Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция № 9
Методы и средства защиты атмосферы от вредных выбросов.
Пылеуловители. Пылеуловители – это устройства, действие которых основано на использовании для осаждения частиц пыли сил тяжести или инерционных сил, отделяющих пыль от воздушного потока при изменении скорости (в пылеосадочных камерах) и направления его движения (одиночные и батарейные циклоны, инерционные и ротационные пылеуловители).
Пылеуловители применяют при содержании пыли в удаляемом воздухе более 150 мг/м3 .
Пылеосадочные камеры. Эти камеры применяют для осаждения крупной и тяжелой пыли с размером частиц более 100 мкм. Скорость пылевого воздуха в поперечном сечении камеры принимается небольшой – около 0,5 м/с для того, чтобы пыль могла осесть в камере раньше, чем она покинет ее. Поэтому габариты камер получаются довольно большими, что ограничивает их применение, несмотря на очевидные достоинства – малое гидравлическое сопротивление, дешевая эксплуатация и простота ухода.
Пыльный Обеспыленный Пыльный Обеспыленный
воздух воздух воздух воздух
Разрез
Пыль
План План
Рис. 1 Пылеосадочная камера. Рис.2 Пылеосадочная камера лабиринтного типа.
Эффективность очистки можно увеличить (до 85-90%), если камеру выполнить лабиринтного типа, хотя это влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления.
Инерционные пылеуловители. Такой пылеуловитель представляет собой набор усеченных конусов 1, установленных последовательно таким образом, что между ними образуются щели 2. Пыльный воздух поступает через отверстие 3. Пылеотделение основано на изменении направления движения пыльного воздуха, при этом взвешенные частицы пыли, имеющие значительно большую силу инерции, чем чистый воздух, продолжают двигаться в прежнем направлении к узкому отверстию 4, а чистый воздух выходит через щели 2.
Для очистки выбросов от пыли наиболее распространенным видом оборудования является циклон. Очищаемый газ из входного патрубка 1 через винтообразный вход 2 поступает сначала в цилиндрическую (4), а затем коническую (5) части корпуса, где во вращающемся потоке под действием центробежных сил более тяжелые, чем частицы воздуха, пылевые частицы сепарируются к периферии, а затем под действием силы тяжести собираются в пылевой бункер 7, выход из которого закрыт пылевым затвором. Более чистый газ из центральной части корпуса через выхлопную трубу 3 поступает в камеру 8 очищенного газа, а из нее в патрубок 9 выхода очищенного газа. Пылевой затвор обычно выполняют в виде мигалки с конусным клапаном. Когда вес накопившейся в пылевом бункере пыли превысит силу прижатия конусного клапана, создаваемого контргрузом, клапан откроется, сбросит пыль в приемную емкость и под действием груза вновь закроется.
Рис. 3 Циклон
Если эффективность действия циклона, особенно на мелко дисперсных взвесях, невелика, применяют батарею – группу циклонов, в которой очищаемая газопылевая смесь проходит последовательно из одного циклона в другой.
В технике пылеулавливания широко применяют фильтры, которые обеспечивают высокую эффективность улавливания мелких частиц. Процесс очистки заключается в пропускании очищаемого газа через пористую перегородку или слой пористого материала. Перегородка работает как сито, не пропуская частицы с размером большим диаметра пор. Частицы же меньшего размера проникают внутрь перегородки и задерживаются там за счет инерционных, электрических и диффузионных механизма, некоторые просто заклиниваются в искривленных и разветвленных поровых каналах. По типу фильтровального материала фильтры делятся на тканевые, волокнистые и зернистые.
Для очистки больших объемов газа с большой эффективность применяют электрофильтры. Основным элементом электрофильтра являются пары электродов, один из которых коронирующий, а другой осадительный. На электроды подастся постоянное высокое напряжение ( от 14 до 100 кВ). Сущность работы электрофильтра состоит в следующем. Т.к. осадительный электрод обладает значительно большей площадью, нежели коронирующий, между ними создается неоднородное электрическое поле, наиболее высокая напряженность которого наблюдается у коронирующего электрода. При высоких напряжениях у коронирующего электрода возникает коронный разряд и начинается ионизация воздуха - образуются пары отрицательно и положительно заряженных ионов. Через пространство между электродами пропускают очищаемый газ, электроны адсорбируются на поверхности частиц пыли, заряжая тем самым их. Отрицательно заряженные частицы пыли начинают перемещаться к положительному осадительному электроду и прилипают к нему, удерживаясь электрической силой. Электроды выполняются различной формы, важно лишь создать неоднородное электрическое поле с концентраторами его напряженности на коронирующем электроде. На рис. показана конструкция пары электродов с трубчатым осадительным электродом.
|
Рис. 4 Принципиальная схема электрического фильтра (схема дана для одного элемента цилиндрического фильтра) 1 – загрязнительный поток; 2 – осадительный (цилиндрический) электрод; 3 – коронирующий электрод; 4 – очищенный поток; 5 – взвесь; +И – электрический ток положительного заряда; -И – то же, отрицательного заряда. |
Пылеуловители мокрого типа целесообразно применять для очистки высокотемпературных газов, улавливания пожаровзрывоопасных пылей и в тех случаях, когда наряду с улавливанием пыли требуется улавливать токсичные газовые примеси и пары. Аппараты мокрого типа иначе называют промывателями газов, скрубберами. Номеклатура типов аппаратов разнообразна.
В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей.
|
Риc5 Барботажно-пенный пылеуловитель с |
Физико-химические методы очистки от вредных газов
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять основных групп: промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция); поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция); термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей путем применения каталитического превращения.
Метод абсорбции. В технике очистки газовых выбросов процесс абсорбции часто называют скрубберным процессом. Очистка газовых выбросов методом абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.
Движущей силой здесь является градиент концентрации на границе фаз газ– жидкость. Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и коэффициенты диффузии, т.е. в процессе проектирования абсорберов особое внимание следует уделять организации контакта газового потока с жидким растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента).
Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и давления. Если растворимость газов при 0°С и парциальном давлении 101,3 кПа составляет сотни граммов на 1 кг растворителя, то такие газы называют хорошо растворимыми.
Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость их в воде составляет сотни граммов на 1 кг Н2О. При поглощении же из газов сернистого ангидрида или хлора расход воды будет значительным, так как растворимость их составляет сотые доли грамма на 1 кг воды. В некоторых специальных случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как сернистая кислота (для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.
Метод хемосорбции. Основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредностей в отходящих газах. Болыпинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов. На этом принципе основан механизм десорбции хемосорбента.
Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода с применением мышьяковощелочного, этаноламинового и других растворов. При мышьяковощелочном методе извлекаемый из отходящего газа сереводород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе:
Nа4Аs2S5О2 + Н2S = Nа4Аs2S5О + Н2О
Регенерацию раствора производят окислением кислорода, содержащегося в очищаемом воздухе:
Nа4Аs2S5О + 1/2O2 = Nа4Аs2S5О2 + S2
В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.
В промышленности распространены аппараты с подвижной насадкой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при умеренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропускная способность по газу.
На рис. показана принципиальная схема скруббера с подвижной насадкой. В верхней части аппарата установлен ороситель 1, а под ним размещены верхняя 2 и нижняя опорная 5 ограничительные решетки, между которыми находится подвижная насадка. К опорной решетке меныпим основанием прикреплен расширяющийся усеченный кольцевой элемент 4, делящий пространство опорной решетки на кольцевую 3 и центральную 6 зоны. В качестве насадочных тел используют полые, сплошные и перфорированные шары, а также кольца, полукольца, кубики, скрещенные сплошные и перфорированные диски.
Обрабатываемый газ подается в аппарат под опорную решетку и делится на два потока: центральный и кольцевой. При прохождении кольцевой зоны поток газа сужается, увеличивает скорость движения, вступает в контакт с прижимаемыми к стенке элементами подвижной насадки и перемещает их от стенки в центральный поток. Насадка совершает пульсационное движение в центральном и прилегающем к стенке аппарата потоках, турбулизирует взаимодействующие фазы и обеспечивает высокую эффективность обработки газа жидкостью. В тех случаях, когда в результате процесса выпадает осадок, подвижная насадка удаляет его со стенок корпуса аппарата или опорной решетки.
Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных выбросов, называют мокрыми. Преимущество абсорбционных методов заключается в экономичности очистки большого количества газов и осуществление непрерывных технологических процессов. Эффективность мокрой очистки газов, отходящих от гальванических ванн с помощью целевого скруббера ПВМ при обезвреживании их 2-3%-ным водным раствором едкой щелочи, составляет по хлороводороду 0,85-0,92 и по оксидам азота 0,65. При использовании в качестве поглотительной жидкости воды эффективность очистки по НС1 снижается до 0,75.
Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит в конечном итоге к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере. Кроме того, оборудование мокрых методов очистки громоздко и требует создания системы жидкостного орошения. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих смесь пыли, растворителя и продуктов поглощения. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания, транспортировки или утилизации шлама, что удорожает и осложняет эксплуатацию.
Метод адсорбции. Основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капилярной конденсацией.
Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Высвобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения и по порядку значения (как правило, они находятся в пределах от 2 до 20 кДж/моль) совпадает с теплотой конденсации паров. Преимущество физической адсорбции -обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбата в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна, если экономически выгодно рекуперировать адсорбируемый газ или адсорбент.
В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбатом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции соответственно и высвобождающаяся при хемосорбции теплота существенно больше и по порядку значения (от 20 до 400 кДж/моль) совпадает с теплотой реакции. Ввиду большой теплоты адсорбции энергия, необходимая для взаимодействия хемосорбированной молекулы с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше энергии, необходимой для реакции молекул двух различных видов непосредственно в газовой фазе, т.е. поверхность твердого вещества может оказаться катализатором, увеличивающим скорость некоторых химических реакций. Процесс хемосорбции, как правило, необратим: при десорбции меняется химический состав адсорбата. Поэтому если желательна регенерация адсорбента или рекуперация адсорбата, то адсорбирующую среду следует выбирать таким образом, чтобы преобладали процессы физической адсорбции.
В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Так, удельная поверхность активированных углей достигает 105-106 м2/кг. Их применяют для очистки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают болыпей селективной способностью, чем активированные угли. Однако их нельзя использовать для очистки очень влажных газов. Некоторые адсорбенты иногда пропитывают соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция.
Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная способность, или масса вещества а, поглощенная единицей массы адсорбента в произвольной момент времени, зависит от концентрации адсорбируемого вещества (парциального давления р, Па) у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических и электрических свойств адсорбируемого вещества и адсорбента, температурных условий и присутствия других примесей.
Адсорбцию широко используют при удалении паров растворителя из отработанного воздуха при окраске автомобилей, органических смол и паров растворителей в системе вентиляции предприятий по производству стекловолокна и стеклотканей, а также паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве нитроцеллюлозы и бездымного пороха. Адсорбенты также применяют для очистки выхлопных газов автомобилей; для удаления ядовитых компонентов (например, сероводород из газовых потоков), выбрасываемых в атмосферу через лабораторные вытяжные шкафы; для удаления радиоактивных газов при эксплуатации ядерных реакторов, в частности радиоактивного иода.
В некоторых случаях (например, при обработке горючих газов) для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание. Однако применение этого метода затруднено тем, что концентрации органических примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низки. Для того чтобы нагреть такой объем воздуха до температур, при которых проводится термическая нейтрализация, расходуется большое количество энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием. Адсорбционное концентрирование целесообразно при объемных концентрациях загрязнителя до 300млн-1, причем эффективность адсорбционной обработки резко возрастает с увеличением объема обрабатываемого газа. Имеются адсорберы с неподвижным слоем адсорбента, который меняется (обновляется) после насыщения улавливаемым веществом, а также адсорберы непрерывного действия, в которых адсорбент медленно перемещается и одновременно очищает проходящий через него поток. Применяются также адсорберы с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем, в которых очищаемый поток подается снизу вверх с болыпой скоростью и поддерживает слой адсорбента во взвешенном состоянии. Поверхность соприкосновения очищаемого потока с поверхностью адсорбента больше, но одновременно может произойти истирание адсорбента и запыление очищаемого потока, поэтому за адсорбером в ряде случаев приходится устанавливать пылевой фильтр.
Термическая нейтрализация. Метод основан на способности горючих токсичных компонентов (газы, пары и сильно пахнущие вещества) окисляться до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газовой смеси. Этот метод применяется в тех случаях, когда объемы выбросов велики, а концентрации загрязняющих веществ превышают 300 млн-1.
Методы термической нейтрализации вредных примесей во многих случаях имеют преимущества перед методами адсорбции и абсорбции. Отсутствие шламового хозяйства, небольшие габариты очистных установок, простота их обслуживания, а в ряде случаев и пожарная автоматизация их работы, высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки и другие положительные качества явились причиной их широкого распространения в машиностроительной промышленности.
Область применения метода термической нейтрализации вредных примесей ограничивается характером образующихся при окислении продуктов реакции. Так, при сжигании газов, содержащих фосфор, галогены, серу, образующиеся продукты реакции по токсичности во много раз превышают исходный газовый выброс. Исходя из этого, метод термического обезвреживания применим для выбросов, включающих токсичные компоненты органического происхождения, но не содержащие галогены, серу и фосфор.
Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание. Прямое сжигание в пламени и термическое окисление осуществляют при температурах 600-800°С; каталитическое сжигание – при 250-450°С. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объемным расходом и предельно допустимыми нормами выброса загрязняющих веществ.
Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для осуществления процесса. Из экономических соображений этот вклад должен превышать 50% общей теплоты сгорания. При проектировании устройств прямого сжигания необходимо знать пределы взрываемости или воспламеняемости сжигаемых отходов и газообразного топлива в смесях с воздухом. Эти данные показывают, будет ли данный вид газообразных отходов поддерживать горение без дополнительного подвода топлива. Для безопасности транспортировки сжигание газов в промышленных масштабах осуществляется при концентрациях горючих компонентов не более 25% от нижнего предела взрываемости.
Одна из проблем, затрудняющих осуществление прямого сжигания, связана с тем, что температура пламени может достигать 1300°С. При наличии достаточного избытка воздуха и длительном выдерживании газа при высокой температуре это приводит к образованию оксидов азота. Тем самым процесс сжигания, обезвреживая загрязняющие вещества одного типа, становится источником загрязняющих веществ другого типа, становится источником загрязняющих веществ другого типа.
Примером процесса прямого сжигания является сжигание углеводородов, содержащих токсичные газы (например, цианистый водород), непосредственно в факеле, т.е. просто в открытой горелке, направленной вертикально вверх. Факел применяют главным образом для сжигания горючих отходов, с трудом поддающихся другим видам обработки.
Существует ряд конструктивных решений, позволяющих осуществлять прямое сжигание вредных примесей в замкнутой камере. Основные требования, предъявляемые к конструкциям таких камер, - обеспечение высокой степени турбулентности газового потока и времени пребывания его в камере в пределах 0,2-0,7 с. Типичными областями применения камерных дожигателей с открытым пламенем является дожигание газов для удаления органических отходов от лакокрасочных цехов, отходящих газов стержневых печей и оксидов азота, образующихся в процессе нитрования.
Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 0,90-0,99, если время пребывания вредностей в высокотемпературной зоне не менее 0,5 с и температура обезвреживания газов, содержащих углеводороды, не менее 500-650°С.
Термическое окисление применяют либо когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.
Важнейшими факторами, которые должны учитываться при проектировании устройств термического окисления, - время, температура и турбулентность. Время в аппарате должно быть достаточным для полного сгорания горючих компонентов. Обычно оно составляет от 0,3 до 0,8 с. Турбулентность характеризует степень механического перемешивания, необходимого для обеспечения эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Рабочие температуры зависят от характера горючих примесей. Так, при окислении углеводородов рациональный интервал температур 500-760°С, при окислении оксида углерода 680-800°С, при устранении запаха посредством окисления 480-680°С.
Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей, дожигание продуктов неполного сгорания (СО и СnНm) автомобильного двигателя непосредственно на выходе из цилиндров в условиях добавки избыточного воздуха.
В тех случаях, когда температура отходящих газов недостаточна для протекания процесса окисления, поток отходящих газов подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабочую зону, в которой сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температур, превышающих точки их самовоспламенения, и они сгорают под действием кислорода, обычно присутствующего в потоке загрязненного газа. При недостатке кислорода его вводят в поток отходящих газов при помощи воздуходувки, эжектирования или вентилятора. Одно из простейших устройств, используемых для огневого обезвреживания технологических и вентиляционных низкотемпературных выбросов, схематически представлено на рис6..
Рис. 6 Установка для огневого обезвреживания
технологических и вентиляционных выбросов
Загрязненный отходящий газ через входной патрубок 1 и полость теплообменника-подогревателя 2 поступает в У-образную полость коллектора горелки 3. При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до необходимой температуры и сжигают в кислороде, присутствующем в потоке загрязненного газа. Процесс догорания происходит в камере смешения 4, где хвостовая часть факела контактирует с обезвреживаемыми выбросами при их турбулизации перегородками камеры. Выходящие из патрубка 5 газы могут либо выбрасываться непосредственно в атмосферу, либо пропускаться через дополнительный теплообменник с целью рекуперации теплоты горячих газов.
Каталитический метод используют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ -катализаторов. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом. Катализатор, взаимодействуя с одним из реагирующих соединений, образует промежуточное вещество, которое распадается с образованием продукта регенерированного катализатора.
Каталитическое окисление выгодно отличается от термического кратковременностью протекания процесса (иногда достаточно нескольких долей секунды), что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, при пропускании газообразных отходов через слой катализатора температура, необходимая для осуществления реакции органических газов и паров с кислородом, существенно снижена (до 300°С) по сравнению с термическим окислением.
С повышением температуры эффективность каталитического процесса увеличивается. Например, метан начинает окисляться на поверхности катализатора, состоящего из 60% диоксида марганца и 40% оксида меди, только при температуре 320°С, а 97%-ное реагирование наблюдается при 1=450°С. Следует иметь в виду, что для каждого катализатора существует предельный температурный уровень. У многих катализаторов максимальная рабочая температура составляет 800-850°С. Превышение этого уровня приводит к снижению активности, а затем к разрушению катализатора.
Критерии качества поверхностных вод
К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ. Индекс загрязнения воды, как правило, рассчитывают по шести–семи показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН, биологическое потребление кислорода БПК5) является обязательной.
, где
Ci – концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра);
N – число показателей, используемых для расчета индекса;
ПДКi – установленная величина для соответствующего типа водного объекта.
В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл.4). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и так далее).
Таблица 4
Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды
|
Воды |
Значения ИЗВ |
Классы качества вод |
|
Очень чистые |
до 0,2 |
1 |
|
Чистые |
0,2–1,0 |
2 |
|
Умеренно загрязненные |
1,0–2,0 |
3 |
|
Загрязненные |
2,0–4,0 |
4 |
|
Грязные |
4,0–6,0 |
5 |
|
Очень грязные |
6,0–10,0 |
6 |
|
Чрезвычайно грязные |
>10,0 |
7 |
Индекс загрязнения воды следует отнести к интегральным характеристикам состояния.
Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки промышленных выбросов. В отличие от рассеивания выбросов атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происходит хуже. Поэтому требуется глубокая очистка сточных вод, тем более, что водная экосистема очень ранима и чувствительна к загрязнениям.
Защита гидросферы от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств:
С целью стимулирования предприятий к качественной очистке собственных стоков целесообразно организовать водозабор на технологические нужды ниже по течению реки, нежели сброс сточных вод. Если для технологических нужд требуется чистая вода, предприятие будет вынуждено осуществлять высокоэффективную очистку собственных стоков.
Рассредоточенные выпуски стоков осуществляют через трубы, проложенные поперек сечения русла реки, тем самым, увеличивая интенсивность перемешивания и кратность разбавления.
Определение допустимого состава сточных вод проводят в зависимости от преобладающего вида примесей и с учетом характеристик водоема, в который сбрасывают сточные воды.
Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации взвешенных веществ. Допустимую концентрацию взвешенных веществ в очищенных сточных водах определяют по формуле
с0взв сввзв + nПДКвзв,
где сввзв — концентрация взвешенных веществ в воде водоема до сброса в .него сточных вод; ПДКвзв — предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в водоеме; n — кратность разбавления сточных вод в воде водоема, характеризующая долю расхода воды водоема, участвующей в процессе перемешивания и разбавления сточных вод.
Методы очистки сточных вод можно подразделить на механические, физико-химические и биологические. Для очистки сточных вод от взвешенных частиц (механических частиц, частиц жиро-масло и нефтепродуктов) применяют процеживание отстаивание, обработку в поле центробежных сил и фильтрование, флотацию.
Процеживание применяют для удаления из сточной воды крупных включений и волокнистых включений. Процесс реализуют в вертикальных и наклонных решетках, ширина прозоров которых 15-20 мм, а также ленточных и барабанных волокноуловителях. Очистка решеток и волокноуловителей осуществляется вручную или механически.
Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей с плотностью большей (меньшей) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках, жироуловителях.
На рис. 7 представлена схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением сточной воды, поступающей в песколовку 2 через входной патрубок 1. Оседающие в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике 3 и на дне песколовки, а очищенная сточная вода через выходной патрубок 4 направляется для дальнейшей обработки. Удаление осадка из песколовок осуществляют, как правило, ежесуточно.
Рис. 7 Схема горизонтальной Рис.8 Схема аэрируемой песколовки.
песколовки.
Для разделения твердых частиц по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 8), в состав которых входят входная труба 1, воздуховод 2, воздухораспределители 3, выходная труба 4, шламосборник 5 с отверстием 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.
Фильтрование используют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей как на начальной, так и конечной стадиях очистки. Наиболее часто используют зернистые фильтры из несвязанных или связанных (спеченных) между собой частиц фильтроматериала. В зернистых фильтрах в качестве фильтроматериала используют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п. Схема каркасно-засыпного фильтра показана на рис.9.
Регенерация фильтра осуществляется обратной промывкой и продувкой сжатым воздухом. Для улавливания фильтрами маслопродуктов применяют фильтры-сепараторы с фильтрующим слоем из пенополиуретана.
.
Рис. 9 Каркасно-засыпной фильтр
Флотация - метод заключается в адсорбировании примесей мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены. В зависимости от способа образования пузырьков различают флотацию, пневматическую (напорную, вакуумную), пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию. На практике наибольшее распространение получила пневматическая, которая основывается на уменьшении растворимости газа в воде при снижении его давления. При резком снижении давления происходит выделение из воды излишнего воздуха в виде пузырьков Если вода из под атмосферного давления направляется в камеру под вакуумом, такая флотация называется вакуумной; если из-под напору в открытую камеру - напорной. Флотация осуществляется во флотационных камерах.
Физико-химические методы очистки применяют для удаления из, сточной воды растворимых примесей (солей тяжелых металлов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления взвесей. Как правило, физико-химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ. Применяются разнообразные физико-химические методы, из которых наиболее распространены: электрофлотационные, коагуляционные, реагентные (разновидность реагентного метода - нейтрализация), электрохимические, электродиализные, ионообменные.
Электрофлотация находит широкое применение наряду с пневматической флотаций для удаления маслопродуктов и мелкодисперсных взвесей. Осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, между парами электродов (железных, стальных, алюминиевых). В результате электролиза воды образуются пузырьки газа, прежде всего легкого водорода, а также кислорода, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность. Электрофлотация осуществляется в электрофлотационных установках.
Коагуляция - это физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирования устраняется мутность воды. В качестве веществ-коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, прежде всего сульфат алюминия, а также неочищенный сернокислый глинозем, алюминат натрия, хлорное железо, сульфат железа и др. для интенсификации процесса хлопьеобразования применяют синтетические высокомолекулярные вещества-флокулянты, основным из которых является полиакриламид. Коагуляция осуществляется посредством перемешивания воды с коагулянтами в хлопьеобразующих камерах, откуда вода направляется в отстойники, где хлопья отделяются отстаиванием. Необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа можно получить электрохимическим путем. Для этого используются емкости-электролизеры (электрокоагуляторы), в которые опущены электроды из алюминия или стали, Образующиеся в процессе анодного растворения металла ионы алюминия или железа осуществляют процесс коагуляции. Т.к. электрофлотаторы и электрокоатуляторы практически одинаковы по конструкции, процессы электрофлотации и электрокоагуляции могут протекать в них одновременно.
Сущность реагентного метода заключается в обработке сточных вод химическими веществами-реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения, которые затем могут быть удалены одним из описанных выше методов удаления взвесей и осветления воды. Этот метод находит применения для очистки сточных вод от солей металлов, цианидов, хрома, фторидов и т.д. Например, для удаления цианидов используют различные реагенты-окислители, прежде всего содержащие активный хлор: хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия, хлорная вода. Для очистки от шестивалентного хрома применяют применяют натриевые соли сернистой кислоты (Na2SO3,NaHSO3), гидросульфит Na2SO3. Для очистки фторсодержащих сточных вод применяют гидроокиси кальция (известковое молоко), хлорид кальция. В результате химической реакции с токсичными соединеними фтора образуется плохо растворимый фторид кальция (СаF2), который можно удалить из воды, например отстаиванием.
Разновидностью реагентного метода является процесс нейтрализации сточных вод. Согласно действующим нормативным документам сбросы сточных вод в системы канализации населенных пунктов и в водные объекты допустимы только в случаях, если они характеризуются величиной рН = 6,5-8,5. В том случае, если рН сточных вод соответствует кислой (рН<6,5) или щелочной (рН>8,5) реакции, сточные воды подлежат нейтрализации, под которой понимают снижение концентрации в них свободных Н+ или ОН- ионов до установленных в указанном интервале значений рН. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых в воде щелочных реагентов (оксида кальция, гидроксида натрия, кальция, магния и др.). Нейтрализация щелочных стоков - добавлением минеральных кислот - серной, соляной и др. В процессе нейтрализации важно добавить ровно столько реагента, чтобы осуществить нейтрализацию, не изменив при этом показатель рН в противоположную сторону. Так как кислые стоки чаще всего образуются в процессах гальванообработки, то такие стоки содержат ионы железа и тяжелых металлов. Поэтому при нейтрализации таких стоков одновременно идет процесс превращения ионов металлов в труднорастворимые гидроксиды, выпадающие в осадок. Реагентная очистка осуществляется в емкостях, снабженных устройствами перемешивания.
Сущность ионообменной очистки сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы, которые различаются на катионитовые - имеющие подвижные и способные к обмену катионы ( чаще всего водорода Н+), и анионитовые - имеющие подвижные и способные к обмену анионы (чаше всего гидроксильную группу ОН-). При прохождении сточной воды подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Например, катион тяжелого металла заменяет катион водорода, а токсичный анион соли металла – анион ОН-. Таким образом происходит сорбирование токсичных ионов смолой. Регенерация (восстановление сорбирующей способности при насыщении смолы токсичными ионами) осуществляется промывкой кислотой (катионитовая смола) или щелочью (анионитовая смола). При этом токсичные ионы замещаются соответствующими катионами или ионами (Н+, ОН-), а токсичные примеси выделяются в концентрированном виде как щелочные или кислые стоки, которые взаимно нейтрализуются и подвергаются реагентной очистке или утилизации. Существуют различные схемы ионообменных установок очистки. Как правило, они представляют собой колонны с катионитовыми и анионитовыми смолами, через который последовательно пропускается очищаемый сток. Перед установкой ионообменной очистки должна быть произведена хорошая очистка от взвешенных веществ, а концентрация вредных примесей не должна быть высокой. Поэтому ионообменную очистку обычно используют на финишных (заключительных) стадиях очистки для обеспечения глубокой очистки.
В электрокоагуляционных установках может быть реализован метод электрохимической очистки сточных вод. Таким методом можно очищать от ионов тяжелых металлов, цианидов. При электролизе железный (стальной) анод растворяется с образованием двухвалентных катионов железа Fe2+ , который восстанавливает очень токсичный шести валентный хром до менее токсичного трехвалентного: Cr6++3Fe2+ = 3Fe3++Cr3+
В результате электрохимических процессов на катоде происходит также восстановление шести валентного хрома до двух валентного. Последний, также как ионы железа, реагируют с гидроксильной группой ОН- с образованием нерастворимых гидроокисей железа и хрома Сг(ОН)3 ,Fе(ОН)2, которые затем удаляются как взвеси, например, отстаиванием.
Рис. 10 Технологическая схема установки электрохимического
окисления циансодержащих сточных вод
На рис. 10 показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCl, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 1. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.
Электродиализный метод очистки используют для удаления из малоконцентрированных сточных минеральных солей (в том числе солей тяжелых металлов), а также при переработке высококонцентрированных сточных вод (отработанных технологических растворов) с целью выделения из них ценных продуктов для последующего использования. Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод используют электрохимически активные ионитовые мембраны. Наиболее распространены гетерогенные ионитовые мембраны, представляющие собой тонкие пленки, изготовленные из размельченной в порошок ионообменной смолы. В зависимости от того, из какой смолы сделана мембрана, различают катионитовые и анионитовые мембраны. Первые способны пропускать через себе лишь катионы вредных примесей, а вторые - анионы. Суть процесса электродиализа ясна из представленной на рис. 6 схемы элекродиализного опреснения воды. Процесс осуществляется в многокамерных аппаратах, в которых плоские мембраны расположены параллельно. Обессоливаемая вода поступает в четные камеры, а через нечетные циркулирует рассол. По действием электрического поля катионы двигаются к катоду (отрицательному электроду), а анионы - к аноду. Из нечетных камер ни анионы, ни катионы в соседние камеры не проникают, так как на пути их движения расположены препятствия в виде не проницаемых для катионов анионитовых мембран со стороны катода и непроницаемых для анионов катионитовых мембран со стороны анода. В результате соли переносятся током из четных камер в нечетные, вода в четных камерах опресняется, а нечетных рассольных камерах концентрируются отделяемые соли. В настоящее время распространены электродиализные установки типа ЭДУ, имеющие от 100 до 300 камер.
Краткая характеристика физико-химических методов приведена в таблице 4.
Таблица 1
Физико-химические методы очистки сточных вод
|
Метод |
Объекты воздействия |
Процессы |
Примеры |
|
Электро-флотация |
Маслопродукты и мелкодис-персные взвеси |
Пропускание через сточную воду электрического тока, между парами электродов, в результате электролиза воды образуются пузырьки газа, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность. |
CrO42-+4H2O+3e-=Cr(OH)3+5OH-; |
|
Коагуляция |
Мутность |
физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. |
Cr2O72-+14H++Fe2+=2Cr3++ 7H2O+Fe3+ |
|
Реагент-ный метод |
Соли металлов, (хлориды, цианиды, фториды) |
Обработка сточных вод химическими веществами-реагентами, которые реагируют с растворенными токсичными примесями с образованием нетоксичных или нерастворимых соединений. |
2ZnCL2+2Na2CO3+H2O=4NaCL+2ZnCO3. NaCN+H2O2=NaCNO+H2O; 3NaCN+2KMnO4+H2O= 3NaCNO+2MnO2+ 2KOH |
|
Нейтра-лизация сточных вод |
Кислые или щелочные стоки |
Снижение концентрации в них свободных Н+ или ОН- ионов до установленных значений рН 6,5-8. добавлением растворимых в воде щелочных или кислотных реагентов |
Кислые стоки гальванических производств содержат ионы тяжелых метал-лов, превращающиеся в малорастворимые гидрооксиды: Men++nOH-=Me(ОН)n |
|
Ионо-обменная очистка |
Ионы тяжелых металлов, цианиды |
Пропускание сточных вод через ионообменные смолы (катионитовые или анионитовые), при этом подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Таким образом происходит сорбирование токсичных ионов смолой. |
R-OH+HCN= R-CN+H2O |
|
Электро-химичес-кая очистка |
Ионы тяжелых металлов, цианиды. |
Пропускание через сточную воду электрического тока, между парами электродов, сопровождающееся окислением или восстановлением токсичных примесей до нетоксичных продуктов |
Восстановление токсичного шести валентный хром до менее токсичного трехвалентного: Cr6++3Fe2+ = 3Fe3++Cr3+ |
|
Электро-диализная очистка |
Малоконцен-трированные или высоко-концентриро-ванные соли (выделения ценных продуктов). |
Процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. |
Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические соединения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа. Биологическим путем очищаются многие виды органических соединений городских и производственных сточных вод. Бактерии находятся в активном иле, представляющем собой темно-коричневую или черную жидкую массу, обладающую землистым запахом. С биологической точки зрения активный ил это скопление аэробных бактерий в виде зоогелей. Кроме микробов в иле могут присутствовать простейшие (в аэротенках), в биопленке (биофильтры) - черви, личинки насекомых, водные клещи. При очистке многих видов сточных вод, в том числе бытовых, используют бактерии -грамоотрицательные палочки.
Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или специальных сооружениях: аэротенках, биофильтрах. Аэротенки (рис. 6) представляют собой открытые резервуары с системой коридоров, через которые медленно протекают сточные воды смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэрации аэротенка. Активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк. Биологический фильтр - это очистное сооружение, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка, состоящая из прикрепленных форм микроорганизмов.
Факторы антропогенного загрязнения литосферы и переработка твердых и жидких отходов
Верхняя часть литосферы, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, подвергается все более возрастающему антропогенному воздействию. Человек, по гениальному предвидению В.И. Вернадского, стал “крупнейшей геологической силой”, под действием которой меняется лик Земли.
Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к предельно возможному. К настоящему времени из нее (данные на начало 90-хх гг.) извлечено 125 млрд. т. угля, 32 млрд. т. нефти, более 100 млрд. т. других полезных ископаемых. Распахано земель более 1500 млн. га., заболочено и засолено 20 млн. га. Эрозией за 100 лет уничтожено 2 млн. га., площадь оврагов более 25 млн. га. Терриконы достигают высоты 300 м., горные отвалы – 150 м., глубина золотодобывающих шахт превышает 4 км.(Южная Африка), нефтяных скважин – 6 км.
Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является “базовой подсистемой биосферы: образно говоря, вся континентальная и почти вся морская биота опирается на земную кору”. Литосфера – опорная часть экосистем. Рассмотрим техногенные изменения следующих основных составляющих литосферы: 1) почв; 2) горных пород и их массивов; 3) недр.
Деградация почвы – это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. как известно, почва один из важнейших компонентов окружающей природной среды, непосредственно связанный с приповерхностной частью литосферы. Ее образно называют “мостом между живой и неживой природой”. Почва обеспечивает существование биосферы, является ее основой, она – биологический адсорбент и нейтрализатор загрязнений. Без почвенного покрова невозможно воспроизводство биомассы, а следовательно, накопление колоссальных количеств энергии в процессе фотосинтеза растений.
Следует учитывать, что почва практически невозобновимый природный ресурс. Все основные ее экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе – почвенном плодородии. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим последствиям дегумификации – потере гумуса. Дегумификация возрастает и за счет неумеренного внесения в почву минеральных удобрений. За последнее столетие почвы Черноземья потеряли от трети до половины содержания гумуса. Но даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, т.е. ухудшать свои свойства.
К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера: эрозия, загрязнение, вторичное засоление, заболачивание, опустынивание. В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем, причина неустойчивого состояния которых в их упрощенном фитоценозе, не обеспечивающем оптимальную саморегуляцию.
Эрозия почв (от лат. Erosio – разъедание ) – разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными.
По аналогии выделяют также промышленную эрозию (разрушение почв при строительстве и при разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.
Однако настоящим бичом земледелия у нас в стране и в мире остаются водная эрозия (ей подвержены 31% суши) и ветровая эрозия (дефляция), активно действующая на 34% поверхности суши. В засушливых районах мира эродировано 60% от общей площади, из них 20% - сильно эродированы.
Ветровая эрозия (дефляция). Под ветровой эрозией понимают выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц ветром.
Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизирует эрозионные процессы.
Различают местную ветровую эрозию и пыльные бури. Первая проявляется в виде поземок и столбов пыли при небольших скоростях ветра.
Пыльные бури возникают при очень сильных и продолжительных ветрах. Скорость ветра достигает 20 – 30 м/с и более. Наиболее часто пыльные бури наблюдаются в засушливых районах (сухие степи, полупустыни, пустыни). Они способны развеять за несколько часов до 500 т. почвы с 1 га. Пашни и безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почв. Пыльные бури загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека.
Водная эрозия почв (земель). Под водной эрозией понимают разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают водную эрозию: плоскостную, струйчатую, овражную, береговую. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека: появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота, отвальная обработка почв и др.
Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и в первую очередь почвам приносит овражная эрозия. Экологический ущерб от оврагов огромен. Они уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густорасчлененный рельеф. Оврагов только на территории Русской равнины 5 млн. га., и площадь их увеличивается: ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигает 100-200 га.
Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений – токсикантов пагубно влияют на жизнедеятельность почвенных организмов и чревато тяжелыми последствиями для человека, растительного и животного мира. Например, в сильно загрязненных почвах возбудители тифа и паратифа могут сохраняться до полутора лет, тогда как в незагрязненных – лишь в течении двух-трех суток.
Основные загрязнители почвы: 1)пестициды (ядохимикаты); 2)минеральные удобрения; 3)отходы и отбросы производства; 4)газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5)нефть и нефтепродукты.
Классификация отходов
Под отходами понимают, в общем случае, непригодные для производства данной продукции виды сырья, неупотребимые остатки или вещества и энергия. Ниже рассматривают лишь твердые отходы, которые подразделяются на промышленные (ТПрО) и бытовые (ТБО).
Промышленные отходы (или отходы производства) – это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично потребительские свойства. С некоторой долей условности к ТПрО можно отнести и отходы потребления – изделия и машины, утратившие свои потребительские свойства в результате физического или морального износа.
Бытовые (коммунальные) отходы – твердые вещества, не утилизируемые в быту, образующиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей. В последнее время к ТБО относят и твердую составляющую коммунально-бытовых сточных вод – их осадок.
За рубежом в последнее время из двух больших групп – ТПрО и ТБО – выделяют несколько специфических видов. Так ТБО можно подразделить на домашние, коммерческие, учрежденческие и другие городские отходы (трупы мертвых животных, отходы уборки улиц, осадки сточных вод). Из состава ТПрО ,кроме чисто промышленных, обычно выделяют медицинские, сельскохозяйственные, горные (металлургические) и др. Система сбора твердых отходов в РФ (особенно ТБО) пока не побуждает к раздельному изучению подобных видов, хотя в отношении выделения коммерческих, медицинских, радиоактивных отходов имеются определенные сдвиги в наиболее крупных городах.
Отходы производства и потребления – это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, образовавшиеся в процессе производства и потребления, а также продукции, которая утратила свои потребительские свойства. При этом вредные отходы должны подвергаться нейтрализации, а неиспользуемые – считаются отбросами. Количество бытовых отходов в расчете на одного человека увеличивается примерно на 1-4%, а по массе – на 0.2-0.4% в год, и в настоящее время составляет, кг/год: в благоустроенных зданиях – 160-190, в неблагоустроенных – 600-700. Проблема указанных отходов в настоящее время весьма остро стоит во многих странах мира. В частности, в городах США образуется ежегодно около 150 млн.т. отходов и ожидается к 2004 г. увеличение их количества еще на 20%. В значительно меньшей по размеру Японии количество образующих бытовых отходов превышает 72 млн.т. ежегодно.
Наибольшая часть из сотен миллионов тонн промышленных отходов образуется в угольной промышленности, предприятиями черной и цветной металлургии, тепловыми электростанциями, в промышленности строительных материалов.
В последние годы возросло количество опасных (токсичных) отходов, которые способны вызвать отравление или иное поражение живых существ. К ним относятся прежде всего различные ядохимикаты, не использованные в сельском хозяйстве, отходы промышленных производств, содержащие канцерогенные и мутагенные вещества и другие. В США 41% твердых бытовых отходов (ТБО) классифицируют как «особо опасные», в Венгрии – 33,5%; в то время, как во Франции – 6%, Великобритании – 3%, а в Италии и Японии – только 0.3%.
Полигоны для твердых бытовых отходов.
В мировой практике наибольшее распространение получили следующие методы обращения с ТБО: 1) строительство полигонов для захоронения и частичной их переработки; 2) компостирование с получением азотного удобрения или биотоплива; 3) сжигание отходов на мусоросжигающих заводах; 4) ферментация (получение биогаза из животноводческих стоков); 5) предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных компонентов из отходов; 6) пиролиз ТБО – высокотемпературный (около 1700 ‘С) нагрев без доступа воздуха.
Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» в ст.12 установил требования к объектам размещения отходов. Создание таких объектов – специально оборудованных сооружений (полигонов, шламохранилищ, отвалов горных пород и др.), - допускается на основании разрешений, выданных специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти. При этом определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе геологических, гидрогеологических и иных исследований и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы.
В целях снижения загрязнения окружающей природной среды вместо неконтролируемых свалок строят полигоны для твердых отходов, которые эксплуатируются во многих городах России.
Для такого полигона выбирают место по возможности в глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20-25 лет и более. Основание выбранной площади делают в виде огромного корыта (для средней полосы России, где за год выпадает около 600 мм. осадков) глубиной примерно 1,5 м. Фильтрат скапливается в нем,остается в пределах полигона и не загрязняет водоемы и подземные воды. При необходимости (большое количество осадков) фильтрат забирают со дна корыта насосными установками и разбрызгивают по поверхности укладываемых отходов. Одна часть фильтрата испаряется с поверхности, другая проникает вглубь, где вызывает медленный биотермический процесс с повышением температуры примерно до 30 ‘С. до дна доходит не более 5% перекачиваемой жидкости. Если глинистого грунта нет и основание для полигона приходится делать в водопроницаемых грунтах, дно корыта выстилают слоем привозной глины толщиной 0,5 м.(рис. 47).
В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и уплотняют бульдозерами послойно до 2-метровой высоты. На следующие сутки отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую обязательно укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0,25 м. Изоляция грунтом и его последующее уплотнение препятствует загрязнению наружной воздушной среды, а также распространению мух и грызунов. По мере загрузки полигона отходами из разровненных слоев извлекают металлолом.
Для сокращения площади полигон загружают многослойно. Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. При этом для устойчивой работы бульдозера необходимо устраивать пологий внешний откос, образующий с горизонтом угол в 15’. После заполнения полигона поверхность его покрывают растительным грунтом.
Полигоны могут иметь различное соотношение длины и ширины (рис. 22). Расход земельных площадей под полигоны зависит от численности и высоты складирования (табл. 5).
Таблица 5
Расход земельных площадей под полигоны
|
Численность обслуживаемых жителей в городе, тыс.чел. |
Расход земельных площадей на 50 тыс. жителей, га/год |
Оптимальная высота складирования, м |
|
Менее 50 50-99 100-249 250-499 500-1000 Более 1000 |
0,3-0,35 0,22-0,25 0,18-0,2 0,14-0,16 0,09-0,12 0,05-0,08 |
10-15 15-20 20-25 25-35 30-40 35-60 |
Таблица 5 показывает зависимость расхода земельных площадей под полигоны твердых отходов от численности обслуживаемых жителей в городе и высоты складирования.
Рис. 23 Схематичный разрез полигона для твердых отходов
1-лесозащитные полосы; 2-промежуточный изолирующий слой; 3-отходы; 4-укрывающий наружный слой растительного грунта; 5-естественное или искусственное водоупорное основание (глина)
Рис.24 Примеры горизонтальной планировки полигонов
а-при соотношении длины и ширины менее 1:2; б-то же, более 1:3;
1-подъездная дорога; 2-хозяйственная зона; 3-нагорная канава; 4-забор; 5-зеленая зона; 6-грунт для изолирующих слоев; 7-площадки складирования отходов I,II и III очереди эксплуатации.
Рис.25 Ситуационный план хозяйственной зоны и моечной площадки полигона длительной эксплуатации (стрелками показано движение мусоровозов)
1-подъездная дорога; 2-забор полигона; 3-площадка складирования сборно-разборных элементов временных дорог; 4-трансформаторная подстанция; 5-производственно-бытовое здание; 6-окно диспетчера; 7-транспортный поток прибывающих мусоровозов; 8-то же, убывающих мусоровозов; 9-ворота полигона; 10-грязеотстойник; 11-площадка для мойки контейнеров; 12-противопожарный резервуар; 13-навес (помещение) для машин и механизмов; 14-ворота хозяйственной зоны; 15-ограда хозяйственной зоны; 16-склад ГСМ.
Для размещения полигонов твердых отходов можно использовать овраги и другие неудобные земли. При этом планировка и организация (порядок) загрузки полигонов отходами определяются конкретными (местными) условиями.
Участки под полигоны отводят на значительном расстоянии от других зданий и сооружений, поэтому на них необходимы бытовые помещения для эксплуатационного персонала и оборудование для простейших работ по обслуживанию техники (рис. 49). В составе хозяйственной зоны, где располагаются эти помещения и оборудование, проектируют производственно-бытовое здание, навес или гараж для машин и механизмов, склад горюче-смазочных материалов (ГСМ), трансформаторную подстанцию, площадку для складирования сборных плит для временных дорог. Степень капитальности этих сооружений зависит от мощности полигона и расчетного срока его эксплуатации.
После полной загрузки полигона и закрытия его растительным грунтом поверхность последнего можно использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и пр.
В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых промышленных отходах, находящихся в насыпях полигона, возникает анаэробный процесс, при этом выделяется биогаз (смесь метана и углекислого газа), который при определенных условиях можно использовать как топливо. Такой опыт имеется в Венгрии, где при высоте засыпки отходов 7 м. этот газ отбирают с помощью отсасывающих труб. Дополнительные устройства, связанные с этим, как показал опыт, в течение года окупаются многократно. Рассматриваемые полигоны твердых отходов предназначены в основном для отходов бытового происхождения, однако проведенными исследованиями установлено, что часть промышленных отходов (по номенклатуре более 10 тыс. видов) может быть принята при определенных условиях на полигоны твердых бытовых отходов для совместного захоронения. Определяется это гигиенической классификацией неутилизированных отходов (табл. 6).
Переработка твердых отходов на компост является более совершенным приемом их обезвреживания и использования. Применяют полевое компостирование, кроме того, отходы перерабатывают на специальных заводах. Наиболее совершенным сейчас считается непрерывный процесс компостирования с аэробным окислением органических отходов во вращающемся наклонном барабане ферметере .
Рис.26 Схема непрерывного процесса компостирования с аэробным окислением органических отходов во вращающемся наклонном барабане.
1—грейфер с двухчелюстным ковшом; 2 — контейнерный мусоровоз; 3 — приемный бункер; 4 — дозирующий бункер; 5 — пластинчатый питатель; 6 — магнитный сепаратор; 7 — бункер металлолома; 8 — ракетирующий пресс; 9— рольганг: 10 — магнитная шайба для погрузки пакетов металлолома; 11 — ферментатор—вращающийся барабан; 12—аэрирующий вентилятор-наездник; 13 — прицеп для сбора отходов с грохота: 14 — грохот; 15 — измельчитесь компоста: 16—штабеля компоста и биотоплива; 17 — вытяжной вентилятор;
18 — котельная
Выгруженный в приемный бункер мусор с помощью дозирующего бункера с пластинчатым питателем подается ровным слоем на транспортер, откуда магнитным сепаратором и вручную из него извлекают металлический лом. Частично освобожденная от металла масса поступает во вращающиеся барабаны, сделанные на основе обжиговых цементных печей. В них происходит процесс переработки мусора в органическое удобрение— компост. Барабан (диаметром 4м и длиной 60м) заполняется массой на 2/3 объема (частота вращения его 1— 1/3 об/мин). Для окисления специальным вентилятором подается воздух. Отходы находятся в барабане трое суток, за это время он делает до 2000 оборотов. Процесс происходит с выделением тепла, вследствие чего компостируемая масса обезвреживается, а бумажная масса и пищевые отходы измельчаются в частицы размером 1— 2 мм. После дополнительной сепарации металла масса попадает на грохот для отделения не компостируемых отходов: резины, кожи, текстиля, а также дерева, цветного металла и полимерных материалов, которые составляют пятую часть массы перерабатываемых отходов.
В процессе окисления отходов в барабане происходит выделение газообразных продуктов распада (в основном диоксида углерода) и некоторых дурнопахнущих веществ, которые отводятся в топку котельной.
Компостируемый материал из грохота поступает в измельчитель, размер частиц доводится до 25 мм (стекла как наиболее хрупкого компонента—до 3 мм). В таком виде компост можно использовать в сельском хозяйстве. В нем (в расчете на сухое вещество) содержится около 1 % азота и по 0,3 % фосфора и калия, а также необходимые для подкормки растений микроэлементы. Внесение компоста в почву улучшает ее структуру. Некомпостируемая часть отходов после удаления из нее ценных компонентов, в частности цветных металлов, отвозится на свалку. Отсеянные некомпостируемые части отходов могут также направляться на установку по термической переработке.
Технологической схемой этой установки предусматривается подача некомпостируемых бытовых отходов в бункер-накопитель, из которого материал направляется в загрузочную воронку сушильного барабана. После сушки отходы поступают в печь пиролиза, в которой без доступа воздуха происходит их термическое разложение. В результате этого процесса получается парогазовая смесь и твердый углеродистый остаток—пирокарбон. Из пиролизной печи пирокарбон поступает на охлаждение и дальнейшую обработку, а парогазовая смесь для охлаждения и разделения—в тепломеханическую часть установки.
Окончательными продуктами пиролиза являются пирокарбон, смола и газ. Пирокарбон используется в металлургической и других отраслях промышленности. Газ и смола могут быть использованы в качестве энергетического топлива. Мусороперерабатывающие заводы с непрерывным процессом компостирования имеются в Санкт-Петербурге, Владивостоке, Владимире, Пятигорске, Сочи, Мурманске, Ростове-на-Дону.
Санкт-Петербургский завод, например, принимает за год 105 тыс. т отходов, обслуживая более 400 тыс. горожан. Годовые затраты на его эксплуатацию (с амортизационными отчислениями) составляют 800 тыс. руб., из которых 600 тыс. руб. покрываются продажей компоста. За год завод возвращает народному хозяйству 1900 т черного металла. Обслуживают завод 146 человек.
Совместное обезвреживание и переработка твердых бытовых отходов и осадка сточных вод начато в последние годы.
Обработка твердых отходов
Обработку целесообразно проводить в местах образования отходов, что сокращает затраты на погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транспортировке и высвобождает транспортные средства.
Эффективность использования лома и отходов металла зависит от их качества. Загрязнение и засорение металлоотходов приводят к большим потерям при переработке, поэтому сбор, хранение и сдача их регламентируются специальными стандартами:
ГОСТ 2787—75* «Лом и отходы черных металлов. Шихтовые. Классификация и технические требования»; ГОСТ 1639—78* «Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Общие требования» и др.
Основные операции первичной обработки металлоотходов— сортировка, разделка и механическая обработка. Сортировка заключается в разделении лома и отходов по видам металлов. Разделка лома состоит в удалении неметаллических включений. Механическая обработка включает рубку, резку, пакетирование и брикетирование на прессах.
Пакетирование отходов организуется на предприятиях, на которых образуется 50 т и более высечки и обрезков в месяц. Каждая партия должна сопровождаться удостоверением о взрывобезопасности и безвредности. Стружку перерабатывают на пакетирующих прессах, стружкодробилках, брикетировочных прессах. Брикетированию (окускование механическим уплотнением на прессах, под молотком и других механизмах) подвергается сухая и неокисленная стружка одного вида, не содержащая посторонних примесей с длиной элемента до 40 мм для стальной и 20 мм для чугунной стружки. Прессование вьюнообразной стружки целесообразно проводить в отожженном состоянии, так как при этом отпадает необходимость выполнения таких подготовительных операций, как дробление, обезжиривание, отбор обтирочных материалов и мелких кусков металла.
На предприятиях, где образуется большое количество металлоотходов, организуются специальные цехи (участки) для утилизации вторичных металлов. Чистые однородные отходы с паспортом удостоверяющим их химический состав, используют без предварительного металлургического передела.
Отходы древесины широко используют для изготовления товаров культурно-бытового назначения и. хозяйственного обихода, изготовляемых главным образом методом прессования. Кроме того, переработанные древесные отходы применяются в производстве древесностружечных плит, корпусов, различных приборов т. п.
На большинстве промышленных предприятий пластмассы и древесные отходы входят в состав промышленного мусора предприятий, при этом разделение мусора на отдельные его компоненты оказывается экономически нецелесообразным. В настоящее время разработаны и внедрены в промышленном масштабе технологии обработки, утилизации и ликвидации промышленного мусора. Качественный и количественный состав промышленного мусора любого предприятия примерно стабилен в течение года, поэтому технология переработки мусора разрабатывается применительно к конкретному предприятию и определяется составом и количеством промышленного мусора, образующегося на территории.
Переработку промышленных отходов производят на специальных полигонах, создаваемых в соответствии с требованиями СНиП 2.01.28—85 и предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов пропиленных предприятий, НИИ и учреждений. Приему на полигоны подлежат: мышьяксодержащие неорганические твердые отходы и шламы; ртутьсодержащие отходы; циансодержащие сточные воды и шламы; отходы, содержащие свинец, цинк, олово, кадмий, никель, сурьму, висмут, кобальт и их соединения; отходы гальванического производства, использованные органические растворители; органические горючие (обтирочные материалы, ветошь, твердые смолы, обрезки пластмасс, оргстекла, остатки лакокрасочных материалов, загрязненные опилки, деревянная тара, промасленная бумага и упаковка, жидкие нефтепродукты, не подлежащие регенерации, масла, загрязненные бензин, керосин, нефть, мазут, растворители, эмали, краски, лаки, смолы); неисправные ртутные дуговые и люминесцентные лампы; формовочная земля; песок, загрязненный нефтепродуктами; испорченные баллоны с остатками веществ и др. Жидкие токсичные отходы перед возом на полигон должны быть обезвожены на предприятиях. 'Приему на полигон не подлежат: отходы, для которых разработаны эффективные методы извлечения металлов и других веществ; нефтепродукты, подлежащие регенерации; радиоактивные оды.
Переработка отходов на полигонах предусматривает использование физико-химических методов; термическое обезвреживание утилизацией теплоты, демеркуризацию ламп с утилизацией ртути и других ценных металлов, прокаливание песка и формовочной земли, подрыв баллонов в специальной камере, затаривание отходов в герметичные контейнеры и их захоронение.
Полигоны должны иметь санитарно-защитные зоны: завод по обезвреживанию токсичных отходов мощностью 100 тыс. т и более отходов в год— 1000м; завод мощностью менее 100 тыс. т в год—500 м; участок захоронения токсичных отходов—не менее 3000 м.
Нормирование химического загрязнения почв устанавливается по предельно допустимым концентрациям (ПДКп,). По своей величине ПДКп значительно отличается от принятых допустимых концентраций для воды и воздуха. Это отличие объясняется тем, что поступление вредных веществ в организм непосредственно из почвы происходит в исключительных случаях и в незначительных количествах. В основном через контактирующие с почвой среды (воздух, вода, растения).
ПДКп — это концентрация химического вещества в мг на кг почвы в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. Регламентирование загрязнения осуществляется в соответствии со списками № 2264-80 от 30.10.80;