Амирханова Н.А., Белоногов В.В., Беляева Л.С. и др. Лабораторные работы по экологии: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО ЭКОЛОГИИ

2-е издание, переработанное и дополненное

Уфа 2002

Авторы: Н.А. Амирханова, В.А. Белоногов, Л.С. Матвейчук,

Н.Х. Минченкова, Р.Р. Невьянцева, Р.Х. Нуриева, В.И. Попов,

В.В. Саяпова, И.С. Сабуров

УДК 504 (07)

ББК 20.1 (я7)

Л 12

Л12 Лабораторные работы по экологии: Учеб. пособие /Н.А.Амирханова,

В.В.Белоногов, Л.С.Беляева и др.; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – 2-е

изд. перераб. и доп. - Уфа, 2002. – 187 с.

ISBN 5-86911-383-0.

Книга представляет собой руководство к лабораторным работам по

курсу "Экология" для технических университетов. Она может быть

использована преподавателями как руководство к лабораторным работам

для нехимических вузов, колледжей.

В книге описаны экспериментальные работы по курсу Экология: по

качеству окружающей среды; очистке и утилизации: сточных вод, газов,

твердых отходов; основам экологических биотехнологий, круговороту

веществ в биосфере. В каждой главе приведены теоретическая часть,

контрольные вопросы.

Предназначено для преподавателей и студентов нехимических вузов,

колледжей как руководство при проведении лабораторных работ.

Табл. 31. Ил. 42. Библиогр.: 23.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный редактор д-р техн. наук Н.А. Амирханова

Рецензенты: Кафедра физической химии Казанского государственного

технического университета, зав. кафедрой, д-р техн.

наук, проф. А.Х. Каримов;

Институт проблем прикладной экологии и

природопользования Республики Башкортостан

зам. директора по науке, д-р хим. наук, проф. В.Н.

Майстренко

ISBN 5-86911-383-0 © Уфимский государственный

авиационный технический

университет, 1996

авиационный технический

университет, 2002

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ 4

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ 5

1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 9

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 9

1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9

1.2.1. Критерии качества окружающей среды 9

1.2.2. Методы контроля химического загрязнения биосферы 21

1.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 29

Опыт 1.1. Бихроматный метод определения ХПК 29

Опыт 1.2. Определение общей жесткости воды трилонометрическим

методом

Опыт 1.3. Измерение концентрации ионов в растворе с помощью

ион-селективных электродов

Опыт 1.4. Определение нитратов в продукции растениеводства с

использованием дифениламина

Опыт 1.5. Обнаружение ионов Hg

,Cd

,Cu

,Co

,Ni

с помощью

бумажной хроматографии

Опыт 1.6. Качественный анализ сточных вод 37

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 44

2. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 45

2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 45

2.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 45

2.2.1. Виды сточных вод 45

2.2.2. Методы очистки промышленных сточных вод 48

2.2.3. Методы очистки цианистых сточных вод 58

2.2.4. Очистка хромовых сточных вод 61

2.2.5. Нейтрализация кислых и щелочных сточных вод 63

2.2.6. Очистка сточных вод от нефтепродуктов 65

2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 66

Опыт 2.1. Нейтрализация щелочных сточных вод углекислым газом 66

Опыт 2.2. Сульфитная очистка хромовых сточных вод 67

Опыт 2.3. Изучение процессов очистки сточных вод электролизом 68

3. ОТДЕЛЕНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ 70

3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 70

3.2. УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

3.3. ТВЕРДЫЕ ОТХОДЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И ИХ

УТИЛИЗАЦИЯ

3.3.1. Твердые отходы некоторых производств машиностроения 75

3.3.2. Возможные пути утилизации твердых отходов машиностроения 77

3.3.3. Утилизация шламов 78

3.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

3.5. СПОСОБЫ ОТДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ 82

3.5.1. Центрифугирование (к опыту 3.2) 82

3.5.2. Седиментация (к опыту 3.3) 83

3.5.3. Фильтрация (к опыту 3.4) 84

3.5.4. Обратный осмос и ультрафильтрация (к опыту 3.4) 85

3.5.5. Флотация и электрофлотация (к опыту 3.7) 86

3.5.6. Электрофорез и электроосмос (к опыту 3.6) 87

3.6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 89

Опыт 3.1. Осаждение ионов металлов реагентным методом 89

Опыт 3.2. Центрифугирование как метод отделения твердой фазы 92

Опыт 3.3. Седиментация 92

Опыт 3.4. Фильтрация суспензии 93

Опыт 3.5. Промывание, высушивание и взвешивание осадка 94

Опыт 3.6. Отделение твердой фазы методом электрофореза 95

Опыт 3.7. Электрофлотация шламосодержащего раствора 96

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 97

4. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ 99

4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 99

4.2. ВИДЫ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ 99

4.2.1. Большой (геологический) круговорот веществ 99

4.2.2. Малый (биотический) круговорот веществ 100

4.2.3. Антропогенный круговорот веществ 102

4.3. КРУГОВОРОТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БИОСФЕРЫ 102

4.3.1. Углерод 103

4.3.2. Кислород 104

4.3.3. Водород 104

4.3.4. Азот 105

4.3.5. Фосфор 106

4.3.6. Сера 107

4.3.7. О круговороте металлов 109

4.4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И КРУГОВОРОТ

ВЕЩЕСТВ

110

4.4.1. Развитие понятия о мониторинге 110

4.4.2. Средства экологического контроля 110

4.4.3. Моделирование в экологии 111

4.4.4. Управление в структуре экологического мониторинга 111

4.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 112

4.5.1. Постановка задачи по имитационному моделированию

круговорота веществ

112

4.5.2. Комплект для имитационного моделирования 113

4.5.3. Правила имитационного моделирования 114

4.5.4. Решение экспериментальных задач по исследованию

круговорота веществ в биосфере

115

4.5.5. Пример имитационного моделирования круговорота фосфора

в биосфере

116

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 128

5. ОЧИСТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

5.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

130

5.2. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ЗАГРЯЗНЕНИЙ (ОЧИСТКА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ)

130

5.2.1. Загрязнение атмосферы различными выбросами

машиностроительной и авиационной промышленности

130

5.2.2. Загрязнение атмосферы транспортом 132

5.2.3. Воздействие вредных газов на здоровье человека и их

нормирование

133

5.2.4. Методы очистки и обезвреживания газовых выбросов 135

5.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 149

5.3.1. Качественный анализ 149

Опыт 5.1. Органолептический метод анализа газовых смесей 149

Опыт 5.2. Получение хлора и его идентификация 150

Опыт 5.3. Получение сероводорода и его идентификация 150

Опыт 5.4. Получение аммиака и его идентификация 150

Опыт 5.5. Получение диоксида азота и его идентификация 150

Опыт 5.6. Анализ газовой смеси 151

5.3.2. Индикация с помощью жидких и пористых поглотителей 151

Опыт 5.7. Адсорбция сероводорода древесным углем (Утилизация

S древесным углем)

151

5.3.3. Количественные методы анализа газовых смесей 152

Опыт 5.8. Анализ газовой смеси методом химического поглощения 152

Опыт 5.9. Определение хлористого водорода в воздухе

производственных помещений

156

Опыт 5.10. Определение хлора в воздухе производственных

помещений

157

5.3.4. Анализ газовых смесей методом газоадсорбционной

хроматографии

157

Опыт 5.11. Хроматографический анализ газовой смеси, состоящей из

, N

, CO, CH

159

5.3.5. Утилизация вредных примесей 160

Опыт 5.12. Утилизация диоксида серы 160

Опыт 5.13. Утилизация сероводорода фосфатным методом 160

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 161

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД 162

6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 162

6.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 162

6.2.1. Биологическая очистка сточных вод 162

6.2.2. Борьба с загрязнениями окружающей среды с помощью

микроорганизмов

166

6.2.3. Биотехнологические альтернативы (биопестициды) в сельском

хозяйстве

169

6.2.4. Получение металлов методом «бактериального

выщелачивания» минерального сырья

170

6.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 171

6.3.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 171

Опыт 6.1 171

Опыт 6.2 174

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 175

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 178

ВВЕДЕНИЕ

Экология - наука, изучающая совокупность и характер связей между

живыми организмами и окружающей средой. Человеческая цивилизация

зависит от окружающей среды: не только от энергетических и материальных

ресурсов, но и круговорота воздуха, воды, важнейших элементов - азота,

фосфора и т.д. Экология корнями вышла из биологии, оформилась в

интегрированную дисциплину, связывающую физические, химические,

биологические явления.

Задачи экологии как науки - исследование закономерностей организации

жизни в связи с антропогенным воздействием на природные системы и

биосферу в целом. Задачи экологии применительно к деятельности

инженера:

1) оптимизация технологических, инженерных и проектно-

конструкторских решений, исходящих из минимального ущерба

окружающей среде и здоровью человека;

2) прогнозирование и оценка возможности отрицательных последствий

технологических процессов на предприятиях для окружающей среды.

Таким образом, инженерная экология - система инженерно-техни-

ческих мероприятий, направленных на сохранение качества среды при

функционировании предприятий. Для разработки экологического мыш-

ления будущего инженера необходимо знание экологии и рационального

природопользования.

Воздействие человека на природу с каждым годом возрастает и

становится соизмеримым с действием природных факторов. Часть вредных

веществ включается в круговорот, и большая часть накапливается в

биосфере. Знание качества окружающей среды (атмосферы, гидросферы,

литосферы) необходимо для разработки замкнутых ресурсосберегающих

технологических процессов с наименьшим ущербом для окружающей среды.

Таким образом определить возможность устойчивого существования и

развития биосферы можно лишь при знании качества окружающей среды.

В процессе природопользования человек изменяет окружающую среду

загрязняя атмосферу, гидросферу, литосферу. Поэтому необходимо знание

современных методов очистки сточных вод, очистки и утилизации

отходящих газов, отделения и утилизации твердых отходов. Рассмотрение

круговорота веществ и элементов позволяет понять истину рационального

природопользования. Так как антропогенное воздействие на природу может

быть снижено применением биотехнологий, интересно рассмотрение

основных видов экологических биотехнологий для очистки гидросферы,

литосферы.

Настоящее руководство к лабораторным работам по экологии создано

коллективом преподавателей кафедры химии УГАТУ под руководством

профессора Н.А. Амирхановой, включает 6 лабораторных работ. Целью

данного пособия является привитие навыков и знаний по экологии,

экологизация технологий, т. е. рассмотрение технологических процессов,

доводящих до минимума и исключающих отходы и выбросы в окружающую

среду на всех промышленных предприятиях.

В теоретической части каждой лабораторной работы рассматриваются

существующие методы очистки, приводится их сравнительная оценка,

рассматриваются физико-химические явления, лежащие в основе процессов

очистки; виды загрязнений. В экспериментальной части приводятся опыты,

при проведении которых студент может наглядно убедиться в возможности

предлагаемого метода очистки. Каждая работа завершается контрольными

вопросами, позволяющими выявить основные опорные понятия каждой

темы.

ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ

1. Перед приходом на занятия ознакомиться с темой занятия по

методическому руководству, учебникам, лекциям.

2. Перед проведением опытов прочитать описание, выяснить не-

понятные вопросы у преподавателя.

3. Соблюдать все необходимые меры предосторожности, указанные в

специальной инструкции по технике безопасности.

Рабочее место содержать в чистоте и порядке, не загромождать

ненужными предметами. Перед уходом из лаборатории привести рабочее

место в порядок, выключить воду, электроприборы.

Методические руководства и книги во время выполнения работы

оберегать от попадания воды, химических реактивов.

При пользовании реактивами необходимо держать их закрытыми и

открывать только во время употребления, закрывая склянки не путать

пробки.

Не уносить реактивы общего пользования на свои рабочие места, сухие

реактивы брать шпателем.

Неизрасходованные реактивы не сливать обратно в склянки.

Без разрешения преподавателя не проводить опыты, не предусмотренные

в руководстве.

Не бросать в раковину бумагу, битое стекло, соблюдать меры

предосторожности.

Все опыты с ядовитыми веществами проводить в вытяжном шкафу.

При нагревании растворов в пробирке пользоваться держателем, помещать

пробирку так, чтобы ее отверстие было направлено в сторону от

работающего соседа.

Не наклоняться над нагреваемой жидкостью во избежание попадания

брызг в лицо.

Нюхать какие либо вещества можно, направляя к себе пары или газы

легким движением руки.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ

Экология - наука, которая изучает живые организмы, характерные

связи между организмами и связь их с окружающей средой.

Биосфера - часть земного шара, в пределах которой существует жизнь.

Создателем теории биосферы является академик В.И. Вернадский (1926 г.).

В масштабах земного шара жизнь развивается в тонком слое воздуха,

воды и почвы. Биосфера включает в себя часть атмосферы (примерно до

озонного слоя), всю гидросферу и часть литосферы - кору выветривания (2-3

км вглубь земли). Толщина биосферы не превышает 20 км.

Атмосфера - газообразная внешняя оболочка Земли. Верхнюю границу

атмосферы условно проводят на высоте 2000 м. Атмосфера имеет слоистое

строение: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера, термосфера,

экзосфера.

Гидросфера - водная оболочка Земли, которая включает моря и океаны

(Мировой океан), воды суши, водяной пар атмосферы, подземные воды и

льды.

Литосфера - твердая оболочка Земли. Верхняя граница литосферы

- атмосфера и гидросфера, нижняя - мантия, которая соприкасается с

ядром Земли. Мощность земной коры 30-70 км (5-20 км под океанами). Она

состоит из осадочных горных пород.

Ноосфера - этап разумного регулирования взаимоотношений человека

и природы. Современное понятие ноосферы - это земное, планетарное и

космическое пространство, которое преобразуется и управляется

человеческим разумом, гарантирующим всестороннее, прогрессивное

развитие человечества.

Окружающая среда - совокупность факторов живой и неживой при-

роды, прямо или косвенно воздействующих на организм.

Экологические факторы - факторы живой и неживой природы.

Абиотические факторы - физико-химические факторы (температура,

освещенность, химический состав, влажность и т.п.), факторы неживой

природы: климатические, почвенные (эдафогенные), орографические

(рельеф), химические (химический состав, кислотность и т.п.).

Биотические факторы - факторы живой природы. Это фитогенные

(растительные организмы), зоогенные (животные), микробогенные (вирусы,

бактерии, простейшие).

Антропогенные факторы - деятельность человека: прямое влияние на

организмы и их группировки и косвенное влияние посредством изменения

среды обитания.

В природе действует закон лимитирующего фактора (закон

толерантности): у каждого организма в отношении к различным экологи-

ческим факторам существуют пределы выносливости, между которыми

располагается его экологический оптимум (Ю. Либих, В. Шелфорд).

Экосистема - любая живущая совместно система организмов и среда

их обитания, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.

Примеры экосистем: капля воды, муравейник, лес, озеро, болото,

океан, квартира, город, аквариум, кабина космонавтов, Башкортостан,

Европа, биосфера в целом. Экосистемы бывают наземные (лес, луг, степь) и

водные (озеро, река, море). По А. Тэнсли: экосистемы - безразмерные

устойчивые системы живых и неживых компонентов, в которых совершается

внешний и внутренний круговорот веществ и энергии.

Биогеоценоз - наземная экосистема, имеющая четкие границы. Учение

о биогеоценозе создал академик В.Н. Сукачев (1880-1967 гг). Составные

части биогеоценоза: экотоп и биоценоз.

Экотоп (биотоп) - неорганическая составляющая окружающей среды.

Это понятие включает в себя не только вещества, но и физико-химические

факторы.

Биоценоз - совокупность всех живых организмов, обитающих в данном

биотопе.

Гомеостаз - состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы.

В естественных экосистемах гомеостаз поддерживается тем, что они

открыты, т.е. постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей

средой. В антропогенных (созданных человеком) экосистемах для

поддержания гомеостаза необходимо постоянное вмешательство

(управление) людей.

Трофическая цепь (цепь питания) - цепь последовательной передачи

вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим.

Различаются три основных трофических уровня: 1) продуценты, 2)

консументы, 3) биоредуценты.

Продуценты продуцируют органическое вещество, используя энергию

солнца или химических реакций и простые неорганические соединения.

Продуценты - автотрофы. Они делятся на гелиоавтотрофы (используют

энергию солнца) и хемоавтотрофы (используют энергию окисления серы,

железа и других элементов).

Консументы - организмы, которые питаются живым органическим

веществом (фитофаги - травоядные; зоофаги - хищники; паразиты,

симбиотрофы - микроорганизмы).

Биоредуценты - организмы, которые разрушают органическое ве-

щество и возвращают минеральные элементы в круговорот. В составе

редуцентов имеются сапротрофы, грибы и бактерии.

Сапротрофы (детритофаги) - организмы, питающиеся мертвым

органическим веществом (орлы, гиены).

Продуктивность экосистем - создание и расходование органического

вещества (биомассы) в процессе жизнедеятельности сообщества.

Рассматривается как скорость образования органического вещества

т/ед.времени, или в единицах энергии или биомассы на единицу площади

(т/га, кг/м

, кДж/м

и т.п.).