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《化工设计》中的非工艺设计的兴趣的案例


--水的污染及自净

化工设计作为一门综合性、实用性和工程性很强的学科,能够将一个化工系统(如一个工厂、车间或一套装置)全部运用工程制备的方法,绘制成图纸、表格及必要的文字说明,并根据上述图纸、表格和文字说明建立系统、投入运行。该课程不仅需要综合运用化工原理、化工热力学、化学反应工程、分离工程、传递工程、化工工艺学等专业理论知识,以及土建、机械、电气、地质、环境工程等相关学科的知识,同时也能够体现学生的专业综合能力。
非工艺设计过程中,含有大量非本专业学生必修的课程知识,造成学生对非工艺设计的重视不足,在后续课程设计阶段,非工艺设计部分出现的问题较多。因此在课程教学中,提高学生学习非工艺过程的学习兴趣,有利于提高学习的效果。
非工艺设计中的环境保护是化工可持续发展的要素,是现代化工必不可少的内容。在实际授课过程中,以具体的水污染及处理为案例进行环保工艺的讲授,贴近学生的生活知识,有效提高了学生对水环境污染和保护的认识。
1 化工工艺
水的污染主要来源于化工废水的排放,化工废水所含有杂质与生活污水不同,含有有毒有害化合物、金属离子、酸碱等,其水处理工艺需要根据具体的杂质和化工环保标准进行水处理,直到达到废水排放标准,才能排放到附近水体或水处理厂。
2 水具有自净的能力
水体对污水具有一定的净化能力,可以通过物理作用、化学作用或生物作用,减少水体中污染物的浓度,最终使水体恢复到受污染前的状态。其中微生物能够分解有机物或金属物质,达到水体自净的目的。地面水的自净过程主要包括混合、日光照射、稀释、沉降、挥发、逸散、中和、有机物的分解、耗氧与富氧及微生物死亡等。水体自净的结果是感官性状可基本恢复到污染前的状态,分解物稳定,水中溶解氧增加,生化需氧量降低,有害物质浓度降低,致病菌大部分被消灭,细菌总数减少等。但水体的自净作用有一定限度,超过此限度,仍可使水质进一步恶化。
工业废水或生活废水中含有大量的污染物,自污染物进入水体,水体的自净就开始了。刚开始,自净的过程比较弱,然后逐渐增强,最终趋于恒定。污染物在这个由弱到强的自净过程中,浓度逐渐下降,通过物理沉降、扩散,化学的氧化还原作用,以及微生物的生化作用,使有机物转化学为无毒物质,重金属转变为不溶物并沉淀于水底。
3 水处理工艺
3.1 物理作用
通过栅栏和沉砂池,阻拦大的物体并使可沉性固体逐渐下沉。
3.2 化学作用
污染物在氧化、还原、酸碱反应、分解、化合、吸附和凝聚等化学作用下,逐渐被分解或转型,进而达到浓度降低的目的。与化学作用相关的因素有污染物的形态和化学性质、水体的温度、氧化还原电位、酸碱度等。水体中化学自净能力的强弱,主要从3 个方面反映出来。①溶解氧含量(DO 的含量)。在化学自净过程中,溶解氧作为氧化剂,其含量高低决定了氧化还原反应的能力及快慢,也决定了水体自净能力的强弱。②有机污染物的氧化分解能力,以COD(化学需氧量)和BOD5(生化需氧量)含量表示。COD 值间接表示了水体中的有机物含量,也就是水体自净的压力。③营养成份(N 盐)的形态转化和消减程度。无机三价氮的含量变化能够反映水体自净能力的强弱。
3.3 生物作用
各种藻类、微生物等的活动,是水体生物净化的基础。通过生物的生长、活动等消耗大量有机物,从而降解水体的污染程度,最终达到自净的效果。污水处理过程中,通常进行厌氧和需氧两种生物处理,经过微生物的降解和吸收作用,使有机物的浓度降低或转变为无害物质的过程。
3.4 消毒过程
通过双氧水、紫外、次氯酸钠、氯气等氧化剂,对水体进行最后的消毒,最终排入地表水体中。
4 化工设计中水污染的工艺设计要求
水体自净的能力是有限度,超过一定的限度,被污染的水体无法恢复到原来的性状。控制排放污染物的浓度,让水的自净过程循环、可持续。了解水的自净过程,加大水环境保护力度,加强人类对水环境的保护意识,这样才能从根源上解决水体污染问题。
化工废水中的汞、苯并芘、镉、铬、砷、铅、镍等,都属于环境标准中规定的第一类污染物,不允许排入污水处理厂,只能在车间内处理或留在工艺流程内部,当化工废水达到污水处理标准方可排入污水处理厂进行处理排入江河。
对于化工专业的本科生而言,应该了解行业环保标准,并根据物料衡算获取准确的废水生成量及其组成,提供给相关专业进行工艺设计,并提出相应的设计要求。
通过实际的水污染处理案例,学生了解了污水处理的实际过程,能够根据化工工艺,提出实际的工艺设计要求。

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