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
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Мозырский государственный педагогический университет им. И.П. Шамякина»
ЭКОЛОГИЯ
СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Курс лекций
Министерство образования Республики Беларусь
Кафедра биологии
ЭКОЛОГИЯ
СОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Курс лекций
Пособие для студентов, обучающихся по специальности
«Биология. Охрана природы»
УДК 502. 174 (076.8)
ББК 20.1 я 73
Э40
Автор-составитель: Л.В. Старшикова, кандидат биологических наук,
доцент кафедры биологии
УО « МГПУ им. И.П. Шамякина»
Рецензенты:
Кандидат технических наук,
Кандидат биологических наук,
зав. кафедрой экологии Гомельского университета им. Ф. Скорины
А.В. Кусенков
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Учреждения образования «Мозырский государственный педагогический университет им. И.П. Шамякина»
Э40 Экология современного производства. Краткий курс лекций: Пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология. Охрана природы» / Авт.-сост. Л.В. Старшикова – Мозырь: УО МГПУ, 2009. – 127 с.
Курс лекций составлен в соответствии с программой обучения студентов по специальности «Биология, охрана природы». Автором представлены основные понятия и термины технологии и технологических процессов, изложены технологические схемы основных производственных процессов нефтехимии, неорганического и органического синтеза, удобрений, биотехнологических производств. Основное внимание уделено рассмотрению вопросов экологизации указанных производственных процессов, принципам и методам очистке газовоздушных выбросов, сточных вод и твердых отходов, экологизации энергосберегающих технологий, созданию мало- и безотходных производственных процессов.
УДК 502. 174 (076.8)
Общая характеристика экологической ситуации.
Предмет, методы и задачи промышленной (инженерной) экологии
В одном из прогнозов грядущих научных открытий первых двух десятилетий 21 века, сделанных известным немецким ученым-физиком Хариольфом Группом, путем опроса 900 ученых, экономистов и других специалистов в различных областях знаний, приводятся следующие данные, касающиеся решения экологических проблем:
Таким образом, даже этот небольшой экскурс в недалекое будущее свидетельствует о приоритете решения экологических проблем в области транспорта, строительства, энергетики. Известно, что развитие производственных процессов немыслимо без использования природных благ (ресурсов): воздуха, воды, нефти, угля, различных руд и т.д. По мере развития общества, науки, техники происходит все более активное вовлечение природных ресурсов в хозяйственную деятельность людей. Анализ сложившейся экологической ситуации позволяет сделать вывод о том, что неуклонный рост численности населения и масштабов индустриального производства на нашей планете при фиксированных масштабах и объемах ее биосферы обусловили в настоящее время теснейшую взаимозависимость между здоровой социально-экономической жизнью общества и состоянием окружающей природной среды. Эта зависимость проявляется, главным образом, в том, что рост благосостояния общества зависит от темпов и эффективности экономического развития. Масштабы и уровень использования природных ресурсов оказывают решающее влияние на темпы и эффективность экономического развития общества, в то же время нормальные экологические условия, здоровая экологическая среда зависят от того, насколько рационально и научно обоснованно происходит индустриальное воздействие общества на природу. Усиление отрицательных воздействий технического прогресса на окружающую природную среду связывают с быстрым возрастанием масштабов производства, с расширением сферы вмешательства человека в естественные процессы, протекающие в биосфере. Однако, более глубокий анализ показывает, что антропогенная деятельность создает негативные последствия за счет качественных различий кругооборота вещества в искусственных эколого-экономических (хозяйственных) системах по сравнению с естественными. В естественных экологических системах кругооборот вещества достаточно замкнут, в них растительная масса, поэтапно трансформируясь в трофических цепях, в конце цикла становится пригодной для питания растений. В хозяйственных системах утилизируется лишь незначительная часть природного вещества, а большая его часть возвращается в биосферу, причем уже на качественно другом уровне, наделенная в процессе производства новыми, как правило, вредоносными физико-химическими свойствами. Именно эта неутилизируемая часть вещества и образует «пресс», давящий на природу. Следовательно, основная причина отрицательного воздействия производства на окружающую среду состоит не столько в росте масштабов производства, сколько в характере его технологии.
Самый мощный средообразующий фактор в современном мире – это деятельность человеческого общества. В погоне за максимальной отдачей вкладываемых средств люди не придают значения последствиям, которые могут возникнуть при этом, или просто не предвидят их. Экономические, социальные, технологические и биологические процессы в окружающем человека мире ныне столь тесно связаны и взаимозависимы, что возникла объективная необходимость рассматривать современное производство (предприятие) как функционирование сложной эколого-экономической системы, не противопоставляющей экономическую и природную системы друг другу. Современное производство, если оно целенаправлено и планомерно организовано, может и должно не только использовать, но и воспроизводить природные ресурсы. Для осуществления крупных природоохранных и природовоспроизводящих проектов нужны крупные средства, которые могут быть выделены на эти цели только при наличии мощного экономического потенциала. Поэтому речь должна идти не об ограничении темпов экономического развития, а о сохранении высоких темпов экономического развития без ущерба для окружающей природной среды. Нам важно понять, каким требованиям должно отвечать современное производство, транспорт в современном обществе устойчивого развития, а также круг возникающих проблем и пути их решения. Следует напомнить, что общество устойчивого развития представляет собой отлаженную систему взаимодействия экономической и экологической сфер, когда воздействие человека на окружающую среду остается в пределах хозяйственной емкости биосферы и неразрушающей природной основы для воспроизводства человеческой жизни. Круг решения экологически значимых параметров в таком обществе включает изучение характеристик экологической безопасности предприятий, уменьшение и исключение загрязнения окружающей среды.
Загрязнением называют привнесение в какую-либо среду или возникновение в ней новых, нехарактерных для нее физических, химических или биологических веществ, агентов или превышение в рассматриваемое время естественного, средне-многолетнего уровня концентрации перечисленных агентов в среде в количествах, вызывающих вредное воздействие на человека, флору и фауну. Следует выделить два принципиально различных пути борьбы с загрязнениями:
Первый способ, который некоторые экологи называют перемещением вредных начал в пространстве, широко используется в настоящее время, однако, не дает кардинального решения проблемы, так как не всегда удается полностью прекратить поступление вредных веществ в биосферу. В процессе очистки один вид веществ, загрязняющих среду, превращается в другой – возникают проблемы утилизации других видов загрязнений, очистные сооружения требуют больших капитальных вложений и работают, в основном, с низкой эффективностью. Также распространено складирование на полигонах и дампинг (утопление в морях) твердых химических и радиоактивных отходов открытым способом или в упаковке. В слаборазвитых странах распространен метод строительства предприятий, технологическая схема которых не имеет достаточной очистки отходов или вовсе фирмы не предусматривают их эксплуатацию. Таким образом, указанный путь способствует «экспорту» опасных веществ по всему земному шару.
Второй путь более радикален и экономичен. Смысл его состоит в том, чтобы технологические процессы в максимальной степени имитировали природные, позволяющие утилизировать все вредные для биосферы вещества. Эти вещества должны не выбрасываться в окружающую среду, а использоваться в виде вторичного сырья для промышленности, например, получение биогаза из активного ила очистных сооружений, переработка мусора в компост или его сжигание с получением полезной энергии, использование макулатуры, металлолома. Таким образом, этот путь предусматривает более экологически приемлемые меры устранения отходов, а именно их сортировку и повторное использование, и по большому счету – рециклинг ресурсов. Проблема рециклинга ресурсов является не только экологической, но и экономической, так как позволяет экономить сырье, топливо и другие ценные и дорогостоящие материалы. Таким образом, важность проблемы защиты окружающей среды от загрязнения требует принятия неотложных мер по совершенствованию технологических процессов современных производств в отношении количества отходов и их использования в виде вторичных ресурсов.
К неотложным прикладным задачам современной экологии относятся:
Поэтому необходимо формирование такой науки, которая позволила бы согласовывать интересы современного общества с поддержанием оптимальной природной среды. Этого можно достигнуть при тесной взаимосвязи экологических проблем с экономическими, технологическими, медико-гигиеническими и политическими областями, т.е. при разработке синтетических направлений на стыке экологии с другими отраслями знаний. Такими направлениями являются экологическая диагностика, токсикология, экологическая экспертиза текущего и планируемого природопользования, экологический мониторинг, экологическая инженерия и системотехника. Междисциплинарной наукой является антропогенная экология, базирующаяся на комплексе «экологизированных» фундаментальных наук и прикладных дисциплин, решающих проблемы рационального взаимодействия общества и природы. Целью нашего курса является изучение экологии современного производства, раздела инженерной экологии – прикладной дисциплины, представляющей собой систему обоснованных инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества окружающей среды, здоровья работающих людей и населения. При этом необходимо рассматривать источники и классификацию загрязнений атмосферы, гидросферы, литосферы; методы и инженерные решения уменьшения или полного устранения этих загрязнений; технологические приемы очистки воздушных выбросов, содержащих вредные примеси; технологические приемы и инженерное оформление очистки сточных вод; пути снижения акустических нагрузок и электромагнитных излучений на окружающую среду. Успешное развитие фундаментальных и прикладных экологических исследований возможно только в случае организации имеющейся и поступающей информации в виде компьютеризованных информационных систем и банков данных. Одной из важных экологических проблем является разработка научно обоснованных мероприятий по биологической очистке среды. Таким образом, в процессе производственной деятельности человека возникла экологическая система нового уровня – промышленное предприятие, включающее в себя материальные, энергетические и людские ресурсы, занятые в производственном процессе. Составляющими данных экосистем являются человек, производственный объект и окружающая среда. Подобные системы имеют свои особенности: неадекватность поведения естественных и искусственных объектов, многомерность протекающих в системе процессов. Подобно естественным экосистемам, которые представлены как микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд), макроэкосистемы (океан, континент), экосистемы «человек – производственный объект – окружающая среда», могут быть трех уровней: глобальные (крупный промышленный регион), региональные (любое промышленное предприятие), локальные (цех, производственное помещение, рабочее место). Таким образом, предметом исследования инженерной экологии является взаимодействие технологических и природных процессов в промышленно-природных экологических системах «человек – производственный объект – окружающая среда» различных уровней. Для разработки технических методов защиты, как человека, так и окружающей среды, некоторыми авторами (Медведев В.Т.) вводится обобщенное понятие антропогенный производственный фактор (АПФ) – фактор, способный вызвать негативные изменения здоровья человека, непосредственно занятого в производственном процессе, и антропогенные изменения окружающей среды, подверженной воздействию данного производственного процесса. Природа АПФ определяется физическими, химическими, биологическими, психофизиологическими свойствами. По действию АПФ на живой организм они определяются следующим образом:
Выявление и анализ антропогенных производственных факторов, разработка комплекса способов и средств, позволяющих достигнуть гармонизации взаимодействия человека с окружающей средой, являются по существу инженерно-экологическим обеспечением производственного процесса.
Приведем еще одно определение промышленной (инженерной) экологии (Иванов Н.И. с соавторами) – это область знаний, изучающая воздействие промышленности и транспорта от отдельного предприятия и транспортного средства до техносферы в целом на окружающую среду в целях ее охраны, а также обеспечение рационального природопользования и экологической безопасности населения. Методической основой курса экологии современного производства является научный анализ экологической характеристики современных промышленных процессов: технологии, аппаратурного оформления, сырьевых и вспомогательных материалов, их воздействия на окружающую среду, а также возможного взаимодействия и влияния на человека на всех этих уровнях. Роль промышленной экологии как науки и курса экологии современного производства, одного из разделов этой науки, весьма важна, с точки зрения разработки стратегии и тактики перехода от насыщенной загрязнениями техносферы к преобразованной человеческой мыслью ноосфере.
Техносфера представляет собой совокупность искусственных объектов, созданных целенаправленной деятельностью человека, и природных объектов, измененных этой деятельностью. Техносфера является составной частью ноосферы, построение которой должно стать основной целью мирового сообщества. Поскольку система «человек – окружающая среда» замкнутая, любое нарушение баланса в ней может привести к катастрофическим последствиям. Например, в процессе эволюции в природе сложился тепловой баланс, определяемый аккумулированием энергии в органических соединениях и рассеянием ее в виде тепла. Автотрофные организмы – растения трансформируют солнечную энергию в органические вещества, в отличие от этого процесса человек сжигает органические вещества и получает тепло, т. е. переводит запасенную энергию в тепло. При добыче органических ресурсов человек разрушает почвенный покров, нарушает биологический почвенный комплекс, что способствует деградации почв. Нами уже было отмечено, что природные ресурсы используются человеком крайне неэффективно. Следовательно, основная причина отрицательного воздействия производства на окружающую среду состоит не столько в росте масштабов производства, сколько в характере его технологии. Самый мощный средообразующий фактор в современном мире – это деятельность человеческого общества. В погоне за максимальной отдачей вкладываемых средств люди не придают значения последствиям, которые могут возникнуть при этом, или просто не предвидят их. Особенно интенсивным было развитие экономики в последние 50 лет, когда возникла «пропасть между экономистами и экологами» в их восприятии реалий. По этому поводу Л. Браун (2003) писал: «Экономисты смотрят на беспрецедентный рост мировой экономики, торговли и капиталовложений и полагают, что так будет продолжаться и дальше. Они с обоснованной, как им кажется, гордостью замечают, что масштабы мировой экономики выросли в 7 раз: стоимость товаров и услуг, произведенных в мире, в 1950 г. составляла 6 трлн долл., а в 2000 г. – уже 43 трлн, что позволило поднять уровень жизни на высоту, о которой прежде и не мечтали. Экологи смотрят на тот же рост и понимают, что он является результатом сжигания огромного количества ископаемого топлива, цена на которое искусственно занижена, и что этот процесс ведет к дестабилизации климата на планете. А в будущем они предвидят усиление жары, все более разрушительные шторма, таяние ледников в горах, а также подъем уровня Мирового океана, в результате чего сократиться поверхность суши, в то время как население планеты продолжает расти. Экономисты видят показатели экономического процветания, а экологи озабочены последствиями, которые влечет за собой экономика, изменяющая климат планеты. Теми последствиями, которые пока нельзя предвидеть». По данным съемок из космоса, на суше сохранилось менее 30% земель, не вовлеченных в техносферу. Этот показатель существенно различается на разных материках, в % : Европа – 15,6 ненарушенных территорий, Африка – 48,9, Антарктида – 100,0, вся суша – 51,9, вся суша без учета ледяных, скальных и оголенных поверхностей 27. Современное состояние биосферы в первую очередь зависит от восьми стран – «экологических тяжеловесов» (Э – 8), которые объединяют более 50% населения Земли, мирового экономического производства, выброса углерода, лесного хозяйства и биоразнообразия. Э – 8 – это США, Россия, Япония, Германия, Китай, Индия, Индонезия и Бразилия (по Флейвин, 1998) На эти страны приходится, в долях %: 56 в мировом населении; 59 в мировом валовом продукте; 58 в выбросе углерода, 53 в мировых запасах леса. Но внутри этого списка имеются большие различия. На долю США приходится (в выше приведенном порядке) 5, 26, 23 и 6, на долю России – 3, 2, 7, 21, доля Китая – 21, 2, 13, 4, 0,3 – соответственно. Самые значительные запасы леса в России и Бразилии, большее количество населения в Китае и Индии – 21 и 13, соответственно. Можно сказать, что человек с целью обеспечения своему виду максимального выживания был вынужден пойти по пути техногенного развития, который давал ему неоспоримые преимущества перед любым другим видом живых организмов. Такой путь выбран человеком благодаря высокой степени организации его нервной системы, и прежде всего головного мозга. Степень воздействия человеческой деятельности на природные комплексы возрастает с каждым десятилетием. Для преобразованного человеческой деятельностью мира предложен термин техносфера, которая может быть определена как область проявления технической деятельности человека. Особенностью техносферы является то, что область жизни в ней постоянно подвергается разнообразным и порой чрезвычайным по мощности залповым воздействиям. В начале эволюции техносферы эти воздействия были направлены практически полностью на живое вещество с целью максимально возможного обеспечения человека пищевыми ресурсами, т.е. человек как бы навязывал отдельным видам особый техногенный ритм жизнедеятельности. В результате многие виды животных и растений попросту исчезли, выпали из продолжающейся эволюции биосферы. С момента перехода к искусственному воспроизведению пищевых ресурсов (скотоводство и земледелие) человек начал вовлекать в сферу своих экономических интересов другие природные ресурсы – полезные ископаемые, воду и пр. С каждым десятилетием интенсивность хозяйственной деятельности ускоряется. В результате этого биосфера не только изменилась, она изменила свою пространственно-временную структуру и энергетическую сущность, превратившись в область активной технической деятельности, или в техносферу. Однако в связи с нарушением эволюционно выработанного равновесия, выпадением части звеньев, ускорением всех процессов техносфера как система весьма уязвима и крайне неустойчива. Пример тому – глобальные катастрофы, обрушивающиеся на планету в последние десятилетия, лавинообразное исчезновение видов растений и животных (например, в последнее время тараканов, мух, комаров; в зоопарках теперь есть разделы демонстрирующие этих животных, в том числе, блох, вшей), нарастание количества патогенных мутаций, вызывающих и провоцирующих совершенно чуждые человеку заболевания, и т.д. Кроме того, в техносфере появился новый, не свойственный биосфере элемент – техномасса, техновещество. Техновещество соотносится с биовеществом следующим образом:
Биовещество, т/год Техновещество, т/год
(на суше) (на суше)
Биомасса 1012 Техномасса – 1013 – 1014
Биопродукция – 10 11 Технопродукция – 10 11 – 1012
Техновещество обладает огромной геологической активностью и очень быстро изменяет облик планеты. В некоторых крупных промышленных регионах вырабатывается такое количество энергии, что оно практически соизмеримо с интенсивностью потока солнечной энергии. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика энергетической мощности биосферы и техносферы.
Таблица 1 – Сравнительная характеристика энергетической мощности биосферы и техносферы
|
Район |
Техногенная энергия эрг/с х см2 |
Солнечная радиация эрг/с х см2 |
|
Аляска (США) |
18,6 х 103 |
18,1 х 103 |
|
Рурская область (Германия) |
10,3 х 103 |
50,4 х 103 |
|
Лос-Андежелес (США) |
21,2 х 103 |
108,8 х 103 |
|
Манхаттан (Нью-Йорк) |
630,0 х 103 |
93,7 х 103 |
Следует помнить о принципиальном различии между солнечной и техногенной энергией. Солнечная радиация поступает к нам из «дарового» источника, техногенная – появляется при уничтожении невосполнимых форм энергии, накопленных экосистемами на протяжении всего времени существования планеты. Техновещество расходует потенциальную энергию ныне существующей биосферы примерно в 10 раз быстрее, чем она может быть аккумулирована всем современным живым веществом. Поэтому разрушительная функция техновещества намного превосходит все его созидательные качества. Техносфера, созданная человеком с целью максимального удовлетворения его потребностей, сделала жизнь человеческой цивилизации значительно комфортнее, однако она стала основной угрозой человеку как живому виду. Наступил момент выбора: либо человечество посредством того же техновещества предпримет попытку возродить естественную биосферу, либо будет уничтожено в результате жизнедеятельности техносферы. Все что связано с производственной деятельностью человека, (перестройка биосферы и создание новой планетной оболочки – техносферы) называют техногенезом. Антропогенные факторы воздействия на окружающую среду являются результатами техногенеза. Созданные в процессе техногенеза или возникшие как побочный результат искусственные (техногенные вещества, включая вышедшую из строя технику и оказывающие определенные воздействия на среду обитания организмов) называются техногенной продукцией. Техногенез, являясь антропогенным фактором, различается по объему воздействия на атмосферу, гидросферу, литосферу. Техногенез классифицируется по свойствам и по масштабам воздействия – на локальный, региональный, глобальный; по характеру – на прямой и косвенный; по продолжительности воздействия – на кратковременный, долговременный, постоянный. Действующие факторы техногенеза классифицируются по агрегатному состоянию – жидкие, газообразные, твердые; по интенсивности воздействия и по общепринятой классификации – физические, химические, биологические и психофизические. Именно психофизические факторы служат оценкой степени воздействия промышленных загрязнений, шума, энергоизлучений по их количеству, механизму воздействия. Поскольку система «человек – окружающая среда» замкнутая, любое нарушение баланса в ней может привести к катастрофическим последствиям. Например, в процессе эволюции в природе сложился тепловой баланс, определяемый аккумулированием энергии в органических соединениях и рассеянием ее в виде тепла. Автотрофные организмы – растения трансформируют солнечную энергию в органические вещества, в отличие от этого процесса человек сжигает органические вещества и получает тепло, т. е. переводит запасенную энергию в тепло. При добыче органических ресурсов человек разрушает почвенный покров, нарушает биологический почвенный комплекс, что способствует деградации почв.
Экономические, социальные, технологические и биологические процессы в окружающем человека мире ныне столь тесно связаны и взаимозависимы, что возникла объективная необходимость рассматривать современное производство (предприятие) как функционирование сложной эколого-экономической системы, не противопоставляющей экономическую и природную системы друг другу. В этих системах существует прямая и обратная зависимости. Современное производство, если оно целенаправленно и планомерно организовано может и должно не только использовать, но воспроизводить природные ресурсы. Под этим понимается воссоздание лесных насаждений, использование вторичных ресурсов, т.е. отходов производства, очистка сточных вод, рекультивация земель и т.д. Для осуществления крупных природоохранных и проиродовоспроизводящих проектов нужны крупные средства, которые могут быть выделены на эти цели только при наличии мощного экономического потенциала. Поэтому речь должна идти не об ограничении темпов экономического развития, а о сохранении высоких темпов экономического развития без ущерба для окружающей природной среды. В связи с этим необходимо формирование такой науки, которая позволила бы согласовывать интересы современного общества с поддержанием оптимальной природной среды. Этого можно достигнуть при тесной взаимосвязи экологических проблем с экономическими, технологическими, медико-гигиеническими и политическими областями, т.е. при разработке синтетических направлений на стыке экологии с другими отраслями знаний. Такими направлениями являются экологическая диагностика, токсикология, экологическая экспертиза текущего и планируемого природопользования, экологический мониторинг, экологическая инженерия и системотехника. Междисциплинарной наукой является антропогенная экология, базирующаяся на комплексе «экологизированных» фундаментальных наук и прикладных дисциплин, решающих проблемы рационального взаимодействия общества и природы.
Целью нашего курса является изучение экологии современного производства, раздела инженерной экологии – прикладной дисциплины, представляющей систему обоснованных инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества окружающей среды, здоровья работающих людей и населения. При этом следует рассматривать источники и классификацию загрязнений атмосферы, гидросферы, литосферы; методы и инженерные решения уменьшения или полного устранения этих загрязнений; технологические приемы очистки воздушных выбросов, содержащих вредные примеси; технологические приемы и инженерное оформление очистки сточных вод; пути снижения акустических нагрузок и электромагнитных излучений на окружающую среду. Успешное развитие фундаментальных и прикладных экологических исследований возможно только в случае организации имеющейся и поступающей информации в виде компьютеризованных информационных систем и банков данных. Одной из важных экологических проблем является разработка научно обоснованных мероприятий по биологической очистке среды, анализ антропогенных производственных факторов, разработка комплекса способов и средств, позволяющих достигнуть гармонизации взаимодействия человека с окружающей средой, являются по существу инженерно-экологическим обеспечением производственного процесса.
Итак, промышленная (инженерная) экология – это область знаний, изучающая воздействие промышленности и транспорта от отдельного предприятия и транспортного средства до техносферы в целом на окружающую среду в целях её охраны, а также обеспечения рационального природопользования и экологической безопасности населения.
Вопросы для самоподготовки
1. Дайте характеристику современного состояния окружающей среды.
2. Перечислите особенности природных и промышленных экосистем.
3. Что такое техносфера и техногенез.
4. Техновещество и его экологическая характеристика.
5. Дайте определение промышленной экологии как науки.
6. Расшифруйте понятие – экологизация промышленных процессов.
Тема 2
Понятие о ресурсном цикле, технологии и технологическом процессе. Общие принципы организации промышленных предприятий
Человечество как биологический вид и социальная общность неразрывно связано с процессами, происходящими в окружающей среде и во все возрастающих масштабах черпает из нее ресурсы, загрязняет отходами, продуктами жизнедеятельности.
Любое промышленное производство связано с использованием природных ресурсов: воды, полезных ископаемых, почвы, воздуха. Еще в древности ученые обращали внимание на правильные взаимоотношения человека и природы. Так, например, Эпикур писал: «Нельзя насиловать Природу, следует повиноваться ей, необходимые желания исполнять, а также естественные, если они не вредят, а вредные сурово подавляя». Через два тысячелетия мы действовали под другим лозунгом (научным направлением): «Нам нельзя ждать милостей от природы. Взять их у нее – наша задача!». В 50-х годах прошлого столетия биологическое направление в развитии экологии перестает быть господствующим. Когда стало понятно, какой вред окружающей среде приносит неконтролируемое развитие крупной промышленности, начали отрабатываться нормативы взаимодействия человека и окружающей среды, принципы инженерного подхода к защите природы. Начался «экологический бум», вызванный интенсивной промышленной деятельностью человека.
Таким образом, в натоящее время можно классифицировать основные процессы, возникающие при воздействии промышленности и транспорта на окружающую среду (Луканин В.Н.):
– ландшафтные нарушения.
Индустриализация – процесс создания крупного машинного производства во всех отраслях народного хозяйства стала отличительной чертой ушедшего века. С одной стороны она улучшила качество жизни людей, что привело к резкому увеличению народонаселения планеты, а с другой её следствием стало неконтролируемое использование природных ресурсов и загрязнение окружающей среды отходами хозяйственной деятельности человека. Наибольший вред окружающей среде наносят промышленные предприятия и автомобильный транспорт – неотемълемые атрибуты урбанизированных территорий.
Основу биосферной модели составляет теория устойчивости биосферы. В результате длительной эволюции, около четырех млрд. лет биосфера отрабатывала механизм автоматической стабилизации параметров окружающей среды. Как известно, стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, которое обеспечивает определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго. Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьёзными последствиями. В настоящее время на Земле появилась сила, по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступающая суммарному действию живых организмов. Эта сила – человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например атомную энергию), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов, руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влиящих на климат и т.д.). Превращение питательных веществ в биосфере имеет циклический характер. Все энергетические потоки и круговорот химических элементов сбалансированы как в масштабах всей биосферы, так и в отдельных её участках. Однако, рост народонаселения Земли, усилившееся воздействие производственной и хозяйственной деятельности человека на окружающую среду приводят не только к значительному перераспределению энергии превращения веществ, но и ко всё большему потреблению связанной энергии самим человеком. Последний фактор в одинаковой мере относится к потреблению как восполнимых так и невосполнимых природных ресуров. Урезанный предел устойчивости биосферы составляет один терраватт (1012 ватт). На производство полной продукции флоры и фауны затрачивается 100 терраватт солнечной энергии. Согласной этой модели, порог устойчивости биосферы – три млрд. человек населения Земли. В июле 1999 года на земном шаре появился шести миллиардный житель. Таким образом можно сказать, что вначале нынешнего столетия устойчивость биосферы была утеряна. Сравнительная оценка разрушительного воздействия на биосферу различных стран показывает, что в этом случае играет роль не сама антропогенная нагрузка, а её плотность, т.е. нагрузка, которая приходится на на единицу площади страны (1 км2). Индекс антропогенной нагрузки на начало 90-х годов был в Японии – 15,8, Германии – 14,5, Великобритании – 12,7, Италии – 8,7, Франции – 5,3, Индии – 4,0, США – 2,8, Китае – 1, 9, России – 0,85, в мире (в целом) – 1,0. Таким образом, в разрушение биосферы наибольшую долю вносят высокоразвитые и густонаселенные страны мира. Существует проект согласно которому отдельные страны за пользование биосферой, представляющей человеку среду обитания со стабилизированным климатом, должны платить ренту, т.е. аналогично плате за жилплощадь, воду и другие условия жизни. Рента должна регламентировать взаимодействие природы и общества и будет мерой сдерживания дальнейшего разрушения биосферы. Средства от сбора ренты предполагается вносить в глобальный экологический фонд и использовать его для нужд сохранения девственной природы и на помощь странам, пострадавшим от стихийных бедствий. Целесообразно взимать ренту с тех стран, индекс антропогенной нагрузки у которых составляет больше единицы.
Резистентность – сопротивляемость, или гомеостаз биосферы, её целостность, обеспечиваются механизмом биологического круговорота и круговорота воды, действующих по принципу Ле Шателье – Брауна: при действии на систему сил, выводящих её из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабевает. Таким образом, биосфера – саморегулирующаяся система, для которой, по Вернадскому, характерна организованность: способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов свойств живого вещества. В настоящее время многие механизмы гомеостаза и принцип Ле Шателье – Брауна нарушаются из-за вмешательства человека. Результатом подобных возмущений является распад экосистем либо появление неустойчивых, практически лишенных свойств гомеостаза систем типа агроценозов или урбанизированных комплексов. В стадию глобального кризиса биосфера ещё повидимому не вступила, но отдельные крупные, региональные возмущения она уже гасить не в силах. Понятие экологический кризис впервые появилось в 1972 г. на страницах первого доклада Римского клуба “Пределы роста” (Римский клуб – авторитетная международная ассоциация ученых, занимающихся изучением глобальных проблем современности. Финансируется корпорациями Фиат и Вольксваген).
Приведем примеры ежегодных поступлений загрязняющих веществ в биосферу:
Нагрузка на биосферу складывается из четырех, связанных между собой, видов взаимодействия:
– биопотребления в виде пищи и древесины;
– энергопотребления всех видов хозяйственной деятельности (промышленность, сельское хозяйство, транспорт);
– возмущения (разрушение озонового слоя Земли, парниковый эффект, кислотные дожди, уничтожение тропических лесов, последствий аварий на атомных электростанциях и взрывов атомных бомб и т.д.)
– загрязнения.
В современных условиях кризисной для развития общества экологической ситуации, характеризующейся истощением и загрязнением природных ресурсов, следует остановиться на понятии комплексного использования природного ресурса. Для любого природного ресурса имеется определенный потенциал, который может быть вовлечен в производственный процесс. Степень комплексности использования природного ресурса, т.е. уровень его общей переработки, выражается в характере и размере отходов производства и потребления (Иванов Н.И. с соавт.). Мы уже говорили о природных ресурсных циклах, не создающих угрозы для биосферы, и подчеркивали влияние человека, его производственной деятельности на окружающую среду. Человек, вовлекая природные ресурсы в сферу своей деятельности, создает природно-техногенный ресурсный цикл – ПТРЦ. Этот цикл состоит из обмена веществом, энергией и информацией между природой и обществом, включает извлечение естественных богатств из природы, вовлечение их в хозяйственный оборот и возвращение природной субстанции в виде вторичного сырья в хозяйственный оборот или в виде неиспользуемых отходов в окружающую среду. Под ресурсным циклом (РЦ) вообще понимают обмен веществом, энергией и информацией между природными системами, а также природой и обществом. Для получения энергии, создания необходимой продукции человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный цикл. Цикличность процесса подразумевает замкнутость, подобно биогеохимическим циклам, обладающим свойством саморегуляции без вмешательства человека. Биогеохимический ресурсный цикл (БРЦ) – круговорот химических веществ между органической природой (растительные и животные организмы) и неорганической средой, который сложился на Земле за 3,5 млрд. лет в устойчивую, внутренне связанную трофическими и энергетическими связями систему. Природно-техногенный ресурсный цикл, который можно назвать «антропогенным круговоротом вещества», практически не является замкнутым. На каждой стадии этого цикла происходят потери, они неизбежны по субъективным или объективным причинам, а также в связи с особенностями технологии. Известно, что на всех этапах ресурсного цикла в окружающей среде рассеивается около 98% добываемого сырья. Однако потери представляют собой не сырье в природном его виде, а продукты природного ресурса, трансформированного в результате человеческой деятельности. Причем возврат видоизмененного сырья (т.е. потерь его) в природу происходит не в места его добычи, а в другие природные объекты, в соответствии с афоризмом «загрязненные среды – это природные ресурсы, оказавшиеся не на своем месте». Таким образом, можно сделать вывод об источниках и характере загрязнений окружающей среды, причиной которых и являются техногенные ресурсные циклы. В предыдущих лекциях мы с вами уже говорили о влиянии на биосферу деятельности человека с древних времен и в современном мире. Образно можно считать, что разрушающее влияние человека на окружающую среду началось с первого зажженного им костра, т.е. с того момента, когда человек научился извлекать огонь. Постепенно «пресс» человеческой деятельности на природу усиливался и достиг таких размеров, когда биологические природные циклы (БПРЦ) не в состоянии справится с потоком вредных веществ и эти вещества накапливаются в различных составляющих биосферы. Особенности биологических циклов состоят, в том, что они не оказывают отрицательного воздействия на природу, даже в отдаленной перспективе. Это связано с тем, что круговорот веществ в биосфере замкнут не полностью. После разрушения и смерти живых организмов, большая часть, составляющих их химических элементов 90 – 98 % вновь возвращается в состав живого вещества, а оставшаяся часть надолго выходит из жизненного цикла и депонируется в виде залежей угля, нефти, горючих сланцев. Необходимо заключить, что все вещества (загрязнители), выделяемые в процессе жизнедеятельности во внешнюю среду, вовлекаются в природный, естественный, биогеологический круговорот. Таким образом, в естественных биогеоценозах происходит биологическая очистка среды. Усиление отрицательных воздействий технического прогресса на окружающую природную среду, как правило, связывают с быстрым ростом масштабов производства, с расширением сферы вмешательства человека в естественные процессы, протекающие в биосфере. Анализ превращений веществ в эколого-экономических (хозяйственных) системах показывает их существенные различия от естественных. В хозяйственных системах утилизируется лишь незначительная часть природного вещества, большая его часть 90 – 98 % возвращается в биосферу, причем уже на качественно другом уровне, наделенная в процессе производства новыми, как правило, вредоносными физико-химическими свойствами. Причем возврат видоизменнего сырья (т.е. потерь его) в природу происходит не в места его добычи, а в другие природные объекты, в соответствии с афоризмом «загрязнение среды – это природные ресурсы, оказавшиеся не на своем месте». Таким образом, можно сделать вывод об источниках и характере загрязнений окружающей среды, причиной которых и являются техногенные ресурсные циклы, в результате деятельности которых не происходит очистки вредных веществ, практически они накапливаются и образуют пресс, давящий на окружающую среду.
Биосфера превратилась в техносферу, в которой превалирующим является не биовещество, а техновещество, техномасса, технопродукция, по энергонасыщенности, превышающая биовещество. Технический прогресс и развитие цивилизации, представленные индустриализацией, ростом потребления, урбанизацией, ростом народонаселения являются причиной и источниками таких явлений которые представлены на схеме 43. Это – вредные выбросы промышленных предприятий, сточные воды, твердые бытовые и промышленные отходы, радиоактивное загрязнение, шум, увеличение энергопотребления, потери тепла, сокращение площадей лесов, изменение ландшафтов (обводнения или засухи), снижение видового разнообразия, ухудшение генофонда. Эти факторы вызывают изменения во всех составляющих биосферы: в атмосфере – загрязнения и климатические изменения; в гидросфере – нехватку и загрязнение воды; в почве – эрозию, снижение урожайности, сокращение площадей пашни; в биоценозах – вымирание видов, уничтожение экосистем, нарушение экологического равновесия и конечным итогом является состояние здоровья и выживание человечества. Таким образом, проблемы окружающей среды порождены целым рядом причин. Эти причины взаимосвязаны и, в свою очередь, являются следствием всего исторического развития человеческого общества. Со временем появились и негативные изменения в образе жизни людей. Техновещество, техногенез ускоряет ритм жизни, что приводит к новым видам стрессовых ситуаций, росту насилия, преступности, бездуховности, с опасным противостоянием регионального, религиозного, национального характера между богатеющим «Севером» и беднеющим «Югом». В этом плане весьма показательна проблема твердых бытовых отходов (ТБО). Если разбираться в этой проблеме детально, то это не только загрязнение окружающей среды и задача утилизации этих отходов, но и возникающие чисто экологические проблемы. Например, проблема мусора в городах, сбора бытовых отходов тесно связана с проблемой бродячих, бездомных собак. Эти собаки заполняют определенную нишу, они питаются этими отходами, если собак уничтожить, то эта экологическая ниша заполнится другими особями, либо другой собачьей стаей, либо (в случае и уничтожения последних) лисами, волками и т.д. Поэтому в Европе (где нет свалок и мусорных ящиков с пищевыми отходами) бездомных собак не уничтожают, а стерилизуют. При этом их возвращают на место их обитания, и они охраняют данную территорию от других животных, и агрессивность их в этом случае практически пропадает, т.к. нет периодов случек. В данном случае налицо экологические законы о пищевых цепях, экологических нишах и их следует исследовать и учитывать при вмешательстве человека в окружающую среду, продумывать все экологические цепочки при решении вопросов уничтожения или внедрения в окружающую среду различных изменений и новых процессов.
В настоящее время появилось загрязнение новой области техносферы – обитаемого космоса. Загрязняющими веществами оказываются не только токсичные и вредные отходы промышленных производств, но и практически безвредные вещества, рассматриваемые в качестве попутных продуктов (диоксид углерода; древесина, утонувшая при лесосплаве). Подобные загрязнения также необходимо предотвращать. Решение этих задач требует инженерных разработок специалистами и прежде чем рассматривать конкретные производственные процессы, необходимо определить понятия «технология», «технологический процесс» и «химическая технология».
Технология (греч. techne – мастерство, искусство, умение; logos – слово, учение) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств сырья или полуфабрикатов, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции; это наука о способах воздействия на сырьё и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства. Разработка технологии осуществляется по отраслям производства, например, переработка нефти, нефтехимия, пищевая технология, биотехнология и т.д.
Технологический процесс – совокупность технологических операций, выполняемых планомерно и последовательно во времени и пространстве над однородными или аналогичными материалами.
Технология делится на химическую и механическую. Химическая технология – наука о наиболее экономичных методах массовой химической переработки сырых природных материалов в продукты потребления и средства производства, она рассматривает процессы коренного изменения состава, свойств и внутреннего строения вещества. К химической технологии относятся химическая, нефтехимическая, металлургическая, целлюлозно-бумажная, лесохимическая, энергетическая и другие отрасли промышленности.
Механическая технология – рассматривает процессы, в которых изменяются форма или внешний вид и физические свойства материала, это горнодобывающие, машиностроительные и другие отрасли промышленности. Подобное деление довольно условно, поскольку изменение вида материала часто сопровождается и изменением его состава и химических свойств, и наоборот, химические процессы осуществляются с помощью механических устройств и процессов. Примером может служить литейное производство, относящееся к механической технологии, но при литье металла происходят и химические реакции. Химические технологии имеют преимущества перед механическими способами обработки сырья и материалов, так как они осуществляют следующее:
- перерабатывают практически все виды сырья: минеральное (калийные соли, гипс, серу и др.), минеральные топлива (нефть, газ, уголь и др.),сырьё растительного происхождения и сельского хозяйства, воду и воздух, продукты разных отраслей промышленности;
- включают в хозяйственную деятельность в процессе достижений научно-технического прогресса новые виды сырья;
- заменяют ценное и дефицитное сырьё более дешевым и широко распространенным;
- комплексно используют сырьё и утилизируют промышленные отходы, получают разные химические продукты с одного и того же сырья, и наоборот – один и тот же продукт из разного сырья.
Республика Беларусь обладает хорошо развитым химическим комплексом, который специализируется на выпуске химических волокон и нитей, синтетических смол, пластических масс и изделий из них, удобрений, втомобильных шин, резиновых технических изделий, лаков и красок, лекарств, бытовой химии.
Могилевский комбинат синтетических волокон, один из самых крупнейших в Европе, вырабатывает лавсан, полиэфирные нити, диметил терефталат – сырье для производства химических волокон. Светлогорский завод искусственного волокнапроизводит кордовую ткань для производства автомобильных покрышек, нетканый синтетический материал – спанбонд. Гродненское производственное объединение “Азот” вырабатывает удобрения, сырьё для синтетических смол и капронового волокна; Гомельский химический завод – удобрения, серную кислоту, суперфосфат; Новополоцкое производственное объединение “Полимир” – полиэтилен и нитрон, лучший заменитель натуральной шерсти. Жлобинский комбинат искусственного меха, Борисовский и Минские заводы медпрепаратов, Бобруйский шинный комбинат, Солигорский калийный комбинат вырабатывают продукцию как для нужд республики, так и на экспорт. Технологический процесс в химической промышленности состоит из следующих стадий: подготовка сырья; химические реакции; выделение целевого продукта (отвод полученных продуктов из зоны реакции). Химические реакции составляют основу технологического процесса. Химические превращения внщества проходят ряд последовательных химических реакций, в результате которых образуется основной продукт, а также побочные продукты, имеющие народнохозяйственное значение, и отходы производства. Мы говорили о непрерывных, периодических и комбинированных процессах. Кроме этого, по виду используемого сырья, химические технологии могут быть разделены на процессы по переработке растительного, животного и минерального сырья, по агрегатному состоянию взимодействующих веществ – на гомогенные и гетерогенные. По значениям других параметров технологического режима процессы можно разделить на: низкотемпературные, протекающие при температуре до 500 0С, и высокотемпературные (выше 500 0С); каталитические и некаталитические; процессы, происходящие под вакуумом, при атмосферном давлении и высоком давлении; процнссы с высокой и низкой концентрацией исходных веществ. Основу химико-технологических процессов (ХТП) составляют различные химические реакции: простые и сложные, обратимые и необратимые, гомогенные и гетерогенные, экзотермические и эндотермические. Все химические процессы проводятся в аппаратах-реакторах, имеющих специальную оснастку. Реакторы, имеют обвязку технологическими трубопроводами, специальную подготовку и защиту от агрессивной среды, высоких температур и т.д.
В настоящий период появились новые технологии и технологические процессы, так, например, биотехнологические промышленные процессы (получение кормовых дрожжей, ферментов, антибиотиков и т.д.) лишь условно относятся к химическим технологиям, являясь по сути микробиологическими или биохимическими технологиями.
По характеру протекания производственные процессы бывают 3-х видов:
1) непрерывные процессы – в систему непрерывно подаются исходные компоненты и непрерывно удаляются готовые продукты. Например, процессы крекинга нефти, непрерывные процессы микробиологического синтеза, доменные процессы выплавки чугуна. Указанные технологические процессы могут длиться от запуска до остановки на ремонт;
2) периодические процессы – протекают в три стадии: загрузка сырья и вспомогательных материалов, протекание технологического процесса и выгрузка полупродукта или готового продукта. Например, большинство пищевых технологических процессов (выпечка хлеба, кондитерские производства и т.д.), периодические биотехнологические процессы (производство ферментов, биоженьшеня, грибов-вешенки и т.д.), варка стали в мартеновских печах;
3) комбинированные – производственный процесс протекает с использованием периодических и непрерывных стадий. Например, биологическая очистка сточных вод является непрерывным процессом, но удаление накопившегося активного ила осуществляется периодически; получение чугуна путем варки стали из природных железных руд осуществляется в непрерывном режиме, а варка стали в конверторах осуществляется периодически.
По характеру циклов производственные процессы делятся на три важнейшие группы:
1) процессы с разомкнутой или открытой схемой – большинство технологических процессов, в которых водные и воздушные потоки после использования выбрасываются в окружающую среду;
2) процессы с замкнутой схемой – в которых осуществляется циркуляция водных и воздушных потоков, а также используются и твердые отходы собственного производства;
3) процессы со смешанной схемой – циркуляция потоков осуществляется на отдельных стадиях технологического цикла.
Наиболее «экологизированными» являются процессы с замкнутым циклом, так как их осуществление исключает выбросы вредных веществ в окружающую среду, а все виды отходов вновь используются в технологическом цикле в виде вторичного сырья или вторичных ресурсов. Использование данных производственных процессов является основой мало- и безотходных промышленных предприятий. Каждое производство имеет определенную структуру, особенно технологическая его часть, законодательно определяемая регламентом, но есть общие принципы организации и структуры промышленных предприятий.
Каждое промышленное предприятие состоит из управления, объединяющего инженерно-технический персонал, экономические, финансовые отделы, службы снабжения сбыта и маркетинга и др. На каждом государственном промышленном предприятии имеется отдел техники безопасности и охраны природы, который подчиняется главному инженеру и осуществляет контроль выполнения правил и норм техники безопасности при проведении всех видов работ на предприятии. Важной функцией этого отдела является разработка мероприятий по снижению количества выбросов предприятия, разработка, согласование и утверждение в контролирующих организациях нормативов ПДК, ПДВ, ПДС для данного предприятия, контроль их выполнения. Технологическая схема и технологический режим определены регламентом производственного процесса данного предприятия, в котором изложены все параметры технологического процесса; используемое оборудование, его характеристики и порядок работы; схемы лабораторного контроля производственного процесса, полупродуктов и готовой продукции. Контроль выбросов, качества окружающей воздушной среды, используемой воды и сточных вод, а также работы очистных сооружений и сбрасываемых стоков после очистки (там, где она осуществляется) производит лаборатория санитарного контроля предприятия. Показатели качества атмосферного воздуха, сточных вод и эффективность работы установок их очистки периодически проверяются контролирующими организациями: санитарно-гигиенической службой и инспекцией охраны природы. Качество используемого сырья и готовой продукции, разрешение на выпуск новой продукции, метрологические показатели лабораторного оборудования и контрольно-измерительных приборов контролирует служба надзора за соблюдением государственных стандартов и работой метрологического оборудования. Службы электроснабжения, механическая, контрольно-измерительного оборудования или автоматической системы управления технологическим процессом, транспортная, лабораторный контроль относятся к вспомогательным.
Таким образом, в результате производственной деятельности человека создается система сложных взаимодействий промышленного предприятия, вспомогательных служб, различных коммуникаций, жилой среды, т.е. возникает целый комплекс абиотических и биотических составляющих. В курсе экологии современного производства рассматриваются основные понятия природно-промышленных комплексов: технологические процессы и их аппаратурное оформление, сырьё, загрязнители, отходы производства, способы и технологии их очистки и утилизации, создание мало- и безотходных производств.
Одной из попыток государственного регулирования природоохранной деятельности стал ГОСТ 17.00.04-90, а также экологический паспорт промышленного предприятия, в котором отражены все данные о влиянии на окружающую среду всех элементов производства, представленных по следующей схеме:
Вопросы для самоподготовки
1. Экологические особенности природных и техногенных циклов.
2. Технология и её виды.
3. Дайте характеристику производственных процессов.
4. Технологический регламент и организация промышленного цикла.
Экологическая характеристика некоторых промышленных производств
Все процессы химической технологии можно разделить на шесть основных групп: механические, гидродинамические, тепловые, диффузионные, или массообменные, химические, управления и оптимизации производством. В химической промышленности процессы классифицируются по принципу осуществления процессов, взаимного перемещения реагирующих веществ или тепловых потоков, достижения полноты протекания обратимых реакций и фазового состояния. Химико-технологический процесс состоит из трех последовательно осуществляющихся элементарных стадий: подвод реагирующих компонентов в зону реакции; химические реакции; отвод полученных продуктов из зоны реакции. Подвод реагирующих компонентов взону реакции совершается путем молекулярной диффузии или конвекции. При интенсивном перемешивании компонентов конвективный процесс называют турбулентной диффузией. Процессы, в которых совершается переход вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз, называются массопередачей.
Химические реакции, составляющие основу технологического процесса, классифицируются по основным признакам. По условиям проведения они делятся на: изотермические, протекающие при постоянной температуре, и неизотермические, при которых температура процесса непостоянна; реакции, протекающие при постоянном или переменном объеме (давлении); адиабатические (без подвода теплоты извне или ее отвода в окружающую среду); неадиабатические (теплообмен происходит с окружающей средой). По фазовому состоянию реагентов различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) реакции. По механизму реакций они делятся на простые, параллельные и последовательные (консеквентные); все эти реакции могут быть как обратимыми, так и необратимыми.
Отвод полученных продуктов из зоны реакции может производиться так же, как и подвод реагирующих компонентов, т.е. диффузией или конвекцией.
Знание основных закономерностей, которым подчиняются химико-технологические процессы, позволяет установить оптимальные условия процесса, т.е. совокупность основных показателей – температуру, давление, концентрацию исходных реагентов и т.д. Изложенные выше принципы организации химико-технологических промышленных процессов относятся и к процессам очистки различных промышленных выбросов: газообразных, водных, твердых.
Рассмотрим процессы нефтехимической промышленности.
Методы переработки нефти делятся на первичные и вторичные. Первичные – это физические методы разделения нефти на составляющие, основанные на разных интервалах температур кипения отдельных фракций нефти, т. е. это процесс прямой перегонки нефти. Вторичные методы переработки нефти предусматривают полное преобразование сырья в результате химических реакций, изменяющих структуру углеводородов. Осуществление подобных преобразований требует высокой температуры, давления и катализаторов и называются процессами крекинга и риформинга.
Крекинг – (от «расщеплять») переработка нефти и ее фракций для получения, главным образом, моторных топлив, а также химического сырья, протекающая с распадом тяжелых углеводородов. Наряду с распадом при крекинге идет изомеризация и синтез новых молекул, например, в результате циклизации, полимеризации и конденсации. Крекинг может осуществляться как чисто термический, так и каталитический. Термический крекинг идет по свободному радикальному механизму в виде цепных реакций при температуре 470–5400С и давлении 40–60 атм. Бензины этих фракций содержат много непредельных углеводородов, нестабильны при хранении, маловосприимчивы к тетраэтилсвинцу. Такие бензины требуют дальнейшей переработки путем риформинга – (от анг. reform – переделывать, улучшать) – промышленный процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высокооктановых бензинов и ароматических углеводородов. Каталитический крекинг протекает при температуре 450–5200С, давлении 2–3 атм в реакционных колоннах с неподвижным или циркулирующим катализатором синтетических или природных алюмосиликатов. Сырьем является газойль – фракции нефти, выкипающие в интервале 200–4000С и занимающие при перегонке нефти промежуточное положение между керосином и легкими индустриальными маслами. Получаемые продукты: высококачественный моторный бензин с октановым числом 85 для автомобилей и авиации; керосино-газойлевые фракции, пригодные в качестве дизельного и реактивного топлива и кокс – углеродистые отложения на катализаторе, которые получают при регенерации катализатора путем выжигания. Для переработки средних и тяжелых дистиллятов с большим содержанием сернистых и смолистых соединений, непригодных для переработки каталитическим методом применяется гидрокрегинг – каталитический крекинг в присутствии водорода при
Т – 350–4500С и давлении 30–140 атм, расходе водорода 170–350 м3 на м3 сырья. Применение водорода обеспечивает эффективное гидрирование на катализаторе высокомолекулярных и сернистых соединений с их последующим распадом на крекирующем компоненте (алюмосиликате). При этом выход светлых продуктов достигает 70% (в пересчете на нефть) и снижается содержание серы и непредельных углеводородов.
Переработка нефти ведется по двум направлениям:
Зона загрязнения мощных НПЗ простирается на расстояние более 20 км, количество выделяющихся вредных веществ определяется мощностью НПЗ и составляет (в % от мощности предприятия): углеводороды – 1,5–2,8, сероводород – 0,0025–0,0035 на 1% серы в нефти, оксид углерода – 30–40% от массы сжигаемого топлива, сернистый ангидрид – 200% от массы серы в сжигаемом топливе. Потери углеводородов в атмосферу составляют (в %) – 75, в воду – 20, в почву – 5. На современных предприятиях первичная перегонка нефти сочетается с обессоливанием, стабилизацией и вторичной перегонкой бензина на установках большой мощности ЭЛОУ АВТ-6 (электро-обессоливающих автоматических установках, цифра означает мощность установки в млн.т). Основные отходы установок (загрязняющие атмосферный воздух, кг/час): дымовые газы из трубчатых печей, в составе которых пыль органическая – 5,3, диоксид серы – 900,9, оксид углерода – 32,9, оксиды азота – 50,2, углеводороды – 3,2, вентиляционные газы, содержащие аммиак, углеводороды и сероводород. Сточные воды установок содержат солевые растворы, образующиеся при обезвоживании и обессоливании сырой нефти, а также при работе и мойке насосов и технологического оборудования, содержащие нефтепродукты, кислые растворы сульфидов, растворы щелочи.
Дымовые газы из трубчатых печей, а также газы, образующиеся при регенерации катализатора, содержащие углеводороды, оксид углерода и вентиляционные газы, в состав которых входят бензол, толуол и другие углеводороды являются выбросами технологических установок платформинга – каталитического риформинга на платиновом катализаторе. Сточные воды этих установок содержат нефтепродукты, а твердые отходы – это отработанный катализатор.
Важнейшая технологическая установка нефтехимического производства – это удаление сернистых, азотистых, кислородсодержащих соединений путем их деструктивной гидрогенизации в процессе взаимодействия с водородом. Гидроочистке подвергают все нефтяные топлива, смазочные масла и парафины в присутствии алюмокобальтмолибденового или алюмоникельмолибденового катализатора. Часть образующихся отходов возвращается в производственный цикл – это газ, использующийся в качестве топлива на установке, отгон (бензиновая фракция с низким октановым числом), который добавляется к бензинам, и сероводород, который используется для производства серной кислоты и серы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива и регенерации катализатора и вентиляционные газы, содержащие углеводороды и сероводород являются выбросами установки в атмосферный воздух. Сточные воды, содержащие отработанную щелочь, промышленно-ливневые стоки с нефтепродуктами и моноэтаноламином поступают на очистные сооружения.
Выделение нормальных алканов из керосингазойлевых фракций путем адсорбции на молекулярных ситах (цеолитах) осуществляется на технологической установке производства жидких парафинов «Парекс». Процесс состоит из следующих стадий: адсорбция нормальных алканов цеолитом при его контакте с сырьем, продувка адсорбента от неадсорбируемых цеолитом компонентов сырья, десорбция (выделение) нормальных алканов из пор цеолита с помощью аммиака. Выбросы установки: диоксид серы и углерода, водяные пары, азот, кислород и диоксид никеля с дымовыми газами и газами, образующимися при сжигании, активизации катализатора и метанизации, аммиак, углеводороды, щелочные аэрозоли, серная кислота с вентиляционными газами. Сточные воды установки содержат сульфаты, сульфиты, сульфонаты и гидроксид натрия, аммиак, бисульфит натрия, цианиды. Твердые отходы: цеолиты, силикагели. Кислый гудрон, образующийся как отход, используется при производстве серной кислоты.
Установка производства нефтяных масел состоит из 3-х этапов: подготовка сырья-мазута или продуктов его вакуумной перегонки и получение исходных масляных фракций, получение компонентов из исходных масляных фракций, смешение компонентов и добавление присадок для получения товарных марок масел. Производство компонентов из исходных масляных фракций – сложный многоступенчатый процесс, основное назначение каждой стадии – полное или частичное удаление определенных групп соединений, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства масел. При этом используются органические растворители (пропан, фенол, метилэтилкетон, толуол), охлаждение сырья с помощью аммиачной холодильной установки. В выбросах дымовых и вентиляционных газов содержатся все вышеперечисленные соединения. Высокомолекулярные смолистые вещества и нафтеновые кислоты, а также остатки растворителей из масляных компонентов удаляют отбеливающими глинами – этот процесс является завершающей стадией при получении смазочных масел. Атмосфера загрязняется дымовыми газами, твердые отходы в виде отработанной отбеливающей глины поступают в отвал, а отработанная фильтровальная бумага и ткань сжигаются. Промышленно-ливневые сточные воды поступают на очистные сооружения. Производство присадок для повышения эксплуатационных свойств масел предусматривает добавление к базовому маслу антиокислительных, антикоррозионных депрессаторов, вязкостных, противоизносных, моющих или многофункциональных присадок, которые получают путем многостадийного органического синтеза. Загрязняют атмосферу углеводороды, аммиак, диоксид серы, оксид серы с вентиляционными газами, выделяющиеся при производстве сульфонатной присадки. В производстве сукцинамидной присадки добавляются выбросы малеинового ангидрида, а также ксилол, азот, водяные пары. Сточные воды содержат сульфиды, изопропанол, эфироизвлекаемые и взвешенные вещества, нефтепродукты, ароматические углеводороды, малеиновый ангидрид, ксилол. К жидким продуктам относится гудрон, который используется для производства концентрата «Карпатол-2», применяемый для интенсификации нефтедобычи и в цементной промышленности. Производство битумов сопровождается выбросами дымовых и вентиляционных газов, а жидкий отход – «черный соляр» – используется в качестве топлива. Твердые отходы – битумная крошка – полностью используются по назначению. На предприятии имеются две системы водоотведения. Первая система, в которую поступают ливневые сточные воды, промывные воды от мытья полов, сальников, торцов насосов, а также после пропарки и промывки емкостного оборудования. Вторая система служит для приема солевых и сернисто-щелочных вод установок первичной перегонки нефти и гидроочистки, установок «Парекс», раствор сульфата аммония с установок производства присадок. Сточные воды обеих систем канализации поступают на очистные сооружения, где подвергаются очистке от всех видов загрязнений путем биологической очистки. Таким образом, нефтехимическое производство состоит из многих технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлении в агрессивных средах. При этом образуются различные полезные для человека продукты и соединения, часть их попадает в атмосферу, воду и почву, являясь загрязнителями окружающей среды. Экологизация подобных производств заключается в использовании этих загрязнений, в качестве топлива или получении других продуктов и очистке воздушных выбросов и сточных вод.
Производство полиэтилена. Полиэтилен – это продукт полимеризации этилена, который получают пиролизом этана, прямогонных бензинов, вакуумных газойлей и других продуктов. Процесс производства включает следующие стадии: пиролиз; газоразделение; компрессию; полимеризацию; грануляцию; узел смешения и окончательной обработки готовой продукции. На каждой стадии имеются источники вредных выбросов. На стадии пиролиза – это дымовые газы, содержащие оксид и диоксид углерода, оксиды азота. При газоразделении с дымовыми газами выделяются оксиды углерода; с топливным газом – ацетилен; этилен, пропилен, пропан и газообразные углеводороды выделяются через предохранительные клапана и при сбросах углеводородов из емкостей. В отделении компрессии с вентиляционными газами в атмосферу сбрасываются различные алканы и алкены. В процессе полимеризации и грануляции в газах из воздушек аппаратов и вентиляционных газах содержатся азот и этилен. В процессе окончательной обработки полиэтилена с продувочным воздухом в атмосферу поступает полиэтилен, пыль добавок. Жидкие отходы производства: сточные воды из отделения пиролиза; промывные воды и отработанная щелочь отделения газоразделения. Твердые отходы: отработанные цеолиты, кольца Рашига, продукты полимеризации, куски полиэтилена, пыль добавок наполнителей и стабилизаторов, в которой содержатся триоксид сурьмы, гексабромбензол, диоксид титана, хлорпарафин, оксид цинка, тальк вывозятся в шламонакопитель.
Производство нитрила акриловой кислоты (НАК). В процессе синтеза НАК – основного компонента для получения синтетических волокон (орлона, винтона, дайнела, кашмилона и др.), каучуков, пластмасс, пластификаторов, используют пропилен и аммиак в присутствии висмут-молибденового катализатора Т-673. Наряду с нитрилом акриловой кислоты образуются синильная кислота и ацетонитрил, которые широко используются в промышленности.
Синильная кислота применяется для извлечения золота из руды, для борьбы с вредителями цитрусовых деревьев, в гальванотехнике, для цементации стали и т.д. Она является одним из исходных веществ при получении ацетонциангидрина, эфиров акриловой метакриловой кислот, используется в производстве пластмасс, синтетического каучука, синтетических волокон.
Ацетонитрил применяется в качестве растворителя и полупродукта для органических синтезов, в производстве тиамина, в текстильной и нефтехимической промышленности.
Основные газообразные выбросы – это дымовые и вентиляционные газы, содержащие НАК, ацетонитрил, синильную кислоту, пропилен, оксид углерода, оксиды азота.
Сточные воды являются агрессивными и токсичными так как содержат НАК, метилцианид, цианид фосфора, и в первую очередь подвергаются нейтрализации.
Производство метилакрилата (МА). Метилакрилат используется в производстве полиакрилонитрильных волокон, фотопленок, акриловых эмульсий, различных марок полиметилакрилатов и т. д. В промышленном синтезе МА в качестве сырья используется НАК и раствор серной кислоты, хладоагент – раствор метанола. Отходы производства используют для получения ценного азотного удобрения – сульфата аммония. Газо-воздушные выбросы из дыхательных клапанов емкостей, вентиляции, дефлекторов производства метилакрилата содержат НАК, МА, метанол, пары серной кислоты. В производстве сульфата аммония через дыхательные отверстия аппаратов, вакуумные насосы, вентиляторы, центрифуги в атмосферу поступают МА, серная кислота, метанол, НАК, аммиак, диоксид серы, пыль, ацетон. Сточные воды образуются на стадии вакуумной кристаллизации раствора сульфата аммония и после вакуум-насосов и санитарного скруббера. Все сточные воды направляются на очистные сооружения. Где проходят полную механическую, физико-химическую и биологическую очистку. Отработанный маточный раствор со стадии вакуум-кристаллизации раствора сульфата аммония направляется на сжигание.
Твердые отходы: отработанные кольца Рашига, полимеры, шлам из отделения сульфата аммония направляются в шламонакопитель
Производство синтетических и искусственных волокон. Синтетические волокна производят из синтетических высокомолекулярных соединений, получаемых на основе продуктов переработки каменного угля, нефти и природного газа в процессе полимеризации и поликонденсации. На крупнейшем в республике Беларусь ПО «ПОЛИМИР» осуществляется производство волокна нитрон. В качестве сырья используются акрилонитрил, метилакрилат и изобутиловый спирт, их подвергают сополимеризации в среде роданида аммония. Раствор полимера подают в прядильно-отделочное отделение, где путем продавливания полимера через фильеры определенного размера и формуется волокно. Пучок волокон из осадительной ванны подвергают вытяжке и направляют на отделку, отмывают от остатков растворителей, окрашивают, снова отмывают, сушат, обрабатывают антистатиком, гофрируют и укладывают в жгуты. Производство сопровождается весьма токсичными выбросами в атмосферу и в виде жидких стоков: изопропиловый спирт, метилакрилат, нитрил акриловой кислоты, аэрозоль серной кислоты, роданид натрия, цианиды, катионные красители. Образуется большое количество твердых отходов – фильтровальные пакеты, жгуты полимера, фильтровальный шлам, цветные волокнистые отходы, которые направляются в шламонакопитель. Как же обезвреживаются эти токсичные отходы? Сажа из отходящих газов производства полиэтилена, а также сульфат аммония производства метилакрилата улавливаются с помощью рукавных фильтров и барботажно-вихревых уловителей. Газы, содержащие оксид углерода и органические примеси, подвергаются термокаталитическому обезвреживанию. Вредные компоненты отходящих газов улавливаются с помощью абсорбции, нитрил акриловой кислоты, и метилакрилат абсорбирует раствор роданида натрия. В настоящее время производство химических волокон осуществляется в виде моноволокон (одиночное волокно большой длины), штапельного (короткие обрезки одиночных тонких волокон) и филаментных нитей (пучков, состоящих из большого количества одиночных тонких волокон соединенных посредством крутки).
Вискозное, медно-аммиачное, ацетатное и альгинатное волокно получают путем химической переработки природных полимеров (древесной и хлопковой целлюлозы), то есть из растительного сырья, оно относится к искусственным волокнам. Прядильные растворы различных полимеров (полиамидов, поливинилхлоридов, капрона, лавсана, винила и т.д.) получают путем растворения исходного сырья в растворителях, либо путем их расплавления. Формование нитей осуществляется способом продавливания полученной массы через фильеры (отверстия) в раствор воды и растворителя (керосин, гексатриол, алифатические спирты и т.д.) в осадительной ванне. Вытягивание нитей происходит в растворах коагуляционной ванны. В отличие от описанного мокрого способа получение синтетического волокна по сухому способу прядильный раствор продавливают через фильеры в шахту нагретым воздухом, при этом образуется филаментная нить. В производстве синтетических волокон образуется большое количество сточных вод и жидких отходов, расход воды на тонну готовой продукции от 300 до 1000 м3. Вода требуется для приготовления различных растворов, промывки продукции и оборудования, а также для процессов охлаждения. Существующие системы водоснабжения, как правило, прямоточные, и эффективность использования свежей воды по коэффициенту водооборота составляет
12–27%. Сероуглерод – наиболее значительный и токсичный отход производства вискозных волокон. В технологическом процессе сероуглерод используется при ксантогенировании щелочной целлюлозы и вступает в реакцию со щелочью с образованием тиокарбонатов и сульфидов. При формовании волокна в кислотных ваннах ксантогенат, тиокарбонаты и сульфид разлагаются с выделением свободных сероводорода и сероуглерода. Выбросы в атмосферу содержат 27,6 кг сероводорода и 3 кг сероуглерода в расчете на тонну готовой продукции. Снижение выбросов достигается, во-первых, за счет герметизации оборудования, локализации газовыделения из технологических растворов и из свежесформированного волокна, а во-вторых – путем перевода побочных продуктов ксантогенирования в устойчивые сернистые соединения. Экологизация производства синтетических и искусственных волокон осуществляется различными способами очистки газовоздушных выбросов и сточных вод, рекуперацией сероуглерода. Рекуперация – это возвращение части материала или энергии, расходуемых при проведении того или иного технологического процесса для повторного использования в том же процессе. Очистка вентиляционных выбросов производится на газоочистных установках, где сероводород улавливается и окисляется до элементарной серы, а также регенерируется и возвращается в производство сероуглерод. Для улавливания сероводорода и рекуперации сероуглерода из вентиляционных выбросов используется двухступенчатая очистка. На первой ступени происходит улавливание сероводорода мокрым способом, например, щелочным раствором гидрохинона, с получением коллоидной серы и тиосульфата натрия в виде товарных продуктов. Процесс протекает в форсуночных скрубберах вертикального и горизонтального типа, степень извлечения сероводорода составляет 95–100%.
На второй ступени осуществляется регенерация сероуглерода в адсорберах со стационарным слоем адсорбента. В качестве адсорбента применяются активированные угли с развитым объемом микропор, обеспечивающие высокую степень очистки. В настоящее время для очистки вентиляционных выбросов внедряются фильтры на основе хемосорбционных и активированных углеволокнистых материалов. Воздух после газоочистных устройств и от местных отсосов прядильно-отделочного оборудования с небольшим содержанием вредных примесей поступает на установки термического и термокаталитического обезвреживания, после чего проходит через высокие трубы и рассеивается в атмосфере. В технологическом процессе образуется до 10 видов сточных вод, например, кислые цинксодержащие, шламовые, целлюлозосодержащие, очистка которых производится на локальных установках с последующей доочисткой на общезаводских или городских очистных сооружениях. В данных производственных процессах остается нерешенным вопрос утилизации твердых отходов-шламов, они сбрасываются и хранятся в шламонакопителях.
Производство основных неорганических кислот – серной и азотной. Серная кислота – один из важнейших продуктов химической промышленности, она применяется для получения других кислот (фосфорной, соляной, плавиковой, борной) путем использования свойства серной кислоты вытеснять другие кислоты из их солей. Концентрированная серная кислота применяется в нефтепереработке и нефтехимии для очистки от сернистых и непредельных органических соединений, в металлургии с ее помощью разлагают комплексные руды (урановые). Разбавленная серная кислота удаляет окалину перед оцинкованием, применяется для травления металлических поверхностей перед покрытием их никелем, медью, хромом. В органическом синтезе концентрированная серная кислота – необходимый компонент нитрующих смесей и сульфирующее средство при получении многих красителей и лекарственных веществ. Благодаря высокой гигроскопичности применяется для осушки газов, концентрирования азотной кислоты. Полученный SO3 поглощают концентрированной серной кислотой, образуется олеум, или дымящая серная кислота (раствор 18,5–20% SO3 в H2SO4). Особенности технологического процесса: мышьяк, селен и остатки пыли (отравляющие катализатор) удаляют в промывных башнях, орошаемых серной кислотой; от тумана серной кислоты, образующейся из присутствующих в газовой смеси трехокиси серы и воды, освобождают в мокрых электрофильтрах; пары воды поглощаются концентрированной серной кислотой в сушильных башнях. Производственный процесс является непрерывным, т.е. в систему непрерывно подаются исходные компоненты и удаляются готовые продукты. По характеру циклов получение серной кислоты контактным способом можно отнести к процессам со смешанной схемой, характеризующейся непрерывным поступлением колчедана и воздуха, поглощением разбавленной серной кислотой трехокиси серы и возвращением в процесс смеси до получения нужной концентрации кислоты или олеума.
Серная кислота применяется для производства удобрений – суперфосфата, аммофоса, сульфата аммония, соляной, уксусной и других кислот. В металлообработке применяется для снятия ржавчины с поверхности металлов при подготовке их к защитным и декоративным покрытиям лаками и цветными металлами. Производство красителей, лаков, красок, лекарственных веществ, некоторых пластмасс,многих ядохимикатов, эфиров, спиртов невозможно без серной кислоты. Разбавленные растворы серной кислоты или ее соли применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности. В пищевой промышленности серная кислота используется в производстве крахмала кукурузного, патоки и других продуктов. В автомобилях используют свинцовые сернокислотные аккумуляторы. Безводная серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость, плотность – 1830 кг/м3, температура кипения – 296,2 0С, смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла. Производится серная кислота двумя способами: контактным и нитрозным.
Контактный способ разработан в начале ХХ в. Этот способ эффективен, отвечает высокому уровню современной технологии, обеспечивает высокую концентрацию и чистоту продукта и поэтому вытесняет нитрозный, разработанный более 200 лет назад. Около 90 % Н2SО4 от общего объема производства получают контактным способом. Сырьем для получения серной кислоты контактным способом служат минерал пирит (FeS2), самородная сера, серосодержащие газы – отходы цветной металлургии и отходы нефтехимии. При получении серной кислоты из пирита (серного колчедана) его сжигают в печах в кипящем слое, т.е. при постоянной продувке воздухом, нагретым отходящими обжиговыми газами, тонкого слоя минерала. Получаемая газовая смесь содержит оксиды серы, пары воды, оксиды мышьяка, кремния и большое количество огарковой пыли, от которой газы очищаются в электрофильтрах. После тщательной очистки обжиговый газ – двуокись серы – поступает в контактный аппарат, где в присутствии катализатора – окиси ванадия – при 4500С окисляется до трехокиси серы. Наиболее простым является способ получения серной кислоты из серы, однако, стоимость такой кислоты выше, чем из колчедана. Производство серной кислоты из колчедана включает четыре стадии: получение сернистого газа (диоксида серы) SО2; очистка сернистого газа от примесей; получение триоксида серы (SО3); абсорбция SО3 (соединение с водой с получением серной кислоты). На первой стадии путем обжига в печах колчедана получают сернистый газ:
4FeS2 + 11O2 --> 2 Fe2O3 + 8 SО2 + Q; (Q =3416 кДж)
Сырье предварительно тонко измельчается и тщательно перемешивается с избытком воздуха. Сжигание осуществляют в печах в кипящем слое, т.е. при постоянной продувке нагретым отходящим обжиговым газом тонкого слоя минерала. Получаемая газовая смесь содержит SО2, О2, N2, SО3, As2O3, окись селена, пары воды и сдержит много огарковой пыли, от которой газы очищаются специальной дополнительной очисткой, в технологической схеме, состоящей из промывных башен, электрофильтров, сборников шлама. Таким образом, вторая стадия начинается с улавливания пыли в циклонах. Далее газ поступает в первую промывную башню, где газ охлаждается от 350–400 0С до 80–70 0С, а промывная кислота нагревается до 80 – 100 0С. Кислоту направляют в водяной холодильник, где вода и кислота движутся по принципу противотока. Окончательная очистка газов от мышьяка и селена и выделение капель серной кислоты происходит в так называемых «мокрых» электрофильтрах, которые по устройству напоминают огарковые. Газ, выходящий из очистительного отделения, подвергается 3–4 раза в сутки анализу на содержание в нем сернокислотного тумана и мышьяка. Следует отметить, что все оборудование, реакционные аппараты и емкости имеют специальную футеровку (облицовку внутренних поверхностей) кислотоупорным кирпичом, либо листовым свинцом, кислотоупорной керамикой. Газ фильтруется через асбест, зажатый между дырчатыми горизонтальными диафрагмами, либо через пористую керамику, стеклянную вату. Такая тщательная очистка газа связана с отрицательным воздействием примесей на трубопроводы и катализатор, используемые на последующих стадиях получения серной кислоты. Третья стадия является основной: сухой очищенный газ поступает на контактное окисление кислородом воздуха: 2SО2 + О2 --> 2SО3 + Q; (Q=189 кДж). Катализатором, вместо ранее применявшейся платины, используется ванадиевый катализатор, т. н. контактная масса, содержащая ванадиевый ангидрид и добавки активаторов: окислов алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов, оксида бария на носителе двуокиси кремния. Этот катализатор – значительно дешевле платины и более устойчив к отравлению соединениями мышьяка и селена. Окисление сернистого газа проводится в контактных аппаратах, которые вместе с теплообменниками и газопроводами называют контактным узлом. При пуске контактного узла газы, поступающие в контактный аппарат, предварительно подогревают до определенной температуры. В дальнейшем контактный узел работает автотермично, т. е. температура в контактном аппарате поддерживается за счет тепла, выделяющегося в результате реакции окисления сернистого газа. Идеальными условиями контактирования является создание равномерного перепада температуры в слое контактной массы: в начале около 600 0С и до 450 0С в самом последнем слое, так как снижение температуры смещает равновесие реакции в сторону образования серного ангидрида. Создание таких оптимальных условий представляет значительные технологические трудности. Контактные узлы разделяют по способу теплообмена (по способу отвода тепла) на аппараты с внутренним теплообменом и на аппараты с промежуточным теплообменом. В первых видах аппаратов – тепло отводится холодным газом непосредственно от контактной массы, т.е. теплообмен идет в самом контактном аппарате. В аппаратах с промежуточным теплообменом реакция окисления сернистого ангидрида и теплообмен проводятся в разных аппаратах. В данных технологических схемах соблюдается принцип наименьших потерь тепла за счет использования выделяющегося при реакциях тепла, т.е. экономии энергетических ресурсов. Последняя – четвертая стадия начинается с охлаждения газа, выходящего из контактного узла, а затем направляется в в две последовательные поглотительные башни. Поглощение серного ангидрида должно осуществляться так, чтобы его потери с отходящими газами были наименьшими. Непосредственно водой серный ангидрид почти не поглощается, хотя уравнение реакции этого процесса представлено в следующем виде: SО3 + Н2О --> Н2SО4 + Q; (Q = 92000 кДж). Поглощение SО3 связано с образованием тумана серной кислоты парами воды. Для поглощения серного ангидрида применяется серная кислота с концентрацией 98,3 %, над которой парциальное давление паров воды является минимальным. Скорость поглощения серного ангидрида по мере повышения концентрации серной кислоты (выше 98,3 %) также будет постепенно снижаться. Поэтому первая башня орошается 20 % олеумом, вторая – кислотой с концентрацией близкой к 98,3 %. Башни снабжены ловушками газов, отходящих из башен и содержащих остаточные количества SО2, которые прикреплены непосредственно к крышке поглотительной башни. Благодаря тому, что ловушка состоит из ряда перегородок, часть из которых имеет отверстия, скорость и направление газового потока неоднократно изменяется, при этом капли кислоты задерживаются в конусном дне ловушки и стекают обратно в поглотительную башню. Кислота не должна иметь температуру выше 45–55 0С для лучшего поглощения сернистого ангидрида, поэтому применяют холодильники, представляющие собой чугунные трубы, через которые проходит кислота, охлаждающая вода орошает трубы. При указанном режиме работы поглотительного отделения получается олеум, содержащий около 20 % свободного серного ангидрида. Требуемая концентрация олеума и серной кислоты в аппаратах регулируется их взаимной подачей в реакторы и обеспечивается хорошей гигроскопичностью концентрированных растворов серной кислоты. Промышленностью выпускаются следующие сорта серной кислоты: башенная, содержащая не менее 75 % основного вещества; купоросное масло – не менее 92,5 %; особо чистая аккумуляторная – 92–94 %; реактивная – также с концентрацией 92–94 %; олеум или дымящая серная кислота – раствор 18,5–20 % SО3 в Н2SО4. При разбавлении аккумуляторной кислоты до 26–31 % получают электролит для свинцовых аккумуляторов; реактивную серную кислоту (особо чистую) получают в кварцевых или платиновых аппаратах. Нитрозный способ. Технология данного способа получения серной кислоты заключается в окислении SО2 диоксидом азота в присутствии воды в соответствии с уравнением реакции: SО2 + NО2 + Н2О--> Н2SО4 + NО. Отдавая SО2часть кислорода, диоксид азота NО2 превращается в оксид азота NО. Который, в свою очередь, взаимодействуя с кислородом воздуха, вновь образует NО2, который идет на окисление новых порций диоксида серы:
2NО + О2 --> 2 NО2 – Q; (Q=112 кДж)
Таким образом, в этом способе получения серной кислоты оксид азота является как бы катализатором. В производстве серной кислоты опасность представляют ядовитые газы: двуокись серы и азота, пары серного ангидрида и серной кислоты, поэтому необходима хорошая вентиляция и полная герметизация технологической аппаратуры, использования защитных средств. В башенном способе комплексно используются все факторы повышения интенсивности процесса и приближения его к безотходной технологии. Концентрированные газы, оптимальные температуры, активные и устойчивые в работе катализаторы, аппараты с кипящим и пенным слоем, рецикл по газу и др. При такой организации процесса степень использования диоксида серы составляет 99,95 %, а выбросы составляют 0,02 – 0,03 кг/т 100 % серной кислоты.
Нитрозный (башенный) способ получения серной кислоты осуществляется в окислительных, поглотительных, продукционных башнях – цилиндрических резервуарах. Процесс осуществляется с помощью нитрозы, разбавленной серной кислоты, содержащей нитрозилсерную кислоту. Присутствие окислов азота в технологическом процессе сопровождается их выбросами в атмосферу в виде желтых шлейфов дыма, называемых «лисьим хвостом» и характерных для данных производств. Для очистки отходящих газов сернокислотного производства широко используются аммиачные способы: аммиачно-сульфатный
(с получением товарного сульфата аммония или его растворов), аммиачно-циклический (с получением диоксида серы и товарного бисульфита аммония). Пиритный огарок (отход исходного минерала после обжига) используется в производстве стройматериалов.
Основные направления экологизации сернокислотного производства заключаются в повышении степени использования обжиговых газов или увеличении циклов контактирования реагирующих масс в два раза, а также разработка мощных сернокислотных прямоточных систем под давлением. При этом выброс диоксида серы на тонну серной кислоты составляет не более 0,3 кг. В циклической системе комплексно используются все факторы повышения интенсивности процесса и приближения его к безотходной технологии: использование концентрированных газов, оптимальных температур, активных и устойчивых в работе катализаторов, повышенного давления, интенсивных аппаратов с кипящим и пенным слоем, рециркуляции газов. При такой организации процесса степень использования диоксида серы составляет 99,95%, а выбросы не превышают 0,02–0,03 кг на тонну 100% серной кислоты.
Производство аммиака и азотной кислоты. Сырье: смесь азота и водорода. Взаимодействие газов происходит на железном катализаторе с образованием аммиака, который удаляется из газовой смеси путем сжижения (конденсации), газовая смесь (несконденсировавшаяся) возвращается в реактор. Режим работы непрерывный, производственный цикл замкнутый. Синтез аммиака протекает с выделением тепла и уменьшением объема. Наиболее благоприятным, с точки зрения протекания реакции, до образования аммиака является возможно более низкая температура и возможно более высокое давление. В процессе получения аммиака используется многослойный реактор с охлаждением холодными газами, теплообменник, компрессор, холодильник, сепаратор для отделения аммиака от непрореагировавших газов. В качестве источника водорода применяют природный газ, азот из атмосферного воздуха. Для получения водорода из метана используют конвекторы метана и оксида углерода, котлы – утилизаторы, смесители – сатураторы, испарители, конденсационные башни, адсорберы. С целью увеличения степени использования газов в современных системах синтеза аммиака применяют многократную циркуляцию азото-водородной смеси, т.н. круговой аммиачный цикл. Однако, в атмосферу могут попадать (в расчете на тонну готовой продукции) до 200 кг аммиака, 90 кг метана, 100 кг оксида углерода. Аммиак широко применяется в различных производственных процессах: для получения азотной кислоты, азотных удобрений (сульфата аммония, карбамида), пищевой соды через образование гидрокарбоната аммония, акрилонитрила, гидразина, в виде хладоагента при компрессии (сжатии различных газов). В качестве сырья для производства азотной кислоты используют аммиак и воздух, которые вступают в реакции синтеза в присутствии катализаторов – платинородиевых сеток, необходимыми компонентами являются вода и серная кислота. Аммиак в смеси с воздухом окисляется при 8000С на катализаторе до оксида азота, далее процесс окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV) протекает при обычной температуре. Производство непрерывное; воздушноаммиачная смесь поступает в контактный аппарат, где происходит окисление аммиака. Необходимая температура поддерживается за счет выделяемой в процессе реакции теплоты. Газовую смесь, содержащую оксид азота (II), охлаждают в топке котла – утилизатора. Полученную смесь, содержащую оксид азота (IV), направляют в поглотительную башню, где по принципу противотока происходит смешивание воды и газовой смеси. Полученная азотная кислота имеет концентрацию не более 60%, повышение крепости которой осуществляют добавлением концентрированной серной кислоты, отнимающей влагу. Загрязняющие атмосферный воздух соединения – нитрогазы (оксиды азота), выделяющиеся в виде «лисьих хвостов»
до 25–27 кг на тонну кислоты. Очистку отходящих газов осуществляют с помощью абсорбционных и адсорбционных методов, а также различных каталитических методов восстановления оксидов азота.
Биотехнологические промышленные производства. Технологические процессы получения продуктов микробиологического синтеза (кормового белка, ферментов, антибиотиков, аминокислот) имеют одну общую для всех стадию, а именно – процесс ферментации, который представляет собой способ промышленного культивирования микроорганизмов-продуцентов. Наиболее экономичным и современным считается глубинное непрерывное культивирование микроорганизмов в жидких средах. В состав жидких сред входит вода, источник углерода (сахаросодержащие продукты, например патока, кукурузная мука или
н-алканы) и питательные соли, а также различные ростовые факторы (микроэлементы, витамины, ауксины).
В Республике Беларусь действуют два гидролизно-дрожжевых завода, Бобруйский и Речицкий, на которых получают кормовые дрожжи из гидролизатов древесины, подсолнечной шелухи и других целлюлозосодержащих продуктов. Получение гидролизатов это сложный химический процесс кислотного гидролиза целлюлозы до простых сахаров, протекающий с помощью серной кислоты при высокой температуре и давлении в специальных аппаратах, называемых гидролизаппаратами. В результате получают жидкость – гидролизат с кислой реакцией среды, который содержит простые сахара и минеральные вещества, а также твердый отход процесса гидролиза целлюлозы – лигнин. Гидролизат нейтрализуют известью до рН 4,0–4,5 и направляют в ферментеры (аппараты для культивирования биомассы), куда подают и засевную биомассу дрожжей рода Candida. Процесс непрерывного культивирования осуществляют в ферментерах путем непрерывного отбора культивационной среды из аппарата и непрерывной подачи такого же количества гидролизата в аппарат. Полученная из ферментера биомасса направляется на сепараторы, центрифуги или ультрафильтры, а затем на сушку. Готовый продукт (сухие кормовые дрожжи) получают в виде порошка и используют как кормовую добавку для кормления сельскохозяйственных животных. Некоторые продукты микробиологического синтеза, например, амилолитические ферменты, используют и в жидком виде.
Существует поверхностный способ получения ферментов, т.е. культивирование биомассы на твердых питательных средах, например, плесневых грибов рода Aspergillius. Подобный процесс осуществляется при промышленном культивировании грибов рода вешенка на соломе. В Гродненской области в г. Скиделе введен в эксплуатацию завод по производству аминокислот с помощью бактерий-продуцентов. В выбросах предприятий биотехнологического направления содержатся следующие соединения, в %: взвешенные вещества – 35,5, диоксид серы – 30, оксид углерода – 21, метиловый спирт – 10,5, уксусная кислота – 0,34, аммиак – 0,3, ацетон – 0,25, серная кислота – 0,09, формальдегид – 0,07. В атмосферу поступает белок в виде пыли или живых клеток и спор продуцента. Образуется значительное количество сточных вод в процессе сепарирования биомассы, мойки оборудования, уборки производственных помещений. Со сточными водами в водоемы могут поступать сульфаты, хлориды, фосфаты, азот, метанол, фурфурол.
Экологизация промышленных биотехнологических процессов осуществляется путем мокрой очистки газовоздушных выбросов из ферментеров, очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях, улавливанием пыли после сушильных установок в циклонах. Однако не решены окончательно вопросы использования активного ила после биологических очистных сооружений и лигнина после процесса гидролиза. Следует отметить, что биологическую очистку сточных вод по своей сути следует считать биотехнологическим процессом, наиболее близким к природным циклам, лишь интенсифицированным человеком и поэтому максимально экологичным. В целом биотехнологические процессы не вносят значительного количества загрязнений в общей сумме промышленных выбросов, но биотехнология относится к современным развивающимся технологиям, которые требуют изучения.
Производство поваренной соли. Экологические проблемы подобных производственных предприятий можно рассматривать на примере Мозырского солевыварочного комбината. Поваренную соль получают из природных залежей соли, которые извлекают способом подачи воды в скважины в виде неочищенного рассола, с содержанием
290 г/л NaCl. После перекачки из скважины рассол очищают от примесей кальция и магния раствором каустической соды, затем упаривают, обрабатывают полиакриламидом для коагуляции и удаления шлама. Солевую пульпу центрифугируют, очищенный рассол поступает на барабанные сушилки. Обогащение йодом и фтором осуществляют путем впрыскивания соответствующих растворов в сухую соль. Образующаяся солевая пыль улавливается с помощью мокрых скрубберов Вентури, шлам собирают в шламонакопителе.
Экологические характеристики гидроэнергетики. Гидроэлектро-станции (ГЭС) являются давно используемым источником электроэнергии. При их строительстве река перегора живается плотиной, выше нее создается водохранилище, а вода по трубам направляется к турбинам.
Вращающиеся турбины при водят в движение роторы синхронных трехфазных генераторов. На зажимах статоров возникает напряжение, а электрическая энергия по линиям электропередачи направляется к потребителям.
В нашей стране в 1993 г. на ГЭС было выработано 175 млрд кВт ∙ ч электроэнергии — 18% общего количества, в США — 12%. Гид роэнергия непрерывно возобновляется и будет существовать до сих пор, пока энергия Солнца поступает на Землю.
Однако работа ГЭС имеет ряд экологических недостатков:
1) затопление земель, пригодных для сельского хозяйства (в частности, при строительстве каскада ГЭС на Волге);
2) изменение климата в зонах водохранилищ;
3) нарушение условий существования и нереста рыбы, сокра щение рыбных запасов (в частности, на Волге и Енисее);
4) разрушение ГЭС при военных действиях приведет к спуску воды водохранилища, возникновению волны высотой в десяти метров, которая может уничтожить города, расположенные ниже ГЭС;
5) строительство ГЭС приводит к наведенной сейсмичности, и в частности в США и Индии возникали землетрясения, разрушившие ГЭС.
Экологические характеристики альтернативных источников энергии. Развитие энергетики пока в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии — углеродсодержащем или урановом, топливе. Экологические недостатки этих источников энергии приводят к разработке и все более широкому использованию нетрадици онных (альтернативных) возобновляемых источников энергии. С этой точки зрения перспективной является энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, энергии ветра, малых рек, приливов волн, течений, геотермальной энергии, энергии биомассы и т.п. Пере чень нетрадиционных возобновляемых источников энергии с раз витием науки и технологий непрерывно возрастает. Уже в 1991 г. энер гия от возобновляемых источников в процентах к общему объему про изводства энергии составляла в Норвегии — 99%, Австрии — 70, Швейцарии — 62, Португалии — 55, Швеции — 41, Испании — 25;
В настоящее время исследования по использованию солнечной энергии ведутся на всех континентах. В США к 2020 г. предполагают удовлетворить от 10 до 30% своих энергетических потребностей страны за счет солнечных установок, в Японии в 2010 г. — 3%. Национальные программы развития солнечной энергетики при няты в 68 странах. Солнечная радиация, достигающая внешних границ земной атмосферы, несет энергию в 5,6 ∙ 106 ЭДж в год (Р= 17 млрд кВт). Около 65% этой энергии расходуется на нагрев поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а так же на образование волн, воздушных и океанских течений и ветра, 35% солнечной энергии отражается. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 9 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических видов топлива и урана.
Солнечная энергия обладает рядом преимуществ, Она имеется повсюду, практически неисчерпаема и доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени. Чтобы обеспечить свои энергетические потребности в 2100 г., человечеству доста точно использовать меньше 0,1 % падающей на Землю солнечной энергии или сороковую часть солнечной энергии, падающей на пустыни. Однако солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (800—1000 Вт/м2), ее интенсивность меняется в течение суток, зависит от сезона и т.д. Как падающая, так и рассеянная солнечная радиация относится к прямым видам солнечной энергии. Косвенными видами солнечной энергии являются энергия ветра, волн, приливов, тепловые градиенты океана, гидроэнергия и энергия, полученная благодаря фотосинтезу.
Условно можно выделить четыре направления использования солнечной энергии: теплотехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое. Теплотехническое направление (солнеч на теплоснабжение) основано на нагревании теплоносителей, например, воды, обычными или сконцентрированными солнеч ными лучами в специальных устройствах — коллекторах. Этот способ уже стал находить практическое применение в США, Япо нии, в южных районах нашей страны для опреснения и получения горячей воды, обогрева зданий зимой и охлаждения их летом, для сушки различных продуктов и материалов, питания термопреобразователей и т.п. Уже при сегодняшней эффективности солнеч ные коллекторы могут оказаться экономически целесообразными инлоть до районов, лежащих на 56-й широте (примерно на ширине Москвы). Большое внимание во многих странах уделяется фотоэлектрическому способу использования электрической энергии.
К существенному прогрессу здесь привели открытия, сделанные за последние 10 — 20 лет в физике и химии полупроводников. На их основе были созданы фотоэлектрические преобразователи — сол нечные батареи, которые ныне широко используются на космических кораблях. КПД батарей составляет 12— 15%, а на лабораторных обзразцах достигнуты и значительно лучшие результаты (28 — 29%).
Теоретические исследования привели к выводам о принципиальной возможности достижения в полупроводниковых структу рах с переменной шириной запрещенной зоны, использующих объемный фотоэффект, коэффициента полезного действия, близ кого к 90%. Однако широкое использование полупроводниковых преобразователей в наземной энергетике сдерживается из-за их пока еще высокой стоимости (стоимость выработки электроэнергии солнечными батареями выше, чем при традиционных способах) (рисунок 1). Следовательно, одно из главных направлений здесь – разработка более дешевых преобразователей, например с исполь зованием пленочных и органических полупроводников, и менее дорогих технологий их производства.
Рисунок 1 – Стоимость электроэнергии, получаемой за счет
энергии Солнца и ветра
С 1980 по 1990 г. стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными, тепловыми и ветроэнергетическими установками, снизилась более чем в 5 раз. В настоящее время эти техно логии конкурентоспособны с традиционными способами производства электроэнергии.
В Италии и США уже созданы солнечные электростанции. Их экологическими недостатками являются большие затраты мате риалов и нарушения экологического равновесия под солнечными батареями, занимающими площадь в несколько гектаров.
Наряду с этим намечаются и пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. С точки зрения возможности относительно быстрой реализации наиболее заман чивым представляется следующий двухступенчатый метод: вначале под действием солнечного света на культуру быстро растущих микроводорослей или других растений следу ет накапливать органичес кую биомассу, а затем с по мощью специальных бакте рий перерабатывать ее в вы сококалорийное топливо, например метан.
Одним из наиболее пер спективных, представляется процесс раз ложения воды на водород и кислород под действием солнечной радиации. Дело в том, что запасы воды на Земле практически неогра ниченны, а водород — это ценный химический про дукт, который можно ис пользовать в виде экологи чески чистого топлива, не дающего вредных отходов. Водород является лучшим топливом из всех известных видов: по теплотворности на единицу массы он в 2,6 раза превосходит природный газ и в 3,3 раза нефть или бензин. Кроме того, по мнению ряда ученых, он может пере даваться по трубам на большие расстояния с затратами, близкими к стоимости передачи электрической энергии. Заметим, что вслед ствие непостоянства потока солнечной энергии, падающей на Землю в течение дня или в разные времена года, приходится использовать аккумуляторы энергии. Таким хорошим аккумулятором может быть сам водород, получаемый при разложении воды.
Извлечь водород из воды можно как электролитически, что довольно дорого, так и прямым химическим (или фотохимиче ским) путем. Однако видимая часть солнечного света воду прак тически не разлагает. Поэтому вся проблема сводится к тому, что бы найти соответствующие катализаторы. Отдельные стадии этого процесса в той или иной степени уже разработаны. Ближайшая задача состоит в том, чтобы соединить эти каталитические систе мы в единый законченный фотохимический преобразователь.
Можно предположить, что со временем этот метод также ста нет экономически выгодным для широкого применения.
Все большее внимание привлекает использование энергии вет ра, поскольку в масштабах планеты энергия ветра в 1000 раз превышает гидроэнергию. В Дании в 1997 г. вращались лопасти 4000 электростанций, использующих энергию ветра. Они обеспечива ют 3,7% общего объема потребления электроэнергии. Однако к 2030 г. производство электроэнергии на основе энергии ветра, солнца и биогаза должно увеличиться до 50% общего производ ства. В итоге планируется вдвое уменьшить выбросы вредных ве ществ в атмосферу. Разработаны ветроустановки мощностью 500 — 600 кВт. Стоимость производства ветроэнергии сейчас составляет 20 центов за 1 кВт ∙ ч, ее планируется уменьшить до 4,3 — 4,4 цен та/кВт-ч, что меньше стоимости производства электроэнергии на АЭС и ТЭС (7 центов за 1 кВт ∙ ч).
Дания является ведущей страной по применению энергии ветра. рациональные программы освоения энергии ветра развернуты так же в Нидерландах, Канаде, ФРГ, Франции, Швеции, КНР и дру гих странах. В США планировалось получить с помощью энергии ветра в 2000 г. 2% всей производимой электроэнергии, в Дании и Нидерландах — 10%. Страны Европейского сообщества планируют довести к 2030 г. долю ветроустановок в производстве электроэнер гии до 10%. Опытные работы, проведенные в ФРГ, показали, что современные оптимальные по энергетике ветроэлсктростанции (ВЭС) будут иметь гигантские размеры: на 90-метровых башнях дол жны вращаться пропеллеры с размахом лопастей 80—100 м, кото рые приводят в движение роторы генераторов электрической энер гии ВЭС. Башни должны отстоять друг от друга на расстоянии трех высот башен, поэтому ВЭС занимают сейчас большие площади.
В качестве главного экологического недостатка ВЭС отмечают генерацию ими инфразвукового шума, вызывающего постоянное угнетенное состояние, чувство дискомфорта и беспокойства. Как показывает опыт эксплуатации подобных установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы. Территории, где размещаются ВЭС большой мощности, оказываются практически непригодными для проживания.
В России построено 1500 ветроустановок разной мощности. В на шей стране целесообразно использовать ВЭС в Калининградской области, на побережье Каспийского и Черного морей, на Байкале, Камчатке и Сахалине, побережье Северного Ледовитого океана.
Геотермальная энергетика на базе термальных (горячих подзем ных) вод развивается достаточно интенсивно в США, на Филип пинах, в Мексике, Италии, Японии, где построены геотермаль ные тепловые электростанции. В России большие ресурсы геотер мальной энергии имеются на Камчатке, Сахалине и Курильских островах, меньшие — на Кавказе. Геотермальная энергия может применяться в сельском (обогрев теплиц) и коммунальном (го рячее водоснабжение) хозяйствах. К геотермальному водоснабжению подключены некоторые населенные пункты Дагестана, Ингушетии, Краснодарского и Ставропольского краев, Камчатки.
Океаны содержат огромный потенциал в виде тепловой энергии температурного градиента по глубине толщи воды (радиации, тем ператур верхнего и нижнего слоев воды), а также энергию океани ческих течений, морских волн и приливов. В мире наиболее развиты работы по приливным электростанциям (ПЭС). В 1966 г. во Фран ции построена ПЭС «Ране», вырабатывающая 500 млн кВт ∙ ч элек троэнергии в год, в 1968 г. в России – Кислогубская ПЭС на Коль ском полуострове, в 1984 г. – ПЭС в Канаде мощностью 20 МВт.
Перспективно производство энергии биомассы, получаемой в ре зультате переработки органических отходов. Разработаны техно логии производства биогаза и этанола, которые можно использо вать как топливо и компост (органические удобрения) из органи ческих отходов животноводческих комплексов, свинокомплексов, птицефабрик, городских сточных вод, бытовых отходов, отходов де ревообрабатывающей промышленности.
Экономия энергии. Экономические и экологические соображения требуют всемер ной и повсеместной экономии энергоресурсов. Такая экономия позволит уменьшить расходы на производство продукции, сохра нить энергоресурсы для будущих поколений, уменьшить загряз нение окружающей среды.
Внимание к энергосберегающим технологиям производства резко возросло после нефтяного кризиса 1973—1974 гг., когда страны ОПЕК уменьшили экспорт нефти и увеличили цену на нее. В первую очередь пострадали развитые страны Европы, США, Япония. Новые энергосберегающие технологии были разработаны в Японии: с 1973 по 1984 г. валовой продукт Японии увеличился примерно вдвое, а энергозатраты возросли только на 7 - 8%. Ко личество энергии, необходимой для выплавки стали, снизилось в Японии более чем на 85%. Это достижение связано с внедрением непрерывной разливки, которая в свою очередь стала возможна благодаря использованию огнеупорных кирпичей с керамически ми добавками (с повышенной устойчивостью к теплу и трению). Разработан также керамический автомобильный двигатель. В 1985 г. фирма «Тойота» на международной выставке продемонстрирова ла сверхэкономичный автомобиль с керамическим двигателем, который на 100 км пути тратит менее 2 л бензина.
Резко снизили энергоемкость промышленной продукции и дру гие страны. Если принять энергоемкость в 1970 г. за 100%, то уже в 1983 г. она составляла в США — 61%, Великобритании — 55%, Франции — 61%, при этом производительность труда возросла в США в 1,33 раза, в Англии — в 1,63, во Франции — в 1,47, в Японии — в 1,56 раза.
Приведем несколько примеров энергосберегающих технологий. Более половины всей энергии, производимой в США, потреб ляют электромоторы. Использование современных электродви гателей с микропроцессорным управлением позволило бы сэко номить 20 % потребляемой электроэнергии. Улучшение теплоизо ляции домов (тройные оконные рамы, толщина стен 10—12 см) позволило бы уменьшить примерно на 50% энергию, затрачивае мую на их обогрев. Такие меры принимаются в США, Швеции и других странах. Использование экономичных люминесцентных или натриевых ламп вместо ламп накаливания примерно в 4 раза умень шает затрачиваемую электрическую энергию (в нашей стране на освещение идет 13% электроэнергии).
Огромное количество энергии (60-80%) удалось бы сэконо мить в России, если повсеместно перейти от малоэффективного и экологически вредного мартеновского производства стали к раз работанной в нашей стране технологии ее непрерывной разливки.
Современные типы двигателей автомобилей позволяют сни зить потребление топлива в 2-6 раз (до 4,5-1,5 л бензина на 100 км), тем самым достигаются большая экономия нефтепро дуктов и снижение вредных выбросов в атмосферу.
В целом потребление энергии в развитых странах при исполь зовании энергосберегающих технологий может быть снижено в 1,5 раза (на 30%). Рекомендации по экономии энергии в быту.
Кипятите столько воды, сколько вам нужно, не больше.
После закипания кипятите воду 1—3 мин.
Закрывайте кастрюли и чайники крышками.
Используйте только нужное вам освещение. Остальные све тильники выключайте. Уходя из комнаты, гасите свет.
Больше пользуйтесь маломощным местным освещением (на стольными лампами, торшерами и т.д.).
Следите за чистотой ламп. Вытирайте на них пыль.
Где возможно, применяйте экономичные люминесцентные или натриевые лампы.
При необходимости использования электроотопительных при боров (электрокамины, рефлекторы и т.п.) ликвидируйте утечки тепла из помещения: заделайте щели в окнах, утеплите двери.
Таким образом, экологизация изученных производственных процессов полностью не решена и требует завершения в плане создания безотходных технологий или использования отходов этих производств в качестве вторичного сырья, создания замкнутых производственных циклов
Вопросы для самоподготовки
1. Основные принципы организации химико-технологических процессов
2. Нефтехимические производства технология, продукция, экологизация.
3. Производство синтетических волокон, экологические проблемы.
4. Производство серной кислоты и решение проблем очистки выбросов
5. Производство аммиака и азотной кислоты, азотных удобрений, экологизация производственных процессов
6. Производство фосфорной кислоты и фосфорных удобрений и проблемы утилизации выбросов и твердых отходов
7. Производство эластомеров, очистка выбросов.
8. Производство стройматериалов, их экологизация
9. Экологические проблемы биотехнологических производств.
10. Экологизация производственных процессов получения калийных удобрений
11. Энергетические процессы и проблемы экологии
Тема 5
Нормирование качества окружающей среды
Качество природной среды – это состояние естественных и преобразованных человеком экологических систем, сохранение их способности к постоянному обмену веществ и энергии и воспроизводству в жизни. В естественных экосистемах качество природной среды обеспечивается действием законов природы, в преобразованных – соблюдением меры соответствия природной окружающей среды потребностям живых организмов и экологическим интересам общества. К нормативным законодательным документам по охране ОС относятся: стандарты качества природной среды. Которые подразделяются на экологические и производственные. Экологические стандарты регламентируют предельно допустимые нормы антропогенного воздействия на природную среду, превышение которых угрожает здоровью человека, пагубно для растений и животных. Такие нормы устанавливаются в виде предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ и предельно допустимых уровней (ПДУ) вредных физических воздействий. Производственно-хозяйственные стандарты качества природной среды регламентируют экологически безопасный режим работы производственного, коммунально-бытового и любого другого объекта. К производственно-хозяйственным стандартам качества природной среды относятся предельно допустимые выбросы (ПДВ) загрязняющих веществ в окружающую среду. При нормировании концентраций вещества в воздухе или воде используется принцип лимитирующего показателя, согласно которому нормируется наиболее чувствительный для обслуживающего персонала или окружающей среды показатель. Например, если запах вещества ощущается при концентрации, которая не оказывает вредного влияния на организм человека и ОС, то нормирование производится с учетом порога обонятельных ощущений. Если же вредное воздействие на ОС меньше, чем на организм человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на ОС. ПДК – это мера ограничения содержания загрязняющих веществ в окружающей природной среде. ПДК – это такая максимальная концентрация примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, при воздействии которой на организм человека периодически или в течение всей жизни, прямо или опосредованно (через экологические системы, а также через возможный экологический ущерб) не возникает заболеваний или изменений состояния здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований сразу или в отдаленные сроки настоящего и последующего поколений, и на ОС, в целом. Виды ПДК: ПДКрз – рабочей зоны, это такая концентрация вещества в воздухе, которая не вызывает у работающих людей при ежедневном вдыхании в пределах 8 часов в течение рабочего дня (44 час. рабочей недели) заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований непосредственно в процессе работы или в отдаленной перспективе. Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих. ПДКсс – предельно допустимая средне суточная концентрация вредного (загрязняющего) вещества в воздухе населенного пункта, которое не оказывает на человека прямого или косвенного действия в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания. ПДКмр – предельно допустимая максимально разовая концентрация вредного (загрязняющего) вещества в воздухе населенных мест, это такая концентрация, которая не вызывает рефлекторных (в том числе субсенсорных) реакций в организме человека, при вдыхании в течение 20 мин. Санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы. При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммирующим действием, сумма их не должна превышать единицы С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + …Сn /ПДКn < 1 = q. Ответная реакция организма на суммирующее воздействие загрязняющих веществ: усиление эффекта – синергизм, превышение реакции, вызванной действием каждого из веществ; ослабление эффекта (антагонизм), меньше эффекта любого из веществ смеси; независимое действие – соответствие действия каждого из веществ смеси. Эффектом суммации действия обладают смеси ацетона и фенола, SО2 и фенол, SО2 и NО2, SО2 и Н2S. Если сумма q долей обнаруженных концентраций, отнесенная к их ПДК, не превышает 1, то степень загрязненности атмосферного воздуха с учетом суммации их биологического действия не превышает гигиенических нормативов. Перечень смесей атмосферных загрязнений, для которых должна учитываться суммация биологического действия при совместном присутствии, внесен в санитарное законодательство и используется для гигиенической оценки степени загрязнения атмосферного воздуха на стадии предупреждающего и текущего санитарного надзора. Фактическое загрязнение воздуха городов и населенных пунктов оценивается по 5-и балльной шкале: 1 – допустимое загрязнение (безопасное для человека); 2 – умеренное загрязнение; 3 – слабое; 4 – сильное; 5 – очень сильное (2 – 5 характеризуется возрастанием вероятности возникновения неблагоприятных эффектов). ПДВ – это научно-технический норматив, устанавливаемый из условия, что содержание загрязняющих веществ, в приземном слое воздуха на высоте 1,5 – 2,5 м от поверхности Земли, от источника или их совокупности, не превышало норматива качества воздуха (ПДК) для населения, растительности и животного мира. ПДВ – это максимально допустимое к выбросу в атмосферный воздух количество загрязняющих веществ данным источником загрязнения в единицу времени. Количественно ПДВ определяется как произведение коэффициента разбавления Кр загрязняющего вещества (м3/сек) на значение ПДК (мг/м3) этого вещества, содержащегося в выбрасываемом в атмосферу воздухе. ПДВ = К.ПДК. К –это объем чистого воздуха, необходимый для разбавления выбросавыемого в 1с загрязняющего вещества до концентрации допускаемой санитарными нормами (ПДК). ПДВ устанавливается для каждого стационарного и передвижного источника выбросов, загрязняющих веществ, включая транспортные средства. Для источников неорганизованных (хранилища, ж/д сливно-наливной эстакады) и совокупности мелких и одиночных источников (вентиляционные фонари и т.д.). ПДВ суммируют, тем самым, устанавливая его значение для предприятия или объекта. Расчет ПДВ для проектируемых предприятий и объектов позволяет предусмотреть необходимые мероприятия, обеспечивающие требуемую чистоту воздуха, для действующих мероприятий определяется необходимость проведения мероприятий по снижению значений ПДВ. Когда в воздухе населенного пункта по объективным причинам нельзя поддерживать требуемое значение ПДВ, планируется поэтапное снижение выбросов вредных веществ действующими объектами до значения, обеспечивающего соблюдение ПДК. В этом случае для каждого объекта устанавливается временно согласованные выбросы загрязняющих веществ ВСВ и намечаются мероприятия по их снижению. Порядок и правила установления ПДВ определяются стандартами. При расчете ПДВ учитывают рассеивание загрязняющих веществ от данного источника и поступление в атмосферу аналогичных веществ от других источников загрязнения в данном районе. Нормирование количества выбросов путем ПДВ – промежуточный этап снижения загрязнений природной среды на пути к созданию безотходных технологий. Для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности человека условие концентрация загрязняющего вещества меньше или равно ПДК должно соблюдаться в любых местах его пребывания, неизменно. Как правило, содержание примесей в воздухе рабочей зоны больше, чем на территории (промышленной площадке) и за ее пределами, например, в населенных пунктах, куда загрязняющее вещество поступает рассеянным. Учитывая это обстоятельство, приняты принципы раздельного нормирования загрязняющих веществ. Это означает, что для каждого вредного вещества устанавливается несколько максимально разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде. В частности, одно значение ПДК устанавливается для воздуха рабочей зоны (ПДКрз), под которым подразумевается пространство в пределах 2 м от пола, где находятся места постоянного или временного пребывания работающего; другое – для атмосферного воздуха населенного пункта ПДКнп. На территории предприятий содержание примесей принимается равным 0,3 ПДКрз. Снижение нормы содержания примесей на территории предприятия втрое, по сравнению с ПДКрз, вызвано тем, что воздух территории предприятий используется для вентиляции производственных помещений, где концентрация примесей периодически может быть весьма высокой, т.е. превышать ПДК. Т. о. необходимость раздельного нормирования загрязняющих веществ определяется законом толерантности, т. к. на предприятии в течение рабочего дня загрязненным воздухом дышат практически здоровые люди, прошедшие медицинский осмотр, а в населенных пунктах круглосуточно находятся не только взрослые, но дети, старики, больные люди, поэтому ПДКрз допускается больше ПДКнп.. Наряду с предельно допустимой концентрацией существуют временно допустимые концентрации (ВДК) иначе называемые ориентировочно безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Это временный гигиенический норматив для загрязняющего атмосферу вещества, установленный расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов, применяющийся для населенных мест, в случае отсутствия ПДК или путем интерполяции и экстраполяции в рядах близких по строению соединений или по показателям острой опасности. Величина ПДК зависит от степени токсичности вещества, характеризующейся классом опасности. В зависимости от степени воздействия на организм человека все нормируемые вещества подразделяются на 4-е класса опасности: 1-ый класс – чрезвычайно опасные вещества, значение ПДК которых в воздухе рабочей зоны не превышает 0,1 мг/м3; 2-ой класс – высокоопасные со значением ПДКр.з от 0,1 до 1мг/м3; 3-ий класс – умеренно опасные со значением ПДКр.з от 1 до 10 мг/м3; 4-ый класс – малоопасные со значением ПДК ≥ 10 мг/м3. Например, код 0330 – диоксид серы – класс опасности – ПДК мг/м3, максимально разовая 0,5, среднесуточная 0,05, код 0301 – диоксид азота – 2 – 0,085 и 0.04; 0337 – оксид углерода – 4 – 5,0 и 3,0; 2603 – микроорганизмы и микроорганизмы-продуценты – класс опасности отс – 5000 кл/м3 (ОБУВ) и 1нг/м3. Для достижения сохранения благоприятного качества атмосферного воздуха могут использоваться следующие показатели: нормативы предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и уровней вредных физических воздействий; нормативы предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ и вредных физических воздействий; нормативы предельных объемов образования загрязняющнх веществ при эксплуатации технологического оборудования, объектов и сооружений; нормативы потребления воздуха для производственных нужд; нормативы содержания загрязняющих веществ в отработанных газах и вредных физических воздействий передвижных источников; нормативы удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. В соответствии с действующим законодательством качество атмосферного воздуха определяется нормативами предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ. В качестве интегрального показателя загрязнения воздуха используют показатель Р, который учитывает характер комбинированного действия вредных веществ и класс их опасности. Суммарный показатель загрязнения атмосферы (Рi) рассчитывается по формуле Кi = Сi / ПДКi (Сi – среднегодовая, среднемесячная или среднесуточная концентрация i-го вещества в атмосферном воздухе, мг/м3, ПДКi - среднесуточная ПДК, мг/м3). Для гигиенической оценки загрязнения воздуха можно применять комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) – интегральная оценка загрязнения атмосферного воздуха в городах. По существующим методам оценки уровень загрязнения воздуха считается низким, если значение ИЗА менее 5; повышенным от 5 до 6; высоким – при ИЗА от 7 до 13 и очень высоким, когда ИЗА равен или более 14. Привести данные по городам. ИЗА = (q ср.г.i / ПДК с.г. .i )К.i для каждого вида примесей. Где q ср.г.i - среднегодовая концентрация .i примеси; К .i - 0,85; 1,0; 1,3; 1,7 соответственно для 4,.3, 2, 1 классов опасности. Система мониторинга загрязнений
Тема 6
Защита воздушного бассейна, промышленная и санитарная очистка газовоздушных выбросов промышленных предприятий
Способы борьбы с загрязнением атмосферы основаны на применении конкретных приемов:
– усо вершенствовании технологических процессов (работа по замкну тому циклу, безотходные технологии);
– снижении до минимума количества отходов комплексным использованием сырья (на неф техимических и металлургических предприятиях сооружают сер нокислотные цеха, используя выбрасываемый сернистый ангид рид);
– внедрении прогрессивных методов горения (бездымное ту шение кокса);
– использовании для газообразных выбросов высоких дымовых труб, чтобы снизить концентрацию вредных веществ у поверхности земли.
Но использование высоких труб приводит к загрязнению удаленных районов. Коренное решение этого вопроса заключается в эффективной очистке от вредных газов и пыли до их выброса в атмосферу. В зависимости от дисперсного состава пыли, влажности и других факторов применяют соответствующий тип пылеуловителя. При этом основным критерием является степень очистки и экономические затраты (стоимость оборудования, мон тажа, потребной электроэнергии, эксплуатационных и амортиза ционных расходов).
Промышленная очистка – это очистка газов с целью последующей утилизации или возврата в производство отделенного газа или превращенного в безвредное состояние продукта (ГОСТ 17.2.1.04 – 77). Этот вид очистки является необходимой стадией технологического процесса при этом технологическое оборудование связано друг с другом материальными потоками в соответствии с обвязкой аппаратов. При организации любого производства, и в особенности мало- и безотходного промышленная и санитарная очистка газовоздушных выбросов – необходимая стадия технологической схемы. Санитарная очистка – это очистка газа от остаточного содержания в газе загрязняющих веществ, при котором обеспечивается соблюдение установленных для последнего ПДК в воздухе населенных мест или производственных помещений. Эта очистка осуществляется перед поступлением отходящих газов в атмосферный воздух и именно на этой стадии необходимо предусматривать возможность отбора проб газов с целью контроля их на содержание вредных примесей и оценки эффективности работы очистных сооружений. Выбор способа очистки отходящих газов зависит от конкретных условий производства и определяется рядом основных факторов: объемом и температурой отходящих газов, агрегатным состоянием и физико-химическими свойствами примесей, концентрацией и составом примесей, необходимостью рекуперации или возвращения их в технологический процесс; капитальными и эксплуатационными затратами, экологической обстановкой в регионе. Прежде чем выбрать оборудование для очистки промвыбросов необходимо провести комплекс организационно-технических мероприятий для снижения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу. Рекуперация – от лат. получение вновь, техническое улавливание и использование отходов производства, обратное получение веществ, расходуемых при технологических процессах (растворителей, смазочных масел). Установки очистки газа по ГОСТ 17.2. 1.04 – 77 – это комплекс сооружений, оборудования и аппаратуры, предназначенный для отделения от поступающих из промышленного источника газа или превращение в безвредное состояние веществ загрязняющих атмосферу. В зависимости от агарегатного состояния улавливаемого или обезвреживаемого вещества установки подразделяются на газоочистные и пылеулавливающие. Аппарат очистки газа – элемент установки, в котором непосредственно осуществляет избирательный процесс улавливания или обезвреживания веществ, загрязняющих атмосферу. В зависимости от метода очистки газоочистные аппараты подразделяют на 7 групп:
1 группа (С) – сухие механические пылеуловители (гравитационные, сухие инерционные и ротационные);
2 группа (М) – мокрые пылеуловители (инерционные, конденсационные), скрубберы (механические, ударно-инерционные, полые, насадочные, центробежные), скрубберы Вентури;
3 группа (Ф) – промышленные фильтры (рукавные, волокнистые, карманные, зернистые), с регенерацией (импульсной обратной промывкой ультразвуком), с механическим и вибровстряхиванием;
4 группа (Э) – электрические пылеуловители (сухие и мокрые электрофильтры);
5 группа (Х) – аппараты сорбционные (химической) очистки газа от газообразных примесей (адсорберы, абсорберы);
6 группа (Т) – аппараты термической и термокаталитической очистки газов от газообразных примесей (печи сжигания, каталитические реакторы);
7 группа (Д) – аппараты других методов очистки.
Работа газоочистных установок в промышленных условиях характеризуются степенью очистки, которая определяется по одному из следующих соотношений: η = М2 / М1 = (М1 – М3) / М1 = М2 / (М2 + М3) = (Свх Q1 – Свых Q2) / Свх Q1, где М1, М2, М3 – масса примесей, содержащихся в газе до поступления в аппарат; уловленных в аппарате и содержащихся в очищенном потоке, соответственно, кг; Свх, Свых – средние концентрации примесей в отходящих газах до и после очистки, соответственно, г/м3; Q1 , Q2 – объемные расходы отходящих газов до и после очистки, приведенные к нормальным условиям. Иногда эффективность работы газоочистного оборудования вычисляют по упрощенной формуле η = 1 – (Свых/ Свх), но только в случае одинаковых газовых потоков до и после очистки. Кроме того, газоочистное оборудование характеризуется величиной аэродинамического сопротивления, технологическими условиями очистки (температура. Влажность газового потока, дисперсность и плотность пыли. Способность ее к коагуляции и гидратации, заряд частиц пыли, физико-химические свойства примесей, пожаро- и взрывоопасность. Объемный расход очищаемого газа, метало- и энергоемкостью, расходом орошающей жидкости, себестоимостью очистки 100 м3 газа). Основные требования к эксплуатации газоочистного оборудования состоят в следующем:
– надежная и бесперебойная работа на проектных показателях;
– все установки очистки газа должны быть зарегистрированы в органах Минприроды РБ, иметь паспорт, журнал учета работы и неисправностей;
– установки должны подвергаться проверке на эффективность периодически (не реже одного раза в год) с оформлением соответствующего акта.
Установки, предназначенные для очистки выбросов с токсичными примесями, проверяют на эффективность не реже 2-х раз в год. При переходе установки на новый режим работы (постоянный), при работе на измененном режиме более 3-х месяцев, после капремонта или реконструкции установки, после строительства.
Кроме того, газоочистное оборудование характеризуется величиной аэродинамического сопротивления, технологическими условиями очистки (температура, влажность газового потока, дисперсность и плотность пы ли, способность ее к коагуляции и гидратации, заряд .частиц пыли, физи ко-химические свойства примесей, пожаро- и взрывоопасность, объемный расход очищаемого газа и т. д.), металле- и энергоемкостью, расходом орошающей жидкости, себестоимостью очистки 100 м3 газа и др.
Основные требования к эксплуатации газоочистного оборудования за ключаются в следующем:
– надежная, бесперебойная работа с показателями, соответствующими проектным;
– все установки очистки газа должны быть зарегистрированы в орга нах Минприроды Беларуси, должны иметь паспорт, журнал учета работы и неисправностей;
– установки должны подвергаться проверке на эффективность пе риодически (не реже одного раза в год) с оформлением акта, а также при работе технологического оборудования на измененном режиме более трех месяцев, при переходе его на но вый постоянный режим работы и после строительства, капитально го ремонта или реконструкции установки. Установки, предназна ченные для очистки выбросов с токсичными примесями, проверяют на эффективность не реже 2 раз в год;
– эксплуатация технологического оборудования при отключенных установках очистки газа запрещается;
– увеличение производительности технологического оборудования без соответствующего наращивания мощности существующих установок очистки газа не разрешается;
– при эксплуатации установок очистки газа, предназначенных для очистки газов с высоким содержанием горючих, взрывоопасных, агрессивных, абразивных веществ, следует строго соблюдать пра вила эксплуатации и следить за герметичностью оборудования и исправностью всех его систем и устройств.
Пылеулавливающее оборудование. В соответствии с ГОСТ 12.2.043-80 пылеулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения пы ли от газовоздушного потока делится на сухое, когда частицы пыли осаж даются на сухую поверхность, и мокрое, когда отделение частиц пыли производится с использованием жидкостей.
Пылеулавливающее оборудование по принципу действия подразделя ется на группы, а по конструктивным особенностям на виды, которые представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Классификация пылеулавливающего оборудования
|
Группа оборудования |
Вид оборудования |
|
|
Сухой способ |
Мокрый способ |
|
|
Гравитационное |
Полое |
- |
|
Полочное |
- |
|
|
Инерционное |
Камерное |
Циклонное |
|
Жалюзийное |
Ротационное |
|
|
Циклонное |
Скрубберное |
Методы и средства защиты атмосферы.
Основные методы защиты атмосферы от химических примесей
Все известные методы и средства защиты атмосферы от хими ческих примесей можно объединить в три группы. В первую группу входят мероприятия, направленные на сни жение мощности выбросов, т.е. уменьшение количества выбра сываемого вещества в единицу времени. Во вторую группу входят мероприятия, направленные на защиту атмосферы путем обра ботки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки. В третью группу входят мероприятия по нор мированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройст вах, так и в регионе в целом.
Для снижения мощности выбросов химических примесей в атмосферу наиболее широко используют:
– замену менее экологичных видов топлива более экологичными;
– сжигание топлива по специальной технологии;
– создание замкнутых производственных циклов.
В первом случае применяют топливо с более низким баллом загрязнения атмосферы. При сжигании различных топлив такие показатели, как зольность, количество диоксида серы и оксидов азота в выбросах, могут сильно различаться между собой, по этому введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах, который отражает степень вредного воздействия на человека. Так, для сланцев он равен 3,16, подмосковного угля – 2,02, экибастузского угля – 1,85, березовского угля – 0,50, природ ного газа – 0,04.
Сжигание топлива по особой технологии осуществ ляется либо в кипящем (псевдоожиженном) слое, либо с предвари тельной их газификацией.
Для уменьшения мощности выброса серы твердое, порошко образное или жидкое топливо сжигают в кипящем слое, который формируется из твердых частиц золы, песка или других веществ: инертных или реакционно-способных). Твердые частицы вдуваются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно пере мешиваются и образуют принудительно равновесный поток, ко торый в целом обладает свойствами жидкости.
Рисунок 2 – Схема тепловой электростанции с использованием дожигания топочных газов и впрыскиванием сорбента
Предварительной газификации подвергаются уголь и нефтя ные топлива, однако на практике чаще всего применяют газифи кацию угля. Поскольку в энергетических установках получаемый и отходящий газы могут быть эффективно очищены, то концен трации диоксида серы и твердых частиц в их выбросах будут ми нимальными.
Одним из перспективных способов защиты атмосферы от хи мических примесей является внедрение замкнутых производст венных процессов, которые сводят к минимуму выбрасываемые в атмосферу отходы, вторично используя их и потребляя, т. е. пре вращая их в новые продукты.
Классификация систем очистки воздуха и их параметры. По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделя ются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Промыш ленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости.
Системы очистки воздуха от пыли (рисунок 3) делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также элек трофильтры и фильтры.
Рисунок 3 – Системы и методы очистки вредных выбросов
Хотя имеет место многообразие конструкций пылеуловителей, все они основаны на принципах осаждения взвешенной фазы. Пылегазовые смеси представляют собой аэродисперсную систему, в которой дисперсная фаза (пылинки) распределены в дисперси онной среде (газе). Движущими силами процесса осаждения пыли являются: сила тяжести частиц и сила диффузии частиц вслед ствие броуновского движения. Гравитационным полем (силой тя жести) осаждаются только относительно крупные частицы пыли. Поэтому пылеуловители базируются на использовании силового поля, которое необходимо создать искусственно (силы инерции при изменении направления и скорости пылегазового потока; электрического притяжения заряженных частиц к осадительному электроду; процесс коагуляции — образование элемента из не скольких частиц; фильтрование газа через пористые перегородки). Чтобы не допустить обратного процесса, мешающего пылеулавли ванию (возвращение осевших частиц обратно в поток газа), при нимаются специальные меры: смачивание осадительной поверх ности, снижение скорости потока, повышение его влажности.
При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тон кой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м3.
Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называе мых туманоуловителями.
Средства защиты воздуха от газопарообразных примесей зави сят от выбранного метода очистки. По характеру протекания фи зико-химических процессов выделяют метод абсорбции (про мывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (про мывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.
Все процессы извлечения из воздуха взвешенных частиц включают, как правило, две операции: осаждение частиц пыли или капель жидкости на сухих или смоченных поверхностях и удаление осадка с поверхностей осаждения. Основной операцией является осаждение, по ней собственно и классифицируются все пылеуловители. Однако вторая операция, несмотря на кажущуюся простоту связана с преодолением ряда технических трудностей, часто оказывающих решающее влияние на эффективность очист ки или применимость того или иного метода. Хотя имеет место многообразие конструкций пылеуловителей, все они основаны на принципах осаждения взвешенной фазы. Пылегазовые смеси представляют собой аэродисперсную систему, в которой дисперсная фаза (пылинки) распределены в дисперси онной среде (газе). Движущими силами процесса осаждения пыли являются: сила тяжести частиц и сила диффузии частиц вслед ствие броуновского движения. Гравитационным полем (силой тя жести) осаждаются только относительно крупные частицы пыли. Поэтому пылеуловители базируются на использовании силового поля, которое необходимо создать искусственно (силы инерции при изменении направления и скорости пылегазового потока; электрического притяжения заряженных частиц к осадительному электроду; процесс коагуляции — образование элемента из не скольких частиц; фильтрование газа через пористые перегородки). Чтобы не допустить обратного процесса, мешающего пылеулавли ванию (возвращение осевших частиц обратно в поток газа), при нимаются специальные меры: смачивание осадительной поверх ности, снижение скорости потока, повышение его влажности.
Выбор того или иного пылеулавливающего устройства, кото рое представляет систему элементов, включающую пылеулови тель, разгрузочный агрегат, регулирующее оборудование и вен тилятор, предопределяется дисперсным составом улавливаемой частицы промышленной пыли. Поскольку частицы имеют раз нообразную форму (шарики, палочки, пластинки, игла, волокна и т.д.), то для них понятие размера условно. В общем случае принято характеризовать размер частицы величиной, опреде ляющей скорость ее осаждения, - седиментационным диамет ром. Под ним подразумевают диаметр шара, скорость осаждения и плотность которого равны скорости осаждения и плотности частиц.
Для очистки выбросов от жидких и твердых примесей приме няют различные конструкции улавливающих аппаратов, рабо тающих по принципу:
- инерционного осаждения путем резкого изменения направ ления вектора скорости движения выброса, при этом твердые частицы под действием инерционных сил будут стремиться дви гаться в прежнем направлении и попадать в приемный бункер;
- осаждения под действием гравитационных сил из-за раз личной кривизны траекторий движения составляющих выброса (газов и частиц), вектор скорости движения которого направлен горизонтально;
- осаждения под действием центробежных сил путем прида ния выбросу вращательного движения внутри циклона, при этом твердые частицы отбрасываются центробежной силой к сетке, так как центробежное ускорение в циклоне до тысячи раз больше ус корения силы тяжести, это позволяет удалить из выброса даже весьма мелкие частицы;
- механической фильтрации - фильтрации выброса через по ристую перегородку (с волокнистым, гранулированным или по ристым фильтрующим материалом), в процессе которой аэрозольные частицы задерживаются, а газовая составляющая полно стью проходит через нее.
Процесс очистки от вредных примесей характеризуется тремя основными параметрами: общей эффективностью очистки, гид равлическим сопротивлением, производительностью. Общая эф фективность очистки показывает степень снижения вредных при месей в применяемом средстве и характеризуется коэффициентом
где Свх и Свых - концентрации вредных примесей до и после сред ства очистки. Гидравлическое сопротивление определяется как разность давления на входе Рвх и выходе Р,ых из системы очистки:
где Е, - коэффициент гидравлического сопротивления; р и v — плотность (кг/м3) и скорость воздуха (м/с) в системе очистки со ответственно.
Производительность систем очистки показывает, какое коли чество воздуха проходит через нее в единицу времени (м3/ч).
Системы и аппараты пылеулавливания.
Сухие пылеуловители. К сухим пылеуловителям относятся та кие, в которых очистка движущегося воздуха от пыли происходит механически под действием сил гравитации и инерции. Эти сис темы называются инерционными, так как в них при резком изме нении направления движения газового потока частицы пыли, по инерции сохраняя направление своего движения, ударяются о по верхность, теряют свою энергию и под действием сил гравитации осаждаются в специальном бункере.
Для сухой очистки газов наиболее употребительны центро бежные обеспыливающие системы (циклоны) (рисунок 4).Газовый поток, попадая во внутренний корпус циклона 1 через патрубок 2, совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по направлении к бункеру 4. Под действием сил инерции частицы пыли осаждаются на стенках корпуса, а затем попадают в бункер. Очищенный газовый поток выходит из бункера через патрубок 3. Особенностью таких систем очистки является обязательная гер метичность бункера, в противном случае из-за подсоса воздуха осаждаемые частицы пыли падают в выходную трубу.
Рисунок 4 – Циклон
На практике используют разные системы подачи и удаления воздуха и пылеосаждения (рисунок 5). В зависимости от конструк тивного исполнения различают циклоны:
- осевые, в корпусе которых входящие и выходящие потоки газа движутся вдоль его оси, при этом они могут двигаться в одном направлении (прямоточные) или в противоположных (противоточные);
- с тангенциальным входом, при этом входящий газ движется по касательной к окружности поперечного сечения корпуса аппарата и перпендикулярно к оси корпуса;
- с винтовым входом, при этом движение входящего потока газа приобретает винтовой характер с помощью тангенциального входного патрубка и верхней крышки с винтовой поверхностью;
- со спиральным входом, когда соединение выпускного патрубка с корпусом аппарата выполнено спиральным.
Рисунок 5 – Пылеотделители
В общем случае частицы пыли выделяются в циклоне под дей ствием центробежной силы в процессе вращения газового потока в корпусе аппарата. В промышленности используют циклоны, рассчитанные на скорость газового потока от 5 до 20 м/с. Эффек тивность их зависит от концентрации пыли и размеров ее частиц и резко снижается при уменьшении этих показателей. Средняя эффективность обеспыливания газов в циклонах составляет 0,98 при размере частиц пыли 30...40 мкм, 0,8 - при 10 мкм, 0,6 - при 4...5 мкм. Производительность циклонов лежит в диапазоне от нескольких сот до десятков тысяч кубических метров в час. Пре имущество циклонов - простота конструкции, небольшие разме ры, отсутствие движущихся частей; недостатки - затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.
Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуло вителей, например ротационные, вихревые, радиальные. При об щих принципах действия они различаются системами пылеулавли вания и способами подачи воздуха. К наиболее эффективным сле дует отнести ротационный пылеуловитель (рисунок 6). Основной частью здесь является вентиляционное колесо 1, при работе ко торого частицы пыли под действием цен тробежных сил отбрасываются к стенке кожуха 2 и, оседая на стенках, попадают в пылеприемник 3, а чистый воздух выходит через патрубок 4. Благодаря активному действию такие системы имеют эффектив ность 0,95...0,97.
Рисунок 6 – Пылеуловитель ротационного типа
Мокрые пылеуловители. Особенностью этих систем очистки является высокая эф фективность очистки от мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очи стки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского дви жения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсу ночные скрубберы и скрубберы Вентури, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов (рисунок 7).
Рисунок 7 – Классификация мокрых пылеуловителей
Наибольшее практическое применение находят скрубберы Вентури (рисунок 8), (аппарат для промывки жидкостью газов в целях извлечения из них отдельных компонентов) которые работают следующим образом. Через патрубок 4 газ подается в устройство 2, которое называется со плом Вентури. Сопло Вентури имеет конфузор (сужение), в кото рый через форсунки 1 подается вода на орошение. В этой части сопла скорость газа увеличивается, достигая максимума в самом узком сечении (с 10...20 до 100...150 м/с).
Рисунок 8 – Скруббер Вентури
Увеличение скорости способствует осаждению частиц пыли на каплях воды. В диффузорной части сопла Вентури скорость потока мокрых газов уменьшается до 10...20 м/с. Этот поток подается в корпус 3, где под действием сил гравита ции происходит осаждение за грязненных пылью капель. В верхнюю часть корпуса выходит очищенный газ, а в нижнюю попадает шлам. Эффективность скрубберов Вентури 0,97...0,98. Расход во ды составляет 0,4...0,6 л/м3.
Полый скруббер представляет собой колонну круглого сечения. В нее подается жидкость через систему форсу нок, число которых может достигать 14...16 по сечению колонны. В насадочном скруббере используется система попереч ного орошения с наклонно установленной насадкой. Эффектив ность таких систем достигает 0,9.
Среди систем мокрой пылеочистки высокая эффективность отмечена в скрубберах ударно-инерционного действия (рисунок 9).
Рисунок 9 – Скруббер ударно-инерционного действия
В этих аппаратах контакт газов с жидкостью осуществляется при ударе газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации или непосредственным отводом газожидкостной взвеси в сепаратор жидкой фазы. Один из вариантов такого скруббера состоит из цилиндрического кожуха 3, сливного кони ческого бункера 9, корпуса 4 и выхлопной трубы 5 для вывода очищенного воздуха (газа).
Запыленный воздух поступает через воздуховод 6 в вертикаль ный стояк 7. Перед поворотом на 180° воздух ударяется о поверх ность воды А - А, вследствие чего сепарируются крупные части цы пыли. Далее воздух проходит через решетку 1 с отверстиями. На нее же через трубу 2 подается вода, излишки которой слива ются через трубу 8 и частично через отверстия решетки 1. Между решеткой и уровнем В - В образуется водяная пена, которая за тем распространяется в объеме К, заполненном короткими фар форовыми цилиндрами. Мелкие частицы пыли последовательно улавливаются в пене, а затем в объеме К.
Электрофильтры. Их работа основана на одном из наиболее эффективных видов очистки газов от пыли – электрическом. Следует отметить, что электрофильтры также используются и для очистки тумана. Основной принцип работы - ударная ионизация газа в неоднородном электрическом поле, которое создается в зазоре между коронирующим 1 и осадительным 2 электродами (рисунок 10).
Рисунок 10 – Схема расположения электродов в электрофильтре
Напряжение к электродам подается от выпрямителя 4. Силовые линии 3 на правлены от осадительного электрода к коронирующему.
Загрязненные газы, попав между электродами, способны проводить элек трический ток вследствие имеющейся частичной ионизации. При увеличении напряжения электрического тока число ионов растет, пока не наступит пре дельное насыщение и все ионы не ока жутся вовлеченными в движение от од ного электрода к другому. Отрицательно заряженные частицы движутся к осадительному электроду, а положительно за ряженные оседают на коронирующем электроде. Так как большинство частиц пыли получают отрица тельный заряд, основная масса пыли осаждается на положитель ном осадительном электроде, с которого пыль легко удаляется.
Эффективность очистки газов электрофильтрами достигает 0,9...0,99, производительность их— до 1 млн м3/ч.
Фильтры. Широко используются для тонкой очистки про мышленных выбросов. Работа их основана на фильтровании воз духа через пористую перегородку, в процессе которой твердые частицы примесей задерживаются на ней. В общем случае в кор пусе 1 фильтра расположена возду хопроницаемая перегородка 2, на которой осаждаются улавливаемые частицы 3 (рисунок 11).
Рисунок 11 – Схема процесса фильтрации
В фильтрах применяются пе регородки различных типов:
1) в виде зернистых слоев, на пример гравия (неподвижные сво бодно насыпанные материалы);
2) гибкие пористые (ткани, войлоки, губчатая резина, пенополиуретан);
3) полужесткие пористые (вязаные сетки, прессованные спи рали и стружка);
4) жесткие пористые (пористая керамика, пористые металлы).
Фильтры 1-го типа (из гравия) используются для очистки от пылей механического происхождения (дробилок, грохота, мель ниц); они дешевы, просты в эксплуатации, эффективность 0,99.
Фильтры 2-го типа широко используются для тонкой очистки газов от примесей; их основные недостатки - малая термостой кость, низкая прочность.
Фильтры 3-го типа, изготавливаемые из различных сталей, меди, бронзы, никеля и других металлов, могут работать в широ ком диапазоне частот до 1000 К, в агрессивных г.пр.пях
Фильтры 4-го типа, изготавли ваемые из пористой керамики и по ристых металлов, обладают высокой прочностью, коррозионной стойко стью, жаростойкостью; они техноло гичны, находят широкое применение для очистки горючих газов и жидко стей, выбросов дыма, туманов, ки слот, масел.
В промышленности наиболее употребительны тканевые рукавные фильтры (рисунок 12). В корпусе фильт ра устанавливается необходимое чис ло рукавов, на которые подается за грязненный воздух, при этом очи щенный воздух выходит через патрубок. Частицы загрязнений осе дают на фильтре. Насыщенные за грязненными частицами рукава про дувают и встряхивают для удаления осажденных частиц пыли. Эффек тивность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером бо лее 0,5 мкм.
Рисунок 12 – Схема рукавного фильтра
Для тонкой очистки запыленных газов и улавливания ценных аэрозо лей из отходящих газов применяется металлокерамическип фильтр ФМК. Фильтрующие элементы, собранные из металлокерамических трубок, за креплены в трубной решетке и заключены в корпус фильтра. На наружной поверхности фильтрующего элемента образуется слой уловленной пыли. Для разрушения и частичного удаления этого слоя предусмотрена обрат ная продувка сжатым воздухом. Степень очистки газов от пыли составля ет 99,99 %.
В промышленности для тонкой очистки газов от пыли и токсичных примесей широко используется большое количество конструкций фильт ров из пористых материалов. К ним относятся фильтры с полужесткими фильтровальными перегородками из ультратонких полимерных материа лов (фильтры Петрянова), обладающих термостойкостью, механической прочностью и химической стойкостью. Среди множества конструкций фильтров этого типа наиболее широкое распространение получили ра мочные фильтры (рис. 4.19).
Фильтр собирается из трехсторонних рамок таким образом, чтобы торцевая сторона оказывалась попеременно то справа, то слева. Фильтро вальная перегородка 2 укладывается так, как показано на схеме (рис. 4.19, д). Воздух проходит в щели между рамками, фильтруется через фильтровальную перегородку и выходит очищенным с другой стороны. Пакет из рамок помещается в корпус 4. Чтобы полотна не соединялись друг с другом под напором воздушного потока, между ними ставят гоф рированные сепараторы 3 (рис. 4.19, а, б, в, г, д). Со стороны входа запы ленного потока на корпусе имеется фланец 5 с наклеенной резиновой прокладкой 6. Корпус фильтра изготавливается из фанеры, пластмасс, ме талла.
Известно много конструкций посадочного фильтра коробчатого типа с насадкой из стекловолокна, шлаковаты и других волокнистых материалов.
Коробчатые, или кассетные, фильтры ис пользуются обычно для очистки вентиляционных газов при низких температу рах (30–40 °С) и небольшой начальной запыленности порядка 0,1 г/м3.
Для санитарной очистки вентиляционного воздуха, содержащего ту ман и брызги кислот, щелочей и других аэрозолей, широко используются волокнистые фильтры типа ФВГ-Т (рис. 4.20). Внутри корпуса фильтра размещены кассеты с фильтрующим материалом, наложенным на каркас и прижатым решеткой из пруткового материала. Кассеты изготавливают ся в виде вертикально расположенных складок. Установка и смена их осуществляется через монтажный люк. Фильтр работает в режиме накоп ления уловленного продукта на поверхности фильтрующего материала с частичным стоком жидкости. По достижении перепада давления 500 Па фильтр подвергается периодической промывке (обычно один раз в 15–30 сут) с помощью переносной форсунки, вводимой через люк. Разработаны и выпускаются фильтры пяти типоразмеров производи тельностью от 3,5 до 80,0 м3/ч. Фильтр ФВГ-1,6 изготавливается в правом и левом исполнении в зависимости от стороны обслуживания, осталь ные – с двусторонним обслуживанием. Фильтрующим материалом служит войлок (диаметр волокон около – 70 мкм) с толщиной слоя 4–5 мм.
Одним из энергоэконо мичных, эффективных и на дежных в эксплуатации пы леуловителей является во локнистый орошаемый кас сетный фильтр (рис. 4.21), состоящий из корпуса 1, волокнистых перегородок 2, опорной решетки 3 и каплеотделителя 5. Запылен ный поток газа поступает в корпус фильтра и фильт руется через иглопробив ной материал, который по стоянно или периодически орошается с помощью распылительных форсунок 4, При этом одновременно происходит улавливание пыли, а также токсичных газов и паров и самоочищение волокнистого слоя.
Улавливание примесей на волокнистом слое, орошаемом жидкостью, состоит из нескольких взаимосвязанных процессов:
• дробление капель жидкости при попадании их на волокнистый слой;
• передвижение капель жидкости внутри волокнистого слоя и обра зование дисперсионно-пенного слоя (ДП-слоя), в котором происхо дит столкновение капель жидкости с волокнами, захват аэрозолей и сорбция газов;
• коагуляция капель жидкости и удаление ее из слоя.
Кроме этих основных процессов одновременно протекает ряд других явлений, влияющих на процесс массообмена:
• движение жидкости в нижнюю часть слоя;
• теплообмен между газом и жидкостью и, как следствие, испарение жидкости и конденсация пара;
• ионный обмен при использовании ионообменных волокнистых ма териалов;
• адсорбция частиц на поверхности волокна;
• адгезия.
Все перечисленные процессы протекают одновременно, четкой грани цы между ними не существует, но они отличаются по степени участия в процессе массообмена. Дробление капель жидкости и перемешивание их в ДП-слое являются наиболее существенными факторами в интенсифика ции массообмена, другие факторы менее значимы и мало влияют на эф фективность массопередачи или даже препятствуют ей, например движе ние жидкости вниз волокнистого слоя и абсорбция частиц на волокне. Наиболее стабильным является такой режим улавливания, при котором жидкая фаза свободно проходит через слой волокна и в слое отсутствуют такие процессы, как коагуляция капель и стекание жидкости в нижнюю часть волокнистого слоя. В этом случае во всем волокнистом слое проис ходит интенсивный процесс массообмена и ДП-слой образуется по всей толщине волокнистого материала. Такой режим улавливания возможен только при высоких скоростях газового потока и зависит от плотности на бивки волокнистого материала, степени его гидрофобности и дисперсно сти жидкой фазы.
В качестве волокнистого материала в этих фильтрах используются по липропиленовые, лавсановые или ионообменные волокна типа ВИОН АС-1 или ВИОНАН-1.
Интересной конструкцией фильтра с использованием ионообменных волокон является рамный ионообменный фильтр, разработанный в Мин ске Институтом физико-органической химии Национальной академии на ук Беларуси и НПО «Экофил-Деко». Общий вид фильтра представлен на рис. 4.22. Рамные ионообменные фильтры (РИФ) предназначены для очистки газов от токсичных газообразных и аэрозольных примесей (диоксид серы, фторид и хлорид водорода, диоксид азота, сероводород,
Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим их стеканием под действием гравитационных сил (рисунок 13). В пространстве между двумя цилиндрами 3, изго товленными из сеток, размещается волокнистый фильтрующий материал 4. Жидкость, оседающая на фильтрующем материале, стекает через гидрозатвор 6 в приемное устройство 7. Крепление к корпусу туманоуловителя 1 осуществляется фланцами 2 и 5.
В качестве материала фильтрующего эле мента используется войлок, лавсан, полипро пилен и другие материалы толщиной 5...15 см. Эффективность туманоуловителей для разме ров частиц менее 3 мкм может достигать 0,99.
Для улавливания кислотных туманов применяются также сухие электрофильтры.
Рисунок 13 – Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоуловителя
В настоящее время в целом по промышленности улавливается около 90 % пыли, образующейся на различных стадиях производства, и только 10 % различных аэрозолей выбрасывается в атмосферный воздух. Такого нельзя сказать о газо- и парообразных примесях вредных веществ, содер жащихся в газовоздушных выбросах промышленного производства. Не смотря на то, что эти примеси представляют собой большую опасность для окружающей среды, их улавливается или обезвреживается только около 10 %, а более 90 % вредных газов и паров поступает в воздушный бассейн.
Сложность решения этой проблемы и предопределила путаницу в тер минологии методов обработки выбросов. Так, в современной научно-технической и даже учебной литературе часто под термином «очистка» подразумеваются все остальные способы обезвреживания, обеззаражива ния и дезодорации газовоздушных выбросов, что совершенно необосно ванно. Терминологические разночтения затрудняют и разработку соответ ствующих методов обработки отходящих от производства выбросов.
В связи с изложенным приводим основные определения терминов.
Очистка - удаление (выделение, улавливание) примесей из различ ных сред.
Обезвреживание - обработка примесей до безвредного для людей, животных, растений и в целом для окружающей среды состояния.
Обеззараживание - инактивация (дезактивация) микроорганизмов различ ных видов, находящихся в газовоздушных выбросах, жидких и твердых средах.
Дезодорация - обработка одорантов (веществ, обладающих запахом), содержащихся в воздухе, воде или твердых средах, с целью устранения или снижения интенсивности запахов.
Способы очистки выбросов от га зообразных и парообразных примесей можно разделить на две основные группы: абсорбция жидкостями и адсорбция твердыми поглотителями.
Абсорбция – это процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями – абсорбентами. Различают фи зическую и химическую абсорбцию. При физической абсорбции молекулы поглощаемого вещества (абсорбтива) не вступают с молекулами абсор бента в химическую реакцию. При этом над раствором существует опре деленное равновесное давление компонента. Процесс абсорбции проходит до тех пор, пока парциальное давление целевого компонента в газовой фа зе выше равновесного давления над раствором.
При химической абсорбции молекулы абсорбтива вступают в химиче ское взаимодействие с активными компонентами абсорбента, образуя но вое химическое соединение. При этом равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало по сравнению с физической абсорбцией и возможно полное его извлечение из газовой среды.
Процесс абсорбции является избирательным и обратимым. Избира тельность – это поглощение конкретного целевого компонента (аб сорбтива) из смеси при помощи абсорбента определенного типа. Про цесс является обратимым, так как поглощенное вещество может быть снова извлечено из абсорбента (десорбция), а абсорбтив снова может быть использован в процессе.
Методы и системы очистки от газообразных примесей. Метод абсорбции заключается в разделе нии газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсор бентом) с образованием раствора. Состав аб сорбента выбирается из условия растворения в ней поглощаемого газа. Например, для уда ления из технологических выбросов таких га зов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве погло тительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических уг леводородов (из коксового газа) — вязкие масла.
Установки, реализующие метод аб сорбции, называются абсорберами. В абсорберах жидкость дробится на мел кие капли для обеспечения более высо кого контакта с газовой средой. В оро шаемом скруббер-абсорбере насадка размещается в плоскости вертикальной колонны. В качестве насадки используют кольца с перфо рированными стенками, изготавли ваемыми из металла, керамики, пла стмассы и других материалов с макси мальной коррозионной устойчивостью. Орошение колонн абсорбентом осуще ствляется из разбрызгивателей. За грязненный газ поступает снизу и направляется вверх, подверга ясь непрерывной очистке.
Скорость абсорбции зависит главным образом от температуры и давления: чем выше давление и ниже температура, тем выше скорость абсорбции. Все аппараты жидкостной абсорбции делят ся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы.
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химиче ских соединений. Реакции хемосорбции экзотермические.
Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов селективно извлекать из газовоздушной смеси отдельные ее компоненты. Широко известный пример ад сорбента с ультрамикроскопической структурой – активирован ный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах.
Конструктивно адсорберы выпол няются в виде вертикальных или гори зонтальных емкостей, заполненных ад сорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.
При каталитическом методе токсичные компоненты газовоз душной смеси, взаимодействуя со специальным веществом - ка тализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы или их соединения (плати на, оксиды меди и марганца и пр.). Катализатор, выполняемый в виде шаров, колец или спиральной проволоки, играет роль уско рителя химического процесса.
Добавка благородных металлов в ви де пленки на поверхности катализатора составляет сотые доли процента к его массе.
Термический метод или высокотемпературное дожигание, ко торый иногда называют термической нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного произ водства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9...0,99, температура в зоне горения - 500...750°С.
Серьезной проблемой современности являются значительные выбросы сернистого ангидрида и окислов азота, которые разно сятся на огромные расстояния и выпадают в виде «кислотных дож дей», заражая водоемы, зеленые насаждения, грунтовые воды. Выбросы этих вредных веществ наблюдаются в металлургии, при производстве серной кислоты и минеральных удобрений.
Наиболее перспективным направлением развития сернокислот ного производства считают получение кислоты по схеме ДКДА (двойное контактирование – двойная абсорбция). Общая степень контактирования в процессе достигает 99,8%, дополнительной очистки газа от сернистого ангидрида не требуется, выбросы S02 в атмосферу в два-три раза ниже, чем при одностадийном контак тировании; повышается коэффициент использования сырья.
Крупная сернокислотная система эксплуатируется на Черепо вецком ПО «Аммофос», оснащенном печами КС-450 с водотруб ными котлами-утилизаторами, системой сухой газоочистки с по мощью сухих электрофильтров. Улавливание тумана и брызг сер ной кислоты осуществляется в волокнистых брызгоуловителях. Отходящие серосодержащие газы сернокислого производства очищаются аммиачно-сульфатным, азотно-каталитическим, кис лотно-каталитическим или аммиачно-циклическим методом. Аммиачно-сульфатный метод заключается в абсорбции диоксида серы раствором сульфита и бисульфита аммония с последующим раз ложением этого раствора серной кислотой. Выделяющийся при этом диоксид серы направляется на сжижение или в основное серно кислое производство. Образующийся раствор сульфата аммония перерабатывается в сухой продукт или используется при произ водстве минеральных удобрений. Метод обеспечивает надежную очистку отходящих газов до требований санитарных норм. К недо статкам метода можно отнести необходимость затраты серной кис лоты на разложение сульфит-бисульфитных растворов, аммиака и переработки сульфата аммония.
В аммиачно-циклическом процессе в раствор, выводимый с установки улавливания газов, добавляют аммиак: часть получен ного раствора (при содержании бисульфита аммония 820 г/л) по дают в отгонную колонну для получения 100% S02, а остальное — выводится как товарный продукт.
Вопросы для самопроверки
1. Системы и методы очистки вредных выбросов в атмосферу
2 Схемы и методы очистки воздушных выбросов от пыли
3 Воздушные фильтры, виды и принципы работы.
4 Циклоны, устройство, принципы работы.
5 Скрубберы, принципы работы, типы скруберров
6 Абсорбция, адсорбция, хемосорбция, характеристика и примеры использования.
7 Сухие и мокрые пылеуловители, эффективность работы
Тема 7
Рациональное водопользование и нормирование
водопотребления и водоотведения
Гидросфера – водная оболочка Земли, играющая огромную роль в создании, существовании и развитии биосферы. Без гидросферы невозможно существование живых организмов. Вода как химическое соединение обладает рядом специфических свойств и особенностей, которые определили в значительной мере строение и функции населяющих ее живых существ и живого вещества биосферы в целом. Как жидкость вода хороший растворитель, основная среда и участник большинства биохимичесих реакций и процессов в живых организмах. В природе вода является аккумулятором солнечной и термической энергии и распределителем этой энергии по планете. Имеет высокую диэлектрическую проницаемость; может испаряться, в том числе и в замёрзшем состоянии; имеет аномально высокую скрытую теплоту испарения – 2263,8 Дж /г при 1000С; высокое поверхностное натяжение и полную прозрачность в видимом участке спектра; несжимаема. В экологическом плане вода уникальна и незаменима как источник газообразного кислорода. Выделяемого в процессе фотосинтеза и является донором ионов водорода, используемых в фотосинтетических процессах.
Под водными ресурсами гидросферы понимают пригодные для использования в хозяйственной деятельности воды: морские, речные, озерные, подземные, почвенные, лед горных ледников, воды искусственных водоемов и водяные пары без связанной воды, входящей в состав живого вещества. Природные воды делятся на два класса: пресные и соленые. Пресной называют воду, в 1 кг которой содержится не более 1 г солей. Средняя соленость океанической воды 34,7% или 347 г/л, в них преобладают Cl и Nа, а в речных и озерных – гидрокарбонаты кальция и магния. Концентрация растворенных в воде солей определяет степень ее солености (жесткости). Океаническая вода содержит в 175 раз больше солей, чем в водах рек и озер. Запасы пресной воды составляют 2,5 – 2,8 % от общего количества её на планете. Ресурсы поверхностных и подземных вод подразделяются на единовременные, стационарные и возобновимые. Поверхностные воды сосредоточены в акватории Мирового океана и в континентальных водоемах. Последние расположены в углублениях суши и могут быть естественными и искусственными. Естественные водоемы – реки, озера, болота, ручьи; искусственные – каналы, водохранилища, пруды. Основная масса континентальных водных ресурсов на планете сосредоточена в реках и составляет 38,8 тыс. км3 воды. Реки, озера, пруды относятся к возобновимым водным ресурсам. Возобновимые ресурсы – это как раз та динамическая (подвижная) часть биосферного круговорота воды, благодаря которому все виды гидросферы возобновляются с определенной скоростью. Т. е., если научиться использовать воду в объеме возобновления ее в круговороте воды в биосфере, то источники водных ресурсов станут практически неисчерпаемыми. Развитие цивилизации изменяет естественный круговорот воды, прежде всего из-за изменения баланса транспирируемой воды, а также из-за образования такого промежуточного звена как техническое водопотребление. Расход пресной воды осуществляется по нескольким направлениям, таким как хозяйственно-бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водопользование. По ГОСТ 17.11.01 – 77 водопользованием называется использование водных объектов для удовлетворения нужд населения и хозяйственной деятельности. Наибольшими потребителями воды являются химическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая промышленность.
Особая роль в этом процессе принадлежит орошению – искусственному увлажнению почвы и поверхности растений путем подачи воды из водного источника, в целях обеспечения растений влагой, промывки почв и регулирования их солевого режима. 70 % потребляемой человеком пресной воды используется в земледелии, при этом 60 % из них не доходит до полей. В связи с этим, в настоящее время применяются более прогрессивные методы орошения: капельное, подпочвенное. Водные ресурсы РБ представлены совокупностью рек, озер, водохранилищ, грунтовых и подземных вод. Формируются водные ресурсы республики за счет атмосферных осадков и перетока поверхностных вод с сопредельных территорий. Количество воды, протекающее в единицу времени через поперечное сечение реки, называется ее расходом. Годовой расход представляет водность реки. Ежегодный вынос воды реками называется жидким стоком, вынос реками всевозможных твердых частиц – твердый сток. Сток растворенных частиц и биосток – вынос речными водами различных организмов и продуктов их жизнедеятельности. Объем стока рек в РБ, как и везде на планете, колеблется в зависимости от количества выпавших осадков в году, достигая в многоводные годы 96 км3/год, а в маловодные до 36 км3. С 1990 г в РБ, как и во всем мире наметилась тенденция к сокращению собственного стока рек, снижению уровня озер и образованию депрессионных воронок подземных горизонтов. Это связано с увеличением безвозвратных потерь в результате нарушения гидрологического режима на территории республики, изменением климата в сторону аридности и увеличением водозабора пресных вод на технологические и другие нужды. Т. о. не смотря на кажущееся водное изобилие в республике, сохранение водного баланса и сокращение потерь водных ресурсов актуальная задача всех водопользователей и водопотребителей. Характеристика водопотребления. Использование воды может идти 2-мя путями: без изъятия воды из источника и с изъятием её. 1-ый путь или проточное водопотребление – судоходство, рыбное хозяйство, гидроэнергетика; 2-ое – водоснабжение и орошение. В мировом водопотреблении орошаемое земледелие занимает первое место. О недостатках этого пути водопотребления мы говорили выше. На 2-ом месте по объему забираемой из природных источников пресной воды стоит промышленное водопотребление. На производство 1 т готовой продукции расходуется 15 – 20 м3 воды для стали и чугуна, 25 – 80 м3 – серной кислоты, 2000 – 3000 – синтетического каучука. Валовое потребление пресной воды мировой промышленностью составляет около 400 км3, а ежегодный суммарный безвозвратный расход в промышленности составляет около 400 км3, ежегодный суммарный безвозвратный расход в промышленности составляет 40 км3. В соответствии с ГОСТ 17.11.01 – 77 водопотреблением называется потребление воды из водного объекта или из систем водоснабжения. Водопотребление хозяйственного объекта устанавливается по укрупненным нормам водопотребления, представляющим собой целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса и установленное на основании научно обоснованного расчета или передового опыта. В промышленности используется несколько систем водоснабжения: прямоточная – с однократным использованием воды потребителем и последующим сбросом из системы; прямоточная с последовательным использованием воды – система с многократным последовательным использованием воды потребителями и сбросом воды из системы; замкнутая система водопотребления и водоотведения – в которой все сточные воды после соответствующей очистки возвращаются для повторного использования в систему водоснабжения, при этом сброс сточных и других вод в водоемы и водотоки полностью исключается. Водоотведением называется система инженерных сооружений, обеспечивающих сбор загрязненных сточных вод, их очистку, обеззараживание и удаление загрязнений за пределы промпредприятия. На химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях применяется полная раздельная система водоотведения. При её разработке руководствуются следующими основными требованиями:
На многих предприятиях существуют системы оборотного водоснабжения, предусматривающие рециркуляцию воды с очисткой и (или) охлаждением при условии многократного использования воды одним и тем же потребителем. Такие системы могут быть технологическими и охлаждающими. Технологические – представляют собой систему, в которой вода используется в качестве растворителя, экстрагента продуктов, транспортирующей среды при этом вступает в непосредственный контакт с продуктом и загрязняется им. Охлаждающая система – в которой вода используется в качестве хладоагента для охлаждения или конденсации жидких или газообразных продуктов (как правило не соприкасаясь с ними) и приобретает так называемое тепловое загрязнение. Открытая охлаждающая система оборотного водоснабжения – это система, в которой вода поступает в качестве хладоагента с последующим охлаждением в градирнях, брызгальных бассейнах и таким путем вступая в контакт с атмосферным воздухом. Требования к качеству повторно используемой оборотной воды устанавливаются водопользователем. Нормой водоотведения считается количество сточных вод, отводимых от предприятия, при целесообразной норме водопотребления. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения разработаны для всех отраслей промышленности и представлены в специальных справочниках. Например, для НПЗ топливного профиля на 1 т переработанной нефти при оборотной системе водоснабжения требуется 0,38 – 1,32 м3 технической воды и 0,01 – 0, 017 м3 питьевой, при этом объем возвратной воды составит 0, 18 – 0,32 м3, а безвозвратное потребление и потери составят 0,25 – 1,03 м3 в зависимости от глубины переработки нефти. Загрязненные воды от технологического оборудования через водоотводящую сеть поступают на очистные сооружения. Бытовое водопользование состоит из хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения. В связи с ростом урбанизации мировая норма водопотребления на одного человека увеличилась до 400 л/сут. На цели питьевого водоснабжения обычно забираются подземные наиболее чистые по природе воды. В нашей республике основными водопотребителями являются жилищно-коммунальное хозяйство и промышленность – 59 % от общего водопотребления. В последние годы в республике прослеживается постоянная тенденция к сокращению водозабора, что связано с общим падением уровня производства, тогда как хозяйственно-бытовое водопотребление постоянно увеличивается. В структуре общего водозабора в РБ преобладают подземные воды. Мы уже отмечали, что несмотря на достаточно мощные запасы пресной воды в РБ, обеспеченность питьевой водой составляет не более 67 % и дефицит пресной воды увеличивается. Проблема чистой питьевой воды в республике становится одной из самых важных в связи с возрастающим химическим и радиоактивным загрязнением природных вод. Состояние загрязнения природных вод. В соответствии с ГОСТ 17.13.07 – 82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества водоемов и водотоков» осуществляется мониторинг состояния природных вод. Пробы воды отбираются 7 – 12 раз в год в зависимости от категории водного объекта. В поверхностных водах определяется свыше 50 показателей и ингредиентов: газовый и солевой состав; биогенные элементы и основные загрязняющие вещества; тяжелые металлы. Выделяют следующие группы показателей качества воды: органолептические, микробиологические, содержание химических токсинов. Органолептические – цветность, запах, вкус и привкус, мутность, пенистость. Гидрохимические показатели являются основными методами, характеризующими состояние водного объекта. Определение их осуществляется экспресс или полевыми методами, либо в лабораторных условиях. Экспресс анализы проводятся с помощью тест-комплектов в момент отбора проб – это определение рН, растворенного кислорода, минерализации (гидрокарбонаты, карбонаты, сульфаты, хлориды, сухой остаток, общая жесткость, катионы кальция, магния, натрия, магния, калия; биогенные элементы – нитраты, фосфаты, аммонийный азот. Примеси и тяжелые металлы – нитриты, фториды, медь, кадмий, а также содержание железа. Для каждого контрольного створа производится расчет индекса загрязненности вод (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений показателей качества для 6-и основных загрязнителей воды:
ИЗВ = ( Σ Сi / ПДКi ) /6,
где Сi – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге – это среднее значение за год); ПДКi – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества; 6 – число строго ограниченных показателей, используемых для расчета. В это число входят следующие показатели: концентрация растворенного кислорода, БПК5 и еще четыре показателя наиболее неблагополучные для данного водоема, т. е. имеющие наибольшие относительные концентрации (отношение Сi / ПДКi ) Как показали многолетние наблюдения, в республике естественный гидрохимический фон природных вод к настоящему времени превратился природно-техногенный, т. е. содержание в водах макрокомпонентов сульфатов, хлоридов, натрия и калия, настолько превышает фоновые концентрация, что выходит за все существующие пределы природных изменений. Наиболее распространенными и неблагоприятными веществами водоемов РБ являются аммонийный и нитритный азот, легко окисляемые органические вещества, нефтепродукты и цинк. По всем этим веществам на протяжении многих лет в поверхностных и подземных водах наблюдается превышение ПДК. В последние годы отмечается стойкое увеличение ИЗВ по всем рекам республики, что на фоне сокращения сброса сточных вод свидетельствует о нарастании скорости вторичного загрязнения и деградации процессов самоочищения водоемов, их трансформации. Определение содержания химических токсинов (пестицидов, нефтепродуктов, тяжелых металлов, СПАВ и др.) повышает качество оценки водного источника, но требует дорогостоящего оборудования, высокой квалификации персонала, выполнения сложных и дорогостоящих методик. Эти анализы выполняются в обязательном порядке в рыбохозяйствах, санитарных и эпидемиологических и экологических службах. Определение микробиологических показателей проводится в лабораторных условиях в первую очередь по индикаторному показателю БГКП – бактерии группы кишечной палочки, типичным представителем которых является Еsсhеrуhiа соli, которая не является патогенным микроорганизмом. Коли – индекс – это количество БГКП в единице объема воды (не более 3 в литре). Коли-титр – это количество воды, в котором обнаруживается присутствие бактерий кишечной палочки. По интегральной оценке качества вода подразделяется на семь классов от очень чистой до чрезвычайно грязной – ИЗВ от 0,3 до 10. На ухудшение качества подземных вод существенное влияние оказывает санитарно-техническое состояние самих водозаборов, т. к. для большинства из них отсутствуют нормы режима их содержания и эксплуатации. В нарушении всех правил в пределах зон санитарной защиты водозаборов располагаются животноводческие комплексы, навозохранилища, склады минудобрений
Сточные воды – это воды, отводимые после их использования в бытовой и производственной деятельности человека, имеющие различные отклонения физико-химических и микробиологических показателей от качества природных вод. Сточные воды поступают в канализационную сеть – систему трубопроводов, каналов, лотков и сооружений для сбора и отведения сточных вод и направления их на станцию очистки сточных вод и далее, либо в оборотный цикл водопотребления, либо в водоем. Факторы, обуславливающие очистку сточных вод, представлены двумя видами: разбавление сточных вод и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействие сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Очистка сточных вод – это обработка воды с целью разрушения и удаления из них определенных веществ. Все примеси, содержащиеся в воде, делят на четыре группы:
Основной путь – очистка сточных вод от загрязнений, которая представлена механическими, физико-химическими, химическими, биологическими и термическими методами. Выбор метода очистки определяется необходимой степенью очистки и количественными и качественными показателями сточных вод. Они могут быть рекуперационными и деструктивными. Рекуперационные методы представляют систему извлечения из сточных вод ценных веществ, которые вовлекаются повторно в технологический процесс или используются в качестве вторичных ресурсов. Деструктивные методы очистки направлены на разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются осадки или происходит выделение газов. Поступающие в воду загрязнения в результате технологического процесса могут быть растворимыми, нерастворимыми, коллоидными, минеральными, органическими, биологическими. При анализе вредных веществ, поступающих в водный объект, используют совокупность специфических токсикометрических характеристик, в зависимости от которых конкретное вещество относят к определенному классу опасности. Оценку опасности по привкусу и запаху производят с помощью подпороговой органолептической концентрации ППКоргл, которая определяется с помощью органов чувств, а также по показателям подпороговой (максимально недействующей) концентрации: (МНК) и подпороговой (максимально недействующей) дозы (МНД), которая в двадцать раз меньше МНК (МНД = МНК/20) и выражаются в миллиграммах на литр.
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД |
Механические |
Отстаивание Процеживание Фильтрование Центрифугирование |
Физико-химические |
КоагуляцияФлотация Ионный обмен Экстракция Сорбция Ректификация Дистилляция Дезодорация Обратный осмос Электрохимические |
|
Химические |
Нейтрализация Аэрация Барботирование Озонирование Хлорирование |
Биологические |
Биологическое разложение Биохимическое окисление |
Термические |
Класс опасности вещества устанавливается за четыре этапа, при этом определяются еще и другие показатели:
По полученным числовым значениям указанных критериев устанавливаются четыре класса опасности вещества в воде: 1 класс – чрезвычайно опасные; 2 класс – высокоопасные; 3 класс – умеренно опасные; 4 класс – малоопасные.
2.3. Методы очистки воды.
Чистые сточные воды — это воды, которые в процессе участия в технологии производства практиче ски не загрязняются и сброс которых без очистки не вызывает нарушений нормативов качества воды водного объекта. Норма тивы едины и утверждены Правилами охраны вод от загрязне ния сточными водами, принятыми Минводхозом, Минздравом и Минрыбхозом в 1974 г. В 1996 г. на базе Роскомвода и Роскомнедр было создано Министерство природных ресурсов РФ. При нят ряд новых законов Российской Федерации, которые значи тельно меняют сложившуюся нормативно-правовую базу и систему управления и контроля в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Загрязненные сточные воды – это воды, которые в процессе использования загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также сточные воды, проходящие очистку, степень которой ниже норм, установленных местными органами Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. Сброс этих вод вызывает нарушение нормативов качества воды в водном объекте.
Практически всегда очистка промышленных стоков – это комплекс методов. Наиболее широко используется комбинация механической очистки, нейтрализации промышленных стоков, или реагентной очистки, и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых (канализационных) стоков. Рассмотрим их подробнее.
1. Механическая очистка стоков
Сюда относятся отстой сточных вод в специальных отстойниках, в которых происходит оседание взвешенных частиц на дно отстойников; сбор нефтепродуктов, и других нерастворимых в воде жидкостей, с поверхности стоков устройствами типа механических рук и, наконец, фильтрация через слой песка примерно 1,5-метровой толщины. Нерастворимые примеси выделяют из сточных вод с помощью механических методов очистки, основанных на использовании сил гравитации и адгезии: фильтрация, отстаивание, флотация. Для этих целей применяют различное оборудование: решетки, сетки, песколовки, гидроциклоны; вертикальные, радиальные, трубчатые, пластинчатые отстойники; системы фильтров и сит; нефтеловушки, пруды-осветлители. Очистка воды от примесей, способных образовывать устойчивые коллоидные системы осуществляется путем введения в очищаемую воду электролитов, изменения состава и концентрации дисперсной фазы, наложения электромагнитных и ультразвуковых воздействий. Газы и органические вещества хорошо извлекаются из воды при аэрировании, окислении, адсорбции. Наиболее распространенным является метод адсорбционной очистки с применением активных углей.
2. Химическая, или реагентная, очистка
Соли, кислоты, основания, представляющие собой электролиты, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые и слабо диссоциированные соединения путем обработки соответствующими реагентами.
а) Один из видов обработки сточных вод проводится с помощью реакции нейтрализации. Нейтрализация – химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора – с помощью кислот.
Поскольку химическая природа отходов может быть различной,
то для нейтрализации одного вида отходов необходимо умень шить кислотные свойства, а для другого вида отходов – щелоч ные свойства. О степени кислотности или щелочности раствора судят по величине водородного показателя рН. Значение вели чины рН растворов различных веществ колеблется от 0 до 14. Значения рН от 0 до 7 свидетельствуют о наличии кислотной среды.
Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, надо знать, какое количество кислоты или щелочи следует добавить в раствор для получения необходимого значения рН. Для этого использу ют метод титрования, и по объему израсходованного титранта (раствора кислоты либо щелочи) вы числяют количество определяемого вещества.
Самую простую систему очистки на основе реакции нейтрали зации можно представить в виде измельченного известняка, на который вылили раствор кислоты, а осадок собрали в отстойник.
б) Применяется и обработка сточных вод с помощью реакций окисления-восстановления. Любая реакция окисления-восстановления есть одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Наибо лее распространенные окислители и восстановители: кислород, озон, хлор, перманганат калия, дихромат калия. Одним из важнейших окисляющих агентов является хлор, поэтому большинство химических операций со сточными вода ми начинается с хлорирования, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные и для обеззараживания сточных вод. Сточные воды, содержащие тяжелые металлы, цианиды, сульфиды и ряд других примесей, могут подвергаться очистке с помощью озона, который активно окисляет подобные соединения.
4. Обеззараживание воды
Последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее обеззараживание, т. е. избавление от болезне творных микроорганизмов, так как хорошо известно, что через воду могут распространяться такие страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит и др. Многие го ды обеззараживание воды осуществляли с помощью обработки ее хлором. Однако стало известно, что полихлорированные бифенилы являются ядами, их находят в основном в жирах. Окис ляясь, они образуют абсолютные яды – диоксины. Летальная доза диоксинов в организме для свиней, которые являются тест-объектами – 10 мкг/кг веса.
Это привело ученых к выводу, что хлорирование может быть вредным. Во многих странах в 80-е годы перешли к обработке воды фторированием, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире отдают предпочтение обработке воды озонированием.
Выбор оптимальных технологических схем очистки сточных вод определяется как многообразием примесей, содержащихся в ней, так и требованиями, предъявляемыми к качеству очищенной воды. При разработке систем очистки необходимо учитывать следующие показатели: ПДС (предельно допустимые сбросы) и ПДК (предельно допустимые концентрации веществ), если технологической схемой предусмотрен сброс очищенных вод в природный водоем. В случае использования схемы оборотного водоснабжения промышленных предприятий необходимо учитывать требования к качеству воды для осуществления конкретных технологических процессов. Применяемые схемы очистки должны обеспечивать максимальное использование очищенных сточных вод в технологическом процессе получения продукции и минимальный их сброс в открытые природные водоемы.
Таким образом, удаление из сточных вод тонкодисперсных примесей в виде взвешенных частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ осуществляется физико-химическими методами: коагуляцией, флокуляцией, флотацией, адсорбцией, ионным обменом, мембранной фильтрацией, экстракцией, электрохимическими методами, нейтрализацией, окислением, восстановлением.
3. Биохимическая очистка
а) Аэробная биохимическая очистка – минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими органических веществ в качестве источника углерода в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода. Например, по реакции полного окисления глюкозы С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О, результатом которой является выделение углекислоты и воды.
Органические соединения сточных вод разрушаются под действием бактерий, если для по следних созданы соответствующие условия, т. е. своевременно подается кислород и среда оказывается благоприятной для развития микроорганизмов. В качестве среды обычно используют песчаный слой толщиной 1,5 м. Доступ кислорода обеспечивается с помощью вентиляции или путем естественной тяги. Сточные воды сливаются на грунт только в течение 6 часов, а остальные 18 часов отводятся на биохимические процессы. Культура микробов развивается в верхних слоях песка.
Этот метод очистки, названный методом капельной фильтрации, впервые использован в прошлом веке (1866 г.) в Лондоне. Метод позволяет при использовании 1 га песчаной почвы очистить 1,038·106л/с. сточных вод, следовательно, Лондону в 1866 г. для очистки 1,57·109 л/с. сточных вод необходимо было иметь 810 га подходящих земель. Это слишком большая площадь.
Усовершенствование метода капельного фильтра — перколяционный фильтр – разбрызгивание сточных вод на пласт щебня. Наиболее широко система с перколяционным фильтром стала применяться, когда были достигнуты успехи в области получения пластмасс с заданными свойствами. В современных системах очистки накопление бактериального материала осуществляется на; пластмассовых дисках, смонтированных на вращающейся оси. Диски наполовину погружены в сточные воды, по мере их вращения бактерии периодически снабжаются питательной средой и кислородом. Сейчас метод капельного фильтра используют только при условии дешевой земли и мягкого климата.
Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка активным илом. Сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод, поэтому способ и получил такое название.
Как известно, ил представляет собой огромную популяцию различных бактерий, грибков и другой флоры, добавление кото рой к сточным водам приводит к быстрому установлению рав новесия, способствующего разложению органических веществ, в результате которого образуются СО2 и Н2О. По существу авторы нового способа обработки изменили естественный биологиче ский цикл таким образом, что скорость потребления питатель ного вещества (т. е. скорость разложения органического вещества) увеличилась в несколько порядков. Дальнейшее усовер шенствование этого способа связано с разработкой методов надлежащего ухода и питания используемой популяции микро организмов.
Активный ил представляет собой аморфный коллоид с поверхностью 100 м2 /г сухого вещества, имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3–150 мкм, взвешенных в воде. В 1 г сухого ила содержится от 108 до 1012 бактерий. При этом определенный вид бактерий способен окислять определенные вещества.
Бактерии, входящие в состав активного ила, способны пере рабатывать только те сточные воды, из которых сформировался данный биоценоз активного ила. Поэтому, если в состав очищаемых промыш ленных стоков будут введены новые вещества, например при изменении технологии производства, то потребуется время, что бы бактерии, способные окислить именно эти вещества, раз множились в достаточном количестве и смогли обеспечить наилучшую очистку.
Иногда даже приходится завозить на вновь создаваемое предприятие активный ил с другого предприятия, где очищаются аналогичные по составу воды и где в активном иле распространены нужные виды бактерий.
Обычно концентрацию активного ила поддерживают равной 2–4 г/л. В ходе очистки активный ил время от времени выводят из очистных сооружений, так как его количество растет. Часть его при этом используется в качестве ценного удобрения, если нет тяжелых металлов, часть стабилизируют, т. е. обрабатывают избытком кислорода для удаления всевозможной органики, пре дотвращая, таким образом гниение. Часть поступает на анаэроб ное разложение. Аппаратура для аэробной биохимической очистки представляет собой так называемый аэротенк, или окситенк (рис. 4.5).
б) Анаэробная биохимическая очистка
В случае, если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов:
В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более про-стых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.
Процесс окисления—восстановления — это переход электронов от субстрата-донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) — органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую:
С6Н,2О6 = ЗСН3СООН + 15 ккал;
2СН3СООН = 2СН4 + 2СО2.
Образующийся газ состоит из метана (65%) и СО2 (33%) и может быть использован для нагрева до 45–55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95—98%), его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают.
Биологические методы очистки сточных вод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и других) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов и простейших использовать перечисленные вещества для питания в процессе их жизнедеятельности.
Биологическая очистка сточных вод может осуществляться в аэробных условиях, и тогда процесс называется биохимическим окислением, при очистке в анаэробных условиях происходит биологическое разложение. В соответствии с «доктриной катаболической безотказности микробов», любое органическое соединение, имеющееся в природе, используется какими-либо микроорганизмами. Органические вещества неприродного происхождения, содержащиеся в сточных водах, также являются источником углерода для микроорганизмов. Утилизация сложных органических соединений в сточных водах происходит на клеточном уровне, с использованием процессов метаболизма бактерий активного ила, в соответствии с биохимическими реакциями с помощью ферментов. При этом наличие индуктивных ферментов в клетках микроорганизмов, которые необходимы для метаболизма, в данных условиях обеспечивает их приспособляемость к потреблению различных органических соединений неприродного происхождения.
Биохимическое окисление требует наличия растворенного в воде кислорода и по своей сути представляет собой модель, протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов. Очистка сточных вод осуществляется в процессе окисления органических примесей до безвредных соединений и углекислого газа в результате жизнедеятельности биоценоза, формирующегося из бактерий и простейших микроорганизмов. Качественный состав биоценоза – активного ила – зависит от состава, химической и физической природы примесей, содержащихся в сточной воде, и образуется в естественных и искусственных условиях. В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды, в которых происходят процессы самоочищения практически за счет естественного активного ила. Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий и зависит от следующих процессов потребления ими органических веществ:
Наиболее близок к естественным процессам самоочищения процесс очистки, происходящий в биологических прудах. В этом случае используются естественные популяции бактерий и водорослей водоемов. Бактерии используют кислород, который выделяют водоросли в процессе фотосинтеза, а также кислород воздуха для окисления органических примесей сточных вод, а водоросли осуществляют свою жизнедеятельность за счет продуктов метаболизма бактерий (двуокиси углерода, аммонийного азота, фосфатов и др.), которые выделяются при биохимическом разложении органических веществ. Поля фильтрации, поля орошения и биофильтры осуществляют очистку за счет почвенных биоценозов. Для интенсификации процессов биохимического окисления органических примесей используются искусственные сооружения: аэротенки, окситенки, биологические фильтры. Очистка сточных вод в этом случае осуществляется с помощью биоценозов водоемов, т.е. активного ила, с дополнительной подачей воздуха или чистого кислорода. При этом активная биомасса может находиться во взвешенном состоянии в обрабатываемой сточной воде (аэротенки, окситенки) либо закрепляется на неподвижном материале (по типу иммобилизованных ферментов), а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры). В аэротенках применяются различные системы аэрации (механическая или пневматическая) для насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха, перемешивания и поддержания во взвешенном состоянии активного ила. Из аэротенков очищаемая вода вместе с активным илом поступает во вторичный отстойник, где происходит разделение активного ила и сточной воды. Активный ил, осевший на дно, с помощью илососов отводится в резервуар для дальнейшей обработки и утилизации, а очищенная сточная вода поступает либо в оборотную систему предприятия, либо на доочистку, обезвреживание, обеззараживание и далее в биопруды и водоемы. Активный ил является продуктом окисления органических примесей, в результате этого процесса происходит постоянный прирост его биомассы. Для осуществления процесса биоокисления необходимо постоянно выводить избыток активного ила, часть которого возвращается в аэротенк. Таким образом, за счет постоянного подсева создавшегося активного биоценоза, в аэротенке поддерживается постоянная концентрация биомассы активного ила и его качественный состав. Эффективность работы активного ила зависит от температуры, реакции среды, концентрации биогенных элементов (азота, фосфора, калия, магния, железа и микроэлементов). Поэтому в производственном цикле осуществляется постоянный контроль качества воды, поступающей на очистку, т.е. определяется рН, содержание токсичных веществ, ХПК, БПК, температура, содержание азота, фосфора и др. элементов. По этим же показателям проводится контроль работы очистных сооружений, однако в этом случае важным показателем является микробиологический состав и свойства активного ила. Концентрация биомассы активного ила составляет 2…5 г/л, расход воздуха – 5 …15 м3 на 1 м3 сточной воды, нагрузка по органическим загрязнениям – 400…800 мг БПК на 1 г беззольного активного ила в сутки. При этих условиях обеспечивается полная биологическая очистка. В зависимости от профиля производственного процесса комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2…3 млн м3 сточных вод в сутки. Для очистки сточных вод в очистных системах используются различные технические приемы, но, в принципе, в них заложены одни и те же основные этапы:
8
7 7 7
7 10
1
Рисунок 14 – Общая схема очистки сточных вод
1 – необработанные сточные воды; 2 – устройство для регулирования состава и расхода сточных вод; 3 – сооружения технической очистки;
4 – сооружения других групп очистки; 5 – сооружения глубокой очистки;
6 – сооружения по обеззараживанию сточных вод; 7 – осадок или избыточная биомасса; 8 – очищенные сточные воды; 9 – сооружения по обработке осадка; 10 – обработанный осадок
При использовании чистого кислорода в процессе аэрации аэротенки называют окситенками. Интенсивность процесса окисления в окситенков оказывается выше, чем у аэротенков в 5-6 раз. Этот способ целесообразно использовать на предприятиях, где имеется собственный технический кислород, или он может быть получен с соседних химических предприятий. Пpoцecc очистки сточных вод в аэротенках весьма сложен, требует по стоянного контроля и управления. Управлять процессом биологической очистки можно, изменяя концентрацию актнвного ила в аэротенке, режим аэрации, а также поддержанием оптимальных концентраций загрязняющих веществ в сточных водах, подачей в них биогенных веществ, подбором соответствующих загрязнителей, групп микроорганизмов и другими способами.
Для аэробной очистки также применяют биофильтры. Это сооруже ния, в корпусе которых размещается кусковая насадка и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтpax сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их для удовлетворения физиологических нужд. Таким образом, из сточной воды удаляются органические соединения, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. На процесс очистки в биофильтре значительное влияние оказывает температура внешней среды. Биохимнческие процессы протекают с выделением тепла, биофильтры сами себя обогревают, а крупные установки, защищенные от потери тепла, работают при небольших морозах (до – 6 0С). Биофильтры имеют много недостатков. Управлять процессом очистки в них можно только, регулируя подачу воды, они заиливаются, резко падает их окислительная способность; в процессе работы биофильт ра часто возникают неприятные запахи; в них «водятся неспецифические организмы, в частности личинки мух, которые разрыхляют биопленку.
Аэротенк представляет собой открытую водную систему, в которой происходит биохимическое превращение веществ в момент смешения сточной жидкости с активным илом и в течение всего процесса очистки. Биохимическое превращение веществ, загрязняющих сточные воды, микроорганизмами активного ила обусловлено процессами обмена веществ бактерий и простейших, их типом питания и дыхания. Активный ил представляет собой экосистему, состоящую из сложного комплекса микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, водорослей. Биоценоз активного ила формируется преимущественно гетеротрофными микроорганизмами, особенностью которых является способность усваивать углерод из готовых органических соединений самой различной химической структуры. Количественное и качественное формирование экосистемы диктуется искусственными условиями существования.
Микрофлора активных илов, очищающих многокомпонентные сточные воды химических производств, различна и зависит от состава очищаемых стоков, технологического режима аэротенков и условий эксплуатации всего комплекса очистных сооружений. Например, сточные воды со сложным химическим составом производства капролактама обуславливают формирование активного ила в виде комплекса микроорганизмов разных систематических единиц с преобладанием микроорганизмов класса бактерий (70% от общего количества), из них,
в %: 40 – псевдомонас, 12 – бактерии, 12 – бациллы и 6 – хромобактерии. Остальные 30% микроорганизмов активного ила – представители классов грибов и актиномицетов. Наличие азота в сточных водах стимулирует метаболическую активность нитрифицирующих бактерий активного ила, которые в аэробных условиях окисляют аммонийный азот до нитратов. В производственных и хозяйственно-бытовых сточных водах азот встречается в виде аммиака, нитратов, нитритов, карбамида, а также в органических азотсодержащих соединениях природного и неприродного происхождения. Органические соединения предварительно расщепляются с высвобождением аммиака. Присутствие азота в сточных водах стимулирует метаболическую активность нитрифицирующих бактерий активного ила, которые в аэробных условиях окисляют аммонийный азот до нитратов. Восстановление нитратов (денитрификация) происходит с помощью бактерий-денитрификаторов только в анаэробных условиях или при низких концентрациях кислорода. Появление бактерий-денитрификаторов в составе активного ила аэротенка свидетельствует о дисбалансе в соотношении органических веществ и растворенного кислорода, активный ил при этом всплывает на поверхность, биомасса активного ила пронизана пузырьками воздуха, активный ил выносится в водоем. Сточные воды ряда химических производств содержат окисленные соединения серы в виде сульфатов. Гетеротрофные микроорганизмы активного ила могут подвергать метаболизму сульфаты с дальнейшим включением серы в клеточный материал. При недостатке кислорода ряд обычных бактерий – Proteus, E.coli, и специализированные анаэробы – превращают сульфаты в сероводород. О присутствии этих групп бактерий в активном иле свидетельствует запах сероводорода и темный цвет активного ила, так как сернистый водород вступает в реакцию с железом, присутствующим в сточной воде, образуя сульфиды, которые и окрашивают активный ил в синий или черный цвета.
Активный ил эффективно работающего аэротенка имеет серовато-коричневатый цвет, визуально структура его представлена небольшими комочками биомассы, так называемой зооглейной структурой микробных ассоциаций, которая равномерно распределяется в водной среде и быстро оседает, образуя прозрачную надиловую жидкость и пластичный осадок. В неблагоприятных условиях обитания (перегрузка, залповые сбросы, голодание) осадок активного ила теряет пластичность и коллоидную структуру, надиловая жидкость приобретает стойкую мутность. В этом случае зооглейная структура активного ила обусловлена слипанием бактерий, простейших, коловраток. А в неблагоприятных условиях обитания она приобретают рыхлость, исчезают простейшие и коловратки, появляется масса свободно плавающих бактерий. Характеристика состояния активного ила представлена в таблице 2.
Таблица 2 - Степень относительного развития различных групп простейших и коловраток при различной работе очистных сооружений
|
Характеристика работы биоокислителя |
Группы организмов |
|||
|
Амеба |
Бесцветные жгутиковые |
Инфузории |
Коловратки |
|
|
Плохая |
Преобладают |
Отсутствуют |
||
|
Неудовлетворительная |
Преобладают |
Мало |
||
|
Удовлетворительная (нитрификация слабая) |
Единичные экземпляры |
Преобладают равноресничатые |
Преобладают |
|
|
Хорошая (нитрификация хорошая) |
Отсутствуют |
Преобладают круглоресничатые и брюхоресничатые |
То же |
Восстановление всех свойств активного ила происходит при прекращении влияния отрицательных факторов, показателем этого процесса является качественное и количественное возрождение микронаселения активного ила. Основные представители микрофлоры активного ила представлены на рисунках 15–37 и в таблице 3.
К физическим свойствам активного ила, характеризующим его качество, относится способность ила к оседанию. Она выражается показателем илового индекса, который представляет собой отношение объема активного ила в миллилитрах после 30-минутного отстаивания к 1 г сухого вещества при разбавлении иловой смеси до 1 г/л. Величина илового индекса зависит от нагрузки на ил, хорошим является индекс не более 100. Превышение этого показателя свидетельствует о неблагоприятных, нестабильных условиях работы аэротенка.
Количественные закономерности формирования экосистемы активного ила диктуются, в основном, технологическим режимом работы аэротенков. Как правило, общее количество микроорганизмов в сооружениях прямо пропорционально их окислительной мощности. Качественный и количественный состав микрофлоры активного ила, очищающего сточные воды химического производства, а также биохимические свойства бактерий, определяющие величину удельной скорости окисления активного ила, зависят от условий его обитания, являются управляемыми параметрами и формируются в зависимости от управляющих параметров: химического состава сточных вод, постоянства концентраций основных загрязняющих специфических веществ и оптимальных параметров технологического режима.
Таблица 3 – организмы, обнаруженные в аэротенке при различных режимах работы очистных сооружений.
|
№ рисунка |
Название организма |
Режим работы |
|
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 |
Flagellatae Trepomonas Steini Oicomonas Socialis Opercularia coarctata Opercularia glomerata Rhabdostyla ovum Oxytricha pellionella Amoeba limax Pamphagus hyalinus Paramaecium caudatum Vorticella alba Arcella discoides Euglypha alveolata Euglypha laevis Aktinophrys vesiculata Euplotes charon Euplotes patella Aspidisca costata Aspidisca turrida Coleps hirtus Psyhoda (куколка мушки) Podura Водный клещ |
Неудовлетворительный и плохой Хороший, при наличии обеих фаз нитрификации |
Рисунок 15
Рисунок 16 Рисунок 17
Рисунок 18 Рисунок 19 Рисунок 20
Рисунок 21 Рисунок 22 Рисунок 23 Рисунок 24
Рисунок 25 Рисунок 26 Рисунок 27 Рисунок 28 Рисунок 29
Рисунок 30 Рисунок 31
Рисунок 32 Рисунок 33 Рисунок 34
Рисунок 35 Рисунок 36 Рисунок 37
Однако не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биохимическими методами. Нормы на содержание вредных веществ в сточных и природных водах, поступающих на биологические очистные сооружения, по некоторым металлам следующие: А13+- 5 мг/л; Fе3+ — 5 мг/л и др. Не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической очистки. Так, практически не разрушается бензин, красители, мазут и др. Эффективность биохимической очистки на самых современных установках составляет 90% по органиче ским веществам и лишь 20–40% – по неорганическим, т. е. практически не снижается солесодержание. Не могут быть очи щены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300–500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов, т. е. для многих случаев эти методы неэффективны. В среднем эффективность анаэробного метода составляет около 40%.
Необходимо искать такие способы ликвидации отходов, ко торые дают возможность получать полезные продукты, напри мер, дрожжи для выпечки хлебобулочных изделий и для произ водства этилового спирта или для превращения отходов, обра зующихся при переработке древесной пульпы, в полезный продукт.
Биологическая очистка не может обеспечить обессоливания сточных вод. Как известно, вода питьевого качества должна содер жать не более 1000 мг/л солей, из них: хлоридов — 350 мг/л, суль фатов — 500 мг/л. Необходимую в технических целях пресную воду получают методами выделения солей из сточных и природных вод.
б) Анаэробная биохимическая очистка
В случае, если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов:
В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более про-стых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.
Процесс окисления-восстановления – это переход электронов от субстрата-донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при анаэробной очистке – органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую, как например в реакции метанового брожения глюкозы:
С6Н,2О6 = ЗСН3СООН + 15 ккал;
2СН3СООН = 2СН4 + 2СО2.
Образующийся газ состоит из метана (65%) и СО2 (33%) и может быть использован для нагрева до 45–55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95–98%), его уплотняют, выделяют путем фильтрации (флотации), сушат, затем используют в качестве удобрения либо, если есть токсичные примеси, сжигают,
5. Специальные методы очистки воды
Существует много специальных методов выделения солей из природных и сточных вод.
а) Дистилляция (выпаривание) — хорошо освоенный
и широко применяемый метод. Мощность выпарных установок
составляет 15—30 тыс. м3 в сутки. Одни из самых мощных вы
парных установок располагаются на предприятиях атомной
энергетики, где необходимо опреснение морской воды, напри мер, в г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основным
недостатком этого способа является большой расход энергии —
0,020 Гкал/т. Опреснительные установки невелики по мощ ности (< 20 м3/с), а стоимость опреснения велика.
б) Вымораживание. При медленном охлаждении со леной воды из нее в первую очередь выделяются кристаллики
льда, практически не содержащие солей. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологиче ские, конструкционные преимущества.
в) Мембранный метод. Это электродиализ и гиперфильтрация, или обратный осмос. Электродиализ — совре менный метод деминерализации и концентрирования растворов.
Основан на направленном переносе ионов диссоциированных
солей в поле постоянного тока через ионселективную мембрану
из естественного или синтетического материала. Схема электро диализа представлена на рис. 4.6. За рубежом этот метод полу чил широкое распространение для обессоливания морской воды.
Например, установка в Ливии на 20 тыс. м3/с, в США — на
400 тыс. м3.
Рис. 4.6. Схема электродиализа
Метод обратного осмоса — это процесс разделения водных растворов путем их фильтрования через полупроницаемую мембрану под действием давления выше осмотического (до 6–8 МПа).
Процесс характеризуется небольшими энергозатратами. За рубежом освоено производство установок производительностью до 1 тыс. м3/с. У нас работают установки меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные трудности этих методов — в создании полупроницаемых мембран и давления.
г) Ионный обмен. Метод широко применяется во всех странах мира. До настоящего времени этот метод является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, метод ионного обмена широко используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, тяжелых металлов).
Основной недостаток общепринятых технологических схем ионного обмена — избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Велик расход воды на собственные нужды (20—60% от производительности). Существует необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитами. Поэтому ионный обмен с большим допущением можно назвать методом обессоливания сточных вод, скорее это техно логический прием получения воды высокой степени очистки.
Очень широкое применение этот метод нашел в практике умягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.
6. Удаление остаточных органических веществ
После биохимической очистки могут остаться органические вещества, плохо усваиваемые микроорганизмами. Лучший способ их удаления — адсорбция активированным углем, который затем регенерируется при нагревании.
Обычно сточные воды пропускают через колонки с активированным углем, где обеспечен контакт с ним в течение 20— 40 мин.
Адсорбция активированным углем эффективна для большин ства органических соединений и используется для очистки бы товых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.
Вопросы для самоконтроля.
Тема 9
Твердые промышленные и бытовые отходы и защита почв от загрязнений
Основными продуктами химической про мышленности являются:
В России функционирует более 3000 объектов, располагающих запасами порядка 1 млн т аварийно опасных химических веществ (АХОВ): аммиак, хлор, хлористый водород и т.п. В 2000 г. на хими чески опасных объектах (ХОО) произошло 106 аварий с выбросом. Химически опасным объектом (ХОО) называют объект эконо мики (ОЭ), при аварии или разрушении которого могут произой ти массовые токсические поражения людей, животных, растений, нанесен существенный вред окружающей природной среде.
Нормативными документами установлен перечень АХОВ и ус тановлены нормы их хранения на ХОО, вокруг которого в зависи мости от этого устанавливается санитарно-защитная зона. Вели чина санитарно-защитной зоны для ХОО 1-го класса опасности составляет 1 км, 2-го класса – 0,5 км, 3-го класса – 0,3 км, 4-го класса – 100 м, 5-го класса–50 м. Администрация ХОО должна обеспечить безопасность насе ления в районе своего размещения, а при необходимости провес ти дополнительные мероприятия: оповещение, обеспечение сред ствами защиты, эвакуацию населения района. Должны быть резер вные емкости для перекачки из аварийных или сбора разлившихся АХОВ.
Получила развитие новая отрасль химии – производство син тетических поверхностно-активных веществ (ПАВ), на которые имеется большой спрос. ПАВ широко используются для стирки всевозможных тканей; в качестве заменителей нату ральных жиров, использующихся в различных отраслях промышленности; для изготовления синтетических моющих средств; в качестве смачивателей, эмульгаторов, пенообра зователей. Это привело к появлению в сточных водах нового вида загрязнений, которые вызывают серьезные затруднения при их очистке (главным образом на процессы коагуляции и осаждения). ПАВ, являясь продуктами химического синтеза, по своему химическому строе нию значительно отличаются от природных органических соедине ний. Обычно гидрофобная часть ПАВ представлена алифатической цепочкой, бензольным либо нафталиновым кольцами с алкильными радикала ми. Гидрофильной частью ПАВ обычно является карбоксильная (СОО), сульфатная (SO-), сульфонатная (OSO") группы, скопление гид рофильных остатков, азот содержащих соединений. ПАВ устойчивы к химическому воздействию и практически не подвергаются биологическому распа ду. В отличие от жирового мыла ПАВ – это соли сильной кислоты и сильного основания, которые либо совершенно не гидролизуются, либо требуют повышения температуры, кислой либо щелочной реакции среды. Вы сокая пенообразующая способность ПАВ причиняет большие не приятности аэрационным сооружениям и водоемам.
В районах, не имеющих технологических установок для очистки стоков, отмечается загрязнение ими подземных вод.
В большинстве случаев на предприятиях бытовой химии сточ ные воды образуются в результате промывки оборудования при изменении технологического процесса либо при смене ассортимента выпускаемой продукции; при подготовке и мойке тары; мокрой уборке поме щений.
В результате аварии на ХОО часто возникает очаг химического поражения (ОчХП), который характеризуется длиной и шириной зоны непосредственного заражения. В свою очередь длину зоны распространения АХОВ можно разделить на зону смертельной и поражающей концентрации. Размеры ОчХП зависят от количества АХОВ в «выбросе», их типа, характера выброса, метеоусловий, рельефа местности, характера застройки, растительности.
Промышленные отходы весьма разнообразны, особенно по химическому составу. Экологическая характеристика предприятия предполагает оценку прогрессивности технологии, полноты ис пользования сырья и топлива, применяемых схем очистки про мышленных отходов, характеристик потоков отходящих вод и га зов, отчуждаемой территории, общую экологическую оценку ущер ба, наносимого предприятием окружающей среде и детализацию этой оценки по видам продукции.
Например, к твердым отходам машиностроения относятся шлаки, окали на, зола, горелая формовочная земля, шламы, флюсы, абразивы, древесные отходы, пластмассы, бумага и др. Наиболее экологически опасными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксид и диоксид серы, оксиды азота, твердые вещества из состава литейных форм. Качественные показатели сточных вод машиностроительных производств представлены в таблицах 4 и 5.
На металлургических предприятиях в среднем ежегодно обра зуется до 3 млн. т отходов, из них утилизируется и обезвреживается не более 34%. Частым случаем аварии на объекте нефтехимии является раз лив нефтепродуктов.
Таблица 4 – Типовой сток машиностроительного завода
|
Характеристика воды |
Качество воды |
|
|
от источника |
в стоке |
|
|
Цвет |
Без цвета |
Желто-бурый |
|
Запах |
Без запаха |
Нефти |
|
Взвешенные вещества, мг/л |
20-30 |
220-822 |
|
рН |
7,5 |
7,6-8,5 |
|
Щелочность, мг-экв/л |
2,8-3 |
3-7,6 |
|
Химический состав, мг/л: |
||
|
С12 |
13-28 |
41-198 |
|
so4 |
73-78 |
108-290 |
|
N02 |
0,07-0,1 |
0,1-7 |
|
N03 |
— |
Следы |
|
N04 |
— |
1-40 |
|
Fe + общ. |
0,1-0,2 |
9-40 |
|
Нефтепродукты и смолы, мг/л |
— |
0-92 |
|
Окисляемость, мг/л кислорода |
6,6-7,1 |
13-90 |
Таблица 5 – Типовой состав и максимальные параметры сточных вод машиностроительного завода
|
Тип цеха |
Вид сточных вод |
Основные примеси |
Концент рация, кг/м3 |
Темпера тура, °С |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Металлурги ческий |
От охлаждения |
Взвешенные вещества Масла |
0,05 0,01 |
45 |
|
Литейный |
Влажная газоочистка от грануляторов, от гидровыбивки литья Регенерация земли |
Минеральная пыль Песок, шлак Песок, окалина, глина Органика |
4 40 15 0,05 |
65 50 30 30 |
|
Продолжение таблицы 5 |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Кузнечно-прессовый |
Охлаждение поковок и оборудования |
Взвешенные вещества Окалина Масла |
0,2 8 15 |
40 |
|
Механи ческий |
Смазочно- охлаждающие жидкости |
Взвешенные вещества Сода Масла Растворители, краски |
1 10 2 0,3 |
20 25 |
|
Терми ческий |
Промывочные воды Из закалочных ванн |
Окалина Щелочи Масла Взвешенные вещества Тяжелые металлы Масла Цианиды |
0,03 0,03 0,02 0,25 0,15 0,01 0,05 |
60 40 |
|
Травильный |
Промывочные воды Отработанные растворы |
Механические Масло, эмульсии Щелочи Кислоты Механические Масло, эмульсии Щелочи Кислоты |
0,4 од 0,2 0,25 20 10 30 30 |
25 |
|
Гальвани ческий |
Промывочные воды Отработанные растворы Электролиты |
Хром Циан Тяжелые металлы Кислоты Щелочи Масла Хром Циан |
0,2 0,15 10 20 30 0,05 200 100 |
30 |
Технология очистки грунтов от нефтепродук тов включает:
Таблица 6 – Газовые выбросы (кг/т продукта) некоторых производств
|
Выброс |
Агломерат |
Домны |
Выплавка стали |
Прокатное |
|
Пыль Оксид углерода Оксиды серы Оксиды азота Сероводород |
20-25 20-25 3-25 |
100-106 600-605 0,2-0,3 10-60 |
13-32 0,4-0,5 0,4-35 0,3-3 |
0,1-0,2 0,7 0,4 0,5 |
Способы утилизации отходов химического, металлургического и машиностроительного производства. Источниками загрязнения ОС являются металлургические, химические и машиностроитель ные производства, предприятия нефтехимии, строительной инду стрии и другие, связанные с дроблением и измельчением материалов, перегрузкой и транспортировкой сыпучих веществ. Необхо димо отметить, что химическая и биологическая активность пыли несравненно выше, чем у исходных материалов, так как некото рые вещества в аэродисперсном состоянии приобретают новые свойства (например, каменноугольная пыль и пыль некоторых орга нических веществ взрывоопасны). Наибольший и наименьший раз меры частиц пыли характеризуют диапазон дисперсности данной пыли. Основная масса пыли, образующейся в результате механи ческого измельчения, состоит из частиц размером 5–50 мкм. Твер дые частицы, образующиеся при химическом взаимодействии га зов, обычно имеют размер менее 3 мкм, а пыль после сгорания угля — 5–70 мкм.
Таблица 7 – Загрязнение атмосферы выбросами электростанций
(выброс г/1 кВт-ч)
|
Выброс |
Вид топлива |
|||
|
каменный уголь |
бурый уголь |
мазут |
природный газ |
|
|
SО2 NOx Твердые частицы Фтористые соединения |
6 21 1,4 0,05 |
7,7 3,4 2,7 1,11 |
7,4 2,4 0,7 0,004 |
0,002 1,9 |
При сгорании топлива в ТЭЦ в выбросах наблюдается значи тельное количество окислов серы и азота. Основными методами очистки являются:
Существуют способы очистки топочных газов с получением минеральных удобрений: к газовому потоку добавляется озон, олефин и водяной пар. При взаимодействии этих трех добавок между собой получается азотная и серная кислоты, а вбрызгивание ам миака приводит к образованию сульфатов и нитратов аммония. Аналогичные технологии получения минеральных удобрений при менены во многих странах мира. На симпозиуме в г. Эссен (ФРГ, 10-11 ноября 1983 г.) отмечалось, что во Франции за 1971—1981 гг. эмиссия S02 снизилась на 20%, в Англии — на 40%, который использован на производство строительного гипса и минеральных удобрений. В Японии по состоянию на 1.01.95 г. эксплуатировалось 1366 еди ниц оборудования общей мощностью 128х106 м3/ч для улавливания из дымовых газов S02 и 188 единиц оборудования общей мощностью 72х106 м3/ч.— для улав ливания NOx .
При производстве экстракционной фосфорной кислоты и ми неральных удобрений из апатитов, содержащих фтор, производится из влечение фтористых соединений из технологических газов. В произ водстве простого суперфосфата отходящие газы промывают водой в механических камерах с разбрызгивающими валками и с последую щим доулавливанием в полой башне. Недостатком метода является налипание на вращающиеся части кремнегеля. Другим вариантом процесса извлечения фтора из газов при производстве суперфос фата является абсорбция в трубе Вентури в две ступени, но при этом происходит засорение и быстрый износ форсуночных уст ройств, что приводит к ухудшению степени очистки газа.
В Японии для очистки отходящих газов производства супер фосфата и экстракционной фосфорной кислоты от фтористых со единений применяют водно-щелочную абсорбцию (2% раствор NaOH). Процесс протекает в двух последовательно установленных колонках. Фтористые соединения выводятся в виде фторсилика тов. Из-за высокого значения рН абсорбционного раствора не про исходит забивание колонок, достигается высокая степень очистки отходящих газов.
При производстве экстракционной фосфорной кислоты на 1 т Р205 приходится 4,5 т фосфогипса, имеющего в своем составе не желательные примеси (уран, асбест, тяжелые металлы). Этот про цесс используют в странах, не имеющих богатых месторождений природного гипса; другие страны перерабатывают фосфогипс на гипсовые вяжущие. Например, в ФРГ по такому пути получают полугидрат после флотации и обезвоживания фосфогипса (в автоклаве при температуре 120°С и рН 1–3), а в Ирландии — по рошкообразного вяжущего для производства сухой штукатурки.
В число вариантов переработки фосфогипса входят его очистка от примесей, сушка, частичное дегидратирование до полугидрата, гранулирование, обжиг и размалывание. После этого продукт используют для получения строительного гипса. В США для нейтрализации фосфогипса используется аммиак (вместо из вести, карбонатов кальция и натрия), что улучшает качество по лучаемой штукатурки. В Японии фосфогипс без предварительной обработки перерабатывают на добавки к цементу, используют при производстве гипсокартонных плит, перегородок и облицовочных материалов. Во Франции, Австрии, Финляндии и Бразилии разра ботана технологическая схема производства 3-полугидрата: фос фогипс очищается от примесей флотацией или гидроциклонированием, после чего производят обжиг.
Заслуживает внимания способ изготовления на фосфорно-кислотной установке покрытий для бумаги из фосфогипса (фирма Kemira): покрытие отличается белизной и используется при высо кокачественной печати.
Разработаны способы переработки фосфогипса на серную кис лоту и цемент (Австрия, ЮАР): фосфогипс сушат, размалывают, обжигают в присутствии кокса при температуре 700°С. Гипс вос станавливается до сернистого кальция и углекислого газа, а при температуре 900°С сернистый кальций взаимодействует с гипсом с образованием окиси кальция и сернистого газа, который исполь зуется при производстве серной кислоты. Цементный клинкер об разуется при температуре 1400°С и взаимодействии окиси кальция с песком, глиной и окисью железа. В нашей стране в качестве вос становителя впервые применен высокосернистый нефтяной кокс (отходы переработки тяжелых нефтяных остатков), при этом име ет место высокая концентрация сернистого ангидрида в газовой фазе и исключается возможность спекания шихты.
Заслуживают внимания и другие пути утилизации фосфогипса: производство сульфидизатора для шахтной плавки окисленных никелевых руд; изготовление серной кислоты и извести, бесхлорных ка лийных удобрений. Бесхлорные калийные удобрения получают на основе хлористого кальция, фосфогипса, аммиака и углекислого газа: фосфогипс разлагается карбонатом аммония или аммиаком и угле кислым газом с образованием растворов сульфата аммония и после дующей его конверсии с КС1 в сульфат калия аммония.
Фосфогипс может найти применение в сельском хозяйстве в качестве минерализатора для гипсования солончаковых почв и в промышленности строительных материалов.
Уровень цивилизации – степень утилизации. Утилизация отходов цивилизацией по сравнению с пищеварением откровенно примитивна, поэтому в перспективе необходимо, чтобы процесс утилизации, в общих чертах напоминающий пищеварение, предусматривался уже при создании всех без исключения продуктов. При этом любые отходы должны были бы служить источником сырья и энергии при повторном использовании как в мире живого, даже экскременты одних организмов служат пищей для других. В итоге там обеспечивается цикл углерода на глобальном уровне и практически полная утилизация останков живых существ в почве микроорганизмами. У цивилизации, как уже отмечалось, просто нет альтернативы переходу к жизни без отходов, так что создание глобальной (и интегрированной) системы производства, подразумевающее полную утилизацию не только произведенных продуктов и вещей, но и запасенной в них энергии, оказывается единственно возможным для выживания человечества. По мере развития цивилизации утилизация отходов постепенно все больше будет походить на механизм процесса пищеварения. При этом возможны разные сценарии. Один из них представляется весьма органичным (а возможно – и органическим).
Рассмотрим экологические аспекты утилизации твердых отходов на примере Мозырского района. Ежегодно в г. Мозыре и в 91 населенных пунктах района образуются не менее 30,0 тыс. т твердых бытовых отходов (ТБО) и около 60 тыс. т промышленных. В последние годы резко увеличивается объем ТБО. Это явление связано, в первую очередь, с внедрением одноразовой упаковки из синтетических полимерных материалов, от которой уже отказываются западные страны, переходя на наш прошлый опыт, использования стеклянной многоразовой упаковки. Отказ от одноразовой упаковки оправдан экологически, так как при горении нейлона, поролона, полиуретановой мебельной обивки выделяются соли синильной кислоты (цианиды), а при горении резины, кроме черного едкого дыма, содержащего канцерогенные полиароматические углеводороды (ПАУ), образуется канцерогенная сажа и окислы серы. В общем случае при сгорании изделий из ПВХ-пластических масс (крышек от ПЭТ бутылок, игрушек, отработанных фломастеров и т.д.) образуется более 75 потенциально токсичных веществ.
В Мозырском районе расположены промышленные предприятия (МНПЗ; Мозырьсоль; ТЭЦ и котельные различной мощности; заводы по выпуску строительных материалов и конструкций; кабельный, сельскохозяйственного машиностроения, предприятия пищевой промышленности, молочный, хлебопекарный пивоваренный заводы и др.), зарегистрировано 3967 частных предпринимателей.
Несмотря на наличие полигона для размещения ТБО, (отходов 4 и 3 классов опасности), а также 42 эксплуатируемых полигонов в сельских населенных пунктах, в городе и районе в период с 2002 по 2005 гг. было зафиксировано более 100 стихийных свалок. Обычно такие свалки находятся в лесах и оврагах возле садоводческих товариществ, дачных и гаражных кооперативов, а также в зонах отчуждения автомобильных трасс и железных дорог. Загрязнения из них разносятся водой на значительные пространства, накапливаясь в грибах и дикорастущих ягодах, лекарственных травах Особую опасность представляют, попадающие на свалки ртутьсодержащие отходы (1-й класс опасности) от люминисцентных ламп и элементов оборудования, а также отработанные автомобильные аккумуляторы, электролит и т.п.
Работа по утилизации твердых отходов строится на нескольких принципиальных положениях:
Работы по классификации и упорядочению сбора твердых отходов в Мозырском районе начаты в 2001 – 2002 гг. с ликвидации несанкционированных свалок. Подобные мусорные свалки ликвидированы в 16 населенных пунктах района и в г. Мозыре, на что было потрачено около 145 млн. руб. В связи с этим затраты на обустройство и обслуживание мини-полигонов ТБО в 2005 г. составили 72,652 млн. руб. Осуществлено строительство и обустройство площадок временного складирования ТБО в 13 населенных пунктах района. Определены комунальные предприятия, осуществляющие вывоз мусора из города и сельских населенных пунктов, а также организация в ведении которой находится полигон. Для упорядочения вывоза мусора от домов государственного жилищного фонда и частного сектора приобретены контейнеры, разработаны графики вывоза мусора. По обращению с отходами вторичной переработки проведены следующие мероприятия:
– выявлены места размещения безхозяйного лома и установлены владельцы брошенных кузовов автомобилей;
– оборудованы заготовительные пункты по приему от населения лома черных и цветных металлов; аккумуляторных батарей;
– вывоз лома на переработку в подразделение РПУП “Втормет” г.Калинковичи;
Предпринятые меры значительно улучшили экологическое и санитарное состояние в городе и районе.
Количество отходов производства и потребления, образовавшихся за период с 2002 по 2007 гг. представлено в таблице 8.
Таблица 8 – Количество и виды твердых отходов, образовавшихся в Мозырском районе за период с 2002 по 2007 г.г.
|
Наименование отходов |
Количество отходов (т), по годам |
|||||
|
2002 |
2003 |
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
|
|
Хранятся на территории предприятий |
12773,7 |
30512,4 |
33418,0 |
22649,264 |
22649,26 |
22649,26 |
|
Захоронено на полигоне ТБО |
50371,7 |
53422,5 |
60944,8 |
47539,4 |
29475,9 |
29475,9 |
Как видно из данных таблицы 8 остановлена тенденция роста отходов, которые хранятся на территориях предприятий, и с 2005 г. их количество остается постоянным. В два раза, по сравнению с 2004 г., сократились отходы, направляемые на захоронение на полигон ТБО. Дальнейшее уменьшение количества отходов предусматривается выполнением мероприятий, утвержденных решениями Совета Министров РБ и местной исполнительной власти. В соответствии с “Республиканской программой наведения порядка на земле и благоустройства населенных пунктов на 2003 – 2006 гг.” в Мозырском районе было предусмотрено строительство и ввод в действие в ноябре 2005 г.сортировочной станции коммунальных отходов, которая была введена в эксплуатацию и начаты работы по приему отходов на сортировку.
Начиная с 2003 г. в районе также начаты масштабные мероприятия по обращению с отходами вторичного сырья (ВМР). В связи с вводом новых производств (интенсификацией реконструкции ОАО “МНПЗ”), и строительства жилья, возникла необходимость в переработке большого количества, образующихся строительных отходов. Только за 11 месяцев 2006 г. в районе образовалось 61134,0 т строительных отходов, из них: 1842,11 т использовано повторно, 721,11 т захоронено на полигоне ТБО, а 53086,0 находятся на хранении на полигоне ТБО н.п. Провтюки, временно, до внедрения способа их переработки на ОАО “МНПЗ”. В октябре 2007 г. ОАО”МНПЗ” закуплена и пущена в эксплуатацию мобильная установка Австрия RM – 80 для переработки строительных отходов. Не решенным остается вопрос о переработке отходов рубероида., так как СП ОАО “Кровля” г. Осиповичи не имеет достаточных мощностей для переработки возросшего количества этого вида строительных отходов. Планируется приобретение еще одной установки по пререработке отходов мягкой кровли для КУП “Мозырский коммунальник”.
Таким образом, переработка твердых промышленных и бытовых отходов осуществляется в Мозырском районе достаточно высокими темпами и спосбствует нормализации экологической обстановки, а также созданию дополнительных рабочих мест. В соответствии с Постановлением Совета Министров РБ от 27.02.2003г. №269 “О совершенствовании системы сбора (заготовок) и использования некоторых видов вторичного сырья” в г. Мозыре запланировано строительство завода по переработке коммунальных отходов.
Однако, остается достаточно большой круг вопросов для решения проблем утилизации отходов. Разработана Республиканская “Комплексная программа по обращению с отходами и использованию их в качестве вторичных материальных ресурсов на 2007 – 2010 годы” и комплекс мероприятий к данной программе предусматривает выполнение большого объема работ по Мозырскому району.
Возможна ли в принципе развивающаяся цивилизация, которая не производит (или почти не производит) отходов? Такой вопрос задают авторы в статье “Цивилизация и утилизация”. Сами же авторы отвечают: “Думается, возможна”. По мнению авторов необходимо создать глобальную (и интегрированную) систему производства, подразумевающую полную утилизацию не только произведенных продуктов и вещей, но и запасенной в них энергии, подобно живой природе (в отличие от цивилизации) разрушение – часть созидания. По мере развития цивилизации утилизация отходов постепенно все больше будет походить на механизм пищеварения, существующий в живой природе. При этом возможны разные сценарии В любом случае императивом должно стать многократное использование всего созданного, безотходность и баланс с природой.”
Вопросы для самоконтроля
1
2
3
4
5
6
Основные принципы устойчивого развития. Организация мало- и безотходных производств
Только осознанный переход техносферы в ноосферу, сферу управляемой человеком биосферы, может обеспечить выживание вида. Термин ноосфера был введен французским математиком и философом Н. Ле-Руа в 1927 году на основе разработанной В.И. Вернадским биогеохимической теории биосферы. Ноосфера – это новое геологическое явление на планете, в котором крупнейшей геологической силой является человек и его деятельность. Причем в основе изменения реальностей ноосферы лежит мысль, психическая энергия, которая преобразовывает мир. И направление этого преобразования, этого энергетического потока в ближайшие несколько десятилетий определит форму существования биосферы, если она ею останется. Разрабатывая идеи преобразования биосферы через техносферу в ноосферу, В.И. Вернадский констатировал, что этим заканчивается эпоха стихийного развития человечества и начинается новая эпоха управляемого развития, которая основывается только на объективных законах эволюции природы и общества при всестороннем общественном согласии на такое управление. На современном этапе концепция управляемого развития предлагает реализацию интенсивного сознания человека и внедрения новой нравственности, ведущей к росту качества сознания человека и утверждению разумных, а не искусственно раздуваемых материальных потребностей; к человеку, который прежде всего заинтересован в создании комфортных условий существования своим потомкам. Разумное, осознанное ограничение своих материальных потребностей наряду с превалированием духовных – неизбежный этап человеческого поведения в эпоху интенсивного развития. В настоящее время большинство стран, в том числе и РБ, разработали свои национальные стратегии устойчивого развития, в которых определены стратегические и тактические программы бесконфликтного взаимодействия общества с окружающей средой. Только осознанный переход техносферы в ноосферу, сферу управляемой человеком биосферы, может обеспечить выживание вида. Термин ноосфера был введен французским математиком и философом Н. Ле-Руа в 1927 году на основе разработанной В.И. Вернадским биогеохимической теории биосферы. Ноосфера – это новое геологическое явление на планете, в котором крупнейшей геологической силой является человек и его деятельность. Причем в основе изменения реальностей ноосферы лежит мысль, психическая энергия, которая преобразовывает мир.
И направление этого преобразования, этого энергетического потока в ближайшие несколько десятилетий определит форму существования биосферы, если она ею останется. Разрабатывая идеи преобразования биосферы через техносферу в ноосферу, В.И. Вернадский констатировал, что этим заканчивается эпоха стихийного развития человечества и начинается новая эпоха управляемого развития, которая основывается только на объективных законах эволюции природы и общества при всестороннем общественном согласии на такое управление. На современном этапе концепция управляемого развития предлагает реализацию интенсивного сознания человека и внедрения новой нравственности, ведущей к росту качества сознания человека и утверждению разумных, а не искусственно раздуваемых материальных потребностей; к человеку, который прежде всего заинтересован в создании комфортных условий существования своим потомкам. Разумное, осознанное ограничение своих материальных потребностей наряду с превалированием духовных – неизбежный этап человеческого поведения в эпоху интенсивного развития. В настоящее время большинство стран, в том числе и РБ, разработали свои национальные стратегии устойчивого развития, в которых определены стратегические и тактические программы бесконфликтного взаимодействия общества с окружающей средой.
Из безотходных способов получения минеральных удобрений заслуживает внимания производство нитрофосфатов в Норвегии: фосфатное сырье разлагают 60% азотной кислотой при температу ре 50-55°С в течение 2 ч. Нитрат кальция удаляют охлаждением при температуре - 5°С в кристаллизаторах, охлаждаемых аммиаком. Фильтрация нитрата кальция производится в каскадных барабан ных фильтрах с переводом его в нитрат аммония и карбонат каль ция. После удаления нитрата кальция раствор нейтрализуется ам миаком, упаривается и гранулируется с калийными солями. Основными отходами производства серной кислоты и мине ральных удобрений являются отходящие газы, содержащие дву окись серы, фтористые соединения, аммиак, окислы азота и твер дые отходы: пиритный огарок и фосфогипс.
1. Безопасность жизнедеятельности / под ред. Г.А. Арустамова. – Москва: Дашковик, 2000. – 678 с.
2. Богдановский, Г.А. Химическая экология: учебное пособие / Г.А. Богдановский. Москва: Изд-во МГУ, 1994. – 237 с.
3. Гарин, В.М. Экология для технических вузов / В.М. Гарин, И.А. Кленова, В.И. Колесников. – Москва: Логос, 2002. – 250 с.
4. Горелик, Д.О. Мониторинг загрязнений атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения /Д.О. Горелик, Л.А. Конопелько. – Москва: Издательство стандартов, 1992. – 432 с.
5. Инженерная экология: учебник / под ред. В.Т. Медведева. – Москва: Гардарики, 2002. – 687 с.
6. Инженерная экология и экологический менеджмент / под ред. Н.И. Иванова, И.М. Фадина. – Москва: Логос, 2002. – 528 с.
7. Квасничкова Д. Схемы по экологии и ме6тодическая разработка к ним. Наглядное пособие для школьных курсов базовых дисциплин./ Д. Квасничкова, В. Калина.(Пер. с чешск.). – М.: Устойчивый мир, 2001 – 78 с 8. Коробкин, В.И. Экология / В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. – Ростов н/Дону: Феникс, 2000. – 576 с.
9. Лысухо, Н.А. Образование отходов и их переработка в Республике Беларусь: обзорная информация / Н.А. Лысухо. – Минск: ОДО Лоранж-2, 2001. – 48 с.
10. Максимов, В.Ф. Введение в специальность: учебное пособие для вузов / В.Ф. Максимов, Г.В. Стадницкий – Л.: Химия, 1988. – 168 с.
11. Производственные технологии: учебное пособие / Д.П. Лисовская [и др. ]; под общ. ред. Д.П. Лисовской. – Минск: Вышэйшая школа, 2005. – 479 с.
12. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей сре ды: учебник для вузов / А.И. Родионов, Б.Н. Клушин, Н.С. Торохешников. – Москва: Химия, 1989. – 512 с.
13. Тупикин, Е.И. Общая биология с основами экологии и природо-охранной деятельности: учебное пособие / Е.И. Тупикин. – Москва: ПрофОбрИздат, 2001. – 384 с.
14. Хотунцев, Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: учебное пособие / Ю.Л. Хотунцев. – Минск: Издательский центр «Академия», 2002. – 480 с.
15. Челноков, А.А. Основы промышленной экологии: учебное пособие / А.А.Челноков. – Минск: Вышэйшая школа, 2001. – 343 с.
16. Щербаков, Л.А. Перспективы использования биохимических методов газоочистки в решении проблемы уменьшения вредных выбросов в атмосферу: обзорная информация / Л.А. Щербаков. – Минск: ОДО Лоранж-2, 2001. – 32 с.
17. Экология: учебник для техн. вузов / под ред. Л. И. Цветковой. – Москва: Изд. АЦБ; СПб.: Химиздат, 1999. – 488 с.
Общая характеристика экологической ситуации.
Предмет, методы и задачи промышленной (инженерной) экологии
Тема 2
Техногенное загрязнение окружающей среды
Тема 5
Экологическая характеристика некоторых промышленных производств
Тема 6
Нормирование качества окружающей среды
Тема 7
Защита воздушного бассейна, промышленная и санитарная очистка газовоздушных выбросов промышленных предприятий
Рациональное водопользование и нормирование
Тема 9
Твердые промышленные и бытовые отходы и защита почв от загрязнений
Основные принципы устойчивого развития. Организация мало- и безотходных производств
Приложение 1
Схема 1 – Влияние технического прогресса и развития цивилизации на биосферу (Квасничкова Д. с соав., 2001 г)
Схема 2–Взаимодействие окружающей среды и человека (Квасничкова Д. с соав., 2001 г.)
Приложение 2.
Схема 3 – Влияние скорости течения воды на деградационные изменения почвы (Квасничкова с соав., 2000 г.)
Приложение 3
Схема 4 – Пути поступления загрязняющих веществ в организм человека (Квасничкова с соав., 2000 г.)
Схема 5 – Влияние шума на человека (Квасничкова с соав., 2000 г.)
Приложение 4
Схема 6 – Виды пыли, и пути ее проникновения в организм человека (Квасничкова с соав., 2000 г.)
Приложение 5
Рисунок 15
Рисунок 16 Рисунок 17
Рисунок 18 Рисунок 19 Рисунок 20
Рисунок рисунок 21
Рисунок 22 Рисунок 23 Рисунок 24
Рисунок 25 Рисунок 26 Рисунок 27 Рисунок 28 Рисунок 29
Рисунок 30 Рисунок 31
Рисунок 32 Рисунок 33 Рисунок 34
Рисунок 35 Рисунок 36 Рисунок 37