Реферат: Химия и экология

К физическим методам обработки почвы относятся: дроб­ление, грохочение, мокрая сортировка, притирочное раз­мельчение, сепарация в плотной среде, флотация, грави­тационное осаждение и механическое обезвоживание. Со­ответствующими химическими средствами являются детер­генты, поверхностно-активные вещества, вещества, вызывающие образование хелатных соединений, коагулян­ты, флоккулянты и вещества, регулирующие рН.

Промывка является эффективным методом обработки как почв, так и донных отложений рек, озер и пр.

Процесс может быть эффективным и экономически оправ­данным, когда загрязненная почва или донные отложения содержат не более 40% ила, а частицы глины имеют раз­меры не более 63 микрон. Содержание твердых органи­ческих веществ не должно превышать 20% объема.

К типичным опасным загрязнениям, которые эффек­тивно удаляются этим методом, относятся:

·     донные отложения, насыщенные нефтепродуктами;

·     радиоактивные загрязнения;

·     тяжелые металлы;

·     креозот;

·     пестициды,

·     цианиды.

Состав почвы и распределение загрязняющих веществ

Более полное понимание процессов очистки почвы и пользы этой промывки может быть достигнуто при рас­смотрении почвенных образцов А—Г и типич­ного распределения в них загрязнений.

А. Поверхностное загрязнение обычно наименьшее, в основном — физическая адгезия, выражающаяся в уплот­нении. Удаляется и переносится в промывочную воду ме­ханическим разрыхлением.

Б. Минеральные илы и глины являются основными ве­ществами, абсорбирующими опасные загрязнения, так как имеют очень развитую поверхность по отношению к объе­му и обладают повышенной способностью сцепления.

В. Твердые органические вещества, такие как корни и листья растений, гумус и т.д., обладающие, в виду их аб­сорбирующих свойств, способностью сбора загрязнений.

Г. Взвешенные загрязнения присутствуют в растворен­ном состоянии в виде частичек ила и глины.

Кроме этих твердых и жидких компонентов, вмести­лищем для летучих загрязнений может служить воздух (или газ), присутствующий в пустотах между частицами почвы.

Сложность почвенной промывки возрастает с ростом содержания ила, глины и твердых органических веществ.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВЫ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Рекультивация осуществляется за счет выполнения тех­нологических процессов (рис. 70), позволяющих выделить из загрязненной почвы:

1)     обезвреженный, обезвоженный гранулированный по­чвенный продукт, который можно возвратить на участок или использовать для других целей;

2)     обезвоженные загрязненные твердые - органические вещества для дальнейшей обработки или захоронения;

3)     обезвоженные загрязненные глинистые/илистые по­чвенные фракции для дальнейшей обработки или захоро­нения;

4)     загрязняющие вещества из промывочной воды с це­лью ее очистки и обезвреживания в соответствии с норма­тивами для сброса в водоемы.

1 этап: Подготовка почвы к очистке

Основная цель этого этапа — приготовить суспензию, имеющую номинальные размеры частиц в пределах 6 мм. Для этого с помощью комплекта сит или первичного виб­роэкрана почву просеивают для удаления мусора, метал­ла, дерева и пр. При необходимости доведения размеров крупных каменных включений до нужного размера допус­кается применение размельчения. Для контроля размеров частиц суспензии и отделения материала, не требующего очистки, используется мокрое вибрационное экранирова­ние. При помощи распылителей омывающего раствора, встроенных в просеивающую машину, в питающий поток добавляется промывочная вода, создающая среду, в кото­рую будут перенесены, а затем и удалены все загрязняю­щие вещества.

2 этап: смешивание, притирочное размельчение, по­верхностное извлечение

Предварительно отсортированная суспензия направ­ляется в машину, осуществляющую размельчение при­тиркой.                 Здесь загрязненный ил/глина отслаиваются от по­верхностей гранулированных почвенных частиц и пере­носятся в промывочную воду. Это достигается путем ком­бинации:

·     воздействия механических и жидкостных касатель­ных напряжений, вызываемых взаимным трением грану­лированных частиц (Движение частиц обеспечивается ро­торными двигателями внутри притирочных ячеек или дру­гими механическими средствами.);

·     воздействия добавляемых химических реагентов, ус­коряющих растворимость и перенос загрязняющих веществ с поверхностей гранулированных частиц в промывочную воду.

3 этап: Отделение ила, глины и загрязняющих веществ, находящихся в промывочной воде, от размельченного гранулированного материала.

Эта операция обычно выполняется с помощью гидро­циклонов или наклонных разделителей винтового типа. В результате образуются два продукта:

1)   обезвоженный поток твердых частиц, состоящий в Основном из размельченного песка и твердого органичес­кого вещества, такого как уголь, лигнин, дерево и т.д.;

2)   поток, состоящий из промывочной воды со взвешен­ными (загрязненными) частицами минерального (ила/гли­ны) и твердого органического вещества. Промывочная вода может также содержать растворенные загрязняющие ве­щества, такие как ионы тяжелых металлов, которые бу­дут удалены позже традиционной обработкой для промыш­ленных сточных вод (например осаждением или ионообменом).

4 этап: Отделение загрязненного твердого органичес­кого вещества от размельченного гранулированного ма­териала.

Загрязненные твердые органические вещества, такие как уголь, древесина, сгнившие остатки растительности, имеют очень высокую способность абсорбировать загряз­няющие вещества, поэтому такие твердые вещества дол­жны быть изолированы от гранулированных компонентов почвы. Этот материал эффективно удаляется с помощью уплотняющего сепаратора. Он отделяет органические ве­щества, имеющие меньшую силу тяжести от песка или других более тяжелых частиц. Изолированный осадочный органический продукт затем обезвоживается и, если необ­ходимо, уничтожается, например, сжиганием. Промытый, очищенный песок, поступающий из сепаратора, вторично промывается или же сразу обезвоживается с помощью вибросита, винтового обезвоживателя или гидроциклона. Впоследствии его можно вернуть обратно на участок, с

которого была взята почва, продать производителям бето­на, асфальта или использовать для других целей.

5 этап: Удаление загрязненного ила/глины из промывоч­ной воды. Удаление растворенных загрязняющих веществ.

Загрязненные минеральные ил или глина, находящие­ся в промывочной воде во взвешенном состоянии, коагу­лируются, флоккулируются и осаждаются в форме уплот­ненного минерального отстоя, который обезвоживается с помощью фильтрующего пресса или другого фильтраци-онного оборудования (см. рис. 71).

В случаях, когда в промывочной воде присутствуют растворенные соли тяжелых металлов, они осаждаются при повышении рН с образованием гидроксидов металлов, которые можно удалить флоккуляцией и осаждением или флотацией растворенным воздухом с последующим обез­воживанием загрязненного отстоя (или накипи) с помощью фильтрации.

6 этап: Менеджмент осадка

Существуют многочисленные применения для использо­вания осадков после промывки почвы. Твердые органичес­кие вещества и органическая спрессовавшаяся корка с фильтров обычно разрушаются сжиганием. Осадки, загрязнен­ные гидроксидами тяжелых металлов стабилизируются при затвердевании. В зависимости от экономических затрат на­сыщенные металлами неорганические осадки могут быть восстановлены, рециклированы или подготовлены к сбросу на специально предназначенные для них свалки.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ

Биологическая рекультивация вне участка. Помимо промывки почвы в последнее время в развитых странах появилось большое число новых технологий, позволяющих очистить почву как от всех загрязнений, так и от специ­фических загрязняющих веществ. При этом рекультива­ции почвы проводится непосредственно на участке, для того чтобы избежать затрат на экскавацию и транспорти­ровку больших объемов грунта.

При биологической рекультивации вне участка верхний слой почвы снимается и вывозится на специальный полигон, где вся эта масса земли обрабатывается. При этом для разложения органических загрязняющих веществ в почве, отстое и твердом грунте используются микроорганизмы. Микроорганизмы разлагают загрязняющие вещества, используя их как источник пищи. Конечным продутом обычно являются СО2 и Н2О. При биологической ре­культивации твердые вещества сначала перемешиваются в воде до формирования жидкой пульпы, и биологическое восстановление осуществляется на жидкой фазе; затем производится второй этап обработки — твердофазная био­рекультивация, при которой почва загружается в камеру или закрытое помещение и разрыхляется с добавкой воды и питательных веществ.

Если пораженные участки земли очень большие, такой процесс будет очень трудоемок, долог и достаточно дорог. Представьте себе перемещение больших объемов земли, погрузку в самосвалы и перевозку, иногда на значительные расстояния, на место, которое, как правило, занима­ет довольно большую территорию. После рекультивации этот процесс необходимо повторить в обратном порядке. Однако качество рекультивации в этом случае будет зна­чительно выше.

Биологическая рекультивация на участке. При рекуль­тивации непосредственно на участке можно избежать гро­мадных затрат, связанных с вывозом почвы, большим рас­ходом горючего и людских ресурсов. Однако продолжи­тельность этого процесса будет несколько больше. Что же это за процесс? Кислород, а иногда питательные вещества, закачиваются под давлением через скважины в по­чву или распределяются по поверхности для инфильтра­ции в загрязненный материал. Процесс разложения за­грязняющих веществ микроорганизмами происходит пря­мо на участке, а при помощи биовенттиляции конечные продукты удаляются.

Восстановление маслосодержащих отходов. Очень час­то во время или после хранения горючесмазочных мате­риалов в почву попадают и остаются там маслосодержащие вещества. Такой участок даже после ликвидации про­изводства или хранилища долгое время будет абсолютно безжизненным, лишенным как растений, так и животных. Чтобы вернуть его к жизни, необходимо удалить маслосо-держащие отходы. Обычно эту задачу решают простым снятием грунта и вывозом его на свалку. То есть отодвига­ют решение проблемы очистки почвы на какой-то, часто продолжительный срок, пока не возникнет проблема вос­становления земли, занятой свалкой. Новый процесс вос­становления решает проблему сразу. Маслосодержащие отходы при помощи пара или горячей воды смываются и перемещаются в более проницаемые для жидкостей участ­ки, а затем выкачиваются из почвы. При желании загряз­ненные масла можно очистить и использовать в качестве топлива.

Цианидное окисление. При цианидном окислении участ­ки, пораженные органическими цианидами, обрабатыва­ются соответствующими химическими веществами. При этом происходят химические реакции, и органические циани­ды окисляются до менее опасных соединений. Далее, если необходимо, участок обрабатывается другими методами.

Дехлорирование. При дехлорировании происходит уда­ление или перемещение опасных соединений, содержа­щих атомы хлора.

Промывка на участке. При использовании процесса про­мывки в почву, отходы или грунтовые воды вводятся боль­шие объемы воды (иногда с химическими соединениями для обработки). Опасные загрязнения вымываются с участка. Однако выводимая вода должна быть эффективно изоли­рована в пределах водоносного пласта и обязательно вос­становлена.

Остекловывание на участке. Большую опасность для жизни растений, животных и людей представляют остав­шиеся в почве тяжелые металлы. Процесс остекловывания решает проблему удаления тяжелых металлов и даже их утилизации весьма оригинальным способом. При остекло-вывании на участке загрязненная почва нагревается до температуры около 1600°С. При этом тяжелые металлы инкапсулируются в стекловидные структуры соединений силиката и становятся практически безвредными, так как, во-первых, они находятся в соединениях, а, во-вторых, заключаются в стекловидную оболочку. Органические ве­щества при этом сжигаются.

Восстановление металлов высокотемпературной плаз­мой. Это — термический процесс, который извлекает за­грязнения из твердых веществ и почвы в виде металли­ческих и органических газов. Органические газы можно сжигать как топливо, а металлические могут быть восста­новлены и рециклированы. Этот и предыдущий процессы, разумеется, очень дороги, и вопрос об их применении каж­дый раз должен решаться в конкретных обстоятельствах, связанных либо с ценой на восстанавливаемый участок, либо со стоимостью извлекаемых и рециклируемых ме­таллов.

Фитообработка. Значительно более дешев и легок в применении процесс культивации специальных растений, способных забирать корнями или листвой специфические загрязнения и снижать их концентрацию в почве. Сами растения необходимо периодически скашивать и убирать с участка.

Почвенная паровая экстракция. Летучие органические составляющие удаляются из почвы на участке почвенной паровой экстракции с помощью паровых экстракционных скважин. Иногда процесс осуществляется в комбинации со скважинами для инжекции в почву воздуха, с целью от­гонки и смьюа загрязнений воздушным потоком. После чего производится дальнейшая обработка.

Экстракция растворителями. Иногда для рекультива­ции почвы, загрязненной однородными по составу веще­ствами, бывает достаточно правильно подобрать раство­ритель. При этом органические загрязнения растворяются избирательно и затем удаляются из отходов. Растворители меняют в зависимости от обрабатываемых отходов.

Термическая десорбция. Отходы нагревают в контроли­руемой обстановке до рабочей температуры, обычно ме­нее 550°С. При таком нагреве органические соединения улетучиваются из почвы. Летучие загрязнения необходи­мо собирать и подвергать дальнейшей обработке.

РАДИАЦИОННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

В 1896 г. Антуан Беккерель обнаружил, что фотоплас­тинка, лежащая рядом с кусочком соединения урана, оказа­лась засвеченной. Так была открыта радиоактивность. Со временем заметили, что люди, экспериментировавшие с ра­диоактивными элементами, рано умирают от рака, лейке­мии и других болезней. Радиация разрушает живые клетки, вызывает необратимые изменения в организмах, порождая мутации— генетические уродства.

Тем не менее сегодня невозможно представить какую-либо отрасль человеческой деятельности без применения радиоактивных материалов. В промышленности — атом­ная энергетика, в медицине — лечение и диагностирова­ние, в геологии и биологии — радиоуглеродный анализ. Возникает проблема ликвидации радиоактивных отходов.

Некоторые же предприятия не заботятся даже об эле­ментарной изоляции смертоносных отходов. Например, сла­борадиоактивные отходы перерабатывающего завода в Селлафилде (Великобритания) сливаются через трубу прямо в Ирландское море, которое за короткий срок поставило пе­чальный рекорд по степени радиоактивного загрязнения сре­ди водных бассейнов мира. Высокий процент больных раком среди жителей побережья, по мнению специалистов, обус­ловлен плутонием, который осаждается в окрестностях на поверхность земли. Власти Ирландии требуют закрытия за­вода, но он дает астрономические доходы.

ПРИРОДНЫЙ И ТЕХНОГЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

На территории Свердловской области радиационный фон обусловлен геологическими особенностями региона и определяется содержанием естественных радионуклидов (238U, 232Th и 40К) в почвах и горных породах. На территории об­ласти сосредоточено более 1000 локальных скоплений ура­новой, ториевой и уран-ториевой минерализации, 350 во­доисточников с повышенной концентрацией естественных радионуклидов.

Большая часть территории области расположена в пре­делах радоноопасных зон, мощность экспозиционной дозы (МЭД) составляет 6—12 мкР/ч. Для Мурзинско-Камышевской зоны при среднем фоне 12 мкР/ч в пределах Адуевского гранитного массива МЭД достигает значений 18— 20 мкР/ч. Мощность экспозиционной дозы гамма-излуче­ния составляет: в Екатеринбурге — 8—20 мкР/ч, Нижнем Тагиле — 6—9 мкР/ч, Каменск-Уральском — 6—20 мкР/ ч, Первоуральске — 5—7мкР/ч, Ревде — 3—5 мкР/ч.

Спецификой формирования доз облучения населения Свердловской области от естественных источников радиа­ции является высокий вклад 232Rn (торона). Средняя годо­вая эффективная доза облучения от торона (1 мЭв) более чем на порядок превышает среднемировую (0,07 мЭв/год).

Определенную потенциальную радиоэкологическую опас­ность представляют многочисленные техногенные образо­вания урановой и ториевой природы Свердловской облас­ти. Попадая в технологические циклы, они десятилетиями концентрировались. Их переработка может привести к ро­сту дозовых нагрузок населения и выпуску продукции с повышенным содержанием радионуклидов.

Кроме того, существенным источником формирования дозы облучения населения являются медицинские рентге­новские диагностические процедуры и дозовые нагрузки производственного персонала.

В целом доза облучения населения Свердловской обла­сти от природного и техногенного радиационного фона со­ставляет 70% суммарной дозы от всех источников ионизи­рующего облучения (8500 чел.-Зв — коллективная доза, 1,8 мЗв — средняя годовая эффективная доза на одного жителя).

РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ. Помимо естественной геологической среды, радиоэко­логическую обстановку на территории Свердловской об­ласти формируют также последствия аварий 1957 г. на производственном объединении «Маяк» и 1967 г., когда про­изошел ветровой перенос радионуклидов с обнажившихся вследствие засухи берегов оз. Карачай в Челябинской обла­сти. Сброс радиоактивных веществ в р. Теча предприятия­ми поселков Озерный, Костоусово и Двуреченска (переработка минерального сырья с высоким содежанием ЕРН), Красноуфимского филиала комбината «Победа», Белояр-ской АЭС, предприятий г. Лесного и Новоуральска про­должался с 1949—1964 гг. Имели также место аэрозоль­ные выбросы Белоярской АЭС и техногенное загрязне­ние продуктами переработки отходов ядерной индустрии. Кроме того, в области более 1500 объектов используют источники ионизирующего излучения в своей технологии, включая медицинскую. Немаловажный фактор и глобаль­ные атмосферные выпадения, имевшие место на всей территории России.

Радиационная обстановка на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа определяется остаточ­ным радиоактивным загрязнением по. 90Sr. Плотность за­грязнения по 90Sr в 1995 г. составляла 0,2—1,6 Ки/км2. Пятна с аномально высокими плотностями загрязнения обнаружены севернее оз. Тыгиш (5,1—5,2 Ки/км2) и на территории г. Каменск-Уральский (6,9 Ки/км ). Мощность экспозиционной дозы на территории Каменского и Богдановического районов составляет 7,5—8,5 мкР/ч. Сред­негодовая бета-активность атмосферных выпадений со­ставила 1,1 Бк/м2сут, то есть на уровне средней по ре­гиону, а максимальное значение 11,2 Бк/м2сут отме­чено в г. Тавде. Средняя за год плотность выпадений по 137Cs —1,5 Бк/м2мес, по 90Sr —1,1 Бк/м2мес. Дополни­тельная индивидуальная годовая эффективная доза об­лучения жителей на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа за счет остаточного радиоактив­ного загрязнения местности и повышенного содержания 90Sr в продуктах питания не превышала 0,1 мЗв, однако это в 2 раза выше, чем в среднем для области.

Район Белоярской атомной станции (БАЭС) не имеет существенных отличий в радиоактивном загрязнении от Уральского региона. Доля радиационного воздействия БАЭС на все население Свердловской области не превышает 0,03% (3,3 чел.-Зв  против 12120 чел.-Зв). Аналогичная си­туация в гг. Новоуральске и Лесном.

Таким образом, основной вклад в дозовую нагрузку на­селения области вносят:

·     естественные радионуклиды в почвах, стройматериа­лах, радон в воздухе жилых помещений, в воде — около 70% суммарной дозы (8500 чел.-Зв — коллективная доза);

·     облучение от медицинских и рентгеновских процедур — около 30% (3200 чел-Зв).

·     С учетом всех дозообразующих факторов коллектив­ная доза облучения населения области в 1995 г. составила 12120 чел.-Зв, что может в прогнозе жизни двух поколе­ний дать 140 дополнительных смертей от онкологических заболеваний и 56 случаев генетических эффектов. Сред­няя годовая эффективная доза облучения на одного жи­теля области составляет 2,8—3,2 мЗв.

·     Усредненные данные не гарантируют радиационного благополучия отдельных территорий. Кроме того, име­ются и факторы потенциальной опасности радиационно­го загрязнения, выражающиеся в высокой концентра­ции предприятий ядерного топливного цикла, наличии промышленных энергетических и исследовательских ре­акторов, их эксплуатации, имевших место аварийных и чрезвычайных ситуаций, проведении ядерных взрывов в военных и хозяйственных целях. В связи с этим в обла­сти наблюдается:

·     накопление радиоактивных отходов (РАО), деля­щихся материалов (ДМ) и связанная с ними возможность крупномасштабного загрязнения окружающей природной среды;

·     временное хранение и захоронение РАО;

·     потенциальная опасность ядерного топливного цикла (БАЭС и СФНИКИЭТ (г. Заречный), Уральский электро­химический комбинат (г. Новоуральск), комбинат «Электрохимприбор» (Лесной), ряд предприятий Челябинской об­ласти);

·     перевозка по территории области радиоактивных ве­ществ (РВ), РАО и отработанного ядерного топлива (ОЯТ);

·     потенциальная опасность демонтажа ядерных боего­ловок;

·     загрязнение поверхностных и подземных вод и почв;

·     радиоактивное загрязнение территорий крупных го­родов области.

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ. После нескольких лет работы реактора значительная часть 235U распадается на другие радиоактивные элементы, и топливо нуждается в замене. В момент удале­ния из реактора топливо в высшей степени радиоактивно. При хранении под водой в течение некоторого времени многие радиоактивные элементы с коротким периодом жизни превращаются в стабильные, и твэлы (тепловыде­ляющие элементы) становятся значительно менее радио­активными. Процесс выдержки отработанных твэлов для снижения их радиоактивности называется охлаждением. После охлаждения отработанное топливо (твэлы) хими­чески перерабатывается для разделения оставшегося 235U, накопленного 239Pu  и радиоак­тивных отходов. Отходы представляют собой высоко ра­диоактивную жидкость, которая хранится в стальных ре­зервуарах с двойными стенками из нержавеющей стали.

Резервуары окружают метровым слоем бетона. Безопасное хранение этих отходов должно быть обеспечено в течение многих тысяч лет. Как считают специалисты, минимум 20 лет отходы необходимо охлаждать. За это время большая часть радиоактивных элементов подвергнется распаду.

Радиоактивные отходы низкого уровня. Это — исполь­зованные защитная одежда, обувь, упаковки от более ра­диоактивных веществ и т.д.

Как правило, они хоро­нятся в хранилищах для ра­диоактивных отходов. Рабо­чим, когда они имеют дело с радиоактивными отходами низкого уровня, необходи­мо пользоваться защитны­ми комбинезонами, резино­выми перчатками и — здра­вым смыслом.

Отходы среднего уровня. Они в 1000 раз более радио­активны, чем отходы низ­кого уровня. Поступают большей частью от ядерных реакторов и представляют собой металлические емко­сти, которые содержали ядерное топливо, части ме­таллических конструкций, используемых в реакторах. В настоящее время отходы среднего уровня образуются во многих регионах страны, и там же производится их захо­ронение. Целесообразно было бы построить для этих отхо­дов хранилища, где они будут захоронены навсегда. Эти хранилища скорее всего будут под землей, возможно, под морским дном. Отходы перед захоронением будут запеча­таны в металлические контейнеры.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6