Sisteme de Protectie Umana Si a Mediului
1. BIOSFERA ȘI FACTORII DE MEDIU
1.1. Componentele biosferei. Ecosisteme.
Biosfera este partea planetei noastre care cuprinde toate ființele vii și în care este posibilă viața în permanență. Biosfera poate fi divizată în trei componente de natură fizică:
Litosfera, care cuprinde straturile solide și de suprafață ale învelișului terestru;
Hidrosfera (Oceanul planetar), care este mediul lichid ce ocupă 70% din suprafața globului;
Atmosfera, ca pătură gazoasă omogenă, este masa de aer care înconjoară suprafața terestră, incluzând și stratul de ozon.
În prezent, biosfera se constituie într-o peliculă superficială subțire pe suprafața globului terestru, nedepășind – în grosime – câteva zeci de kilometri; compoziția sa este rezultatul activității organismelor vii de-a lungul timpului.
Interacțiunea permanentă între organismele vii și elementele naturale determină caracterul dinamic al biosferei.
De exemplu, compoziția actuală a atmosferei este total diferită de cea de la începutul genezei, când era aproape total lipsită de oxigen, dar bogată în dioxid de carbon, metan și compuși ai azotului. Bacteriile autotrofe și în special vegetale cu conținut de clorofilă au modificat această compoziție, în principal prin fotosinteză.
Urmare a activității organismelor vegetale superioare, procentul de oxigen în atmosferă a crescut de la 3%, inițial, la 50% la începutul Cuaternarului; schimbările produse ulterior în climă și în structura organismelor vii au determinat scăderea acestui procent până la circa 21%, cât este în prezent.
Singurul furnizor de energie în cadrul biosferei este fluxul solar, de care depinde toată activitatea de fotosinteză; prin aceasta este condiționată întreaga producție de materie vie. Se apreciază că doar 10% din energia primită de plante (energie reprezentând 1% din fluxul luminos global) este efectiv transformată în biomasă.
Ecosistemul reprezintă, potrivit Legii pentru protecția mediului, un complex dinamic de comunități de plante, animale și microorganisme și mediul lor lipsit de viață, care interacționează într-o unitate funcțională. Ecosistemele sunt rezultatul asocierii dintre biotop și biocenoză, între care există o interacțiune perpetuă, exprimată prin transfer nelimitat de energie.
Ecosistemele pot fi terestre (pădurea tropicală, savana, deșertul, ecosistemul mediteranean, pădurea de foioase, stepa, taigaua, tundra) sau acvatice (oceanice sau continentale).
1.2. Factorii de mediu și influența lor în sistemele ecologice
Factorii de mediu pot fi grupați în:
– factori fizici – aerul, apa, lumina, substratul, etc.;
– factori biologici – hrana, presiunea populației, bolile, etc.
1.2.1. Aerul totalizează 51015 tone; în stare nepoluată compoziția sa aproximativă este: 78% azot; 21% oxigen; 0,97% metan; 0,03% dioxid de carbon.
Organismele manifestă o oarecare toleranță față de această compoziție. În condițiile de pe Pământ nu se pot reliza schimbări semnificative, cu caracter local, ale acesteia, deoarece prin difuzie și circulație atmosferică se realizează o uniformizare rapidă a compoziției la nivel macro.
Din punct de vedere ecologic, pericolul de poluare legat de atmosferă prezintă două aspecte:
– primul este legat direct de compoziția atmosferei;
– al doilea – legat de rolul de vehicul pe care îl poate juca atmosfera în transportarea rapidă a factorilor nocivi (praf, substanțe toxice sub formă gazoasă sau fin pulverizate).
1.2.2. Apa are o masă totală de 1,41018 tone, dispersată după cum urmează: 97,2% în oceane, 2,15% în ghețari, 0,65% în apele continentale. Volumul ploilor anuale este de 51014 tone.
Apa este și ea un vector important al agenților poluanți. Deși răspândirea acestora prin apă se face cu o viteză mai redusă, are totuși unele caracteristici agravante:
poate dizolva multe substanțe nocive;
poate vehicula și materiale mai dense, care în atmosferă s-ar depune ușor;
prezintă condiții favorabile pentru concentrări fizice, chimice și biologice ale poluanților;
fiind cea mai importantă substanță pentru procesele biochimice, poluarea ei poate influența în cel mai înalt grad întreaga rețea de lanțuri trofice.
1.2.3. Solul se compune în general din 52% substanțe minerale, 25% aer, 18% apă și substanțe dizolvate. Suprafața sa totală este de 6,59107 km2, din care aproximativ 71% este acoperită de ape; din restul de 29% regiunile aride totalizează 60%. Constituie factorul principal în asigurarea hranei plantelor, animalelor și oamenilor.
1.2.4. Factorii biologici au ca principală componentă hrana. Aceasta se constituie într-un vector important al poluării și în același timp într-un factor limitativ foarte drastic în dezvoltarea comunităților ecologice.
După particularitățile lor, pe plan ecologic se deosebesc următoarele moduri de nutriție:
Autotrofic (își fabrică singure hrana) cu diviziunile holofitic (plantele verzi) și chemotrofic (bacterii);
Heterotrofic (iau hrana fabricată de-a gata) cu diviziunile holozoic (cu digestie internă), saprofitic (cu digestie externă), parazitic.
Mixotrofic (cu caracter mixt).
În cazul poluării mediului ambiant cu substanțe toxice, transmiterea agenților nocivi se face în funcție de modul specific de nutriție al fiecărei populații dintr-o comunitate ecologică.
1.3. Perturbarea echilibrelor ecologice
În perturbarea echilibrelor ecologice, un rol foarte important îl joacă discordanța dintre evoluția factorilor de mediu și evoluția comunităților ecologice.
Dacă se reprezintă un factor de mediu oarecare (spre exemplu temperatura, fig. 1.1) pe ordonată și viețuitoarele dintr-o comunitate ecologică pe abscisă (catalogate după specii), atunci experiența ne arată că viețuitoarele respective manifestă o oarecare toleranță față de variațiile de temperatură. La nivel global, se va obține o curbă înfășurătoare a temperaturilor în domeniul cărora comunitatea ecologică nu este lezată.
De notat că, pentru fiecare specie toleranța variază în funcție de evoluția ei. Astfel, dacă pe abscisă se consideră drept coordonată a evoluției biologice creșterea (fig. 1.2), în cazul mamiferelor toleranța la variațiile de temperatură va fi mai redusă la extremele de vârstă decât la maturitate, pe când în cazul plantelor, semințele și sporii sunt mai rezistente decât plantele mature.
Fig. 1.1 Fig. 1.2 Fig. 1.3
Întrucât relațiile de acest tip sunt foarte complexe, reprezentarea lor pe un unic grafic ridică probleme. Dacă se ia în considerare un hipergrafic, în care sunt reduse dimensiunile unui spațiu de configurație, se reprezintă pe ordonată factorii de mediu (M), iar pe abscisă elementele comunității ecologice (E).
Se va putea imagina astfel un spațiu de toleranță multidimensional (S), în care variațiile factorilor de mediu sunt compatibile cu elementele comunității ecologice și cu evoluția lor (fig. 1.3).
În zona superioară derivele factorilor de mediu întrec toleranțele biologice, în timp ce în zona inferioară mutațiile de natură genetică sau ecologică depășesc limitele rezervorului ambiant.
Echilibrele ecologice stabilite nu sunt definitive; cauzele modificărilor acestora provin atât de la schimbarea factorilor fiziografici, cât și de la intervenția unor factori biologici.
Schimbări radicale – pe perioade mari de timp – au fost cauzate de modificări de climă; în schimb, evenimentele catastrofale naturale (inundații, vulcanism, cutremure) au un efect mai limtat în perturbarea echilibrelor ecologice, deoarece, după încetarea efectelor lor imediate, se refac vechile echilibre.
Acțiunea omului poate însă accelera efectele proprii succesiunii diferitelor comunități ecologice, în același timp putând permanentiza unele dintre efectele catastrofale.
Legile fundamentale ale întreținerii vieții privesc reciclarea materialelor și economia de energie. Într-un sistem ecologic echilibrat, circuitul materialelor se efectuează complet în perioade de timp acordate cu necesitățile metabolismului comunitar și cu intensitatea fluxului energetic. Această armonie este perturbată de om dacă:
– în circuitul materialelor se introduc elemente noi, cantitativ sau calitativ;
– fluxul energetic este intensificat prin introducerea surselor artificiale de energie;
– activitatea omului imprimă un caracter de accelerare a ciclurilor naturale.
Pentru a elimina asemenea perturbări, trebuie să se țină seama de anumite principii:
activitatea omului poate modifica comunitățile ecologice fără efecte negative, dacă se respectă legile de evoluție naturală a acestora (principiul comunității, al succesiunii, al convergenței);
comunitățile majore de disclimax trebuie să asigure – în principiu – reciclarea tuturor materialelor, în ritmul impus de activitatea economică umană;
omul poate – și chiar trebuie – să intervină în reciclare atunci când comunitatea ecologică nu este pregătită să facă față unor materiale noi, sau când reciclarea unor produse este imposibil de efectuat în cadrul metabolismului comunitar;
reciclarea artificială trebuie să asigure sistemele ecologice contra pătrunderii în ele a unor substanțe cu caracter toxic sau care ar putea perturba lanțurile trofice;
fluxul energetic introdus de om trebuie să fie bine acordat cu capacitatea de transmitere a sa prin comunitățile ecologice, iar atunci când aplicațiile acestui flux nu necesită cooperarea tuturor populațiilor din comunitățile ecologice, acestea trebuie să fie protejate contra acțiunii sale directe.
2. SURSE DE POLUARE ȘI NATURA
AGENȚILOR POLUANȚI
2.1. Surse naturale latente
Se pot evidenția unele cazuri de agenți poluanți potențial naturali. În cele ce urmează, se dau câteva exemple:
Ozonul, O3, este o substanță periculoasă pentru om chiar în concentrații reduse. La nivelul solului nu s-au întâlnit până în prezent concentrații periculoase, dar odată cu apariția zborurilor cu avioane de mare altitudine, pătrunzându-se în stratosferă, se întâlnesc concentrații din ce în ce mai mari de ozon, care devin periculoase.
Producerea ozonului are loc în stratosferă, unde moleculele de oxigen sunt supuse acțiunii radiațiilor ultraviolete solare, având ca rezultat reacția fotochimică:
3O2 + h 2O3. (2.1)
Concentrația maximă de ozon admisă în aerul respirabil este
de 0,1 ppm (părți la un milion). Nu trebuie însă omis faptul că pătura de ozon – aflată la distanță – este un protector biologic, constituind un ecran împotriva radiațiilor solare ultraviolete prea intense.
În mod natural, difuzia ozonului din ozonosferă – unde are rol pozitiv – spre troposferă, unde ar avea efecte negative, este frânată, pe de o parte, de distrugerea sa de către radiația solară:
O3 + h O + O2 , O3 + O 2O2 , (2.2)
iar pe de altă parte, de reacția sa cu umiditatea din troposferă.
Acest echilibru dinamic natural, care guvernează nu numai concentrația ozonului în straturile înalte ale atmosferei, ci îi și limitează zona de existență, poate fi – și din păcate chiar este – puternic perturbat de activitatea umană.
Zborurile în stratosferă îi ridică umiditatea acesteia, prin vaporii de apă rezultați din arderi, și astfel cresc posibilitățile de distrugere a ozonului în chiar zona sa de existență naturală; același rol nefast îl joacă și oxizii de azot, rezultați ca gaze de ardere ale motoarelor de propulsie în stratosferă:
N2O + O 2NO , NO + O3 NO2 + O2 ,
(2.3)
NO2 + O NO + O2 .
În fine, mai există și freonii, utilizați pe scară largă ca agenți frigorifici sau ca propulsanți pentru producerea aerosolilor (spray-urile); fiind destul de inerte din punct de vedere chimic, ele au o viață destul de lungă în atmosferă (40-150 de ani) și au astfel suficient timp pentru a difuza în stratosferă, unde sub acțiunea radiațiilor ultraviolete și în prezența ozonului au loc reacții chimice de transformare a ozonului în oxigen:
CF2Cl2 ( freon 12 ) + h CF2Cl + Cl ;
CFCl3 ( freon 11 ) + h CFCl2 + Cl ; (2.4)
Cl + O3 ClO + O2 ; ClO + O Cl + O2 .
Distrugerea stratului de ozon are ca efect creșterea adiațiilor ultraviolete solare, având ca rezultat reacția fotochimică:
3O2 + h 2O3. (2.1)
Concentrația maximă de ozon admisă în aerul respirabil este
de 0,1 ppm (părți la un milion). Nu trebuie însă omis faptul că pătura de ozon – aflată la distanță – este un protector biologic, constituind un ecran împotriva radiațiilor solare ultraviolete prea intense.
În mod natural, difuzia ozonului din ozonosferă – unde are rol pozitiv – spre troposferă, unde ar avea efecte negative, este frânată, pe de o parte, de distrugerea sa de către radiația solară:
O3 + h O + O2 , O3 + O 2O2 , (2.2)
iar pe de altă parte, de reacția sa cu umiditatea din troposferă.
Acest echilibru dinamic natural, care guvernează nu numai concentrația ozonului în straturile înalte ale atmosferei, ci îi și limitează zona de existență, poate fi – și din păcate chiar este – puternic perturbat de activitatea umană.
Zborurile în stratosferă îi ridică umiditatea acesteia, prin vaporii de apă rezultați din arderi, și astfel cresc posibilitățile de distrugere a ozonului în chiar zona sa de existență naturală; același rol nefast îl joacă și oxizii de azot, rezultați ca gaze de ardere ale motoarelor de propulsie în stratosferă:
N2O + O 2NO , NO + O3 NO2 + O2 ,
(2.3)
NO2 + O NO + O2 .
În fine, mai există și freonii, utilizați pe scară largă ca agenți frigorifici sau ca propulsanți pentru producerea aerosolilor (spray-urile); fiind destul de inerte din punct de vedere chimic, ele au o viață destul de lungă în atmosferă (40-150 de ani) și au astfel suficient timp pentru a difuza în stratosferă, unde sub acțiunea radiațiilor ultraviolete și în prezența ozonului au loc reacții chimice de transformare a ozonului în oxigen:
CF2Cl2 ( freon 12 ) + h CF2Cl + Cl ;
CFCl3 ( freon 11 ) + h CFCl2 + Cl ; (2.4)
Cl + O3 ClO + O2 ; ClO + O Cl + O2 .
Distrugerea stratului de ozon are ca efect creșterea fluxului de radiații ultraviolete solare la nivelul solului, concomitent cu deplasarea spectrului acestora spre lungimi de undă mai mici – care au acțiune cancerigenă sporită.
Praful este un alt agent poluant natural; anual prin atmosferă se vehiculează 30 de milioane de tone de praf. Praful afectează în primul rând respirația și vederea, pe lângă alte efecte nedorite. Tot din aceeași categorie de poluanți fac parte nisipurile mișcătoare, fumul și polenul.
Apele subterane acide sau saline rezultă din contactul, uneori îndelungat, cu zăcămintele de sare sau alte minerale; atât timp cât rămân blocate în formațiunile geologice respective nu constituie un pericol pentru om. Prin forajele efectuate în industriile extractive, aceste ape ajung la suprafață și impurifică straturile de apă freatică, din care se extrage apa potabilă.
În general, se poate spune că orice factor de mediu poate deveni un agent poluant atunci când depășește limitele echilibrului ecologic instaurat într-un anumit biotop.
2.2. Surse de poluare caracteristice nișei umane. Poluarea industrială.
Omul ca ființă vie produce deșeuri fiziologice proprii existenței sale, însă acestea nu generează efecte deosebite în ceea ce privește poluarea mediului ambiant; nișa umană ca sursă de poluare produce însă, datorită activităților sale, efecte în continuă creștere prin:
diversificarea deșeurilor produse;
creșterea cantitativă a deșeurilor pe cap de locuitor;
aglomerarea în mari orașe, unde procesele naturale de autopurificare sunt limitate.
În ceea ce privește diversificarea deșeurilor produse, pe lângă cele fiziologice astăzi mai intervin: deșeuri provenite din îmbrăcăminte, mobilă, aparataj casnic, săpunuri, detergenți, cosmetice, medicamente, chimicale de uz domestic și mai ale cantități îngrijorătoare de ambalaje. Cea mai mare parte dintre acestea nu sunt biodegradabile, iar unele sunt chiar toxice.
Tot direct legată de existență, o sursă de poluare suplimentară o reprezintă mijloacele de încălzire – focarele cu cărbuni, petrol sau gaze. În fine, un alt element poluant important este constituit din bacteriile patogene vehiculate pe calea apelor menajere uzate.
Pe lângă poluarea provenită din activitățile direct legate de existență, alte mari surse de poluare sunt agricultura, transporturile și industria. La ora actuală, industria este considerată – pe drept cuvânt – cea mai mare sursă de poluare. Orizontul tangențelor poluării industriale este foarte extins, pornind de la problemele legate de poluarea locului de muncă și mergând până la consecințele ecologice care interesează întreaga planetă.
Poluarea la locul de muncă se caracterizează prin prezența substanțelor sau a factorilor fizici vătămători în zona locului de muncă, și poate avea ca urmări contractarea unor boli profesionale. Această poluare se reflectă în expunerea profesională și formează un obiect de studiu important al igienei muncii.
Poluarea industrială a mediului ambiant se propagă mai ales pe calea aerului și a apei. Pentru poluarea aerului sunt responsabile atât centralele termoelectrice cât și ramuri industriale ca metalurgia, producția de materiale de construcție, chimia. Un semn vizibil al poluării atmosferice este dat de emisiile industriale de materiale pulverizate până la dimensiuni de aerosoli.
Poluarea pe calea apei este mult mai variată; importanța acestei poluări crește odată cu consumul industrial specific de apă, deoarece, odată cu acesta cresc și posibilitățile de răspândire în mediul ambiant a substanțelor toxice caracteristice diferitelor procese industriale.
Substanțele vătămătoare rezultate din procesele industriale sunt numeroase și variate ca efect. Unele dintre acestea, chiar dacă nu sunt toxice, biologic vorbind, au efecte nedorite cum ar fi: accelerarea coroziunii structurilor metalice, alterarea gustului apei, mirosuri neplăcute; mult mai grave sunt însă emisiile de substanțe industriale cu caracter direct toxic.
În cele ce urmează, se vor prezenta câteva date despre cele mai frecvente substanțe toxice industriale.
Arsenul, este binecunoscut ca substanță toxică încă din vechime; în mediul ambiant provine din prelucrarea unor minereuri care îl includ drept component secundar, precum și din unele pesticide. Nu se admite în apa potabilă o cocentrație a arsenului mai mare de 0,01 ppm.
Amoniacul, în apă, este un semn de descompunere a substanțelor organice și, ca urmare, un semnal de alarmă al infecțiilor posibile cu germeni patogeni. În concentrații de peste 1 ppm poate duce la sufocarea vietăților acvatice, din cauza scăderii capacității sângelui de a lega oxigenul.
Bariul poate deveni agent toxic dacă pătrunde în organism sub formă solubilă; peste 1 ppm concentrație produce efecte vătămătoare asupra funcționării sistemului circulator.
Borul este absorbit repede de către organism prin intestine; ingerarea unor cantități mai mari conduce la efecte vătămătoare asupra sistemului nervos central. Ingerarea sa un timp mai îndelungat duce la intoxicație cronică; de aceea în apa de băut nu are voie să treacă de 5 ppm.
Cadmiul rezultă în cantități mari în apele galvanice uzate; concentrația maximă admisibilă în apa potabilă este de 0,01 ppm.
Clorul este utilizat pentru dezinfectarea apei de băut; dacă depășește o concentrație de 250 ppm apa capătă un gust neplăcut. Se pot produce intoxicații cu clor vehiculat pa calea aerului; clorul dizolvat în apă dăunează florei și faunei subacvatice.
Cromul are acțiune toxică în starea superioară de valență Cr6+ care se poate solda cu mutilări (eroziunea septului nazal); în apa de băut nu trebuie să existe mai mult de 0,05 ppm Cr6+.
Cuprul în cantități mici este necesar metabolismului uman; în cantități mari dă un gust specific apei și poate duce la vătămări ale ficatului; în apa potabilă poate atinge maximum 1 ppm.
Cianurile pot exista și în stare liberă în natură, acțiunea lor toxică fiind bine cunoscută; în apă pot atinge maxim 0,01 ppm.
Fenolii dau gust neplăcut apei, chiar și la concentrații foarte reduse, mai ales dacă aceasta este tratată prin clorurare; limita maximă admisă este de 0,002 ppm.
Fierul, deși nu este un element toxic, ci din contră este foarte important pentru efectuarea funcției respiratorii, constituie totuși un agent poluant deoarece prezența sa în apă duce la colorarea ei și îi influențează gustul. În apa cu conținut prea ridicat de fier se pot dezvolta culturi bacteriene intense; se poate admite o concentrație de 0,3 ppm.
Fluorul, în cantități mici previne cariile dentare, dar dacă depășește 1,2 ppm atacă smalțul dentar, provocând fluoroză. În industria modernă, rezultă la fabricarea aluminiului din fluorină, la prelucrarea fosfaților în prepararea îngrășămintelor chimice, la arderea unor sorturi de cărbuni, în industria siderurgică și în cea ceramică. Se acumulează foarte mult în vegetație, ceea ce face ca și concentrații de 1 ppm să devină periculoase.
Manganul se comportă similar cu fierul; pe când fierul se poate îndepărta din apă prin alcalinizarea ei și precipitarea hidroxidului de fier, manganul se elimină mult mai greu; concentrația maximă admisă: 0,05 ppm.
Mercurul este un metal greu extrem de toxic. Industria îl folosește în cantități mari în construcția aparatelor de măsură și, sub formă de diferite combinații chimice, în industria maselor plastice. Produce îmbolnăviri ale sistemului nervos și se acumulează în organismele vii (pești, păsări, oameni). Concentrația maximă admisă este de 0,005 ppm.
Oxizii de azot sunt poluanți importanți ai atmosferei, rezultând, în general, din procesele de ardere, dar în apă ei pot ajunge și din îngrășămintele chimice azotoase. La copiii nou-născuți provoacă afecțiunea numită methemoglobinemie, dar și la adulți pot provoca iritații ale mucoasei stomacale. Limita admisă în apă: 45 ppm.
Plumbul provoacă saturnismul, cu efecte vătămătoare și asupra generațiilor următoare celui intoxicat; apare în cantități mari în vopsele, baterii de acumulatoare și în benzine ca antidetonant; în apă nu poate depăși 0,05 ppm.
Seleniul, în concentrații de peste 0,01 ppm în apă, are efecte asemănătoare cu arsenul; favorizează cariile dentare.
Sulfații din apă au un efect laxativ, uneori accentuat, și influențează în rău gustul apei la peste 250 ppm.
Zincul sub formă de săruri în concentrații de peste 30 ppm dă aspect lăptos apei, iar peste 40 ppm afectează și gustul acesteia.
În general, se poate spune că nu există industrie care să nu genereze poluare: fie deșeuri toxice, fie deșeuri obișnuite (dar în cantități sporite), ori prin zgomot, fum, praf sau mirosuri neplăcute. Acesta este motivul pentru care, înainte de avizarea funcționării unor obiective industriale, trebuie să se stabilească cu precizie riscurile ce vor fi create pentru mediu de către produsele acelor obiective industriale, precum și măsurile care trebuiesc luate pentru a le reduce la minimum.
3. RĂSPÂNDIREA AGENȚILOR POLUANȚI
3.1. Dinamica poluării
Răspândirea agenților poluanți în mediul ambiant propagă poluarea, uneori până la nivel planetar, ceea ce complică rezolvarea problemelor care apar. De aceea, nu este suficientă cunoașterea surselor de poluare și a naturii agenților poluanți, trebuind să fie cunoscute și căile lor de răspândire în mediul înconjurător.
Conform principiilor termodinamicii, dacă mediul ambiant ar fi lăsat la jocul liber al agenților poluanți, aceștia ar tinde la o răspândire uniformă în atmosferă, hidrosferă și sol, fără să existe o posibilitate naturală de decontaminare; dacă aceast lucru se produce totuși, acesta este rezultatul unor fenomene independente de procesul de răspândire, cum ar fi: reacțiile chimice, degradarea bacteriană, dezintegrările radioactive, etc. Din această cauză, intervenția omului în dinamica agenților poluanți trebuie să urmeze principiul C-C: confinare (îngrădire) – concentrare.
Reprezentarea matematică a dinamicii poluării este o problemă foarte complicată, deoarece ea depinde de mai mulți factori proprii, care pot prezenta multe interacțiuni perturbatorii, atât între ei, cât și cu factorii fiziografici. Totuși, în unele cazuri mai simple, se pot construi anumite formule; astfel, evaluarea producției de deșeuri se poate face 1 cu relația
w (1 + ht)(1b)egt + bert , (3.1)
în care se consideră că această producție este funcție de industrializarea locală, de creșterea populației și de eficacitatea măsurilor pentru controlul poluării.
În relația (3.1), w reprezintă rata de producere a deșeurilor, h – rata dezvoltării industriale, b – producția de deșeuri / locuitor în anul de bază, g – un factor care exprimă eficiența măsurilor de control și limitare a poluării, r – rata de creștere a populației.
În cazul unui agent poluant anume, ale cărui caracteristici se cunosc mai bine, atunci ecuația care determină concentrarea sa în mediul ambiant este
(3.2)
în care reprezintă rata de schimbare a concentrației agentului poluant, w producția acestuia, ambele raportate la un an luat ca bază de calcul, iar k este timpul în care agentul poluant este eliminat din mediu în proporție de .
Pentru a se ajunge la formule mai precise, este nevoie de o modelare a procesului de producție a agentului poluant, precum și a circulației sale în mediul ambiant.
3.2. Circulația aeriană a agenților poluanți
Există diferite aspecte ale răspândirii agenților poluanți pe cale aeriană, prezentând interes: răspândirea în încăperile de lucru, evacuarea prin coșurile focarelor sau de ventilație, comportarea în atmosferă a gazelor și aerosolilor, antrenarea agenților poluanți în circulațiile atmosferice.
Pentru sistematizarea prezentării se vor preciza mai întâi parametrii atmosferei.
3.2.1. Atmosfera și
caracteristicile sale.
Atmosfera se compune din (fig. 3.1):
– troposferă;
– stratosferă;
– mezosferă;
– termosferă și
– exosferă.
Din punct de vedere al poluării intere-sează mai ales primele două pături, în cele de deasupra lor existând doar stratul de ozon.
Caracteristicile diferențiate ale troposferei și stratosferei provin în primul rând din profilul termic vertical: în troposferă temperatura variază invers proporțional cu altitudinea, în timp ce în stratosferă domnește izotermia. Separarea lor fizică se face prin așa-numita tropopauză, a cărei grosime depinde de latitudinea locului considerat ca și de anotimp: până la 16 km la ecuator și doar 8 km la poli.
Cel mai bine studiată este troposfera. Variația presiunii cu altitudinea este dată de
, (3.3)
unde p este presiunea, z – înălțimea, – densitatea aerului, g – accelerația gravitațională. Rezolvarea ecuației nu este simplă, deoarece densitatea este, la rândul ei, o funcție de presiune și temperatură
, (3.4)
iar temperatura T este și ea o funcție locală de altitudine; în particular
3,4104 . (3.5)
Valoarea particulară a gradientului de temperatură pentru acest caz se numește gradient de autoconvecție.
Dacă temperatura scade mai repede cu altitudinea, atunci straturile superioare de aer devin mai dense, vor avea tendința să coboare și se va instala o instabilitate a maselor de aer pe direcție verticală; dacă generarea de poluanți se face la sol, aceasta va duce la împrăștierea lor mai rapidă în volumul atmosferei.
Dacă scăderea tempe-raturii este mai lentă, atunci se instalează o stabilitate verticală, împrăștierea agenților poluanți este frânată și aceștia se acumulează periculos.
Circulațiile orizontale ale atmosferei – vânturile – contribuie și ele la dispersarea agenților poluanți, prin antrenarea lor în masele de aer purtate de vânt. Cu cât viteza acestuia crește, volumul de aer în care se dispersează poluanții este mai mare și concentrația rezultată se reduce. Scurgerea aerului pe orizontală nu se face laminar, turbulențe mecanice apărând datorită întâlnirii diverselor obstacole; acestea favorizează dispersarea agenților poluanți pe direcție transversală.
Profilul vertical al vânturilor este un indiciu al turbulenței: la turbulențe puternice, din cauza antrenării tuturor straturilor de aer, viteza vântului va rămâne constantă până aproape de sol. Pe măsură ce turbulența scade, se va constata o creștere a vitezei vântului cu altitudinea (fig. 3.2).
Toate aceste particularități trebuie să se afle în permanență în atenția generatorilor de agenți poluanți, pentru a ști să interpreteze hărțile și buletinele meteorologice, în scopul de a preveni atingerea unor concentrații periculoase la agenții poluanți emiși în atmosferă.
3.2.2. Difuzia și sedimentarea în atmosferă.
Turbulențele și circulațiile atmosferice joacă rolul principal în dispersarea agenților poluanți în aer, dar unele particularități ale răspândirii și eliminării lor provin din interferența difuziei moleculare cu sedimentarea aerosolilor (fig. 3.3).
Difuzia este guvernată de legea lui Fick, valabilă atât pentru gaze cât și pentru lichide
, (3.6)
unde Q este cantitatea de substanță difuzată prin suprafața s în timpul t, dc/dx este gradientul de concentrație iar D coeficientul de difuzie.
Substanțele cu masă moleculară mai mică difuzează mai ușor; într-o atmosferă liniștită, difuzia ajunge la echilibru numai atunci când concentrația pe verticală respectă relația (3.4).
Datorită capacității diferite de difuzie, precum și greutăților moleculare variate, diferiții agenți poluanți atmosferici au o tendință de segregare.
Spre exemplu, oxidul de carbon și acidul cianhidric, având densitatea mai mică decât aerul, se vor răspândi repede în straturile superioare ale atmosferei, pe când compușii volatili ai plumbului sau altor elemente grele rămân în straturile inferioare.
Această segregare va fi accentuată de absorbția sau adsorbția unor agenți poluanți pe aerosoli din atmosferă. În acest caz dinamica segregării va fi dictată de caracteristicile mecanice ale aerosolului, și nu de cele ale agentului poluant.
Aerosolii se găsesc în atmosferă nu numai ca urmare a poluării industriale, ci și ca un rezultat natural al pulverizării argilelor din sol și antrenarea fragmentelor respective de către vânt. Cea mai cunoscută relație de calcul a vitezei de sedimentare a particulelor microscopice și coloidale este legea lui Stokes
F 6av, (3.7)
unde: F este forța acționând asupra particulei în cădere (greutate, forță de plutire, atracție electrostatică), a – raza particulei, considerată sferică, – viscozitatea aerului, v- viteza de cădere a particulei.
3.2.3. Particularități ale emisiei agenților poluanți.
Generarea agenților poluanți este actul primordial în problema poluării mediului ambiant, dar poluarea nu ajunge la dezvoltarea ei maximă decât după ce acești aceștia au părăsit locul lor de generare, fiind dispersați în factorii de mediu.
Pentru rezolvarea numerică a ecuațiilor de dispersare în atmosferă este necesar să se cunoască condițiile inițiale și cele la limită. Spre exemplu, este important a se preciza dacă emisia agentului poluant se face instantaneu sau continuu în timp, dacă sursa de emisie este punctuală, liniară sau în suprafață.
Pentru simplificare se va admite că sursa este amplasată într-un mediu infinit și izotrop, în care singurul element exterior care provoacă o mișcare simplă de translație este vântul, constant ca direcție și viteză.
Cel mai simplu caz este reprezentat de sursa de poluare punctuală și instantanee. Un asemenea caz este tipic pentru situația în care, în urma unei manevre greșite sau a unei avarii, se emite în atmosferă o parte din încărcătura toxică a unui recipient tehnologic.
Ecuația ce guvernează variația în spațiu (r – distanța față de sursă) și timp a concentrației poluantului este
. (3.8)
Pentru rezolvarea acestei ecuații, se pun condițiile: la t 0 c 0, pentru r 0; la t c 0. Prima condiție reprezintă premiza necontaminării inițiale a mediului ambiant, iar a doua faptul că difuzia continuă fără încetare până când concentrația devine nesemnificativă.
Soluția ecuației este
c(x,y,z,t) , (3.9)
unde Q reprezintă cantitatea totală de substanță poluantă emisă.
Această formulă se poate folosi când aerul este perfect liniștit. Când vântul are aspect laminar, norul de substanță toxică va fi transportat de vânt și își va păstra forma sa sferică, centrul sferei deplasându-se în direcția vântului cu viteza pe care acesta o are (fig. 3.4). Dacă, în plus, difuzia este turbulentă, atunci înlocuind pe D cu D (coeficientul de difuzie turbulentă) ecuația (3.9) devine
c(x,y,z,t) , (3.10)
în care x, y, z, reprezintă coordonatele punctului în care s-a produs emisia, iar x, y, z, pe cele ale punctului curent de calcul.
Cazul sursei liniare instantanee (fig.3.5) se poate rezolva în mod similar, admițând că sursa poate fi fragmentată în surse mici punctuale, dispuse de-a lungul unei linii de emisie; notând cu Q încărcarea specifică a liniei de emisie – situată în planul xy, paralel cu axa y – rezultă
c(x,z,t) . (3.11)
Calculul concentrației rezultate dintr-o sursă plană instantanee, aplicabil atunci când agentul poluant este o substanță volatilă împrăștiată pe sol sau pe apă, se poate face de asemenea ca mai sus, integrând pe axa x aportul individual al unor surse liniare așezate paralel cu axa y.
Dacă sursa este infinită, pe planul xy, atunci concentrația va depinde numai de z; dacă se notează cu Q concentrația specifică pe suprafață, atunci se obține
c(z,t) . (3.12)
Emisiile continue, pot fi – spre deosebire de cele instantanee – urmărite și experimental.
Pentru cazul sursei punctuale continue, care are o mare importanță practică deoarece toate coșurile focarelor industriale și cele de ventilație sunt asemenea surse, analiza pleacă de la ideea că o asemenea sursă poate fi considerată drept o succesiune în timp, la intervale infinit de mici, de emisii punctuale instantanee, și ca urmare se poate aplică formula (3.9) integrată în raport cu timpul.
Luând pe Q drept puterea sursei, exprimată prin emisia de substanță toxică în grame pe secundă, și considerând că emisia este nelimitată în timp, atunci concentrația va fi dată de
c(x,y,z) , (3.13)
unde r este distanța față de sursă. Pentru cazul în care în timpul emisiei bate vântul, considerăm că sursa cu debitul Q este plasată în originea sistemului de coordonate (fig.3.6) și că vântul bate cu viteza u în direcția axei x; rezultă relația
c(x,y,z) (3.14)
Utilizarea acestor formule trebuie făcută cu mult discernământ și aplicând coeficienți empirici de corecție. Un factor puternic conturbator este apropierea sursei față de sol.
3.2.4. Bilanțul termic al atmosferei și riscurile de poluare ce rezultă – din energia dezvoltată în mod artificial de către om (cuptoare, centrale de forță, mașini, etc.) cea mai mare parte ajunge în final în atmosferă. Având în vedere că și omul însuși, ca și toate animalele, încălzește aerul din jur prin respirație și radiație, avem o imagine clară a acestui flux caloric spre atmosferă.
La poluarea termică a atmosferei omul poate contribui și, în mod indirect, la schimbarea compoziției atmosferice (majorând concentrația bioxidului de carbon) și accentuând astfel efectul de seră. O acțiune contrară este dată de fumul generat în industrie și de toate substanțele ce se regăsesc sub formă de particule atmosferice, care joacă rolul unui ecran.
Din cele de mai sus, se poate deduce că, efectul canalizării deșeurilor calorice ale activității umane spre atmosferă produce nu numai riscul unei poluări termice, ci și al uneia cu efecte meteorologice globale.
3.2.5. Dinamică chimică în atmosferă – aerul nu este un mediu inert pentru agenții poluanți. În afară de acțiunea sa mecanică, ce duce la difuzia – și în general la răspândirea – acestor agenți, aerul mai are și o acțiune chimică, prin faptul că oxigenul liber pe care îl conține îi conferă un caracter oxidant.
Pe lângă acesta, la acțiunea chimică în atmosferă mai concură și alți factori:
iradierea solară, care dă posibilitatea efectuării reacțiilor fotochimice;
regimul termic variabil al atmosferei, care poate duce la accelerarea unor procese chimice în perioadele cu temperatură ridicată;
umiditatea atmosferică, ce lărgeșta gama reacțiilor chimice prin reacții de hidroliză;
contactul continuu – prin turbulență – cu solul și cu suprafața apelor, unde se pot produce interacțiuni chimice suplimentare.
Din cauza acestor procese, viața diferitelor specii de agenți poluanți în atmosferă este destul de limitată; astfel, în troposferă SO2 rezistă 1…6 zile,
NOx – 1…3 zile, F – 3…7 zile, CO – 0,3 ani, hidrocarburile – 1…2 zile,
praful – 3…7 zile.
Rezultă de aici că atmosfera are o oarecare capacitate de autoepurare, bazată pe mișcarea continuă a tuturor substanțelor pe care le include.
3.3. Particularitățile poluării apei
Apa se constituie în factorul de mediu cel mai afectat de poluare, existând numeroase probleme pentru păstrarea calității sale. Ca și în cazul atmosferei, curenții de apă au un rol important atât în efectuarea schimburilor de energie calorică, în distribuția oxigenului, în dispersarea agenților poluanți, cât și în circulația materialelor nutritive.
Gradul specific de încărcare cu agenți poluanți a apei prezintă particularități față de situația întâlnită în atmosferă. În timp ce în aer aceștia se pot afla în orice proporție, în apă acest lucru nu este posibil decât pentru substanțele solubile în apă în orice proporție; pentru cele nemiscibile există o limită de solubilitate peste care concentrația lor nu poate crește.
În cazul în care sursa de poluare este mai puternică, agentul poluant va forma o fază lichidă diferită de cea apoasă (ca de exemplu la poluarea cu produse petroliere).
3.3.1. Bazinele de apă pot fi cu apă dulce sau sărată. Primele provin din canalizarea pe râuri, fluvii și în lacuri a apelor pluviale, iar celelalte se află în oceane, mări și uneori în interior sub formă de lacuri sărate.
Mările și oceanele sunt interconectate, având circulații care duc la amestecarea apelor de pe întreg Pământul.
Apele continentale constituie sisteme ecologice izolate; pot fi curgătoare sau stătătoare. În cazul primelor, turbulența lor ajută difuzia agenților poluanți, încetinește sedimentarea și favorizează aerarea. Poluarea apelor stătătoare este pe de-o parte mai periculoasă deoarece lipsește autoepurarea dată la râuri de curgerea continuă a acestora, dar pe de altă parte poluarea este delimitată la perimetrul lacului sau a bălții.
Mările și oceanele prezintă zone distincte din punct de vedere ecologic, atât pe orizontală cât și pe verticală. Populațiile care formează comunitățile ecologice de la suprafață se divid în plancton (organisme ce nu se pot deplasa împotriva curentului) și necton (format din vietăți care pot înota în orice direcție).
De aici rezultă că planctonul este vector al agenților poluanți paralel cu curenții marini, pe când nectonul poate răspândi poluarea independent de aceștia.
Poluarea de suprafață a mărilor este foarte importantă deoarece peștii canalizează elementele toxice spre hrana omului. Poluarea în regiunea abisală (prin stocarea acolo de containere cu deșeuri toxice sau radioactive) prezintă pericol prin difuzia substanțelor poluante spre suprafață.
3.3.2. Caracterizarea fizico-chimică a apelor este complexă, trebuind luați în seamă mai mulți parametri fizici și chimici, dintre care se menționează:
a) Temperatura, care variază între limite mai restrânse decât cea a aerului, condiționează nu numai prezența și dezvoltarea unor anumite populații, ci și dinamica poluării. Astfel, la temperaturi ridicate oxidarea impurităților organice are loc mai rapid, iar solubilitatea gazelor (și deci și a oxigenului) scade. La temperaturi scăzute, prin îngheț se schimbă condițiile de contact cu mediul.
b) Culoarea și turbiditatea apei influențează absorbția luminii.
c) Suspensiile creează noi posibilități de vehiculare a agenților poluanți, prin adsorbția acestora pe suprafața particulelor în suspensie.
d) Conținutul în substanțe dizolvate, și în special cel de NaCl, influențează foarte mult viabilitatea unor populații acvatice.
e) Conținutul în oxigen dizolvat este deosebit de important pentru organismele aerobe.
f) Conținutul în substanțe organice oxidabile, care consumă prin descompunere oxigenul din apă, este un indiciu chimic important al gradului de poluare. Această caracteristică a apelor se exprimă prin consumul biochimic de oxigen (CBO), sau prin consumul chimic de oxigen (CCO). Valorile mari ale acestora indică o apă foarte poluată.
g) De o mare importanță este și faptul că apa, atât ca substanță chimică reactivă, cât și ca mediu electrolitic de reacție, dă posibilitatea unor numeroase reacții chimice care influențează stabilitatea agenților poluanți (de tipul hidrolizei, a precipitării, etc.).
3.3.3. Surse de poluare – poluanți – sursele de poluare ale apelor de suprafață și subterane sunt următoarele (în principal):
Apele uzate orășenești, provenite din gospodării, restaurante, hoteluri, mica industrie.
Apele uzate industriale, rezultate din folosirea apei în diversele procese tehnologice. Epurate sau nu, ele constituie o sursă de poluare. Apa industrială păstrează, de regulă, caracteristici fizice sau chimice asemănătoare substanțelor utilizate în procesul tehnologic.
Apele uzate de la crescătoriile de animale sau păsări.
Apele uzate rezultate în urma irigării terenurilor agricole, poluate cu fertilizatori organici, pesticide, uneori și cu substanțe toxice din atmosferă.
Apele rezultate prin contactul precipitațiilor cu diferite substanțe nocive (ploile acide, etc).
Apele uzate provenite de la navele maritime sau fluviale (reziduuri lichide și solide provenite din activitatea oamenilor îmbarcați, pierderi de combustibili, lubrifianți sau substanțe toxice transportate, ape de balast).
Apele uzate radioactive.
Apele uzate cu temperaturi ridicate (de exemplu de la termocentrale).
Eutrofizarea – creșterea concentrației de fosfor și azot conduce la înmulțirea rapidă a algelor.
Poluanții provenind din sursele enumerate sunt deosebit de diverși: substanțe organice de origine naturală (țițeiul, taninii, lignina, hidrații de carbon, terpentinele, biotoxinele marine, etc) sau artificială (benzina, motorina, uleiurile, solvenții organici, bitumul, produse medicinale, benzenul, acetona, cloroformul, esterii, sulfura de carbon, hidrocarburile halogenate, detergenții, acizii naftenici, hidrogenul sulfurat, substanțele aromatice, etc), substanțe anorganice, radioactive, substanțe cu alcalinitate sau aciditate pronunțată, microorganisme.
Căile pe care poluanții apelor ajung să perecliteze sănătatea oamenilor sunt diverse:
Ingerarea directă a apei contaminate de către om – apa potabilă trebuie deosebit de bine supravegheată din punct de vedere al contaminării, deoarece retenția substanțelor nocive se face într-un procent mult mai mare din apa poluată decât din aerul poluat.
Ingerarea apei contaminate de către plante și animale, care apoi sunt consumate de om.
Utilizarea apei contaminate pentru irigații, de unde este preluată mai întâi de către plante, apoi direct sau prin intermediul animalelor domestice ajungând la om.
Acumularea agentului poluant pe plajele sau pe fundul bazinelor și zonelor litorale folosite în scopuri sportive sau de agrement.
3.4. Particularitățile poluării solului
Solul poate fi poluat direct – prin deversarea de deșeuri sau din utilizarea pe terenurile agricole a îngrășămintelor și pesticidelor – sau indirect – prin depunerea agenților poluanți ejectați inițial în atmosferă, prin apa ploilor contaminate, prin transportul de către vânt a agenților poluanți dintr-un loc în altul, prin infiltrarea în sol a apelor contaminate.
Nivelul contaminării solului depinde de mai mulți factori: depărtarea față de sursele directe de poluare (de exemplu coșuri de fum), regimul ploilor, vegetația care acoperă solul precum și natura însăși a solului. Umiditatea solului are de asemenea influență asupra persistenței agenților poluanți, ca și temperatura solului.
De remarcat că solul poate fi contaminat și în mod natural, fie prin prezența excesivă a unor microelemente, fie prin prezența unor plante direct otrăvitoare sau care conțin produși ce odată introduși în lanțul alimentar dau efecte vătămătoare la animale.
În continuare, sunt enumerate principalele surse de poluare a solului:
Irigarea cu ape uzate orășenești sau cu ape industriale insuficient epurate. Concentrațiile maxime admisibile pentru diferitele substanțe în apa de irigat (categoria a III-a de calitate), sunt date în STAS 4706 / 88.
Emisiile nocive, rezultat al mai multor procese industriale, circulației auto, chimizării agriculturii. Foarte periculoase sunt emisiile de Pb, Cd, Cu, Zn, care apar de obicei în industriile metalurgiei neferoase, extractivă, chimică. Emisii de F apar în vecinătatea fabricilor chimice, de aluminiu, ceramică, ciment și a centralelor termoelectrice. Pesticidele se acumulează uneori în sol atingând concentrații periculoase.
Reziduurile petroliere care apar în vecinătatea sondelor sau a rafinăriilor de petrol, a conductelor de transport a țițeiului sau a produselor petroliere.
Dejecțiile provenite de la combinatele de creștere a animalelor și păsărilor.
Reziduurile menajere, stradale și industriale, ca și nămolurile rezultate în stațiile de epurare.
Recultivarea terenurilor care anterior au fost utilizate ca halde de cărbune, steril, cenușă.
Substanțele radioactive.
Rezervoarele îngropate, utilizate pentru depozitarea țițeiului, produselor petroliere, a substanțelor chimice, la care apar scurgeri datorită degradării pereților.
Poluarea biologică cu diverși germeni patogeni prezenți în reziduurile aruncate pe sol.
3.5. Particularitățile poluării factorilor biologici
Contaminarea factorilor biologici și răspândirea poluării prin intermediul lor depinde de încorporarea agenților poluanți în diferite organisme și transmiterea lor prin rețeaua trofică, ca și de schimbarea formei chimice a elementului contaminant prin diferite procese metabolice, apărând astfel posibilitatea ca agentul poluant să apară sub forme noi.
În cazul în care rata influxului de agent poluant într-un organism este mai mare decât rata descompunerii sau eliminării sale, sau când descompunerea este imposibilă, se produce acumularea sa în acel organism. Calculul acesteia este complex, deoarece depinde de mai mulți factori.
Există numeroase exemple de încorporări de agenți poluanți în organisme: metale grele (Hg, Pb, Bi), radionuclizi diverși, pesticide, etc. Unii dintre aceștia pot străbate mai multe nivele trofice, pe când alții sunt neutralizați la primul pas.
O substanță care se poate distruge în timp prin procese fizice și biochimice se numește biodegradabilă; substanța cu proprietăți contrare prezintă recalcitranță moleculară.
Interesul general în lupta contra poluării mediului ambiant este de a impune economiei mondiale utilizarea numai a substanțelor ale căror deșeuri sunt biodegradabile.
4. CONTROLUL CONTAMINĂRII MEDIULUI AMBIANT
Controlul contaminării mediului ambiant se referă la problemele de detecție și măsurare a agenților poluanți, de organizare a sistemului de control și supraveghere pe teren, ca și de adoptarea unor norme privind expunerea maximă admisibilă a omului la acțiunea acestor agenți. Într-un cadru mai general, aceste măsuri trebuie extinse la întreaga faună și floră și la toate resursele mediului înconjurător.
Detecția și măsurarea contaminării mediului ambiant se poate face prin:
detecție organoleptică;
utilizarea indicatorilor biologici;
detecție și măsurare instrumentală prin metode fizico-chimice.
4.1. Detecția organoleptică
Detecția organoleptică este limitată de proprietățile agentului poluant (care trebuie să aibă efect asupra simțurilor), pe de o parte, și de sensibilitatea organismului uman la excitarea produsă de agentul poluant, pe de altă parte.
Aportul simțurilor la această detecție este următorul:
– vederea ajută la depistarea fumului, a smogului, a turbidității și colorației apei, la descoperirea petelor de ulei ca și a altor agenți poluanți pe teren, precum și la observarea efectelor secundare ale poluării, în special a celor care duc la vătămarea vegetației;
– gustul poate fi utilizat la aprecierea calității apei potabile;
– mirosul este foarte eficient la depistarea agenților poluanți atmosferici – la miros se pot adăuga și primele simptome de iritare a aparatului respirator, care de asemenea pot fi mijloace de depistare a unor agenți poluanți din aer; există însă și substanțe periculoase dar complet inodore;
– auzul este un indicator fin al poluării sonore, putând înlocui orice alt mijloc de detectare din acest domeniu; auzul nu este, însă, eficient în domeniul infrasunetelor și al ultrasunetelor.
4.2. Indicatorii biologici
Utilizarea indicatorilor biologici pentru caracterizarea gradului de poluare se bazează pe reacțiile biologice ale indivizilor, populațiilor și biocenozelor în diferite condiții de poluare a mediului.
Valabilitatea acestui test este justificată de următoarele constatări:
diferiți agenți poluanți acționează selectiv asupra organismelor, și de aceea diferitele funcții fiziologice vor fi influențate diferit – se pot astfel defini unele funcții mai sensibile, care pot fi utilizate ca indiciu al existenței și chiar al intensității noxei;
diferitele populații de viețuitoare reacționează diferit la prezența unor anumiți factori nocivi în mediul ambiant, adică unele sunt mai sensibile decât altele – această sensibilitate poate fi constatată atât prin faptul că prezența unui anumit factor favorizează proliferarea populației, cât și prin aceea că prezența altuia poate duce la dispariția acestei populații;
biocenozele în întregime sunt influențate de prezența unor anumiți agenți poluanți, ca atare ele schimbându-și compoziția și chiar textura trofică.
Deocamdată, studiul indicatorilor biologici se utilizează mai ales pentru caracterizarea apelor poluate, dar sunt și situații de astfel de indicatori pentru poluarea aerului sau solului.
4.3. Metode instrumentale pentru determinarea poluării aerului
Clasificarea metodelor instrumentale pentru determinarea poluării aerului se poate face din mai multe puncte de vedere, ca de exemplu:
după scara de aplicare, se pot distinge metode globale, care dau rezultatul privind un grup de agenți poluanți, fără a specifica natura particulelor impurificatoare, și metode analitice de detaliu, care separă componenții poluării atmosferice;
după natura lor există metode fizice (bazate pe determinarea de temperaturi, spectre, radioactivități), chimice (care reclamă prelucrări prin reacții chimice) și biologice (care se referă la impuritățile bacteriene, și care de obicei se tratează separat);
după locul de aplicare pot fi metode de laborator sau metode in situ.
4.3.1. Metode in situ, la care după locul de observație se pot face determinări terestre și determinări spațiale.
Determinări terestre – cu ajutorul unei aparaturi de uz curent se pot defini caracteristicile fizice ale atmosferei care pot indica un anumit grad de poluare, ca de exemplu:
Poluarea termică se poate urmări cu ajutorul termometrelor obișnuite, a termografelor înregistratoare sau a termometrelor cu releu de semnalizare la un post central.
Poluarea sonoră se poate urmări cu aparatură specială pentru înregistrarea intensității radiației mecanice, pe diferite frecvențe.
Debitul dozei de radiații ionizante în aer se poate măsura cu ajutorul radiometrelor; de asemenea, detectarea și măsurarea poluării atmosferice cu aerosoli radioactivi se poate face utilizând aparate dotate cu filtre speciale și agregate de numărare.
Determinarea turbidității atmosferice atât ca indiciu de vizibilitate cât și ca indiciu de putere a surselor de poluare se poate face prin exprimarea distanței de vizibilitate.
Determinări spațiale – progresele realizate în cercetarea spațială permit determinarea, la distanțe foarte mari, a compoziției chimice a atmosferelor planetare; este deci cu atât mai ușor să se determine prin intermediul sateliților compoziția și gradul de poluare a atmosferei terestre în diferite locuri și la diferite date.
Se realizează astfel, de exemplu, estimarea nivelului de radiații (cu radiometre), a turbidității atmosferice (prin metode bazate pe difuzia luminii), ca și analiza în detaliu a compoziției atmosferice (prin metode spectrografice clasice sau cu ajutorul laserilor).
4.3.2. Metode de laborator – sistematizarea metodelor analitice de laborator pentru detectarea și măsurarea agenților poluanți nu este ușor de realizat din următoarele motive:
numărul, deja ridicat, de agenți poluanți atmosferici este în continuă creștere, pe măsură ce tehnologiile moderne lansează noi substanțe utilizate ca materii prime, ca produse intermediare sau care rezultă ca deșeuri;
diversitatea surselor de poluare și varietatea chimismului agenților poluanți necesită în practică utilizarea tuturor capitolelor chimiei analitice și a metodelor fizice aplicate în analiza chimică;
varietatea acțiunilor fiziologice ale agenților poluanți impune cerințe diferențiate în ceea ce privește sensibilitatea metodelor analitice;
lipsa de coordonare existentă încă pe plan mondial, care face ca standardele, normele și metodele analitice ale unor țări diferite să nu concorde între ele.
Un punct delicat în analiza agenților poluanți constă în dificultatea de colectare totală a lor, la concentrațiile infime în care se găsesc în atmosferă, în unele cazuri.
Deoarece mulți dintre agenții poluanți foarte importanți există și în mod normal – dar în cantități reduse – în atmosferă, nu este suficient să se determine doar calitativ prezența acestora, ci mai trebuie să se efectueze și o determinare cantitativă, pentru a se realiza când se depășește pragul de poluare.
Detaliile tehnice de colectare a probelor pentru analize depind de starea în care se găsește agentul poluant: gaz, aerosol, praf. În general, se utilizează următoarele metode:
filtrare și impactori, pentru substanțe poluante sub formă de particule mai mari de 5m;
absorbanți – cilindri de PbO2 pentru sulf, hârtie impregnată cu CaCO3 pentru fluoruri, plăci impregnate cu acetat de plumb pentru sulfuri, cauciuc pentru ozon;
captări de gaze – în baloane, prin absorbție în lichide sau solide, adsorbție sau concentrare.
În conformitate cu normele ISO, la colectarea probelor trebuie respectate următoarele:
prelevarea de substanțe nocive trebuie să fie reprezentativă – adică să prezinte de o manieră fidelă aceleași calități și caracteristici cu volumul de aer din care s-a făcut colectarea;
prelevarea trebuie să respecte compoziția reală a agenților poluanți, atât din punct de vedere fizic (mărimea particulelor) cât și în ceea ce privește compoziția chimică;
uneori, prelevarea trebuie să fie izocinetică – viteza curentului de aer ce pătrunde în sonda de prelevare (ajunge la colector) să fie egală cu viteza generală a curentului de aer.
Colectorii de particule pot fi integrali (colectează toate particulele din aer) sau selectivi (diferențiază particulele după granulometria lor). Din prima categorie fac parte filtre de cele mai variate construcții.
Filtrele de celuloză au o eficacitate de 40…98% în reținerea particulelor din aer; au avantajul că se descompun ușor, nelăsând reziduu semnificativ care să interfereze în analizele chimice ulterioare, dar se îmbâcsesc, neputând fi păstrate mult timp în condiții identice de prelevare.
Filtrele de celuloză amestecată cu fibre de azbest rezistă mai bine la acțiunea agenților corozivi, având o eficiență superioară: 96…99%; sunt foarte durabile, dar nu se descompun în timpul prelucrărilor chimice.
Filtrele din fibre de sticlă au o eficiență de reținere mai mare de 99%; sunt utilizabile și la temperaturi ridicate și se îmbâcsesc mai puțin decât precedentele; sunt scumpe și fragile.
Filtrele din materiale organice sintetice au o eficiență de reținere foarte bună și se utilizează tot mai frecvent în scopuri analitice.
Membranele filtrante sunt constituite din geluri poroase și seci de acetat sau nitrat de celuloză. Prezintă avantajul că diametrul porilor și, deci, capacitatea de reținere granulometrică a particulelor, poate fi reglat, prin procedeul de fabricație, între 10 nm…10m.
Există și membrane metalice, constituite din filme foarte subțiri din materiale maleabile, cum ar fi de exemplu argintul; acestea au avantajul că rețin și halogenii, odată cu impuritățile sub formă de particule.
Pentru colectarea particulelor din aer se mai pot utiliza și fenomene fizice cum ar fi:
Electroforeza, care se produce într-un gradient de câmp electric, aerosolii fiind încărcați din punct de vedere electric; se pot colecta astfel particule cu dimensiuni între 1nm…5m;
Gradientul gravific, care produce sedimentarea particulelor cu viteze diferite după dimensiuni;
Termoforeza, care se manifestă în câmp termic cu gradient accentuat, utilizată pentru colectarea particulelor cu dimensiuni de 1nm…10m;
Fotoforeza, care se manifestă în prezența unui flux puternic de lumină;
Difuzoforeza, care apare în prezența unui gradient de concentrație a vaporilor.
O separare, chiar mai clară după granulometrie, se poate face cu aparate de prelevare bazate pe efecte de inerție (fig.4.1).
Dacă un curent de aer încărcat cu aerosoli întâlnește un perete perpendicular pe direcția curentului, se vor produce curenți de conturnare (înconjurare) a obstacolului.
Particulele mai mari, datorită inerției lor mai accentuate, nu vor putea fi antrenate rapid de acești curenți și se vor izbi de perete, care – dacă este acoperit cu un strat de adeziv – le va reține. Particulele mai mici vor fi antrenate de curenți și vor trece de obstacol.
Prin modificarea formei canalului de scurgere a aerului se vor putea aranja în serie impactori cu ajutaje de dimensiuni diferite, care vor colecta particulele din aer după granulometria lor.
În ceea ce privește colectarea probelor de gaze propriu-zise, se utilizează adsorbția pe cărbune activ – simplu sau impregnat, cu eficiență de reținere ridicată mai ales la temperaturi scăzute, silicagel – care fiind alb dă posibilitatea de a se efectua reacții de identificare și dozare colorimetrică direct pe eșantion, hârtie de filtru – în care se incorporează particule de cărbune activ, pentru a reține simultan aerosolii și gazele, sau site metalice – de cupru sau argint, care trebuie să fie protejate de un filtru.
Întrucât poluarea aerului cu agenți toxici prezintă un risc imediat pentru personalul întreprinderilor-surse de noxe, ca și pentru populația din vecinătate, este necesar controlul continuu al stării de poluare a atmosferei și chiar a aerului din încăperile de lucru. Acest lucru trebuie făcut pe de-o parte pentru a determina expunerea organismelor la noxele respective, iar pe de alta pentru a se putea da alarma la timp în caz de necesitate.
În principiu, un aparat pentru controlul continuu se compune din: un sistem de vehiculare a aerului, un traductor (care să convertească proprietatea caracteristică concentrației agentului poluant în cauză într-un semnal electric sau optic) și un aparat de măsură.
Ca sistem de vehiculare a aerului se utilizează de obicei aspiratoare dotate cu rotametre. Dispozitivele de măsură depind de tipul traductorului; ca traductori se pot utiliza:
spectrometre în ultraviolet sau infraroșu, care măsoară absorbanța – pe anumite lungimi de undă – a aerului trecut prin celula aparatului, fără nici o tratare prealabilă;
traductori cu titrare gazoasă, când se presupune fie adăugarea unui gaz adecvat celui cercetat, fie extragerea unor componente din aer; se măsoară apoi transmisia la anumite lungimi de undă sau conductivitatea termică și din diferențele semnalate față de probele etalon se determină concentrația agentului poluant vizat;
traductori funcționând prin metoda schimbului, care se aplică atunci când agentul poluant nu prezintă caracteristici spectrale sau electrice ușor măsurabile, dar poate reacționa cu un anumit reactiv, care să pună în libertate – în aceeași reacție – un alt gaz mai ușor măsurabil;
senzorii electrochimici, care presupun absorbția agentului poluant din aer într-o soluție cu anumiți reactivi, și apoi măsurarea variației unei proprietăți electrochimice a soluției;
traductori bazați pe metode colorimetrice, pentru aplicarea cărora gazul este trecut printr-o soluție cu un reactiv, care, în prezența agentului poluant vizat, virează în culoare; intensitatea culorii se măsoară fotometric în curentul de gaz și se înregistrează.
4.3.3. Determinarea contaminării radioactive a aerului – măsurătorile in situ ale radioactivității atmosferice sunt împiedicate de prezența radiației cosmice și de cea telurică, ambele influențând aparatura radiometrică și necesitând folosirea de ecranări neeconomice; de aceea, pentru aceste determinări se utilizează mai ales metoda de prelevare de probe din aer, analizate ulterior în laboratoare.
Prelevările de probe se fac de obicei prin captări de volume integrale de aer, sau prin captări selective de aerosoli. Determinarea activității se poate face introducând direct un contor GM în masa de aer cercetată sau utilizând o cameră de ionizare în regim proporțional, în care determinarea se face în flux continuu de aer cercetat.
Metoda de colectare a aerosolilor radioactivi dintr-un volum mai mare pe un filtru cu mare eficiență de reținere este mai precisă; se poate aplica și metoda de reținere a gazelor radioactive prin absorbție pe cărbune activ sau silicagel, la temperaturi scăzute (sistemul de captare se răcește cu azot lichid).
După captare, aerosolii radioactivi se măsoară cu ajutorul unui lanț spectrometric gama de înaltă rezoluție, pentru a separa direct liniile spectrale ale radionuclizilor individuali; dacă acest lucru este imposibil, se recurge la separări radiochimice prealabile.
Contaminarea atmosferei se poate determina și indirect, prin măsurarea depunerilor pe sol și pe vegetație a substanțelor radioactive.
4.4. Metode instrumentale pentru determinarea poluării apei
4.4.1. Condiții generale de puritate a apei. Pentru a putea aprecia gradul de poluare al apei este necesară definirea prealabilă a purității sale; aceasta este o noțiune relativă. În România, condițiile de calitate a apelor pentru diferite întrebuințări sunt redate în standarde.
Pentru apa potabilă, care poate deveni un vector important în injectarea în lanțul alimentar a agenților poluanți, STAS 1342-80 impune verificarea ei din următoarele puncte de vedere:
proprietăți organoleptice: culoare, miros, gust, turbiditate;
proprietăți fizico-chimice: temperatură și concentrații maxime admisibile în elemente chimice și compuși care au acțiune biologică dăunătoare;
proprietăți radioactive;
proprietăți bacteriologice: conținutul de germeni patogeni;
proprietăți biologice: prezență de organisme și particule abiotice.
Apele de suprafață, care prezintă cel mai ridicat risc de poluare, sunt împărțite conform STAS 4706-88 în trei categorii, după cum urmează:
Categoria I-a – utilizate la alimentarea centralizată cu apă potabilă, alimentarea întreprinderilor din industria alimentară și a unităților agrozootehnice, reproducerea și dezvoltarea salmonidelor în anumite zone ale cursurilor de apă, alimentarea ștrandurilor organizate.
Categoria a II-a – pentru alimentarea amenajărilor piscicole, scopuri urbanistice și de agrement.
Categoria a III-a – folosite la alimentarea sistemelor de irigații, alimentarea întreprinderilor industriale (pentru necesități tehnologice), alte folosințe neincluse în primele două categorii.
În mod evident, apele din prima categorie prezintă condițiile de calitate cele mai stricte. Se mai face mențiunea că, în cazul apelor de suprafață cu aciditate și mineralizare ridicată, se pot aduce unele modificări la parametrii respectivi (pH, salinitate), cu avizul organelor de control. De asemenea, în cazul în care în apă se determină prezența mai multor substanțe toxice, se are în vedere efectul cumulativ al acestora.
4.4.2. Determinarea impurificării organice. Pentru organismele acvatice prezența substanțelor organice în apă reprezintă o sursă de hrană fără de care ele nu pot exista. Ridicarea conținutului în aceste substanțe este, astfel, un factor pozitiv, dar, pe de altă parte, faptul că substanțele organice – cu caracter reducător – consumă oxigenul dizolvat în apă, și el necesar organismelor aerobe, are în același timp un efect negativ.
Cu alte cuvinte, substanțele organice din apă pot acționa ca un agent poluant periculos; pentru a caracteriza acest risc de poluare trebuie făcute determinări de laborator atât în ceea ce privește disponibilul de oxigen din apă, cât și pentru necesarul pentru oxidarea substanțelor organice existente.
Conform STAS 6536-62, determinarea conținutului de oxigen dizolvat se face pe baza reacției de oxidare a hidroxidului de mangan divalent la hidroxid de mangan trivalent, în soluții puternic alcaline; acesta din urmă oxidează iodul din iodurile alcaline, punându-l în libertate:
4Mn(OH)2 + O2 + 2H2O 4Mn(OH)3 , (4.1)
2Mn(OH)3 + 2NaI 2Mn(OH)2 + 2Na(OH) + I2 . (4.2)
În final, iodul pus în libertate este titrat cu tiosulfat de sodiu.
Determinarea consumului biologic de oxigen este standardizată prin STAS 6560-62. Probele de apă trebuie aduse la pH de 6,5…8,5, trebuie îndepărtat clorul din ele, odată cu toți inhibitorii activității microbiene, după care se saturează cu oxigen. Se incubează apoi la 20C timp de cinci zile; diferența dintre conținutul inițial de oxigen în apă și cel final reprezintă indicatorul CBO5 (consumul biochimic de oxigen la cinci zile).
În literatura de specialitate de pe plan mondial acest indicator este denumit BOD (Biological Oxygen Demand).
Determinarea consumului chimic de oxigen este reglementată de STAS 6954-64 și se referă nu numai la oxidarea substanțelor organice, ci și la a celor anorganice oxidabile. Oxidarea se face cu dicromat de potasiu în mediu acid (acid sulfuric în exces), în prezența sulfatului de argint drept catalizator. Apoi excesul de bicromat se titrează cu sulfat dublu de fier și amoniu. În literatura de specialitate din țară rezultatul aceastei probe se simbolizează prin CCO-Cr, iar pe plan mondial prin COD (Chemical Oxygen Demand).
4.4.3. Determinarea agenților toxici. Concentrațiile maxime admisibile pentru principalii agenți poluanți din apa potabilă sunt date de STAS 1324-71, iar pentru apele de suprafață de STAS 4706-66.
Pe lângă metodele chimice clasice de analiză, bazate pe gravimetrie sau volumetrie, se mai utilizează și metode moderne ca gaz-cromatografia, spectrofotometria de absorbție moleculară, spectrometria de masă.
Uneori, analizele fizice și chimice se completează cu teste biologice. În cazul în care nu se pot face analize de detaliu, se aplică unele metode globale, care dau indicații asupra unor grupe de agenți poluanți.
4.4.4. Măsurarea contaminării radioactive a apei se poate face fie in situ, prin sonde introduse direct în apa care se cercetează, fie prin prelevări de probe și analiza lor radiochimică în laborator. Prima metodă dă numai o informare globală asupra nivelului de contaminare, în timp ce a doua permite obținerea de date complete asupra radionuclizilor individuali.
În laborator este necesar a se proceda la concentrarea radionuclizilor din probă, care se poate face prin evaporarea apei, prin concentrarea radionuclizilor pe coloane schimbătoare de ioni sau prin metode de concentrare electrochimică.
Când în apă se găsesc mai mulți radionuclizi, trebuie să fie respectată condiția
(C/Cmax) 1 , (4.3)
unde C este concentrația fiecăruia dintre cei n radionuclizi, iar Cmax concentrația maximă admisă pentru radionuclidul respectiv în apa potabilă.
4.5. Determinarea poluării suprafețelor
Determinarea poluării suprafețelor se poate face prin mai multe metode. Cea mai simplă posibilitate este de a preleva o porțiune din materialul de la suprafață, efectuând apoi analize de laborator asupra sa. Dacă nu se dorește deteriorarea suprafeței, se poate aplica metoda frotiurilor (a măștilor).
Potrivit acesteia, o porțiune delimitată a suprafeței este ștearsă cu un tampon uscat sau impregnat cu anumite substanțe (cu capacitate de solubilizare a agenților poluanți, sau de transformare a lor în produși solubili). Tamponul este apoi dus la laborator, unde substanța prelevată este analizată chimic. În ultimul timp, pentru operativitate, s-au pus la punct aparate care pot efectua controlul pe loc; dintre acestea pot fi menționate:
Analizorul ionic de microprobe, al cărui principiu se bazează pe bombardarea probei cu ioni produși într-un duoplasmotron și accelerați la 5…22,5 kV. Ionii smulși din probă sunt analizați la un spectrometru de masă cu dublă focalizare. Poate lucra la punct fix sau prin baleiere. Poate face simultan analize pentru mai multe elemente, cu o sensibilitate sub 1ppm.
Analizorul electronic de microprobe are un principiu similar cu precedentul, dar în locul ionilor se folosesc electroni accelerați. Aparatul are oarecare limitări impuse de faptul că emisia de radiații X este continuă, ceea ce face să nu poată fi utilizat pentru elemente chimice cu număr de ordine mic sau în concentrații prea scăzute.
Analizorul laser folosește un generator laser care să producă plasmă la 100000K. Ionii astfel generați sunt analizați prin spectrometrie de masă sau optică.
Analizorul prin spectroscopie electronică bombardează proba cu un fascicul monoenergetic de radiații X, de electroni sau de fotoni. Electronii ejectați din învelișurile interioare ale atomilor prezenți la suprafața cercetată sunt apoi analizați după energie.
Spectrometrul de difuzie ionică bombardează proba cu ioni de gaze zerovalente și apoi detectează ionii difuzați la 90 prin ciocniri binare simple. Se poate aplica și la determinarea contaminării pe adâncime (viteza de penetrație este de 3….150 straturi individuale de atomi pe oră), precum și a membranelor biologice înghețate.
Analizorul electronic Auger bombardează suprafață cercetată cu electroni. Rezultă electroni secundari care au energii caracteristice pentru atomii din care provin. Este sensibil și pentru elementele cu număr de ordine mic. Diametrul fasciculului de electroni fiind foarte mic (sub 5m) se poate face determinarea foarte exactă a poziției zonei contaminate.
Analizorul alfa prin retrodifuzie. O sursă foarte pură, emițătoare alfa, trimite un fascicul de particule pe suprafața cercetată. Se analizează particulele alfa retrodifuzate, energiile lor depinzând de elementele aflate în compoziția suprafeței.
4.6. Sistemul de supraveghere-observare (monitoring) a mediului
Programul de supraveghere-observare a stării mediului Terrei are trei componente:
Sistemul global de monitoring al mediului – Global Environement Monitoring System (GEMS) – recunoscut și aplicat în 142 de țări (în 1990) și Monitoring-ul de fond, global, integrat – Integrated Global Background Monitoring (IGBM);
INFOTERRA – sistem de informații cu rețele în 140 de țări;
Registrul internațional privind substanțele chimice potențial toxice – International Register of Potential Toxic Chemicals (IRPTC).
4.6.1. Sistemul global de monitorizare a mediului (GEMS) cuprinde 25 de rețele majore de monitoring global, în care sunt implicați 30000 de oameni de știință și tehnicieni, finanțarea acestora fiind făcută de guverne și de diferite agenții internaționale.
GEMS asigură cu date științifice din domeniul protecției mediului guvernele din toată lumea, respectiv diferitele instituții și agenții internaționale. În scopul realizării acestei activități, GEMS este organizat pe cinci mari domenii: climă, poluare transfrontieră, refacerea resurselor naturale terestre, oceane, poluarea mediului.
Activitatea sistemului constă în măsurători repetate ale variabilelor sau indicatorilor mediului înconjurător, a componentelor vii sau abiotice ale mediului, precum și în investigarea transferului de substanțe sau energii de la o componentă a mediului la alta, cu scopul evaluării și prognozării stării mediului.
Monitoring-ul de fond se realizează înainte de intervenția poluării mediului, în timp ce acel de impact se intervine după intrarea în funcție a surselor de poluare.
4.6.2. Monitoring-ul de fond, global integrat, al poluării mediului (IGBM) are ca obiective generale:
observarea și înregistrarea stării actuale a mediului și a factorilor care îl pot afecta;
evaluarea, în mare, a stării generale actuale a mediului și a factorilor de impact;
programarea și evaluarea stării viitoare a mediului, pe baza unor măsurători cât mai actuale;
stabilirea direcțiilor principale ale compușilor care au surse naturale;
stabilirea direcțiilor principale pentru a servi ca nivel de referință pentru sistemele similare din zonele mai afectate de impact;
identificarea tendințelor curente și de viitor ale poluanților, în zonele afectate de aceștia.
În detaliu, obiectivele IGBM sunt:
înregistrarea datelor de bază, obținute prin măsurători, în diferite zone poluate;
stabilirea datelor de bază pentru parametrii ecosistemelor;
implementarea unui sistem de alarmă pentru alarmarea la nivel de țară, regiune, guvern local a răspândirii poluanților;
evaluarea contribuției umane la protecția de fond a mediului;
determinarea fluxului de poluanți și migrația acestora în ecosisteme;
investigarea transformărilor suferite de poluanți în mediu și evaluarea impactului acestor transformări (respectiv a poluanților secundari);
determinarea tendințelor poluării de fond a mediului și a componenților biotici, pe baza unor observații de lungă durată;
identificarea regularităților spațiale în răspândirea poluării pe continente;
evaluarea tuturor poluanților și identificarea zonelor critice de acumulare a lor în biosferă.
Realizarea obiectivelor de mai sus necesită respectarea unor principii de desfășurare și implementare a IGBM, redate în cele ce urmează:
Toți parametrii se măsoară în mod unitar, în cadrul proceselor fizice, chimice și biologice;
Întotdeauna se are în vedere, în cazul în care este posibil, corelarea diferitelor tipuri de observații, fapt pentru care acestea trebuie să rezulte din măsurători făcute în același timp și spațiu;
Se recomandă elaborarea unui program unificat de observații pentru toate stațiile;
Se folosesc metode unificate de observații și pentru determinările fizice, chimice, etc.; în același sens se utilizează aceleași standarde, criterii de comparație, terminologii;
Trebuie creat un sistem de stații de observații dotate, pe cât posibil, cu laboratoare proprii, cu respectarea standardelor naționale sau internaționale;
Se recomandă adoptarea unui sistem adecvat de colectare, prelucrare, interpretare și evaluare a datelor, corelate pe plan regional, național și internațional.
Datele necesare care trebuiesc obținute în stațiile de monitoring de fond sunt: lista poluanților considerați ca principali, de origine antropică, care vor fi urmăriți; zonele expuse impactului poluării; frecvența observațiilor; observații concomitente sau suplimentare.
Alegerea amplasamentului stațiilor IGBM se face ținând cont de câteva recomandări:
amplasamentele trebuie alese în zone în care, în general, nu vor fi schimbări semnificative în folosirea suprafeței respective, într-un interval de cel puțin cinci ani, pe o rază de o sută de km;
amplasamentele se aleg departe de centrele populate, autostrăzi, rute aeriene, etc.;
trebuiesc evitate zonele cu fenomene naturale ieșite din comun, ca de exemplu erupții vulcanice, păduri care pot arde, curenți de praf sau nisip, etc.;
amplasamentele trebuiesc situate la altitudini de peste 1500 m.
4.6.3. Sistemele naționale globale de monitoring al mediului GEMS-RO și IGBM-RO au apărut practic imediat după înființarea celor două sisteme cu caracter internațional. Funcționează trei subsisteme: unul pentru apă, altul pentru aer iar al treilea pentru sol; acestea sunt concepute astfel încât să corespundă domeniilor anterior menționate: climă, poluare transfrontieră, refacerea resurselor naturale terestre, oceane (mări) și poluarea mediului.
Subsistemul GEMS-RO și IGBM-RO pentru apă delimitează trei grupe de resurse, după natura formațiunilor hidrologice: ape curgătoare de suprafață, ape stătătoare și ape subterane freatice; de activitatea acestui subsistem răspunde Ministerul apelor, pădurilor și protecției mediului, prin unitățile sale subordonate: Institutul de cercetări pentru ingineria mediului și Direcțiile apelor.
Monitoring-ul calității apei se face în două variante: flux informațional rapid și flux informațional lent, în 65 (respectiv 275) de secțiuni de control; în prima variantă urmărirea este zilnică, permițând intevenția promptă în cazul unor accidente, în timp ce în a doua se fac determinări lunare pe Dunăre, râurile principale și afluenții semnificativi din punctul de vedere al poluării.
Activitatea de monitoring este organizată pe bazine hidrografice, fiecare bazin fiind aferent unei Direcții a apelor. Analizele fizice, chimice, hidrobiologice sunt efectuate, în general, prin metode manuale, stațiile automate de control fiind arareori existente.
Subsistemul GEMS-RO și IGBM-RO pentru aer este, de asemenea, sub controlul Ministerul apelor, pădurilor și protecției mediului, prin intermediul Institutului național de meteorologie și hidrologie. Acesta din urmă determină în circa 50 de zone urbane calitatea aerului, prin măsurarea concentrațiilor de CO2, NO2, NH3, H2S, pulberi sedimentabile, radionuclizi. În zonele puternic industrializate măsurătorile se compară și cu cele făcute de industria din zonă.
Ca și în cazul apelor, există aceleași două variante în ceea ce privește fluxul informațional: rapid și lent.
Se fac, de asemenea, măsurători referitoare la calitatea precipitațiilor în 100 de zone, urmărindu-se conductivitatea, pH-ul, aciditatea/alcalinitatea, etc.
Subsistemul GEMS-RO și IGBM-RO pentru sol este în grija Ministerului agriculturii și alimentației, prin Institutul de cercetări pentru pedologie și agrochimie.
Ca indicatori ce caracterizează fenomenele care afectează calitatea solului, se au în vedere pH-ul, conținutul de P, K, N, F, sărurile solubile, eroziunea, compoziția scurgerilor de suprafață, excesul de umiditate, compactarea, conținutul de nitrați, metale grele, contaminarea cu agenți patogeni, acoperirea solului cu reziduuri solide. Determinările sunt făcute de Oficiile județene de studii pedologice și agrochimce.
5. METODICA PREVENIRII ȘI LICHIDĂRII
POLUĂRII MEDIULUI AMBIANT
5.1. Principii de protecția mediului
În stadiile precedente de poluare a mediului prin activitățile desfășurate de om, exista așa-numita doctrină 2D – dispersarea și diluarea deșeurilor. Aceasta se baza pe volumele mari de aer și apă și pe suprafețele mari de teren existente, comparativ cu volumul poluanților.
În momentul de față, aceasta nu mai corespunde realității, datorită creșterii accelerate a volumului de deșeuri eliminate în mediul ambiant, ca și din cauza creșterii toxicității noilor agenți poluanți, care obligă la un grad de diluție mai înalt pentru dispersare.
În această situație, se impune adoptarea unei noi abordări a problematicii combaterii efectelor poluării – doctrina 2C – concentrare + confinare (îngrădire). Astfel, eforturile trebuiesc îndreptate spre controlul emisiilor de agenți poluanți, spre captarea acestor agenți și spre condiționarea lor într-o formă stabilă nedispersabilă.
Etapele succesive ale efortului antipoluant trebuie să fie:
1 – reducerea emisiilor de agenți poluanți;
2 – canalizarea și captarea acestora;
3 – tratarea deșeurilor și eliminarea lor.
Ca scopuri imediate ale acestei acțiuni se menționează:
protecția populațiilor biotopurilor de interes economic și științific;
asigurarea resurselor naturale ale mediului – aer, apă și sol – curate;
asigurarea reciclării naturale a materialelor organogene;
păstrarea elementelor mediului ambiant de interes estetic și recreativ.
5.2. Reducerea emisiilor de agenți poluanți în mediul înconjurător
În contextul reducerii noxelor din mediul ambiant se pune – cu o pondere însemnată – problema economicității soluțiilor preconizate. Toate cazurile care survin în practică trebuiesc bine analizate, adoptându-se următoarea gradație a riscurilor:
1 – Sistarea operațiunii economice, atunci când poluarea rezultată este foarte mare, când avantajul economic al operațiunii este dispensabil și nu se întrevăd pentru moment posibilități practice de înlăturare a agentului poluant; în această categorie se încadrează îndepărtarea din zonele urbane a industriilor puternic poluante.
2 – Modificarea procesului tehnologic, în sensul reducerii emisiunii de noxe, sau adoptarea de utilaje și instalații care să lichideze agentul poluant înainte de dispersia sa în mediul ambiant.
3 – Continuarea operațiunilor nemodificate, în cazul în care avantajul economic poate acoperi riscurile reduse de poluare – soluție doar cu caracter temporar.
Acțiunea de reducere a emisiei poluante trebuie să fie bazată pe următoarea analiză:
determinarea exactă a acțiunii biologice a agentului poluant asupra biocenozelor locale;
determinarea exactă a acțiunii agentului poluant asupra comunităților umane locale;
determinarea exactă a altor noxe concurente în regiune;
calculul costului investiției raportat la gradul de reducere a emisiei poluante, pentru diferite variante de efectuare a acestei reduceri;
studiul variantelor de modificare a procesului tehnologic.
Această analiză trebuie făcută având în vedere necondiționat elementele de mediu locale, pentru că, la același proces tehnologic, cu aceeași emisie de agenți poluanți, situația riscului ecologic se poate prezenta mult diferită în cazul a două localități diferite, din cauza condițiilor fiziografice, meteorologice și chiar demografice diverse.
Dată fiind diversitatea ramurilor industriale, este greu să se preconizeze metode exhaustive de reducere a emisiilor poluante. Se pot menționa însă principii de reducere a emisiunilor poluante, care apoi se particularizează pentru fiecare ramură în parte; este vorba de modificarea procesului tehnologic, recircularea fluidelor, introducerea proceselor tehnologice în circuit închis.
Modificarea proceselor tehnologice este posibil de realizat acolo unde nu aduce prea multe prejudicii materiale, complicații tehnologice și sarcini economice; uneori această modificare comportă introducerea unei etape funcționale suplimentare, în care agenții poluanți generați în decursul procesului sunt parțial recuperați – ceea ce are și valoare economică.
Recircularea lichidelor este o metodă aplicată la recuperarea solvenților scumpi, dar se aplică din ce în ce mai mult și la tratarea soluțiilor apoase.
Efectuarea de procese tehnologice închise reprezintă un nivel tehnic superior din toate punctele de vedere. În asemenea sisteme se introduce din exterior materia primă și se elimină doar produsul final, cele intermediare, inclusiv solvenții sau apa tehnologică fiind reținute în sistem.
5.3. Bariere fizice în calea răspândirii agenților poluanți
Dacă există riscul ca agenții poluanți să scape din instalațiile tehnologice specifice producerii lor, există posibilitatea de a împiedica răspândirea lor în mediul ambiant prin interpunerea unor bariere fizice în calea lor; acestea pot fi constituite din închideri ermetice sau din sisteme de canalizare (dirijare) a efluenților potențial contaminați spre instalațiile de decontaminare.
5.3.1. Bariere fizice pentru protecția atmosferei. Foarte mulți agenți poluanți cu risc de contaminare a atmosferei rezultă de obicei în spații închise, reduse ca volum. Astfel, problema reținerii lor ar putea fi ușor rezolvată prin utilizarea de incinte etanșe.
Există însă cazuri când acest lucru nu este posibil, ca de exemplu atunci când procesul tehnologic cere un flux continuu de aer – fie ca purtător de alte substanțe, fie ca agent de răcire; este deci necesar un sistem de ventilație pentru introducerea de aer proaspăt în incinta tehnologică, concomitent cu evacuarea aerului uzat, încărcat de regulă cu agenți poluanți.
Structura unui sistem de ventilație comportă:
– guri de captare a aerului curat;
– conducte de admisie în incintele de reacție, dotate eventual cu sisteme de filtrare;
– sisteme de control a circulației aerului în incinta tehnologică;
– conducte de evacuare a aerului uzat din incintă;
– filtre de curățare a aerului uzat;
– exhaustoare pentru circularea aerului și coșul de evacuare;
– instalații pentru control și automatizare.
Canalizarea aerului prin sistemul de ventilație, pe lângă rolul de colectare a aerului impurificat de la locurile de muncă, îl mai are și pe acela de a îl conduce pe acesta spre incintele unde sunt amplasate instalațiile și dispozitivele pentru debarasarea de impurități.
Tehnica epurării aerului este avansată, dar nu s-a ajuns încă la soluții economice care să poată fi aplicate peste tot; există un arsenal destul de variat pentru a rezolva probleme de desprăfuire, îndepărtarea aerosolilor, extragerea substanțelor volatile.
Desprăfuirea se poate face prin camere cu șicane, cicloane, filtre din material textil, filtre umectate, filtre cu umplutură, electrofiltre și scrubere.
Probleme speciale se nasc atunci când din aerul evacuat trebuiesc îndepărtați aerosolii fini (toxici sau radioactivi). Pentru aceasta se utilizează materiale filtrante speciale, de natura celor utilizate la colectarea probelor de agenți poluanți din aer, pentru analiză (capitolul 4.3.).
Substanțele volatile care nu se pot îndepărta prin postcombustie – sau cele pentru care aceasta este neeconomică – se rețin pe cărbune activ, pe silicagel sau pe filtre din alt material poros, adecvat scopului propus. Această metodă de adsorbție a substanțelor volatile este foarte avantajoasă din punct de vedere economic, deoarece permite recuperarea unor substanțe valoroase.
Întrucât substanțele rău mirositoare pot polua aerul chiar în concentrații extrem de scăzute, este necesar a li se acorda o atenție aparte, prin ceea ce se numește dezodorizarea aerului. Această operațiune se bazează pe mai multe principii: arderea substanțelor volatile rău mirositoare în instalații postcombustie, adsorbția pe sorbenți poroși, oxidarea lor, mascarea sau acoperirea mirosului și compensarea biochimică.
5.3.2. Bariere fizice pentru protecția apelor. Primele mijloace de acest tip sunt sistemele de recirculare a apelor (a lichidelor în general) în instalațiile tehnologice.
Dacă, totuși, o oarecare cantitate de agenți poluanți scapă în circuitul de evacuare a apelor uzate, este bine de a se institui o rețea de canalizare în sistem divizor. În acest sistem, apele evacuate se separă, după natura impurităților conținute, în:
ape meteorice, care provin din ploi și care se colectează împreună cu apele de răcire de la diferitele instalații tehnologice, ambele tipuri de ape prezentând risc minim de impurificare;
ape menajere, care se colectează separat, pentru a putea fi duse la stațiile de tratare aferente;
ape tehnologice potențial impurificate cu agenți poluanți, care se strâng în bazine tampon;
ape tehnologice impurificate în mod continuu, care se duc, pe altă linie de evacuare, la bazine speciale de colectare.
Se consideră ape tehnologice potențial impurificate acelea care provin din spațiile de lucru cu agenți poluanți, al căror nivel de încărcare cu impurități este variabil, în funcție de operațiunile tehnologice din incintele deservite, și care uneori pot fi evacuate fără nici o tratare.
În cazul în care concentrația agenților poluanți din aceste tipuri de ape depășește normele admise, există mai multe variante de acțiune:
se procedează la diluția apei uzate până la nivelul de concentrație admis prin reglementări;
se lasă apa să stea un timp, pentru sedimentarea impurităților și o eventuală purificare naturală a ei, înainte de evacuare;
se trece apa la instalațiile de tratare, pe linia de colectare a apelor tehnologice impurificate în mod continuu – procedeu obligatoriu când gradul de impurificare este accentuat.
Apele impurificate în mod sigur și continuu rezultă direct din procesul tehnologic, ca atare trebuind supuse unui proces de tratare pentru îndepărtarea agentului poluant (agenților poluanți).
În cazul în care volumele de ape impurificate sunt foarte mici, ele se colectează în recipienți portabili, care se trimit cu totul la stația de tratare. Când volumul este mai mare se instalează vase receptoare închise sau deschise, în funcție de natura și de agresivitatea agentului poluant, precum și de condițiile locale.
Atunci când volumele de ape impurificate sunt foarte mari și este posibilă – cel puțin parțial – o separare a agenților poluanți prin simplă sedimentare sau oxidare la aer, apele respective se strâng în lagune, acestea dând și o posibilitate de protecție în cazul unor emisii mărite accidentale.
Ultima barieră fizică pentru protecția apelor este constituită de stațiile de tratare a apelor uzate.
5.4. Intervenția pentru lichidarea poluării accidentale
5.4.1. Evenimentul de poluare se referă la toate cazurile reale de manifestare a poluării mediului ambiant, indiferent de natura agentului poluant sau de cauzele poluării.
Incidentul de poluare desemnează o descărcare în mediul ambiant a unui agent poluant, într-o asemenea cantitate încât necesită măsuri imediate de îngrădire, curățire și eliminare, pentru a nu fi amenințată sănătatea publică sau integritatea unor bunuri.
Cauzele incidentului de poluare pot fi proprii rezervorului de agent poluant, sau de substanțe apte de a îl genera (fabrică, depozit de materiale, mijloc de transport terestru, naval sau aerian), sau pot fi externe (situație meteorologică sau hidrologică nefavorabilă, sabotaj, etc.).
Cauzele proprii rezervorului de agent poluant pot avea la bază:
defecte de logică sau de concepție în proiectarea sau executarea construcțiilor, instalațiilor, elementelor de control și automatizare, a elementelor de siguranță, etc.;
defecte de material, care se referă la fiabilitatea materialelor de construcție și în special la aparatura de siguranță control și alarmare;
defecte de exploatare, constând în insuficiența calitativă sau cantitativă a operatorilor unei instalații, insuficiența instrucțiunilor și a instructajului de exploatare și intervenție în caz de avarie, căderi psihologice sau fiziologice (boli psihice, surmenaj, stres) urmate de manevre greșite.
5.4.2. Organizarea intervenției. Evenimentele de poluare se caracterizează prin anumite particularități agravante, dintre care se menționează:
declanșarea neprevăzută (adesea instantanee) a evenimentului de poluare;
dificultatea detectării unor anumiți agenți poluanți;
dependența difuziei agenților poluanți în aer sau apă de condițiile hidrometeorologice;
dificultatea de îngrădire a agenților poluanți, odată aceștia dispersați în aer, apă sau pe sol;
extinderea zonelor de poluare – urmare a accidentelor majore – în afara granițelor de stat sau în apele internaționale.
Datorită diversității modurilor de prezentare a evenimentelor de poluare, a naturii agenților poluanți și a specificului măsurilor și tehnicii de intervenție, nu se poate da o schemă generală de intervenție; în general, în intervenție se deosebesc următoarele faze:
Faza I-a – descoperirea evenimentului și notificarea sa.
Faza a II-a – măsuri de îngrădire și control a agenților poluanți.
Faza a III-a – măsuri de curățire (decontaminare, degazare, dezinfecție) și eliminare a deșeurilor.
Faza a IV-a – restabilirea situației și stabilirea responsabilităților.
6. SISTEME ȘI ECHIPAMENTE DE PROTECȚIE ÎMPOTRIVA POLUĂRII AERULUI
6.1. Combaterea poluării cu substanțe nocive gazoase
6.1.1. Poluarea cu ozon. În acest caz, combaterea se poate realiza printr-un control riguros al substanțelor care stau la baza formării ozonului.
În primul rând, acest control a condus la proiectarea și construcția unor motoare de autovehicule cu emisii nocive (NOx , CO, CnHm) reduse, pentru a se încadra în prevederi standard extrem de riguroase și restrictive (în Europa – normele Euro2, Euro3, etc.).
Pe de altă parte, emisiile rezultate din sursele importante staționare (fabrici chimice, rafinării de petrol, etc.) sunt mai ușor de controlat, luându-se, de asemenea, măsuri de încadrare în normele standard.
Mai dificil este, însă, controlul surselor staționare mici, dar numeroase (de exemplu – stații de benzină, curățătorii chimice uscate, mici vopsitorii) unde procesul este, de cele mai multe ori, intermitent, sezonier și dependent de materia primă.
O deosebită atenție trebuie acordată controlului surselor de poluare care emit compuși organici volatili (COV) proveniți, în principal, din industria de sinteză a substanțelor chimice organice, deoarece acești compuși, împreună cu oxizii de azot (NOx), duc la formarea de ozon.
STAS 12.574-87 indică, pentru ozon, concentrații maxime admisibile de 0,03 mg/m3 pentru media pe 24 h și de 0,1 mg/m3 pentru media pe 0,5 h.
6.1.2. Poluarea cu compuși organici volatili (COV). Cei mai reprezentativi dintre aceștia sunt produsele petroliere: benzină, eteri de petrol, benzen, acetonă, cloroform, esteri, fenoli, sulfură de carbon.
Măsurile de protecție a mediului sunt similare cu cele prezentate în cazul ozonului.
În țara noastră, STAS 12.547-87 prevede concentrațiile maxime admisibile pentru aceste substanțe.
6.1.3. Poluarea cu oxid de carbon rezultă din arderea incompletă a diverșilor carburanți (cărbune, petrol, benzină, lemn).
În privința surselor mobile – reprezentate în principal de motoarele autovehiculelor – soluția utilizată pentru depoluare o constituie utilizarea benzinei fără plumb, asociată cu montarea pe traseul de evacuare a gazelor de eșapament a unui catalizator, împreună cu o sondă lambda.
Catalizatorul, ca echipament, constă dintr-un cilindru de ceramică cu multe canale, pe a căror suprafața se depun circa 2 g de platină, ca substanță de cataliză.
Sonda lambda are ca scop realizarea unui amestec eficient între aer și benzina fără plumb, convenabil reacției dintre oxigenul din aer și gazul de eșapament.
În ceea ce privește emisiile de CO provenite de la sursele staționare, acestea pot fi stopate printr-un control atent al arderilor, iar acolo unde este cazul, și prin introducerea echipamentelor de depoluare.
6.1.4. Poluarea cu dioxid de sulf. În prezent, evitarea efectelor negative ale emisiilor de SO2 sunt realizate printr-un control atent al acestora.
O primă măsură pentru protecția mediului constă în spălarea prealabilă a sulfului din combustibili – trebuie menționat că în unii combustibili procentul de sulf poate atinge valori foarte mari, de pănă la 90 – 95 %.
Utilizarea unor coșuri de fum înalte, de până la 300 m, prin care să fie evacuate emisiile de SO2 nu constituie o soluție recomandabilă, deoarece emisiile, purtate de vânt, pot produce ploi acide pe suprafețe întinse, la distanțe mari față de sursă.
Soluția radicală de ameliorare a calității mediului o constituie instalarea de scrubere, în imediata vecinătate a punctului de colectare a emisiilor, acestea fiind convertite în acid sulfuric.
Scruberul (fig.6.1) constă dintr-un recipient în care gazul vine în contact cu o soluție apoasă de lapte de var, sau de altă substanță chimică, răspândită sub formă de bule fine. La contactul cu dioxidul de sulf are loc o reacție chimică prin care acesta din urmă se transformă în sulfat solid. Gazul epurat este eliminat în atmosferă, iar produsul de reacție este evacuat, sub formă de nămol, pe la baza scruberului.
STAS 12.574-87 indică, pentru emisiile de SO2, concentrații maxime admisibile de 0,75 mg/m3 (medie pe 30 min.), 0,25 mg/m3 (medie pe 24 h) și 0,01 mg/m3 (medie anuală).
6.1.5. Poluarea cu oxizi de azot. Dintre toți oxizii azotului, NOx, trebuie avuți în vedere, în special, oxidul de azot, NO, care rezultă din combinarea directă a azotului cu aerul, la temperaturi foarte înalte, și dioxidul de azot, NO2, rezultat din oxidul de azot care vine, la rândul său, în contact cu aerul.
Reducerea emisiilor de NO2, provenind de la autovehicule, se realizează, ca și în cazul CO, prin convertizoare catalitice, procentul de epurare fiind de circa 90 %.
În cazul surselor staționare, de la care rezultă, de asemenea, cantități importante de oxizi de azot, poluarea este mai greu de evitat atât timp cât se utilizează combustibilii convenționali; singura șansă de reducere a acestor emisii este creșterea randamentului instalațiilor în care se produc arderile și, de aici, scăderea cantitățior de combustibili utilizați.
Standardul 12.574-87 prevede, pentru NO2, concentrații maxime admisibile de 0,3 mg/m3, medie pe 24 h și 0,01 mg/m3, medie anuală.
6.1.6. Poluarea cu hidrogen sulfurat. Hidrogenul sulfurat, H2S, este întâlnit, ca atare, în industria chimică, petrochimică și de rafinare a petrolului, ca și în fabricile de coloranți, etilenă, propilenă, celuloză, fire artificiale de vâscoză.
Ameliorarea mediului se poate face, în acest caz, numai prin reținerea hidrogenului sulfurat și a sulfurilor sale solubile. Aceasta se poate face prin:
– mijloace chimice: oxidare cu aer, în prezența unor concentrații mici de activatori de oxidare, oxidare electrolitică a soluțiilor saline, urmată de coagulare și sedimentare;
– mijloace fizico-chimice: adsorbție pe cărbune activ sau pe polimeri schimbători de ioni.
În cazul ultimului procedeu, la reținerea și îndepărtarea hidrogenului sulfurat se folosește frecvent striparea (numită frecvent și desorbție). Striparea este o operație unitară, prin care un compus dizolvat este îndepărtat prin acțiunea unui gaz, numit “antrenant”, al cărui rol este de a produce în faza gazoasă o cădere parțială a presiunii componentului.
Eficiența procesului depinde de pH-ul mediului, de temperatura de stripare și de natura compusului (solubilitate în apă, punct de fierbere, etc.). Ca mediu de stripare se utilizează abur, gaze arse sau un amestec al acestora. Striparea se realizează în coloane de contact (de stripare), prevăzute cu talere sau cu un absorbant. Compușii obținuți sunt incinerați.
STAS 12.574-87 indică, pentru H2S, concentrații maxime admisibile de 0,015 mg/l (media pe 30 min.) și 0,008 mg/l (media pe 24 h).
6.1.7. Poluarea cu amoniac. Una dintre principalele surse ale poluării cu amoniac (NH3) apare chiar în momentul fabricării acestuia, datorită pierderilor necontrolate. O altă sursă o constituie procesele de utilizare a acestuia pentru producerea de acid azotic, azotat de amoniu și uree.
Măsurile de combatere a poluării cu amoniac sunt, în primul rând, preventive, referindu-se la un control riguros al proceselor de producere a acestuia.
Dacă, totuși, pierderile pierderile de amoniac din procesul de fabricare-prelucrare a apelor amoniacale nu pot fi suficient controlate, ele trebuie colectate și trimise în turnuri de stripare, unde, la un pH de 10,5 … 11,5 amoniacul este fracționat în gaze mai puțin nocive.
STAS 12.574-87 indică concentrațiile maxime admisibile de amoniac: 0,3 mg/m3 (media pe 30 min.) și 0,1 mg/m3 (media pe 24 h).
6.2. Combaterea poluării cu pulberi sedimentabile și în suspensie
Ca terminologie, există următoarele definiții:
Pulberi sedimentabile sunt pulberile de dimensiuni și densități care le favorizează depunerea gravitațională.
Pulberi în suspensie sunt pulberile care rămân în aer un timp îndelungat.
Aerosolii reprezintă sisteme compuse din particule fine (sub 100m), solide sau lichide, dispersate într-un gaz.
Fumul reprezintă aerosoli vizibili, formați din particule fine solide, provenind din combustibili sau din diferite procese tehnologice.
6.2.1. Proprietățile fizice ale pulberilor – transformarea unui solid într-un număr mare de particule fine duce la modificări ale proprietăților sale.
O schimbare cu consecințe importante este creșterea suprafeței totale a corpului respectiv; astfel, dintr-un cub de cuarț având volumul de 1 cm3 – și deci suprafața totală de 6 cm2 – măcinat astfel încât să rezulte particule de 1 m3, se vor obține 1012 particule, având suprafața totală de 6 m2. De asemenea, prin fărâmițarea unui material solid, spațiul ocupat de acesta crește considerabil.
O altă consecință importantă este creșterea reactivității chimice și fizice – de exemplu, pulberea fină de aluminiu sau de cărbune se combină mai ușor cu oxigenul din aer, putând arde cu violență. Alte pulberi care pot exploda, la un grad înalt de dispersiune, sunt cele de făină, zinc, sulf, zahăr, dextrină, orez, etc.
Se observă, de asemenea, o creștere a fenomenului de evaporare, o mărire a solubilității, o intensificare a adsorbției și a activității electrostatice.
Fenomene de adsorbție – pe suprafața particulelor din pulberi se adsorb gazele, formându-se o membrană fină, care influențeză asupra vitezei reacțiilor chimice, ca și asupra unor fenomene fizice. De asemenea, stratul gazos adsorbit face ca un număr mare de particule să capete unele dintre proprietățile lichidelor și gazelor; astfel, masa de particule poate fi comprimată, adsorbția gazelor și formarea membranei din jurul particulei împiedică adeseori conglomerarea, ciocnirea sau aglutinarea pulberilor, crescându-le, în acest fel, stabilitatea.
Sedimentarea prafului – datorită gravitației, particulele de praf aflate în suspensie, în aer, se sedimentează. O lege generală din fizică arată că rezistența față de trecerea unei particule prin aer variază cu forma și dimensiunile acesteia, cu viteza pe care o are și cu fluiditatea aerului; acești factori sunt combinați într-o ecuație generală având forma
(6.1)
unde: R reprezintă forța rezistentă, A – suprafața proiectată a particulei, w – viteza relativă a particulei în aer, d – densitatea aerului iar c – coeficientul de rezistență.
Flocularea – particulele fine de fum proaspăt formate au adeseori dimensiuni mai mici de 0,1 m și de aceea prezintă mișcări browniene violente în masa de aer; frecvența lor de ciocnire crește, ciocnirile fiind urmate de formarea de conglomerate.
Impactul pulberilor – particulele sunt reținute pe suprafața unui obstacol așezat în calea curentului de aer purtător, în timp ce aerul ocolește obstacolul; acesta este fenomenul de impact (“impingement”); aceasta este, de fapt, o formă de precipitare centrifugală.
Proprietățile electrice – particulele din pulberi pot poseda o încărcătură electrică, datorată fie adsorbției ionilor existenți în atmosferă, fie încărcării electrostatice prin frecare; încărcarea particulelor cu sarcină electrică de același semn duce la apariția unor forțe de respingere reciprocă, împiedicându-se flocularea și mărindu-se, astfel, stabilitatea pulberii.
Proprietăți optice – transmiterea luminii prin aerul încărcat de praf se face mai greu, cu o anumită pierdere a intensității luminoase; această pierdere este proporțională cu numărul particulelor, distanța parcursă și pătratul dimensiunii medii a particulelor.
Termoprecipitarea – Aitken a demonstrat că trecându-se fum printr-un tub cu un perete fierbinte și un altul rece, tot fumul se precipită pe suprafața rece; fenomenul are aplicație în recoltarea pulberilor.
6.2.2. Echipamente pentru filtrarea aerului pe cale umedă
Hidroclonul (fig.6.2) este o instalație de desprăfuire pe cale umedă, a cărui funcționare se bazează pe următorul principiu: aerul prăfuit intră lateral într-o cameră prevăzută la partea inferioară cu un bazin cu apă.
Pe laturile camerei, paralel cu direcția de intrare, sunt prevăzute două fante profilate (șicane), înguste, exact la nivelul apei, prin care aerul cu praf este forțat să treacă cu viteză mare. Curentul de aer rupe o pelicula de apă și, datorită vitezei ridicate de curgere, o transformă în picături, cu care se amestecă.
Aerul prăfuit și umezit este ciclonat la ieșirea din fante, apoi suferă o curgere șicanată, pentru separarea picăturilor de apă, după care ceea ce rămâne – aerul curat – este aspirat de un ventilator.
Separarea prafului de aer se face în următoarele etape:
1) prin decantare în cameră, imediat după intrare;
2) prin aderare la suprafața apei din bazin;
3) prin aglomerare, în urma umezirii și centrifugării particulelor aglomerate în zonele de ciclonare create de șicane;
4) prin schimbări de direcție în zona de destindere.
În ceea ce privește eficiența, randamentul de separare pentru particule cu diametrul de 5m este de 99,5 %, iar pentru particule de 1 m – 90%.
Spălatorul Venturi este o instalație de desprăfuire bazată pe tubul Venturi, care a căpătat, într-un timp scurt, o largă utilizare. Principalul său avantaj o constituie capacitatea mare de captare a particulelor de aerosoli (solizi și lichizi), cu cheltuieli mici de investiții și exploatare.
Tuburile Venturi se utilizează pentru epurarea gazelor de particulele cu diametrul cuprins între 0,5 și 0,001 m. Principiul de funcționare se bazează pe mărirea volumului și deci a masei particulelor supuse înlăturării, prin aglutinare, până la limite care să permită înlăturarea cu ajutorul oricărui tip de separator obișnuit – de exemplu ciclon.
Pentru realizarea aglutinării particulelor aerosolului primar (poluant) este necesară prezența unui aerosol secundar, obținut prin pulverizarea unui lichid și introdus din interiorul ajutajului în curentul aerosolului primar
(fig. 6.3-a) sau radial (fig. 6.3-b) sau din exteriorul ajutajului (fig. 6.3-c).
Alegerea aeroso-lului secundar pentru procesul de aglutinare este un factor important; pentru obținerea unei bune aglutinări, spectrul celor doi aerosoli (banda particulelor dispersate in mediu) trebuie să fie identic, iar raportul dintre numărul de particule de aerosol secundar și cele de aerosol primar trebuie să fie supraunitar.
Factorii hotărâtori pentru mărimea randamentului spălătorului Venturi sunt:
natura aerosolului primar și diametrul lui;
raportul gaz/lichid (pentru aerosolul secundar);
viteza gazului în ajutajul tubului;
natura aerosolului secundar și modul său de introducere;
mărimea instalației.
Desprăfuirea aerului cu spălătoarele Venturi au o serie de avantaje – în comparație cu celelalte sisteme de desprăfuire – și anume:
volum mic al instalației;
acționare simplă;
securitate perfectă, chiar pentru procese periculoase;
consum redus de lichid, necesar pentru formarea aerosolului secundar;
cheltuieli mici de exploatare și consum redus de energie;
capacitate mare de prelucrare;
asocierea, cu bune rezultate, cu instalațiile clasice de desprăfuire (cicloane, electro-filtre, etc.);
cheltuieli de investiții mult mai reduse decât pentru alte instalații.
Instalațiile de desprăfuire cu tuburi Venturi se utilizează pentru neutralizarea, separarea și epurarea următoarelor substanțe:
cețuri ale diferiților acizi;
gazele și fumurile de la furnalele înalte și de la cuptoarele metalurgice;
gazul gudron (gazul de apă);
pulberile sau vaporii compușilor chimici nocivi;
pulberile de turnare;
pulberile produselor organice, coloranților, produselor farmaceutice;
praful de cărbune și silice;
prafurile abrazive de email, din industria porțelanurilor;
praful de cauciuc și de rășini;
praful de zahăr și de săpun;
pulberile și vaporii produselor explozibile.
Separatorul cu spumă utilizează apa ca mijloc de umezire, fixare și separare a particulelor de praf din gaze, respectiv din aerul care urmează să fie epurat.
Utilizarea pe scară mai largă a separatoarelor cu spumă este împiedicată de o serie de dezavantaje pe care acestea le prezintă: pericol de îngheț pe timpul iernii, consum de apă, coroziune accentuată a materialelor, dificultăți legate de evacuarea noroaielor care rezultă.
În principiu, un astfel de separator este alcătuit dintr-un rezervor de apă prin care se barbotează gazul (aerul), introdus în apă printr-un grătar (fig.6.4-a) sau cu ajutorul unui clopot (fig.6.4-b).
Fig. 6.4
În fig. 6.4, s-au făcut următoarele notații: 1- grătar; 2 – lichid;
3 – intrarea gazelor cu praf; 4 – ieșirea gazului epurat; 5 – clopot.
Bulele de gaz care iau naștere la barbotare fiind sensibil mai mari decât particulele de praf, iar durata parcurgerii stratului de apă de către bula de gaz cu praf fiind scurtă, probabilitatea contactului dintre particulă și apă, datorită sedimentării sau difuziunii, este foarte mică.
Spuma reprezintă o mărire a suprafeței de contact între gaze și apă, adică a dispersiei reciproce a acestor două faze.
Bulele de aer care formează spuma sunt instabile – se măresc prin contopirea mai multor bule mici într-o bulă mai mare, care apoi se sparge, formând alte bule mici noi.
Particulele de praf reținute în spuma care se formează continuu migrează treptat către fundul rezervorului de apă, unde se depun sub formă de noroi, eliminat periodic.
Pentru reducerea consumului de apă și pentru mărirea randamentului instalației, la partea superioară a separatorului cu spumă se prevăd separatoare de picături, care elimină picăturile antrenate, în suspensie, de către aerul epurat.
În fig. 6.5 și 6.6, sunt prezentate, schematic, două soluții constructive de separatoare cu spumă: separator cu difuzoare și, respectiv, separator cu cheson.
Fig. 6.5 Fig. 6.6
În cele două figuri s-au făcut următoarele notații: 1 – intrare aer poluat; 2 – difuzoare; 3 – alimentarea cu apă; 4 – separator de picături; 5 – ieșire aer; 6 – evacuare noroi.
Formarea spumei și caracteristicile ei (stabilitatea și mobilitatea) depind de mai mulți factori, dintre care cei mai importanți sunt factorii aerodinamici.
În cazul folosirii apei curate sau cu un conținut mic de substanțe solide în suspensie, sau a soluțiilor slab acide sau slab alcaline, formarea spumei are loc la viteze ale aerului, în corpul separatorului, de 0,7 … 2,5 m/s și la un debit al apei de 0,1 …3,5 m3/1 m2 de suprafață a grătarului.
Viteza gazelor în orificiile grătarelor variază între 5 … 12 m/s; la viteze mai mari, scurgerea lichidului prin orificii se întrerupe complet, formându-se o suspensie de picături în aer.
Pe baza cercetărilor de laborator, s-a stabilit că spuma se formează atunci când criteriul (numărul) lui Reynolds
(6.2)
are o valoare cuprinsă în intervalul 28.000 … 80.000; în relația (6.2) Vg reprezintă viteza gazelor în secțiunea aparatului, De – diametrul echivalent al aparatului iar νg – viscozitatea cinematică a gazului.
Pentru valori mai mici ale criteriului Reg , trecerea gazelor prin apă se face prin barbotare, iar pentru valori mai mari decât cele de mai sus are loc formarea unei suspensii de picături de apă în curentul ascendent de gaze.
Filtrul umed cu site constă dintr-o serie de casete, udate cu apă, pentru reținerea din aer sau din gaze a pulberilor rezultate dintr-un proces industrial.
Elementul filtrant este constituit dintr-o casetă în care se prevăd mai multe rame metalice de aluminiu, pe care se aplică site confecționate din sârmă de alamă sau de aluminiu. Pentru obținerea de rezultate bune, în ceea ce privește reținerea particulelor, se suprapun până la 16 astfel de casete.
Aerul încărcat cu pulberi traversează sitele de jos în sus sub acțiunea aspirației produse de un ventilator. Deasupra sitelor sunt prevăzute duze de pulverizare a apei, care stropesc sitele, menținându-le permanent umede. Pulberile din aer lovesc, succesiv, toate sitele, fiind reținute pe sârmele acestora, după care, urmând curentul apei, sunt antrenate în jos, spre bazinul colector pentru apa murdară.
Avantajele acestui sistem de filtrare sunt:
lipsa pieselor mobile;
consum redus de apă;
consum redus de energie electrică;
eficacitatea nu scade dacă elementele filtrante nu sunt montate în poziție perfect orizontală;
ocupa un spațiu de amplasament redus;
nu reclamă, pentru deservire, personal cu calificare deosebită;
nu provoacă riscuri de producere a accidentelor.
6.2.3. Echipamente pentru filtrarea aerului pe cale uscată
Filtrul electrostatic este un echipament pentru separarea dispersiilor de gaz-solid (praf, pulbere, fum) (fig. 6.7), în scopul epurării gazului (emisiei) sau a recuperării solidului dispersat, cu ajutorul unui câmp electrostatic format între un electrod negativ (de ionizare, de emisie) cu arie mică (sârmă sau plasă metalică) și un electrod pozitiv (de precipitare) cu arie mare (cilindru, tablă ondulată).
Ionii negativi, formați prin ionizarea gazului din vecinătatea electrodului negativ, se fixează pe particulele dispersate și, astfel încărcați, sunt dirijați de câmpul electrostatic spre electrodul pozitiv, unde se depun și apoi se evacuează, prin vibrare.
Pe figura alăturată. s-au făcut următoarele notații:
1 – intrare gaze poluate;
2 – evacuare gaze epurate;
3 – evacuare particule reținute;
4 – electrozi de emisie;
5 – electrozi de depunere;
6 – cadru de susținere a electrozilor de emisie.
Filtrele electrostatice se utilizează la epurarea emisiilor provenite de la fabricile de ciment, prăjirea piritelor în fabricile de acid sulfuric, centralele termoelectrice, etc.
Ciclonul este un echipament de mare randament, utilizat pentru desprăfuirea gazelor de particulele rezultate la turnătoriile de fontă, oțel sau neferoase, benzile transportoare de materiale sub formă de pulberi, instalațiile de sablaj, precum și de pe elementele de construcții și utilaje (praf de lemn, cărbune, ciment) etc.
Ciclonul (fig.6.8) are o construcție relativ simplă, constând, în principiu, din doi cilindri coaxiali între care este prevăzută o serpentină.
Aerul poluat este introdus printr-o deschidere, 1, practicată la partea superioară, după care, datorită serpentinei, este antrenat într-o mișcare elicoidală descendentă.
Datorită efectului forței centrifuge, combinat cu cel al forțelor de inerție, particulele din aer se deplasează spre zona de la baza ciclonului, 3, de unde sunt colectate într-un buncăr, iar aerul desprăfuit este evacuat în atmosferă prin deschiderea 2.
Eficacitatea cicloanelor este dependentă de un număr mare de factori, dintre care cei mai importanți sunt:
raportul dintre lungimea părții cilindrice și cea a părții conice;
raportul dintre razele cilindrului interior și, respectiv, interior;
raportul dintre aria secțiunii de intrare și cea a secțiunii de ieșire a aerului;
formele gurilor de intrare și de ieșire a aerului;
direcția de intrare a aerului (unghiul făcut de aceasta cu un plan normal pe axa ciclonului);
unghiul de conicitate a parții conice;
direcția tubului de evacuare;
gradul de neuniformitate la trecerea aerului prin ciclon;
variația concentrației prafului în aerul introdus în ciclon.
În funcție de acești factori, randamentul de reținere a particulelor din aerul poluat este, în general, cuprins între 90 și 98 %.
Cicloanele se pot monta în paralel, în grup, numărul de astfel de cicloane, modul de montare și distribuția aerului la intrare constituind, de asemenea, un factor de influență a randamentului în funcționare.
În cele ce urmeză, vor fi expuse câteva elemente de bază pentru calculul cicloanelor. În timpul ciclonării, o particulă de praf este supusă unei forțe centrifuge
, (6.3)
unde: m reprezinta masa particulei, v – viteza acesteia, iar R – raza de rotație a curentului de aer.
În mișcarea particulei spre exterior, aceasta întâmpină o forță de rezistență la înaintare
, (6.4)
relație în care ζ reprezintă coeficientul dat de legea Stokes pentru domenii
Re < 1 (corespunzător dimensiunilor uzuale ale particulelor întâlnite la desprăfuirea aerului), A – aria cercului mare al sferei care învăluie particula, vs – viteza de sedimentare a particulei către peretele ciclonului, γa – greutatea specifică a aerului iar g – accelerația gravitațională.
În situația în care cele două forțe au valori egale, Fc = Fr , particula va efectua o mișcare uniformă, cu viteza de sedimentare constantă vs spre peretele exterior al ciclonului. Prin efectuarea calculelor rezultă
. (6.5)
În relația (6.5), γp reprezintă greutatea specifică a particulei iar d – diamentrul acesteia.
O altă relație care prezintă interes este cea care furnizează diametrul particulelor care pot fi separate într-un ciclon, în funcție de datele constructiv-funcționale ale acestuia [8]
, (6.6)
în care: S reprezintă spațiul parcurs de particula solidă, în direcție radială, între cilindrul interior și cel exterior iar α – unghiul sectorului pe care îl parcurge masa de aer în rotație, în interiorul spațiului dintre cei doi cilindri; ținând cont că acest unghi poate fi exprimat ca
, (6.7)
unde n este numărul de rotații efectuate, rezultă, în final
. (6.8)
Construcția cicloanelor se face la diametre tipizate, având valoarea de 300, 400, 600, 800, 1000 mm, iar viteza aerului în gura de intrare în ciclon trebuie să fie cuprinsă între 14 … 24 m/s.
Filtrul cu saci se utilizează în industrie pentru desprăfuirea aerului conținând pulberi de ciment, siliciu, cărbune, plumb, etc.
Construcția unui astfel de filtru este redată în fig. 6.9.
Carcasa filtrului, de formă paralelipipedică, are rolul de a izola elementele filtrante de mediul înconjurător și de a asigura prinderea etanșă a acestora în sistem.
În exterior, pe carcasă, este prevăzut racordul pentru intrarea aerului cu praf, urmat de o cameră de liniștire, 1.
În continuare, circu-lând sub acțiunea depresiunii create de un ventilator amplasat pe partea superioară a carcasei, aerul cu praf întâlnește sacii filtranți 5, situați în camera de aer cu praf, 4; impuritățile sunt reținute pe suprafața exterioară a sacilor, în timp ce aerul curat trece prin aceștia și este apoi evacuat prin racordul 2.
După scuturarea sacilor, praful se adună la partea inferioară a carcasei, într-o pâlnie tronconică, fiind apoi eliminat de un transportor cu melc, 3.
Pentru ca materialul filtrant să nu se strângă, sacii sunt prevăzuți la interior cu armături metalice.
Camera cu praf este separată de partea superioară a instalației de către un perete intermediar, 6.
Scuturarea sacilor se realizează prin vibrații pneumatice în contra-curent; pentru aceasta se introduce aer în interiorul sacilor, de sus în jos, prin tuburile Venturi 7, cu ajutorul distribuitorului demontabil 9, prevăzut cu duze conice, 8.
La partea superioară, filtrul este prevăzut cu un capac de auto-etanșare, 10, care permite un acces facil la sacii filtranți. În camera de aer cu praf se pot monta, între rândurile de saci, paravane din material textil care asigură o eficiență sporită la scuturare și o durată mai mare a ciclurilor de prăfuire.
Materialul filtrant din care sunt confecționați sacii este din fibre de poliesteri, rezistente până la temperatura de 150˚C, fiind tratat termic, pe suprafața exterioară a sacilor, în scopul unei mai bune scuturări.
Acest tip de filtre se execută într-o gamă largă de tipodimensiuni, acoperind un domeniu al debitelor de filtrare cuprins între 3.000 și
100.000 m3/h.
6.3. Distribuitoare de aer
Îndepărtarea aerului poluat prin emisia de diverse gaze sau suspensii, rezultate în urma proceselor tehnologice, ca și dirijarea acestora către echipamentele pentru epurare și filtrare, se poate face prin introducerea de aer curat în încăperile industriale, cu ajutorul distribuitoarelor de aer. Sunt posibile două regimuri de funcționare a acestora:
1) Cu viteză mică a aerului – prin anemostate sau guri de refulare simple, cu grătar, cu sau fără jaluzele de reglare a direcției și cu sau fără clapete pentru reglarea debitului.
2) Cu viteză mare – prin jeturi concentrate de aer.
În primul caz, vitezele de intrare a aerului în spațiul de ventilat se situează între 0,5 … 2 m/s și se utilizează în cazurile în care se urmărește deplasarea unei mase uniforme de aer proaspăt, care trebuie să-l dilueze și să-l înlocuiască pe cel viciat.
Introducerea aerului cu viteză mică poate fi impusă de necesitatea de a nu antrena, odată cu acesta, a prafului depus pe utilaje sau pe pardoseală. În zona ocupată de oameni, viteza curentului de aer nu trebuie să depășească
0,15 … 0,5 m/s, pentru a nu crea o senzație de disconfort.
Pentru calculul distanței de la care viteza aerului introdus începe să se încadreze între limitele prescrise s-au determinat diferite formule, acestea fiind însă complexe și dificil de utilizat.
În cele ce urmează, este prezentată o metodologie de calcul a gurilor de suflare cu viteză mare a aerului. Aerul, care iese printr-o gură de suflare de formă rotundă sau pătrată, cu secțiune liberă, fără jaluzele sau lame de ghidare și cu marginile rotunjite, formează în spațiu un con cu unghiul de împrăștiere de
20 – 25˚ – indiferent de viteză, și deci independent de presiunea cu care a fost refulat prin gura de suflare (fig. 6.10).
În zona inițială, (sâmbure) aerul își păstrează viteza constantă, pe o lungime egală cu de patru ori diametrul, d, al gurii de refulare. Diametrul sâm-burelui este, inițial, egal cu cel al gurii, după care scade treptat, astfel încât, la distanța L = 4d de la gură, viteza axială începe să scadă.
Viteza aerului, la o distanță oarecare L de la gură, vL , se poate stabili pe baza teoremei conservării impulsului; astfel, viteza axială a aerului la o gură de suflare de secțiune S, este dată de relația
, (6.9)
în care v0 este viteza aerului în planul gurii de suflare iar k – coeficientul de formă a gurii de suflare (a se vedea tab. 6.1); pentru o gură de suflare circulară, de diametru d, relația devine
, (6.9’)
în care k1 reprezintă coeficientul de formă pentru gura circulară, k1 = 1,13·k.
Tab. 6.1
Notă: în tab. 6.1 “r” reprezintă raportul dintre suprafața liberă de trecere a aerului șisuprafața totala a gurii de suflare.
În cazul în care gura de suflare este cu secțiune pătrată, jetul de aer – care la început are, de asemenea, formă pătrată – devine rotund dupa o distanță oarecare, nemaideosebindu-se, practic, de un jet creat de o gură de suflare rotundă.
Pentru gurile de suflare cu muchii ascuțite, nerotunjite, prevăzute cu jaluzele, lame de ghidare, grătare, placi găurite etc., viteza vL se calculează cu
, (6.10)
în care μ reprezintă coeficientul de contracție, cu valori între 0,99 … 0,63 iar r are aceeași semnificație ca în tab. 6.1.
La proiectarea distribuitoarelor de aer pentru încăperile industriale trebuie avute în vedere următoarele aspecte:
a. Distanța de suflare. Calculul gurilor de suflare trebuie să aibă drept scop principal determinarea distanței la care viteza axială a aerului refulat ajunge la o valoare la care nu mai provoacă efecte neplăcute (sub 0,5 m/s). Înlocuind în relația (6.10) mărimea vitezei, vL , cu 0,5 rezultă, pentru calculul distanței de suflare, L, relația
. (6.11)
Dacă se notează cu V debitul de aer suflat, ținându-se cont că acesta poate fi exrimat ca produsul între secțiunea gurii de suflare, S, și viteza aerului în planul de suflare, v0 , rezultă relația de calcul
. (6.11’)
b. Efectul lamelelor divergente. Dacă gura de suflare se prevede cu lamele divergente (fig. 6.11), unghiul de împrăștiere al aerului insuflat se mărește; spre exemplu, la o divergență de 90˚ a lamelelor, unghiul de împrăștiere este de 60˚. Pe de altă parte, lamelele montate divergent la 90˚ reduc bătaia curentului de aer la 2/3 din cea dată de gura liberă, fără lamele.
Fig. 6.11
c. Guri de suflare în tavan. Dacă se montează guri de suflare în tavan, coeficientul de formă, k, se poate considera ca având valoarea 10; în acest caz, rezultă
. (6.11”)
d. Fante de refulare. Dacă se utilizează fante înguste și lungi, bătaia jetului de aer se mărește, întrucât curenții de aer nu se mai strâng și lateral. În acest caz, viteza axială este
, (6.12)
unde h reprezintă înălțimea fantei. Dacă fanta este montată imediat sub tavan, jetul nu se mai poate dezvolta liber decât pe jumătate.
e. Devierea jetului provocată de diferența de temperatură. În cazul în care aerul insuflat este mai cald sau mai rece decât aerul interior, poate avea loc o deviere a jetului; astfel, dacă aerul suflat este mai cald, jetul se ridică, iar dacă este mai rece – jetul coboară spre pardoseală.
Diferența de înălțime, H, numită, după caz, ridicare sau cădere, se calculează, la distanța L de gura de suflare, cu relația
, (6.13)
în care, în plus față de notațiile deja explicate, Δt reprezintă diferența de temperatură între aerul insuflat și cel din interior iar d – diametrul echivalent al gurii de suflare.
Pentru a găsi punctul cel mai de sus, sau cel mai de jos, al jetului, la distanța considerată se va mai adăuga – respectiv, se va mai scădea – o înălțime suplimentară, Hs , datorate pantei normale, de aproximativ 20˚, a jetului
. (6.14)
Înălțimea reală totală, Ht , este, deci,
Ht = H ± Hs . (6.15)
7. SISTEME ȘI ECHIPAMENTE DE PROTECȚIE ÎMPOTRIVA POLUĂRII APEI
7.1. Condițiile generale de evacuare ale apelor industriale uzate
Evacuarea apelor uzate industriale în emisari (ape curgătoare) sau în rețeaua de canalizare necesită o serie de studii și cercetări suplimentare, în comparație cu cele efectuate la evacuarea apelor uzate menajere, deoarece debitele și caracteristicile acestora sunt mult diferite.
Astfel, de o deosebită importanță este cunoașterea cantităților de apă evacuate și proveniența acestora.
Firește, o primă măsură contra poluării cu ape industriale uzate este reducerea cantităților deversate; această reducere se poate realiza, în principal, pe două căi:
a) introducerea de tehnologii noi, în unitățile indutriale în care procesele tehnologice reclamă utilizarea apei, tehnologii care să reclame consumuri unor cantități mai reduse de apă;
b) recircularea apelor uzate.
Reducerea cantităților de ape industriale uzate evacuate mai prezintă și avantajul că permite micșorarea volumului instalațiilor din stațile de epurare și, în consecință, a costului acestora.
Recircularea apelor uzate trebuie bine studiată, deoarece ca urmare a acesteia, crește uneori concentrația anumitor substanțe din apă, iar tratarea apei înainte de a fi reintrodusă în circuit este atât de scumpă, încât soluția nu se justifică din punct de vedere economic.
Recuperarea substanțelor valoroase din apele uzate (substanțe petroliere din rafinăriile de petrol, metale grele din metalurgia neferoaselor, cianurile din industria aurului, etc.) are drept rezultat valorificarea unor substanțe care, altfel, ar fi pierdute, reducându-se, în același timp, cantitatea de substanțe nocive eliminate împreună cu apele uzate.
Un alt aspect important care merită menționat este utilitatea egalizării și uniformizării debitelor și concentrațiilor apelor uzate evacuate, fapt care permite reducerea șocurilor care trebuie suportate de către emisarul în care se face deversarea, șocuri care de cele mai multe ori pot avea efecte dezastruoase.
7.1.1. Evacuarea apelor uzate industriale în rețeaua de canalizare În numeroase cazuri, apele uzate industriale sunt evacuate în rețeaua de canalizare orășenească, fiind apoi epurate în comun cu apele uzate menajere. Uneori, tratarea în comun a acestor ape uzate este împiedicată, deoarece industria poate evacua o serie de substanțe care afectează procesele de epurare; de aceea, din considerente economice, trebuie avută în vedere posibilitatea intervenției în procesele tehnologice, în scopul înlocuirii substanțelor care împiedică epurarea în comun.
Se interzice evacuarea, în rețeaua de canalizare, de substanțe în suspensie a căror cantitate, mărime și natură constituie un factor activ de erodare a canalelor, provoacă depuneri sau stânjenesc curgerea hidraulică normală, ca de exemplu:
suspensii grele;
corpuri solide, plutitoare sau antrenate, care nu trec prin grătarul cu spațiul liber dintre bare de 20 mm;
suspensii antrenate dure, care pot genera zone de erodare a colectoarelor;
păcură, uleiuri, grăsimi sau alte materiale care pot genera aderențe de natură să provoace zone de acumulări de depuneri;
substanțe care în apa rețelelor de canalizare provoacă fenomene de coagulare, care duc la depuneri;
substanțe cu agresivitate chimică asupra materialelor din care sunt construite rețelele de canalizare;
substanțe în stare de suspensie sau dizolvate (precum benzina, benzenul, eterul, cloroformul, acetilena, dicloretilena, sulfura de carbon, solvenții) care, în această stare sau prin evaporare produc, împreună cu aerul, amestecuri detonante;
substanțe nocive care pot pune în pericol personalul de exploatare a canalizării;
substanțe inhibitoare ale procesului de epurare (Cu, Cr, Zn, Pb) în cantități care, în condițiile diluării realizate în rețeaua de canalizare, ar putea prejudicia funcționarea instalațiilor de epurare biologică sau a celor de fermentare a nămolurilor.
De asemenea, trebuie evitată evacuarea în rețeaua de canalizare a substanțelor care produc colorarea apei uzate și trec ca atare mai departe prin stația de epurare.
Din cele arătate rezultă că, frecvent, evacuarea apelor uzate industriale în rețeaua orășenească conduce la necesitatea construirii de noi instalații – stații de pre-epurare – în scopul funcționării normale a rețelei de canalizare și a stației de epurare comună.
7.1.2. Evacuarea apelor uzate industriale în emisari – evacuarea directă a apelor uzate industriale în emisari, după epurarea necesară, este condiționată de o serie de factori, dintre care se menționează:
așezarea unității industriale față de oraș;
raportul dintre debitele orășenești și cele industriale;
costul instalațiilor de pre-epurare și al racordului la canalizare;
natura apelor uzate industriale.
În România, aproape toate combinatele industriale mari, așezate în apropierea orașelor, își deversează apele uzate în emisarul învecinat. Odată cu apele uzate sunt evacuate în emisari substanțe cu caracteristici foarte variate, care pot conduce la poluarea acestora, făcându-i totodată inapți pentru alte utilizări (piscicultură, irigații, agrement).
Efectele nocive ale categoriilor mai importante de substanțe evacuate în apele industriale uzate sunt expuse în cele ce urmează:
substanțele organice consumă oxigenul din apă, fapt care pe de-o parte dăunează organismelor vii acvatice, iar pe de alta – prin distrugerea bacteriilor aerobe – afectează capacitatea de auto-epurare a apei;
substanțele în suspensie, prin depunere, formează acumulări pe fundul apei, împiedică navigația și îngreunează tratarea apei;
substanțele în suspensie plutitoare – ca de exemplu produsele petroliere, împiedică absorbția de oxigen pe la suprafața apei și deci auto-epurarea apei, se depun pe diferitele instalații, colmatează filtrele pentru tratarea apei, sunt toxice pentru fauna și flora acvatică, fac apa inutilizabilă pentru alimentarea instalațiilor de răcire, irigații etc.;
acizii sau alcalii distrug organismele acvatice, vasele și instalațiile necesare navigației, împiedică formarea flocoanelor în instalațiile de tratare a apei cu coagulant, crează probleme la alimentarea cazanelor;
sărurile anorganice prezente frecvent în apele uzate, conduc la mărirea salinității și chiar a durității apei, care astfel generează depuneri pe conducte, mărindu-le rugozitatea și micșorându-le capacitatea de transport;
substanțele toxice organice sau anorganice, sau chiar radioactive, de cele mai multe ori chiar în cantități infime, distrug fauna și flora emisarului;
apele calde aduc prejudicii prin dificultățile pe care le crează în exploatarea instalațiilor de alimentare cu apă potabilă și industrială și în folosirea apei pentru răcire; se mai produce, de asemenea, și scăderea cantității de oxigen din apă, cu toate consecințele care decurg de aici;
coloranții împiedică absorbția normală a oxigenului, dar afectează și procesele de fotosinteză la plantele acvatice;
micro-organismele pot duce la infectarea puternică a emisarului, făcând ca apa acestuia să fie complet inutilizabilă.
Pentru cele trei categorii de ape (prezentate în ∫∫ 3.4.1.), în tabelul 7.1 sunt prezentate condițiile de calitate care trebuiesc îndeplinite.
Tab. 7.1
Condițiile de calitate trebuie îndeplinite la 1 km amonte de punctul sau zona de folosință, ținându-se seama și de posibilitățile de auto-epurare ale emisarului.
Standardele mai prevăd și necesitatea construirii de instalații de amestec ale celor două feluri de apă (uzată și din emisar), astfelîncât în aval de punctul de evacuare a apelor uzate amestecul să fie cât mai omogen.
7.2. Procese tehnologice specifice pentru epurarea apelor uzate industriale
Necesitatea epurării înainte de evacuarea în emisari a apărut, inițial, numai pentru apele uzate menajere colectate din localități. Dat fiind caracterul acestor ape, au fost elaborate câteva procese de epurare și instalațiile corespunzătoare suficiente pentru a realiza gradul de epurare dorit; aceste procese constau din:
– epurarea mecanică prin reținere pe grătare, deznisipare, separare de uleiuri și decantare, având drept rezultat eliminarea majorității impurităților insolubile;
– epurarea biologică cu nămol activ sau pe biofiltre, prin care se elimină impuritățile organice dizolvate sau dispersate coloidal.
Odată cu dezvoltarea industriei și cu creșterea volumului de ape industriale uzate, a devenit necesară și epurarea acestor ape; procedeele clasice de epurare au continuat să fie utilizate, cu toate că, în acest caz, eficiența lor este limitată. Astfel, ele nu sunt capabile să micșoreze deloc conținutul apei în impurități minerale dizolvate, iar unele substanțe organice, mai ales cele obținute prin sinteză, nu sunt degradate de către micro-organisme și pot trece neschimbate prin stațiile de epurare.
Problema eliminării impurităților rezistente la epurarea prin metodele clasice a impus adoptarea unor noi metode de epurare, care să le completeze pe cele clasice. Astfel de metode sunt: neutralizarea, flotația, adsorbția, extracția, evaporarea și arderea, aerarea, spumarea, electrodializa, osmoza inversă, înghețarea, schimbul ionic, oxidarea chimică sau electrochimică, etc.
7.2.1. Egalizarea și uniformizarea
În cadrul multor ramuri industriale, procesele tehnologice se desfășoară în așa fel încât producerea apelor uzate pe parcursul unui schimb sau al unei zile este caracterizată de variații mari în ceea ce privește cantitatea sau calitatea acestora.
Introducerea în rețelele de canalizare publică sau în stațiile de epurare orășenești a unor asemenea ape uzate industriale, cu variații mari de debit și compoziție, poate genera perturbații în buna funcționare și exploatare a acestora.
Pentru motivele evidențiate se impune adoptarea de măsuri în vederea obținerii unei egalizări a concentrațiilor apelor uzate, precum și unei uniformizări a debitelor ce se evacuează
Egalizarea este o metodă care constă în reținerea apelor uzate în bazine amenajate corespunzător, până când efluentul care se descarcă din bazin capătă caracteristici relativ uniforme din punct de vedere al pH-ului, culorii, turbidității, consumului biologic de oxigen, etc.
Uniformizarea reprezintă metoda care permite, prin reținerea în bazine a apelor uzate ce vin cu debite variabile, descărcarea lor în rețeaua de canalizare publică sau în stațiile de epurare finală cu un debit relativ constant.
În acest mod, egalizarea concentrațiilor și uniformizarea debitelor apelor industriale uzate reprezintă practic o metodă de pre-tratare sau pre-epurare a acestora, deoarece ca rezultat al egalizării și uniformizării se ameliorează caracteristicile calitative și cantitative ale apelor uzate și se facilitează tratarea lor ulterioară, asigurându-se o eficiență sporită a stației de epurare.
Egalizarea concentrațiilor și uniformizarea debitelor apelor industriale uzate se poate realiza cu ajutorul unor bazine dimensionate în mod corespunzător, prevăzute cu dispozitive care să ușureze amestecul. În principiu, există trei posibilități de realizare a unui amestec cât mai omogen, și anume:
sisteme adecvate de distribuție a apelor uzate în bazine;
utilizarea sistemelor mecanice de amestecare;
utilizarea sistemului de amestec cu ajutorul aerului.
Cele trei posibilități se pot utiliza atât individual, cât și asociate, în vederea obținerii unui randament cât mai mare.
În ceea ce privește sistemele de distribuție, se poate adopta fie metoda introducerii apei în bazin prin intermediul unei conducte perforate, plasată pe lățimea bazinului (fig.7.1-a) fie sistemul cu rigolă de distribuție (fig.7.1-b).
Fig. 7.1
Pentru obținerea unui amestec și mai bun se pot folosi dipozitive mecanice rotative de agitare a apei; se recomandă pentru acestea o turație de
5 rot./min., [4].
Procedeul cel mai eficient de amestecare și omogenizare a apei din bazinele de colectare este cel bazat pe introducerea de aer sub presiune în bazine (fig.7.2); prin adoptarea acestei soluții se mai realizează, în plus, împiedicarea depunerii materialelor în suspensie pe fundul bazinului, oxidarea chimică preliminară a unor substanțe conținute în apele uzate (de exemplu H2S), ca și un anumit grad de oxidare biologică a materiilor organice din apele uzate.
Fig. 7.2
Un alt rol al instalațiilor de tipul celor descrise anterior poate fi și acela de proporționare a debitelor care sunt evacuate în emisari, cu scopul reducerii posibilelor fluctuații. Acest fapt presupune menținerea constantă a raportului de diluție între debitul ce se evacuează în emisar și debitul emisarului.
Pentru a se putea dimensiona bazinele de egalizare și uniformizare trebuie să se cunoască, pe de-o parte, variațiile cantitative și calitative ale apelor uzate ce se evacuează într-o zi de lucru, iar pe de altă parte – durata ciclurilor de fabricație din programul zilnic de lucru.
Pornindu-se de la rolul pe care îl joacă bazinul de egalizare și uniformizare, capacitatea acestuia, Vt , se calculează cu relația
Vt = Ve + Vf , (7.1)
în care Ve reprezintă volumul necesar pentru egalizare, iar Vf – volumul fluctuant.
Dacă din desfășurarea procesului tehnologic rezultă că într-o zi de lucru au loc 1, 2, 3 sau mai multe cicluri de fabricație similare, de la care rezultă ape uzate având caracteristici calitative apropiate, atunci volumul necesar egalizării concentrațiilor trebuie să fie capabil de a prelua debitele aferente unui ciclu de fabricație
Ve = n · Qmed max , (7.2)
în care n reprezintă numărul de ore al ciclului de fabricație, iar Qmed max – cel mai mare dintre debitele medii orare pe ciclurile de fabricație.
Pentru determinarea volumului fluctuant (de uniformizare) se poate utiliza metoda diferenței valorilor cumulate ale debitelor intrate și ieșite din bazinul de egalizare-uniformizare, punându-se condiția ca debitele ieșite să aibă o valoare constantă.
7.2.2. Neutralizarea
Neutralizare este o operație care se aplică apelor uzate acide sau alcaline evacuate din diferite întreprinderi industriale, ape care pot modifica nefavorabil pH-ul apei emisarului.
Din acest punct de vedere, cea mai mare pondere o au apele impurificate cu acizi minerali; prezența acestora duce, pe de-o parte, la corodarea materialelor de construcție a rețelelor de canalizare (părți metalice și betoane), iar pe de altă parte – la afectarea florei și faunei acvatice.
Neutralizarea apelor acide. Industriile care evacuează acizi sunt foarte variate, ca de exemplu fabricile de acizi și explozivi, industria metalurgică (decapări, acoperiri metalice), rafinăriile de petrol, fabricile de îngrășăminte, etc.
Preliminar stabilirii măsurilor de neutralizare trebuie să se epuizeze, mai întâi, toate posibilitățile de a reduce cantitățile de acizi evacuați.
De asemenea, trebuie studiată posibilitatea de neutralizare reciprocă a apelor uzate acide și alcaline rezultate din aceeași întreprindere, sau din întreprinderi învecinate; în astfel de cazuri, se prevăd bazine de egalizare separate pentru apele acide și pentru cele alcaline, bazine din care se realizează apoi amestecarea proporțională.
Pentru neutralizarea acizilor minerali se pot utiliza diferite substanțe cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonați). Alegerea neutralizantului se face în funcție de:
natura acidului de neutralizat;
reactivitatea și costul neutralizantului;
volumul și caracteristicile sedimentelor insolubile formate după neutralizare.
Neutralizanții cei mai utilizați în practică sunt: piatra de var (CaCO3), dolomita (carbonat de calciu și magneziu), varul (ca atare, CaO, sau sub formă de hidroxid de calciu Ca(OH)2 – lapte de var sau var stins praf), dolomita calcinată. Drept neutralizanți pentru ape acide se mai pot utiliza și unele deșeuri industriale, cum sunt nămolurile de la fabricile de sodă sau cele de la producerea acetilenei din carbid.
Tab. 7.1
În tabelul 7.1, sunt prezentate pH-urile realizabile cu diferiți neutralizanți.
Piatra de var (calcarul) este unul dintre primii reactivi utilizați pentru neutralizarea apelor acide. În funcție de proveniența ei, piatra de var prezintă reactivitate variabila față de acizii minerali, această reactivitate depinzând de compoziția chimică și mai ales de structura cristalină a materialului.
Reactivitatea diferitelor tipuri de calcar scade în ordinea: dolomită, cretă, ardezie, marmură, calcar de scoici.
Studiile pentru stabilirea dimensiunilor optime ale particulelor de calcar și a timpului de reacție necesar au condus la concluzia că piatra de var sub formă de granule cu diametrul de până la 0,5 mm, adăugată într-o apă acidă în cantitate stoechiometrică, asigură neutralizarea completă în 10 … 15 minute.
S-a mai stabilit, de asemenea, că filtrarea printr-un strat de calcar granulat are efect de neutralizare numai în cazul apelor cu conținut redus de acizi; astfel, concentrația acidului sulfuric (H2SO4) nu trebuie să depășească
0,3 … 0,5 % – în cazul în care concentrația este mai mare, în afară de scăderea reactivității se constată o cimentare a granulelor din patul filtrant.
Avându-se în vedere că prin reacția cu acidul sulfuric
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O (7.3)
rezultă sulfat de calciu, greu solubil, calcarul nu este indicat ca neutralizant pentru ape conținând acid sulfuric, pentru că sulfatul de calciu de la suprafața granulelor împiedică contactul ulterior al acidului cu carbonatul de calciu.
Reactivitatea pietrei de var este micșorată chiar și în cazul acizilor clorhidric (HCl) și azotic (HNO3) – care dau produși de reacție solubili – dacă aceștia sunt prezenți în concentrație mai mare de 1,2 %; explicația acestui fapt este formarea unei cantități mari de CO2 care acoperă în mare parte granulele de carbonați.
La neutralizarea apelor acide prin filtrare prin strat de granule de calcar se poate lucra [4] cu o încărcare de 40 l/m2 ·min. Frecvența împrospătării pietrei de var depinde de cantitatea și de felul acidului. La concentrații mari de acizi se poate produce o spumare intensă, mai ales dacă în apă sunt prezente substanțe organice.
Varul stins și laptele de var se utilizează pe scară largă la neutralizarea apelor acide, caracterizându-se printr-o reactivitate mare.
Varul stins – sub formă de praf – este indicat, de obicei, în cazul instalațiilor mai mici, deoarece nu necesită condiții deosebite de depozitare și poate fi cu ușurință dozat în mod continuu; este de remarcat, totuși, că în stare uscată are tendința să se aglomereze în cazul unei depozitări mai îndelungate.
Adăugarea varului sub formă de praf reduce timpul de decantare și volumul sedimentului. Varul sub formă de praf sau de pastă reacționează mai lent și într-o măsura mai mică decât laptele de var, motiv pentru care dozele utilizate trebuie să fie cu 40 … 50 % mai mari decât necesarul teoretic.
Laptele de var se utilizat pentru neutralizare trebuie să aibă o concentrație a oxidului de calciu (CaO) de 5 … 10 %. Cantitatea necesară se calculează în funcție de aciditatea totală a apei și de conținutul în metale grele al acesteia. În cazul apelor ce conțin acid sulfuric doza se mărește cu 5 … 10 % față de necesarul teoretic, iar în cazul acizilor clorhidric și azotic – cu 5 %.
Timpul de reacție după adăugarea varului trebuie să fie de minimum 5 minute, iar dacă sunt prezenți și ioni de metale grele, acest timp trebuie prelungit la 30 de minute.
Instalațiile de neutralizare a apelor acide au următoarele elemente specifice principale:
depozitul de neutralizant;
instalația de pregătire a neutralizantului (stingerea varului);
rezervoarele de neutralizant (lapte de var);
dispozitivele de dozare;
bazinele de amestecare;
camera de reacție-neutralizare;
decantoarele (iazurile de depozitare);
câmpurile de depozitare a nămolurilor.
În funcție de condițiile locale (debitul și caracteristicile apelor uzate, tipul neutralizantului), unul sau mai multe dintre aceste elemente pot lipsi din schema stației de neutralizare.
La stațiile mari, transportul varului, prepararea laptelui de var și evacuarea sedimentelor sunt mecanizate iar dozarea adaosului de reactivi se face automatizat.
Instalațiile pentru stingerea varului trebuie să permită obținerea unei paste fără resturi grosiere de material steril – pentru aceasta sunt adecvate instalațiile de tip moară cu bile și clasificator.
Diluarea pastei de var la o concentrație de 5 … 10 % CaO se realizează în rezervoare speciale, prevăzute cu agitatoare (cu palete, prin insuflare de aer sau cu pompe de recirculare).
Decantoarele se dimensionează, uzual, la un timp de retenție de 2 ore, deși în condiții statice limpezirea apei neutralizante cu var este practic încheiată după 30 de minute. Timpul de decantare poate fi micșorat prin adăugarea de polielectroliți organici (de exemplu poliacril-amidă). Se pot utiliza oricare dintre tipurile obișnuite de decantoare (orizontale, verticale, radiale), prevăzute cu dispozitive pentru raclarea și colectarea nămolului.
Pentru o utilizare cât mai eficientă a neutralizantului, ca și pentru îmbunătățirea limpezirii apei, se poate practica o recirculare a nămolului decantat în camera de amestecare.
Pentru uscarea nămolului se construiesc paturi de uscare, în aer liber sau acoperite; în cazul celor acoperite capacitatea anuală este de 10 … 15 m3/m2, în timp ce la cele în aer liber, capacitatea este variabilă în funcție de condițiile climatice (temperatură, precipitații).
Se mai pot utiliza, pentru deshidratarea nămolurilor, procedeele uzuale de filtrare și centrifugare, aceste procedee fiind recomandate în cazul când disponibilitățile de spațiu sunt reduse, nămolul neputând fi depozitat în apropierea stației de epurare.
Toate elementele instalației de neutralizare (grătare, deznisipatoare, camere de amestec și de reacție, decantoare) care vin în contact cu apele acide trebuie construite din materiale antiacide, sau protejate împotriva coroziunii.
Construcțiile din beton armat se acoperă cu un strat de protecție care împiedică acțiunea chimica a agentului coroziv, acest strat fiind la rândul său protejat printr-un altul, având rezistență mecanică și termică ridicată; primul strat se realizează, de regulă, din bitumuri sau folii de PVC moale, iar al doilea – din plăci de ceramică antiacidă, fixate cu chituri speciale.
Neutralizarea apelor alcaline. Cantitatea de alcalii care se evacuează cu apele industriale uzate este redusă, comparativ cu cea de acizi.
Pentru neutralizarea apelor alcaline se pot utiliza acizii reziduali rezultați din diverse procese industriale, cu condiția ca în aceștia să nu fie prezente alte impurități, în cantități supărătoare. Instalațiile de neutralizare sunt asemănătoare cu cele pentru ape acide; volumul apelor alcaline fiind de regulă redus, de cele mai multe ori se preferă instalațiile de neutralizare cu funcționare discontinuă.
Un neutralizant ieftin pentru apele uzate alcaline îl constituie gazele de ardere bogate în bioxid de carbon (CO2), rezultate, de exemplu, de la centralele de forță ale fabricilor sau de la alte instalații de încălzire în care se ard diverși combustibili; gazele rezultate prin arderea completă a combustibililor lichizi conțin circa 14 % CO2 (în volum).
Bioxidul de carbon reacționează cu hidroxizii alcalini, rezultând carbonați, fapt care asigură scăderea pH-ului până la 8,5 (în cazul neutralizării hidroxidului de sodiu, NaOH, sau chiar mai mult, în cazul apelor cu var:
CO2 + 2 NaOH → Na2CO3 + H2O, (7.4)
CO2 + Na2CO3 + H2O → 2 NaHCO3. (7.5)
Instalația de neutralizare a apelor alcaline cu gaze de ardere se compune dintr-o suflantă, o conductă de gaze spre bazinul de neutralizare și un bazin de neutralizare cu difuzor pentru repartizarea uniformă a gazelor în apă. Dacă în apă sunt prezente sulfuri sau cianuri, bazinul trebuie prevăzut cu instalații de captare și neutralizare a hidrogenului sulfurat și a acidului cianhidric sau, cel puțin cu un coș înalt pentru evacuarea acestor gaze toxice.
Pentru neutralizarea apelor alcaline se poate utiliza și CO2 îmbuteliat; în acest sistem construcția și exploatarea instalației sunt simple, dar cheltuielile sunt ridicate.
Bioxidul de carbon poate fi produs și direct în apele uzate, prin combustie, cu ajutorul unui arzător scufundat; metoda prezintă avantajul că, pe lângă neutralizare se mai realizează și antrenarea unor impurități volatile cu caracter toxic.
7.2.3. Flotația
Flotația reprezintă procesul de antrenare a particulelor suspendate într-un lichid la suprafața acestuia, cu ajutorul bulelor de gaz aderente la aceste particule. Flotația decurge diferit după felul particulelor.
În cazul particulelor cu densitate mai mare, care se sedimentează rapid, flotația este posibilă doar la o granulație fină (diametrul maxim 0,4 mm); la aceste materiale se lucrează cu bule mari (având diametre medii de 2 mm), pe care aderă particulele solide (fig.7.3-a). Pentru ca această aderență să se realizeze, se adaugă substanțe care fixându-se pe suprafața particulelor le fac hidrofobe, ceea ce are ca efect eliminarea lor din masa de apă pe suprafața de separare apă-aer (pe suprafața bulelor de aer).
Pentru a putea colecta particulele particulele ridicate la suprafață cu bule de aer, trebuie împiedicată spargerea acestora; în acest scop este necesar să se adauge un spumant, care să permită formarea la suprafață a unei spume stabile (spumanții sunt substanțe superficial active, care micșorează tensiunea superficială a apei prin tendința lor de acumulare pe interfețele lichid-gaz).
Fig. 7.3
În cazul particulelor cu densitate redusă, care plutesc la suprafață sau între straturi, sau care se depun foarte greu, flotația se poate realiza în condiții mai favorabile; forța ascensională necesară pentru ridicarea unei particule la suprafață fiind mai mică, sunt suficiente una sau mai multe bule fine (fig.7.3-b). În aceste condiții se realizează o forță de adeziune mai mare, de cele mai multe ori nemaifiind necesară adăugarea de agenți de flotație.
Metode de flotație pentru ape uzate – producerea în apă a bulelor de aer necesare flotației se poate realiza prin trei metode:
flotația prin barbotare;
flotația sub vid;
flotația cu suprapresiune.
Flotația prin barbotare presupune barbotarea aerului prin duze sau plăci poroase, fiind generate bule de aer de diametru mare (peste 1 mm). Metoda este aplicată mai rar, în special la separatoarele de grăsimi.
Flotația sub vid constă în saturarea apei cu aer și apoi introducerea ei într-un spațiu închis, cu presiune redusă; la scăderea presiunii, o parte determinată din aerul dizolvat se degajă în apă sub formă de bule fine care asigură flotarea materiilor în suspensie.
Spre deosebire de flotația prin barbotare, turbulența indusă este mai mică, astfel că spargerea aglomerărilor floconoase este evitată; în schimb, condițiile de lucru favorizează depunerea suspensiilor grele și de aceea, atunci când acestea sunt prezente, camera de flotație trebuie prevăzută cu racloare de fund pentru evacuarea sedimentelor.
Dată fiind cantitatea limitată de aer sub formă de bule care se degajă sub efectul scăderii de presiune, flotația sub vid nu dă rezultate bune în cazul apelor cu conținut ridicate de suspensii.
Flotația cu suprapresiune a apărut și s-a impus ca urmare a limitelor metodei de flotație sub vid, fiind eficientă în cazul unui mare numar de efluenți industriali.
La această metodă, apa de epurat se aduce in contact cu aer la presiune mai mare decât cea atmosferică; în aceste condiții are loc solubilizarea unei cantități de aer corespunzătoare suprapresiunii aplicate. Prin destinderea bruscă a apei (saturată cu aer) la presiunea atmosferică, în camera de flotație are loc degajarea în bule fine a aerului dizolvat suplimentar față de solubilitatea la presiunea atmosferică.
Exista trei moduri de aplicare a metodei, prezentate în fig.7.4.
Fig. 7.4
În schema a) se realizează saturarea cu aer a întregului debit de apă; aerul este fie aspirat odată cu apa, fie este comprimat în coloana de refulare a pompei. În pompă și pe drumul de la aceasta până la ventilul de destindere are loc dizolvarea aerului. Înaintea ventilului de destindere se intercalează, de obicei, un recipient de contact, cu timp de reținere de circa 1 minut, pentru saturarea apei cu aer și pentru excesului de aer printr-un ventil reglat la presiunea de lucru.
Cel mai frecvent apele uzate sunt flotate în condițiile în care saturarea cu aer se face numai pentru o parte din efluentul limpezit, care este recirculat fie în conducta de alimentare (fig.7.4-b), fie direct în camera de flotație (fig.7.4-c). În aceste cazuri, debitul ce trebuie asigurat de către pompă este mai mic, dar presiunea necesară este mai mare decât la schema a) – pentru a se realiza degajarea aceleiași cantități de aer în camera de flotație.
Ultima schemă se utilizează în special pentru apele uzate cu materii care floculează chiar în camera de flotație și care necesită un curent continuu de bule de aer.
Eliminarea nămolului care se formează la suprafața apei din camera de flotare se realizează cu ajutorul unor racloare; pentru a se evita spargerea bulelor care mențin la suprafața apei stratul de nămol, raclorul trebuie să aibă o mișcare foarte lentă. Umiditatea nămolului evacuat se poate regla prin adâncimea de scufundare a lamei racloare (respectiv prin modificarea nivelului apei în camera de flotație).
Dacă se face abstracție de eventualul consum de oxigen de către apa sau nămolul flotat, pentru fiecare m3 de apa uzată trebuie introdusă, sub o presiune de 0,1 … 0,5 MPa, o cantitate de 20 … 100 litri de aer.
7.2.4. Extracția
Extracția este o operație de separare bazată pe diferența de solubilitate a componenților unui amestec în unul sau mai mulți solvenți; procedeul se aplică la epurarea apelor uzate mai ales atunci când componentul care trebuie separat urmează să fie valorificat – de exemplu extracția fenolului din apele uzate rezultate la cocserii. Există însă și cazuri în care produsele extrase sunt distruse, neputând fi valorificate în vreun fel.
Notându-se apa cu A, componentul de extras cu B și solventul cu S, iar cantitățile mici ale acestor componenți cu a, b, respectiv s, principiul extracției poate fi redat prin schema
-(A + B) + S = [(A – a) + b + s] + [a + (B – b) + (S – s)]. (7.6)
amestec inițial rafinat extract
Amestecul omogen al componenților A și B este pus în contact cu solventul selectiv S, în care A trebuie să aibă o solubilitate mică iar B – una cât mai ridicată; dupa agitare și sedimentare se formează două straturi:
– rafinatul – care conține aproape întrega cantitate de component A și cantitățile b și s;
– extractul – format din a și aproape întrega cantitate de component B și de solvent S.
După separarea celor două straturi urmează recuperarea solventului (de obicei prin distilare), cu rezultatul final
(A + B) = [(A – a) + b] + [a + (B – b)]. (7.7)
amestec fracțiune bogată în A fracțiune bogată în B
inițial (apa epurată) (impuritatea separată)
Fazele elementare ale operației de extracție sunt ilustrate în fig. 7.5.
Solvent (S)
Fig. 7.5
Pentru aprecierea posibilităților de extracție se utilizează noțiunile de constantă de distribuție (de repartiție) și de selectivitate.
Constanta de distribuție, K, este raportul dintre concentrația unuia dintre componenți în extract și cea din rafinat, atunci când acestea sunt în contact, în condiții de echilibru. Concentrațiile se pot exprima în mg/l, moli/l sau în procente de masă sau fracție molară.
Dacă se notează cu concentrația unui component cu x pentru rafinat și cu y pentru rafinat, în cazul componentului B constanta de distribuție este dată de
. (7.8)
Selectivitatea, β, reprezintă raportul constantelor de distribuție pentru cei doi componenți din amestec, în extract și în rafinat
; (7.9)
dacă β > 1 înseamnă că solventul este selectiv pentru componentul B.
Solubilitatea lichidelor unul într-altul variază cu temperatura – unele lichide complet nemiscibile la temperaturi joase pot deveni miscibile la cerșterea temperaturii, sau invers. Comportarea lichidelor, din acest punct de vedere, nu poate fi prevăzută teoretic și de aceea trebuie determinată experimental.
Calitățile pe care trebuie să le întrunească un bun agent de extracție pentru epurarea apelor uzate sunt:
constantă de distribuție ridicată față de impuritatea ce trebuie extrasă;
solubilitate redusă în apă;
să nu formeze emulsii cu apa;
greutate specifică cât mai diferită de a apei;
să nu hidrolizeze sub acțiunea apei, acizilor sau bazelor;
punct de fierbere cât mai diferit de al apei;
să fie stabil la variațiile de temperatură;
să fie cât mai ieftin.
Procedee de extracție. După modul în care apa este pusă în contact cu solventulexistă mai multe procedee de extracție, prezentate în cele ce urmează.
Extracția simplă cu un singur contact constă în agitarea intensă a apei cu solventul; după agitare, lichidul este lăsat să se decanteze, apa și extractul separându-se, după densitate, în două straturi distincte. Solventul din extract este recuperat prin distilare. Procedeul este, de obicei, dicontinuu. Deși la o agitare bună și de durată suficientă eficacitatea extracției se apropie de cea teoretică, pentru o separare avansată a impurității sunt necesare cantități foarte mari de solvent.
Extracția simplă cu contact multiplu constă în repetarea de mai multe ori a operațiilor descrise la extracția simplă cu un singur contact, adăugându-se solvent proaspăt la fiecare repetare. Cu cât numărul contactelor este mai mare și cu cât este mai ridicat consumul de solvent, cu atât se realizează o purificare mai înaintată a apei. Volumul optim al porțiunilor de solvent se determină experimental sau prin calcul. Când se lucrează discontinuu, contactul multiplu poate fi realizat într-o singură unitate de extracție.
Extracția cu contact multiplu în contracurent permite o utilizare mai rațională a solventului, realizându-se scăderea consumului acestuia. Apa uzată este introdusă în prima unitate de extracție, iar solventul proaspăt – în ultima. Apa parțial epurată și extractele parțiale circulă în sensuri contrare. La acest procedeu, separarea componenților din amestecul inițial tinde spre o limită care nu poate fi depășită atunci când componentul principal și solventul nu sunt complet nemiscibili. Condițiile de separare pot fi îmbunătățite dacă se recirculă în unitatea de extracție o fracțiune din produsele rezultate, fie numai rafinatul, fie numai produsul extras, fie amestecul lor (extracția în contracurent cu reflux).
Extracția diferențială în contracurent nu se realizează în unități de extracție distincte, ci într-un sistem în care apa și solventul circulă în contracurent pe baza diferenței de densitate. Într-o coloană de extracție diferențială, echilibrul fazelor nu se realizează în nici un punct al coloanei; transferul impurității din apă în solvent se bazează tocmai pe lipsa echilibrului; diferența de concentrații față de acelea din echilibru este forța motoare care determină difuziunea impurității din apă în solvent.
Instalații de extracție. În practica industrială există o mare varietate de tipuri de extractoare. Un bun extractor trebuie să satisfacă următoarele condiții:
eficacitate mare – să fie echivalent cu un număr mare de unități simple de extracție;
producție specifică mare (debit mare la volum mic);
consum minim de energie mecanică și calorică;
costuri mici de investiție și exploatare;
adaptibilitate la condiții variabile de lucru (de exemplu la variații de debit).
Se disting două categorii principale de extractoare: cu unități de extracție distincte sau continue, în contracurent.
Extractoare cu unități de extracție distincte. În acest caz, fiecare unitate este formată din amestecător și decantor, de construcție obișnuită.
Pentru amestecătoare se recomandă agitatoarele cu elice sau turbină, puterea medie necesară fiind de 0,2 kW/m3. Trebuie evitată formarea emulsiilor stabile; în cazul în care acestea se formează, trebuie sparte prin diferite metode – filtrare, coagulare chimică, electrostatică sau ultrasonică.
Pentru tratarea unor debite mici, în caz de funcționare dicontinuă, recipientul amestecătorului poate servi și ca decantor, după încetarea agitării. O singură unitate poate servi în acest sens și la extracția cu contact multiplu, prin repetarea operației cu porțiuni proaspete de solvent. În cazul funcționării continue se pot adopta amestecătoare și decantoare continue de dimensiuni mici.
Extractoare cu funcționare continuă în contracurent. Cele două faze, apa și solventul, circulă în contracurent cu o viteză determinată de diferența de densitate; una dintre faze este continuă, iar cealaltă este dispersă, formând picături în faza continuă sau un film de lichid pe suprafețele din interiorul extractorului.
Extractoarele continue în contracurent sunt realizate în cinci variante principale, prezentate în cele ce urmează, diferite prin construcția coloanelor:
coloanele cu pulverizarea fazei disperse realizează contactul dintre faze la suprafața picăturilor rezultate prin pulverizarea unuia dintre lichide (cu ajutorul unor duze) în masa celuilalt lichid; eficiența coloanelor de acest tip este redusă;
coloanele cu șicane sau talere constă dintr-un cilindru vertical, prevăzut în interior cu șicane transversale montate la distanțe de 100 … 150 mm (fig.7.6); pentru o singură pereche de șicane eficiența este de numai
5 … 10 % din cea a unei unități teoretice – o coloana înaltă este echivalentă cu câteva unități teoretice de extracție;
coloanele cu umplutură sunt încărcate cu inele Rasching sau cu șei Berl; între diametrul coloanei și mărimea nominală a corpurilor de umplere se păstrează un raport de 8 … 10; stratul de umplutură este fracționat în trunchiuri de 2 … 2,5 m, susținute pe grătare intermediare, pentru evitarea formării de canale; eficiența acestor coloane depinde de valoarea tensiunii superficiale dintre faze, înălțimile echivalente cu o unitate teoretică de extracție variind de la 0,3 la 6 m;
coloanele rotative fac parte din categoria extractoarelor perfecționate, reunind într-un singur aparat instalația clasică de extracție, cu amestecătoare și decantoare separate; un astfel de aparat este coloana Scheibel (fig.7.7) formată dintr-un cilindru în interiorul căruia se rotește un ax cu palete montate la distanțe egale, între palete fiind dispuse straturi de umplutură sau din site metalice; prin această construcție se creează alternativ spații de agitare puternică și de liniștire, în care se realizează separarea;
coloanele de extracție cu pulsații (fig.7.8) realizează o îmbunătățire considerabilă a contactului dintre cele doua lichide; sunt prevăzute în interior cu talere perforate, prin care cele doua lichide sunt forțate să treacă în ambele sensuri, cu frecvență mare, prin scoaterea și introducerea rapidă de lichid în coloană – această mișcare produce dispersarea uneia dintre faze și duce la îmbunătățirea eficientei.
Calculul instalațiilor de extracție, respectiv determinarea numărului necesar de unități teoretice de extracție, se face pornindu-se de la valoarea constantei de distribuțieși de la expresia bilanțului de substanță ce se extrage.
Raportul între solvent și apă (S/A) se adoptă, de regulă, 1:10.
7.2.5. Adsorbția
Adsorbția reprezintă fenomenul de reținere pe suprafața unui corp a moleculelor unei alte substanțe. Materialul solid sau lichid pe care are loc reținerea se numește adsorbant, iar substanța care este reținută – adsorbat.
Adsorbția este utilizată pentru purificarea unor produse sau pentru separarea unor componenți. Substanțele reținute pe un adsorbant pot fi puse în libertate prin încălzire sau prin extracție, după care acesta își recapătă aproape integral proprietățile inițiale și poate fi refolosit.
În comparație cu alte procedee de separare, adsorbția prezintă următoarele particularități:
– reținerea unor componenți aflați în amestecuri în concentrații foarte mici;
– selectivitate față de anumiți componenți.
Procesul de adsorbție este caracterizat prin echilibrul de adsorbție, care exprimă repartiția cantitativă, la echilibru, a substanței adsorbite între adsorbant și mediul din care se realizează adsorbția și prin cinetica de adsorbție, care urmărește mecanismul procesului și viteza cu care se desfășoară acesta.
Raportul de distribuție al unei substanțe între adsorbant și mediul din care se face adsorbția (în cazul epurării – apa) la o temperatură dată și după un timp de contact suficient pentru stabilirea echilibrului se reprezintă printr-o curbă denumită izotermă de adsorbție. Izotermele de adsorbție se determină experimental și sunt caracteristice pentru fiecare adsorbant, adsorbat, mediu de adsorbție și temperatură dată.
Pentru explicarea relațiilor cantitative care intervin în adsorbție, în condiții de echilibru, au fost elaborate diferite teorii pe baza cărora s-au propus ecuații care reușesc să exprime analitic izotermele de adsorbție, pe porțiuni limitate; astfel, teoria lui Langmuir [4], care consideră că adsorbatul formează pe suprafața adsorbantului un strat monomolecular, propune urmatoarea ecuație
, (7.10)
în care a reprezintă cantitatea de adsorbat reținută pe un gram de adsorbant la concentrația de echilibru C, exprimată în mol/g, am – cantitatea maximă de adsorbat care poate fi reținută pe suprafața adsorbantului, pentru a forma un strat monomolecular, mol/g, C – concentrația adsorbantului în soluție (apă) la echilibru, mol/l, iar b – o constantă legată de energia de adsorbție.
O altă relație empirică este ecuația Freundlich – van Bremelen
, (7.11)
viteza de adsorbție fiind
, (7.12)
în care a reprezintă cantitatea adsorbită pe un gram de adsorbant, în g/g, t – timpul de la începutul adsorbției, în s, k – coeficient de viteză caracteristic sistemului, în s-1, C – concentrația adsorbatului în fază fluidă, în mg/l iar Ce – concentrația adsorbatului în fază fluidă în condiții de echilibru, în mg/l.
Aplicarea adsorbției în practică se bazează mai ales pe reguli stabilite experimental, situație datorată următoarelor cauze:
lipsa unei teorii unice a adsorbției;
necunoașterea stării suprafeței adsorbantului;
marea varietate a adsorbanților determinată de materiile prime și de modul de obținere.
Cercetările privind adsorbția pe cărbune activ a impurităților organice dizolvate în apă au condus la următoarele concluzii [4]:
creșterea temperaturii micșorează capacitatea de adsorbție;
scăderea pH-ului implică o creștere a capacității și vitezei de adsorbție;
capacitatea de adsorbție este puternic influențată de masa moleculară a substanței adsorbite, crescând odată cu aceasta;
capacitatea și viteza de adsorbție se maresc prin micșorarea dimensiunii particulelor de adsorbant;
capacitatea de adsorbție efectivă depinde de timpul de contact și de aceea este mai mare în condiții statice decât în condiții dinamice.
Materiale adsorbante. Toate materialele solide sau lichide adsorb molecule de gaze sau lichide pe suprafața lor. Cu toate acestea, în practică nu pot servi drept adsorbanți decât acele materiale care au o suprafață specifică (raportul suprafață/greutate) suficient de mare pentru a asigura o capacitate de adsorbție satisfăcătoare. La cărbunele activ, această suprafață specifică ajunge la mărimi de ordinul a 1000 m2/g.
Pentru epurarea apelor uzate se utilizează drept adsorbanți cărbunele activ, cocsul, cenușile fine de la generatoarele de gaz, cenușile de la termocentrale, zgurile metalurgice, cărbuni fosili – ca atare sau supuși unor diverse tratamente – etc.
Dintre toate, cel mai frecvent folosit este cărbunele activ, datorită capacității sale ridicate de adsorbție. Acesta se obține prin încălzirea la temperaturi ridicate, în spațiu închis, a unor materiale vegetale lemnoase, cu sau fără adaos de substanțe anorganice (clorură de zinc, de magneziu sau de calciu, acid fosforic), urmată de activarea prin tratare cu vapori de apă, cu oxizi de carbon, cu aer sau cu clor.
Cărbunele activ produs prin această tehnologie se livrează atât sub formă de granule (diametrul de 1 … 6 mm) cât și sub formă de pulberi (diametre de 0,1 … 0,5 mm).
Aplicarea adsorbției la epurarea apelor uzate se face, de regulă, pentru înlăturarea din apă a unor impurități în concentrație scăzută (de ordinul mg/l) rămase după aplicarea altor procedee de epurare, atunci când se impune atingerea unui grad de epurare foarte ridicat.
Sunt rare cazurile în care substanțele adsorbite din apă sunt separate de pe adsorbant prin desorbție pentru valorificare; de regulă, adsorbanții saturați cu impurități sunt fie aruncați, fie regenerați pe cale termică pentru reutilizare.
După modalitatea în care este pusă în contact apa de epurat cu adsorbantul se disting două posibilități de aplicare a adsorbției, statică și dinamică.
Adsorbția statică se consideră ca atare atunci când adsorbantul, sub formă de granule fine de praf, este agitat cu apa de epurat un anumit timp, după care adsorbantul este separat din apa epuratăprin sedimentare sau filtrare și apoi este regenerat.
Adsorbția dinamică are loc atunci când apa cu impurități străbate continuu un strat fix, mobil sau fluidizat de adsorbant.
În practică, la tratarea și epurarea apelor uzate se utilizează atât adsorbția statică cât și cea dinamică. În cazul adsorbției statice, se dozează cărbune activ sub formă de praf în apă, în bazine de amestecare, iar după un timp de contact suficient (la atingerea echilibrului) acesta este separat prin filtrare pe filtre de nisip.
Prin utilizarea cărbunelui activ sub formă de praf există avantajul că doza aplicată poate fi modificată în funcție de variația conținutului de impurități organice din apă, evitându-se astfel consumurile excesive. Dacă reținerea cărbunelui din apa epurată se face cu ajutorul unor filtre corespunzătoare, este posibilă regenerarea și refolosirea continuă a acestuia.
Cele mai numeroase instalații de tratare a apei prin adsorbție în condiții dinamice utilizează paturi fixe de cărbune activ cu granulația de 0,5 … 2,5 mm, mai ales în cadrul unor filtre închise; înălțimea stratului de cărbune în aceste filtre este de 1 … 3 m.
Pentru epurarea finală a unei ape uzate menajere, care în prealabil a fost epurată biologic, sunt necesare aproximativ 0,1 kg de cărbune activ pentru un metru cub de apă epurată, la o încărcare a filtrului cuprinsă între 0,15 … 0,37 m3/m2·min.
În cazul utilizării filtrelor de cărbune este deosebit de important să se realizeze – anterior filtrării – o bună limpezire a apei uzate, înainte de adsorbție (prin coagulare, decantare și, eventual, pre-filtrare) deoarece prezența suspensiilor fine conduce la îmbâcsirea filtrului și, implicit, la creșterea rezistenței de filtrare.
Prin analiza rezultatelor din exploatare, se poate afirma că un cărbune activ de buna calitate poate adsorbi substanțe organice într-o cantitate de până la 5 % din greutatea lui, după care trebuie regenerat.
În ceea ce privește regenerarea, dacă aceasta se realizează pe cale termică, după prima regenerare cărbunele își recapătă aproape integral capacitatea de adsorbție, iar după zece cicluri utilizare – regenerare aceasta scade la 50 % din cea inițială.
Pentru alegerea adsorbantului, determinarea cantităților necesare și stabilirea condițiilor optime de realizare a contactului dintre adsorbant și apă sunt necesare, pentru fiecare caz în parte, determinări experimentale în condiții de laborator sau în stații-pilot.
7.2.6. Alte procedee de epurare
Pentru epurarea apelor industriale uzate au fost studiate – și, în unele cazuri, aplicate – și alte procedee fizico-chimice de epurare decât cele standard, anterior prezentate (∫∫ 7.2.1. … 7.2.5.); în cele ce urmeză se va face o inventariere succintă a acestora.
Distilarea este un proces cunoscut (transformarea apei, prin încălzire, în vapori și apoi condensarea acestora); datorită volatilității reduse a majorității impurităților dizolvate – minerale sau organice – prin aplicarea acesteia se obține o apă de foarte bună calitate.
Prin distilare se îndepărtează și materialele în suspensie, în timp ce microorganismele prezente sunt distruse.
În comparație cu alte procedee de epurare a apelor uzate, distilarea este – prin consumul energetic pe care îl reclamă – un procedeu costisitor; recurgerea la diverse metode de recuperare a căldurii de condensare îmbunătățește randamentul, distilarea apelor uzate putând fi luată în considerare acolo unde deficitul de apă impune recuperarea acesteia dupa utilizare.
Înghețarea permite concentrarea impurităților, deoarece la înghețarea apei impure se formează cristale de gheață constituite din apa aproape pură, care se pot separa de soluția reziduală bogată în impuritățla înghețarea apei impure se formează cristale de gheață constituite din apa aproape pură, care se pot separa de soluția reziduală bogată în impurități.
Procesul de epurare prin înghețare comportă următoarele faze:
răcirea apei uzate până la punctul de congelare, cu producerea de cristale fine de gheață;
separarea cristalelor formate;
spălarea cristalelor cu apă curată (preluată din cea rezultată de la faza următoare și amestecată, după utilizare, cu apa uzată de epurat);
topirea.
O altă variantă de utilizare a procedeului este bazată pe procesul formării de hidrați; unele substanțe, cum ar fi hidrocarburile cu masă moleculară mică sau derivații halogenați ai acestora, formează împreuna cu apa, la temperaturi scăzute, combinații solide la care moleculele unuia dintre componenți sunt fixate în rețeaua cristalină a celuilalt.
Ca și cristalele de gheață și cele ale acestor combinații nu includ în rețeaua lor decât apa lipsită de impurități; dupa separarea de lichidul-mamă și după spălare cristalele sunt topite, rezultând două lichide nemiscibile: apa pură și agentul de hidratare, care sunt apoi separate.
În comparație cu înghețarea simplă, procedeul cu formare de hidrați are avantajul că permite obținerea de cristale la temperaturi mai mari, deci cu consum mai redus de energie; spre exemplu, dacă se utilizează propan ca agent de hidratare, cristalele apar la +5,7°C, față de 0°C în cazul gheții obișnuite.
Încercările preliminare au demonstrat că, pe această cale, se pot elimina circa 85 % dintre impuritățile organice și 90 % dintre cele minerale.
Spumarea, ca metodă de epurare a apelor uzate, este procedeul prin care insuflând aer în apa de epurat se generează o spumă în care are loc acumularea unora dintre impuritățile prezente.
Formarea spumei este condiționată de prezența în apă a substanțelor superficial active, care au capacitatea de a micșora tensiunea superficială a apei; astfel de substanțe prezente în apele uzate sunt, spre exemplu, detergenții și proteinele sau produsele lor de descompunere.
Prin separarea spumei și spargerea ei se obține un reziduu apos, bogat în impuritățile respective. Uneori, pentru a favoriza spumarea, se adaugă intenționat agenți de spumare (de regulă detergenți cationactivi).
Din încercările făcute [4] pentru aplicarea acestei metode, rezultă că se poate realiza astfel îndepărtarea detergenților anion-activi în proporție de 85 % și reduceri ale consumului chimic de oxigen de 10 … 55 %.
Concentrația minimă de agent superficial-activ necesară pentru spumare este de circa 0,5 mg/l; consumurile, determinate experimental, de aer necesar spumării se situează între 3,7 … 7,5 litri pentru un litru de apă epurată și un timp de reținere de 5 … 10 minute. Volumul de spumă obținută reprezintă circa 1 % din volumul apei epurate.
Osmoza inversă. Fenomenul de osmoză are loc atunci când două soluții apoase de concentrații diferitesunt separate printr-o membrană semipermeabilă (permeabilă la apă dar impermeabilă la săruri).
Într-un astfel de sistem (fig.7.9), apa trece prin membrană dinspre soluția mai diluată (apă curată) spre cea mai concentrată (apă impurificată) – varianta a). Acest proces încetează atunci când presiunea hidrostatică P care se exercită asupra soluției mai concentrate atinge o anumită valoare (presiunea de echilibru numindu-se presiune osmotică) – varianta b).
Fig.7.9
Procesul normal de osmoză poate fi inversat prin aplicarea asupra soluției mai concentrate (apa impură) a unei presiuni mai mari decât presiunea osmotică, fapt care determină o circulație a apei în sens invers – varianta c). Acest fenomen poartă numele de osmoză inversă și poate fi utilizat pentru obținerea unei ape curate dintr-o apă bogată în săruri.
Drept material pentru membrane se utilizează acetatul de celuloză produs în condiții speciale, pentru asigurarea unei viteze de filtrare ridicate –
s-au realizat membrane cu capacități de lucru de 700 … 2200 l/m2·zi, permițând o eliminare a substanțelor dizolvate de 95 … 99%.
Schema unei instalații pentru osmoză inversă este prezentată în fig.7.10, în care s-au făcut următoarele notații:
1 – pompă de alimentare;
2 – filtru;
3 – pompă pentru ridicarea
presiunii;
4 – baterie pentru osmoza
inversă;
5 – rezervor pentru apa
curată;
6 – turbină pentru recuperarea
energiei.
Deși nu este încă aplicat pe scară largă pentru epurarea apelor uzate industriale, procedeul bazat pe osmoza inversă întrunește condițiile ca, prin perfecționare, să fie din ce în ce mai luat în considerare, apa epurată obținută astfel având un nivel de puritate comparabil cu cel al apei distilate.
Schimbul ionic ca procedeu de epurare se bazează pe proprietatea unor materiale care, puse în contact cu o apă mineralizată (conținând săruri ionizate), substituie ionii din apă cu ioni proveniți din materialul însuși.
În funcție de sarcina ionilor schimbați, se disting schimbători de cationi (cationiți) și schimbători de anioni (anioniți). În practică, pentru epurarea apei se utilizează materiale schimbătoare de ioni în stare solidă.
Prin ecuațiile de mai jos se ilustrează acțiunea unui cationit, care reține cationii eliberând ioni de hidrogen (7.13), și a unui anionit, care reține anionii eliberând ioni de hidroxil (7.14):
2·ZH + Ca++ Z2Ca + 2·H+ ; (7.13)
2·ROH + SO4– H2SO4 + 2·OH- . (7.14)
Aducând în contact apa mineralizată cu cantități suficiente de astfel de schimbători de ioni, produsul obținut este o apă aproape pură, deoarece ionii eliberați în cantități echivalente în procesul de schimb se combină între ei cu formare de apă.
Reacțiile descrise de ecuațiile de mai sus sunt reversibile, ceea ce înseamnă că, prin tratarea schimbătorilor de ioni uzați cu acizi – în cazul cationiților – respectiv cu baze – pentru anioniți – are loc regenerarea acestora.
Demineralizarea cu schimbători de ioni se aplică în practică pentru tratarea apelor potabile dar și pentru epurarea unor ape uzate ce conțin impurități minerale (în special pentru eliminarea ionilor de metale grele).
Este de subliniat costul ridicat el epurării prin această metodă, ca și pericolul inactivării schimbătorului de ioni prin îmbâcsirea cu substanțe organice, fapt care impune eliminarea prealabilă a urmelor de substanțe organice prin adsorbție pe cărbune activ.
Un alt inconvenient al metodei este că prin aplicarea sa rezultă produse de regenerare care constituie ele însele deșeuri greu de evacuat.
Electrodializa ca procedeu de tratare a apei sau de epurare a apelor uzate industriale constă, în principiu, din electroliza apei impure introduse într-o celulă (fig.7.11) separată de cei doi electrozi prin membrane semipermeabile: una, C, permeabilă numai la cationi – înspre catodul 1 – și cealaltă, A, permeabilă numai la anioni – înspre anodul 2. Prin migrarea ionilor din celulă spre electrozi are loc o scădere a concentrațieide săruri din compartimentul central.
O singură celulă, de tipul celei descrise, funcționează neecomic, din cauza consumurilor mari mari de energie în compartimentele electrozilor (pentru deshidratarea ionilor). Dacă numărul de compartimente dintre electrozi este mai mare, proporția de energie consumată pentru transportul ionilor crește în raport cu aceea consumată pentru deshidratarea ionilor pe electrozi.
În practică se utilizează baterii de 50 … 400 de compartimente, pentru a obține o apă numai parțial demineralizată; dacă demineralizarea este prea avansată, consumul de energie pe unitatea de apă produsă crește inacceptabil.
Pentru demineralizarea apelor uzate industriale, procedeul este aplicabil numai cu condiția ca substanțele organice să fie, în prealabil, îndepărtate în totalitate, prin alte procedee.
Oxidarea chimică. Cea mai avansată îndepărtare a impurităților organice din apă se realizează prin oxidarea lor completă până la produși minerali simpli (diverși oxizi – dioxid de carbon, oxizi de azot, etc.).
Viteza procesului de oxidare cu oxigen depinde de condițiile de temperatură, presiune și de starea de activare a oxigenului, având valori mai ridicate la presiuni și temperaturi mari și când oxigenul se află într-o formă activată (ozon, oxigen atomic, radicali hidroxil).
Oxidarea impurităților organice din apă se realizează în mod natural prin mijlocirea microorganismelor; procesul decurge cu viteză relativ mică și de aceea comportă instalații de epurare foarte voluminoase.
Pentru oxidarea chimică a impurităților organice din apele uzate se recurge, în practică, la oxidanți precum ozonul, clorul și sărurile unor peracizi (frecvent permanganatul de potasiu); toate aceste substanțe au, însă, prețuri ridicate, ceea ce conferă metodei un caracter prohibitiv.
Față de alte procedee de epurare, oxidarea chimică are avantajul că poate fi aplicată atât apelor uzate cât și reziduurilor concentrate, oxidarea extinzându-se și la unele impurități anorganice (sulfuri, sulfiți, cianuri); de asemenea, metoda nu produce reziduuri concentrate și distruge microorganismele din apă.
Dintre sistemele posibile de oxidare chimică cu oxigen, sunt de menționat următoarele:
oxidarea cu oxidanți pe bază de oxigen activ (ozon, apă oxigenată, radicali liberi hiroxil);
oxidarea accelerată cu oxigen molecular, bazată pe reacția în lanț cu radicali liberi hidroxil; drept promotor de astfel de radicali se utilizează apa oxigenată în prezența fierului divalent;
oxidarea catalitică cu oxigen molecular a substanțelor organice, după adsorbția lor pe suprafața unui material solid.
Substanțele organice din apă pot fi oxidate și cu alți oxidanți decât oxigenul; dintre oxidanții cunoscuți, prezintă un interes mai mare permanganatul de potasiu și ferații de sodiu (Na2FeO5) sau potasiu (K2FeO4), aplicați în mediu acid. Utilizarea feraților este susținută și de faptul că, în afara acțiunii oxidante, se constată și un efect de coagulare, datorat oxidului feric rezultat.
În cazul unui efluent epurat biologic prin tratarea cu ferat de potasiu la pH = 2,2 și pentru un timp de contact de 5 minute, s-a realizat o scădere a CCO cu circa 70 % [4].
Pentru distrugerea substanțelor organice, mai ales din reziduurile apoase concentrate, a fost elaborat un proces de oxidare cu oxigen molecular în condiții de presiune și temperatură ridicate (8,5 … 12,5 Mpa și 250 … 370 ºC). În cazul în care concentrația impurităților organice este suficient de mare, căldura degajată în procesul de oxidare poate acoperi necesitățile de energie pentru desfășurarea procesului.
Oxidarea substanțelor organice se poate realiza și prin procese electrochimice: descompunerea substanțelor organice din apă în timpul electrolizei se realizeză ca urmare a reacților de reducere care au loc la catod și a celor de oxidare de la anod.
7.3. Epurarea apelor uzate menajere
Epurarea apelor uzate menajere se realizează prin trei procedee de epurare: mecanic, mecano-chimic și biologic. Fiecare dintre aceste procedee poate fi utilizat separat sau în cadrul a diferite combinații (fig.7.12).
Fig. 7.12
Procedeele mecanice utilizează următoarele mijloace: grătare, site, deznisipatoare, separatoare de grăsimi și decantoare.
Grătarele și sitele rețin corpurile mai mari din apă (frunze, cârpe, vată, bucăți mici de lemn sau de material plastic, deznisipatoarele rețin nisipul iar decantoarele – suspensiile. În fig. 7.13, este prezentat, schematic, un decantor orizontal radial.
Fig. 7.13
Deznisipatoarele se dimensionează pentru un timp de trecere de un minut, la debitul de calcul, iar decantoarele – la un timp de trecere de circa 1,5 ore.
Procedeele mecano-chimice, necesită, față de schema procedeelor mecanice, construcții și instalații de preparare și dozare a reactivilor necesari în vederea creșterii eficienței decantării (de obicei pentru aceasta se recurge la sulfatul de aluminiu).
Procedeele biologice de epurare se materializează prin recurgerea la filtre biologice și bazine de nămol activ, urmate de decantoare secundare (similare din punct de vedere constructiv cu cele prezentate anterior).
Filtrele biologice (fig. 7.14) constă din bazine de dimensiuni mari, având adâncimea de 3-4 metri, umplute cu material filtrant (piatră spartă, cocs, cărămidă, etc.), prin care apa uzată, epurată mecanic în decantoare, circulă de sus în jos, fiind în prealabil răspândită cât mai uniform deasupra filtrului.
Fig. 7.14
Procesul de epurare (de degradare a substanței oraganice din apa uzată) se realizează datorită membranei biologice care învelește fiecare component al materialului filtrant, precum și datorită microorganismelor – bacterii aerobe care se dezvoltă în aceste membrane.
Apa epurată biologic trece apoi printr-un radier drenant, situat la partea inferioară a filtrului, după care ajunge în decantorul secundar, unde se sedimentează o parte din membrana biologică antrenată în timpul trecerii apei prin materialul filtrant.
O bună aerare naturală, respectiv un aport suficient de oxigen necesar vieții bacteriilor, conduce la o epurare eficientă.
O evaluare aproximativă a volumului de material filtrant necesar, respectiv a filtrului biologic, consideră o normă de 5-20 locuitori pentru un metru cub de material filtrant.
Bazinele cu nămol activ (fig.7.15), de formă dreptunghiulară sau circulară (ca și filtrele biologice), au înălțimi de 3 … 5 m. Oxigenul necesar procesului de epurare (1 … 2 mg/l) este furnizat artificial, prin intermediul unor suflante sau a aeratoarelor de suprafață.
În timpul trecerii apei prin aceste bazine (2 … 6 ore), se formează în apă – cu ajutorul bacteriilor aerobe – un așa-zis “nămol activ”, cu rolul de epurare a apei uzate (prin degradarea substanțelor organice din acestea).
Apa epurată împreună cu nămolul activ trec apoi în decantoarele secundare, de unde o parte din nămolul activ este trimis înapoi în bazinele cu nămol activ, iar altă parte în decantoarele primare.
Fig. 7.15
Volumul bazinului cu nămol activ se stabilește prin luarea în considerare fie a unei norme de timp, pentru trecerea apei prin bazin, de 2 … 6 ore, fie a unei norme de 50 … 100 locuitori / m3 de bazin.
Nămolul rezultat din stațiile de epurare, din decantoarele primare – respectiv secundare – trebuie tratat anaerob, pentru a-i scădea umiditatea și pentru a-l face mai puțin nociv. Tratarea anaerobă a nămolului, cu ajutorul bacteriilor anaerobe, are drept scop final dezintegrarea substanțelor organice din nămol.
Nămolul provenit din gospodării individuale sau mici aglomerații este tratat în fose septice (fig. 7.16); acestea sunt bazine compartimentate, executate sub nivelul terenului, în care nămolul rămâne timp de 6 … 9 luni la temperatura mediului ambiant.
Fig.7.16
Rezervoarele pentru fermentarea nămolului (fig. 7.17) au ca unic scop fermentarea anaerobă a nămolului. Pentru aceasta, temperatura de fermentare trebuie să rămână constantă (circa 33 ºC), iar nămolul trebuie amestecat periodic, pentru ca masa de bacterii să se uniformizeze.
Fig.7.17
Fermentarea durează 15 … 20 de zile; din proces rezultă gaz metan (CH4) și dioxid de carbon (CO2), aproximativ în proporție de 70% / 30%; gazul metan poate fi utilizat ca atare sau ca generator de energie termică sau electrică.
Rezervoarele de fermentare a nămolului au volume corespunzătoare unei norme de 0,02 … 0,04 m3 / locuitor. Gazul metan rezultat este stocat, până la utilizarea sa, în rezervoare de gaz de tipul celor industriale.
Pentru deshidratarea nămolurilor după fermentare, acestea sunt dispersate pe platforme de uscare sau sunt prelucrate în filtre-presă sau în filtre-vacuum. Dimensiunile platformelor de uscare a nămolului rezultă din considerarea normei de 0,05 … 0,15 m2/ locuitor.
8. POLUAREA SONORĂ INDUSTRIALĂ ȘI
METODE DE COMBATERE A ACESTEIA
8.1. Generalități asupra vibrațiilor și sunetelor
8.1.1. Surse, clasificări, niveluri
Vibrațiile, sunetele și zgomotele (VSZ) sunt fenomene fizice de aceeași natură; ele diferă prin frecvență, intensitate sau alte caracteristici. În STAS 1957-60 sunt prezentate următoarele definiții:
Vibrația acustică reprezintă o mișcare oscilatorie a particulelor unui mediu elastic, de o parte și de alta a poziției de echilibru.
Sunetul este o vibrație acustică capabilă să producă o senzație auditivă. Sunetul are trei caracteristici fizice: frecvența (înălțimea), intensitatea și timbrul. Urechea omenească poate percepe numai gama de sunete cu frecvența cuprinsă între 20 și 20.000 de Hz. Nivelul de presiune acustică a sunetelor (intensitatea lor) se măsoară în decibeli (dB); urechea umană percepe sunete de la 1 la 130 de dB (sunetul cel mai puternic ce poate fi suportat fără senzație dureroasă).
Timbrul reprezintă caracteristica de departajare între două sunete de aceeași frecvență, dar produse de două surse (instrumente) diferite; timbrul se datorează armonicilor sunetului fundamental.
Zgomotul se definește ca o vibrație acustică fără componente bine definite. Zgomotul se mai poate defini ca un sunet supărător, produs de oscilațiile neperiodice ale unui emițător.
Undele acustice generează variații ale presiunii normale a aerului atmosferic. Limita de presiune minimă a aerului acționat de un sunet, pe care o percepe urechea omenească, este p0 = 0,2 Pa, iar cea maximă – pmax = 200 Pa.
Unitatea de măsură convențională pentru măsurarea presiunii acustice este decibelul, care se definește ca de zece ori logaritmul zecimal al raportului pătratelor a două presiuni acustice. Numărul de decibeli cuprins între o presiune acustice oarecare, p, și cea de referință, p0, (pe scurt – nivelul de presiune acustică, notat cu L, conform STAS 6451-61) este
, [dB]. (8.1)
Însumarea mai multor sunete de niveluri diferite, L1, L2, … Ln , care se suprapun, se face cu formula
, (8.2)
în care cu LT s-a notat presiunea acustică totală.
Pentru calculul rapid al compunerii de sunete se pot utiliza diagrame special întocmite, pentru diferite frecvențe și presiuni.
Tăria sunetului, notată cu A, este impresia auditivă creată de intensitatea unui sunet, fiind direct legată de aceasta, pe lângă care, însă, mai intervin și o serie de alți factori.
Unitatea de măsură a tăriei sunetului este fonul, care se definește pe baza unei comparații subiective între sunetul care trebuie masurat și sunetul pur având frecvența de 1.000 Hz, care se intensifică progresiv, până când ambele sunete coincid ca impresie; comparația se face în situația în care ambele sunete vin din fața observatorului.
În ceea ce privește sursele VSZ, acestea fiind rezultatul vibrațiilor unui corp, după natura forțelor care cauzează aceste vibrații ele se pot clasifica astfel:
Surse de zgomot mecanic – care cuprind zgomotele produse prin ciocnire (impact), ca de exemplu mersul pe planșeu, loviturile date de ciocane și prese, zgomotele angrenajelor, sau prin frecare, cum sunt frecările axelor în lagăre, zgomotul rulmenților, al roților pe șine sau al sculelor așchietoare.
Surse de zgomot aero(hidro)dinamic – provenind din scurgerile de fluid prin orificii și conducte, ca de exemplu zgomotele motoarelor, avioanelor, ventilatoarelor, sirenelor, etc. Aceste surse au, pe lângă spectrul sonor, și un spectru infrasonor, ca și unul ultrasonor.
Surse de zgomot electromecanic – specific mașinilor electrice: electromotoare, generatoare, transformatoare. Acest zgomot este costituit dintr-un zgomot fundamental, cu frecvența de 50 Hz, însoțit de armonicele respective.
Surse de zgomot produs de o acțiune termică – cum ar fi vibrațiile focarelor, injectoarelor, motoarelor, etc. În aceste zgomote predomină componentele de joasă frecvență, sub 100 Hz.
8.1.2. Niveluri de tărie a zgomotelor industriale
Definițiile prezentate anterior – din care reiese că zgomotul este un sunet supărător, nu sunt, însă, suficiente. Se arată [2] că, zgomotul este, în primul rând, o noțiune psihologică; el nu este complet determinat nici prin nivelul de tarie, nici prin frecvența sunetelor componente: esențial este conținutul interior de sunete și dacă ele sunt percepute ca zgomot sau nu.
De asemenea, auzul mai are și alte particularități, dintre care unele legate de durata acțiunii sunetului sau zgomotului.
O vibrație acustică din domeniul audibil trebuie să dureze mai mult de 60 de milisecunde, pentru a putea fi percepută ca sunet. Pentru durate mai mici, vibrațiile sunt percepute ca pocnete. Sunetele scurte succesive, separate prin intervale cuprinse între 60 … 600 ms sunt percepute ca un singur sunet, datorită inerției urechii.
Cercetările au demonstrat că expunerea la zgomote mai tari de 70 de foni generează reacții vegetative în corpul omenesc – apar frecvent contractări de vase sanguine, care asociate cu micșorarea volumului de sânge pompat de inimă generează o circulație sanguină mai slabă, percepută sub forma unei stări de oboseală. În cazul expunerii la zgomote puternice un timp îndelungat, au loc vătămări ale organului auditiv, urmate de surzire.
Din această cauză, se impune ca, prin toate mijloacele tehnice disponibile, să se micșoreze nivelul zgomotului industrial de la locul de muncă sub nivelul de 70 de foni; acolo unde acest lucru este imposibil, trebuie luate masuri de protecție individuală și colectivă.
Cu titlu infomativ, în tabelele 8.1 și 8.2 sunt prezentate nivelele de tărie (în foni), respectiv de zgomot (în dB) pentru diferite activități.
Tab. 8.1
Tab. 8.2
8.1.3. Norme, dispoziții și recomandări privind VSZ
Cu toate că numărul factorilor care trebuie luați în considerare la stabilirea normelor limitative privind VSZ este mare, s-au stabilit pe bază experimentală criterii tehnice care au permis elaborarea unor astfel de norme; aceste criterii se referă, în principal, la următoarele aspecte ale problemelor legate de VSZ:
medical – s-au stabilit limite măsurabile începând de la care vibrațiile și zgomotele devin vătămătoare;
tehnic – se indică metode și măsuri pentru izolarea sau pentru reducerea sub norme a nivelului de VSZ;
profesional – economic – se studiază și se aplică măsuri de protecția muncii individuală sau colectivă, costurile pentru aplicarea acestora regăsindu-se în prețul produselor.
Stabilirea nivelurilor admisibile referitoare la vibrații este mai dificilă decât a celor referitoare la sunete și zgomote; dificultățile provin de la faptul că vibrațiile industriale au un caracter foarte complex – au diferite frecvențe, amplitudini, accelerații și direcții de propagare. Problema este complicată și mai mult de interferența între diversele vibrații care coexistă, precum și posibila suprapunere cu zgomotele.
În general, normele se stabilesc pentru sunete și zgomote continui într-un oarecare interval de timp; pentru sunetele scurte sau intermitente, normele sunt mult mai greu de fixat.
8.2. Zgomotul industrial și combaterea acestuia
Dată fiind diversitatea mașinilor și utilajelor existente în secțiile întreprinderilor industriale, este practic imposibilă determinarea și aplicarea unor soluții universal valabile pentru reducerea nivelului VSZ generate și pentru combaterea efectelor negative ale acestora asupra personalului supus efectelor acestora.
În ceea ce privește mașinile-unelte, ca soluții pentru reducerea zgomotelor la sursă, se poate acționa, pe de-o parte, asupra sculei așchietoare, iar pe de altă parte – asupra mașinii însăși.
Spre exemplu, pentru reducerea nivelului VSZ în cazul utilizării ferăstrăului circular este posibil să se reducă numărul de dinți ai discului, dar în acest caz calitatea tăieturii se înrăutățește; pe de altă parte, tăierea cu un disc mai gros reduce vibrațiile dar conduce la pierderi mai mari de material.
Pentru a se reduce vibrațiile mașinilor-unelte se poate utiliza o montare antivibratorie a acestora, prin introducerea unei perne de cauciuc sub batiul mașinii. Dacă solul o permite, se recomandă să se izoleze blocul de beton pe care este fixată mașina, față de restul atelierului, așezându-se pe pereții gropii de fundație un material neutru, moale.
O altă soluție este modificarea convenabilă a proprietăților acustice ale incintei, pentru absorbirea sunetelor reflectate de pereți. În acest scop, se montează în vecinătatea mașinilor mai zgomotoase panouri fonoabsorbante, dispuse vertical, sub formă de paravane.
Pentru mașinile mari se vor utiliza, de preferință, amortizoare judicios calculate, deoarece materialele de tipul cauciucului își pierd, în timp, elasticitatea. Toate dispozitivele antivibratorii trebuie să aibă o frecvență de rezonanță superioară cu mult celei pe care o are mașina.
Dacă în mod întâmplător ar exista concordanță între frecvențe, în loc de reducerea vibrațiilor se poate produce o amplificare periculoasă a acestora.
S-au efectuat cercetări, [2], și în ceea ce privește limitarea vibrațiilor și a zgomotelor transmise prin construcție. S-a constatat că elementele ușoare de construcție, adoptate pentru reducerea prețului construcțiilor, au o transmisibilitate fonică mărită. Acest fapt poate fi agravat prin montarea pe acoperiș a compresoarelor și pompelor agregatelor frigorifice precum și a ventilatoarelor utilizate pentru introducerea forțată a aerului prin distribuitoarele de aer (∫∫ 6.3.).
Cei mai eficienți izolatori fonici sunt cei realizați din fibră de sticlă, deoarece elasticitatea și frecvența proprie de oscilație a acestora rămân aceleași, indiferent de sarcină.
Dacă nu este posibil să se reducă VSZ la sursă, protecția individuală rămâne cea mai eficientă soluție. Se pot utiliza tampoane de protecție pentru urechi, introduse în canalul auditiv, sau căști de protecție, cu dezavantajul că astfel este împiedicată recepția tuturor sunetelor (deci și a celor utile), și, de asemenea, tolerarea acestor tampoane este mai dificilă, în cazul utilizării lor pe perioade mai lungi.
Protecția muncii, destinată a avea un rol mai important prin recurgerea la audiometrie, poate fi ajutată prin întocmirea topografiei acustice a atelierului; se urmărește evidențierea mașinilor celor mai periculoase, stabilindu-se totodată și o limită a zgomotului, considerată ca acceptabilă – de regulă cuprinsă între 95 … 100 dB.
8.2.1. Combaterea zgomotului produs de mașini-unelte și agregate
S-a constatat, pe cale statistică, faptul că, 20 % din numărul mașinilor-unelte sunt zgomotoase prin însăși natura prelucrărilor efectuate. Pe de altă parte, referitor la zgomotele produse de funcționarea mașinilor-unelte, cea mai mare parte a acestora este generată de angrenajele componente.
Cea mai eficientă protecție a muncitorilor care deservesc mașinile-unelte zgomotoase este asigurată, acolo unde acest lucru este posibil, prin îndepărtarea muncitorilor de sursa de zgomot și realizarea unei comenzi de la distanță asupra funcționării.
Mijloacele de protecție uzuale contra VSZ la mașini-unelte se pot împărți în două categorii:
– cuști, panouri sau îmbrăcăminți fono-izolante aplicate la mașini izolate sau la grupuri de mașini zgomotoase;
– protecția contra propagării zgomotelor prin conductele sau canalele care le deservesc.
Eficiența amortizării zgomotelor prin utilizarea de plăci fono-izolante depinde de mai mulți factori, cum ar fi:
masa specifică a plăcii (kg/m2);
natura materialului din care este confecționată placa (cauciuc, plută, mase plastice);
coeficientul de reflexie al undelor sonore pe suprafața plăcii;
frecvența oscilatorie a sunetelor.
La proiectarea și construcția cuștilor fono-absorbante trebuie avute în vedere următoarele principii:
distanța de la sursa de zgomot la peretele cel mai apropiat trebuie să fie de minim 60 … 80 mm, pentru frecvențe mai mari de 100 Hz, respectiv de 100 mm – pentru frecvențe mai mari de 100 Hz;
pereții nu trebuie să vină în contact în nici un punct cu părțile mașinii producătoare de zgomot;
toate legăturile la axe, conducte, cabluri care traversează peretele cuștii trebuie să fie izolate antifonic față de acesta prin garnituri de cauciuc, plută sau material plastic;
structura de rezistență a cuștii trebuie realizată numai din materiale fono-absorbante;
așezarea cuștii antisonore pe fundația mașinii trebuie făcută numai prin intermediul unei garnituri fono-izolante.
Prin conductele metalice sau din beton zgomotul se propagă mai bine decât prin aer. Pentru amortizarea zgomotelor propagate prin țevi sau canale se utilizează diafragme sau garnituri din materiale fono-absorbante; la canalele mari de aer (evacuări de abur, ventilație, etc.) se instalează difuzoare cu clapete fono-absorbante.
Amortizarea, D, introdusă de un astfel de difuzor se determină cu formula
[dB/m], (8.3)
în care α reprezintă un coeficient de absorbție a sunetelor, U – perimetrul canalului care absoarbe zgomotul, iar S – secțiunea canalului. Coeficientul α are valoarea maximă, egală cu unitatea, atunci când grosimea peretelui difuzorului este egală cu un sfert din lungimea de undă a sunetului absorbit.
O amortizare maximă se realizează prin șicanarea aerului prin care se transmite zgomotul la ieșirea sa din difuzor. Sunt importante, la construcția unui difuzor, dimensiunile canalelor de aer și grosimea tablei (de regulă 2 mm).
Tabla exterioară a difuzorului se acoperă cu vată de sticlă, în cantitate de 30 g/m2. Dacă aerul absorbit conține praf sau impurități, trebuie prevăzut un spațiu de 10 … 15 mm în spatele tablei exterioare, după care urmează amortizoarele de zgomot.
Pentru protecția contra zgomotelor, în cazul mașinilor sau agregatelor care depășesc 100 dB, soluția optimă o constituie izolarea acestora într-o cabină insonoră complet închisă. Pereții unei astfel de cabine se confecționează, [2], din tablă cu grosimea de 1 mm, căptușiți la interior cu plăci de feroplast groase de
4 cm. Acestea sunt compuse din bucăți de metal (Φ 10 mm), înglobate într-o masă plastică.
8.2.2. Amortizarea zgomotului produs de angrenaje
Organele de mașini care produc cel mai mult zgomot sunt angrenajele cu roți dințate. Producerea zgomotului la angrenarea a două roți dințate se explică prin aceea că o parte din energia transmisă de angrenaj este transformată în vibrații ale dinților și ale axelor, datorită frecărilor puternice care au loc.
Aceste vibrații se propagă apoi prin aer, sub formă de unde acustice – o parte – și către fundație, prin pereții carcasei angrenajului – o altă parte. Principalii factori care influențează zgomotul la o roată dințată sunt:
impulsul aplicat pe flancurile dinților la contactul în angrenare;
vibrațiile organelor angrenajului (roți, axe, carcasă);
radiația pereților carcasei;
radiația fundației;
zgomotul suplimentar (zgomotul de fond al atelierului).
Impulsul de energie aplicat pe dinți depinde de: turația roții, sarcina transmisă, materialul din care este confecționat dintele, calitatea tratamentului termic aplicat acestuia, calitatea prelucrării danturii (rugozitatea flancurilor), toleranțele prevăzute pentru angrenaj. Prin urmare zgomotul provocat de impulsurile din angrenare se micșorează dacă se iau următoarele măsuri:
executarea unei geometrii corecte a danturii;
înlăturarea defectelor de execuție a danturii;
înlăturarea defectelor de formă și profil la dinte prin măsurători și probe în gol și în sarcină.
Radierea zgomotelor prin pereții carcasei poate fi amortizată prin garnituri, adaosuri de materiale plastice, nervuri, etc.
Cea mai eficientă soluție de reducere a zgomotelor din angrenaje este confecționarea (acolo unde sarcinile transmise o permit) a roților din materiale plastice dure sau din materiale sinterizate antivibratoare.
8.2.3. Utilizarea plăcilor fono-absorbante
Transmiterea zgomotelor în spațiile învecinate mașinilor-unelte sau în ateliere și hale poate fi micșorată prin amplasarea fono-izolantă a elementelor constructive: pereți, fundații, acoperiș, uși, ferestre, nișe etc.
O măsură eficientă de atenuare a zgomotului puternic este căptușirea pereților cu plăci fono-absorbante. De asemenea, se pot prevedea deschideri obligatorii cu amortizoare de zgomot, ca, de exemplu, jaluzele fono-absorbante la gurile de aerisire sau la difuzoare.
Amortizarea zgomotului prin plăci constructive fono-absorbante se determină, în dB, potrivit formulei:
, (8.4)
în care L1 reprezintă nivelul de tărie cel mai puternic al zgomotului din spațiul considerat, L2 – nivelul de tărie cel mai slab, în același spațiu, S – suprafața plăcilor fono-absorbante utilizate iar A – un coeficient de absorbție dependent de masa specifică (pe m2) a plăcilor.
Absorbția plăcilor fono-absorbante depinde de materialul din care sunt confecționate și de frecvența sunetului supărător. O caracteristică importantă a plăcilor fono-absorbante este fg – caracteristica frecvenței-limită pe care o pot absorbi; pentru calculul acesteia, se utilizează formula
, [Hz], (8.5)
în care c reprezintă viteza sunetului, m – masa specifică a plăcii (pe m2), B – rigiditatea la încovoiere a materialului plăcii, E – modulul de elasticitate al acestuia iar d – grosimea plăcii.
Prin cercetări experimentale, W. Furrer a determinat o formulă empirică pentru calculul caracteristicii frecvenței-limită, mai simplu de aplicat:
, [Hz], (8.6)
unde s reprezintă grosimea plăcii la mijlocul distanței dintre reazeme iar l – distanța dintre acestea.
În tabelul 8.3 sunt prezentate frecvențele limită pentru diferite plăci fono-absorbante [2].
Tab. 8.3
Din acest tabel, se poate observa că, pentru amortizarea frecvențelor joase sunt necesare plăci groase. Cele mai eficiente plăci fono-absorbante sunt cele confecționate din plumb, cauciuc sau materiale plastice speciale, dar în același timp acestea sunt și cele mai scumpe. Opțiunea pentru o soluție sau alta se face în funcție de condițiile specifice fiecărei situații în parte.
Astfel, pentru realizarea unei amortizări de 40 de dB se poate recurge la una dintre soluțiile indicate în cele ce urmează:
perete de cărămidă cu grosimea de 115 mm, cu masa de 200 kg/m2;
perete din talaș lustruit, gros de 50 mm, cu masa de 45 kg/m2;
placă de cauciuc cu grosimea de 30 mm, cu masa de 40 kg/m2;
placă de plumb cu grosimea de 3,5 mm, cu masa de 40 kg/m2;
două foi de tablă cu grosimea de 2 mm, cu spațiu gol între ele, cu masa de 32 kg/m2;
8.2.4. Măsuri de amortizare a zgomotelor la proiectarea halelor industriale
Pe lângă amortizarea locală a zgomotului, la sursă, un rol important în amortizarea zgomotului din ateliere sau hale îl au forma pereților și acoperișului, compartimentarea acustică, acoperirea pereților cu plăci fono-absorbante – aspecte de care trebuie să se țină seama încă de la faza de proiectare a clădirilor.
Zidurile despărțitoare constituie un bun amortizor de zgomot; chiar compartimentarea fundațiilor la clădirile industriale constituie un factor de luat în seamă în combaterea poluării sonore.
Pereții halelor industriale trebuie să aibă suprafața cât mai rugoasă, iar sub pardoseală trebuie să se prevadă un strat de zgură bătută sau de ciment. O insonorizare mai bună se poate obține și prin practicarea în pereți și acoperiș a unui număr cât mai mare de deschideri (uși, ferestre, lucarne, nișe, etc.).
Amortizarea pereților cu deschideri, Rtot , se determină după formula
, [dB], (8.7)
în care F1 reprezintă suprafața totală a pereților amortizori de zgomot iar F2 – suprafața deschiderilor din aceștia.
Atunci când în spațiul studiat există și pereți fără amortizor de zgomot, formula (8.7) devine
, [dB], (8.8)
unde R2 reprezintă amortizarea (redusă) a pereților neizolați fonic.
Amortizarea pereților prin capitonare cu plăci fono-absorbante se mai poate calcula și cu formula
, [dB], (8.9)
în care T1 reprezintă timpul, măsurat în secunde, la ecoul sălii cu pereți neprotejați iar T2 – același timp în cazul sălii cu pereți protejați cu plăci fonoabsorbante.
Prin încercări experimentale, s-a stabilit că la o reducere a timpului de ecou cu 10 %, rezultă o reducere a nivelului de zgomot cu 10 dB. Dacă încăperea respectivă are amortizare de zgomot suficientă, respectiv dacă timpul de ecou nu depășește un sfert din timpul de incidență al undei sonore, nu este cazul să se căptușească pereții cu plăci fono-absorbante.
Căptușirea pereților la săli sau la ateliere foarte zgomotoase este obligatorie în cazul frecvențelor ridicate, care au efecte nocive. Aceste căptușeli trebuie să aibă o grosime de cel puțin 50 mm de plăci fono-izolante, sau se pot realiza din table găurite sau mase plastice dispuse la 50 … 100 mm de perete, spațiul astfel creat fiind umplut cu vată de sticlă.
Dacă zgomotul este prea puternic și este nevoie de o amortizare și mai bună, se recurge la două sau trei straturi din astfel de pereți, separate de aer.
Trebuie, de asemenea, să se țină seamă și de condițiile specifice din halele industriale, plăcile și pereții fono-absorbanți necesitând, adeseori, proprietăți ignifuge și o bună rezistență la șocuri mecanice. În încăperile industriale cu mare umiditate (ca, de exemplu, în industria textilă) pereții trebuie să fie rezistenți la umiditate.
La aplicarea căptușirii pereților unei camere zgomotoase cu plăci fono-absorbante trebuie ținut seama de volumul acesteia; în încăperi cu volumul mai mare de 3000 m3 căptușirea nu mai are nici un efect. De asemenea, în spațiile mici în care se găsesc persoane numeroase îmbrăcămintea persoanelor poate îndeplini cu succes rolul pereților fono-absorbanți.
Materialele fono-izolante trebuie să aibă o rezistență mecanică suficientă pentru a putea fi dispuse sub formă de plăci, să nu fie higroscopice, să fie ușoare, ieftine și să aibă, pe cât posibil, un aspect plăcut. În practică se utilizează tencuieli acustice poroase, plăci din material microporos, vată și pâslă minerală, granule de azbest, etc.
Prin încercări de laborator s-a stabilit că, pentru un anumit material fono-absorbant, coeficientul său de absorbție acustică depinde de:
grosimea materialului;
grosimea spațiului de aer dintre placa de material și peretele de reflexie cel mai apropiat;
frecvența zgomotului.
Referitor la frecvență, toate studiile arată că zgomotele de frecvență înaltă sunt absorbite mai bine decât cele de frecvență joasă; în fig. 8.1 sunt prezentate valorile coeficientului de absorbție acustică, α, în cazul utilizării de vată minerală în straturi de grosimi diferite.
Din analiza graficelor se poate concluziona că pentru atenuarea zgomotelor cu frecvențe înalte se pot utiliza căptușeli acustice subțiri, în timp ce pentru absorbția zgomotelor cu frecvențe joase (cu frecvențe sub 200 … 300 Hz), trebuie recurs la plăci mult mai groase.
Reducerea nivelului de zgomot dintr-o încăpere prin insonorizare cu materiale fono-absorbante creează o ambianță plăcută, obținându-se senzația de spațiu suficient și randamentul activității desfășurate crește.
250 500 1000 2000 4000 8000
Fig. 8.1
8.2.5. Protecția auditivă individuală
Există diverse modalități de realizare a protecției auditive individuale, la care se recurge atunci când reducerea nivelului poluării sonore prin modalități de tipul celor prezentate mai sus nu este posibilă sau nu este suficientă.
Cea mai simplă și mai eficientă protecție individuală contra zgomotelor o constituie dopurile de vată sau din alte materiale speciale, antisonore, care se introduc în urechi; dopurile din vată hidrofilă sau din vată specială oferă o protecție care se materializează prin scăderea nivelului de zgomot perceput de ureche cu 10 … 15 dB, iar cele confecționate din materiale speciale reduc zgomotul cu 15 … 25 dB.
Căștile audio-protectoare, numite și audiofoane, asigură o protecție superioară, de 40 … 60 dB; aceste căști se pot realiza în combinație cu casca de protecție a capului contra loviturilor.
Pentru evitarea principalului dezavantaj al căștilor audio-protectoare, și anume imposibilitatea comunicării cu ceilalți muncitori, s-au realizat modele care permit comunicarea între utilizatori printr-un sistem de microfoane și
mini-difuzoare.
BIBLIOGRAFIE
1. Ciplea, L.I., Ciplea, Al. – Poluarea mediului ambiant – Editura tehnică, București, 1978.
2. Josette, Milgram, Laurence, Bonnet – Tout sur l’eau – Institut de L’Eau, Paris, 1999;
3. Moga, Al., Mazilu, Gh. – Noi realizări în domeniul combaterii zgomotului industrial – Institutul central de documentare tehnică, București, 1967.
4. Negulescu, M. și colectivul – Protecția mediului înconjurător – Editura tehnică, București, 1995.
5. Negulescu, M. și colectivul – Epurarea apelor industriale uzate – Editura tehnică, București, 1968.
6. Negulescu, M. și colectivul – Protecția calității apelor – Editura tehnică, București, 1982.
7. Răuță, C., Cârstea, S. – Prevenirea și combaterea poluării solului – Editura Ceres, București, 1978.
8. Ursu, D. și colectivul – Protejarea aerului atmosferic – Editura tehnică, București, 1978.
9. Voicu, V. – Agenda pentru combaterea noxelor în industrie – Editura tehnică, București, 1994.
10. * * * Hotărâre nr. 924/11.08.2005, privind aprobarea Regulilor generale pentru igiena produselor alimentare.
11. * * * CAC/RCP Recommended International Code of Hygienic Practice for The Collecting, Processing and Marketing of Natural Mineral Waters.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme de Protectie Umana Si a Mediului (ID: 161574)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.