озонатор ЭО.504.001, основный на синтезе озона в барьерном электрическом разряде с высоковольтным источником питания, работающем на частоте 50 Гц и озонатор НПК «Прогрессивные технологии» без барьерного типа «ИНГО». Фильтрат гальваношламов
Схема безреагентной очистки фильтрата полигона промышленных отходов Последующая магнитная обработка исследуемых объектов осуществлялась в аппаратах с примененным магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами из NdFeB или SmCo и последовательным чередованием полюсов N и S. Параметры конролировались измерителем магнитной индукции Ш1-8. Магнитный активатор подробно описан нами в работе [65]. Для очистки фильтрата и его модельных растворов от ферромагнитных примесей Разработан и изготовлен магнитный фильтр (см. рис. 3.3.). Он представляет собой модернизированный вариант серийного латунного фильтра для воды с резьбовым типом соединения. В корпус латунного фильтра установлена специальная магнитная система (см. рис. 3.3., п. 1) грибкового типа на основе коррозионностойких высокоэнергетических магнитов из сплава самарий-кобальт. Кроме очистки от ферромагнитных примесей, благодаря применению мелкоячеистой сетки, размерами 0,5x0,5 мм (см. рис. 3.3., п.2) в фильтре улавливаются механические загрязнения (взвешенные частицы песка, ила и др. стойких механических включений) фильтрата. Контроль радиоактивности фильтрата осуществлялся с помощью приборов ДРГ-01Т1.
Имеющийся набор металлографических и биологических микроскопов позволял достаточно четко наблюдать ряд элементарных процессов, происходящих в СВ после аэрации до наложения магнитного поля (см. рис. 3.4) и после воздействия магнитного поля (см. рис. 3.5). Методика исследования позволяет с применением оптического микроскопа увидеть уменьшение на целый порядок величины кристаллов кальция и других минералов (рис. 3.5) в результате воздействия магнитного поля, по сравнению с исходными в воде, не подвергавшейся омагничиванию (рис. 3.4). Стандартные методы спектрального и химического анализа позволяли оценить качество поглощенных ВВР тяжелых металлов и других ЗВ в их золе.
О модели распада веществ в биосооружении
Поскольку растения аккумулируют загрязнения, то их химический состав может быть индикатором загрязненности водного объекта. Речь идет о визуальной оценке загрязнения: проявление загрязненного (выше установленных норм) содержания ЗВ в зеленой массе растения, выражается в особенностях его внешнего вида. Например, если ЗВ — медь, то у растения темно-зеленные листья, толстые и короткие корни; если ЗВ — железо, то такая же окраска листьев и замедленный рост надземных частей растения; если ЗВ - цинк, то наблюдается междужилковый хлороз молодых листьев; если ЗВ — свинец - скручивание листьев; а если - кадмий - бурые края листьев, красноватые жилки и черешки [91-94].
Определение конкретной концентрации ЗВ в тканях растений определяли по водной вытяжке.
Наиболее подходящими в качестве биоиндикаторов считают различные виды рясковых и азолла (водный папоротник). К преимуществам этих растений относится таюке способность реагировать на изменение факторов ОС, т.е. их биоиндикационные свойства.
Применение организмов, реагирующих на загрязнение среды обитания изменением визуальных признаков, имеет ряд преимуществ. Оно позволяет существенно сократить или даже исключить применение дорогостоящих и трудоемких физико-химических методов анализа. Биоиндикаторы интегрируют биологически значимые эффекты загрязнения. Они позволяют определять скорость происходящих изменений, пути и места скопления в экосистемах различных токсикантов, делать выводы о степени опасности для человека и полезной биоты конкретных веществ или их сочетаний. Наиболее простым объяснением этому может быть то, что именно состояние, самочувствие различных видов живых существ и самого человека, является ключевым моментом. Кроме того, необходимо иметь в виду, что многообразие загрязнителей и видов воздействия на среду уже сейчас исчисляется тысячами наименований и продолжает расти. Это означает, что определение каждого поллютанта в среде и лабораторная оценка его токсичности, в особенности кумулятивного эффекта всего многообразия сочетаний различных воздействий, становятся невозможными. Следова 131 тельно, наиболее важным представляется получение интегральной информации о качестве среды. Достижение этой цели возможно посредством оценки состояния живых существ, что необходимо для получения информации о благополучии среды и ее пригодности для существования человека и биологических объектов.
Для решения указанных задач метод биоиндикации должен отвечать нижеследующим требованиям: 1. Огненна степени отклонения от оптимума. Изменения в природной среде происходят постоянно. Главным является вопрос о том, допустимы ли они, находятся в пределах нормы или свидетельствуют об отклонении от нее. 2. Чувствительность. Метод должен позволять оценивать не только существенные (необратимые) изменения, но и изменения на стадиях, когда при принятии надлежащих мер можно вернуть систему в нормальное состояние. 3. Универсальность. Метод может использоваться при тестировании экосистем любого типа вне зависимости от региональных особенностей. 4. Всеохватность (по отношению к виду воздействия). Существует необходимость оценки последствий любого вида воздействия, как отдельных агентов, так и всего комплекса поллютантов и различных их сочетаний. 5. Пригодность для оценки реальной ситуации. Часто методы, апробированные в лабораторных условиях, оказываются недостаточно эффективными в реальной среде. 6. Пригодность для широкого использования. Метод должен быть достаточно дешевым и информативным, пригодным как для сугубо научной работы, так и в системе мониторинга. Для объективной оценки загрязнения водной экосистемы ксенобиотиками, как это мы подробно рассмотрели в гл. 1, необходимы адекватные 132 тест-системы и фитотесты, реагирующие на комплекс загрязнителей и пригодные для выявления мутагенного потенциала встречающихся в воде поллютантов. При этом индикаторы должны удовлетворять целому ряду требований. Требования к биоиндикаторам таковы: - накопление ЗВ не должно приводить к гибели тест-организмов; - численность тест-организмов должна быть достаточной для отбора, т.е. без влияния на их воспроизводство; - в случае долгосрочных наблюдений предпочтительны многолетние виды флоры; - фитотесты должны быть генетически однородными; - должна быть обеспечена легкость взятия проб; - должна реализоваться относительная быстрота проведения тестирования; - биотесты должны обеспечивать получение достаточно точных и воспроизводимых результатов; - биоиндикаторы должны быть одновозрастными и характеризоваться, по возможности, близкими свойствами; - диапазон погрешностей измерений (по сравнению с классическими или эталонными методами тестирования) не должен превышать 20... 3 0%; - при выборе тест-организмов предпочтение следует отдавать регистрации функциональных, этиологических, цитогенетических изменений отдельных индикаторных процессов биоты, а не только изменению ее структуры, численности или биомассы, т.к. эти последние являются более консервативными.
Рясковые - одни из самых мелких водных цветковых растений, при благоприятных условиях размножаются круглогодично (преимущественно вегетативно). Интенсивность фототаксиса хлоропластов в листецах ряски, оцениваемая по изменению количества хлоропластов в эпистрофном положении, можно рассматривать как чувствительный показатель, свидетельствующий о степени загрязнения элементов агроландшафта. Явление отрицательного фототаксиса и послужило основой метода фитотестирова-ния. Благодаря этим преимуществам ряску можно назвать «экологической дрозофилой».
Ряска малая и ряска тройчатая чувствительны к загрязнению воды, при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ва, Си, Mg, Fe, Со. На каждый загрязнитель у видов рясок проявляется специфическая реакция. На медь (0,1...0,25 мг/мл) - листецы реагируют полным рассоединением из групп и изменением окраски с зеленой на голубую; реакция проявляется через 4 часа после воздействия. На цинк (0,025мг/мл) реакция заключается в изменении окраски листеца: с насыщенно зеленой до бесцветной; где зелеными остаются только точки роста; барий (0,1...0,25 мг/мл) вызывает полное рассоединение листецов, отпадание корней и изменение окраски с зеленой на молочно-белую; кобальт (0,25...0,0025 мг/мл) — полную приостановку роста и потерю окраски.
Кроме того, ряска малая, являясь биоиндикатором первого типа чувствительности, проявляет внезапную и сильную реакцию, продолжающуюся некоторое время, после чего перестает реагировать на загрязнитель.
В природе рясковые особенно хорошо растут в эвтрофных, т.е. обогащенных питательными веществами (нитраты, аммиак, фосфаты), водоемах. Опыты показали, что эти растения устойчивы к очень высоким концентрациям этих веществ — таким, которые наблюдаются в водоемах, куда поступают отработанные коммунальные, сельскохозяйственные и промышленные воды.
Похожие диссертации на Оптимизация механизмов обезвреживания технологических отходов производства предприятий радиоэлектроники и приборостроения
