установки очистки сточных вод и промышленных газов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сыктывкарский лесной институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный
лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ)
Кафедра теплотехники и гидравлики
Е. Г. Казакова, Т. Л. Леканова
УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
И ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ
Учебное пособие
Утверждено учебно-методическим советом
Сыктывкарского лесного института в качестве учебного пособия
для студентов направления бакалавриата140100 «Теплоэнергетика
и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика»)
всех форм обучения
Электронный аналог печатного издания
СЫКТЫВКАР 2014
УДК 676
ББК 35.77
К14
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Сыктывкарского лесного института
Ответственный редактор:
В. А. Дёмин, доктор химических наук, профессор
Рецензенты:
кафедра инженерной физики и теплосферной безопасности
(Сыктывкарский государственный университет);
Л. С. Кочева, доктор химических наук,
руководитель лаборатории химии минерального сырья
(Институт геологии Коми НЦ УрО РАН)
К14
Казакова Е. Г., Леканова Т. Л.
УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПРОМЫШЛЕННЫХ
ГАЗОВ [Электронный ресурс] : учебное пособие / Сыкт. лесн. ин-т. — Электрон. дан. — Сыктывкар : СЛИ, 2014. — 212 с.
ISBN 978-5-9239-0647-9
Учебное пособие содержит краткие характеристики сточных вод и выбросов целлюлозно-бумажной промышленности. Описаны основные методы регенерации, рекуперации и утилизации ценных компонентов из промышленных выбросов, а также методы очистки сточных вод и газовых выбросов ЦБП.
Предназначено для студентов направления бакалавриата 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» (профиль «Промышленная теплоэнергетика»)
всех форм обучения.
УДК 676
ББК 35.77
Темплан II полугодия 2014 г. Изд. № 205.
ISBN 978-5-9239-0647-9
© Казакова Е. Г., Леканова Т. Л., 2014
© СЛИ, 2014
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений......................................................................................................................... 5
Введение............................................................................................................................................. 6
Раздел I. Охрана водных объектов и атмосферного воздуха от загрязнения
промышленными выбросами........................................................................................................ 9
Глава 1. Организация охраны водных объектов и атмосферного воздуха ..........................9
1.1. Влияние загрязняющих веществ на человека и окружающую среду ............................9
1.2. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воде
и атмосферном воздухе ...........................................................................................................12
1.3. Предельно допустимые сбросы и предельно допустимые выбросы
загрязняющих веществ в окружающую среду ......................................................................18
1.4. Охрана окружающей среды промышленными предприятиями ...................................19
Глава 2. Рассеивание и преобразование промышленных выбросов в атмосфере.............22
2.1. Факторы, влияющие на рассеивание промышленных выбросов .................................22
2.2. Преобразование загрязняющих веществ в атмосфере ..................................................24
Раздел II. Характеристика промышленных выбросов .......................................................... 26
Глава 3. Характеристика сточных вод и примесей ..............................................................26
3.1. Количество и качество сточных вод ...............................................................................26
3.2. Характеристика взвешенных веществ и методы их очистки .......................................32
3.3. Сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности ............................................33
Глава 4. Характеристика газопылевых выбросов.................................................................41
4.1. Сульфитцеллюлозное производство ...............................................................................41
4.2. Сульфатцеллюлозное производство ...............................................................................43
4.3. Другие методы производства целлюлозы ......................................................................46
4.4. Деревообрабатывающие производства...........................................................................46
4.5. Теплоэлектростанции и другие источники газопылевых выбросов ............................47
Раздел III. Технологические методы предупреждения и сокращения
промышленных выбросов............................................................................................................ 49
Глава 5. Предупреждение промышленных выбросов путем совершенствования
технологических процессов....................................................................................................49
5.1. Основные закономерности развития технологических методов..................................49
5.2. Предупреждение выбросов при варке целлюлозы по сульфатному методу...............50
5.3. Сокращение выбросов при выпаривании черных щелоков
сульфатцеллюлозного производства......................................................................................51
5.4. Предупреждение выбросов при сжигании черных щелоков
и энергетического топлива......................................................................................................53
Глава 6. Регенерация и рекуперация ценных компонентов из промышленных выбросов56
6.1. Понятие регенерации и рекуперации..............................................................................56
6.2. Термические методы регенерации ..................................................................................57
6.3. Рекуперация серо- и хлорсодержащих компонентов ....................................................60
6.4. Рекуперация парогазовых выбросов в деревообрабатывающих производствах........63
Глава 7. Сокращение объема и загрязненности сточных вод в технологических
процессах..................................................................................................................................65
7.1. Технологические мероприятия по сокращению количества
и загрязненности сточных вод ................................................................................................65
7.2. Замкнутый цикл движения воды в производстве ..........................................................69
Глава 8. Утилизация ценных продуктов из промышленных выбросов .............................73
8.1. Понятие утилизации .........................................................................................................73
8.2. Утилизация веществ из жидких отходов ........................................................................76
8.3. Утилизация веществ из газообразных отходов..............................................................80
3
8.4. Утилизация твердых отходов ..........................................................................................82
8.5. Использование отходов лесохимических и гидролизных производств ......................86
Раздел IV. Методы очистки сточных вод .................................................................................. 92
Глава 9. Методы механической очистки сточных вод.........................................................92
9.1. Общая характеристика и области применения ..............................................................92
9.2. Отстаивание.......................................................................................................................95
9.3. Фильтрование ..................................................................................................................100
9.4. Флотация..........................................................................................................................106
9.5. Разделение суспензий в поле центробежных сил ........................................................110
Глава 10. Физико-химические способы очистки сточных вод .........................................113
10.1. Классификация и общая характеристика....................................................................113
10.2. Смешение и нейтрализация сточных вод ...................................................................113
10.3. Окислительно-восстановительные процессы.............................................................116
10.4. Десорбция летучих примесей ......................................................................................118
10.5. Обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами...........................................119
10.6. Адсорбция и ионный обмен.........................................................................................129
10.7. Мембранные методы ....................................................................................................136
Глава 11. Биологические способы очистки.........................................................................141
11.1. Аэробные системы очистки .........................................................................................142
Раздел V. Пылеулавливание ...................................................................................................... 156
Глава 12. Принципы технологии пылеулавливания ..........................................................156
Глава 13. Сухая механическая очистка газов. Циклоны....................................................160
Глава 14. Мокрая механическая очистка газов...................................................................163
14.1. Полые газопромыватели...............................................................................................163
14.2. Скрубберы Вентури ......................................................................................................164
14.3. Мокрые пылеулавливающие аппараты с внутренней циркуляцией
орошающей жидкости ...........................................................................................................167
Глава 15. Сухая фильтрационная и электрическая очистка газов ....................................169
15.1. Тканевые фильтры ........................................................................................................169
15.2. Электрофильтры............................................................................................................171
Глава 16. Технология пылеулавливания в различных производствах .............................174
16.1. Пылеулавливание при регенерации реагентов в производстве целлюлозы ...........174
16.2. Пылеулавливание в процессах деревообработки ......................................................178
16.3. Золоулавливание при сжигании твердого топлива и древесных отходов...............182
Раздел VI. Очистка отходящих газов от загрязняющих атмосферу
газообразных компонентов ........................................................................................................ 185
Глава 17. Абсорбционный метод очистки газов.................................................................185
17.1. Характеристика абсорберов.........................................................................................186
17.2. Схемы абсорбционных установок...............................................................................189
Глава 18. Адсорбционный метод очистки газов.................................................................198
18.1. Сущность адсорбционного метода..............................................................................198
18.2. Характеристика адсорберов.........................................................................................199
18.3. Схемы адсорбционных установок...............................................................................201
Глава 19. Термические методы обезвреживания газов......................................................205
19.1. Каталитическое обезвреживание газов.......................................................................205
19.2. Сжигание в пламени .....................................................................................................207
19.3. Схемы установок термического обезвреживания......................................................209
Библиографический список....................................................................................................... 211
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
БПК (БПК5) — биохимическое потребление кислорода (за 5 суток)
ВДК — временно допустимые концентрации
ВСВ — временно согласованный выброс
ВСС — временно согласованный сброс
ДВП — древесноволокнистая плита
ДМДС — диметилдисульфид
ДМС — диметилсульфид
ДСП — древесностружечная плита
ИРП — известерегенерационная печь
ЛПВ — лимитирующий показатель вредности
ММ — метилмеркаптан
ОБУВ — ориентировочные безопасные уровни воздействия
ПАА — полиакриламид
ПАВ — поверхностно-активные вещества
ПВС — паровоздушная смесь
ПГС — парогазовая смесь
ПДВ — предельно допустимый выброс
ПДК — предельно допустимая концентрация
ПДКм.р — предельно допустимая концентрация максимально разовая
ПДКс — предельно допустимая концентрация среднесуточная
ПДС — предельно допустимый сброс
ПКШ — платиново-кобальтовая шкала
СГП — струйный газопромыватель
СЗЗ — санитарно-защитные зоны
СРК — содорегенерационный котлоагрегат
СЭС — санитарно-эпидемиологическая станция
ТММ — термомеханическая масса
ТЭС — теплоэлектростанция
ХПК — химическое потребление кислорода
ХТММ — химическая термомеханическая масса
ЦБП — целлюлозно-бумажная промышленность
5
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы, связанные с защитой окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами, разнообразны и сложны. Использование воды и воздуха современными промышленными предприятиями, в т. ч. предприятиями
целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), можно охарактеризовать как
повсеместное, многоцелевое и крупномасштабное, поэтому охрана воздушного
и водного бассейнов от загрязнения жизненно важно для всего человечества.
Для эффективной защиты окружающей среды от загрязнения промышленными
выбросами необходима подготовка специалистов, сочетающих высокую инженерную квалификацию с надлежащим уровнем экологических знаний. Такие
специалисты должны не только решать задачи, связанные с совершенствованием технологических процессов, расчетом, проектированием и эксплуатацией
очистных сооружений, но и учитывать особенности различных регионов и грамотно прогнозировать возможные последствия воздействия промышленных
выбросов на природные объекты.
Жизнь и хозяйственная деятельность человечества неразрывно связаны с
использованием природных ресурсов и изменением состояния окружающей природной среды. Вторая половина XX века ознаменовалась не только величайшими научно-техническими достижениями, но и загрязнением атмосферы, природных вод, почвы, истощением сырьевых и энергетических ресурсов, оскудением
фауны и флоры. Проявления негативного антропогенного воздействия на природу приняли за последние десятилетия такие острые формы и грандиозные масштабы, что стали угрожать здоровью и благополучному существованию человека. Поэтому проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды повсеместно приобрели первостепенное значение.
Сточные воды и газопылевые выбросы целлюлозно-бумажных предприятий активно воздействуют на окружающую природную среду: сбросы сточных
вод оказывают ощутимое влияние даже на такие крупные водоемы и водотоки,
как Байкал, Ладожское озеро, Северная Двина. Важной проблемой охраны окружающей среды для предприятий ЦБП является сокращение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду до уровня, позволяющего достигнуть
установленных для них величин предельно допустимых концентраций — ПДК.
В настоящее время ряд отечественных целлюлозно-бумажных предприятий имеют внеплощадочные сооружения механической и биологической очистки, где перерабатывается более 80 % суммарного объема сточных вод, загрязненных органическими веществами. Первоочередной задачей является быстрый ввод в действие сооружений для очистки сточных вод на тех предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности, которые до сих пор их не имеют, а также модернизация оборудования и совершенствование технологического режима очистки сточных вод на очистных сооружениях, не обеспечивающих достаточной эффективности удаления примесей. Необходимо также повсеместно обеспечить на основном производстве условия проведения технологических процессов, исключающие утечки и перели6
вы щелоков, перерасход реагентов, залповые сбросы сточных вод и другие действия, нарушающие нормальную работу очистных сооружений.
Актуальными проблемами дальнейшего развития технологий очистки
сточных вод является разработка новых и совершенствование существующих
методов очистки, в частности мембранных методов, заслуживающих более широкого применения; обеспечение очистных сооружений современной аппаратурой и контрольно-измерительными приборами; повышение инженернотехнической и экологической грамотности обслуживающего персонала. Неотложной и важной проблемой является совершенствование способов утилизации
осадков и шламов, образующихся в процессах очистки сточных вод в ЦБП. В
частности, хорошие перспективы для внедрения в ЦБП имеют разработанные
Институтом катализа реакторы с кипящим слоем катализатора, которые могут
найти широкое применение в процессах сушки, карбонизации и сжигания различных осадков и шламов.
В отрасли уделяется значительное внимание охране атмосферного воздуха
от загрязнения выбросами целлюлозно-бумажных комбинатов, лесопромышленных комплексов, крупных деревообрабатывающих предприятий. Все основные источники загрязнения воздуха взвешенными частицами и газообразными
примесями оснащены установками очистки выбросов. Для большинства предприятий разработаны нормативы предельно допустимых или временно согласованных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Улавливаемые из выбросов и рекуперируемые в производстве количества загрязняющих веществ
составляют десятки тысяч тонн в год. На предприятиях созданы службы контроля над промышленными выбросами в атмосферу.
В области охраны атмосферного воздуха актуальными для отрасли вопросами, которые должны решаться специалистами научных и проектных организаций, работниками промышленных предприятий, являются:
– разработка и осуществление мероприятий по сокращению потерь с выбросами в атмосферу в основных технологических процессах;
– совершенствование существующих и создание новых более эффективных и надежных в работе установок по очистке и рекуперации выбросов в атмосферу;
– разработка систем рекуперации отходов производства;
– повышение квалификации обслуживающего персонала и эффективности
организации работ по контролю нормативов предельно допустимых выбросов;
– осуществление мероприятий по предотвращению аварийных выбросов и
их последствий.
Для целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности одно из
важных направлений научно-технического прогресса связано с разработкой
теории и технологии комплексного и безотходного использования древесного
сырья, сухих методов окорки древесины, сухих (аэродинамических) способов
формования бумажного полотна, новых методов варки и отбелки целлюлозы,
исключающих образование токсичных соединений, а также с организацией
оборотного водопользования на промышленных предприятиях. В свою очередь,
7
комплексное использование древесного сырья открывает перспективы для расширения ассортимента вырабатываемой продукции. Важными проблемами, при
решении которых еще недостаточно реализованы имеющиеся возможности, являются снижение массоемкости бумаги и картона и более экономное использование топливно-энергетических ресурсов.
Разумеется, развитие малоотходных технологических процессов не исключает необходимости совершенствования методов очистки и рекуперации промышленных выбросов. Только на основе разумного сочетания этих двух направлений может быть эффективно разрешена проблема сокращения и предотвращения негативного воздействия промышленного производства на окружающую природную среду.
8
РАЗДЕЛ I. ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И АТМОСФЕРНОГО
ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ
Глава 1. Организация охраны водных объектов
и атмосферного воздуха
1.1. Влияние загрязняющих веществ на человека и окружающую среду
Современный уровень технологии целлюлозно-бумажного производства и
действующая в нашей стране система контроля загрязнения окружающей среды
исключают создание концентраций, опасных для жизни населения. Однако загрязняющие вещества способны оказывать отрицательное влияние на здоровье
населения, растительный и животный мир при их относительно небольших
концентрациях. Поэтому знание влияния различных концентраций загрязняющих веществ на человека и окружающую среду необходимо для нормирования
допустимого их содержания.
Загрязняющие вещества, поступающие в водные объекты, подразделяются
на минеральные, органические и биологические. Сточные воды, включающие
различные загрязняющие вещества, вызывают в каждом водном объекте сложные изменения первичного, вторичного и третичного порядка. Первичные изменения возникают в результате непосредственного, прямого влияния загрязняющих веществ, которое сводится к нарушению установившихся абиотических условий (собственно водной толщи, поверхности раздела вода — грунт и
толщи осадков). Первичные изменения вызывают цепь вторичных последствий:
загрязняющие вещества включаются в химические и биохимические процессы
в толще воды и на дне. Органические загрязнения постоянно оседают на дно,
образуя гниющие, разлагающиеся осадки, которые потребляют растворенный в
воде кислород. В загрязненной зоне возникает резкий дефицит растворенного
кислорода, необходимого для дыхания рыб и других водных организмов. При
распаде органических компонентов сточной воды образуются разнообразные
ядовитые продукты, такие, как метан, сероводород, органические кислоты, серосодержащие органические соединения (сульфиды, дисульфиды, меркаптаны)
и др. Ядовитые примеси усиливают замор, вызванный недостатком кислорода.
Многие дурнопахнущие токсиканты могут аккумулироваться в организмах
промысловых рыб.
Таким образом, первичные и вторичные изменения сказываются на абиотической среде всех водных организмов: планктона — совокупности мельчайших растительных (фитопланктон) и животных (зоопланктон) организмов, находящихся во взвешенном состоянии и пассивно передвигающихся вместе с
водой; бентоса — растительных (фитобентос) и животных (зообентос) организмов, живущих в верхних слоях ила, залегающего на дне водоема; высшей водной растительности. В результате возникают сложные третичные изменения. В
водоеме нарушается адаптация жизненных циклов всех организмов к установившимся условиям жизни в незагрязненной воде. Происходят необратимые
9
изменения в составе биоценозов (сообществ животных и растительных организмов, характеризующихся некоторой общностью их биологических особенностей и условий существования), разрушаются пищевые и другие связи между
организмами.
Очень важным последствием загрязнения является уменьшение самоочищающей способности водоемов, под которой понимается совокупность всех
природных процессов (биологических, гидрологических, химических и физических), направленных на восстановление первоначальных свойств и состава воды. Многие организмы планктона и бентоса, участвующие в процессах самоочищения, при высоком уровне загрязнения отмирают и замещаются видами,
не играющими роли в процессах самоочищения.
В России вода по качеству делится следующим образом: для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и для
рыбохозяйственных объектов. Для удовлетворения хозяйственно-питьевых
нужд необходимы высокие органолептические свойства воды, эпидемическая
безопасность и безвредность ее химического состава, в т. ч. и в санитарнотоксикологическом отношении. В настоящее время строгие требования предъявляются к составу воды водоемов рыбохозяйственного назначения. Например,
в них должны полностью отсутствовать некоторые загрязняющие вещества
(гексахлоран, полихлорпинен, ряд соединений фосфора), имеющие мутагенные
свойства и накапливающиеся в трофических цепях.
При гигиеническом нормировании качества воды, которое предотвращает
вредное воздействие ее на человеческий организм, в определенной степени
учитываете влияние загрязняющих веществ на общий санитарный режим водоемов. При этом решающее значение придается изменению динамики процессов
биохимического потребления кислорода. За пороговую концентрацию изучаемого вещества принимается такая концентрация, при которой наступает либо
торможение процесса биологического потребления кислорода (БПК5) на 10—
15 %, либо интенсификация его на ту же величину. В отдельных случаях различные ингредиенты оказывают противоположное влияние на динамику биохимического окисления, что приводит к глубокой деформации нормального
протекания процесса БПК5. При гигиеническом нормировании вод для определения уровня естественного самоочищения водоемов оценивается также интенсивность развития и отмирания водной сапрофитной бактериальной микрофлоры. Важнейшие компоненты биологического самоочищения (кроме бактерий и
фитопланктона): высшая водная растительность, зоопланктон, высшие ракообразные, олигохеты, личинки насекомых, моллюски, в конечном итоге — рыбы.
Токсические вещества выводят из структуры сообщества виды, наиболее чувствительные к загрязнению воды, и если эти виды доминируют, структура претерпевает большие изменения. Качество воды как функции жизнедеятельности
измененной экосистемы, из которой выпали наиболее чувствительные к воздействию загрязняющих веществ звенья биоценоза, существенно ухудшается. В
настоящее время ПДК того или иного вещества в водоеме устанавливается по
тому признаку вредного действия (влиянию на здоровье населения, на органо10
лептические — вкус, запах, цвет — свойства воды или на общесанитарное состояние водоема), который характеризуется наименьшей концентрацией. Такой
признак вредности получил название лимитирующий показатель вредности
(ЛПВ). Органами здравоохранения все вредные вещества по характеру своего
действия подразделяются на три группы ЛПВ (общесанитарный, санитарнотоксикологический, органолептический), а органы рыбоохраны выделяют еще
рыбохозяйственный показатель.
Вода по качеству подразделяется на классы, характеризующие степень ее
чистоты или загрязненности и позволяющие оценить реальную и потенциальную пригодность для различных типов водопользования. Предложена
5-балльная система гидробиологической оценки токсичности воды с применением трех тест-объектов: дафний — чувствительный организм; большого прудовика — организм средней чувствительности; гуппи — малочувствительный
организм. Вещества, загрязняющие атмосферный воздух, могут оказывать на
человека как специфическое (характерное для данного соединения), так и общетоксическое действие. Для оценки токсического действия веществ на внутренние органы, которое изучается экспериментально на подопытных животных,
в частности, применяют следующие понятия: летальная (смертельная) концентрация вещества, вызывающая при дыхании гибель 50 % животных — CL50, и
пороговая или наименьшая концентрация, вызывающая тот или иной отрицательный эффект при однократном воздействии на животных — Cmin.
CL50
= Z называется зоной однократного действия вещества
Отношение
Cmin
и принято в качестве интегрального показателя вредного действия, характеризующего степень опасности вещества. По этому признаку промышленные вещества разделены на четыре класса опасности:
1-й класс — вещества чрезвычайно опасные (Z < 6);
2-й класс — вещества высокоопасные (Z = 6—18);
3-й класс — вещества умеренно опасные (Z = 18,1—54);
4-й класс — вещества малоопасные (Z > 54).
Из веществ, выбрасываемых предприятиями ЦБП и способных загрязнять
атмосферный воздух, к 1-му классу относится ртуть, ко 2-му — сероводород,
метилмеркаптан, фенол, формальдегид, хлор и некоторые другие вещества.
Принадлежность веществ к 1-му и 2-му классам требует проведения на предприятиях дополнительных мероприятий по сокращению их выбросов и контроля уровня загрязнения воздуха. Как установлено, концентрации Cmin для человека меньше примерно в 2,5 раза, чем для подопытных животных, что служит
обоснованием коэффициента запаса при установлении нормативов уровня загрязнения атмосферного воздуха.
Загрязняющие атмосферный воздух вещества могут оказывать на население рефлекторное или общетоксическое вредное влияние. К веществам, оказывающим преимущественно рефлекторное влияние (действие на органы дыхания), относится метилмеркаптан.
11
Действие загрязняющих атмосферный воздух веществ на растительность
отражается на процессах ее развития. Наиболее изучено влияние на растительный мир типичных загрязняющих веществ, т. е. таких, которые присутствуют в
выбросах различных отраслей промышленности. Наиболее чувствительны к содержанию в воздухе SO2 хвойные деревья, так как лиственные породы ежегодно меняют листву. Тенденция к усыханию деревьев хвойных пород проявляется
при концентрации SO2 в воздухе от 0,1 до 0,2 мг/м3. Двуокись азота в концентрации 4—6 мг/м3 вызывает прямое повреждение растений. Более низкие концентрации NO2 (0,12—0,15 мг/м3) способны вызывать снижение темпов роста
растений. Загрязняющие атмосферный воздух вещества могут также оказывать
отрицательное влияние на население, поверхностный слой почвы и животный
мир водоемов при выпадении атмосферных осадков, например, так называемых
«кислотных» дождей.
1.2. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ
в воде и атмосферном воздухе
В России действует система санитарно-гигиенического нормирования допустимого уровня загрязнения воды и воздуха, основанная на установлении
ПДК. Нормативы ПДК загрязняющих веществ устанавливаются Министерством здравоохранения (Минздравом) РФ. Они приведены в «Санитарных нормах
проектирования промышленных предприятий» и в регулярно дополняемых и
издаваемых Минздравом РФ списках ПДК.
Под нормативами качества вод понимаются допустимые (предельные)
величины показателей физико-химического состава и биологического состояния вод и их свойства, отвечающие требованиям различных потребителей. Эти
свойства должны сохраняться при определенных величинах параметров среды:
гидрологических, гидрогеологических, гидробиологических, климатических
и др. Нормативные величины указываются в виде концентрации, т. е. количества данного вещества в единице объема, или в других видах.
Согласно «Основам водного законодательства РФ», ГОСТу «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения» и действующим «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения
сточными водами» нормативные требования предъявляются к качеству воды
водоемов в зависимости от вида водопользования по физическим, химическим,
бактериологическим и гидробиологическим показателям. К настоящему времени разработаны и утверждены нормативы состава и свойств воды водных объектов двух категорий водопользования: а) хозяйственно-питьевого и культурнобытового; б) рыбохозяйственного. Общие требования к качеству воды, используемой для этих целей, базируются на показателях физического состояния, химического и бактериологического состава воды (температуре, взвешенных веществах, минерализации, т. е. сухом остатке, хлоридах, сульфатах, растворенном кислороде, рН, БПК5, возбудителях заболеваний, ядовитых веществах).
Кроме того, оценка качества воды по содержанию в ней вредных химических
веществ производится с учетом установленных ПДК для человека, отдельных
12
видов промысловых рыб. Содержание в воде вещества в ПДК составляет одну
дозу этого вещества, т. е. вода, содержащая какое-либо вещество в одной дозе,
так же безвредна при неограниченно долгом водопользовании, как и при полном отсутствии этого вещества.
Согласно «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными
водами», безвредность воды, содержащей несколько веществ одного ЛПВ, будет обеспечена при условии:
z
C
∑ ПДКi
i=1
= 1,
i
(1.1)
где Сi — концентрация i-го вещества в воде водного объекта; ПДКi — предельно допустимая концентрация этого вещества.
Из выражения (1.1) следует, что для нескольких веществ одного ЛПВ концентрация каждого из них должна быть меньше соответствующей ПДК и составлять ее часть согласно выражению:
z −1 C
⎞
⎛
i
⎟⎟ ,
C z = ПДК z ⎜⎜ 1 − ∑
(1.2)
ПДК
i=1
i ⎠
⎝
где Сz — допустимая концентрация рассматриваемого вещества в воде данного
водного объекта; ПДКz — предельно допустимая концентрация этого вещества
в воде при отсутствии других загрязняющих веществ.
Для каждой локальной зоны (участка) водного объекта может быть допустимой своя определенная концентрация Сz. Содержание вещества в воде можно
сопоставлять с его ПДК только в том случае, если других веществ того же ЛПВ
в воде нет. В противном случае при сопоставлении можно определить лишь
число доз данного вещества. В настоящее время установлены ПДК более чем
для 700 веществ, причем число их непрерывно растет. Наиболее часто встречающиеся вещества, характерные для стоков целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих предприятий, представлены в табл. 1.1.
Лимитирующие вещества — вещества, по содержанию которых лимитируется качество воды водных объектов в зависимости от вида водопользования.
К лимитирующим веществам (ингредиентам) относят все вещества, содержание
которых в водных объектах нормируется в установленном порядке, т. е. для которых определены ПДК. Лимитирующие вещества целесообразно выявлять
применительно к конкретному виду водопользования.
Наряду с установлением лимитирующих веществ представляет интерес
выделение репрезентативных показателей, помогающих выявить загрязнение,
обусловленное сбросом конкретных видов сточных вод. Особенно важно это
при расчетах и прогнозах уровня загрязнения водных объектов с использованием расчетных методов и математических моделей. Выбор гидрохимических показателей, репрезентативных для оценки изменения качества воды под влиянием антропогенных факторов, может быть осуществлен по системе интегральных показателей.
13
Таблица 1.1. Перечень вредных веществ и гидрохимических показателей для контроля
и нормирования предельно допустимых сбросов в воде водоемов, загрязняемых стоками ЦБП
1
ЛПВ
ПДК
ЛПВ
2
3
4
ПДК
Класс
опасности
Показатель
или вещество
Категория водопользования
хозяйственно-питьевая
рыбохозяйственная
и культурно-бытовая
5
6
Не более
чем на 3 °С
Не более
6,5—8,5
Отсутствует
посторонний
—
4,0 (зимой)
6,0 (летом)
3,0
Не более
чем на 0,75
Температура, °С
Ос.
Не более чем на 3 °С
Ос.
рН
Ос.
Не более 6,5—8,5
Ос.
Запах, привкус, баллы
Ос.
Не более 2 баллов
Ос.
Окраска, см
Растворенный
мг/л
БПК5, мг О2/л
Ос.
20 см
Ос.
Ос.
Не менее 4,0
Ос.
Ос.
3,0
Ос.
Не более чем на 0,25
Ос.
Ос.
Не более 1000 мг/л
(по сухому остатку)
—
—
—
Орг.
Орг.
Ос.
Ос.
Ос.
С.-т.
С.-т.
Орг.
Орг.
Орг.
С.-т.
350
500
Отсутствует
—
—
45
3,3
0,0002
0,01
0,04
3,0
С.-т.
С.-т.
Ос.
Т.
Т.
С.-т.
Т.
—
—
—
С.-т.
300
100
Отсутствует
Отсутствует
0,5
40
0,08
—
—
—
0,1
4
4
3
2
2
3
2
4
4
3
2
Ос.
3,5
—
—
3
Ос.
Орг.
С.-т.
С.-т.
Орг.
Орг.
Орг.
Ос.
Орг.
Орг.
Орг.
С.-т.
Орг.
—
—
Орг.
Орг.
—
1,2
0,001
0,004
—
0,4
0,1
0,1
0,1
0,2
0,1
0,2
0,05
1,0
—
—
0,5
0,3
—
Т.
Р.-х.
С.-т.
Т.
Т.
—
—
Т.
—
—
С.-т.
Т.
—
Т.
Т.
Т.
Р.-х.
Т.
0,01
0,001
0,004
0,003
0,05
—
—
0,004
0,001
—
0,2
0,1
—
0,1
0,1
0,1
0,05
Ниже –10
4
4
2
—
3
3
4
4
3
4
2
4
—
—
—
—
4
—
кислород,
Взвешенные вещества, мг/л
Минеральный состав
Вещество, мг/л:
Хлориды (по Cl–)
Сульфаты (по SO42–)
Сульфиды
Сероводород
Аммоний солевой
Нитраты (по NO3–)
Нитриты (по NO2–)
Метилмеркаптан
Диметилсульфид
Диметилдисульфид
Метиловый спирт
Муравьиная
кислота
Уксусная кислота
Фенол
п-, м-крезол
о-крезол
α-нафтол
β-нафтол
Пирокатехин
Резорцин
Гидрохинон
Пирогаллол
Скипидар
Формальдегид
Фурфурол
Сульфатное мыло
Талловое масло
СПАВ
Нефть и нефтепродукты
Танниды
14
—
—
—
—
—
—
—
Продолжение таблицы 1.1
1
Карбамидоформальдегидная смола
Ацетон
Железо общее (Fe3+)
Алюминий (Al3+)
Кальций (Ca2+)
Магний (Mg2+)
Цинк (Zn2+)
Кадмий (Cd2+)
Медь (Cu2+)
Ртуть (Hg2+)
Мышьяк (As3+)
Хром (Cr6+)
2
3
4
5
6
—
—
Т.
1,5
—
Ос.
Орг.
С.-т.
—
Ос.
Ос.
С.-т.
Орг.
С.-т.
С.-т.
Орг.
2,2
0,3
0,5
—
20
1,0
0,0010
1,0000
0,0005
0,0500
0,1000
Т.
—
—
С.-т.
С.-т.
Т.
Т.
Т.
—
Т.
С.-т.
0,05
—
—
180
40
0,01
0,005
0,001
—
0,05
0,001
3
3
2
—
—
3
2
3
1
2
3
Примечание: Ос. — общесанитарные; Орг. — органолептические; С.-т. — санитарнотоксикологические; Т. — токсикологические; Р.-х. — рыбохозяйственные.
Выбираемые из всего объема гидрохимической информации ингредиенты
(показатели) должны отличаться специфичностью относительно состава сточных вод, преобладающих в общем объеме сброса, ПДК, наименьшей скоростью
трансформации после выброса в водный объект, наибольшим превышением над
предельно допустимым сбросом среди веществ, лимитируемых по общесанитарному показателю вредности. По данным о лимитирующих и репрезентативных показателях, входящих в состав режимных сетевых гидрохимических наблюдений, можно получить такие важнейшие количественные характеристики
степени загрязненности рек, как продолжительность периодов стока загрязненных (или чистых) речных вод и их объемы — в долях от годового стока или непосредственно в м3/год. Нормативы ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в соответствии со статьей 8 Закона РФ «Об охране атмосферного
воздуха» должны отвечать интересам здоровья людей и охраны окружающей
природной среды.
Особенность нормирования в России допустимого уровня загрязнения воздуха состоит в том, что на содержание любого загрязняющего вещества устанавливается два типа ПДК: в воздухе рабочей зоны производственных помещений и в атмосферном воздухе населенных мест (селитебной зоны). Для одних и
тех же загрязняющих веществ ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов ниже, чем ПДК для воздуха рабочей зоны производственных помещений.
ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест подразделяют на максимально разовые (ПДКм.р) и среднесуточные (ПДКс). Первая
из них определяет допустимую величину кратковременного воздействия загрязняющего вещества на организм человека, вторая — допустимую величину
длительного воздействия. Нормативы ПДКм.р относятся к 20-минутному интервалу времени (к такому же интервалу времени относятся и все значения ПДК,
установленные для воздуха рабочей зоны производственных помещений). Это
означает, что при сопоставлении натурных измерений с ПДК результат анали15
зов проб воздуха также должен соответствовать 20-минутному интервалу. Для
сравнения с нормативами ПДКс контроль уровня загрязнения воздуха производится в селитебной зоне либо непрерывно в течение суток, либо с перерывами в
течение суток, но с последующим расчетом средневзвешенной величины концентрации загрязняющего вещества.
Нормативы ПДКм.р устанавливаются по порогу рефлекторного действия
загрязняющего вещества на людей, например по порогу обоняния, а нормативы
ПДКс — с учетом порога токсического воздействия. Если это действие начинается с более высокой концентрации, чем рефлекторное, то нормативы ПДКс и
ПДКм.р для данного вещества совпадают. В тех случаях, когда токсическое действие проявляется при меньших концентрациях, чем рефлекторное, то
ПДКс < ПДКм.р. Для веществ, не обладающих рефлекторным действием, ПДКм.р
не установлены, а для веществ, порог токсического действия которых неизвестен, значения ПДКс не установлены. На территориях, подлежащих повышенной
охране, устанавливаются более жесткие нормативы — ПДК уменьшаются на
20 %.
Для разработки ПДК, особенно для атмосферного воздуха населенных
мест, требуется весьма длительный период времени, связанный с необходимостью проведения медико-биологических и физиолого-гигиенических исследований. Поэтому для веществ, для которых ПДК отсутствуют, устанавливают
временные нормативы — ориентировочные безопасные уровни воздействия
(ОБУВ) или временно допустимые концентрации (ВДК). ОБУВ, так же, как и
ПДК, имеют размерность мг/м3 и являются допустимыми максимально разовыми концентрациями.
Некоторые загрязняющие вещества при одновременном присутствии в
воздухе оказывают суммирующее отрицательное влияние на организм человека, называемое эффектом суммации вредного воздействия, которое устанавливает, что при одновременном присутствии в воздухе веществ, обладающих эффектом суммации вредного воздействия, должно быть обеспечено следующее
условие:
с
с
с
Qi = 1 + 2 + ...+ п ≤ 1,
(1.3)
ПДК1 ПДК2
ПДКп
где Qi — суммарная безразмерная концентрация i-й группы веществ, обладающих эффектом суммации вредного воздействия; c1, с2, …, сп — концентрации
загрязняющих веществ, относящихся к i-й группе; ПДК1, ПДК2, ..., ПДКп —
ПДК веществ, относящихся к i-й группе.
Эффектом суммации обладают: ацетон и фенол; ацетон, фурфурол, формальдегид и фенол; сернистый ангидрид и сероводород; сернистый ангидрид и
двуокись азота; сернистый ангидрид, окись углерода, двуокись азота и фенол;
сернистый ангидрид и фенол.
Перечень ПДК загрязняющих веществ для атмосферного воздуха населенных пунктов, характерных для производств лесной, целлюлозно-бумажной и
деревообрабатывающей промышленности, приведен в табл. 1.2. В соответствии
16
с СП 2.2.1.1312-03 концентрации загрязняющих веществ в воздухе на территории предприятия не должны превышать 30 % от значений ПДК для воздуха рабочей зоны производственных помещении (с < ПДК), а в атмосферном воздухе
населенных мест — нормативов ПДКм.р (с ≤ ПДКм.р). Требование в отношении
чистоты воздуха на территории предприятия должно обеспечивать исключение
загрязнения приточного воздуха, поступающего в производственные помещения. Для других веществ, загрязняющих воздух в производствах целлюлознобумажных предприятий, установлены ОБУВ, мг/м3: клей укрепленный — 1,0;
гидроксид натрия — 0,01; натрия карбонат (сода кальцинированная) — 0,04;
полиэтилен — 0,01; спирт фуриловый — 0,04; уайт-спирт — 1,0.
Таблица 1.2. ПДК загрязняющих веществ
в атмосферном воздухе населенных пунктов*
Вещество
Диоксид азота
Оксид азота
Аммофос
Аммиак
Акролеин
Сернистый ангидрид
Уксусный ангидрид
Бензин (нефтяной, в пересчете на углерод)
Взвешенные вещества
Диметилсульфид
Оксид магния
Марганец и его соединения
(в пересчете на диоксид марганца)
Ксилол
Сажа
Сероводород
Сероуглерод
Скипидар
Стирол
Спирт этиловый
Оксид углерода
Фенол
Формальдегид
Фурфурол
Хлор
Метилмеркаптан
Ртуть металлическая
ПДК, мг/м3
максимально
среднеразовая
суточная
0,085
0,04
0,600
0,60
2
0,2
0,2
0,04
0,03
0,03
0,5
0,05
0,1
0,03
5
1,5
0,5
0,15
0,08
—
0,4
0,05
Класс
опасности
2
3
4
4
2
3
3
4
3
4
3
0,01
0,001
2
0,2
0,15
0,008
0,03
2
0,04
5
5
0,01
0,035
0,5
0,1
9.10–6
—
0,2
0,05
—
0,005
1
0,002
5
3
0,003
0,003
0,5
0,03
—
0,0003
3
3
2
2
4
2
4
4
2
2
3
2
2
1
На территории населенных мест, в воздухе которых содержатся загрязняющие вещества от других источников, следует учитывать фоновые концентрации (Сф, мг/м3). Для каждого источника выбросов загрязняющих веществ
17
фоновая концентрация характеризует уровень загрязнения воздуха всеми другими источниками, исключая рассматриваемый, и определяется для всей территории, попадающей в зону влияния данного источника. При наличии фонового
загрязнения для концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
населенных пунктов должно обеспечиваться соотношение
С ≤ ПДК – Сф.
(1.4)
Для соблюдения нормативов ПДК в атмосферном воздухе населенных
пунктов предприятия, являющиеся источниками загрязнения атмосферного
воздуха, должны осуществлять необходимые природоохранные мероприятия.
Кроме того, такие предприятия должны иметь санитарно-защитные зоны
(СЗЗ). Под СЗЗ следует понимать территорию определенной протяженности
(ширины) вокруг предприятия, располагающуюся между предприятием и жилой застройкой. На границе СЗЗ должно обеспечиваться условие (1.4). В зависимости от отраслевой принадлежности, видов выпускаемой продукции, мощности, используемых сырьевых материалов промышленные предприятия разделены на пять классов, для каждого из которых установлена ширина СЗЗ, м: для
предприятий, отнесенных к I классу, — 1000, ко II — 500, к III — 300, к IV —
100, к V — 50. Ширина СЗЗ отсчитывается непосредственно от границ источников выбросов загрязняющих веществ. Размеры СЗЗ для тепловых электростанций и отопительно-производственных котельных должны определяться в
каждом конкретном случае расчетом рассеивания в атмосферном воздухе содержащихся в выбросах загрязняющих веществ.
1.3. Предельно допустимые сбросы и предельно допустимые выбросы
загрязняющих веществ в окружающую среду
На основе нормативов ПДК вредных веществ в водных объектах необходимы комплексные ограничения, учитывающие эффект совместного присутствия разных веществ. Это потребовало разработки, помимо ПДК, новых критериев, обеспечивающих чистоту водоемов, в виде нормативов предельно допустимых сбросов (ПДС). В соответствии с п. 39 ГОСТ 17.1.01-77 «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения» под ПДС подразумевается «...масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте
водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в
контрольном пункте». В целях охраны вод устанавливается ПДС с учетом ПДК
веществ в местах водопользования, ассимилирующей способности водного
объекта и оптимального распределения массы сбрасываемого вещества между
водопользователями, сбрасывающими сточные воды.
Сточные воды, согласно п. 35 ГОСТ 17.1.01-77, являются нормативно
( )
нч
чистыми с концентрацией Сст , если отведение их в водные объекты с расходом (qст) не приводит к нарушению норм качества воды в контролируемом
створе или пункте водопользования.
18
Таким образом, ПДС устанавливается из условия
нч
ПДС = Сст
qст .
В тех случаях, когда по объективным причинам водоохранный комплекс
может быть построен в несколько очередей, например в две и даже в три, оченч
видно, Сст и ПДС будут обеспечены лишь после введения в эксплуатацию последней очереди строительства. В таких случаях водопользователь одновременно с утверждением ПДС должен получить разрешение на временно согласованный сброс (ВСС). Степень превышения ВСС над ПДС (ВСС/ПДС) и допустимая длительность такого превышения утверждаются органами по регулированию использования и охране вод по согласованию с органами санитарной
службы и рыбоохраны. Нормативы ПДС и ВСС устанавливают в граммах в час
по отдельным общесанитарным показателям и группам ЛПВ для каждого водопользователя. Норматив ПДВ (предельно допустимого выброса) устанавливается для каждого источника загрязнения при условии, что выбросы загрязняющих
веществ данным источником и совокупностью других источников с учетом их
рассеивания в атмосфере не создают концентраций, превышающих ПДК. Таким
⎛n
⎞
⎜ ∑ Ci + Cфi ⎟
⎠ ≤ 1.
образом, ПДВ устанавливается из условия ⎝ i =1
ПДК i
В тех случаях, когда на действующих предприятиях нормативы ПДВ по
причинам объективного характера не могут быть достигнуты, разрабатываются
мероприятия по поэтапному снижению выбросов загрязняющих веществ до
значений ПДВ. На каждом переходном этапе устанавливаются нормативы временно согласованных выбросов (ВСВ). Общие правила установления ПДВ и
ВСВ приведены в ГОСТ 17.2.3.02-78 (переиздан в 2004 году) «Охрана природы.
Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ
промышленными предприятиями». Нормативы ПДВ и ВСВ устанавливают в
тоннах в год отдельно по каждому загрязняющему веществу, а также по каждому источнику загрязнения (выделения, выброса). Кроме того, с целью оперативного контроля нормативы ПДВ и ВСВ устанавливают в граммах в секунду.
Нормативы ПДВ и ВСВ не должны быть превышены в любой двадцатиминутный интервал времени (в соответствии с интервалом времени, определенным
для ПДКм.р).
1.4. Охрана окружающей среды промышленными предприятиями
К основным направлениям природоохранной работы на предприятии,
имеющим непосредственное отношение к очистке и рекуперации промышленных выбросов, относятся: планирование, организационные и технические мероприятия, контроль, учет промышленных выбросов и отчетность. Планируемые
мероприятия по охране природы включают: технологические методы снижения
выбросов; способы и схемы рекуперации и утилизации отходов; методы локали19
зации выбросов и сокращения водо- и воздухопотребления; схемы использования воды в обороте; предложения по повышению эффективности действующих
очистных сооружений и установок и созданию новых более совершенных
средств очистки. Сроки выполнения мероприятий устанавливаются с учетом
времени на разработку технической документации, наличия финансирования,
необходимого времени на изготовление, монтаж и наладку оборудования.
Организационные мероприятия по охране природы: участие в разработке
нормативов ПДС и ПДВ; взаимодействие с органами государственного контроля; разработка стандарта предприятия по охране природы, требований охраны
природы в технологических регламентах, инструкций по эксплуатации очистных сооружений, установок, средств транспортировки промышленных выбросов; составление графиков профилактического обслуживания и ремонта очистных сооружений, установок, вспомогательного оборудования и коммуникаций;
обеспечение природоохранных сооружений комплектами запасных частей, материалами и реагентами; определение порядка утилизации и вывоза отходов
производства; разработка мер по краткосрочному сокращению выбросов в исключительных обстоятельствах и предложений по предотвращению и ликвидации последствий аварийных выбросов.
Технические мероприятия по охране природы: эффективная и надежная
эксплуатация очистных и рекуперационных сооружений и установок, систем
использования воды в обороте, средств сбора и транспортировки промышленных выбросов; строительство очистных сооружений и установок; создание и
эксплуатация систем сбора проливов и протечек в производственных цехах; оснащение очистных сооружений средствами автоматизации. Задачами контроля
охраны природы являются: выполнение запланированных мероприятий; определение фактических выбросов загрязняющих веществ и их сопоставление с
нормативами ПДС, ПДВ; оценка уровня загрязнения водных объектов и атмосферного воздуха и проверка его соответствия нормативам ПДК. Основную работу по контролю осуществляет служба охраны природы. Главным содержанием учета источников промышленных выбросов является их инвентаризация,
под которой понимается сбор сведений о месторасположении источников выбросов (выпусков), качественном и количественном составе выбросов. Для действующих предприятий инвентаризация производится путем прямых измерений, а ее результаты являются исходными данными для разработки нормативов
ПДС и ПДВ.
Центральным органом государственного управления в области охраны
природы с 1988 года является Государственный комитет СССР по охране природы (Госкомприроды). В 2008 году Госкомприроды переименован в Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации (Минприроды
России). Наряду с Минприроды России функции контроля в области охраны
природы выполняют санитарно-эпидемиологические станции (СЭС) Министерства здравоохранения РФ, региональные центры контроля загрязнения природной среды Росгидромета, гидрохимические лаборатории (ГХЛ) Министерства
мелиорации и водного хозяйства РФ. СЭС осуществляют контроль соблюдения
20
ПДК в воде и воздухе, региональные центры и ГХЛ проводят систематические
наблюдения за уровнем загрязнения воды и воздуха в районах расположения
предприятий. Органы государственного контроля в своей деятельности осуществляют предупредительный (при проектировании, строительстве, расширении
и техническом перевооружении предприятий и природоохранных сооружений)
и текущий (при эксплуатации предприятий и природоохранных сооружений)
виды контроля. Они имеют право в случаях серьезных нарушений законодательства по охране природы временно приостанавливать или полностью прекращать эксплуатацию отдельных промышленных установок, цехов, производств, промышленных предприятий в целом.
Одной из важных сторон взаимодействия предприятия с органами государственного контроля является согласование специального водопользования и
условий выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Применительно к деятельности предприятий (объединений) к специальному водопользованию относится пользование водными объектами или их частью (поверхностными и подземными водами) для удовлетворения потребностей предприятия, а также для
сброса промышленных и других сточных вод. Специальное водопользование
осуществляется на основании разрешений, выдаваемых местными органами
Минприроды России, после согласования условий такого водопользования с
СЭС, инспекцией рыбоохраны и другими заинтересованными организациями. В
материалах, представляемых для получения разрешений на специальное водопользование, должны содержаться следующие сведения: гидрологическая характеристика водного объекта (расход воды, скорость ее течения в различные
периоды года и др.); качественная характеристика воды в створах; рыбохозяйственная характеристика водного объекта; нормативно обоснованные нормы
водопотребления и водоотведения на хозяйственно-питьевые нужды (в соответствии со СНиП), на производственные нужды (в соответствии с разработанными отраслевыми нормативами водопотребления и водоотведения), общие
расходы воды (свежей, повторно используемой, передаваемой другим предприятиям, тыс. м3/год, м3/сут); производительность водозаборных сооружений;
схема, тип и производительность очистных сооружений сточных вод, основные
рабочие параметры и эффективность (в % и в единицах концентраций) очистки,
обезвреживания и обеззараживания сточных вод; предложения по нормативам
ПДС; мероприятия по организации санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водопотребления, по учету водопотребления и водоотведения и
определению состава сбрасываемых сточных вод; балансовая схема водопотребления и водоотведения.
Условия выброса загрязняющих веществ в атмосферу источниками загрязнения предприятия включают перечень и количество загрязняющих веществ,
разрешенных к выбросу в атмосферу. Разрешение на выброс загрязняющих веществ в атмосферу выдается предприятию местными органами Минприроды
России после согласования с региональным центром по контролю загрязнения
природной среды Росгидромета и СЭС. Для получения разрешения на выброс
загрязняющих веществ в атмосферу необходимо представить следующие мате21
риалы: краткую характеристику физико-географических и климатических условий в районе расположения предприятия; краткую характеристику предприятия
с указанием перечня загрязняющих веществ, поступающих в воздух при производственных процессах; данные о фоновых концентрациях загрязняющих веществ; ситуационный план предприятия; результаты и анализ расчета загрязнения атмосферного воздуха; предложения по нормативам ПДВ; характеристику
и обоснование мероприятий по снижению выбросов в атмосферу в периоды
аномальных метеорологических условий; сведения об уточнении СЗЗ с учетом
розы ветров; мероприятия по предотвращению аварийных выбросов загрязняющих веществ; характеристику и обоснование способов и периодичность
контроля промышленных выбросов с соблюдением нормативов ПДВ, уровнем
загрязнения атмосферного воздуха. Разрешения на специальное водопользование и выброс загрязняющих веществ в атмосферу выдаются предприятию на
срок, определяемый органами государственного контроля, и являются необходимыми условиями деятельности предприятия. Должностные лица предприятия, нарушающие законодательство в области охраны природы и санитарногигиенические требования, могут быть привлечены к дисциплинарной, административной и уголовной ответственности.
Контрольные вопросы к главе 1
1. Каковы особенности контроля над выбросами в атмосферу по нормативам ПДВ по сравнению с контролем нормативов ПДК?
2. Что такое «разрешение на выброс загрязняющих веществ в атмосферу» и какие материалы
должно иметь предприятие для получения «разрешения на выброс»?
3. Что понимается под нормативами качества вод?
4. Что входит в понятия: специальное водопользование, условия сброса загрязняющих веществ в водные объекты?
Глава 2. Рассеивание и преобразование
промышленных выбросов в атмосфере
2.1. Факторы, влияющие на рассеивание промышленных выбросов
При современном уровне техники некоторое количество загрязняющих
веществ остается в выбросах после газоочистки. Вентиляционные выбросы, в
которых содержание загрязняющих веществ С ≤ 0,3 ПДК (ПДК для воздуха рабочей зоны), могут быть использованы вместо приточного воздуха. Во всех
других случаях для вентиляционных выбросов, а также для отходящих газов
должны быть обеспечены такие условия рассеивания, чтобы было обеспечено
соотношение (1.4) (см. главу 1).
На рассеивание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и уровень
его загрязнения влияют метеорологические и географические факторы, а также
параметры источников выбросов в атмосферу.
К метеорологическим факторам относятся: скорость ветра; температура
окружающего воздуха и характеристика ее (изменение температуры по высоте
от поверхности земли — температурная стратификация атмосферы); влажность
22
воздуха; барометрическое давление. Под действием ветра газовоздушные смеси, выбрасываемые из труб, переносятся в горизонтальном направлении. В общем случае, чем выше скорость ветра, тем интенсивнее перемешивание выбросов с атмосферным воздухом, больше разбавление загрязняющих веществ и тем
ниже их концентрация в приземном слое воздуха. Рассеивание выбросов резко
ухудшается и концентрации загрязняющих веществ в воздухе возрастают при
штиле, т. е. при безветрии (затишье) или слабом ветре (скорость ветра до 0,5
м/с). Ухудшение рассеивания выбросов при штиле связано с отсутствием переноса выбросов в горизонтальном направлении. Температурный фактор атмосферы оказывает на рассеивание выбросов двоякое влияние. Влияние разности
температур выбросов и окружающего воздуха проявляется в том, что чем
больше разность температур, тем больше разность плотностей выбросов и воздуха, а значит, интенсивнее их взаимное перемешивание. Кроме того, на перемешивание выбросов с воздухом влияет температурная стратификация атмосферы, характеризуемая величиной температурного градиента — изменением
температуры по высоте, выраженным в градусах. Нормальный температурный
градиент имеет отрицательное значение, т. е. с увеличением высоты температура воздуха снижается. Такой ход изменения температуры способствует условиям вертикального рассеивания выбросов. С увеличением барометрического
давления имеется тенденция роста концентрации загрязняющих веществ в воздухе. При антициклонах, например, увеличение концентраций может быть
весьма существенным, так как для них характерны низкие скорости ветра и неблагоприятная температурная стратификация атмосферы.
Из географических факторов на рассеивание выбросов оказывает влияние
рельеф местности. В условиях холмистого рельефа в низинах ветер ослабевает,
ухудшая рассеивание загрязняющих веществ. Если источники выбросов находятся в низине и расположены вблизи подветренного склона, то возможно повышение загрязнения воздуха вследствие так называемого аэродинамического слива.
Уровень загрязнения воздуха зависит от следующих параметров источников выбросов: количества загрязняющего вещества, поступающего с выбросами
в атмосферу в единицу времени; агрегатного состояния вещества и его дисперсности; скорости выхода газовоздушной смеси из устья источника высоты
источника выброса над уровнем земли; температуры и количества выбрасываемой газовоздушной смеси. Установлено, что при прочих равных условиях уровень загрязнения воздуха возрастает при увеличении количества загрязняющего
вещества. Скорость упорядоченного оседания газообразных примесей практически равна нулю. Поэтому понятно, что примеси, находящиеся в твердом или
жидком агрегатном состоянии, оседают быстрее, чем газообразные. В свою
очередь уровень загрязнения воздуха твердыми или жидкими частицами зависит от их дисперсности. Скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса (трубы) в сочетании с температурой выбросов оказывает влияние
на подъем дымовой струи (факела) над трубой. Это явление, визуально наблюдаемое при слабом ветре, может существенно влиять на рассеивание выбросов
и, соответственно, уровень загрязнения воздуха. На существующей взаимосвя23
зи между эффективной высотой выброса и скоростью ветра основано понятие
«опасная скорость ветра». Опасная скорость ветра — это такая скорость, при
которой концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест достигают максимального значения. Действительно, с одной стороны,
с повышением скорости ветра концентрация загрязняющего вещества в воздухе
на уровне дыхания людей падает, но с другой стороны, с увеличением скорости
ветра уменьшается эффективная высота трубы вследствие уменьшения высоты
подъема струи. Для нагретых выбросов величина опасной скорости ветра составляет 4—7, для холодных 0,5—2 м/с.
2.2. Преобразование загрязняющих веществ в атмосфере
Загрязняющие вещества в атмосферном воздухе подвергаются сложным
процессам превращения, взаимодействия, вымывания. В некоторых случаях
может происходить накопление загрязняющих веществ в воздухе на определенной территории. Процессы преобразования загрязняющих веществ различны для аэрозолей и газообразных примесей.
Основными процессами удаления аэрозолей из атмосферного воздуха являются: осаждение дисперсной фазы под действием силы тяжести; выпадение
их с атмосферными осадками либо в результате конденсации паров и укрупнения дисперсной фазы, либо в результате вымывания каплями дождя.
Превращение газообразных примесей сопровождается более сложными
процессами. Известно, что SО2 постепенно окисляется в SО3, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту, удаляемую из воздуха по
тем же механизмам, что и аэрозоли. Установлено, что большинство газообразных примесей преобразуется в результате реакций, связанных с термо- и фотоокислением. Происходящие в верхних слоях атмосферы такого рода реакции
приводят к преобразованию в СО2, Н2О, N2, О2.
Преобразование загрязняющих веществ может приводить к образованию
новых загрязнителей атмосферного воздуха. Например, реакция фотодиссоциации NО2 на NО и О, происходящая под действием ультрафиолетовых лучей, играет существенную роль в атмосферных фотохимических процессах.
При определенных метеорологических условиях, называемых аномальными или особо опасными, может происходить накопление загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. За рубежом такое состояние атмосферы называют смогом. Аномальные метеорологические условия наиболее часто характеризуются сочетанием штиля и температурной инверсии атмосферы, при которой
температура воздуха с увеличением высоты не снижается, как при нормальной
температурной стратификации, а повышается. Температурная инверсия подобно «колпаку» может препятствовать перемешиванию выбросов с воздухом в
вертикальном направлении, способствуя накапливанию загрязняющих веществ.
В связи с возможностью наступления аномальных метеорологических условий
имеется необходимость их прогнозирования и своевременного оповещения
промышленных предприятий. Аномальные метеорологические условия в основном характеризуются своей относительной краткосрочностью (от несколь24
ких часов до 2—3 сут). Поэтому при необходимости возникает практическая
возможность разработки и осуществления на предприятиях мероприятий по
краткосрочному сокращению выбросов в атмосферу, главным образом от наиболее значимых источников выбросов. Применяют два вида предупреждений о
возможности накопления загрязняющих веществ в воздухе на определенной
территории: от отдельных источников и по городу в целом. В предупреждениях
для отдельных источников существенное значение имеют указания о конкретной области возникновения опасных метеорологических условий: приподнятая
и приземная инверсии, штилевой слой ниже источника и т. д. Наличие такой
информации позволяет целенаправленно осуществлять мероприятия по сокращению выбросов от тех по высоте источников, рассеиванию выбросов которых
препятствует возникающий комплекс опасных метеорологических условий.
Например, при приземной инверсии с протяженностью по высоте до 50 м уровень загрязнения воздуха может быть эффективно снижен при сокращении выбросов от источников высотой до 20—25 м.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Каким образом влияют на рассеивание выбросов в атмосфере скорости ветра и выхода газовоздушной смеси из устья трубы?
2. Как происходит преобразование в атмосфере аэрозолей, газов и паров?
3. Что такое аномальные метеорологические условия и как они влияют на рассеивание выбросов в атмосфере и уровень загрязнения воздуха?
25
РАЗДЕЛ II. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
Глава 3. Характеристика сточных вод и примесей
3.1. Количество и качество сточных вод
На промышленных предприятиях образуются сточные воды трех видов:
производственные — воды, использованные в производственном процессе и загрязненные нерастворенными, растворенными веществами, иногда нагретые;
бытовые — воды от бытовых помещений и столовых, расположенных на территории предприятия; поверхностные — воды дождевые и от таяния снега.
Производственные сточные воды образуются при непосредственном использовании воды в технологических процессах, транспортировании сырья, материалов, промывке оборудования, при водяном охлаждении оборудования. Вода,
использованная для охлаждения, как правило, приобретает только тепловое загрязнение, т. е. имеет повышенную температуру.
Количество сточных вод, отводимое за единицу времени от источника образования (установки, цеха, производства), называется расходом сточных вод и
определяется в зависимости от производительности источника по нормам водоотведения. Нормой водоотведения является среднее количество сточных вод в
кубических метрах, необходимое для выпуска единицы готовой продукции или
для переработки единицы используемого сырья. Различают технологические и
укрупненные нормы водоотведения. Технологические нормы водоотведения
предназначены для проектирования новых и реконструкции работающих предприятий в соответствии с действующими в данный период времени технологическими нормами проектирования. Укрупненные нормы водоотведения предназначены для составления схем комплексного использования и охраны водных
ресурсов, технико-экономических обоснований размещения предприятий, разработки научных прогнозов использования водных ресурсов. Укрупненные
нормы водоотведения разрабатывают с использованием метода экспертных
оценок на основе анализа основных направлений совершенствования существующих технологических процессов, учета перспектив создания рациональных
схем использования воды в производстве с максимально или полностью замкнутым водооборотом, возможностей совершенствования существующих, создания и внедрения новых способов очистки производственных сточных вод.
Расход сточных вод, Qсут, м3/сут, определяется по выражению
Qсут = N M ,
где N — норма водоотведения на единицу продукции или перерабатываемого
сырья; М — число единиц продукции или перерабатываемого сырья за сутки.
Производственные сточные воды в течение суток могут отводиться от источников образования равномерно и неравномерно, возможны колебания по сезонам года, что определяется регламентом технологического процесса производства. На ряде производств происходят залповые (единовременные) поступления
26
сточных вод, при этом периодичность сброса может быть один раз в смену, в сутки, в неделю. Неравномерность отведения сточных вод в течение суток определяется коэффициентом часовой неравномерности, Кч, равным отношению максимального часового расхода к среднему часовому расходу сточных вод. Кч для
предприятий целлюлозно-бумажной промышленности составляет 1,3—1,8.
Степень загрязненности сточных вод характеризуется качеством воды —
совокупностью физических, химических, биологических и бактериологических
показателей. К ним относятся: температура (ºС); запах; цветность (град) платиново-кобальтовой шкалы (ПКШ); показатель концентрации водородных ионов
(рН); концентрация взвешенных веществ (мг/л или г/м3); сухой и прокаленный
остаток, выражающий общее содержание растворенных веществ и ее минеральную часть (мг/л или г/м3); биохимическое потребление кислорода (БПК5,
мг О2/л или г О2/м3) и химическое потребление кислорода (ХПК, мг О2/л
или г О2/м3), характеризующие концентрацию органических веществ; содержание компонентов, специфичных для данного вида производства, например фенолов, скипидара и др. (мг/л или г/м3).
Количество и качество производственных сточных вод зависят от вида сырья и вырабатываемой продукции, производственной мощности предприятия,
норм водопотребления, удельного расхода свежей воды на единицу продукции,
совершенства технологического процесса, полноты утилизации отходов производства, вида и типа применяемого оборудования, оснащенности процесса контрольно-измерительными приборами и т. д.
Отраслевые научно-исследовательские институты разрабатывают нормативы качества сточных вод, отводимых от различных источников образования. Эти
нормативы могут даваться в концентрационном выражении либо относиться к 1
т вырабатываемой продукции или перерабатываемого сырья. В ЦБП их рассчитывают по материальным балансам воды и нормативным значениям потерь волокна и реагентов. Концентрации загрязнений в сточных водах могут колебаться
во времени. Повышение концентраций загрязнений может совпадать по времени
с увеличением расхода сточных вод вследствие залповых сбросов. Неравномерность расходов сточных вод и колебания концентраций загрязнений ухудшают
работу очистных сооружений и осложняют их эксплуатацию.
Для отведения сточных вод от мест образования и транспортирования их
на очистку или сброс в водный источник используют комплекс канализационных сетей и сооружений предприятия. Производственные сточные воды в зависимости от их количества, места образования, вида загрязняющих веществ и их
концентрации, а также целесообразности совместной очистки отводят в канализацию одним общим или несколькими самостоятельными потоками. Решающее
значение при этом имеет специфичность загрязняющих веществ. Загрязненные
производственные сточные воды с преобладанием в них загрязнителя какого-то
определенного вида объединяют в один поток. На предприятиях ЦБП в зависимости от применяющейся технологии, состава загрязнений и способов очистки,
а также на основании сложившейся практики производственные сточные воды
разделяют на следующие потоки:
27
на целлюлозных заводах, работающих по сульфатному методу:
• щелокосодержащие;
• шламосодержащие;
• волокносодержащие;
• незагрязненные;
на целлюлозных заводах, работающих по сульфитному методу:
• щелокосодержащие;
• кислые;
• волокносодержащие;
• незагрязненные;
на картонно-бумажных фабриках и в цехах:
• волокносодержащие;
• незагрязненные.
На предприятиях гидролизной промышленности сточные воды разделяют
на грязные и незагрязненные.
Сточные воды ЦБП содержат значительные количества взвешенных веществ, поэтому практически для всех видов продукции рекомендуются в основном механические и биологические методы очистки, частично физикохимические. При выборе метода необходимо: на первом этапе учитывать полный состав сточных вод по общим санитарным показателям (взвешенные вещества, рН, ХПК, БПК5, плотный и минеральный остаток); на втором — анализировать наличие специфических загрязнений, которые могут оказать существенное влияние на выбор метода очистки; на третьем — принимать во внимание
требования к качеству оборотных вод или к воде при сбросе в водоемы. Окончательный выбор схемы очистки определяется на основе техникоэкономического анализа.
Наиболее общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ
являются размеры молекул или частиц и их физико-химические свойства. На основании этих признаков все разнообразные по химическим и физическим характеристикам примеси сточных и природных вод объединены в четыре группы веществ с близким фазово-дисперсным составом. Для каждой из этих групп определен метод очистки, в основу которого положены процессы, протекающие под
воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную фазоводисперсную систему. Для удаления взвешенных веществ, являющихся кинетически неустойчивыми системами, используются гравитационные и адгезионные
силы, при удалении коллоидных и высокомолекулярных веществ, агрегативнонеустойчивых в водных растворах, — адгезионные и адсорбционные силы. Для
вывода примесей, находящихся в виде молекулярных растворов, применяются
процессы, приводящие к ассоциации молекул в результате влияния сил межмолекулярного взаимодействия с переходом этих примесей в другую форму. И наконец, для удаления из воды электролитов используются силы химических связей, характерные для ионных процессов. Процессы, рекомендуемые для очистки
сточных вод в зависимости от их состава, приведены в табл. 3.1.
28
Таблица 3.1. Процессы, рекомендуемые для очистки сточных вод
Гомогенная система
Гетерогенная система
Взвеси (суспензии и Коллоидные раство- Молекулярные рас- Ионные
растворы
эмульсии, обуслов- ры и высокомолеку- творы (газы, раство- (соли, кислоты, осливающие мутность лярные соединения, римые в воде орга- нования, придающие
воды, а также мик- обусловливающие
нические вещества, воде
минерализокислотроорганизмы
и окисляемость
и придающие ей запа- ванность,
планктон)
цветность воды, а хи и привкусы)
ность или щелочность)
также вирусы
Группа
Размер частиц, см
I (10–2—10–4)
II (10–5—10–6)
III (10–6—10–7)
IV (10–7—10–8)
Механическое без- Диализ,
ультра- Аэрация,
эвапора- Гиперфильтрация
реагентое разделе- фильтрация
ция, десорбция газов
ние
и летучих органических соединений при
аэрировании
Окисление хлором,
—
Окисление хлором, Перевод ионов в маозоном и др.
озоном, пермангана- лодиссоциировантом калия
ные соединения
Адгезия на гидро- Адгезия на гидро- Адгезия на активи- Фиксация ионов на
ксидах
алюминия ксидах
алюминия рованных углях и твердой фазе иониили железа, а также или железа, а также других материалах
тов
на зернистых и вы- на зернистых и высокодисперсных ма- сокодисперсных
териалах
глинистых материалах
Флотация суспензий Коагуляция колло- Экстракция органи- Сепарация
ионов
и эмульсий
идных систем
ческими растворите- при различном фазолями
вом состоянии воды
Агрегация
флоку- Агрегация высоко- Ассоциация молекул Перевод ионов в малянтами
молекулярными
лорастворимые софлокулянтами
единения
Бактерицидное воз- Вирулицидное воз- Биохимическое раз- Микробное выделедействие на пато- действие
ложение
ние ионов металлов
генные микроорганизмы и споры
Электрофильтрация и Электрофорез
и Поляризация моле- Использование подэлектроудерживание электродиализ
кул в электрическом вижности ионов в
микроорганизмов
поле
электрическом поле
Природные и сточные воды являются сложными многокомпонентными
системами, содержащими примеси различного фазово-дисперсного состава.
Многообразие примесей и их различный фазово-дисперсный состав значительно усложняют процессы водоподготовки и обработки воды. Л. А. Кульским
предложена классификация примесей воды, которая подлежит очистке, с учетом фазово-дисперсной характеристики загрязнений и их химического состава.
Примеси воды, влияющие на выбор способа подготовки и очистки воды, сгруп29
пированы по признаку физико-химического состояния, которое в определенной
степени зависит от размера частиц, веществ, его фазового состава. Сущность
классификации Л. А. Кульского состоит в том, что все примеси воды им разделены на четыре группы, которые образуют с водой гомогенные или гетерогенные системы (табл. 3.1).
К первой группе относятся грубодисперсные примеси, представляющие собой нерастворимые вещества: взвеси, эмульсии, суспензии, зоо- и фитопланктон. Они имеют размер частиц 10–2—10–4 см. Попадают данные вещества в водоемы в результате размывания окружающих пород, смыва почв, со сточными
водами и чаще всего это частицы глины, песка, ила, почвы, эмульсии минеральных масел, нефтепродукты и т. д. На поверхности таких частиц могут адсорбироваться патогенные микроорганизмы, вирусы, радиоактивные вещества.
Грубодисперсные примеси образуют с водой кинетически неустойчивые системы. В состоянии покоя для таких систем характерна седиментация взвешенных
частиц, т. е. выпадение частиц в осадок или их всплывание в зависимости от
плотности. Данный физико-химический процесс определяет такие методы выделения этих примесей, как отстаивание, фильтрование, центрифугирование.
Поэтому при проектировании отстойников, фильтров, гидроциклонов необходимо знать количество этих примесей, их фракционный состав, время осаждения их в зависимости от дисперсного состава и т. д.
Ко второй группе относятся примеси коллоидной степени дисперсности,
частицы которых имеют размер 10–5—10–6 см. Примеси этой группы представляют собой частицы почв, грунтов; гуминовые и фульвокислоты, которые вымываются из лесных, торфяных и болотистых почв; высокомолекулярные соединения естественного происхождения, а также попадающие в водоемы со
сточными водами. Примеси коллоидной степени дисперсности образуют с водой кинетически и агрегативно-устойчивые системы. Кинетическая устойчивость таких систем обусловлена броуновским движением, диффузией, флуктуацией коллоидных частиц, и поэтому они практически не оседают. Агрегативная устойчивость коллоидных частиц создается силами отталкивания между
ними, возникающими вследствие электростатического состояния межфазной
поверхности и образования диффузных слоев. Силы отталкивания возникают в
результате деформации диффузных электрических слоев в достаточно узком
зазоре между ними. Энергия отталкивания и соответствующее расклинивающее
давление убывают экспоненциально с расстоянием. Большое влияние на агрегативную устойчивость коллоидных частиц оказывает образование на их поверхности слоев, обладающих структурно-механическими свойствами.
Отделение примесей коллоидной степени дисперсности от примесей других степеней дисперсности основано на их способности проходить через бумажные фильтры и задерживаться на мембранах органического происхождения. Поэтому отделение примесей коллоидной степени дисперсности от грубодисперсных примесей производится фильтрованием через стеклянный фильтр;
от примесей молекулярной и ионной степени дисперсности — диализ электродиализом и ультрафильтрацией. Диализ, электродиализ и ультрафильтрация
30
основаны на применении полупроницаемых мембран, которые свободно пропускают одни компоненты раствора, обычно молекулы и ионы, и не пропускают коллоидные частицы. При ультрафильтрации полупроницаемая мембрана
как фильтр задерживает коллоидные частицы и пропускает вместе с растворителем примеси молекулярной и ионной степени дисперсности.
В третью группу входят примеси молекулярной степени дисперсности,
частицы которых имеют размер 10–6—10–7 см. К примесям этой группы относятся растворенные в воде газы, органические соединения биологического происхождения и вносимые промышленными и хозяйственно-бытовыми стоками.
Органические вещества молекулярной степени дисперсности представляют собой неэлектролиты или слабые электролиты. Это фенолы и его производные,
ароматические амины, нитросоединения и др. Методы количественного определения органических соединений в воде сложны, и на практике сумму органических веществ как в природных, так и в промышленных сточных водах определяют по величине показателя качества воды, который носит название биохимическое потребление кислорода (БПК5).
В четвертую группу входят ионные растворы (соли, кислоты, основания,
придающие воде минерализованность, кислотность или щелочность).
По своему происхождению загрязнения могут быть минеральными, органическими и бактериальными. К минеральным загрязнениям относят песок,
землю, глину, минеральные соли, кислоты, щелочи, ионы металлов. В состав
органических загрязнений входят вещества растительного и животного происхождения. К растительным загрязнениям относят кору древесины, остатки целлюлозы, бумагу, растительные масла, сахара, лигнин и др. Основным химическим элементом этих веществ является углерод. К бактериальным загрязнениям относят живые микроорганизмы — возбудители желудочно-кишечных,
кожных и туберкулезных заболеваний.
Качество воды — это характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды — это признак, по которому производится оценка качества воды по видам водопользования.
Водные объекты считаются загрязненными, если показатели состава и
свойств воды в них изменяются под прямым или косвенным влиянием производственной и бытовой деятельности человека и если водоемы стали частично
или полностью непригодными для одного из видов водопользования.
Критерии загрязненности воды:
– ухудшение ее качества вследствие изменения физико-химических
свойств воды;
– появление в воде веществ, вредных для человека, животных, рыб;
– повышение температуры воды, которое приводит к изменению условий
жизнедеятельности водных организмов.
31
3.2. Характеристика взвешенных веществ и методы их очистки
Классификация примесей по фазово-дисперсному составу и выбор метода
очистки с ее помощью служат лишь научной основой при решении конкретной
задачи. В целлюлозно-бумажной промышленности уже накоплен большой опыт
по изучению состава сточных вод и методов их очистки от взвешенных веществ. Сточные воды картонно-бумажного производства в зависимости от вида
продукции содержат своем составе волокна целлюлозы, наполнители, пигменты, красители, латексы, эмульсии, проклеивающие вещества и др. Свойства каждого из этих веществ (размеры, заряд поверхности) и их сочетание в составе
сточных вод влияют на выбор метода очистки.
Взвешенные вещества различаются по размерам и удельному весу.
Размер волокон зависит от степени помола целлюлозы, а величина заряда
поверхности — от вида целлюлозы. Большинство целлюлозных волокон и наполнителей имеет отрицательный заряд, который может изменяться в процессе
проклейки при производстве бумаги. Все это может оказывать влияние на процесс очистки.
В реальных сточных водах каждый вид взвешенных веществ встречается
отдельно или в смеси с другими видами. Поэтому с технологической точки зрения стоки картонно-бумажного производства целесообразно разделить на четыре группы.
К первой группе относятся стоки от производства высокозольных бумаг,
содержащих в своем составе волокна 300—500 мг/л, наполнителя 500—
1000 мг/л. Для очистки этих стоков целесообразнее всего использовать метод
отстаивания без реагентов. Или используют двухступенчатую схему с применением на первой ступени отстаивание, а на второй ступени — осветление во
взвешенном слое осадка без реагентов или с реагентами в зависимости от дисперсности частиц.
Ко второй группе следует отнести сточные воды от среднезольных видов
продукции, содержащие в своем составе волокна 200—500 мг/л и наполнителя
100—500 мг/л. При степени помола целлюлозы до 50 °ШР для очистки сточных
вод целесообразнее применять методы седиментации, а при степени помола более 50 °ШР — методы флотации.
Третья группа включает сточные воды от беззольных и малозольных видов продукции. При крупном помоле очистка сточных вод эффективнее при
использовании методов сетчатой фильтрации, а при помоле более 70 °ШР —
методов флотации.
В четвертую группу входят виды продукции с использованием макулатуры. Для очистки сточных вод рекомендуется двухступенчатая очистка; на первой ступени — избирательное улавливание волокна на фракционаторах, а на
второй — отстаивание, флотация и осветление с использованием реагентов.
32
3.3. Сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности
Древесно-подготовительный отдел. В этом отделе при мокрой окорке
древесины образуются коросодержащие сточные воды. Нормы водоотведения
этих вод 3,4 м3/т древесной массы и 6,9—9,4 м3/т целлюлозы; бо́льшие значения
относятся к подготовке древесины для лиственной целлюлозы с низким выходом. В сточных водах содержатся частицы коры, волокно, песок, растворенные
минеральные и органические вещества. Концентрация взвешенных веществ составляет до 4600—4700 мг/л, из них 3—5 % минеральных, загрязненность растворенными органическими примесями по БПК5 — 230—400 мг/л. Цветность
воды, образующейся при окорке древесины хвойных пород, — до 2000 °ПКШ,
древесины лиственных пород — до 4000 °ПКШ. Коросодержащие сточные воды должны подвергаться локальной очистке.
Производство полуфабрикатов. Загрязненность сточных вод производства целлюлозы связана главным образом с попаданием в них отработанных варочных растворов — щелоков и поэтому зависит от породы перерабатываемой
древесины, метода варки, выхода массы при варке, степени отбора щелоков на
регенерацию; большое значение имеет также наличие процесса отбелки при
производстве целлюлозы.
Сульфатцеллюлозное производство. При производстве целлюлозы сульфатным методом основными потоками производственных сточных вод являются: щелокосодержащие сточные воды варочного, промывного, очистного, выпарного и содорегенерационного цехов; сточные воды отбельного и сушильного цехов; дурнопахнущие конденсаты варочного цеха и выпарной установки;
шламосодержащие сточные воды цехов каустизации и регенерации извести и
сточные воды цехов переработки побочных продуктов. Данные по количеству и
качеству этих сточных вод представлены в табл. 3.2. Сточные воды промывного
и очистного цехов сульфатцеллюлозного производства загрязняются в результате попадания в них отработанных черных щелоков при технологических операциях. Их характеристика, приведенная в указанной таблице 3.2, рассчитана
исходя из 95 %-й степени отбора щелоков. При использовании совершенного
промывного оборудования (многоступенчатых промывных фильтров, непрерывно действующих диффузоров, винт-прессов) и горячего сортирования по
замкнутой системе загрязненность этих вод по БПК5 может быть снижена до
4—10 кг/т. Сточные воды варочного, выпарного и содорегенерационного цехов
в основном образуются в результате утечек и переливов щелоков. В состав загрязнений щелокосодержащих сточных вод входят волокно, минеральная
взвесь, щелочной лигнин, растворенные органические вещества углеводного
характера, сульфаты, сульфиты, сульфиды, карбонаты, хлорид натрия. На современных сульфатных заводах важными источниками загрязнения воды являются ступени хлорирования и щелочения отбельного цеха. Образующиеся на
них сточные воды имеют чрезвычайно высокую цветность и значительную загрязненность растворенными органическими веществами (см. указ. табл. 3.2).
33
34
35
При отбелке с применением кислородно-щелочной ступени количество загрязнений уменьшается. Сточные воды ступени хлорирования имеют рН 1,2,
поэтому их смешивают со стоками щелочения, затем подвергают дополнительной нейтрализации и только после этого сбрасывают в поток щелокосодержащих сточных вод для последующей совместной очистки. Сточные воды сортирования беленой целлюлозы загрязнены в основном волокном, их направляют в
поток волокносодержащих сточных вод. В процессе производства целлюлозы
сульфатным методом образуются конденсаты варки целлюлозы и выпарки щелоков, имеющие неприятный стойкий запах и называемые дурнопахнущими.
Количество дурнопахнущих конденсатов варки и выпарки зависит от способа
варки и конструктивных особенностей установки для упаривания черного щелока. Наиболее загрязненной частью дурнопахнущих конденсатов варки является подскипидарная вода, в которой содержатся скипидар, метанол, этанол,
ацетон и летучие соединения: Н2S, метилмеркаптан (ММ), диметилсульфид
(ДМС) и диметилдисульфид (ДМДС). Они придают ей резкий запах и делают
очень токсичной. В конденсатах выпарки также высоки концентрации серосодержащих веществ (Н2S, ММ, ДМДС), причем они увеличиваются при переходе конденсатов из корпуса в корпус выпарной установки. Дурнопахнущие конденсаты перед отведением из цеха должны быть подвергнуты локальной очистке. Сточные воды процессов производства побочных продуктов ректификации
таллового масла и сульфатного скипидара характеризуются высокими значениями ХПК и БПК5, содержат специфические загрязнения: фенолы, метанол,
скипидар, Н2S, ММ, ДМС и ДМДС. Их направляют в поток щелокосодержащих
вод. Наименее загрязненными при производстве сульфатной целлюлозы являются сточные воды сушильного цеха беленой целлюлозы, но они требуют нейтрализации перед сбросом. Учитывая низкую концентрацию в них растворенной органики, их направляют в поток волокносодержащих сточных вод.
Сульфитцеллюлозное производство. Производство целлюлозы с применением сульфитных методов варки является источником основного количества
загрязнений, сбрасываемых со сточными водами ЦБП, что объясняется отсутствием эффективных систем регенерации отработанных щелоков на большинстве предприятий. Основными потоками производственных сточных вод в
сульфитцеллюлозном производстве являются щелокосодержащие сточные воды варочного, промывного, очистного цехов, кислые сточные воды кислотных
цехов; сточные воды отбельных и сушильных цехов и цехов переработки отработанных щелоков. В табл. 3.2 приведены данные по количеству и качеству
сточных вод варочных, промывных, очистных цехов при производстве целлюлозы на кальциевом и натриевом основаниях, исходя из 88—90 % отбора щелоков и регенерации SO2 и тепла в варочном цехе. Эти воды в качестве основных
загрязнителей содержат отработанный сульфитный щелок и волокно. В их состав входят кислые соли сульфита натрия или кальция, лигносульфонаты, соединения муравьиной, уксусной и альдоновой кислот, сахара, метанол, фурфурол, формальдегид и незначительные количества цимола.
36
Сточные воды отбельных цехов сульфитцеллюлозного производства имеют состав загрязнителей, сходный с водами аналогичных источников сульфатцеллюлозного производства, однако количество растворенных загрязнений и
цветность при производстве сульфитной беленой целлюлозы меньше. Загрязненность стоков отбелки значительно увеличивается при выработке вискозной
целлюлозы с облагораживанием. В процессе выпарки отработанных сульфитных щелоков образуются кислые конденсаты, которые характеризуются очень
высокой загрязненностью и содержат такие вещества, как уксусная и муравьиная кислоты, метиловый спирт, фурфурол, п-цимол, ацетон, свободный и связанный сернистый ангидрид. БПК5 конденсатов выпарки сульфитных щелоков
составляет 35 кг/т целлюлозы, а при производстве вискозной целлюлозы —
50 кг/т. Эти величины снижаются на 55 % при нейтрализации сульфитных щелоков перед выпариванием. На предприятиях, где отработанные сульфитные
щелока направляют на спиртодрожжевое производство для утилизации, в процессе обработки происходит разбавление сульфитных щелоков примерно на
20 %, а БПК5 их снижается на 44—54 %. При упаривании последрожжевой барды образуются кислые конденсаты в количестве 7—8 м3/т целлюлозы, имеющие величину БПК5 около 3000 мг/л. Нейтрализация барды перед выпаркой
снижает БПК5 конденсатов на 55—60 %.
Сточные воды спиртодрожжевого производства после внутрицеховой очистки и нейтрализованные конденсаты упаривания направляют в поток щелокосодержащих сточных вод. Сточные воды кислотного цеха относятся к шламосодержащим. Они содержат сернистый ангидрид, серную и сернистую кислоты,
сернистокислые соли кальция, магния, железа и натрия (в случае варки на натриевом основании), в них присутствует значительное количество взвешенных
веществ, главным образом в виде частиц огарка, сублимированной серы и известняка; содержание органических веществ в них невелико (2—4 %). Эти воды
нейтрализуют и подвергают локальной очистке. Кроме них, к шламосодержащим сточным водам относят воды спиртодрожжевого цеха, образующиеся при
нейтрализации и последующем осветлении отработанных щелоков перед спиртовым брожением.
Производство древесной массы. В производстве древесной массы, изготовляемой на высокоскоростных дифибрерах путем механического истирания
окоренной древесины о поверхность быстровращающегося камня в присутствии воды, сточные воды загрязнены древесным волокном, корой, щепой, органическими примесями, которые поступают из древесины в раствор
(см. табл. 3.3). При изготовлении древесной массы размолом щепы в дисковых
мельницах — рафинерах сточные воды менее загрязнены по БПК5 и могут быть
отнесены к волокносодержащим сточным водам.
Сточные воды от производств термомеханической массы (ТММ) и химической термомеханической массы (ХТММ), включающих высокотемпературное воздействие на древесину и химическую обработку щепы Na2SO3 и NаОН
(при производстве ХТММ), характеризуются повышенным содержанием растворенных органических веществ, которое по БПК5 составляет 15—30 кг/т массы при производстве ТММ и до 50 кг/т при производстве ХТММ.
37
Производство бумаги и картона. Сточные воды картонно-бумажного
производства (волокносодержащие) в зависимости от вида продукции содержат
в своем составе волокна целлюлозы, древесной массы, наполнители, пигменты,
красители, латексы, эмульсии, проклеивающие вещества и др. (см. табл. 3.4).
Конкретный состав загрязнителей зависит от композиции бумаги или картона.
Содержание волокна в сточных водах зависит от его промоя на машине, а содержание взвешенных минеральных примесей — от зольности вырабатываемой
продукции и от удерживаемости наполнителей в бумаге. Сточные воды, образующиеся на предприятиях, производящих разнообразные виды картона и бумаги и имеющих оборотную систему водоснабжения с повторным и последовательным использованием воды, должны подвергаться локальной очистке от
взвешенных примесей.
Контрольные вопросы к главе 3
1. На какие потоки разделяют сточные воды на предприятиях целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности? Каковы особенности этих потоков?
2. Как влияют различия в производстве полуфабрикатов на загрязненность сточных вод?
38
39
40
Глава 4. Характеристика газопылевых выбросов
Характер и особенности загрязнений, крупным источником которых являются предприятия, изготовляющие целлюлозу, главным образом обусловлены
двумя основными методами производства этой продукции — сульфитным и
сульфатным. Рассмотрим газопылевые выбросы на отдельных этапах основных
методов производства целлюлозы, а также выбросы теплоэлектростанций и побочных химических производств.
4.1. Сульфитцеллюлозное производство
Основные загрязняющие вещества, выделяющиеся в сульфитцеллюлозном
производстве, источники их загрязнения и усредненные показатели удельных
выбросов этих веществ приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Выбросы SO2 при производстве сульфитной целлюлозы
Процесс
Приготовление кислоты
Хранение кислоты
Рагрузка варочных котлов
Отбор отработанных
щелоков из варочного
котла:
– без отделения паров
вскипания
– с отделением паров
вскипания
Отдувка воздухом из
щелоков перед сбраживанием
Промывка целлюлозы
Установка
Абсорбционная, абсорбент:
– NaOH
– NH4OH
Кислотные баки
Шахты сцежи-выдувки:
– без очистки и охлаждения паров вскипания
– без очистки с частичным охлаждением паров вскипания
– с охлаждением и очисткой паров вскипания
Шахты сцежи-выдувки:
– закрытые
– открытые
Удельный
выброс
3
м /т
г/т
Объемное
содержание
1,0
640
3200
300
0,04
0,20
10,8
650
36000
1,9
500
16000
1,1
59
600
0,3
250
85
1500
50
0,2
0,02
150
14000
3,2
90
80
0,03
Баки щелока с подачей воздуха
400
830
0,10
Вакуум-промывная установка
400
600
0,05
Щелоковые баки
500
Варочный цех. Здесь получается наибольшее количество газовых выбросов
сульфитцеллюлозного производства. Источник выброса в этом случае — вытяжная труба из сцежи или утилизационной установки. В газах, образующихся при
41
выдувке сваренной целлюлозы, содержится большое количество сернистого ангидрида. Количество и концентрация его в парогазовой смеси зависят от объема
котла, выхода целлюлозы, конечного давления перед выдувкой и концентрации
сернистого ангидрида в растворе. У современных котлов вместимостью 320 м3
выдувочные газы составляют 3000 нм3/ч или 30 нм3 на 1 т целлюлозы ∗. Количество сернистого ангидрида в выдувочной смеси можно определить из материального баланса по содержанию сернистого ангидрида в кислоте после конечной
сдувки (обычно около 0,2 %) и температуре в котле перед выдувкой. При вымывке выделение сернистого ангидрида незначительно, за исключением остаточного сернистого ангидрида в щелоке, придающего ему и вымываемой массе
резкий запах. Другие сдувки также направляются в систему регенерации сернистого ангидрида и тепла. Сдувки загрязняют воздух при нарушениях технологического режима, когда происходят «залповые выбросы» и выпускается большое
количество сернистого ангидрида в течение короткого промежутка времени или
когда есть неплотности во фланцевых соединениях газопроводов.
Кислотный цех. Объем выбросов кислотного цеха зависит от его производственной мощности, которая в свою очередь определяется производственной мощностью варочного цеха, а также от принятой схемы регенерации серы и
основания из отработанного щелока и составляет 300—400 нм3 на 1 т целлюлозы в отсутствии регенерации, а при регенерации реагентов — 100 нм3 на 1 т
целлюлозы и меньше. Выброс в атмосферу происходит либо из кислотных башен (турм), либо из абсорберов сырой сульфитной кислоты. Выбросы кислотного цеха могут содержать аэрозоль серной кислоты. Содержание серы в виде
сернистого ангидрида в газах колеблется от 1 до 5 % от общего количества серы в газе. Значительное количество сернистого ангидрида выделяется через неплотности в находящихся под давлением коммуникациях от эксгаустера к поглотительной аппаратуре, а также через гидрозатворы, если они неисправны.
Сернистый ангидрид выделяется также при проливах кислоты и промывных
вод, при чистке аппаратуры от шлама (скрубберов, селеновых камер, отстойников кислотных башен).
Цех приготовления белильных растворов и отбельный цех. При работе
этих цехов основными загрязняющими компонентами являются хлор, двуокись
хлора, хлористый водород, сернистый ангидрид, аэрозоль щелочи. Они выводятся в атмосферу через вытяжные трубы отбельных башен, промывных вакуум-фильтров, абсорберов для приготовления растворов и баков для хранения
готовых растворов. Количество и концентрации компонентов в выбросах из вытяжных труб можно определить исходя из условий равновесия компонентов
над их водными растворами или растворами их солей. Эти показатели колеблются в значительных пределах в зависимости от количества и концентрации
отбельных растворов, их температуры и рН отбелки, продолжительности пребывания целлюлозы в башне, типа и устройства примененного абсорбера и вытяжек из баков и т. д.
∗
Здесь нм3 — нормальный кубический метр, т. е. кубический метр при нормальных условиях:
температуре 0 ºС и давлении 101325 Па.
42
4.2. Сульфатцеллюлозное производство
Основными источниками загрязнения атмосферы в сульфатцеллюлозном
производстве являются содорегенерационный, варочно-промывной, известерегенерационный и отбельный цехи, окислительная установка, цех приготовления
отбельных растворов. В зависимости от особенностей принятой схемы производства могут оказаться дополнительные источники загрязнения из отделений
цеха переработки побочных продуктов (очистки и дезодорации скипидара, получения одоранта сульфана; ректификации скипидара; разложения сульфатного
мыла; ректификации таллового масла и др.).
Варочно-промывной цех. В этом цехе имеется несколько источников выбросов. При периодическом методе варки с терпентинной сдувкой вместе с паром удаляются остаточный воздух из щепы, скипидар, сероводород, ММ, ДМС,
ДМДС. Парогазовая смесь терпентинной сдувки, от которой в щелокоуловителях отделяются захваченные капельки щелока, конденсируется в теплообменниках. Отсюда непрерывно удаляются несконденсировавшиеся газы, количество и состав которых зависят от вида вырабатываемой целлюлозы и связанного с
ним расхода щелочи на варку, а также от температуры воды, подаваемой на теплообменник. Путь конечной сдувки такой же, как и терпентинной, но состав
ее несколько иной: содержание скипидара значительно меньше, а наибольшее
количество серы содержится в конечных сдувках с основными компонентами ММ, ДМДС. При выдувке выделяется значительное количество парогазовой
смеси. Основное количество паров конденсируется в струйных конденсаторах.
При непрерывной варке выдувочные пары направляются в цистерну пропаривания щепы, откуда избыток паров поступает в холодильник, аналогичный терпентинному конденсатору. Кроме этих источников загрязнения, есть еще вентиляционные выбросы из-под колпаков вакуум-фильтров, вытяжки из выдувного резервуара (при холодной выдувке), из баков слабых щелоков, из бакапеносборника.
Выпарной цех. Главным источником выбросов в этом цехе является парогазовая смесь, которая удаляется вакуум-насосом из межтрубного пространства
корпусов. Основной компонент, загрязняющий воздух, — сероводород. Кроме
того, в выбросах также содержатся ММ и в незначительных количествах ДМС,
ДМДС и метанол. Появление сероводорода и ММ обусловлено изменением рН
при упаривании и воздействием температуры и разрежения. Это приводит к
разложению сульфида и меркаптида натрия и выделению этих кислых газов в
паровое пространство.
Окислительная установка. Общее количество выбрасываемой ею газовоздушной смеси зависит от расхода воздуха на окисление, от количества газов,
подаваемых на установку, и типа окислительной установки. Состав и количество выбросов варочного и выпарного цехов (при варке хвойных пород древесины) приведены в табл. 4.2.
43
44
Содорегенерационный цех. Дурнопахнущие компоненты в дымовых газах появляются в тех местах, где черный щелок соприкасается с газами: в топке
и газоконтактном испарителе. Перегрузки содорегенерационных котлоагрегатов (СРК) также способствуют повышению количества выбросов дурнопахнущих компонентов с дымовыми газами.
В дымовых газах СРК содержатся не только газообразные соединения
(ММ, H2S, SO2), но и твердые частицы, составляющие пылевой унос. Пылевые
частицы получаются в топке СРК в процессе образования плава и частично в
объеме топки — в процессе сушки капель черного щелока. Состав и дисперсность пыли дымовых газов колеблются в значительных пределах в зависимости
от схемы СРК, режима работы и др. В состав пыли входят следующие компоненты, %: Na2SO4 — 85, Nа2СO3 — 12, Nа2S — 2, прочие вещества — 1. Содержание пылевого уноса в дымовых газах СРК перед газоочистным аппаратом
изменяется в зависимости от количества сульфата натрия, добавляемого к щелоку перед сжиганием, от схемы СРК и сухого вещества черного щелока и выхода целлюлозы из древесины.
Газоконтактный испаритель. Он предназначен для уплотнения черного
щелока от 50 до 65 % сухих веществ. Щелок, находясь в газоконтактном испарителе, поглощает из дымовых газов углекислый газ, сернистый и серный ангидриды, обусловливающие выделение сероводорода и метилмеркаптана
вследствие понижения рН; выделению сероводорода при газоконтактной выпарке способствует также повышение концентрации остаточного сульфида натрия в черном щелоке. Чем выше сульфидность белого щелока, тем большее
количество остаточного сульфида натрия и сероорганических соединений оказывается в черном щелоке и тем загрязненнее дымовые газы.
Растворитель плава. Плав, образующийся при сжигании черных щелоков
в СРК и состоящий из карбоната и сульфида натрия (с небольшой примесью
невосстановленного сульфата натрия), поступает в растворитель. Здесь плав
растворяется в зеленом щелоке. Температура щелока — около 368 К, а плава —
примерно 1273 К. Во избежание взрыва струя плава в растворителе дробится
струей пара на капли. При контакте плава со щелоком выделяется значительное
количество парогазовой смеси, которая удаляется из растворителя плава через
вытяжные трубы и выбрасывается в атмосферу. Парогазовая смесь при движении из растворителя подхватывает частицы плава, образующиеся при дроблении его струи паром, и уносит их с собой. Пылевой унос из растворителя плава
на 90 % состоит из соды. В зеленом щелоке содержится значительное количество сульфида и меркаптида натрия, что предопределяет содержание сероводорода в газовой фазе.
Известерегенерационные печи. В печах при обжиге каустизационного
шлама и природного известняка образуются дымовые газы. Основными вредными компонентами дымовых газов являются пыль кальциевых солей
(12 г/нм3), образующаяся в результате механического уноса газовым потоком, и
сернистый ангидрид (0,86 г/нм3 сухого газа), образующийся при сжигании высокосернистого мазута, а также сероводород и другие серосодержащие газы.
45
Серосодержащие газы образуются при обжиге недостаточно промытого шлама.
Если печь используется для сжигания несконденсированных парогазовых смесей варочного и выпарного цехов и окислительной установки, происходит неполное сгорание серосодержащих газов, и они в этом случае также будут в составе дымовых газов.
Завод побочных продуктов. При производстве целлюлозы по сульфатному
методу образуются технологические отходы (побочные продукты), которые на
крупных предприятиях подвергаются переработке с целью получения ценных
соединений: скипидара из сдувочных конденсатов, таллового масла-сырца и
продуктов его дистилляции из сульфатного мыла и др. При этом появляются выбросы в атмосферу летучих веществ, содержащихся в обрабатываемом отходе.
4.3. Другие методы производства целлюлозы
Характер выбросов при других методах производства целлюлозы зависит,
прежде всего, от состава варочного раствора и его рН. В процессе приготовления кислоты на аммониевом основании при нарушениях технологического регламента возможны значительные выбросы аммиака. При сжигании аммониевых
щелоков основным компонентом выброса является сернистый ангидрид. В
процессе регенерации основания в агрегатах, подобных СРК, появляется пылевой унос, состоящий из солей основания, а также сернистый ангидрид и (в небольших количествах) серный ангидрид. При карбонизации щелоков выделяется сероводород. Выбросы цеха по производству каустического магнезита и извести подобны выбросам цеха регенерации извести: они содержат сернистый
ангидрид и пыль, представляющую собой частички окиси магния (при производстве магнезита) или окиси кальция (при производстве извести с примесью
углекислого кальция и магния).
4.4. Деревообрабатывающие производства
Деревообрабатывающие производства характеризуются большим разнообразием технологических процессов и оборудования. Ниже приводится характеристика выбросов отдельных наиболее распространенных производств.
В прессовых цехах деревообрабатывающей промышленности применяют
синтетические смолы с различным содержанием свободного формальдегида
(0,3—4,0 %).
В производстве декоративной бумаги и плитных материалов, широко используемых для облагораживания поверхности мебели, в атмосферу выделяется
весьма разнообразное количество летучих токсичных веществ. Содержание их
в выбросах обусловлено применением в технологическом процессе лакокрасочных материалов, разводимых до определенной вязкости растворителями, и
полимерных материалов, содержащих некоторое количество мономеров. Основными источниками загрязнения атмосферы являются пропиточная машина с
последовательно подключенными к ней сушильными камерами, лаконаливные
машины, аппараты конвекционной и инфракрасной сушки, окрасочные камеры.
46
Выделение формальдегида и аммиака, г/кг смолы, при пропитке смол существенно зависит от концентрации свободного формальдегида (или аммиака) в
смоле. Основным материалом, используемым на линиях отделки, являются полиэфирные материалы и нитролаки. Отделка плит полиэфирным лаком производится методом налива. Отделочная линия включает в себя лаконаливные машины, аппараты конвекционной и инфракрасной сушки. Каждая лаконаливная
машина и сушилка оборудована отсосами. Деревообрабатывающие производства являются источниками загрязнения аспирационных выбросов древесной
пылью, пылью грунтовки и лаковой пленки и др.
4.5. Теплоэлектростанции и другие источники газопылевых выбросов
Для получения пара и электроэнергии в системе целлюлозно-бумажных,
гидролизных и деревообрабатывающих предприятий работает теплоэлектростанция (ТЭС). В качестве топлива используются газ, мазут, уголь, торф, щепа.
В зависимости от вида топлива и мощности ТЭС меняются состав и концентрация загрязнений в дымовых газах. Сжигание мазута, обычно высокосернистого,
ведет к значительному загрязнению дымовых газов сернистым и частично серным ангидридом. Концентрация их достигает 1 %, а в среднем составляет 0,3—
0,5 %. При нарушениях топочного режима может появиться сажа. Дымовые газы при сжигании угля загрязнены как сернистым и серным ангидридом, так и
пылью, содержащей частицы золы и несгоревшего угля. Концентрации сернистого ангидрида и серного ангидрида в дымовых газах (0,3—1,0 %) зависят от
содержания серы в угле. Конечная запыленность (0,5—8 г/м3) дымовых газов
зависит от режима горения и работы очистных устройств.
При работе ТЭС на торфе, который не относится к высокозольным топливам, дымовые газы содержат частицы золы и несгоревшего торфа. Концентрация пыли зависит от режима работы котла и пылеочистных устройств и обычно
колеблется в тех же пределах, что и при работе ТЭС на угле. Сжигание природного газа в качестве топлива позволяет исключить выброс оксидов серы в атмосферу. Состав пыли котельных установок разнообразный: элементарный углерод (сажа), частички золы топлива, сконденсировавшиеся продукты возгона
(различные органические вещества и продукты их полимеризации); возможен и
аэрозоль серной кислоты. Дисперсность частиц в дымовых газах котельных установок колеблется в широких пределах: от 0,1 мкм (дымы) до 100 мкм и более
(частички золы). Часто на ТЭС устанавливают один или несколько котлов, оборудованных колосниковой решеткой для сжигания отходов сортирования щепы. Дымовые газы такого котла содержат небольшое количество пыли, представляющей несгоревшие, сконденсировавшиеся продукты сухой перегонки
древесины и частично золы. Дымовые газы котлов, работающих на коре, содержат сернистый ангидрид и пыль.
Количество выбрасываемых в атмосферу веществ, образующихся при сжигании топлива, приближенно можно определить по материальному балансу и
по расходу топлива, а также по специальным методикам расчета. В комплексе
современного целлюлозно-бумажного предприятия появляются выбросы, свя47
занные с введением такого нового процесса, как сушка и сжигание избыточного
активного ила, шлама-лигнина и скопа с первичных отстойников механической
очистки сточных вод. Общий объем выбросов цеха сушки и сжигания ила и
скопа в пересчете на 1 т товарной целлюлозы составляет 200—250 нм3. При
этом унос сернистого ангидрида составляет 1,5—2,5 кг и пыли (после устанавливаемых циклонов) 0,7 кг. К другим источникам загрязнений атмосферы следует отнести сушильные цехи с аэрофонтанными сушилками целлюлозы. Воздух для сушилок нагревается в подогревателе, работающем на мазутном топливе. Дымовые газы после подогревателя содержат сернистый ангидрид и пыль.
Количество сернистого ангидрида зависит от содержания серы в мазуте.
Контрольные вопросы к главе 4
1. Каков основной источник загрязнения атмосферного воздуха диоксидом серы?
2. Каковы потери метилмеркаптана в атмосферу с выбросами терпентинного конденсатора
(выразите в долях от общего количества его потерь с газами в сульфатцеллюлозном производстве)?
3. Каковы причины выделения сероводорода при уплотнении черного щелока в газоконтактном испарителе?
48
РАЗДЕЛ III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
И СОКРАЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
Для предупреждения загрязнения водоемов, атмосферного воздуха и почвы следует, прежде всего, использовать технологические ресурсосберегающие
методы, которые представляют совокупность технологических и конструктивных мероприятий, предусматривающих существенное сокращение количества
выбросов и их токсичности в окружающую среду без снижения качества и количества целевого продукта. Технологические ресурсосберегающие методы
предупреждения и сокращения промышленных выбросов развиваются в следующих направлениях:
• изучение механизма образования токсичных веществ и совершенствование на его базе технологических процессов;
• совершенствование конструкций оборудования;
• замена токсичных материалов на менее токсичные или вообще не токсичные;
• разработка безводных и непылящих технологических процессов, а также
систем регенерации и рекуперации сырьевых и других материалов из
промышленных выбросов.
Глава 5. Предупреждение промышленных выбросов
путем совершенствования технологических процессов
5.1. Основные закономерности развития технологических методов
Наиболее важное направление развития технологических методов и его
первоосновой — изучение механизма образования вредных веществ, который
является исходным и направляющим материалом при выборе и дальнейшей
разработке соответствующих технологических мероприятий. Формальное выражение механизма образования вредных (и побочных) веществ — кинетическое уравнение, раскрывающее кинетические закономерности процесса. Знание
их открывает возможности объективного управления ими, позволяет ставить и
решать вопросы интенсификации соответствующих процессов или обратные
задачи (в части уменьшения выбросов). В связи с этим установление кинетических закономерностей является необходимым условием при разработке тех или
иных мероприятий, направленных на уменьшение образования токсичных веществ. Для конкретных условий проведения процесса установление механизма
образования вредного вещества дает возможность рассчитать его равновесный
выход. Особенно важный параметр при этом — константа равновесия, по величине которой можно судить о принципиальной возможности появления отходов в технологическом процессе и определить максимальное их количество для
конкретных условий.
Для расчета выхода отходов используются теоретический и практический
материальные балансы. Теоретический материальный баланс рассчитывается
49
на основе стехиометрического уравнения химической реакции. Для его составления достаточно знать уравнение реакции, молекулярные массы компонентов
и их массы в исходном сырье. Теоретический материальный баланс чаще всего
используется для определения газообразных потерь в простых процессах, например разложения. Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и всех продуктов выделения, включая и целевую продукцию,
количественные соотношения, степень превращения (степень образования),
скорость образования побочных продуктов и т. д. Практический материальный
баланс используется для оценки потерь в сложных процессах. При проведении
сложных технологических процессов, сопровождающихся выделением довольно большого количества разнообразных токсичных веществ, целесообразно определять их общий выход по индивидуальному компоненту.
Поскольку в реальном технологическом аппарате существуют поля физических величин, уравнения балансов правильнее записывать для элементарного
объема аппарата. Только в этом случае можно использовать истинные, а не
средние физические величины. Информация о механизме образования вредных
веществ в технологическом процессе позволяет разработать мероприятия по их
сокращению путем изменения в нужном направлении и поддержания на требуемом уровне следующих параметров и факторов: температуры, давления,
концентрации реагентов, степени рециркуляции технологических потоков, типа
и концентрации катализатора, селективности процесса. Сокращения выброса
вредных веществ достигают, уменьшая число стадий процесса, совмещая их в
одном аппарате, применяя менее токсичные реагенты или реагенты, способствующие образованию менее вредных веществ. На базе кинетической модели
образования вредного вещества создаются предпосылки оптимизации процесса,
т. е. определения конкретных условий проведения процесса, позволяющих получить минимально (или максимально) возможное количество вредного вещества в рамках значений технологических факторов, обусловленных технологическим регламентом.
Ниже на примерах механизма образования сернистых веществ, формальдегида и диоксида азота рассмотрены некоторые технические мероприятия по сокращению их выброса. Аналогичный подход к решению вопроса может быть
распространен и на другие вещества, выделяющиеся в различных производствах.
5.2. Предупреждение выбросов при варке целлюлозы
по сульфатному методу
Серосодержащие соединения в процессе варки целлюлозы по сульфатному
методу образуются вследствие химических реакций:
k1
ROCH 3 + NaSH ⎯⎯→
ROH + CH 3 SNa
ROCH
3
k2
+ CH 3 SNa ⎯⎯→
RONa + CH 3 SCH
3
где R — структурная единица лигнина; k1 и k2 — константы скоростей реакции.
50
Согласно этим реакциям, выход серосодержащих соединений при варке
целлюлозы определяют такие факторы, как расход активной щелочи (NaOH +
⎞
⎛
Na 2 S
+ Na2S), сульфидность ⎜⎜ NaOH + Na S ⋅ 100 ⎟⎟ , гидромодуль и др.
⎠
⎝
2
Выход метилсернистых соединений можно существенно сократить, если в
котел ввести производные антрахинона. При этом выход метилмеркаптана при
варке сосны снижается на 28 %, диметилсульфида на 17 % и, соответственно,
на 52 и 86 % при варке березы.
Проведение варочного процесса в два этапа (на первом этапе с водой, на
втором со щелоком) позволяет сократить загрязненность сдувочных газов, а
следовательно, и конденсатов. Такие варки имеют место при производстве высококачественных марок целлюлозы.
Однако следует отметить, что предгидролиз приводит примерно к двукратному снижению выхода метилсернистых компонентов только при варке
древесины, гидролизуемые гемицеллюлозы которой содержат большое количество легкоотщепляемых метоксильных групп (около 0,7 % к массе древесины).
Значительно уменьшить загрязнение окружающей среды (атмосферного воздуха и водоемов) можно путем рационального использования продуктов сдувок, в
частности подскипидарной воды, в составе которой содержится значительное
количество метанола и серосодержащих соединений. Соответствующие исследования дают основание считать, что содержащиеся в подскипидарной воде основные компоненты не должны оказывать вредного влияния на состав основной продукции. Более того, при определенных условиях они способствуют повышению качества и выхода целлюлозы.
Выброс серосодержащих веществ в процессе варки целлюлозы по сульфатному методу может быть сведен к минимуму при использовании диметилсульфоксида (ДМСО) в качестве основного варочного реагента или веществ, не содержащих серу, например тетрагидрофурилового спирта. При решении вопроса
о снижении выбросов серосодержащих веществ представляет интерес обработка
черного щелока чистым кислородом непосредственно в варочном котле.
5.3. Сокращение выбросов при выпаривании черных щелоков
сульфатцеллюлозного производства
Окисление черного щелока является одним из наиболее существенных мероприятий, значительно сокращающих выделение токсичных соединений серы
в виде сероводорода и метилмеркаптана путем перевода их в более стабильные
формы — тиосульфаты и сульфокислоты. Такой метод сокращения выбросов
может быть использован и в других производствах, в которых применяются летучие или легкоокисляемые соединения. Процесс непосредственного окисления
сульфидов и меркаптида в черном щелоке можно представить следующими
уравнениями:
51
2 S + 2O2 + H 2O → S 2O3 + 2OH
2 HS + 2O2 → S 2O3 + HOH
2 S 2O3 + 3O2 → 4 SO3
2 SO3 + O2 → 2 SO4
2CH 3 S + O2 + 2 HOH → CH 3 SSCH 3 + 4OH
CH 3 SCH 3 + O2 + 2 HOH → 2CH 3 SO3 + 4 H +
Подают уплотненный и отстоявшийся от мыла черный щелок (рис. 5.1) и
воздух в смеси с дурнопахнущими газами от баков-аккумуляторов, колонны
для отдувки конденсатов варочного цеха, бака-пеносборника промывных установок, приямков барометрических конденсаторов выпарных станций. Серосодержащие газы частично поглощаются черным щелоком. Полуокисленный щелок собирается на первой ступени башни и стекает в первую секцию бакаотстойника, откуда насосом подается на вторую ступень окислительной башни.
Окисленный щелок собирается внизу на второй ступени башни и стекает во
вторую секцию бака-отстойника, откуда насосом направляется в питательные
баки выпарного цеха. Пена из окислительной башни удаляется вакуум-насосом
через циклон в пеносборнике, в котором происходит частичное самогашение
пены в щелок. Скапливающийся на дне пеносборника щелок перекачивается в
бак-отстойник. Пена из сборника засасывается пароэжекторными пеногасителями, где она гасится, и щелок поступает в бак-отстойник.
Рис. 5.1. Схема прямоточной окислительной установки:
1 — окислительная башня; 2 — вентиляторы; 3 — вакуум-насос; 4 — пеносборник;
5 — эжекторные пеногасители; 6 — бак-отстойник; 7 — насос
В пеносборнике бака-отстойника предусмотрен дополнительный съем мыла в накопитель, откуда насосом оно подается в бак мыла выпарного цеха. Не
прореагировавшая в окислительной башне газовоздушная смесь поступает в га52
зопромывную башню, где последовательно обрабатывается промывными водами после хлорирования и щелочения. Эта башня представляет собой полый
скруббер с двухзонным орошением и устройством, предохраняющим от смешения жидкостей, подаваемых на орошение. Воздух после очистки в газопромывной башне выбрасывается в атмосферу. Окислительные установки, работающие при атмосферном давлении, обеспечивают эффективность окисления
сульфида натрия, практически не превышающую 60—70 %. Это обусловлено
тем, что одним из продуктов окисления сульфида является элементарная сера,
которая способствует изменению равновесных условий реакции окисления в
сторону образования исходного продукта, т. е. сульфида.
Действующие окислительные установки обычно работают не на полную
производственную мощность, что связано с выделением большого количества
пены и трудностями борьбы с нею. Большое количество пены выделяется при
противоточных установках, а меньшее — при прямоточных. В этом отношении
существует оптимальная производственная мощность установок, составляющая
примерно 3,0—3,5 м3 щелока в минуту. В отечественной промышленности разработан пенный способ окисления черного щелока в барботажных аппаратах.
Преимущество этого способа по сравнению с рассмотренным выше заключается в обеспечении большей продолжительности контакта щелока с воздухом и
возможности выделения из щелока сульфатного мыла за счет эффекта флотации. Эффективность окисления сульфидной серы составляет 75—88 %.
Эффективность окисления черного щелока и производительность окислительных установок можно увеличить за счет применения повышенного давления. При этом увеличивается растворимость кислорода и его концентрация в
жидкой фазе, облегчается решение вопроса пенообразования. Эксплуатация
окислительных установок с использованием молекулярного кислорода, а также
повышенного давления показала, что полностью предотвратить потери серы
невозможно. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую степень окисления сульфидной серы, имеет место реверсия ее в процессе хранения и выпаривания окисленного щелока. В связи с этим на целлюлозных заводах, системы
регенерации щелоков которых включают газоконтактные испарители, целесообразно применять дополнительное окисление плотного черного щелока. При
замене газоконтактных испарителей воздухоконтактными отпадает необходимость в дополнительном окислении плотного черного щелока.
5.4. Предупреждение выбросов
при сжигании черных щелоков и энергетического топлива
Один из эффективных методов уменьшения и предотвращения выбросов
дурнопахнущих компонентов с дымовыми газами — полное окисление сероорганических соединений в менее токсичную двуокись серы. Например, полному
окислению сероводорода до двуокиси серы соответствует эффективность обезвреживания 98,4 %; полному окислению метилмеркаптана (ММ) до двуокиси
серы соответствует еще бо́льшая степень обезвреживания. Чтобы обеспечить
максимальное окисление всех серосодержащих компонентов до диоксида серы,
53
необходимо соблюдать следующие условия: не допускать перегрузок СРК;
обеспечивать соответствующий избыток воздуха; правильно распределять воздух между зонами дутья; создавать достаточно эффективное перемешивание
газовой смеси и высокую температуру в зоне дожигания.
На количество серосодержащих газовых выбросов оказывает влияние технологическая схема, особенно наличие в ней газоконтактного испарителя. Для
сжигания отработанных щелоков применяют две схемы СРК: американскую
(котел — укороченный экономайзер — воздухоподогреватель — газоконтактный испаритель — электрофильтр) и скандинавскую (котел — экономайзер —
воздухоподогреватель — электрофильтр).
Дурнопахнущие компоненты в дымовых газах появляются вследствие контакта их с черным щелоком в газоконтактном испарителе. Для уменьшения выделений соединений двухвалентной серы предлагается повторно окислять сгущенный щелок после выпаривания перед каскадным испарителем. Разработана
новая система уплотнения черного щелока перед сжиганием (рис. 5.2, а) —
воздухоконтактного испарителя взамен обычного газоконтактного. Дутьевой
воздух для топки, нагретый дымовыми газами до 588 К, проходит затем через
воздухоконтактный испаритель, где он испаряет воду из черного щелока. Паровоздушная смесь выходит из испарителя при температуре около 403—413 К и
поступает на первичное и вторичное дутье СРК.
Рис. 5.2. Схема СРК:
а — с воздухоконтактным испарителем; б — с воздухоподогревателем:
1 — аппарат; 2 — вторичное дутье; 3 — первичное дутье; 4 — дутьевой вентилятор;
5 — воздухоконтактный испаритель; 6 — воздухоподогреватель
(61 — ротор; 62 — кожух; 63 — поверхность нагрева)
Концентрация серосодержащих соединений в смеси очень низка, так как в
испарителе нет контакта черного щелока с дымовыми газами. Контакт черного
щелока с чистым воздухом приводит к частичному окислению остаточного
сульфида черного щелока. Других реакций между воздухом и черным щелоком
не происходит. Воздухоподогреватель представляет собой ротор, состоящий из
54
большого количества гладких пластин (рис. 5.2, б) с частотой вращения 2 мин–1.
Нагретая дымовыми газами поверхность оказывается в потоке, где идущий навстречу холодный воздух поступает в сектор ротора и нагревается при прохождении через ротор. Дымовые газы охлаждаются по такому же принципу. Засоряемость поверхности теплообмена значительно меньше, чем у любых других
воздухоподогревателей. Другой вариант уменьшения выделений дурнопахнущих газов путем устранения газоконтактного испарения согласно разработке
фирмы «Бабкок-Вилькокс» заключается в применении скандинавской схемы с
развитым (большим) трубчатым экономайзером и низкотемпературным электрофильтром.
Одним из существенных источников загрязнения окружающей среды в целлюлозно-бумажной, гидролизной, деревообрабатывающей, а также ряде других
отраслей промышленности являются энергетические установки, использующие в
качестве топлива уголь, мазут, природный газ. При сжигании природного топлива в атмосферу помимо сернистого ангидрида выбрасывается значительное количество оксидов азота. Следует отметить, что оксиды азота содержатся и в выбросах СРК. Одним из наиболее распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в
зону горения. Обычно дымовые газы с температурой 373—673 К отбираются перед воздухоподогревателем и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. Уменьшение выхода оксида азота за счет рециркуляции объясняется уменьшением теоретической и близкой к ней максимальной
температуры в зоне горения из-за разбавления охлажденными продуктами сгорания, снижением концентрации реагирующих веществ вследствие разбавления
продуктами сгорания и скорости реакции горения из-за снижения температуры и
концентрации реагирующих веществ. Для оценки процесса рециркуляции используется коэффициент рециркуляции, r, представляющий собой отношение
объема рециркулирующих газов к общему их объему и смеси воздуха. Рециркуляция является одним из самых доступных средств снижения образования оксида азота в топочных камерах. В ряде случаев снижение выброса NO на 30—35 %
в эксплуатационных условиях можно осуществить без какой-либо реконструкции. В котлоагрегатах большой производительности можно достигнуть уменьшения выхода NO на 47—70 %. Это свидетельствует о том, что подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках. Установлено, что рециркуляция наиболее эффективна при r = 25 %.
Двухступенчатое сжигание топлива является одним из перспективных методов, позволяющих регулировать топочные режимы и одновременно снизить
образование оксидов азота в топочных процессах. Сущность этого метода заключается в том, что в первичную зону горения подают меньше воздуха, чем
теоретически необходимо (коэффициент избытка воздуха α = 0,70—0,95), в результате чего снижается максимальная температура в зоне факела, содержание
молекулярного и атомарного кислорода в ядре факела, следовательно, уменьшается скорость реакции образования оксида азота. Теплоотвод в первичной
зоне горения снижает температуру настолько, что заключительный этап про55
цесса горения, когда имеется избыток О2, протекает при более низкой температуре, поэтому во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются. При работе на мазуте и значении α = 0,90 содержание оксида азота снижается на 47 %. За счет конструктивных усовершенствований эта величина может достигать и 56 %. Подача воды или пара в зону горения является эффективным мероприятием, если ввод осуществляется непосредственно в топливновоздушную смесь. Водяные пары в этом случае играют роль ингибитора в реакции синтеза окиси азота. Это обусловлено протеканием следующей реакции:
2Н2О + 2С + О → 2Н2 + CO + CO2.
Контрольные вопросы к главе 5
1. Какие основные факторы влияют на выход метилсернистых соединений при варке сульфатной целлюлозы?
2. Каковы достоинства и недостатки окислительных установок?
3. В чем сущность окисления черного щелока и какие продукты при этом образуются?
4. Каковы преимущества применения воздухоконтактного испарителя по сравнению с газоконтактным?
Глава 6. Регенерация и рекуперация ценных компонентов
из промышленных выбросов
6.1. Понятие регенерации и рекуперации
Под регенерацией понимают процессы переработки технологических отходов и материалов для извлечения из них тем или иным способом соответственно остаточных сырьевых компонентов или примесей и возобновления первоначальных свойств сырьевых компонентов и материалов, дающих возможность
использовать их в данном производственном цикле. Рекуперация предусматривает возврат (после предварительной обработки) отходов в целом или составляющих их компонентов на различные стадии основного и вспомогательного
производств; нередко под рекуперацией понимают получение из отходов продуктов или сырьевых материалов.
Методы регенерации и рекуперации весьма разнообразны. Выбор их определяется физико-химическими свойствами регенерируемых или рекуперируемых компонентов, качественным и количественным составом сырьевых и технологических материалов, характером технологических операций и т. д. Основным критерием при оценке методов регенерации (рекуперации) является величина степени регенерации (рекуперации), R:
x+ y ⎞
⎛
R = ⎜1 −
⎟,
m
⎝
⎠
где х, у — потери вещества в системе регенерации (рекуперации) соответственно в жидкую и газовую фазы; т — количество вещества, поступающее от технологического оборудования в отходы.
Из известных методов регенерации можно выделить следующие: термические (сжигание, сухая перегонка, газификация, жидкофазное окисление); ионо56
обменные; электрохимические; химические. В ЦБП наибольшее распространение получил термический метод регенерации.
Существующие способы рекуперации условно можно разбить на три группы (с учетом традиционного использования термина «рекуперация» к процессам извлечения летучих веществ из газовых и жидких потоков): конденсацию,
абсорбцию (десорбцию), адсорбцию. Возможны различные сочетания указанных групп в зависимости от поставленных задач, фазового и химического состава отходов, концентрации в них рекуперируемых компонентов. В целлюлозно-бумажном производстве широко используется абсорбционный метод рекуперации; в ряде случаев перспективным представляется адсорбционный метод;
рекуперируемыми веществами являются в основном соединения серы и хлора.
Конденсационный метод рекуперации вещества из парогазовых смесей самостоятельно не используется, он применяется только в сочетании с абсорбционным или адсорбционным способами.
6.2. Термические методы регенерации
Эти методы применяются для регенерации минеральных солей из технологических отходов, содержащих органические и минеральные вещества. Преимущество их обусловлено возможностью использования тепла за счет сжигания органической составляющей отходов. Для эффективного использования отходов в качестве топлива необходимо осуществить дополнительные (подготовительные) операции, основное назначение которых — обеспечить достаточную концентрацию сухих веществ в регенерируемой смеси; при содержании в
отходе достаточного количества ценных веществ целесообразно их предварительное выделение с целью утилизации. Требуемая концентрация сухих веществ (50—55 %) достигается обычно путем выпаривания воды в многокорпусных выпарных аппаратах, сушилках и т. п. Дополнительное упаривание (до
60—65 %) может быть осуществлено за счет использования тепла дымовых газов в аппаратах различных конструкций. При удалении воды из отходов в процессе упаривания имеют место потери регенерируемого вещества, обусловленные главным образом несовершенством процесса или аппаратов, несоблюдением технологического режима выпаривания и общей культуры производства.
Основными причинами потерь при выпаривании являются: переброс составляющих отходов в межтрубное пространство за счет изменения перепада давлений и температур между корпусами выпарных аппаратов; изменение фазового состояния регенерируемого компонента, обусловленное его взаимодействием с другими веществами, в частности с водой, качеством проведения предварительных операций, например удаления веществ, способных интенсифицировать потери регенерируемого компонента; и др. Основным процессом при регенерации является сжигание, которое проводится в специальных топках или
топках энергетических котлоагрегатов. Сжигание можно разделить на три последовательно протекающие стадии: подсушку; пиролиз и коксование органического остатка; выжигание кокса, сопровождаемое плавлением минерального
остатка. Выбор схемы регенерации зависит от свойств регенерируемого компо57
нента. Различают схемы термической регенерации устойчивых и легковозгоняемых неорганических соединений.
На рис. 6.1 приведена блок-схема регенерации сульфида и гидроксида натрия из отработанного (черного) щелока сульфатцеллюлозного производства.
Схема предусматривает выделение из щелока сульфатного мыла для получения
на его основе таллового масла, канифоли, клея-пасты и жирных кислот. Выпаривание щелока осуществляется обычно в 6—8-корпусной выпарной станции,
работающей по смешанной системе питания.
Рис. 6.1. Блок-схема регенерации сульфида и гидроксида натрия
из отработанного щелока:
ВК — варочный котел; УВЦП — узел выделения целевого продукта; УВЦВ — узел
выделения ценных веществ; ВУ — выпарная установка; Ку — концентратор; Т — топка;
РП — растворитель плава; От — отстойник; УК — узел каустизации; УО — узел
осветления; УКО — узел кондиционной обработки раствора; ЗЩ — зеленый щелок;
ИРП — известерегенерационная печь
Основным компонентом потерь при подготовке черного щелока к сжиганию являются соединения серы; при выпаривании основным источником потерь серы являются первые два корпуса выпарной станции по направлению
движения щелока; при доупаривании значительное количество серы теряется
вследствие прямого контакта кислых дымовых газов со щелоком. При сжигании органической части щелока в топке СРК образуется минеральный плав, который далее растворяется с получением раствора (зеленого щелока), содержащего смесь солей: Na2S + Na2СО3. Для получения технологического раствора
(белого щелока — Na2S + NaOH) зеленый щелок подвергают далее отстаиванию, каустизации и осветлению. Для проведения процесса каустизации используется новый сырьевой материал — известковое молоко.
58
В общей схеме регенерации серы и основания предусматривается и регенерация вспомогательных сырьевых материалов, в данном случае — извести.
Регенерация осуществляется путем обжига известняка в известерегенерационных печах. Эффективность регенерации сульфата натрия и гидроксида натрия
составляет 90—94 %; эффективность регенерации извести — 90 %. Схемы регенерации легковозгоняемых соединений характерны для сульфитцеллюлозного производства. На рис. 6.2 (а, б) приведена схема регенерации солей магния
из сульфитного щелока. Схема предусматривает подготовку щелока путем его
выпаривания и сжигания. При этом происходит разложение сульфита магния с
образованием пылевидного оксида магния и газообразного диоксида серы
(рис. 6.2, а). Оксид магния улавливается в мультициклонах 7 (или электрофильтре), поступает в бак с мешалкой 4, откуда образующаяся суспензия подается на промывной многозонный вакуум-фильтр 3 и затем в баки гидратации 2
(мешалки-гасители). Дымовые газы после мультициклонов 7 с температурой
около 433 К и объемным содержанием диоксида серы около 1 % охлаждаются в
струйном газопромывателе 10 (или другом типе абсорбера), орошаемом водой,
до температуры 313—333 К и подаются в группу абсорберов 13 (рис. 6.2, б) для
поглощения диоксида серы суспензией гидроксида магния и получения технологического бисульфитного раствора, который собирается в 16 и 17.
Рис. 6.2. Схема регенерации солей магния из сульфитного щелока:
1 — насосы; 2 — баки гидратации; 3 — вакуум-фильтры; 4 — емкость с мешалкой;
5 — дымосос; 6 — магнийрегенерационный агрегат; 7 — батарейный циклон; 8 —
сборник бисульфитного раствора; 9 — дополнительный абсорбер; 10 — струйные
газопромыватели; 11 — дымосос; 12 — дымовая труба; 13 — барботажные колонны;
14 — турбовентилятор; 15 — хвостовая башня; 16 — сборник слабого бисульфитного
раствора; 17 — реактор-мешалка
59
Для регенерации технологического (варочного) раствора на аммониевом
основании используется практически аналогичная схема, из которой исключена
стадия пылеулавливания. Эта схема позволяет достигнуть степени регенерации
бисульфита аммония до 92—97 %. Значительно сложнее регенерация серы и
натрия из отработанного сульфитного щелока на натриевом основании. Этот
процесс может быть осуществлен совместной регенерацией сульфитных и
сульфатных щелоков, окислительным или восстановительным сжиганием или
ионообменным способом. Наиболее распространено восстановительное сжигание, при котором образуется плав, состоящий из соды и сульфида натрия; в некоторых случаях вместо сульфида натрия получают сероводород, который затем сжигают, получая сернистый ангидрид.
Существуют и другие варианты термического метода регенерации, при которых из регенерируемого сырья получаются более или менее ценные побочные продукты, а тепло сгорания органического остатка применяется не полностью или вовсе не используется. К числу таких методов относится сухая перегонка и газификация, не нашедшие применения в производстве целлюлозы.
Ионообменные и электрохимические методы регенерации являются перспективными, однако пока не находят распространения в целлюлозно-бумажном
производстве вследствие невысокой обменной емкости промышленных ионитов и мембран, недостаточной их стабильности, необходимости предварительной тонкой очистки от взвешенных веществ и др.
6.3. Рекуперация серо- и хлорсодержащих компонентов
При использовании абсорбционного способа рекуперации в качестве абсорбентов в целлюлозно-бумажном производстве используют обычно воду, технологические растворы, а также сточные воды. Для рекуперации веществ из жидких отходов применяют в сочетании два способа — десорбционный и абсорбционный. Ниже рассмотрены схемы рекуперационных установок, предложенные и
используемые в промышленности. Для рекуперации сероводорода и метилсернистых соединений из парогазовых выбросов варочного цеха сульфатцеллюлозного производства предложена установка производственной мощностью
1000 м3/ч (рис. 6.3). Схема установки включает три последовательные ступени.
Неконденсируемые газы после терпентинных конденсаторов непрерывных
варочных установок «Камюр» поступают на первую ступень рекуперации. В
качестве аппарата этой ступени применен струйный газопромыватель с перекрестным движением фаз. Назначение первой ступени — выделение из газов, в
основном органических сульфидов. На орошение этой ступени подается черный щелок из бака черного щелока промывной станции. Черный щелок после
первой ступени отделяется в промежуточном каплеуловителе и отсюда направляется в бак черного щелока. После прохождения второй, аналогичной, ступени
газы после каплеуловителя подаются в насадочный скруббер. Последние две
ступени очистки орошаются крепким белым щелоком, предварительно охлажденным в теплообменнике до 323—333 К. Очищенные газы после насадочного
скруббера выбрасываются в атмосферу, а рекуперат с отработанным белым ще60
локом из этого скруббера направляется в бак-мерник белого щелока и из него
— на варку. Эффективность абсорбции для серосодержащих газов и паров составляет, %: Н2S и ММ — 98, ДМС — 85, ДМДС — 70. Следует отметить, что
рекуперируемыми веществами в данной схеме являются только сероводород
и ММ; ДМС и ДМДС, возвращаясь в составе черного щелока в технологический цикл, участия в рекуперации не принимают, выделяясь снова (например,
из варочного котла) в атмосферу.
Рис. 6.3. Схема рекуперации неконденсируемых газов:
1 — насос; 2 — бак черного щелока; 3, 5 — струйные газопромыватели;
4 — каплеуловитель; 6 — насадочный абсорбер; 7 — теплообменник;
8 — бак белого щелока
Для рекуперации реагентов из парогазовых выбросов растворителя плава
СРК используется схема, приведенная на рис. 6.4. Она включает струйный газопромыватель, один теплообменник, два насоса в антикоррозийном исполнении для подачи слабого белого щелока на орошение и два насоса для откачки
охлаждающей воды после теплообменника. Утилизация тепла осуществляется
за счет контакта парогазовых выбросов с предварительно охлажденным в теплообменнике слабым белым щелоком. Все уловленные реагенты возвращаются
в растворитель плава СРК.
61
Рис. 6.4. Схема рекуперации выбросов растворителей плава:
1 — регулирующие клапаны; 2 — труба-смеситель; 3 — каплеуловитель;
4 — аварийный перелив; 5 — растворитель плава; 6 — насосы;
7 — теплообменник; 8 — концентратомер
Рекуперация сернистых соединений из газовых выбросов вакуумвыпарной станции может быть осуществлена совместно с рекуперацией газовой
смеси, получаемой при обработке, конденсата вторичного пара. В сульфитцеллюлозном производстве при приготовлении кислоты на растворимых основаниях непоглощенный диоксид серы рекуперируют в дополнительных абсорберах.
Состав получаемого раствора можно регулировать, используя его для поглощения диоксида серы из серной печи. Рекуперировать диоксид серы можно конденсацией его из сдувочных газов под давлением, равным давлению в варочном
котле. Несконденсировавшиеся газы и пары направляются в абсорбер, работающий под таким же давлением, как и котел; абсорбция 55—70 %-го сернистого ангидрида производится водой. При этом получается 20 %-й водный раствор сернистого ангидрида, из которого отгонкой паром и двойным охлаждением получают жидкий SO2. Рекуперация сернистого ангидрида из сдувочных газов, связанная с получением жидкого сернистого ангидрида, позволяет получить более крепкую варочную кислоту, стабилизировать ее состав и увеличить
степень рекуперации сернистого ангидрида. При обычной варке целлюлозы на
кислоте с кальциевым основанием интерес представляет подача сдувочного газа вместе с газом от серной печи в башню крепкой кислоты. Для рекуперации
сернистого ангидрида из отработанного щелока в схему (рис. 6.5) включается
отдувочная (отгонная) колонка, в которой жидкость самоиспаряется, а сернистый ангидрид из щелока отгоняется паром. Образующаяся парогазовая смесь
последовательно направляется в теплообменник и влагоотделитель, из которого
сернистый ангидрид подается в производство.
62
Рис. 6.5. Схема установки для рекуперации SO2 из щелока:
1 — насос; 2 — бак черного щелока; 3, 5 — струйные газопромыватели;
4 — каплеуловитель; 6 — насадочный абсорбер;
РП — расходомер пара; Т — термометры
Рекуперацию соединений хлора в отбельных цехах целесообразно осуществлять от таких источников загрязнения атмосферного воздуха, как башни отбелки хлором и диоксидом хлора и, в меньшей степени, вакуум-фильтры. В качестве
абсорбентов используется охлажденная вода, раствор гидроксида натрия или
промывные воды от ступеней щелочения. В первом случае рекуператом является
хлорная вода; в остальных — раствор гипохлорита натрия. Абсорберами служат
насадочные скрубберы, заполненные кольцами Рашига. Рекуперационная установка проста в изготовлении и эксплуатации. Газы отсасываются от источника
загрязнения вентилятором и направляются в противоточный насадочный скруббер, орошаемый соответствующим раствором. Эффективность поглощения газа
в скруббере 90—96 %. Полученный раствор укрепляют свежим хлором и гидроксидом натрия до требуемого значения концентрации гипохлорита. Такая установка улучшает условия труда в цехе, уменьшает загрязнение воздушного бассейна и экономит хлор (6—12 кг/ч) при получении гипохлоритного раствора. В
ряде случаев представляется целесообразным рекуперировать хлор из объединенного потока газов: от башен хлорирования и колпаков вакуум-фильтров.
6.4. Рекуперация парогазовых выбросов
в деревообрабатывающих производствах
В деревообрабатывающих производствах широко применяют фенолформальдегидные, карбамидоформальдегидные и полиэфирные смолы, в связи с
этим в атмосферу выбрасывается значительное количество паровоздушных
смесей (ПВС), содержащих формальдегид, стирол и другие органические вещества (толуол, ацетон, этилацетат и т. д.). Основная задача при внедрении систем
рекуперации па предприятиях деревообрабатывающей промышленности сво63
дится к уменьшению количества ПВС при одновременном увеличении концентрации рекуперируемого вещества в ПВС. Концентрировать ПВС можно многократным использованием аспирационного воздуха в различных технологических процессах. При этом возможны два варианта. По первому из них воздух
после многократного применения используют для сжигания топлива, и в результате вредные вещества эффективно окисляются до нейтральных водяных
паров и двуокиси углерода. По второму варианту воздух после многократного
применения направляется в адсорберы и на адсорбенте поглощаются вредные
вещества, а затем проводится их рекуперация и регенерация адсорбента. Использование ПВС в качестве источника кислорода при сжигании топлива заслуживает внимания при проектировании новых и реконструкции старых предприятий. Процесс является эффективным при небольших расстояниях от котельной; вредные вещества сжигаются (окисляются) без дополнительного расхода топлива. Продуктами полного окисления являются практически нейтральные вещества — двуокись углерода и водяной пар. Подавляющее большинство
вентиляционных выбросов низкокалорийны и не могут служить топливом. Однако на 1 кг некоторых видов топлива расходуется около 10 м3 воздуха. При
этом за счет сгорания примесей выделяется определенное количество тепла, которое следует учитывать. Минимальной концентрацией кислорода, при которой
происходит надежное горение топлива в топочных устройствах, можно считать
17 %. В этом случае парогазовая смесь (вентиляционный воздух) в состоянии
полностью заменить чистый воздух в качестве окислителя. При концентрации
кислорода меньше 17 % парогазовая смесь является лишь частью окислителя,
т. е. добавкой к дутьевому воздуху. Важнейшей задачей при проектировании
систем подачи и высокотемпературного окисления вентиляционных выбросов
является обеспечение взрывобезопасности. При повторном использовании вентиляционного воздуха кроме опасности взрыва существенное значение имеет
возможность конденсации примесей. Процесс конденсации происходит при условии р > рнас, где р — парциальное давление компонента; рнас — давление насыщенного пара компонента. Расчеты показывают, что даже при десятикратном
увеличении концентраций токсичных веществ в выбросах и характерных для
деревообработки температур и влажностей соблюдается условие р > рнас, а также условие взрывобезопасности. Следовательно, в некоторых технологических
процессах возможно повторное использование вентиляционных выбросов.
Существующую схему паровоздушных потоков на линии пропитки бумаги
целесообразно реконструировать следующим образом. Вентиляционный воздух
от узлов пропитки бумаги и намотки готового изделия в рулон можно вторично
использовать в сушильных агрегатах отделочной линии вместо воздуха, забираемого из атмосферы. Стирол, формальдегид и этилацетат (концентрация их в
вентиляционном воздухе незначительна) не могут отрицательно повлиять на
качество отделки плит, так как отделочные материалы тоже содержат эти вещества (за исключением формальдегида). Выбросы с температурой порядка 433 К
можно использовать повторно только в котельной, поэтому технологические
выбросы пропиточной линии следует собрать в один поток, который затем
64
транспортируется в котельную. Схему газовых потоков на линии отделки плит
также можно реконструировать с повторным применением воздуха. Для этого
вентиляционные выбросы от лаконаливных машин надо использовать в сушильных агрегатах отделочной линии вместе с вентиляционными выбросами
пропиточной линии. Таким образом, на всех сушильных агрегатах отделочной
линии забор чистого воздуха из атмосферы исключается и вместо него для
сушки используют вентиляционные выбросы лаконаливных машин и пропиточной линии. После применения вентиляционных выбросов в сушильных агрегатах загрязненный воздух в виде технологических выбросов температурой
353 К целесообразно направить в котельную и еще раз использовать для горения топлива вместе с технологическими выбросами пропиточной линии. При
такой схеме повторного использования воздуха почти вдвое сокращается объем
выбросов, направляемых на термическое обезвреживание в котельную или рекуперацию. Возможно и трехкратное сокращение количества используемого
воздуха. Концентрирование ПВС позволяет рекуперировать пары органических
веществ (формальдегида, стирола, паров растворителей) методом адсорбции,
который более предпочтителен в связи с тем, что максимальная концентрация
паров при повторном использовании ПВС обычно не превышает 0,8—2,5 г/м3.
Контрольные вопросы к главе 6
1. Какие методы регенерации (и каких компонентов) применяются в целлюлозно-бумажном
производстве?
2. В чем отличие способов рекуперации веществ из газов от способов санитарной очистки
газов?
3. Какие методы рекуперации используют в деревообрабатывающем производстве?
Глава 7. Сокращение объема и загрязненности сточных вод
в технологических процессах
Сокращение объема и загрязненности сточных вод в производственном
цикле может быть осуществлено: совершенствованием технологического процесса и применяемого оборудования; организацией замкнутого цикла движения
воды в производстве путем максимального использования систем оборотного
водоснабжения при охлаждении оборудования, а также в основных и вспомогательных технологических процессах.
7.1. Технологические мероприятия
по сокращению количества и загрязненности сточных вод
В среднем при выработке каждой тонны целлюлозы растворяется около 1 т
веществ древесины. Отработанные варочные щелоки представляют собой концентрированные растворы многих веществ органического и неорганического
характера, вредных для водоемов. В сульфатцеллюлозном производстве основные потери реагентов связаны с промывкой целлюлозы. Даже на более совершенных предприятиях они в пересчете на сульфат натрия составляют половину
всех потерь. Их предполагают снизить повышением эффективности промывки с
65
применением диффузоров непрерывного действия. Благодаря тому, что в диффузоре продолжительность промывки в 50 раз больше и равномерность массной пробки значительно больше, чем равномерность массной пробки на барабанном фильтре, степень вытеснения в диффузоре значительно выше. Более
эффективное распределение промывной воды в диффузоре оказывает более
значительное влияние, чем распределение ее спрысками на барабанных фильтрах. Снижение потерь реагентов при промывке в диффузоре обусловлено тем,
что процесс проводится при условиях, близких к условиям в варочном котле.
Современные варочные котлы со встроенной в них диффузионной промывкой дают вполне удовлетворительные результаты. Однако наиболее целесообразно (технически и экономически) проводить промывку в котле с последующей домывкой на вакуум-фильтре или на непрерывно действующем диффузоре. Встроенные промывные устройства можно применять и в других технологических процессах, например при отбелке. В большинстве замкнутых
систем сортирования необходимого разбавления достигают за счет щелока,
удаленного при сгущении целлюлозы после ее сортирования. Указанная система предполагает максимально замкнутую обработку отходов. Обязательным
требованием здесь является герметичность используемых аппаратов. В них не
должно быть пенообразования, для чего следует применять сортировки, работающие под давлением. Можно также использовать управляемые замкнутые
сортировки, работающие при пониженном давлении, в которых пар заполняет
пространство, не занятое жидкостью. Сгуститель отдела сортирования часто
является последней ступенью промывки, а жидкость, используемая в процессе
сортирования, идентична промывной воде на более ранней ступени промывки.
Таким образом, в отделе сортирования при нормальных условиях эксплуатации
производственная вода не загрязняется. Для уменьшения количества конденсатов от выпарных станций вторичный пар из последнего корпуса конденсируется только в поверхностном конденсаторе. Серосодержащие вещества и метанол
можно сконцентрировать в относительно небольшой части конденсата, если
конденсатор разделить на две части: на главный конденсатор, где конденсируется 85—90 % паров, и на побочный — для остатков вторичного пара. Разделение конденсата на две группы обычно приводит к тому, что лишь небольшая
часть выпаренной воды должна подвергнуться очистке. Конденсат от главного
конденсатора рекомендуется использовать в цехе каустизации. Остаток конденсата (от побочного конденсатора), так же, как и охлаждающую воду от вакуумнасосов, следует подвергнуть очистке. При наличии выносных подогревателей
щелока можно произвести дальнейшее разделение конденсата. В этом случае
часть полученного конденсата можно использовать в качестве свежей воды.
Одним из технологических методов сокращения количества сточной воды
в отбельном цехе является внедрение ступеней кислородной отбелки. Повторное использование и регенерация сточных вод от кислородной ступени заключается в объединении кислородной ступени с системой промывки небеленой
целлюлозы. На рис. 7.1 показана такая система, состоящая из варочного котла
«Камюр» с горячей диффузионной промывкой, за которым следует диффузор
66
непрерывного действия системы «Камюр», закрытая система сортирования, вакуум-формующий цилиндр, кислородный реактор и диффузор для окончательной промывки.
Рис. 7.1. Схема использования отработанного варочного щелока и сточных вод
от кислородной отбелки целлюлозы:
1 — варочный котел непрерывного действия; 2, 4 — диффузоры; 3 — вакуум-фильтр;
5 — реактор; 6 — сортировка
Применение сухой окорки в барабанах позволяет резко сократить потребление воды древесно-подготовительным отделом и количество сбрасываемых
коросодержащих вод, а в некоторых случаях полностью отказаться от потребления воды (на Кзыл-Ординском, Балахнинском, Ингурском и Селенгинском
ЦКК). Опыт работы указанных предприятий показал, что использование барабанов типа БД, КБ и Раума — Репола на сухой окорке древесины позволяет добиться качества окорки 80—95 % при производительности барабанов 40—
60 м3/ч. Влажность коры при этом не превышает 45—55 %, и она пригодна для
сжигания без отжима. Использование способа сухой окорки древесины позволяет упростить схему древесно-подготовительного отдела (рис. 7.2), сократить
число обслуживающего персонала, повысить надежность работы окорочного
узла и дает предприятиям большой экономический эффект.
На многих предприятиях России производят окорку древесины сухим способом. При производстве сульфитной целлюлозы можно существенно сократить водопотребление созданием рациональных схем и установок нового оборудования для промывки и сортирования целлюлозы, доведя степень отбора
щелока до 92—95 %. При этом количество сбрасываемых в сток загрязнений от
варочно-промывного цеха снижается в 3—6 раз.
67
Рис. 7.2. Сравнительные схемы вспомогательных процессов в барабанах
при окорке древесины: а — мокрая окорка; б — сухая окорка с паром;
1 — рыхлитель; 2 — короотжимный пресс; 3 — дробилка коры; 4 — водоотделитель;
5 — фильтр; 6 — насос; 7 — гидролоток; 8 — глухая секция; 9 — барабан;
10 — открытая секция; 11 — дробилка коры; 12 — конвейер
При производстве полуцеллюлозы по одному из перспективных методов —
магнийбисульфитному реализован целый ряд мероприятий, позволяющих значительно сократить сброс стоков. В частности, полумассный размол и сортирование полуцеллюлозы проводятся в среде отработанного щелока. Сортирование,
проходящее по замкнутой схеме, позволяет не только полностью использовать
сырье, но и исключить расход свежей воды на сортирование. Схема отбора отработанного щелока на выпарку отличается от обычно принятых в производстве
сульфитной целлюлозы тем, что отбор производится в двух местах в схеме щелокооборота: из варочного котла через циклон, где отбирается только свободно
стекающая часть щелока, и после противоточной промывки на барабанных
фильтрах. Предусмотрено также прекращение сброса слабого щелока (фильтрата) за счет установки дополнительной ступени промывки полуцеллюлозы. Это
оказывается более экономичным, чем увеличение разбавления щелока и, следовательно, расширение мощности выпарной станции. С целью уменьшения разбавления отработанного щелока в котле предполагается перейти на варки с непрямым обогревом. Большое значение для повышения концентрации отработанного щелока и уменьшения сброса стоков может иметь повторное использование
щелока при варке полуцеллюлозы. При производстве тарного картона из сульфатной небеленой целлюлозы необходимо также осуществить ряд мероприятий,
основными из которых по целлюлозному производству являются:
• применение сухой окорки древесины;
• установка сборников переливов и аварийных сбросов;
• двухступенчатое улавливание черного щелока, увлекаемого с терпентинными и конечными сдувками;
68
• возврат бисульфатного раствора и лигнина из цеха побочных продуктов
в систему регенерации щелочи;
• улучшение промывки целлюлозы до эффективности не менее 98,5—
99,0 %;
• исключение барометрических конденсаторов с заменой их на поверхностные.
Соответствующие мероприятия присущи и картонному производству:
• установка высокоэффективной улавливающей аппаратуры (дисковых
фильтров или осветлителей со взвешенным слоем);
• применение спрысков с веерными струями, работающих на очищенной
оборотной или сточной воде, применение спрысков высокого давления
(5⋅103 кПа);
• использование на сукномойках спрысков повышенного давления с последующей подачей на них очищенной сточной воды;
• осуществление рециркуляции воды в системе затворов вакуум-насосов.
В химических цехах особенно трудно добиться того, чтобы не было сброса
воды или чтобы вода сбрасывалась практически чистой. Для этого необходимо
усовершенствовать технологические процессы, в частности, внедрить окисление черного щелока в сульфатцеллюлозном производстве, уменьшающее образование дурнопахнущих сточных вод. В этом случае весь грязный конденсат
выпарной станции можно использовать в цехе каустизации в качестве горячей
воды, исключая его сброс в канализацию. При нарушении технологического
режима возможны перебросы пены с вторичным паром из корпуса в корпус,
значительно загрязняющие конденсат. Во избежание перебросов необходимо
тщательно отделять мыло в процессе отстаивания черного щелока перед его
выпариванием.
7.2. Замкнутый цикл движения воды в производстве
Современный уровень развития науки и техники позволяет создать в целлюлозно-бумажном производстве предприятия с минимальным объемом сточных вод — практически бессточные системы. Для создания экономически приемлемых бессточных систем необходим комплексный подход к рассмотрению
вопросов технологии основного и вспомогательного производств и технологии
очистки воды на конкретном предприятии. Анализ недостатков существующих
систем водного хозяйства промышленных предприятий показывает: главная
причина их возникновения заключается в несовершенстве традиционных, так
называемых «мокрых» технологий, рассчитанных на получение максимального
эффекта производства путем извлечения наиболее богатой части активного
компонента сырья при одновременном отведении оставшейся массы сырьевых
продуктов в виде трудноразделяемой поликомпонентной смеси жидких отходов
— сточных вод. При создании бессточных систем водоиспользования учитывают, что снижение удельных расходов воды путем многократного ее использования в оборотных циклах приводит к накоплению в ней минеральных солей
69
как поступающих в технологический процесс с подпиточной водой, так и выщелачиваемых из сырья и веществ, с которыми вода контактирует; накопление
растворенных минеральных солей в оборотных циклах выше определенного
уровня отрицательно сказывается на ведении технологических процессов основного производства и в конечном счете на качестве получаемой продукции; в
связи с этим необходимо разработать и создать высокоэффективные и экономичные методы и средства для обессоливания воды; при работе замкнутых
циклов оборотного водоиспользования возникает проблема утилизации побочных продуктов обессоливания сточных вод, чтобы исключить возврат их в водные источники из мест складирования или захоронения.
Основу замкнутых циклов составляет оборотное водоснабжение, которое
можно осуществить в виде единой системы для всего промышленного предприятия или в виде отдельных циклов для одного или группы цехов. Количество систем оборотного водоснабжения на предприятии определяется с учетом
особенностей и характера производства, назначения воды, требований к ее качеству, температуре, давлению. При решении этого вопроса принимается во
внимание генеральный план предприятия, размещение потребителей воды на
генплане, а также сопоставление технико-экономических показателей различных вариантов. С целью уменьшения диаметров и протяженности труб коммуникаций при соответствующем обосновании на предприятии следует предусматривать раздельные системы оборотного водоснабжения отдельных производств, цехов или установок при максимально возможном приближении сооружений оборотного водоснабжения к потребителям воды. Непременным условием создания замкнутых циклов является снижение загрязненности сточных
вод органическими и минеральными веществами, которое должно привести к
уменьшению концентрации загрязнений в системе водопотребления — водоотведения и к рациональному отбору и выводу части загрязнений из цикла. При
создании полностью замкнутого цикла прежде всего необходимо определить,
какие вещества и в каких количествах участвуют в производстве при установившемся режиме работы и какие концентрации загрязнений можно допустить
в оборотных водах и готовой продукции, а также наметить пути утилизации загрязняющих веществ.
Некоторыми предприятиями отрасли разработаны и внедрены мероприятия, обеспечивающие сокращение расхода свежей воды и уменьшение сброса
загрязнений со сточными водами. К этим мероприятиям, в частности, относятся: увеличение использования в обороте фильтрата от сгущения небеленой целлюлозы при ее сортировании; использование избыточной сточной воды отдела
сортирования и отлива беленой целлюлозы для разбавления массы после промывной установки перед сортированием; использование стоков отдела сортирования в барометрических конденсаторах выпарного цеха; применение слабощелочного горячего конденсата от выпарных станций, оборотного и крепкого белого щелока для промывки массы после хлорирования; использование избыточного фильтрата от II ступени отбелки двуокисью хлора для промывки
массы после горячего облагораживания или кислой диффузии; применение
70
фильтрата от промывки массы после II ступени хлорирования для разбавления
небеленой целлюлозы перед (после) ступенью хлорирования; увеличение использования избыточной воды пресспата и отдела сортирования беленой целлюлозы в отбельном цехе для разбавления и промывки массы; использование в
обороте воды от вакуум-насосов пресспата для промывки сит сортировок Иенсена — Линдгрена в отделе сортирования беленой целлюлозы; упорядочение
использования в обороте сточной воды из приямка дурнопахнущих сточных
вод выпарного цеха для водокольцевых вакуум-насосов. Исследованиями установлена возможность не только снижения расхода свежей воды за счет технологических мероприятий и установки нового оборудования, но и использования
воды с высоким содержанием загрязнений, где за счет применения осадков
сточных вод (избыточного активного ила, шлам-лигнина) и уловленного волокна можно сократить расход волокнистого материала. При загрязнении воды
только взвешенными веществами (волокном и каолином) на фабриках, вырабатывающих обычные виды бумаги и картона из привозных полуфабрикатов или
имеющих свой завод белой древесной массы, уже применяют замкнутый цикл
оборотной воды. В производстве бумаги наибольшее количество воды расходуется на спрысках для промывки сеток бумагоделательных машин (по некоторым данным, примерно 60 % от всей используемой воды). Если для этой цели
вместо свежей воды применять оборотную, качество которой полностью исключает опасность забивания сопел, то можно существенно уменьшить количество свежей воды и выпуск оборотных вод. В такой оборотной воде не должно
быть длинных волокон.
Количество оборотной воды при выработке газетной бумаги можно сократить, применив для промывки сетки в качестве спрысковой воды осветленную
воду после внутрицеховых массоулавливающих установок или отсасывающих
ящиков. В случае применения для спрысков воды от отсасывающих ящиков
значительно улучшается использование оборотной воды. Воду от отсасывающих ящиков подают на спрыски сетки и узлоловителей. Подсеточная вода самотеком поступает к смесительному насосу на разбавление массы. Перелив из
подсеточной ванны направляется в сборник избыточной воды и затем в массоподготовительный цех для разбавления полуфабрикатов. Остальная вода идет в
скребковую ловушку, откуда скоп поступает на дисковые мельницы, а осветленная вода — в регуляторы концентрации массы. Вода, отходящая от гаучпресса, вакуум-насосов и прессов, направляется на общефабричные ловушки,
от которых уловленное волокно подается для выработки санитарногигиенических видов бумаги. На бумажных и картонных фабриках, которые
работают на привозной целлюлозе и древесной массе, можно при ограниченных затратах существенно улучшить использование оборотных вод, установив
фильтры «Вако» или другие внутрицеховые массоулавливающие установки.
Аналогичные мероприятия существуют при производстве картона.
Замкнутая схема использования оборотной воды, резко снижая потребление свежей воды, имеет и отрицательную сторону: происходит интенсивное
слизеобразование (желоба, трубопроводы оборотной воды, массопроводы за71
растают микроорганизмами и заражают производственные потоки), копятся
нежелательные вещества. Исключение этих недостатков достигается применением специальных приемов, например, путем обработки оборотной воды в системе (подкислением, рекарбонизацией, добавкой ингибиторов коррозии, изменением температуры, рН и т. п.) или части оборотной воды, выведенной из системы (продувкой) и затем возвращаемой в нее. Иногда продувочные воды можно использовать в другом технологическом процессе, а взамен этих вод систему
пополняют свежей подпиточной водой.
В гидролизной промышленности по замкнутому циклу водоснабжения работает несколько биохимических заводов. Для приготовления варочной кислоты применяют конденсат от вакуум-выпарных станций, лютер от ректификации
фурфуроловой смеси, часть последрожжевой бражки после биоокисления. Выпарке подвергается около 80 % последрожжевой бражки; остальная бражка
идет на биоокисление и используется частично на приготовление раствора питательных солей и известкового молока, которые подают в нейтрализаторы и
частично на приготовление варочной смеси. Конденсат от выпарки гидролизата, а также первые погоны при выпарке последрожжевой бражки содержат
фурфурол. Эта смесь идет на ректификацию, где получается товарный фурфурол, а лютер направляется в сборник варочной смеси. Принципиальная схема
биохимического производства с замкнутым циклом водоснабжения приведена
на рис. 7.3.
На ведущих биохимических заводах при организации замкнутого цикла
водоснабжения осуществляют следующие мероприятия: на основных технологических операциях (гидролизе, выращивании дрожжей) используют сточные
воды; последрожжевую бражку после сгущения применяют в сельском хозяйстве; избыточный активный ил, используемый для окисления бражки перед ее
выпариванием, применяется в смеси с дрожжами в качестве корма сельскохозяйственным животным; большие объемы сточных вод, кроме внутреннего использования, передаются на цементные заводы и для орошения полей. Рассмотренный комплекс мероприятий по сокращению сточных вод и максимальному
использованию их в производстве не является предельным и постоянно совершенствуется; ведутся исследования по разработке требований на качество воды
для основных операций различных производств целлюлозы и бумаги, схем с
оптимальным уровнем замкнутости цикла водопользования.
Контрольные вопросы к главе 7
1. В чем различие беспродувочных (замкнутых) и оборотных систем водоснабжения?
2. Какие существуют технологические методы сокращения сточных вод при промывке целлюлозы и производстве картона?
3. Каковы основные факторы, характеризующие работу системы оборотного водоснабжения
при охлаждении оборудования?
4. Каковы проблемы организации замкнутых систем водоснабжения?
72
Рис. 7.3. Принципиальная схема водоснабжения
для биологического производства
Глава 8. Утилизация ценных продуктов
из промышленных выбросов
8.1. Понятие утилизации
Под утилизацией отходов следует понимать их комплексную переработку
для получения промышленной или другой продукции. Утилизация тесно связана с рациональным использованием природных ресурсов. Успешное решение
вопросов утилизации приводит к тому, что взамен понятия «отходы производства» возникает более правильное — «вторичное сырье», связанное не только с
основным производством, но и с системами регенерации, рекуперации и очистки промышленных выбросов. Методы утилизации основаны на физикохимических исследованиях свойств и структуры отходов, позволяющих определить принципиальную возможность их использования.
Под отходами (вторичными материалами промышленности) понимают:
остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе изготовления продукции и утратившие полностью пли частично потребительские
свойства исходного материала; продукты физико-химической переработки сы73
рья, а также добычи и обогащения полезных ископаемых, получение которых
не является целью производственного процесса и которые, за исключением неизбежных потерь, могут быть использованы как готовая продукция после доработки или в качестве сырья для переработки, или в качестве топлива; вещества,
улавливаемые при очистке отходящих газов и сточных вод. В зависимости от
утилизации отходы подразделяются на используемые и неиспользуемые. К используемым относятся такие, которые применяют в качестве сырья или добавки
к сырью для выработки продукции как на самом предприятии, где образуются
отходы, так и за его пределами, а также в качестве топлива, кормов и удобрений. К используемым отходам относятся обраты — отходы производства, их
берут без доработки в качестве сырья в технологических процессах, являющихся источниками образования данных отходов. Отходы могут быть полностью
или частично используемыми. К частично используемым отходам относятся
такие, которые в настоящее время не используются из-за отсутствия капитальных вложений на их переработку, отсутствия потребителей продукции, получаемой из отходов, отсутствия организационных мероприятий по их использованию и др. К неиспользуемым относятся также отходы, которые на современном уровне развития науки и техники не могут быть применены на предприятиях, либо их использование экономически нецелесообразно.
В лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности выделяют потенциальные, реальные и экономически доступные отходы —
вторичные материальные ресурсы (ВМР). Потенциальные ВМР представляют
весь объем отходов потребления и отходов в сфере производства; реальные
ВМР определяются как потенциальные за вычетом технологических потерь в
процессе заготовки древесины, ее переработки, транспортировки и хранения. К
реальным относятся только те объемы ВМР, для использования которых созданы эффективные методы, мощности для переработки и обеспечен рынок сбыта.
Экономически доступные ВМР определяются как часть реальных, которая может служить предметом эффективного освоения и переработки в конечные
продукты. При этом экономически доступными признаются те ресурсы отходов, при освоении которых предельная цена сырья будет равна или выше нормативной расчетной стоимости его производства и транспортировки.
Отходы также классифицируются по агрегатному состоянию, объему (массе) и цене. В зависимости от агрегатного состояния различают газообразные,
жидкие и твердые отходы. По объему (массе) образования различают многотоннажные и малотоннажные отходы. К многотоннажным относят жидкие и
твердые отходы, масса которых (по утилизируемому компоненту) превышает
2000 т в год, газообразные — годовой объем (по утилизируемому компоненту)
превышает 50 тыс. м3.
Определение объемов ВМР возможно только с учетом нормативов их образования. Под нормативами подразумеваются поэлементные составляющие
норм, характеризующие расход основных и вспомогательных материалов, их
потери и остатки при производстве единицы продукции на соответствующих
стадиях технологического процесса. Они должны: быть научно обоснованными
74
и прогрессивными; с наибольшей полнотой отражать конструкционные, технологические и организационные предпосылки экономии материалов, способствовать максимальному использованию внутренних резервов производства; ориентироваться на передовой опыт экономии материалов и подкрепляться конкретными организационно-техническими мероприятиями, обеспечивающими
их выполнение; быть динамичными, т. е. пересматриваться по мере совершенствования техники и технологии производства и достижений науки; отражать
планируемый уровень снижения материальных затрат и себестоимости сопоставимой продукции. Нормативы образования ВМР разрабатываются для всех
видов отходов и побочных продуктов производств на основе материального баланса независимо от того, используются они или нет; нормированию подлежат
отходы, образующиеся на каждой стадии технологического процесса.
Для получения исходных данных, необходимых для разработки мероприятий по утилизации отходов с учетом их объема, состава, условий образования,
периодически проводится инвентаризация промышленных отходов по форме
№ 1 — токсичные отходы — «Ведомость инвентаризации токсичных промышленных отходов, подлежащих использованию, обезвреживанию и захоронению
по состоянию на (месяц, год)». Данные инвентаризации, обобщенные во всероссийском масштабе, дают возможность наметить наиболее рациональные направления утилизации отходов. Выбор оптимального направления использования отходов в целом или отдельных их составляющих связан с исследованием
(испытанием), стандартизацией, рациональной классификацией и маркировкой.
Для практического использования отходов необходимо определить их
свойства, от которых зависит успех их применения. Эти свойства должны рассматриваться в тесной связи с другими качествами, а также объемом (массой)
отходов и потребностью в них как сырьевом материале и товарном продукте.
Правильный выбор характерного свойства, а затем определение параметров,
выражающих интенсивность проявления его, требуют знания природы данных
отходов. Активность или пассивность отходов определяется их составом, физико-химическими свойствами, а скорость взаимодействия — концентрацией основных и сопутствующих компонентов, условиями существования отходов
(возможностью фазовых переходов) и др. Для объективного прогнозирования
области применения отходов важно установить взаимосвязь между химическим
составом, строением (для твердых отходов), рядом физико-химических свойств
и их активностью. В связи с тем, что большинство отходов представляет собой
сложные структуры с разнообразными свойствами, целесообразно маркировать
их по технологии образования с включением в маркировку сырья, при переработке которого образуются отходы, технологического процесса — источника
образования отходов, структурности, активности и др.
В этой главе на примере целлюлозно-бумажных, гидролизных, деревообрабатывающих и энергетических производств рассмотрены некоторые направления утилизации наиболее характерных отходов, которые могут быть реализованы и в других отраслях промышленности с учетом их конкретных особенностей.
75
8.2. Утилизация веществ из жидких отходов
Основными жидкими отходами производства целлюлозы по сульфитному
и сульфатному методам являются отработанные щелоки, содержащие в значительных количествах ценные вещества, представляющие интерес для предприятий России. Углеводы отработанных сульфитных щелоков широко используют для получения этилового спирта и кормовых дрожжей. Технологический
процесс производства спирта (рис. 8.1) состоит из трех основных стадий: подготовки сульфитного щелока к брожению; сбраживания щелока на спирт; перегонки полученной бражки с целью извлечения спирта и укрепления его с одновременной очисткой от примесей.
Рис. 8.1. Блок-схема производства этанола
из сульфитных щелоков
76
Подготовка сульфитного щелока к брожению, в свою очередь, состоит из ряда самостоятельных операций. Для процесса брожения необходимы азот- и фосфорсодержащие соединения, вводимые в щелок в виде сульфата аммония (20 кг
на 100 м3 щелока) и суперфосфата (20—25 кг на 100 м3 щелока). Щелок сбраживается на спирт под действием дрожжей по общему конечному уравнению
C6 H12O6 → 2C2 H 5OH + 2CO2 .
Бражка представляет собой водный раствор этилового спирта очень низкой
концентрации (0,5—1,3 %), поэтому ее подвергают перегонке на пятиколонном
брагоректификационном аппарате (бражная, эпюрационная, эфирная, ректификационная и метанольная колонна). В бражке содержатся другие летучие компоненты: метанол, эфиры, альдегиды, органические кислоты, сивушные масла,
которые отгоняются вместе с этиловым спиртом. При этом получается спиртсырец. Разгонка на четырех- или пятиколонном аппарате дает четыре продукта:
технический этиловый спирт, эфирно-альдегидную фракцию, метанольную
фракцию и сивушные масла. При перегонке нелетучие растворенные вещества
(соли лигносульфоновых кислот, несбраживаемые сахара, недоброд, т. е. неиспользованные при спиртовом брожении гексозные сахара, дрожжи, сульфиты
и др.) остаются в отходящем водном растворе — сульфитно-спиртовой барде.
Ее направляют на дальнейшую переработку. Метанольную фракцию можно использовать в качестве дополнительного углеродсодержащего сырья при выращивании кормовых дрожжей. При аэрировании барды и гидролизата сахара и
органические кислоты утилизируются дрожжами, накапливается 60—70 %
дрожжевой массы от количества редуцируемых веществ.
Полученные дрожжи содержат до 50 % усвояемого белка, значительное
количество различных витаминов и большой комплекс аминокислот, включающий все десять жизненно необходимых кислот. Эффективность применения
кормовых дрожжей очень высока в отношении продуктивности животноводства и экономии кормов. Таким образом, биотехнология сберегает и пищевые ресурсы. Белковые дрожжи можно использовать в виде пищевого продукта; например, на целлюлозном заводе в Швейцарии из кормовых дрожжей удаляют
горькие вещества и делают бульонные кубики. Современная технологическая
схема выращивания дрожжей состоит из подготовки барды, выращивания засевных (чистой культуры) и товарных дрожжей, отделения, промывки, концентрирования и сушки дрожжей. Выход дрожжевой массы составляет 3,5—4 кг на
1 м3 барды, или 40 кг на 1 т целлюлозы. В результате переработки щелока на
спирт, при которой утилизируются сбраживаемые сахара, БПК щелока снижается не менее чем на 37 %, а при утилизации углеводов для производства спирта и дрожжей — вдвое по сравнению с исходным щелоком. Сухие вещества
щелока используются при этом примерно на 26 %.
Отходом при производстве дрожжей является последрожжевая бражка, содержащая в основном лигносульфонаты. Последрожжевую бражку утилизируют в виде концентратов путем упаривания на современных выпарных батареях
из четырех-шести корпусов обычно до 50—55 %-го содержания сухих веществ.
77
Утилизация сухих веществ щелока при выпаривании последрожжевой бражки
составляет более 50 %. Полученные концентраты используют:
– в литейном производстве в качестве связующего материала при изготовлении стержневых и формовочных смесей при чугунном, стальном и цветном
литье, добавок к противопригарным краскам;
– в химической промышленности в производстве пестицидов, протравителей семян, химических средств защиты растений;
– в строительной индустрии лигносульфонаты в качестве:
™ пластификатора бетона и цемента;
™ разжижителя цементно-сырьевого шлама при производстве цемента
мокрым способом для снижения влажности шлама;
™ пластифицирующего и склеивающего материала в производстве гипсокартонных листов, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит;
™ корректирующей добавки в производстве керамзитового гравия;
™ связующего повышенной водостойкости для обеспыливания и укрепления грунтов в автодорожном строительстве и транспортных выработок в шахте;
– в нефтедобывающей промышленности лигносульфонаты применяют:
™ при бурении нефтяных и газовых скважин в качестве реагента для
регулирования основных параметров буровых растворов;
™ в качестве компонента гелеобразующих систем для регулирования
фильтрационных потоков и ограничения водопритока в процессах,
повышающих нефтеотдачу;
™ при гранулировании технического углерода и пористых наполнителей из порошкообразных, сыпучих материалов, шихт;
™ при агломерации руд черных металлов и брикетировании мелких
фракций углей и спецкокса, при изготовлении брикетов силикоалюминия.
Добавка лигносульфонатов к песчаной почве увеличивает в ней эквивалент
влажности, являясь тем самым средством борьбы с засухой. Добавки лигносульфонатов замедляют потери фосфорных удобрений при вымывании их из
песчаных почв. Внесение лигносульфонатов в почву может способствовать
увеличению урожая бобовых культур на 50 %, капусты на 19 %. При внесении в
почву лигносульфонатов как активных ионообменных материалов из нее удаляются элементы, препятствующие нормальному росту растений. Разработан
технологический процесс производства удобрений на основе лигносульфонатов. Лигносульфонаты обрабатываются аммиачно-воздушной смесью при
383—393 К и давлении Р = 2 МПа. В этих условиях происходит окислительная
деструкция лигносульфонатов и в них внедряется до 20—22 % азота.
В случае нейтрализации избыточного аммиака азотной кислотой образуется продукт, содержащий 28—30 % азота, а при нейтрализации фосфорной кислотой получаются сложные органоминеральные удобрения, содержащие до
34—36 % азота и фосфора. В состав полученных органических удобрений вхо78
дят, %: азот — 21, сера органическая — 6,3, кальций — 6,7, магний — 0,8, калий — 1,0, фосфор — 1,1, углерод органический — 30,2, а также микроэлементы (железо, цинк, марганец, молибден, бор, кадмий, медь, никель, алюминий,
кремний, натрий, олово, свинец, висмут, хром, ванадий, цирконий, тантал, теллур и др.). Органический комплекс имеет следующий состав, %: углерод —
30,21, водород — 5,37, азот — 20,8, сера — 6,3, кислород — 26,1. Органические
удобрения на основе лигносульфонатов содержат азот в медленно действующей форме, слабо вымываемый осадками, не создают повышенного осмотического давления и поэтому могут применяться и на засоленных почвах. При химической переработке лигносульфонатов получают ванилин, фенолы и их производные, хлорпроизводные, угли и органические кислоты. Комплексная переработка сульфитных щелоков на спирт, дрожжи и концентраты позволяет довести утилизацию щелоков до 95—97 % и обеспечить высокие выходы продуктов, при этом с 1 т целлюлозы средней жесткости можно получить примерно
80 л очищенного спирта, 40 кг кормовых дрожжей и более 100 кг концентратов.
Если мощность выпарных станций оказывается недостаточной, уменьшить
загрязнение сточных вод и сократить нагрузку на станцию биологической очистки можно путем сжигания барды, т. е. утилизации ее в виде топлива. В состав
черного щелока сульфатцеллюлозного производства входит сульфатное мыло,
содержащее натриевые соли смоляных и жирных кислот.
На предприятиях России применяются непрерывно действующие схемы
переработки сульфатного мыла для получения масла-сырца. Масло-сырец, содержащее до 50 % и более смоляных кислот, откачивается на склад легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), а затем в цех ректификации. Талловая канифоль с успехом заменяет живичную и экстракционную. Ее применяют в бумажном производстве, при изготовлении связующих лаков, типографских красок. Талловую канифоль можно использовать для получения солей, эфиров,
аминов, амидов, нитридов и др. Область применения жирных кислот — производство таких промежуточных химических продуктов, как пластификаторы.
Используются жирные кислоты и при изготовлении алкидных смол для защиты
покрытий. Талловые алкиды мало желтеют и прочно соединяются с основой.
Жирные кислоты применяют для производства мыл, дезинфицирующих
средств, сиккативов, красок и при обогащении руд путем пенной флотации. Если жирные кислоты подвергнуты гидрогенизации в присутствии катализатора,
получается продукт, используемый в качестве технологической смазки при
прокате стали.
При разложении сульфатного мыла серной кислотой периодическим способом выделяющийся лигнин обычно сбрасывают в канализацию. Однако этот
лигнин содержит не менее 10 % масла-сырца и поэтому его следует перерабатывать в отдельном потоке, например, растворять в белом щелоке. Полученный
раствор лигнина и вторичного сульфатного мыла необходимо сливать в отстойные баки черного щелока. Из сульфатного мыла можно получить фитостерин,
который является прекрасным эмульгатором. При отсутствии соответствующих
установок для переработки сульфатное мыло-сырец сжигают, добавляя в него
79
7—10 % черного щелока. Удельный выход мыла колеблется в широких пределах и достигает (при упорядоченном режиме отстаивания черных щелоков перед их выпариванием) 110 кг и более на 1 т целлюлозы. Значительно загрязняются водоемы лигнинсодержащими жидкостями. Наиболее эффективно осаждение лигнина сернокислотным и углекислотным методами.
Разработан способ получения лигнина как товарного продукта из черных
щелоков осаждением углекислотой под давлением. В этом случае лигнин получают в виде натриевой соли. Углекислотный лигнин вступает в реакцию с формальдегидом, и образуются термореактивные смолы. Они представляют интерес из-за высоких эксплуатационных свойств, доступности сырья и технологической простоты изготовления. В частности, эти смолы вполне пригодны для
склеивания фанеры. Они не требуют сушки намазанного смолой шпона в сушилке (достаточно выдержки на воздухе). Лигнинные смолы характеризуются
высокой адгезией и когезионной прочностью. Получена лигнинформальдегидная смола, в рецептуре которой весь фенол заменен лигнином. При введении ее
в древесную массу повышаются эксплуатационные свойства и межслоевая
прочность картона.
8.3. Утилизация веществ из газообразных отходов
Парогазовые выбросы варочного цеха сульфатцеллюлозных заводов (так
называемые терпентинные и конечные сдувки) являются сырьем для получения
скипидара и одоранта сульфана. Технология утилизации скипидара сводится к
конденсации сдувок в поверхностных конденсаторах, разделению получаемого
при этом сдувочного конденсата на верхний слой, сырой скипидар и нижний —
подскипидарную воду, очистке сырого скипидара. Сырой скипидар представляет собой окрашенную жидкость (от желтого до светло-коричневого цвета) с
резким неприятным запахом метилсернистых соединений: СН3SН — метилмеркаптана, (СН3)2S — диметилсульфида, (СН3)2S2 — диметилдисульфида. Перерабатывают скипидар-сырец на непрерывной вакуумной установке (рис. 8.2).
Очищенный скипидар из верхней части промывной колонны перетекает в
сушильную башню, заполненную поваренной солью, затем в бак и на склад
ЛВЖ или на производство пинена. Процесс получения пинена заключается в
ректификации очищенного скипидара. При этом из отборной части ректификационной колонны отбирается фракция пинена, из отборной чаши внизу колонны
выводится фракция карена. Кубовой остаток из кипятильника колонны сливается
через холодильник в вакуум-приемник и в бак для дальнейшей переработки.
Очищенный сульфатный скипидар широко применяют как растворитель в лакокрасочной промышленности; он служит сырьем для получения синтетических
камфары и смол, инсектицидов, флотационных и смачивающих реагентов, высыхающих масел, пластификаторов и др. По содержанию основных пиненовых
фракций — α-пинена (70—80 %) и ∆3-карена — сульфатный скипидар приближается к живичному и превосходит обычные сорта экстракционного скипидара.
80
Рис. 8.2. Схема утилизации скипидара:
IА, IIА, III — ректификационные колонны; 1 — бак скипидара сырца;
2 — сборник легких масел; 3—5, 15, 16, 18 — вакуум-приемники;
6 — сборник кубового остатка; 7 — бак гипохлорита; 8, 9 — смесители;
10 — флорентина; 11 — сепаратор; 12 — абсорбер; 13 — осушительная башня;
14 — холодильник; 17 — сборник карена; 19 — сборник пинена; 20 — расходный бак
очищенного скипидара; ЛВЖ — легковоспламеняющиеся жидкости
Кубовой остаток периодической перегонки сульфатного скипидара (желтое масло) используют как флотореагент. Из головной фракции получают
сульфан — раствор метилмеркаптана (ММ) в диметилсульфиде (ДМС), содержащий не менее 0,5 % ММ и 80 % ДМС. Сульфан можно использовать в качестве одоранта (для придания запаха) природного газа, употребляемого как топливо в быту и промышленности. Для одоризации газа добавляют 10—20 г
сульфана на 1000 м3 газа. Головную фракцию перегонки скипидара можно также применять в качестве сырья для получения диметилсульфида (ДМС) — основного компонента при синтезе диметилсульфоксида (ДМСО). ДМСО — хороший растворитель полимерных веществ (лигнина, гемицеллюлоз, нитроцеллюлозы и акрилнитрильных пластиков). Кроме того, его используют в органическом синтезе как реакционную среду и селективный растворитель. ДМСО
почти не токсичен и не имеет неприятного запаха. Способ получения ДМСО
основан на следующей реакции:
CH3 − S − CH3 + H 2O2 → CH3SOCH3 + H 2O
Технология производства ДМСО предусматривает четыре стадии: очистку
сырья и выделение ДМС; окисление ДМС; удаление воды и примесей из ДМСО
81
дистилляцией; розлив товарного ДМСО. В процессе варки сульфитной целлюлозы из основной части скипидара (α-пинена) образуется 5—7 кг цимола с 1 т
целлюлозы. Он находится в сдувках и, попадая в кислоту, образует стойкую
эмульсию. Поэтому основным принципом улавливания цимола является освобождение пароцимольной фракции от избытка жидкости в сепараторе. С 1 т
целлюлозы отбирают 2—3 кг цимола, который идет в качестве добавки к моторному топливу (для повышения октанового числа бензина), в лакокрасочную
промышленность, в производство толуола, ментола и лавсана (терилена).
Накапливание цимола в кислоте способствует возникновению вредной
смолистости и активности процессов самоокисления, которые могут привести к
сбросу в канализацию большого количества кислоты. При утилизации веществ
из газообразных отходов ЦБП перспективно применение адсорбционного метода. Такой метод разработан для утилизации диоксида серы из дымовых газов
ТЭС, сероводорода из вентиляционных выбросов вискозного производства.
Продуктами утилизации, в зависимости от условий проведения процесса адсорбции, являются важные для производства сырьевые и вспомогательные вещества: диоксид серы, серная кислота, сера.
8.4. Утилизация твердых отходов
Применительно к ЦБП важной проблемой является комплексная переработка древесины.
Использование коры. Кора состоит из двух слоев — внутреннего (луба) и
наружного (пробкового, называемого коркой). В коре содержится целлюлоза,
пентозаны и лигнин, растворимые в горячей воде, зола, пектиновые, дубильные
и красящие вещества. Кора отличается высоким содержанием полиуроновых
кислот, входящих в состав пектиновых веществ. Содержание коры 8—22 % от
общего объема ствола. Кору и отходы древесниц, образующихся при подготовке технологической щепы на больших предприятиях, рекомендуется сжигать, а
на относительно небольших — компостировать и применять в качестве удобрений. При использовании коры как топлива необходимо точно определять количество получаемой отжатой коры и древесных отходов, площадь колосниковой
решетки, тип и количество котлов для сжигания, а также количество пара и
экономию топлива с учетом влажности подлежащей сжиганию отжатой коры,
длительности сезона окорки балансов и расхода чистоокоренных балансов. В
случае неправильно выбранных условий сжигания получаемой коры и древесных отходов они полностью не сжигаются.
Кору можно перерабатывать и на удобрения. Для этого ее предварительно
измельчают до частиц размером 5—10 мм, затем смешивают с минеральными
азотсодержащими добавками, формируют компостные бурты и хранят компост
в буртах, периодически вороша его. Основными добавками являются аммиачная вода и суперфосфат. Опытами установлено, что при внесении в почву
50 т/га компоста, приготовленного из тонкоизмельченной коры, урожайность
картофеля увеличивается на 80 %. Гумус (перегной), содержащий кору, можно
также использовать для удобрения лесов. Ионообменные и фильтрующие свой82
ства коры позволяют применять ее в виде фильтрующего материала, например,
на фильтрах для осветления канализационных вод, сточных вод, содержащих
дезинфицирующие средства, стоков из варочных и отбельных цехов целлюлозных заводов, а также для очистки радиоактивных, фунгицидных и загрязненных маслом сточных вод. Кора как углеродсодержащий материал — хорошее
сырье для изготовления дешевых сорбентов. Обрабатывая кору ели серной кислотой при соотношении 1:4 при температуре 473 К в течение 40—60 мин, получают обесцвечивающий уголь-коллактивит для высокой степени очистки
сточных вод целлюлозно-бумажного производства от органических и минеральных примесей.
Древесную кору очень выгодно использовать для получения дубильных
веществ. Из нее получают строительные материалы и изделия с применением
вяжущих и клеевых веществ. К этим материалам относится королит (конструктивно-теплоизоляционная плита на основе коры и минеральных вяжущих веществ). Для изготовления изоляционных плит из коры в качестве связующего
применяют барду. Исследованиями установлено, что для получения волокнистого полуфабриката из луба ели, сосны и других пород древесины рекомендуется обработка луба слабой серной кислотой. Получаемый полуфабрикат превосходит белую древесную массу, изготовляемую из древесины, в отношении
размалываемости. Сульфитной варкой коры и отходов получен полуфабрикат,
сопоставимый даже с сульфитной целлюлозой. Для варки использовали раствор
сернистого ангидрида концентрацией 3—4 %.
Отходы сортирования щепы в виде опилок и крупной щепы выгодно смешивать с корой, так как это понижает среднюю влажность и придает отходам
консистенцию более удобную для транспортировки, хранения в бункерах и
сжигания. Из опилок, измельченных в молотковых дробилках, высушенных в
кипящем слое, формуют лигноуглеводные плиты, которые после горячего прессования и последующего охлаждения приобретают вид товарных древесных
пластиков. Технологическую щепу из отходов лесопиления (горбыли, рейки)
широко используют на целлюлозных заводах. За рубежом практикуют применение опилок в качестве сырья для производства целлюлозы. Для выработки
целлюлозы можно использовать отработанную щепу из пневого осмола — отход канифольно-экстракционного производства. Древесные опилки пригодны
для изготовления строительных материалов и изделий: опилкобетона, пористой
керамики, гипсоопилочных блоков, пьезотермопластиков, древесноопилочных
плит, ксилолита, вибролита и др.; в гидролизной промышленности из опилок
получают спирт, дрожжи и фурфурол.
Использование сучков, непровара, отходов тонкого сортирования и
мелкого волокна. При выработке небеленой сульфатной целлюлозы на современных заводах применяется так называемый горячий размол, который исключает такие отходы, как сучки и непровар. В большинстве случаев сучки и непровар, отделившиеся на сучколовителях, размалывают на мельницах, рафинерах или гидрофайнерах, а полученная масса идет на выработку оберточной бумаги на бумагоделательных машинах. Отходы тонкого сортирования как небе83
леной, так и беленой целлюлозы используют для производства оберточной бумаги вместе с сучковой массой и мелким волокном, скапливающимся на смолоотделителях (при выработке высокосортной сульфитной целлюлозы) или на
фильтрах для отделения мелкого волокна (при выработке сульфатной целлюлозы для корда).
Обработка и утилизация осадков сточных вод. В результате очистки
сточных вод на предприятиях ЦБП накапливается большое количество различных видов осадков, обезвоживание и использование которых является сложной
проблемой. В последние годы найдены технически приемлемые решения для
промышленного применения осадков. К таким решениям относится, прежде
всего, использование модифицированного шлам-лигнина и активного ила в
композиции тарного картона и мешочной бумаги. При включении в композицию до 15 % осадков прочностные показатели образцов не снижаются, изменения фильтруемости незначительны, отпадает необходимость вводить проклеивающие реагенты. Основные показатели тарного картона при этом не ухудшаются. Преимущество такого решения в возможности утилизации осадков, исключающей дорогостоящую стадию его обезвоживания и сушки. Сульфатный
лигнин, выделенный из черных щелоков, обладает высокой проклеивающей
способностью и его можно очень эффективно применять вместо канифоли для
проклейки оберточной бумаги и картона. В качестве проклеивающего вещества
можно также взять талловый лигнин, образующийся при переработке сульфатного мыла на талловое масло, и шлам-лигнин после химической очистки сточных вод. Использование технических лигнинов в качестве клеев целесообразно
и в экологическом и в экономическом отношении, так как стоимость их в 10—
15 раз ниже стоимости канифоли. Активный ил сточных вод применяется в
гидролизной промышленности в качестве корма для животных и рыб, для
удобрения картофеля, кукурузы, сахарной свеклы.
Утилизация скопа. Скоп из первичных отстойников обычно вывозят с
очистных сооружений и сбрасывают в отвал. В принципе вполне реальна возможность вернуть в производство огромное количество теряемого волокна, повысить рентабельность предприятий отрасли и внести одновременно большой
вклад в дело охраны природы. Отдельные предприятия России применяют такие осадки в производстве несортовой оберточной бумаги, рубероида, древесноволокнистых плит. Технология обезвоживания скопа совместно с активным
илом позволяет вносить эти смеси в качестве удобрений в сельском хозяйстве.
Существует технология обработки осадков первичных отстойников. Осадок является смесью скопа и избыточного активного ила. На первой стадии осадок
уплотняется в отстойнике, затем обезвоживается на фильтре, далее на специальном прессе и сжигается в реакторе, т. е. утилизируется в качестве топлива.
При разработке способа утилизации скопа целесообразно учитывать возможность регенерации из него каолина.
Утилизация шлам-лигнина. Объем образующегося при химической очистке сточных вод шлама составляет 10—20 % от объема очищаемых стоков.
Шлам химической очистки содержит в основном лигнин (60—70 %), а также
84
волокно, активный ил и другие примеси. Для обезвоживания осадков служит
установка, состоящая из флотатора, фильтр-прессов и аэрофонтанной сушилки.
Высушенный осадок (шлам-лигнин) можно применять в композиции дорожных
покрытий, как наполнитель при изготовлении резины, для получения смол с
высокими клеящими свойствами и жизнеспособностью, а также в качестве сырья для изготовления сорбентов типа активированных углей и сульфокатионитов, реагентов для бурения нефтяных скважин. Существует способ и режим поликонденсации клея для фанеры на основе шлама сточных вод. Установлены
оптимальные условия склеивания фанеры шламфенолформальдегидными смолами и получена в заводских условиях партия фанеры, удовлетворяющая требованиям ГОСТа. Используя таким образом шлам сточных вод, можно не только эффективно утилизировать накапливающиеся на предприятиях отходы, но и
снизить стоимость очистки сточных вод на 20 %. Шлам-лигнин можно использовать для регулирования свойств буровых и цементных растворов как основу
для производства сорбентов-катализаторов. Он является ценным сырьем для
получения керамзита.
Утилизация других твердых отходов производства. Тепловые электростанции страны, работающие на твердом топливе, ежегодно выбрасывают в отвалы до 60 млн т золы и шлака. Зола имеет высокую степень дисперсности, поэтому при ее применении часто отпадает такой энергоемкий процесс, как помол. Минералогический состав золы характеризуется большим содержанием
кремнезема и меньшим — кальция; зола торфа содержит в основном соединения алюминия, железа и кальция. Допускается возможность использования
кислых зол каменных углей, которые содержат не менее 60 % SiO2 в качестве
гидравлической добавки. На многих цементных заводах золу берут как добавку
при помоле клинкера. При решении вопроса о пригодности зол для производства строительных материалов необходимо учесть их химический состав. Например, повышенное содержание в золах SiO2 не позволяет рекомендовать их для
получения армированных изделий из-за усиленной коррозии арматуры. Из-за
гидравлической активности кислые золы вводят в состав вяжущих и применяют
в качестве активной минеральной добавки к цементу. Свежеуловленные основные золы не годятся для этой цели из-за неравномерности изменения объема,
вызываемого повышенным содержанием свободной окиси кальция. Благодаря
повышенной активности сухих тонкодисперсных зол их эффективно используют как компонент шихты при изготовлении изделий из плотного и ячеистого
бетонов автоклавного твердения, а также в качестве мелкого заполнителя при
изготовлении изделий из керамзитобетона и силикатного кирпича. Содержание
в золах частиц несгоревшего топлива, высокая дисперсность и плавкость делают их хорошим сырьем для производства искусственных заполнителей — аглопоритового гравия, щебня и песка, а также для использования в качестве отощающей и топливной добавки при изготовлении глиняного кирпича. В качестве
гидравлической добавки к цементу можно применять кислые золы, дисперсность которых равна или выше дисперсности конечного продукта (т. е. с остатком не более 15 %). Содержание SО2 в них должно быть не ниже 40 %, несгоревших частиц топлива не должно превышать 5 %, серы (в пересчете на SO2)
85
3 %, щелочных оксидов 2 %. Оптимальная добавка зол в производстве цементов составляет 10—15 %, причем в некоторых случаях соответствующую часть
шлака в шлакопортландцементе можно заменять таким количеством зол без
ущерба для прочности этих вяжущих. Пылевидную золу, улавливаемую в осадительных камерах, циклонах и первых полях электрофильтров, можно использовать в качестве вяжущего для производства строительных изделий низких
марок. Зола сухого уноса служит добавкой, заменяющей часть цемента для получения легких заполнителей (зольный гравий) и золофосфатных изделий, а
также добавкой в шихту при приготовлении цемента.
8.5. Использование отходов лесохимических и гидролизных производств
При получении скипидара в канифольно-экстракционном производстве
образуются так называемые флорентинные воды, загрязненные в основном терпингидратом, который получается в результате гидратации α- и β-пиненов при
отгонке скипидара от канифоли при температуре 433—438 К. Содержание терпингидрата во флорентинных водах 0,8—0,9 %. Кроме того, в этих водах содержится 0,4—0,5 % скипидара и небольшое количество бензина. Для утилизации содержащихся в воде компонентов, а также для очистки сточных вод флорентинную воду дополнительно перерабатывают по технологической схеме,
приведенной на рис. 8.3.
Рис. 8.3. Схема получения терпинеола из жидких отходов:
1 — колонна; 2 — куб; 3 — монжус; 4 — насосы; 5 — напорный
бак; 6 — конденсатор; 7 — флорнетина; 8 — холодильник;
9 — сборники; 10 — теплообменник
86
Из сборника центробежным насосом флорентинная вода непрерывно подается в ректификационную колонну через теплообменник 10, в котором она нагревается до 353 К сбросной водой из куба. В колонну из напорного бака также
подается серная или фосфорная кислота концентрацией 10—15 %. Кислота готовится в монжусе 3. При этом кислота засасывается в монжус и пережимается
в напорный бак с помощью вакуума. Температура в кубе поддерживается на
уровне 373—378 К за счет тепла глухого пара, подаваемого в змеевик куба. Для
лучшей отгонки терпинеола в куб подается острый пар. Кислота подается в колонну из расчета, чтобы кислотность в кубе составляла 0,3—0,4 %. Расход кислоты на 1 т флорентинной воды составляет 3 кг. Терпинеол отгоняется водяным паром в соотношении 1:20. Пары конденсируются в холодильнике 8 и разделяются во флорентине 7. Вода в качестве флегмы возвращается в колонну, а
терпинеол через конденсатор 6 собирается в сборнике. С нижней части куба
непрерывно отводится сбросная вода, которая содержит не более 0,1 % терпингидрата и не более 0,05 % скипидара. Эту воду используют для подогрева флорентинной воды до температуры 353 К, затем нейтрализуют 25 %-м водным
раствором каустика до щелочности не более 0,02 % и направляют на очистные
сооружения. Расход каустика составляет 3 кг/ч. Выход флотационного масла
составляет примерно 300 кг/сут или 100 т/год.
При переработке кислых сточных вод методом упаривания с поглощением
паров кислот известковым молоком получают уксусно-кальциевый порошок и
растворимую смолу, которую применяют для выработки связующего. Однако
спрос на связующее ограничен и поэтому бо́льшую часть смолы направляют в
отход. Однако если смолу перевести в водорастворимое состояние (омылением), ее можно использовать в качестве воздухововлекающей и пластифицирующей добавки при изготовлении кладочных растворов, легких и тяжелых бетонов. При получении 1 т строительных материалов утилизируется 10—11 м3
загрязненных сточных вод.
Одним из мероприятий по предотвращению загрязнения водостоков и водоемов жидкими отходами гидролизного завода (фурфурольным и спиртовым
лютерами, последрожжевой бражкой) является использование их вместо воды
затворения при изготовлении цементных растворов и бетонных смесей. В качестве вяжущего берется портландцемент, заполнителя — речной песок, а также
гранитный щебень. Содержащаяся в сточных водах последрожжевая бражка
обладает хорошими пластифицирующими свойствами. При использовании
сточных вод гидролизного завода в производстве строительных материалов
экономится до 10 % цемента. При этом прочностные показатели его увеличиваются на 15 %. На канифольно-экстракционных заводах на стадии экстракции
из исходного сырья извлекаются только канифоль и терпены. Полисахариды,
содержащиеся в сырье, не извлекаются и не претерпевают никаких изменений.
Следовательно, проэкстрагированную щепу, которая в настоящее время является отходом, можно использовать в качестве сырья для гидролизной промышленности. Это позволяет более полно утилизировать сырье, поступающее на
канифольно-экстракционные заводы, снизить себестоимость продукции, выра87
батываемой как канифольно-экстракционными, так и гидролизными предприятиями. В качестве сырья для ЦБП можно использовать проэкстрагированный
пневый осмол. Значение фурфурола как побочного продукта деревообрабатывающей, гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности возрастает.
Фурфурол образуется из пентоз растительных веществ при участии разбавленных кислот в условиях достаточно высокой температуры, в частности, в небольших количествах в производстве целлюлозы. Фурфурол (общая формула
С5Н4О2) — в чистом виде бесцветная, а как технический фабрикат — желтая
жидкость с запахом свежего черного хлеба. Его температура кипения 453 К,
удельный вес 1,16 м3/кг. Фурфурол применяется как селективный растворитель
в нефтяной промышленности и при очистке масел (растительных и животных).
Однако наибольшая часть фурфурола употребляется как сырье для получения
фурфуролового спирта, из которого в свою очередь изготовляются смолы и
пластмассы. Производство фурфурола из древесных отходов деревообрабатывающей промышленности происходит по следующей схеме (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Схема получения фурфурола из твердых отходов:
1 — емкость; 2 — бак для предварительной пропитки; 3 — реактор; 4 — преобразователь
вторичного пара; 5 — колонна первой ступени дистилляции; 6 — бак слабого раствора
фурфурола; 7 — колонна для обезвоживания; 8 — колонна для рафинирования фурфурола;
9 — колонна для низкокипящих фракций
Сырье поступает из бункера для предварительной пропитки с помощью
дозирующего устройства через вращающийся шлюзовый питатель в фурфуроловый реактор. Первичный пар высокого давления (1—1,2 МПа) пропускают
противотоком сквозь сырье, которое движется в реакторе медленно вниз; твердый остаток удаляется через дно реактора. Уровень сырья в реакторе регулиру88
ется с помощью уровнемера. Обычно сырье проходит реактор в течение 1—2 ч.
Таким образом, происходит гидролиз гемицеллюлозы, причем одновременно с
гидролизом освобождаются органические кислоты, главным образом уксусная
кислота. Эти кислоты катализируют как гидролиз гемицеллюлозы, так и превращение пентоз в фурфурол. Из-за непрерывности процесса в реакторе концентрируется большое количество этих кислот, поэтому процесс не нуждается в
минеральных кислотах. Температура должна быть довольно высокой, чтобы
обеспечить достаточно большую скорость реакций (в интервале 450—463 К).
Поскольку процесс связан с образованием органических кислот, реактор должен быть кислотоупорным. Прошедший сквозь сырье пар, обогащенный фурфуролом, отводят из реактора под давлением на конденсацию. Конденсатор охлаждается водой при давлении 300 кПа, при этом бо́льшая часть тепловой энергии первичного пара улавливается в виде пара низкого давления, который
употребляется, в частности, для нагревания перегонных колонн процесса.
Конденсат, полученный из фурфуролсодержащего пара, отводится в бункер для разбавленного фурфурола. Фурфурол образует с водой азеотроп с точкой кипения в 370 К, содержащий 65 % воды и 35 % фурфурола (в массовых
процентах). Из-за азеотропа необходимы две перегонки для выделения фурфурола из слабого водного раствора. В первой фазе перегонки получаются азеотропная смесь и чистая вода, во второй фазе — азеотропная смесь и чистый
фурфурол. Охлажденный азеотроп состоит из двух слоев жидкости: в верхнем
слое содержится около 8 % фурфурола, а в нижнем — около 95 %. Азеотроп
направляется в сепаратор, где 95 %-й фурфурол отделяется и нейтрализуется
раствором углекислого натрия (соды), а верхний слой отводится в бункер для
разбавления фурфурола. Нейтрализованный 95 %-й фурфурол очищается во
второй фазе перегонки. Перегонка производится в вакууме. Колонна состоит из
двух частей, заполненных насадкой. В первой части из фурфурола отгоняется
остаточная вода, а во второй выпаривается фурфурол. Фурфуроловый пар конденсируется и отводится в баки на хранение. В процессе получения фурфурола
всегда образуется некоторое количество низкокипящих реагентов — метанола
и ацетона, собирающихся в верхней части колонны первой фазы. Поэтому часть
конденсата этой колонны отводится в отдельную колонну, где эти реагенты отделяются от фурфурола и воды в виде отдельной продукции, а фурфурол возвращается в процесс. Практически на всех гидролизных и биохимических заводах фурфурол, выбрасываемый в атмосферу с парами самоиспарения из сборников гидролизата, утилизируется методом конденсаций. При применении этого метода получается конденсат с концентрацией фурфурола 0,4—0,5 %, поэтому его можно направить для укрепления на фурфурольную колонну. Метод
конденсации целесообразен и для утилизации фурфурола из парогазовой смеси,
отсасываемой из нейтрализаторов. Гидролизный лигнин содержит значительное количество неотмытых сахаров и обладает сорбционными свойствами.
Лигнин вводится в контакт с гидролизатом, при этом гидролизат осветляется, и
попутно извлекаются сахара из лигнина. Далее лигнин перерабатывается в активный уголь, который целиком может быть применен для глубокого облаго89
раживания гидролизата и доочистки биологически очищенных сточных вод.
После использования активный уголь на основе лигнина регенерируется и реализуется как товарный продукт. Методом окислительного аммонолиза гидролизного лигнина получают низкомолекулярные органические кислоты и модифицированные лигнины. Эти лигнины содержат азот в прочно связанной форме
и обладают свойствами эффективных удобрений длительного действия. Органические кислоты можно использовать в качестве субстрата для продуцирования белково-мицеллярной массы. Испытания аммонизированного лигнина в
сельском хозяйстве показали его высокую агрохимическую активность: внесение 0,4 т/га удобрения обеспечивает прибавку урожая (многолетних трав, овощей, картофеля) на 20—25 %. Установлен также эффект последействия удобрения. Экономические расчеты показывают, что из 1 т абс. сухого гидролизного
лигнина можно получить до 100 кг дрожжей и до 350 кг готового удобрения.
Представляет интерес опыт в гидролизной промышленности по обработке и
утилизации активного ила. Положительные результаты по его использованию в
качестве белково-витаминной добавки позволили этой отрасли выпустить технические условия на выработку комбинированного корма — смеси дрожжей и активного ила. На предприятиях гидролизной промышленности России, ведется
совместная обработка ила и дрожжей по схеме: флотация, сепарация, сушка;
предложены также вакуум-выпарные аппараты для сгущения. Таким образом,
можно также достичь самоокупаемости сооружений биологической очистки. До
недавнего времени избыточный активный ил и гидролизный лигнин не находили
эффективных путей утилизации и они скапливались в отвалах. На стоковых
площадках среднего по производительности гидролизного завода собирается до
20—25 тыс. т сухого ила, состоящего из смеси осадков первичных и вторичных
отстойников. Не получая применения, избыточный ил медленно перегнивает в
отвалах, вызывая загрязнение окружающее среды. Между тем содержащиеся в
этом отходе минеральные элементы и органические вещества можно эффективно
использовать в сельском хозяйстве в качестве удобрения, которое положительно
влияет как на урожай пшеницы, так и на качество зерна. При соответствующей
добавке ила можно повысить урожай пшеницы вдвое, а содержание протеина в
зерне на 1,2 %. По своему улучшающему действию на качество зерна пшеницы
гидролизный ил мало отличается от влияния полного минерального удобрения.
Гидролизный ил, как органоминеральное удобрение, дает высокий эффект на посевах картофеля на почвах с различным уровнем плодородия. На бедной по природному плодородию дерново-подзолистой почве от внесения средней дозы ила
(12 т/га) содержание крахмала в клубнях может возрасти до 1,7 %. При добавке
18 т/га ила содержание крахмала в клубнях увеличивается до 2,2 %. Гидролизный ил благоприятно влияет на увеличение урожая кормовых трав, особенно на
такие группы растений, как бобовые и разнотравье. Изучена эффективность
скармливания животным обесфторенного последрожжевого остатка (ПДО). Проведенные бактериологические и биологические исследования показали, что в
этом продукте нет патогенной микрофлоры, а ПДО как продукт является нетоксичным. Анализы показали, что ПДО — ценное кормовое средство, содержащее
90
почти все жизненно необходимые элементы питания. По количеству протеина
ПДО можно приравнять к мясокостной муке, а по содержанию белка и аминокислотному составу он превосходит ячмень. Последрожжевой остаток богат
всеми микроминеральными веществами.
Проблема утилизации твердых отходов в деревообрабатывающей промышленности решается путем их использования в производстве ДСП, ДВП и
другой продукции. Ниже рассматривается утилизация веществ из выбросов в
атмосферу на примере формальдегида. Разработан метод, позволяющий уловить из ПВС формальдегид, переработать его в уротропин и избежать тем самым образования сточных вод. Метод основан на абсорбции паров формальдегида и ПВС 30 %-м водным раствором уротропина в многополочном абсорбере
с последующей нейтрализацией формальдегида до уротропина в сборникереакторе 25 %-м водным раствором аммиака. Раствор выдерживается в течение
1—3 ч в специальной емкости для более полного прохождения реакции нейтрализации формальдегида, после чего вновь направляется на улавливание паров
формальдегида из ПВС. При рециркуляции накапливается поглотительный раствор, в котором концентрация уротропина поддерживается постоянной (30 %)
за счет воды, поступающей с аммиаком. Избыточное количество поглотительного раствора непрерывно выводится из рецикла и используется для получения
уротропина.
Широкое использование в процессах деревообработки лакокрасочных материалов (ЛКМ) приводит к образованию малотоннажных отходов в пастообразном или твердом состоянии, источниками возникновения которых являются
ванны гидрофильтров, поддоны окрасочных камер и др. Основным направлением утилизации является получение новых ЛКМ, которые уступают по физико-химическим и защитным свойствам исходным ЛКМ, однако могут быть
применены для окраски различных видов промышленной продукции с пониженными требованиями к декоративным и антикоррозионным характеристикам
и для промежуточных слоев и покрытий. Лакокрасочные материалы, полученные на основе отходов, могут в ряде случаев смешиваться с исходными ЛКМ и
использоваться по назначению. Технология утилизации отходов в качестве
ЛКМ включает следующие операции: получение однородной смеси путем перемешивания отходов с растворителем в соотношении, определяемом свойствами отхода и применяемого растворителя (обычно 1:1,5; 1:0,3; 1:0,75); грубое
фильтрование и сбор полученной смеси; диспергирование с целью гомогенизационной смеси; доведение смеси до соответствующего значения вязкости; тонкая фильтрационная очистка смеси; расфасовка; возможны дополнительные
операции (например промывка, обезвоживание, охлаждение, удаление остатков
коагулянта и др.).
Контрольные вопросы к главе 8
1. Какие основные принципы используют при классификации отходов?
2. Какие показатели используются для выбора направления утилизации отхода? Какие здесь
имеются проблемы?
3. В чем заключается проблема при реализации способов утилизации лигнина?
4. В чем трудности утилизации коры в качестве топлива?
91
РАЗДЕЛ IV. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Количество и степень загрязнения производственных сточных вод зависит
от вида вырабатываемой продукции, мощности предприятия, совершенства
технологического процесса и выбранной схемы производства, а также от вида и
типа применяемого оборудования.
Выбор метода очистки сточных вод зависит от фазово-дисперсного состояния примесей, загрязняющих воду, и может осуществляться на основе
классификации Л. А. Кульского (табл. 3.1). При выборе метода очистки сточных вод необходимо учитывать возможность максимального извлечения ценных продуктов и обеспечения максимального использования воды до и после
очистки в технологическом процессе и в системе водооборота.
Очистка сточных вод осуществляется механическими, физикохимическими, химическими и биологическими методами.
Глава 9. Методы механической очистки сточных вод
9.1. Общая характеристика и области применения
Методы механической очистки, используемые для отделения от воды
взвешенных примесей, базируются на применении сил, рассматриваемых в механике: гравитационных, центробежных, давления жидкости. К этим методам
относятся отстаивание, фильтрование, разделение в поле центробежных сил и
флотация. Следует отметить, что флотация — метод, применяемой не только
для механической очистки от взвешенных веществ, но и для физикохимической очистки от более мелких примесей. В механической очистке он
реализуется за счет физико-химических свойств поверхности частиц взвеси и
сил гравитации. Эти методы широко используются при очистке сточных вод.
Они могут иметь самостоятельное значение, когда механическая очистка является единственным и достаточным видом обработки, при котором достигается
степень извлечения из сточных вод примесей, необходимая для их повторного
использования в системах оборотного водоснабжения. Назначением механической очистки может быть подготовка сточных вод к обработке биологическими
или физико-химическими методами или, наоборот, доочистка воды от взвеси
после этих методов для получения более высоких параметров очистки перед
возвратом очищенной воды в систему водоиспользования предприятия или
сбросом в водный источник. Эффект очистки механическими методами может
достигать 99 %. Дополнительная интенсификация механической очистки осуществляется предварительной обработкой воды физико-химическими методами, например коагулированием. В ЦБП методы механической очистки широко
применяют в локальных очистных установках для очистки коро- и волокносодержащих и нейтрализованных сточных вод. Выбор метода определяется природой взвеси в сточной воде, ее размерами, плотностью, особенностями жидкой
фазы и т. д.
92
Наибольшим разнообразием взвешенных примесей характеризуются сточные воды картонно-бумажного производства. При выработке различных видов
продукции они содержат: в зависимости от вида целлюлозы волокна целлюлозы разной длины и величины заряда поверхности; наполнители и пигменты,
различающиеся по плотности, среднему размеру частиц, заряду поверхности
и т. д. Каждый вид взвешенных веществ встречается отдельно или в смеси с
другими видами, причем в разном соотношении, которое зависит от зольности
продукции, величины промоя и удерживаемости. Сточные воды картоннобумажных производств подвергают локальной очистке для последующей утилизации волокна и наполнителей и реализации водооборота.
При выборе рациональной схемы механической очистки учитывают вид
производства, в котором образуются эти сточные воды. По этому признаку их
можно разделить на четыре группы: 1) от производства высокозольных бумаг с
концентрацией наполнителя более 500 мг/л; 2) от производства среднезольных
видов продукции с концентрацией наполнителя менее 500 мг/л; 3) от производства беззольных и малозольных видов продукции; 4) от производства картоннобумажной продукции с использованием макулатуры.
Для очистки первой группы сточных вод целесообразна одноступенчатая
схема с применением отстаивания или двухступенчатая — с использованием на
первой ступени отстаивания, а на второй — фильтрования через слой взвешенного осадка. При высокой концентрации наполнителя с высокой дисперсностью
частиц вторая ступень очистки реализуется с интенсификацией за счет применения физико-химической обработки.
Метод механической очистки сточных вод второй группы зависит от степени помола целлюлозы при подготовке массы к отливу на машине. При степени помола до 50 °ШР целесообразно отстаивание, более 50 °ШР — флотация.
Сточные воды третьей группы можно очищать фильтрованием при степени помола целлюлозы до 70 °ШР, а более 70 °ШР — флотацией. При использовании в композиции макулатуры рекомендуется двухступенчатая локальная
очистка сточных вод: на первой ступени — фильтрование во фракционаторах,
на второй — отстаивание, флотация или фильтрование через слой взвешенного
осадка. В системах локальной очистки коросодержащих сточных вод применяют фильтрование и отстаивание, нейтрализованные сточные воды очищают от
взвеси также отстаиванием. В общезаводских очистных сооружениях широко
используют отстаивание и фильтрование. На рис. 9.1 показан вариант схемы
очистки волокносодержащих сточных вод ЦБК, на рис. 9.2 — схема очистки
сточных вод гидролизного предприятия.
93
Рис. 9.1. Схема очистки волокносодержащих сточных вод ЦБК:
1 — решетки-дробилки; 2 — отстойники; 3 — комплекс биологической
очистки; 4 — усреднители; 5 —
аэротенки; 6 — вторичные отстойники; 7 — микрофильтры; 8 —
фильтры с загрузкой; 9 — градирня;
10 — песколовки; 11 — отстойники
Рис. 9.2. Схема очистки сточных вод
гидролизного предприятия:
1 — решетки-дробилки; 2 — песколовки;
3 — отстойники; 4 — комплекс биологической очистки; 5 — аэротенки первой
ступени; 6 — вторичные отстойники;
7 — микрофильтры; 8 — вторичные
отстойники; 9 — фильтры с загрузкой;
10 — контактные резервуары
94
9.2. Отстаивание
При отстаивании происходит гравитационное осаждение взвешенных веществ, имеющих плотность больше или меньше плотности воды. В первом случае они опускаются на дно сооружения, во втором — всплывают к поверхности
жидкости. В очистке сточных вод целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности отстаивание используется в локальных установках и на общезаводских очистных сооружениях. К сооружениям, работающим по принципу отстаивания, относятся песколовки и отстойники.
Песколовки. Производственные сточные воды при поступлении на общезаводские очистные сооружения не должны содержать тяжелых минеральных
примесей, способных создавать отложения в коммуникациях, вызывать поломку механизмов, осложнять обработку осадков из первичных отстойников. Для
выделения из сточных вод тяжелых примесей минерального происхождения
(преимущественно песка) до очистки от более легких органических взвешенных веществ в отстойниках применяют песколовки. Принцип разделения взвеси
в песколовках основан на разнице гидравлических крупностей минеральной и
органической взвеси в силу меньшей плотности последней. В соответствии с
нормативами песколовки должны задерживать частицы песка и аналогичных
примесей диаметром 0,15 мм и более. По направлению движения потока сточной жидкости песколовки подразделяют на горизонтальные с прямолинейным и
круговым движением воды (рис. 9.3, а), на аэрируемые и тангенциальные — с
винтовым (вращательно-поступательным) движением воды (рис. 9.3, б, в).
Исходя из количества очищаемой воды, для гидролизных предприятий и
картонно-бумажных фабрик применяют горизонтальные и тангенциальные
песколовки. Для крупных предприятий целлюлозного профиля — аэрируемые
песколовки. В аэрируемых песколовках жидкость приобретает вращательное
движение наряду с горизонтальным за счет подъемной силы воздуха, подаваемого через аэраторы (перфорированные трубы, установленные вдоль одной из
продольных стен на 0,7 глубины песколовки), а в тангенциальных песколовках
— в результате тангенциального подвода жидкости. Вращательное движение
способствует поддержанию органических более легких примесей во взвешенном состоянии и более эффективному отделению песка за счет дополнительного воздействия на частицы центробежных сил. Наибольшей зольностью характеризуется осадок аэрируемых песколовок. В песколовках скорость движения
жидкости должна быть постоянной, независимо от колебаний притока сточных
вод на очистные сооружения. В противном случае при увеличении скорости
выше допустимых пределов частицы расчетной гидравлической крупности не
будут задерживаться в песколовке (см. рис. 9.3, а), а при чрезмерном ее уменьшении в сооружении будут осаждаться легкие примеси органического происхождения. Поддержание постоянной скорости в песколовках осуществляют
применением на выходе из песколовок водосливов с широким порогом, изменением степени аэрации (в аэрируемых песколовках), использованием системы
автоматизированного контроля уровня воды в подводящих каналах как функции ее количества. Скорость в горизонтальных песколовках должна быть в пределах 0,15—0,3, в аэрируемых не более 0,08—0,12 м/с.
95
Рис. 9.3. Схемы песколовок:
а — горизонтальная с круговым движением воды; б — аэрируемая;
в — тангенциальная; 1 — осадительный желоб; 2 — гидроэлеватор;
3 — подвод сточной воды; 4 — отвод сточной воды; 5 — подвод воды
в гидроэлеватор; 6 — отвод осадка; 7 — подвод воздуха; 8 — подвод
для гидросмыва песка; 9 — бункер для всплывающих примесей; 10 — аэраторы;
11 — подвижный водослив; 12 — телескопическая труба; 13 — винт
Отстойники. Их используют для выделения из сточных вод взвешенных
веществ любого происхождения — минеральных и органических и любой
плотности. В ЦБП наряду с сетчатыми фильтрами они являются самыми распространенными аппаратами локальной очистки сточных вод. В системах общезаводских очистных сооружений отстойники разделяются на первичные (перед дальнейшей физико-химической или биологической очисткой), вторичные,
третичные (после каждой ступени биологической очистки).
Отстойники в зависимости от направления движения жидкости делят на
горизонтальные, радиальные и вертикальные (рис. 9.4). Радиальные отстойники
— разновидность горизонтальных отстойников. Горизонтальные отстойники
(рис. 9.4, а) представляют собой удлиненные, прямоугольные в плане резервуары глубиной 1,5—4,0 м с приямком для сбора осадка, обычно располагаемым в
начале сооружения; осадок сдвигается в приямок при помощи скребкового ме96
ханизма. Такие отстойники иногда встречаются в локальных установках очистки волокносодержащих сточных вод и называются кратцерными (скребковыми)
ловушками, которые технически устарели. В составе общезаводских очистных
сооружений горизонтальные отстойники используют также редко.
Радиальные отстойники (рис. 9.4, б) имеют в плане круглую форму. В отечественной практике известны три основных конструктивных модификации
этих сооружений: с центральным, с периферийным впуском сточной воды и с
вращающимся сборно-распределительным устройством. Первая конструкция
типовая, две последних встречаются редко. Диаметр отстойников типовой конструкции от 18 до 54 м, глубина зоны отстаивания от 3,1 до 5,7 м. В ЦБП их
применяют для очистки коросодержащих сточных вод и в качестве первичных
отстойников. Радиальные отстойники по сравнению с другими типами имеют
самую высокую единичную производительность, их экономичность возрастает
с увеличением диаметра.
Рис. 9.4. Схемы основных типов отстойников:
а — горизонтальный; б — радиальный; в — вертикальный; г — конусная
массоловушка системы Антуан; 1 — распределительное устройство; 2 —
устройство для отведения всплывающих примесей; 3 — сборное устройство;
4 — полочный блок; 5 — скребковый механизм; 6 — приямок для осадка;
7 — колодец осадка; 8 — илоскреб; 9 — осадкоотводящая труба;
10 — наклонный щит
97
В типовых отстойниках распределительное устройство состоит из вертикального цилиндра или конуса и второго концентрично расположенного цилиндра большого диаметра, который обеспечивает поворот потока воды на 180°
в верхней части отстойника и заглубленный впуск в отстойную зону. Сборное
устройство — кольцевой лоток с незатопленным водосливом и полупогружной
перегородкой. Характерная особенность таких отстойников — изменение скорости потока в радиальном направлении от максимальной к минимальной, что
уменьшает стабильность потока. Выпавшие трудноподвижные осадки перемещаются к приямкам для отбора осадков скребками, закрепленными на вращающейся ферме. Ферма, мост, кольцевой токосъемник, периферийный привод, включающий редуктор и приводную тележку, передвигающуюся по рельсу, уложенному на периферийной стенке отстойника, образуют конструкцию,
которая вращается вокруг центральной опоры и называется илоскреб. Отстойники разных диаметров могут иметь незначительные различия в конструкции.
Выпуск осадка из приямков горизонтальных и радиальных отстойников
производят под гидростатическим давлением, которое создают за счет перепада
уровней воды в отстойнике и в колодце осадка, или с помощью насосов, предназначенных для перекачки жидкости с большим содержанием взвешенных
веществ. Осадок выпускают периодически и поочередно из каждого отстойника. Выпуск автоматизируют по заданной программе или заданному уровню
осадка, который замеряется приборами типа СУФ и согласуется с пуском
скребковых механизмов. Всплывающие примеси отводятся специальным устройством. Вертикальные отстойники (рис. 9.4, б) имеют круглую в плане форму
и гораздо бо́льшую глубину, чем радиальные; диаметр до 9 м. В качестве первичных вертикальные отстойники встречаются в ЦБП редко. На бумажных и
картонных производствах для локальной очистки сточных вод используют конусные массоловушки разных типов, в т. ч. системы Антуан, которые по принципу действия являются вертикальными отстойниками (рис. 9.4, г). Вода в них
поступает сверху, наклонным щитом направляется в нижнюю часть отстойной
зоны, выходит из-под щита и поднимается вверх, очищаясь при этом. Сборное
устройство состоит из центральных и периферийного лотков с незатопленными
водосливами. Осадок удаляется под гидростатическим давлением. Тонкослойные отстойники (рис. 9.5) классифицируют по форме сечения элементарных отстойных зон (трубчатые и полочные), по направлению движения воды и осадка
— с прямоточной, противоточной и перекрестной схемами. В трубчатых отстойниках используют блоки в виде пучков труб квадратного, круглого, шестиугольного сечения, в полочных — пакеты плоских или волнистых пластин, образующих элементарные отстойные ярусы в виде вытянутых прямоугольников
с расстоянием между пластинами 25—100 мм. В отечественной практике преимущество отдают полочным отстойникам, поскольку в них лучшие гидродинамические условия реализации процесса отстаивания, они удобны в эксплуатации и менее материалоемки.
98
Рис. 9.5. Принципиальные
схемы аппарата тонкослойного отстаивания:
а — с уменьшением длины; б — с увеличением пропускной способности
Пластины устанавливают под углом α к горизонтали, достаточным для
сползания осадка; его величину определяют экспериментально; наибольшая величина α — 60°. В отстойниках с прямоточной схемой (рис. 9.6, а) направление
движения воды совпадает с направлением движения осадка; с противоточной
схемой (рис. 9.6, б) вода и осадок движутся в противоположных направлениях; в
отстойниках с перекрестной схемой (рис. 9.6, в) вода движется горизонтально, а
осадок сползает по пластине сверху вниз. Наиболее эффективны противоточная
и перекрестная схемы, особенно последняя. Высокий эффект при противоточной
схеме объясняется тем, что частицы выпавшего осадка, движущегося против потока очищаемой воды, попадая в исходную суспензию, сорбируют на себе дополнительные частицы взвеси. Наиболее простую форму имеют полочные блоки
с плоскими пластинами, однако в этом случае при перекрестной схеме движения
потоков частицы осадка под гидродинамическим воздействием потока жидкости
относятся к выходу из отстойника — это явление сноса. Для его преодоления
пластины делают волнистого профиля или увеличивают их длину.
Рис. 9.6. Схемы тонкослойных отстойников:
а — прямоточная; б — противоточная; в — перекрестная;
L, B — длина и ширина полочного блока; hяр — высота полочного блока;
I, II — потоки соответственно очищаемой воды и осадка
99
Создание новых конструкций тонкослойных отстойников и реконструкция
существующих сооружений с использованием полочных блоков — важнейшее
направление интенсификации работы сооружений механической очистки. На
рис. 9.7 представлена конструкция горизонтального полочного отстойника,
разработанного специально для очистки сточных вод ЦБП.
Рис. 9.7. Схема горизонтального полочного отстойника:
1 — распределительное устройство; 2 — полочные блоки;
3 — сборное устройство; 4 — приямки для осадка
9.3. Фильтрование
При очистке сточных вод фильтрованием очищаемую воду пропускают
через пористую фильтровальную перегородку, задерживающую взвешенные
вещества и пропускающую воду. Скорость процесса зависит от разности давлений, создаваемой по сторонам фильтровальной перегородки, и сопротивления,
испытываемого жидкостью при движении через эту перегородку. При очистке
сточных вод используют фильтрование через сетчатые и тканевые перегородки
с отверстиями разной величины, через пористые материалы с намывным слоем,
через зернистые и другие загрузки.
Различают фильтрование с образованием осадка на фильтровальной перегородке (поверхностное фильтрование), когда твердые частицы почти не проникают вовнутрь перегородки, и фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки, когда на поверхности перегородки осадок почти не образуется, и твердые частицы задерживаются внутри ее пор. Действие различных
факторов на процесс поверхностного фильтрования почти всегда может быть
сведено к изменению величины удельного сопротивления осадка под влиянием
этих факторов. Оно зависит от структуры осадка — пористости, размера и
удельной поверхности частиц; степени коагуляции частиц взвеси и наличия
среди них смолистых и коллоидных примесей; электрокинетического потенциала поверхности частиц; от температуры жидкости и от разности давлений,
при которой реализуется процесс очистки. При увеличении разности давлений
уменьшается пористость и сопротивление потоку жидкости у сжимаемых осадков. Изучение влияния различных факторов на удельное сопротивление осадка
дает сведения, позволяющие найти способы уменьшения этого сопротивления и
тем самым увеличить скорость фильтрования.
100
Поверхностное фильтрование реализуется в фильтрах с намывным слоем,
сетчатых и тканевых фильтрах, ситах и т. д. Фильтры с намывным слоем широко применяют в ЦБП для локальной очистки волокносодержащих сточных вод
картонно-бумажных и других производств. В этих фильтрах идет фильтрование
с образованием осадка, состоящего из специально подаваемой в аппарат волокнистой массы (подслоя) и взвешенных частиц очищаемой воды. К ним относятся фильтры типа «Вако», «Кинцле», барабанные и дисковые вакуум-фильтры.
Фильтры «Вако» и «Кинцле» технически устарели, но еще встречаются на
предприятиях. Наиболее современными и технически совершенными являются
дисковые вакуум-фильтры, которые имеют значительно бо́льшую площадь поверхности фильтрования, чем барабанные вакуум-фильтры, и меньшие габариты. Процесс фильтрования идет за счет вакуума, создаваемого в полости диска,
его величина 0,03—0,045 МПа. Отечественная целлюлозно-бумажная промышленность оснащается дисковыми фильтрами зарубежных фирм и отечественными (рис. 9.8). Вал с дисками монтируется в ванне, куда подается осветляемая
вода, смешанная с целлюлозным волокном, предназначенным для создания намывного слоя (подслоя). Общая концентрация волокна в ванне должна поддерживаться 5—8 г/л. Без подслоя фильтр работает малоэффективно. Подслой может быть использован с рециркуляцией, его часть с уловленной взвесью возвращается в фильтр для повторного использования.
Рис. 9.8. Принципиальная схема дискового фильтра:
1 — секторы дисков; 2 — горизонтальный вал; 3 — окна для установки сектора;
4 — продольные перегородки; 5 — зоны; 6 — ванна; 7 — желоб для осадка;
8 — спрыски для смыва осадка
В качестве подслоя применяют свежеразмолотую целлюлозу со степенью
помола не выше 30—40 °ШР; при отсутствии таковой можно применять массу
более низкого качества: распущенный и размолотый брак, отходы сортировок,
сучковую массу. Возможно несколько вариантов включения дискового фильтра
101
в схему водообеспечения бумаго- и картоноделательных машин. Эффективность работы фильтров с намывным слоем зависит от концентрации и характера взвеси в сточной воде, поступающей на очистку; качества волокна, создающего подслой; равномерности подачи и распределения подслоя в ванне фильтра
(вакуум-фильтры) и плотности предварительно нанесенного подслоя (фильтры
«Вако»). Присутствие в сточной воде наполнителя и волокна древесной массы
приводит к быстрому забиванию фильтровальных сеток и снижению производственной мощности фильтра, поэтому фильтры рассмотренных типов применяют для очистки сточных вод от производства чисто целлюлозных и малозольных бумаг при помоле массы не выше 50 °ШР. При этом эффект очистки
составляет 80—90 %. Эффект очистки сточных вод целлюлозного производства
с использованием подслоя из целлюлозы может достигать 96—97 %. Скорость
фильтрования фильтров с намывным слоем в зависимости от требуемой эффективности и вида стоков изменяется в широком диапазоне — от 5 до 55 м/ч.
Меньшие значения относятся к сточным водам бумажных производств, бо́льшие — к водам целлюлозных заводов.
Сетчатые фильтры (рис. 9.9). К фильтрам такого типа относятся барабанные сетки и микрофильтры. В ЦБП барабанные сетки используют в системах локальной очистки коросодержащих сточных вод, их можно применять в
схеме общезаводских очистных сооружений перед фильтрами с зернистой загрузкой, в качестве предохранительного сооружения.
Рис. 9.9. Схема сетчатого фильтра:
1 — входной канал; 2 — входной патрубок; 3 — барабан, покрытый фильтрующими
элементами; 4 — бункер; 5 — рабочая камера; 6 — труба с разбрызгивателями;
7 — водослив; 8 — канал фильтрата
На микрофильтрах можно очищать волокносодержащие сточные воды, но
больший интерес они представляют как оборудование для доочистки биологически очищенных сточных вод после вторичных отстойников. Конструктивно
барабанные сетки и микрофильтры мало отличаются. Барабанные сетки оснащают рабочими сетками с размером ячеек от 0,3 × 0,3 до 0,5 × 0,5 мм, микро102
фильтры — от 0,04 до 0,07 мм. В зарубежной практике в микрофильтрах используют и более мелкие сетки. Микрофильтры вращаются и промываются непрерывно, барабанные сетки — периодически, по мере их засорения. В целом
на эффект очистки и гидравлические характеристики работы (потерю напора в
аппарате) барабанных сетчатых фильтров оказывают влияние состав загрязнений очищаемой воды, размер ячеек рабочей сетки, скорость фильтрования, условия промывки, а для микрофильтров — и скорость перемещения сетки. В зависимости от вида фильтруемой взвеси скорость фильтрования барабанных сеток составляет от 40 до 100, микрофильтров 25—30 м/ч. Требуемый для достаточно полной отмывки сетки расход промывной воды устанавливают в процессе эксплуатации: средний расход для барабанных сеток равен 0,5—1,0 %, для
микрофильтров 2—4 % от количества очищаемой воды.
Сита и фракционаторы. Основная часть очистного оборудования, работающего по принципам седиментации, фильтрования, флотации, отличается
тем, что при локальной очистке сточных вод картонно-бумажного производства
задерживает как крупное волокно, так и мелочь с примесями неволокнистого
характера. При высоком процентном содержании мелочи в осадке его возврат в
производство может вызывать повышение концентрации мелкой взвеси в оборотной воде, увеличение слизеобразования, ухудшение водоотдачи массы на
машине, забивание сукон и сеток и, как следствие, снижение производительности бумагоделательного оборудования и ухудшение качества продукции. В таких условиях необходимо применять двухступенчатую систему очистки сточной воды с использованием на первой ступени очистного оборудования для избирательного улавливания крупного волокна. Для этой цели могут быть использованы струйные фракционаторы и сита.
Во фракционаторе (рис. 9.10) сточная вода под давлением 80—100 кПа,
предварительно закрученная в форсунке, подается на вертикально расположенный сетчатый фильтрующий элемент, который отделяет от воды крупную
фракцию взвеси, содержащую в основном качественное волокно. В воде, прошедшей фильтрование, остается мелкая фракция взвеси, состоящая из тонкодисперсных загрязнений неволокнистого характера. В качестве фильтрующего
элемента используют синтетические сетки, их номер определяют экспериментально в зависимости от состава взвеси в воде.
Рис. 9.10. Принципиальная
схема фракционатора:
1 — форсунка; 2 — сетчатый
фильтрующий элемент
103
Фракционаторы целесообразно использовать для локальной очистки сточных вод картонно-бумажных предприятий, перерабатывающих макулатуру
(рис. 9.11), но возможны варианты их использования при очистке сукномоечной воды, для выделения волокна из осадка первичных отстойников. Для удаления из воды тяжелых крупных включений (песка, ржавчины) перед фракционаторами необходимо устанавливать гидроциклоны, песколовки. На второй
ступени очистки используется отстаивание с обязательным воздухоотделением
или флотацией.
Рис. 9.11. Схема фракционатора
для очистки сточных вод линии
облагораживания макулатуры:
1 — сборник отходов; 2 — фракционатор; 3 — деаэратор; 4 — отстойник;
5 — уплотнитель осадка; 6 — сборник
осветленной воды
Решетки. По принципу действия решетки также можно отнести к фильтровальному оборудованию, работающему с образованием осадка на фильтровальной перегородке. Их включают в состав общезаводской системы очистки
сточных вод первыми в качестве предохранительных сооружений для улавливания крупных плавающих загрязнений, которые способны привести к забиванию коммуникаций, поломкам движущихся частей оборудования и т. д. Решетки изготавливают из стержней прямоугольной формы с прозорами не более
16 мм. Они бывают подвижные, неподвижные; устанавливаемые вертикально
или наклонно. При количестве отбросов, снимаемых с решетки, 0,1 м3/сут и более для очистки решеток предусматривают механические грабли. Снятые отбросы дробят в специальных дробилках и возвращают в поток воды перед решетками или вывозят в контейнерах для совместной обработки с мусором.
Комбинированные решетки-дробилки применяют для задержания и дробления
примесей без извлечения их из потока воды.
Фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки.
Этот вид фильтрования используют в фильтрах с загрузкой, в частности зернистой. Загрузка фильтра — это искусственно созданная пористая структура из
104
различных или одинаковых по своей природе и свойствам поверхности, гранулометрическому составу и плотности фильтрующих материалов.
Фильтрование с зернистой загрузкой. В целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности фильтры с зернистой загрузкой (рис. 9.12) применяют
в схемах общезаводских очистных сооружений для доочистки сточных вод после биологической и физико-химической очистки. По современным представлениям процесс очистки воды от взвеси в зернистой загрузке рассматривается
как результат двух одновременно протекающих процессов: прилипания частиц
взвеси к поверхности зерен фильтрующего материала и ранее прилипшим загрязнениям и их отрыва под действием гидродинамического давления потока
жидкости. Прилипание и отрыв частиц определяют ход суммарного процесса
очистки по толщине слоя загрузки и во времени. В результате происходит продвижение фронта загрязнений вглубь фильтрующего слоя.
Рис. 9.12. Схемы фильтров с зернистой загрузкой:
а — однослойного с плавающей загрузкой; б — многослойного; в — контактного
осветлителя; 1 — распределительный карман; 2 — корпус; 3 — фильтрующая загрузка;
4 — удерживающая решетка; 5 — дренажная система; 6 — распределительная система
промывной воды; I, II, III, IV — соответственно потоки воды: очищаемой, очищенной,
промывной, загрязненной, промывной
Накопление загрязнений в толще фильтра приводит к уменьшению размера пор, увеличению истинной скорости фильтрации, повышению сил гидродинамического давления потока воды на скопление загрязнений, их частичному
отрыву и переносу в последующие по ходу движения воды слои загрузки. По
мере достижения граничного слоя наступает момент ухудшения качества
фильтрата.
Зернистые загрузки по плотности материала бывают тяжелые и легкие.
В практике очистки сточных вод ЦБП и гидролизной промышленности нашли
применение только загрузки из кварцевого песка. В то же время возможно использование таких материалов, как антрацит, дробленный и недробленый керамзит и др., а также легких плавающих загрузок, имеющих плотность зерен
меньше плотности воды и способных неограниченное время находиться в воде
105
в плавающем состоянии, например из пенополистирола. По крупности зерен загрузки делятся на мелкозернистые (диаметр зерен d = 0,2—0,4 мм), среднезернистые (d = 0,4—0,8 мм), крупнозернистые (d = 0,8—1,5 мм) и так называемые
поддерживающие слои (d = 2,0—16 мм). Использование только крупного
фильтрующего материала приводит к увеличению пропускной способности
фильтра и снижению качества фильтрата.
Фильтры однослойные и многослойные. В однослойных фильтрах загрузка состоит из зерен одного материала и уложена в фильтрах с тяжелой загрузкой с уменьшением крупности зерен снизу вверх, в фильтрах с плавающей
загрузкой — сверху вниз (рис. 9.12, а). Загрузка многослойного фильтра
(рис. 9.12, б) состоит из нескольких слоев разных материалов, уложенных с
уменьшением плотности и увеличением размера зерен снизу вверх. В современной практике очистки сточных вод диапазон скоростей фильтрования широк: различают медленные (скорость фильтрования 0,5—5,0 м/ч), скорые (5,0—
25 м/ч) и сверхскорые (более 25 м/ч) фильтры. Наибольшее распространение в
очистке производственных сточных вод имеют скорые и сверхскорые фильтры,
открытые и закрытые. Значительное влияние на режим работы фильтров оказывает промывка (регенерация) фильтров. Если в процессе промывки фильтрующая загрузка отмывается недостаточно, это приводит к постепенному накоплению в ней остаточных загрязнений, что сокращает рабочий период, а в отдельных случаях может вообще вывести фильтры из строя. Сейчас наибольшее распространение имеет периодическая регенерация фильтрующей загрузки, однако
разработан целый ряд конструкций фильтров с непрерывной регенерацией.
Фильтры зернистые с тяжелой загрузкой из кварцевого песка, однослойные. В ЦБП и гидролизной промышленности для доочистки сточных вод
после биологической и физико-химической очистки перед повторным использованием в производстве применяют зернистые фильтры с тяжелой загрузкой
из кварцевого песка, однослойные, в которых фильтрование идет в направлении
уменьшения крупности загрузки (рис. 9.12, в), называемые контактными осветлителями. По эффективности они аналогичны фильтрам с многослойной загрузкой. Контактные осветлители при доочистке биологически очищенных
сточных вод работают без реагентной обработки, но могут использоваться и с
предварительной коагуляцией воды. Расширение использования метода фильтрации через зернистые загрузки в ЦБП и гидролизной промышленности возможно за счет увеличения ассортимента используемых загрузок, в т. ч. плавающих, применения многослойных фильтров, использования сверхскорого
фильтрования с непрерывной регенерацией загрузки, автоматизации процессов
фильтрования и промывки.
9.4. Флотация
Процесс очистки сточных вод от взвешенных веществ флотацией основан
на физико-химических свойствах поверхности частиц взвеси, обусловливающих их способность образовывать флотокомплексы с пузырьками газа, чаще
всего воздуха, и гравитационных сил, под действием которых флотокомплексы,
106
имеющие плотность меньше, чем у сточных вод, всплывающих с поверхности
воды, образуют флотопену. Процесс образования флотокомплекса протекает на
границе раздела трех фаз (частица — воздух — вода) и в значительной степени
определяется адгезионно-поверхностными свойствами пузырьков воздуха и
твердых частиц и степенью смачивания жидкостью поверхности частиц. При
прочих равных условиях лучшей флотируемостью характеризуются частицы
взвеси меньшей плотности, обладающие гидрофобной поверхностью. В соответствии со способами получения в воде пузырьков воздуха (или любого другого газа) различают следующие основные способы флотационной очистки сточных вод от взвеси:
1) флотация пузырьками, образующимися в результате механического диспергирования потока газа в жидкости, с применением механических турбинок-импеллеров, форсунок и т. д.;
2) флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде;
3) электрофлотация, т. е. флотация пузырьками газов, образующихся при
электролизе воды.
При флотации пузырьками, образующимися в результате механического
диспергирования воздуха, процесс образования флотокомплексов складывается
из следующих стадий: сближения частицы с пузырьком воздуха (при всплывании пузырьков); контакта частицы с пузырьком и закрепления пузырька на частице (прилипания). Анализ особенностей протекания каждой из этих стадий
показывает, что достаточная эффективность процесса очистки может быть достигнута, когда взвешенные примеси состоят из гидрофобных частиц низкой и
средней степени дисперсности. Особенности процесса ограничивают область
использования способов, работающих по рассмотренному принципу (например,
очистка сточных вод от гидрофобных взвесей: жиров, масел, нефти и т. д.). В
очистке сточных вод ЦБП от взвешенных примесей способы флотации пузырьками газа, образующимися в результате механического диспергирования потока газа в жидкости, не нашли применения, так как частицы взвеси, содержащиеся в этих водах, в большинстве своем имеют отрицательно заряженную, полярную, гидрофильную поверхность и высокую дисперсность. Для выделения
из сточных вод мелкодисперсных частиц с гидрофильной поверхностью и скоагулированных взвесей применима флотация с выделением воздушных пузырей
из пересыщенного водовоздушного раствора. При этом флотокомплексы образуются двумя путями: пузырек выделяется из пересыщенного раствора непосредственно на поверхности частицы или прилипает к частице при столкновении во время подъема пузырька в жидкости.
Термодинамический анализ процесса возникновения новой (газовой) фазы
при отклонении системы от состояния равновесия показал, что вероятность появления пузырьков непосредственно на частицах примесей выше, чем в среде
гомогенной жидкости. Эта вероятность возрастает с увеличением гидрофобности поверхности частиц и степени пересыщения воды газом, что не исключает
возможности возникновения пузырьков непосредственно в воде и образования
107
флотокомплексов при столкновении пузырьков с частицами. В этом заключается основное принципиальное отличие флотации с выделением воздушных пузырей из пересыщенного водовоздушного раствора от флотации пузырьками,
образующимися в результате механического диспергирования потока газа в
жидкости, делающее этот вид флотации универсальным, применимым для выделения самой разнообразной взвеси.
При предварительной обработке очищаемой воды коагулированием наилучшие условия для флотации хлопьев скоагулированных коллоидов и гидроксидов создаются, когда процессы выделения пузырьков газа из раствора и образования хлопьев совпадают по времени. В зависимости от того, как создается
пересыщение водовоздушного раствора, флотация с выделением воздушных
пузырей из этого раствора реализуется способами напорной или вакуумной
флотации. Оба эти способа применяются в очистке сточных вод ЦБП в России
и за рубежом.
Растворимость газа в жидкости уменьшается при понижении давления по
закону Генри. При вакуумной флотации воздушные пузырьки выделяются из
воды при уменьшении давления ниже атмосферного, т. е. при создании вакуума. При напорной флотации в воде под избыточным давлением растворяется
искусственно введенный воздух, который затем при снижении давления жидкости до атмосферного выделяется из водовоздушного раствора в виде мельчайших пузырьков. В практике очистки сточных вод способ вакуумной флотации
применяется гораздо реже, чем напорной, в силу следующих причин: ограниченного количества воздуха, которое можно выделить из раствора; необходимости создания вакуума в аппаратах, имеющих большой объем, и т. д.
Очистка сточных вод напорной флотацией проводится в несколько стадий:
введение воздуха в сточную воду; растворение газа в сточной воде; снижение
давления жидкости; выделение пузырьков воздуха из воды и образование флотокомплексов; отделение флотокомплексов от воды с образованием пены на
поверхности жидкости; отведение пены с поверхности жидкости. Все эти стадии реализуются в технологических схемах установок напорной флотации.
Наиболее распространенными являются две схемы: с насыщением всего потока
очищаемой, сточной воды воздухом (рис. 9.13, а) и с насыщением части очищенной воды воздухом и смешением ее со сточной водой, поступающей на
очистку, т. е. с рециркуляцией части очищенной жидкости (рис. 9.13, б).
Первая схема наиболее проста, применение второй схемы целесообразно
при интенсификации флотационной очистки предварительной обработкой воды
коагулянтами. Реагенты вводят в очищаемую воду, и образовавшиеся хлопья,
минуя редукционный клапан, не подвергаются разрушению. На рециркуляцию
подается от 20 до 50 % очищенной воды.
Каждая из стадий процесса, реализуемого в той или иной установке, оказывает влияние на эффективность и экономичность очистки. Количество газа,
выделяющегося из пересыщенного раствора, должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить подъем взвеси к поверхности жидкости. Наиболее благоприятные условия разделения достигаются при соотношении между массами
108
твердой и газовой фазы, равном 0,01—0,1. Объемный расход воздуха при этом
должен составлять 1—5 % от расхода очищаемой сточной воды в зависимости
от концентрации взвеси в воде. Растворимость газов в жидкости зависит от
температуры, давления и продолжительности насыщения.
Температура поступающих на очистку сточных вод практически не поддается регулированию, давление и продолжительность насыщения могут быть
изменены в нужных пределах. Подавать воздух можно разными способами: во
всасывающий или в напорный трубопровод насоса из пневмосистемы предприятия, при помощи эжектора. Растворение воздуха в воде происходит в напорном трубопроводе насоса и в напорном резервуаре. Давление насыщения должно быть 250—450 кПа.
Рис. 9.13. Схемы установок очистки сточных вод напорной флотацией:
а — с насыщением всего потока воды воздухом; б — с рециркуляцией части
очищенной воды; 1 — насос; 2 — напорный резервуар; 3 — редукционный клапан;
4 — флотоотстойник
Напорные резервуары бывают с верхней и с нижней подачей воды, с тангенциальным вводом жидкости в нижнюю часть, со струйной аэрацией, с мешалками в корпусе и т. д. Время пребывания жидкости в напорном резервуаре в
зависимости от способа ввода воздуха в жидкость и конструкции резервуара
1—3 мин. Напорные резервуары снабжены предохранительными клапанами,
манометрами, устройствами для удаления не растворившегося в воде воздуха.
От конструкции редукционного клапана, предназначенного для снижения давления воды до атмосферного, зависят количество газовых пузырей, образующихся из пересыщенного раствора, и их размеры, т. е. величина поверхности
газовой фазы.
Основным аппаратом установки напорной флотации, определяющим эффективность отделения от воды флотокомплексов, является флотоотстойник,
время пребывания воды в котором составляет 15—20 мин. В ЦБП используют109
ся различные конструкции флотоотстойников (флотоловушек). В отечественной практике большое распространение получили флотоустановки Свена —
Педерсена и близкие по конструкции отечественные. Эти установки удовлетворительно работают при осветлении воды от производства продукции с ограниченной зольностью (8—10 %).
При более высокой зольности степень улавливания наполнителей падает
до 60 % и ниже, степень улавливания волокна — до 90 %. Модернизация с изменением конструкции редукционного клапана и напорного резервуара, введением блока параллельных пластин для успокоения потока, централизацией отвода осветленной воды позволяет повысить эффективность очистки сточных
вод до 92—97 % и стабилизировать работу установки (рис. 9.14).
Рис. 9.14. Схема модернизированной флотоустановки:
1 — насос; 2 — ротаметр для воздуха; 3 — эжектор; 4, 7 — фильтры;
5 — напорный резервуар; 6 — воздухоотделитель; 8 — редукционный клапан;
9 — блок успокоительных пластин; 10 — карман для осветленной воды;
11 — стакан для подержания определенного уровня воды во флотоотстойнике;
12 — коллектор для отбора осветленной воды; 13 — флотоотстойник;
14 — скребковый конвейер
Для очистки сточных вод, содержащих взвешенные вещества, значительно
отличающиеся по плотности, например волокно и наполнители или волокно и
песок, целесообразно использовать специальные флотоотстойники типа седифлоторов. В этом случае флотатор имеет две зоны: верхнюю — флотационную и
нижнюю — отстойную. Каждая зона обслуживается устройством для отведения
отделившихся примесей. Во флотоотстойниках, как и в обычных отстойниках,
может быть использован принцип тонкослойного отстаивания, что повышает
производительность установки и эффективность работы.
9.5. Разделение суспензий в поле центробежных сил
Метод разделения суспензий в поле центробежных сил находит широкое
применение в очистке сточных вод, так как позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки. В ЦБП его пока используют только в основном про110
изводстве и в обработке осадков сточных вод, где применяют центрифуги для
обезвоживания волокнистого осадка.
Исследования показывают, что этот метод для очистки сточных вод целого
ряда производств ЦБП весьма перспективен. Очистку сточных вод разделением
в поле центробежных сил производят в напорных и открытых гидроциклонах,
реже в осадительных центрифугах. В гидроциклонах центробежные силы возникают во вращающемся потоке, введенном тангенциально, в центрифугах — в
потоке, завихренном вращающимся ротором. Эти силы могут в сотни и тысячи
раз превосходить силы тяжести, действующие на взвешенные частицы, что резко увеличивает скорость отделения взвеси.
Напорные гидроциклоны применяют для отделения от воды агрегативноустойчивых взвесей, не способных разрушаться под действием сильно турбулизированного потока жидкости, с плотностью, отличающейся от плотности жидкой фазы. Диаметр этих гидроциклонов 25—500 мм, скорость потока воды на
входе до 20 м/с, потери напора (5—20)⋅104 Па. Их сепарирующая способность
повышается с уменьшением диаметра.
Производительность единицы объема открытого гидроциклона значительно меньше, чем напорного, однако открытые гидроциклоны, имея значительно
бо́льшие размеры (диаметр 2—10 м), обладают большой пропускной способностью, особенно многоярусные открытые гидроциклоны (рис. 9.15). В них реализуется принцип тонкослойного разделения в результате введения в рабочий
объем гидроциклона свободно вставляющихся конических диафрагм и образования отдельных ярусов с малой высотой слоя воды.
Осадительные центрифуги непрерывного и периодического действия служат для очистки производственных сточных вод от мелкодисперсных загрязнений с гидравлической крупностью 0,01—0,2 мм/с. Процесс центрифугирования
весьма энергоемок и поэтому его рекомендуется использовать при невысоких
расходах обрабатываемых сточных вод (20—100 м3/ч).
111
Рис. 9.15. Схема многоярусного гидроциклона:
1 — водосборный лоток; 2 — полупогружная доска; 3 — водослив
с тонкой стенкой; 4 — ярусы; 5 — конические диафрагмы; 6 — выпуски
осветленной воды; 7 — осадкоотводящая щель; 8 — аванкамеры
для распределения сточной воды по ярусам; 9 — трубы, отводящие
плавающие примеси из ярусов; 10 — воронки для сбора плавающих
примесей; 11 — щель для впуска сточной воды из аванкамеры в ярусы
Контрольные вопросы к главе 9
1. Какие методы механической очистки рекомендованы для сточных вод от производства
разных видов бумаг и картонов? Чем объяснить такой выбор методов?
2. Как отражаются особенности гидродинамики отстойных сооружений на их эффективности, производительности?
3. Как можно интенсифицировать работу отстойников?
4. Чем объяснить широкое распространение в очистке сточных вод ЦБП сетчатых фильтров?
5. Какие существуют схемы установок напорной флотации (объяснить назначение каждого
элемента)?
112
Глава 10. Физико-химические способы очистки сточных вод
10.1. Классификация и общая характеристика
Химические и физико-химические методы очистки сточных вод многообразны. При их определенном сочетании можно очищать воду любой загрязненности до любой желаемой степени чистоты. Ограничение использования этих
методов очистки вызывается преимущественно экономическими соображениями. Более широкому их применению в практике очистки сточных вод будут
способствовать учет экономии в результате снижения ущерба от загрязнения
окружающей природной среды, повышение требований к очистке и расширение
возврата очищенной воды в производство. Для выбора в каждом конкретном
случае наиболее рациональных методов очистки целесообразно воспользоваться предложенной Л. А. Кульским классификацией примесей воды по фазоводисперсному состоянию, позволяющей установить определенную зависимость
между составом примесей и выбором соответствующих методов для их удаления. Базируясь на теории физико-химических методов очистки сточных вод,
изложенной в учебных изданиях, рассмотрим технологию очистки сточных вод
широко применяемыми на практике методами, к числу которых относятся нейтрализация, окислительные методы, десорбция, коагулирование, адсорбция,
ионный обмен, мембранные методы. Кроме перечисленных, к физикохимическим методам очистки сточных вод следует отнести и ряд других, в частности методы экстракции, ректификации, кристаллизации и др., но использование их в практике очистки сточных вод ЦБП ограничено экономическими
показателями, а также медленным освоением производства соответствующих
материалов и оборудования.
10.2. Смешение и нейтрализация сточных вод
При проектировании очистных сооружений важно установить для каждого
стока, какая очистка предпочтительнее — цеховая или внеплощадочная, а для
предприятия в целом определить оптимальные соотношения между локальной
и внеплощадочной системами очистки. Если сточные воды, образующиеся в
разных цехах, содержат различные по характеру загрязнения, обычно выгоднее
очищать их раздельно, имея в виду, что удаление примесей из воды тем экономичнее, чем выше их концентрация. Однако нередки случаи, когда смешение
различных сточных вод приводит к полному или частичному их обезвреживанию вследствие взаимодействия содержащихся в них компонентов. Оптимальные условия смешения должны выявляться экспериментально, с учетом графиков расхода сточных вод и изменения их концентрации.
При переменной концентрации сточных вод нужно предусматривать установку усреднителя или автоматическое регулирование подачи сточных вод в
камеру смешения. В некоторых случаях при смешении удаляются компоненты
примесей в виде малорастворимых соединений или коллоидного осадка, образующегося при взаимной коагуляции или воздействии электролитов. Смешени113
ем можно также взаимно обезвредить сточные воды, содержащие окислители и
восстановители. Процесс смешения важен для взаимной нейтрализации кислых
и щелочных сточных вод. Существуют различные методы нейтрализации сточных вод: взаимная, реагентная и нейтрализация на специальных фильтрах.
Взаимная нейтрализация. При нейтрализации стоков взаимным смешением нужно учитывать возможность выделения вредных газов и образования
осадков. В случае выделения вредных газов они должны обезвреживаться до
норм, не превышающих ПДК в воздухе рабочей зоны, а при выпадении осадков
в схеме установки после смесителя нужно предусматривать отстойники со временем отстаивания не менее 1,5 ч.
Реагентная нейтрализация. Выбор нейтрализующего реагента производится на основе технико-экономических обоснований с учетом его дефицитности, а также требований к сбросу в водоемы. Следует по возможности применять наиболее дешевые реагенты, не образующие со стоками новых вредных
газов и осадков. Для нейтрализации целесообразно использовать кислые или
щелочные продукты, являющиеся отходами данного производства или других
отраслей (например, смесь оксидов кальция и магния — отход металлургической промышленности), а также дымовые газы.
Для нейтрализации щелочных вод используют различные технические кислоты (чаще всего Н2SO4) и кислые газы, содержащие СО2, SO2, NO2, N2O3 и др.
Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды,
но одновременно эффективно очищать сами газы от вредных компонентов.
Процесс нейтрализации газами может быть осуществлен в реакторах с мешалкой, в распылительных, пленочных или тарельчатых абсорберах, а также в камерах смешения. Для нейтрализации кислых сточных вод чаще всего употребляют молотый известняк, гашеную или негашеную известь, иногда техническую аммиачную воду или газообразный аммиак и лишь в особых случаях —
гидроксид натрия и кальцинированную соду.
Масштабы использования аммиака ограничиваются требованием соблюдения ПДК в воде и атмосфере. Известь обычно применяют в виде суспензии —
известкового молока. Схема установки для получения известкового молока показана на рис. 10.1. В ней предусмотрена дробилка, служащая для измельчения
комовой извести. Молотую известь можно загружать в бункер без предварительной обработки. Отходы гашения извести обычно сбрасывают в систему
гидрозолоудаления.
Принципиальная схема установки для реагентной нейтрализации сточных
вод приведена на рис. 10.2.
114
Рис. 10.1. Схема приготовления известкового молока
при бункерном хранении извести:
1 — приемный бункер; 2 — питатель; 3 — дробилка; 4 — ковшовый
элеватор; 5 — бункер-хранилище извести; 6 — аппарат для гашения извести;
7 — вода; 8 — емкость для приема гашеной извести; 9 — гидравлическая
мешалка; 10 — циркуляционный насос известкового молока;
11 — подача известкового молока на очистные сооружения;
12 — насос-дозатор известкового молока; 13 — в дренаж;
14 — перекачивающий насос; 15 — приемный бункер для отходов;
16 — эжектор; 17 — отходы в гидрозолоудаление
Рис. 10.2. Схема установки
для нейтрализации сточных вод:
1 — смеситель; 2 — сборник известкового молока; 3 — насос;
4 — приемная часть дозатора; 5 —
дозатор; 6 — исполнительный механизм; 7 — приборы системы автоматического регулирования;
8 — погружной датчик
Кислая вода из усреднителя поступает в ершовый смеситель, являющийся
одновременно и камерой реакции. Погружной датчик, установленный на выходе из смесителя, а также приборы системы автоматического регулирования
(электронный рН-метр, потенциометр со встроенным реостатным датчиком и
115
электронный регулятор) обеспечивают автоматическое регулирование рН воды
на выходе из смесителя. Известковое молоко из сборника насосом подается в
приемную часть дозатора.
Нейтрализация путем фильтрации воды. Для нейтрализации кислых
сточных вод можно применять фильтры с загрузкой нейтрализующих материалов, по конструкции в основном аналогичные ионитовым фильтрам. В качестве
нейтрализующих материалов обычно используют дробленные известняк и мрамор (СаСО3), доломит (СаСO3⋅МgСO3), обожженный доломит или магномассу
(СаСO3⋅MgO), магнезит (МgСО3) и обожженный магнезит (MgO). Оптимальная
крупность зерен 1—2 мм. Наиболее активным из этих материалов является
обожженный магнезит. При выборе материала в качестве загрузки фильтра необходимо учитывать характер кислот, содержащихся в сточных водах, чтобы
обеспечить достаточную скорость процесса и не допустить образования гипса
на поверхности гранул.
10.3. Окислительно-восстановительные процессы
Окислительно-восстановительные процессы для очистки сточных вод
можно подразделить на химические, термоокислительные и электрохимические. Кроме того, широко используются биохимические методы окисления —
восстановления, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
Химические методы. Для очистки сточных вод обычно используют следующие окислители: хлор, диоксид хлора, хлорную известь, гипохлориты, кислород, озон, перекись водорода и др. Общим недостатком использования хлора и его соединений для очистки сточных вод, содержащих органические вещества, является возможность образования весьма токсичных хлорорганических
соединений, которые почти не подвергаются биохимическому окислению и
способны концентрироваться по пищевым цепям водных биоценозов. С учетом
этого предпочтительнее использование в качестве окислителей кислорода, озона, перекиси водорода.
Наиболее распространено озонирование воды, которым одновременно достигается обесцвечивание, обеззараживание, устранение привкусов и запахов. С
помощью озонирования можно очищать сточные воды от сероводорода, фенолов, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и др. Озон для
обработки воды получают на месте из атмосферного воздуха воздействием на
него «тихого» (т. е. без образования искр) электрического разряда в озонаторах.
Озонаторы представляют собой аппараты с вмонтированными (по типу теплообменника) трубками из нержавеющей стали, внутри которых и происходит
разряд коронного типа при переменном токе напряжением 8—10 кВ. Схема установки озонирования воды показана на рис. 10.3.
116
Рис. 10.3. Схема установки для озонирования воды:
1 — фильтр для очистки воздуха от пыли; 2 — компрессор; 3 — охладитель;
4 — змеевики охлаждающей воды; 5 — осушительный адсорбер; 6 — генератор
озона (озонатор); 7 — ввод в озонатор охлаждающей воды; 8 — вывод
охлаждающей воды; 9 — контактный резервуар для смешения обрабатываемой
воды с озонированным воздухом; 10 — фильтросные пластины
для распределения озонированного воздуха
При получении и использовании озона необходимо соблюдать ПДК в воздухе производственных помещений. Для осуществления окислительновосстановительных процессов могут также применяться фильтры, загружаемые
редокситами.
К термоокислительным методам обезвреживания сточных вод относятся
парофазное окисление (сжигание в печах), парофазное каталитическое окисление и жидкофазное окисление («мокрое» сжигание). Все они основаны на окислении при повышенной температуре. Поскольку реакции окисления экзотермичны, энергетические затраты при использовании термоокислительных методов зависят от концентрации веществ в сточной воде, поэтому экономически
оправдывается обезвреживание концентрированных сточных вод. Относительно небольшое их количество можно обезвредить в топках и утилизировать тепло подобно тому, как это делают при регенерации черных щелоков сульфатцеллюлозного производства. Схема компоновки топки с котлом-утилизатором показана на рис. 10.4.
117
Рис. 10.4. Сжигание промышленных сточных вод с утилизацией тепла:
1 — топка для сжигания; 2 — пароперегреватель; 3 — паровой котел; 4 — водяной
экономайзер; 5 — дымовая труба; 6 — дымосос; 7 — зольная вагонетка; 8 — мазутная
форсунка; 9 — форсунка сточных вод; 10 — резервуар; 11 — насос
К электрохимическим окислительно-восстановительным методам обезвреживания примесей относится анодное окисление и катодное восстановление. Эти процессы ведутся в электролизерах с электродами из графита или
иных электролитически нерастворимых материалов. На аноде происходит отдача электронов, т. е. протекают реакции электрохимического окисления примесей воды; на катоде — присоединение электронов, т. е. реакции восстановления. Анодное окисление используется для обезвреживания цианидов, сульфидионов, фенолов; катодное восстановление — для очистки сточных вод от ионов
тяжелых металлов, которые осаждаются на катоде и могут быть возвращены в
производство. При очистке сточных вод в электролизерах, кроме основных процессов, могут протекать электрофорез, электрофлотация и электрокоагуляция.
Основной недостаток данного метода — большой расход электроэнергии.
10.4. Десорбция летучих примесей
Сточные воды нередко загрязнены летучими неорганическими и органическими примесями: сероводородом, метилмеркаптаном, диоксидом серы, аммиаком, диоксидом углерода и др. Движущей силой процесса десорбции растворенного газа является разность парциальных давлений газа в воде и над ней.
Десорбция летучих веществ из сточных вод осуществляется при продувке раствора воздухом (аэрации), обработке водяным паром (эвапорации), азотом, топочными или другими газами. Процесс может производиться в тарельчатых,
насадочных и распылительных аппаратах. Степень десорбции летучих веществ
из сточных вод увеличивается с ростом температуры газожидкостной смеси,
коэффициента массоотдачи и поверхности контакта фаз. Десорбированное вещество направляется на улавливание абсорбционными или адсорбционными
методами или на обезвреживание методом каталитического окисления.
118
На рис. 10.5 показана схема очистки конденсатов выпарных цехов сульфатцеллюлозного производства от сероводорода и метилмеркаптана. Десорбировавшиеся в тарельчатом аппарате серодержащие газы поступают в насадочный аппарат, орошаемый щелочным раствором, который затем поступает в систему регенерации щелоков. Эксплуатация таких установок возвращает в производство свыше 90 % находящейся в конденсатах серы.
10.5. Схема очистки сточных вод
от растворенных газов аэрацией:
1 — тарельчатый аппарат; 2 — насадочный аппарат; 3, 4 — насосы для
подачи сточной воды; 5 — дымовая
труба; 6 — вентилятор
10.5. Обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами
Удаление взвешенных веществ из сточных вод на сооружениях механической очистки не достигается без применения химических реагентов. В этих
случаях использование коагулянтов и флокулянтов в технологических схемах
очистки сточных вод позволяет решать следующие задачи: повысить степень
очистки от примесей; увеличить производительность водоочистного оборудования; удалить частично токсичные и биологически трудноокисляемые вещества (шламлигнин и т. п.). Коагуляцией примесей сточных вод называется процесс укрупнения взвешенных и коллоидных частиц дисперсной системы, происходящий в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты, легко
отделяемые от жидкости.
Механизм очистки воды при коагулировании. Коагулирование наиболее эффективно для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размерами 1—100 мкм (10–7 см). Классическая теория коагулирования рассматривает взаимодействие заряженных частиц и применяется в основном к
119
гидрофобным коллоидам, тогда как в практике очистки природных и сточных
вод чаще встречаются более или менее гидрофильные коллоиды. Из-за дополнительного фактора устойчивости в виде гидратных оболочек коллоидные частицы не только становятся менее чувствительными к коагулирующему воздействию электролитов, но и приобретают способность оказывать защитное действие по отношению к гидрофобным коллоидам. Кроме того, скоагулированные
осадки гидрофильных коллоидов содержат значительное количество воды, удалить которую технически сложно. Коллоидные частицы загрязнений, содержащихся в природных и сточных водах, обычно заряжены отрицательно, и в качестве коагулянтов чаще всего используют соли с многозарядными катионами.
Эффективность действия коагулянтов, применяемых в практике очистки
природных и сточных вод, повышается из-за их способности образовывать при
взаимодействии с водой хлопья малорастворимых соединений, обычно гидроксидов или основных солей. Механизм действия таких коагулянтов сводится к
следующему. Образующиеся частицы гидроксидов, еще не вполне защищенные
стабилизаторами (гидрофильными коллоидами), сталкиваются между собой в
броуновском движении и коагулируют, слипаясь участками, не защищенными
стабилизаторами, и образуя агрегаты сетчатой структуры, обладающие огромной активной поверхностью. Одновременно происходят процессы сорбции
мелких коллоидных частиц, содержащихся в воде (например, лигнина) на поверхности частиц гидроксида, а также процессы сорбции гидроксида на поверхности относительно более крупных частиц взвеси (например, волокна),
причем цепочки частиц гидроксида образуют как бы «клеевые мостики», соединяющие между собой частицы взвеси (рис. 10.6).
Рис. 10.6. Схема образования хлопьев
при коагуляции:
1 — крупные частицы (волокно);
2 — частицы гидроксида, образуемого
коагулянтом; 3 — сорбированные частицы
(лигнин); 4 — вода
В результате такого взаимодействия получаются выпадающие в осадок
хлопья, которые представляют собой комплекс гидроксида, различных примесей и самой воды, увлеченной при образовании хлопьев. Хлопья, взаимодействуя друг с другом, образуют своеобразный сетчатый фильтр, захватывающий
при осаждении или флотации взвешенные частицы, содержащиеся в сточных
водах. Скорость формирования хлопьев возрастает при повышении температуры воды и при перемешивании из-за возрастания подвижности частиц и числа
столкновений между ними. Заключительная стадия коагуляции, связанная с потерей агрегативной устойчивости, возможна не только в объеме раствора, но и
на поверхности зернистой загрузки песка или антрацита в фильтрах, что позволяет применять для очистки воды различные по конструкции сооружения.
120
Использование коагулирования в ЦБП. Рассмотрим процесс очистки
сточных вод коагулированием в ЦБП, где этот метод получил наиболее широкое применение.
Волокносодержащие сточные воды. Взвешенные частицы, содержащиеся
в сточных водах этого вида (мелкое волокно, каолин), имеют разнообразную
форму и различные размеры, что само по себе является благоприятным условием для формирования хлопьев. Однако скорость осаждения взвешенных частиц
невелика. Наличие твердых минеральных примесей, например, каолина, повышает скорость осаждения. Электрокинетический потенциал взвешенных частиц
колеблется от –4,1 до –21,4 мВ. В сточных водах бумажного и картонного производств обычно содержится сульфат алюминия в количестве, необходимом
для процессов проклейки бумаги или картона и формирования листа на сетке
бумаго- или картоноделательной машины. Это обстоятельство нужно учитывать при определении оптимальных доз коагулянтов и реагентов, способствующих коагуляции. Коагулирование в среднем в 1,5—2 раза повышает скорость осаждения взвешенных веществ и позволяет значительно интенсифицировать работу очистных сооружений.
Щелокосодержащие сточные воды. Основным компонентом щелокосодержащих сточных вод сульфатцеллюлозного производства, удаляемым при
коагулировании, является щелочной лигнин, который придает воде коричневый
цвет. Лигнин из раствора переводится в осадок в кислой среде, и именно этим,
по-видимому, объясняется наблюдающийся при очистке сточных вод данного
вида сдвиг оптимальной зоны коагуляции в область пониженных значений рН.
Так, при использовании в качестве коагулянта солей алюминия коагуляция
наиболее эффективно протекает не в нейтральной области, соответствующей
минимальной растворимости Аl(ОН)3, а в слабокислой области при рН 4,5—5,5.
Щелочной лигнин можно выделить в осадок и обесцветить сточную воду, добавив любую кислоту и снизив рН до 3—3,5.
Химическая очистка щелокосодержащих сточных вод сульфатцеллюлозного производства методом коагулирования дает хорошие результаты при комбинировании ее с биологической очисткой. При биологической очистке снижается содержание легкоокисляемых соединений, а щелочной лигнин почти не
разрушается. При коагулировании же в первую очередь удаляется щелочной
лигнин, а содержание легкоокисляемых низкомолекулярных соединений существенно не уменьшается.
Как показали исследования, можно организовать замкнутый по реагентам
цикл химической очистки путем реагентно-термической активации шламлигнина и его повторного использования в процессе очистки сточных вод. Разработана технология переработки шлам-лигнина в реакторах с кипящим слоем
медно-хромового катализатора на адсорбенты-коагулянты, возвращаемые в
процесс очистки сточных вод (рис. 10.7). При этом достигается экономия коагулянта и повышается эффект очистки сточных вод в результате совмещенного
использования методов коагулирования и адсорбции.
121
Рис. 10.7. Схема очистки сточных вод адсорбентами-коагулянтами:
1 — каталитический реактор; 2 — горелка на жидком топливе; 3 — насос для суспензий;
4 — узел шламоподготовки; 5 — центрифуга; 6 — отстойник; 7 — смеситель;
8 — скруббер; 9 — циклон; 10 — смеситель; 11 — насосы
Коагулянты и реагенты, способствующие коагуляции. В качестве коагулянтов применяются гидролизующиеся минеральные соли многовалентных катионов. В отечественной практике обычно используют алюминийсодержащие
коагулянты и чаще всего — очищенный или технический сернокислый алюминий, легко растворимый в воде (растворимость А12(SO4)3.18Н2О при 293 К —
362 г/л).
При внесении в воду сернокислого алюминия происходит его гидролиз:
Al 2 (SO4 )3 + 2 H 2O = 2 Al (OH )SO4 + H 2 SO4
2 Al (OH )SO4 + 2 H 2 O = 2 Al (OH )4 SO4 + H 2 SO4
2 Al (OH )4 SO4 + 2 H 2O = 2 Al (OH )4 + H 2 SO4
Al(SO4 )3 + 6H 2O = 2 Al(OH )3 + 3H2 SO4
Вследствие амфотерности гидроксида алюминия его растворимость в зависимости от рН проходит через минимум (рН 6,5—7,5). Путем растворения свежеосажденного гидроксида алюминия в разбавленном растворе соляной кислоты и упаривания полученного раствора можно получить 2-5-оксихлорид алюминия — Аl2(ОН)5Сl. Оксихлорид алюминия имеет следующие преимущества:
содержание алюминия в товарном продукте в три раза выше, чем в очищенном
сернокислом алюминии, что выгодно для перевозок, перегрузок, складирования; при его использовании солесодержание воды после коагулирования возрастает в значительно меньшей степени, чем при применении сернокислого
алюминия; оксихлорид алюминия в шесть раз меньше, чем сернокислый алюминий, снижает щелочность воды, что позволяет вести без подщелачивания
даже очистку воды с низкой щелочностью.
122
В качестве алюминийсодержащих коагулянтов применяют также алюминат натрия NаАlO2, алюмокалиевые квасцы KАl(SO4)2⋅12Н2O, алюмоаммиачные
квасцы NН4Аl(SO4)2⋅12Н2O, различные глины и отходы производства, в частности, активированные осадки и шламы.
Наряду с солями алюминия в отечественной и в зарубежной практике применяют соли железа — преимущественно хлорное железо FеСl3 и железный купорос FеSO4⋅7Н2O. При использовании железного купороса первоначально образуется гидроксид Fе2+, который затем под действием растворенного кислорода переходит в гидроксид Fе3+. В остальном процессы гидролиза солей железа
протекают аналогично гидролизу солей алюминия. Соли железа как коагулянты
имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких
температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды;
большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с
некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых
комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры;
менее развитая поверхность хлопьев.
Определение оптимальной дозы коагулянта. При определении оптимальной дозы коагулянта необходимо учитывать следующее.
1. Соотношение добавленного коагулянта и щелочного резерва воды
должно быть таким, чтобы рН был оптимальным для ведения процесса коагулирования, иначе повысится растворимость образующегося гидроксида. Для
корректировки рН целесообразно применять подкисление или подщелачивание.
2. Доза коагулянта, необходимая для снижения потенциала частиц взвеси,
должна приблизительно соответствовать тому количеству, которое нужно для
образования хлопьев, способных адсорбировать все содержащиеся в воде примеси. Если такого соответствия нет, могут оказаться эффективными добавки
флокулянтов.
Ввиду того, что на процесс коагулирования при очистке сточных вод
влияют многочисленные и трудно поддающиеся количественному учету факторы, для уточнения дозы коагулянта в лабораторных условиях обычно проводят
пробное коагулирование.
Флокуляция. Это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении
в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами.
В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при
непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул
адсорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с
целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.
123
В качестве флокулянтов могут быть использованы разнообразные химические вещества: 1) неионогенные, к которым относятся полимеры, содержащие
неионогенные или малодиссоциирующие группы –ОН; =СО (поливиниловый
спирт, полиакрилнитрил, оксиэтилцеллюлоза, крахмал); 2) анионные полимеры,
содержащие группы анионного типа (лигносульфонаты, полиакрилат натрия);
3) катионные — полимеры, содержащие группы катионного типа (полиэтиленимин и др.).
Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. Природные флокулянты — крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы и др.
.
Активный диоксид кремния (хSiO2 уН2О) является наиболее распространенным
неорганическим флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов
наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид [–СН2–СН–
СОNH2]n, технический полиакриламид (ПАА) и гидролизованный (ГППА).
При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4—1 г/м3. ПАА действует в широком диапазоне рН среды. Однако скорость осаждения сфлокулированных хлопьев при рН > 9 уменьшается.
Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; ретикуляции
(образование сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных
частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких
структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы
заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с
гидроксидом алюминия или железа. При добавлении активированного силиката
увеличивается в 2—3 раза скорость осаждения и повышается эффект осветления. Роль флокулянта сводится, очевидно, к нейтрализации заряда на коллоидной частице коагулянта и к нарушению защитных свойств некоторых коллоидов. В отдельных случаях флокулянты используют без коагулянтов для удаления мелкодисперсных загрязнений природных и сточных вод. Флокулянт можно применять в качестве коагулянта только в том случае, когда в системе взвесь
находится в агрегативно-неустойчивом состоянии в достаточно высокой концентрации. Механизм действия флокулянтов некоторые авторы объясняют тем,
что частицы флокулянта адсорбируются на частицах взвеси и хлопьев коагулянта, превращая их в крупные и прочные агрегаты. Время, необходимое для
осветления воды, резко сокращается.
Полиакриламид (ПАА) — технический продукт, представляющий собой
сополимер амида и солей акриловой кислоты. При растворении ПАА в воде образуется раствор, который обладает свойствами флокулянта и может использоваться как самостоятельно, так и вместе с коагулянтами. Для непосредственной
подачи в воду рекомендуется применять сильно разбавленные растворы кон124
центрацией не более 0,2—0,5 %. ПАА рекомендуется вводить в воду после коагулянта с интервалом времени, необходимым для образования первичных частиц гидроксида, в количестве 0,3—3 % от общего содержания взвешенных веществ в воде. ПАА, так же, как и другие высокомолекулярные флокулянты,
способствует повышению прочности хлопьев и ускоряет их осаждение. Высокомолекулярные катионные флокулянты в ряде случаев дают высокий эффект
очистки, но они пока еще дороги и дефицитны. Для корректировки рН используют известь и другие щелочные реагенты и технические кислоты, чаще серную. При очистке щелочных сточных вод совместное применение кислоты и
коагулянта в ряде случаев позволяет сократить расход последнего.
Наибольшее практическое применение в России имеют активная кремнекислота и полиакриламид. Активная кремнекислота применяется в виде коллоидного раствора (золя) SiO2. Приготовление золя обычно включает стадии первоначального разбавления раствора, нейтрализации его избыточной щелочности, выдержки для вызревания и окончательного разбавления. Полученный таким образом золь можно хранить без его превращения в гель в течение времени, достаточного для использования (около 2—3 недель). Применяют также и
метод непрерывной активации кремнекислоты различными кислотными реагентами. При добавлении активной кремнекислоты к сточной воде с рН 4,5—
5,0 образуются хлопья геля, способствующие осаждению или флотации взвешенных веществ. Коллоидные частицы SiO2 заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидами алюминия или железа. При добавлении активированного силиката скорость осаждения увеличивается в 2—3 раза и повышается эффект осветления.
Электрохимическая коагуляция. Недостаток применения коагулянтов,
выражающийся в повышении содержания растворимых электролитов в очищенной воде, становится особенно существенным при организации на предприятиях замкнутых циклов оборота воды, поскольку необходимость выводить
накапливающиеся в оборотной воде электролиты существенно усложняет и
удорожает схему водоочистной установки. Поэтому уделяется внимание безреагентным электрохимическим методам коагулирования, основанным на пропуске воды между алюминиевыми или железными пластинами, подключенными к полюсам источника постоянного электрического тока. В результате анодного растворения металлов и последующего взаимодействия образующихся катионов со щелочными соединениями очищаемой воды образуются хлопья гидроксидов алюминия или железа, обеспечивающие эффект очистки. Анодное
растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г Аl2(SO4)3, а растворение 1 г железа — введению 2,9 г FеСl3 или 3,6 г Fе2(SO4)3. Теоретический
расход энергии для растворения 1 г алюминия 12 Вт⋅ч, а для растворения 1 г
железа 2,9 Вт⋅ч. Фактический расход энергии больше из-за потерь энергии на
нагревание воды, преодоление сопротивления окисной пленки, образующейся
на поверхности растворяемых пластин металла, и т. д. Очистка воды достигается пропуском ее через электролизеры — резервуары прямоугольного поперечного сечения, где находятся вертикально установленные или вращающиеся
листы алюминия либо железа (рис. 10.8).
125
Рис. 10.8. Электролизер для анодного растворения
алюминия или железа при электрохимическом коагулировании:
1 — поступление воды; 2 — пластины алюминия или железа;
3 — выход воды
Во избежание соприкосновения, приводящего к замыканию тока, смежные
листы металла разделяют прокладками из диэлектрика (резины, текстолита
и др.). Воду подают в электролизеры снизу или сбоку, обеспечивая равномерное распределение ее потока между листами металла, а отводят с помощью
сборных лотков, расположенных в верхней части электролизера. Для экономного расходования электроэнергии рекомендуются следующие условия ведения
процесса: плотность тока не более 10 А/м2, расстояние между пластинами
(электродами) не более 20 мм, скорость движения воды между электродами не
менее 0,5 м/с, периодическая переполюсовка электродов или их вращение.
Электрохимическое коагулирование можно успешно применять для обработки
сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, фосфаты, хроматы. Так, например, при очистке производственных
сточных вод, содержащих 0,3—7,5 г/л нефтепродуктов и 0,5—8 г/л взвешенных
веществ, на электрокоагуляционной установке с системой плоских стальных
электродов эффект очистки составляет 99 %.
Организация процесса очистки сточных вод коагулированием. Для
очистки воды коагулированием необходимы склады хранения реагентов, устройства для приготовления растворов, их дозирования (дозаторы) и смешения с
обрабатываемой водой (смесители), а также устройства, где происходит образование хлопьев и их отделение от водной фазы. Для бесперебойной работы
очистных сооружений необходимо иметь в складах 15—30-суточный запас реагентов, используемых в процессах очистки воды, в первую очередь коагулян126
тов. Коагулянты хранят в сухом состоянии (сухое хранение) или в виде концентрированных растворов (мокрое хранение). Склады для сухого хранения коагулянта обычно размещают на первом этаже здания реагентного хозяйства вблизи
мест приготовления растворов. При мокром хранении концентрированный раствор коагулянта приготовляют в растворных баках, а затем кислотоупорными
насосами, эжекторами или самотеком раствор перекачивают по пластмассовым
трубам в резервуары-хранилища, которые можно расположить вне зданий реагентного хозяйства. Эти хранилища должны защищать растворы от замерзания
с учетом температуры замерзания, зависящей от концентрации растворов сернокислого алюминия. Метод мокрого хранения коагулянтов имеет ряд преимуществ: облегчается обслуживание, повышается культура производства, появляется возможность обойтись без специальных емкостей для приготовления и
хранения растворов — растворных и расходных баков.
Существующие разнообразные дозаторы можно классифицировать по ряду
признаков:
– агрегатному состоянию дозируемого вещества (раствор, суспензия, сухое
вещество, газ);
– способу подачи реагента (самотечные и напорные);
– параметру управления (расход обрабатываемой воды, показатели ее качества);
– системе автоматического управления (гидравлическая, пневматическая,
электронная).
Одним из условий эффективной коагуляции является быстрое и тщательное перемешивание реагентов с обрабатываемой водой, в результате чего ускоряется процесс хлопьеобразования. Реагент с водой может смешиваться в трубопроводе, насосе или специальных смесителях различных типов, вместимость
которых рассчитана на продолжительность пребывания в них воды не более
2 мин. Хлопья в результате обработки воды реагентами образуются в так называемых камерах хлопьеобразования. Вместимость камер в зависимости от типа
рассчитана на пребывание воды в течение 10 мин. По ходу воды камеры
хлопьеобразования располагаются перед отстойниками (см. главу 9) или конструктивно совмещаются с ними. Для осветлителей специальных камер хлопьеобразования не требуется; в этом случае применяют напорное дозирование реагентов во всасывающий (перед насосом) или в напорный трубопровод подачи
сточных вод на осветлитель, а процесс хлопьеобразования происходит непосредственно в осветлителе. Хлопья от водной фазы можно отделить отстаиванием, флотацией, центрифугированием и фильтрованием. Для отделения
хлопьев отстаиванием применяют любые типы отстойников (горизонтальные,
радиальные и вертикальные), однако более перспективными являются осветлители, которые по сравнению с отстойниками обладают более высокими показателями производительности и эффекта очистки.
В настоящее время в разных странах используются многочисленные конструкции осветлителей, среди которых можно выделить две основные группы:
осветлители отстойного типа со взвешенным осадком и осветлители контакт127
ные (песчаные фильтры специальной конструкции). Осветлители со взвешенным осадком можно применять при любых концентрациях примесей в очищаемой воде, но их недостатком является нарушение эффекта очистки при колебаниях температуры очищаемой воды. На рис. 10.9, а представлена схема осветлителя со взвешенным осадком, используемая в ЦБП.
Рис. 10.9. Схемы осветлителей:
а — осветлитель со взвешенным осадком: 1 — воздухоотделитель;
2 — отбор осветленной воды из уплотнителя; 3 — отвод осветленной воды;
4 — взвешенный осадок; 5 — уплотнитель осадка; 6 — выпуск осадка;
б — контактный осветлитель: 1 — гравий; 2 — песок; 3 — отвод осветленной воды;
4 — подача исходной воды; 5 — подача промывной воды
Подлежащая очистке вода после введения коагулянта поступает через распределительные трубы в междонное пространство осветлителя, играющее роль
камеры хлопьеобразования. Далее вода, направляясь вверх, проходит через отверстия ложного дырчатого дна в среднюю зону осветлителя, где формируется
слой взвешенного осадка (хлопьев), способствующий очистке воды от примесей.
Избыточный взвешенный осадок отводится через шламоотводящие трубы в расположенный под осветлением уплотнитель осадка с помощью так называемого
принудительного отсоса, действие которого основано на разности уровней воды,
отбираемой непосредственно из осветлителя и из осадкоуплотнителя. Накапливающийся в уплотнителе осадок периодически или непрерывно удаляется.
Для природных и сточных вод, содержащих относительно небольшое количество взвешенных веществ (до 150—200 мг/л), можно применить метод
контактной коагуляции, основанный на том, что процесс коагулирования проходит в зернистой загрузке фильтра со значительно большей интенсивностью,
чем в свободном объеме воды. Контактный осветлитель (рис. 10.9, б) представляет собой резервуар прямоугольного сечения, заполненный внизу гравием, а
выше — слоями кварцевого песка различной крупности, уменьшающейся снизу
вверх. Вода с добавкой коагулянта поступает по распределительным трубам в
нижнюю часть осветлителя и, пройдя через все слои загрузки снизу вверх, собирается в приемные желоба. Для удаления шлама загрузка периодически
взрыхляется интенсивным потоком воды. Продолжительность рабочего перио128
да фильтроцикла 8—16 ч, эффект очистки 98—100 %. Очищенную воду можно
возвратить в производство для повторного использования. Контактные осветлители с целью удаления накопившегося шлама промывают снизу вверх при
интенсивности 14—16 л/с на 1 м2 площади фильтра (скорость фильтрации 50—
60 м/ч). Продолжительность промывки 6—8 мин, расход промывной воды 8—
10 % от количества осветленной воды. Промывная вода содержит около
2000 мг/л взвеси в виде крупных, легко осаждающихся хлопьев. Шлам от промывки контактных осветлителей осаждается в сооружениях отстойного типа;
осадок из очистных сооружений обезвоживается на центрифугах или фильтрпрессах, а затем утилизируется или вывозится в отвал. Осветленную воду можно возвратить в производство.
Контактные осветлители целесообразно применять в качестве второй ступени глубокой очистки волокносодержащих сточных вод. Преимущество метода
контактной коагуляции заключается в устойчивости процесса очистки по отношению к колебаниям температуры. Недостаток этого метода — возможность использования лишь в области сравнительно невысоких концентраций взвешенных
веществ. При нарушениях работы отстойников и осветлителей со взвешенным
осадком очищенная вода может содержать мелкую взвесь вследствие выноса
хлопьев с осветленной водой. Поэтому при высоких требованиях к степени очистки воды необходима дополнительная фильтрация на фильтрах с песчаной или
антрацитовой загрузкой. Для выбора расчетных параметров и основных эксплуатационных показателей при применении отстойников, осветлителей и фильтров
следует пользоваться расчетными методами, изложенными в главе 9.
10.6. Адсорбция и ионный обмен
Методы очистки воды, связанные с использованием адсорбции и ионного
обмена, наиболее важны при глубокой очистке воды в замкнутых циклах водопользования. Очистка сточных вод этими методами (так же, как и очистка природных вод) представляет собой типичный случай адсорбции из растворов,
протекающей по одному из двух различных механизмов: молекулярному и ионообменному. Среди разнообразных сорбентов наибольший интерес для практического применения представляют активные угли и иониты. Активные угли
являются универсальными адсорбентами по отношению к примесям воды не
только благодаря развитой поверхности, но и вследствие ее гидрофобности.
Молекулярная адсорбция из водных растворов, по существу, всегда представляет собой адсорбцию смесей всех компонентов раствора, включая и растворитель. Следовательно, одним из условий эффективной очистки природных или
сточных вод от растворенных примесей (органических веществ или газов) является слабое взаимодействие адсорбентов с молекулами воды при высокой энергии взаимодействия с молекулами извлекаемых примесей: этому требованию в
наибольшей степени удовлетворяют активные угли и другие гидрофобные адсорбенты с высоким содержанием углерода. Минеральные адсорбенты (силикагели, алюмогели, цеолиты, глинистые минералы) представляют собой гидрофильные материалы, обладающие высокой энергией взаимодействия с молеку129
лами воды, поэтому они менее активны по отношению к растворенным в воде
веществам и применяются для обезвоживания органических растворителей или
для осушки газов. Адсорбция активными углями является одним из наиболее
эффективных методов глубокой очистки воды от органических веществ и растворенных газов. Она также широко применяется в технологии рекуперации
летучих растворителей, в очистке газов и паров.
Метод ионного обмена, связанный с применением ионитов, широко используется в водоподготовке и получает все большее распространение в практике очистки сточных вод. С помощью ионитов можно изменять ионный состав
растворов, заменяя присутствующие в них ионы любыми другими ионами, избирательно извлекать ценные или токсичные компоненты ионного состава, а
также осуществлять полную деминерализацию (обессоливание) воды. Ионообменный метод наряду с адсорбционным можно успешно использовать в схемах
комплексной глубокой очистки сточных вод до требований ПДК и в системах
оборотного водоснабжения, одновременно обеспечивая очистку воды и утилизацию примесей.
Адсорбционный и ионообменный методы очистки воды выгодно отличаются от рассмотренных выше способов тем, что не требуют непрерывного дозирования реагентов, а удаляемые из воды примеси не образуют осадка. Процесс очистки обычно сводится к пропуску воды через фильтрующий слой сорбента, причем в ряде случаев можно применять высокие скорости фильтрования. В связи с этим габарит аппаратов меньше, а эффективность работы выше,
чем у установок, основанных на принципе осаждения. Важным преимуществом
сорбционных методов является также возможность полной автоматизации установок. К числу достоинств активных углей и ионитов относится и возможность их регенерации (восстановления первоначальной поглотительной способности), что позволяет использовать сорбенты многократно. Однако сравнительно высокая стоимость активных углей и ионитов в ряде случаев ограничивает область их использования. Особенностью ионообменного метода, нередко
также ограничивающей его применение для очистки сточных вод, является использование растворов химических реагентов для регенерации ионитов, приводящее к образованию отработанных регенерационных растворов, которые не
всегда можно сбросить в водоем. В связи с этим при разработке способа очистки сточных вод с применением ионитов необходимо одновременно решать вопрос рационального использования отработанных регенерационных растворов
на основном производстве данного предприятия или на специально организованных вспомогательных производствах. Для очистки сточных вод перспективны недорогие сорбенты — активные угли и иониты, полученные на основе
промышленных отходов, а также различные осадки и шламы, образующиеся
при очистке сточных вод. Для дешевых сорбентов и таких отходов, как угольная и коксовая пыль, в некоторых случаях оправдывается даже одноразовое использование без их регенерации.
Активные угли. Сырьем для получения активных углей являются древесина, торф, скорлупа орехов, продукты животного происхождения (кости,
130
кровь) и другие органические вещества. Процесс превращения органического
вещества в активный уголь, включающий карбонизацию и активацию, представляет собой термическую или химическую обработку, которая приводит к
частичной деструкции вещества и увеличению удельной поверхности. Образующиеся поры освобождают от летучих веществ, пропуская через слой угля
при активации или после нее водяной пар или инертные газы. Для получения
активных углей весьма перспективны реакторы с кипящим слоем катализатора
(каталитические генераторы тепла), позволяющие снизить температуру обработки от 800—900 до 500—600 °С. Удельная поверхность активных углей составляет сотни квадратных метров на 1 г адсорбента.
Структура угля существенно влияет на адсорбционную емкость и кинетику
адсорбции. В зависимости от преобладающего размера пор активные угли условно разделяют на три структурных типа: крупнопористые, мелкопористые и
со смешанными порами. Развитие удельной поверхности определяется в основном микропорами, а микропоры и переходные поры играют роль транспортных
каналов.
Для различных целей применяют разные марки активных углей. Наиболее
часто используются осветляющие древесные угли марок А, Б, МД, рекуперационный уголь АР-3, газовые угли АГ-2, СКТ, БАУ и др. Наряду с активными углями, вырабатываемыми промышленностью, при деструктивной адсорбционной очистке природных и сточных вод применяют бурый уголь, кокс, шлак
и т. п., а также угли, полученные на основе промышленных отходов, осадков и
шламов. Гранулометрический состав и механическую прочность активных углей можно улучшить путем гранулирования. Распространенный способ получения гранулятов основан на продавливании через фильтры нагретой смеси порошкообразного угля с термоплавким полимером, например, полиэтиленом
низкого давления. Активные угли для очистки сточных вод должны удовлетворять ряду требований, которые обычно не предъявляют к активным углям для
очистки газов и паров. В частности, должны быть достаточно крупнопористыми, чтобы обеспечить извлечение из сточных вод относительно крупных молекул органических веществ. Большое значение имеют величина удельной адсорбции; динамическая активность, определяющая кинетику процесса; способность легко десорбировать поглощенные вещества в процессе регенерации; механическая прочность.
Адсорбционный процесс очистки сточных вод обычно осуществляют в аппаратах периодического действия (фильтрах). Воду фильтруют через неподвижный слой гранулированного или дробленого активного угля до проскока
извлекаемого соединения в фильтрат. После этого фильтрацию прекращают, из
фильтров выпускают воду, а адсорбент регенерируют обработкой водяным паром, нагретыми инертными газами, органическими растворителями или водными растворами химических реагентов. При наличии в сточных водах взвешенных веществ целесообразно использовать аппараты периодического или непрерывного действия с псевдоожиженным (кипящим) слоем активного угля
(рис. 10.10).
131
Рис. 10.10. Адсорберы непрерывного действия
с кипящим слоем активного угля:
а — одноярусный; б — многоярусный с переточными трубками;
в — с секционированием слоя адсорбента: 1 — опорные решетки;
2 — распределительные решетки; 3 — адсорбент;
4 — желоб для очищенной воды; 5 — питающая воронка сухого
дозирования угля; 6 — эрлифт; 7 — слой гравия
Растворенные вещества из потока адсорбируют фильтрованием через слой
адсорбента. Этот процесс называется динамическим.
Сорбционная установка обычно включает несколько параллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно работающих фильтров. При предельном насыщении головной фильтр отключают на регенерацию,
а обрабатываемую воду подают на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включают в схему очистки уже в качестве последней ступени.
При адсорбции в статических условиях обрабатываемую воду интенсивно перемешивают с адсорбентом в течение определенного времени с последующим
отделением адсорбента от воды отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием.
Иониты. Они представляют собой высокомолекулярные, нерастворимые,
но набухающие в воде преимущественно твердые вещества, способные поглощать из растворов электролитов положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентные количества других ионов, имеющих заряд того же знака.
Продолжительность рабочего цикла ионообменных установок определяется рабочей обменной емкостью ионита, величина которой зависит от свойств данного ионита и условий его эксплуатации. Под рабочей обменной емкостью ионита
понимают количество ионов, выраженное в миллиграмм-эквивалентах на 1 л
или в грамм-эквивалентах на 1 м3 загрузки ионита, которое поглощается иони132
товым фильтром до момента «проскока» этих ионов в фильтрат в концентрации, превышающей допустимую, наперед заданную величину. После использования обменной емкости ионита до заданного предела его регенерируют, т. е.
обрабатывают соответствующим раствором, в результате из ионита удаляются
поглощенные ионы и взамен их вводятся те ионы, которыми ионит был насыщен первоначально. Таким образом, регенерация обычно представляет собой
ионообменный процесс, проводимый в обратном направлении по отношению к
основному рабочему процессу. Способность ионитов к ионному обмену связана
с их особой структурой, представляющей собой нерастворимую в воде трехмерную (пространственную) молекулярную сетку полимера, которая содержит
функциональные (ионогенные) группы, способные к электролитической диссоциации в воде.
Общее число отечественных и зарубежных марок ионитов очень велико,
они различаются по технологии изготовления, типу ионогенных групп, строению полимерной основы и ряду других показателей. Значительную часть синтетических ионитов выпускают в виде гранул правильной сферической формы,
для чего процесс полимеризации проводится в капельках эмульсии мономера.
Сферические частицы ионита меньше подвергаются истиранию, создают меньшее гидравлическое сопротивление в слое фильтрующей загрузки и обеспечивают разделение катионита и анионита в восходящем потоке воды, что важно
при эксплуатации ионитовых фильтров смешанного действия (см. ниже). Кроме
синтетических, применяют также природные иониты (глауконитовый песок,
различные глины и др.) и сульфированные угли (сульфоугли). Особое положение занимают электроноионообменники и редокс-иониты — полимеры, пригодные для осуществления не только ионообменных, но и окислительновосстановительных процессов, связанных с отдачей или присоединением электронов. Важнейшими характеристиками ионитов, определяющими их пригодность для практического использования в тех или иных конкретных условиях,
являются насыпная масса, размер и форма гранул, набухаемость, механическая
прочность, химическая и термическая стойкость, ионообменная емкость и ее
зависимость от рН, скорость процессов ионообменной сорбции и десорбции.
Выбор марок ионитов определяется также их доступностью и стоимостью.
Область применения ионитов чрезвычайно многообразна и охватывает такие отрасли науки и техники, как химия и химическая технология, биология, медицина. Особо следует отметить возрастающее значение ионитов при проведении химических исследований и анализов. В нашей стране и за рубежом имеется
множество ионитовых установок, которые выполняют разнообразные функции:
улавливание ионов металлов, разделение редкоземельных элементов, очистку
лекарственных препаратов и пищевых продуктов, катализ химических реакций,
очистку газовых выбросов и др. Бо́льшая часть вырабатываемых ионитов (примерно 80 %) используется в водоподготовке для умягчения и обессоливания воды. Применение ионитов при очистке воды для производственных целей связано
с высокими требованиями, предъявляемым производством к качеству используемой воды. Например, в ЦБП при выработке ряда видов бумаг (конденсатор133
ной, кабельной, электроизоляционной, фильтровальной и др.), а также высокосортной беленой сульфатной и сульфитной, вискозной целлюлозы предъявляются жесткие требования к содержанию в воде солей, в частности хлоридов, сульфатов, ионов железа, марганца, меди. Если эти требования не соблюдены, бумага
и целлюлоза как превосходные сорбенты поглощают из воды ионы солей и качество продукции резко ухудшается. Ионообменный метод глубокого обессоливания воды с низким первоначальным содержанием солей является самым экономичным и эффективным. Пользуясь им, можно снизить солесодержание и жесткость воды до любой желаемой величины. Ионообменное умягчение или обессоливание особенно широко используют при подготовке воды для питания паровых котлов ТЭЦ. Схемы глубокой очистки воды обычно включают две или три
последовательные ступени обессоливания с применением на последней ступени
фильтров смешанного действия. Использование процессов ионообменного обессоливания в аналитических лабораториях позволяет получать воду, по глубине
удаления солей превосходящую дистиллированную.
Применение ионитов для очистки сточных вод. Хотя такое применение
еще не получило широкого распространения, для некоторых видов сточных вод
оно безусловно целесообразно (в частности, для серосодержащих конденсатов
сульфатцеллюлозного производства, цинкосодержащих сточных вод фибрового
производства и производства искусственного волокна сточных вод предприятий цветной металлургии, гальванических цехов и обогатительных фабрик).
Серосодержащие соединения можно полностью обезвредить и с помощью
окислительно-восстановительных полимеров. Применяют также ионообменный
метод для очистки цинкосодержащих сточных вод в производстве фибры, предусматривающем пропитку специальных сортов бумаги концентрирующим «пергаментирующим» раствором хлористого цинка с последующим вымыванием избытка этого раствора из фибровых изделий в диффузорах. Практически на 1 т
продукции в водоемы сбрасывается от 160 до 300 кг хлористого цинка, являющегося сильнейшим ядом (ПДК цинка для водоемов рыбохозяйственного значения 0,01 мг/л). Исследования показали возможность полного улавливания цинка
из сточных вод с последующим возвратом его в производство в виде раствора
хлористого цинка, пригодного для использования на промежуточных ступенях
диффузоров. Соответствующие расчеты показали, что возврат цинка в производство в значительной мере окупает расходы на очистку сточных вод. Для улавливания цинка наиболее пригодны карбоксильные катиониты в Na-форме, отличающиеся высокой избирательностью по отношению к ионам цинка и в то же
время легко обменивающие их на ионы водорода при пропуске через ионитовые
фильтры соляной кислоты. В связи с возросшей актуальностью возврата очищенных сточных вод в производство был предложен другой вариант ионообменной очистки цинкосодержащих сточных вод фибрового производства, предусматривающий полное их обессоливание при последовательном пропуске через
Н-катионитовые фильтры с сульфокислотными или фосфорно-кислотными катионитами и ОН-анионитовые фильтры. Перевод производства фибры на использование обессоленной воды не только сократит до минимума расход свежей
134
воды и предотвратит загрязнение рек, но одновременно будет способствовать
повышению качества вырабатываемой фибры. С помощью ионитов успешно
очищаются сточные воды, содержащие соединения хрома, никеля, кобальта,
свинца, кадмия, ртути и других тяжелых металлов, а также радиоактивных изотопов, фенолов и других ионов и соединений, вредных для водоемов. В связи с
непрерывным развитием ионного обмена и синтезом новых марок ионитов использование этого метода очистки оборотных и сточных вод расширяется.
Ионитовые установки. Одно из достоинств ионообменного метода состоит в том, что самые разнообразные ионообменные операции могут быть выполнены при помощи типовой, относительно несложной аппаратуры. Основными
аппаратами для работы с ионитами являются напорные ионитовые фильтры.
Иногда используются и безнапорные ионитовые фильтры, представляющие собой открытые железобетонные емкости. Напорные фильтры рассчитаны на подачу и отвод воды под повышенным давлением и представляют собой стальные
цилиндрические резервуары с полусферическими днищами. Фильтры такого
типа наиболее распространены. Корпус напорных ионитовых фильтров различных типоразмеров вместе с необходимой аппаратурой изготовляет отечественная промышленность. Устройство типового напорного катионитового фильтра
показано на рис. 10.11.
Рис. 10.11. Напорный катионовый фильтр:
1 — подвод воды; 2 — штуцер для гидроперегрузки катионита; 3 — цилиндрический
корпус; 4 — манометры на пробоотборных трубках; 5 — подвод регенерационного
раствора; 6 — люки; 7 — воздухоотводная трубка; 8 — трубка для отбора проб
при взрыхлении; 9 — отвод очищенной воды; 10 — воронка для подвода воды;
11 — устройство для распределения регенерационного раствора; 12 — дренажное
устройство; 13 — бетонная подушка
135
Важными частями фильтра являются верхняя и нижняя системы для распределения воды и реагентных растворов. Особое значение имеет правильность
устройства нижней распределительной системы: она должна располагаться в
самых нижних слоях ионита и обеспечивать отсутствие застойных зон. Нарушение этого условия приводит к снижению степени очистки воды. Конструктивно распределительные устройства обычно выполняются в виде системы
труб со щелевыми прорезями, позволяющими проходить воде, но задерживающими гранулы ионита. Для этой цели применяют также и специальные распределительные щелевые колпачки, навинчивающиеся на короткие патрубки. Система «обвязки» фильтра (т. е. трубопроводов и запорной арматуры) должна
обеспечивать не только пропуск воды через слой ионитов в процессе ее очистки, но и взрыхление, регенерацию и отмывку ионита, а также отбор проб для
аналитического контроля.
Все операции переключения рабочих режимов можно автоматизировать, а
для контроля работы фильтра рекомендуется использовать контрольноизмерительные приборы (кондуктометры, солемеры, рН-метры и т. п.). Расход
реагентов на регенерацию сокращается при использовании противоточных
фильтров. В этом случае рабочий процесс и регенерацию проводят при противоположных направлениях фильтрации. Особенностью противоточного фильтра обычно является погружение верхней распределительной системы в слой
ионита. Если в воде имеются взвешенные вещества, применяют фильтры иной
конструкции, позволяющие вести процесс очистки в так называемом псевдоожиженном, или «кипящем», слое ионита, образующемся при пропуске воды
через фильтр снизу вверх с такой скоростью, при которой нарушается «плотная
упаковка» зерен ионита. Ионитовые установки непрерывного действия позволяют уменьшать расход ионитов и их применяют все чаще. В установках ионообменного обессоливания воды для регенерации ионитов применяют растворы
кислот и щелочей. Поэтому ионитовые фильтры для обессоливания должны
быть защищены изнутри химически стойким покрытием или выполнены из химически стойкого материала. Требования, предъявляемые к стойкости конструктивных материалов, распространяются также на трубопроводы и арматуру.
10.7. Мембранные методы
К этим методам очистки природных и сточных вод относятся электродиализ, ультрафильтрация и обратный осмос. Мембранные методы, различные по
механизму отделения примесей от воды, имеют следующие общие достоинства.
1. Как правило, они не требуют химических реагентов, следовательно, отпадает необходимость в сложном реагентном хозяйстве.
2. Процессы очистки обычно протекают без изменения фазового состояния
воды и примесей, поэтому необходимые энергетические затраты значительно
меньше, чем в процессе дистилляции.
3. Технологическое оборудование отличается простотой компактностью.
В крупных промышленных установках используют многосекционные аппараты
с достаточно развитой поверхностью мембран.
136
Электродиализ применяют для очистки природных и сточных вод от растворенных солей. Методы ультрафильтрации обратного осмоса более универсальны и позволяют не только опреснять воду и концентрировать растворы, но
и очищать воду от коллоидов и органических веществ. Развитие теоретических
и экспериментальных разработок мембранных процессов привело к формированию нового научно-технического направления — мембранной технологии.
Электродиализ. Сущность электродиализа заключается в отделении электролитов из воды под действием постоянного электрического тока при использовании электрохимически активных ионитовых мембран. Ионитовые мембраны представляют собой тонкие эластичные пластинки из катионитовых и анионитовых смол. Мембраны подразделяются на гомогенные и гетерогенные.
Прочность гетерогенных мембран выше: при их изготовлении применяют различные наполнители (например, полиэтилен или каучук) и армирующую сетку
из химически стойких тканей. Отечественная промышленность выпускает гетерогенные катионитовые мембраны МК-40, анионитовые МА-40, гомогенные
катионитовые МК-100, анионитовые МА-100 и др. Их характеристики: толщина 0,3—0,7 мм; обменная емкость 2,3—3,0 мг-экв/г; удельное поверхностное
сопротивление 2,5—6 Ом⋅см2 для гомогенных мембран и 30—35 Ом⋅см2 для гетерогенных мембран; выход по току 75—97 %. Катионитовые и анионитовые
мембраны практически пропускают ионы только одного знака — катионы или
анионы. В связи с этим устраняется бесполезный обратный перенос ионов и
резко снижаются затраты электроэнергии при очистке воды или растворов.
Эффективность очистки воды электродиализом и надежность работы очистных
установок существенно зависит от качества ионитовых мембран, которые
должны обладать высокими значениями ионоселективности, электрической
проводимости, химической устойчивости, механической прочности при низкой
осмотической проницаемости. Наибольший выход по току достигается в многокамерных электродиализаторах. Промышленные водоочистные установки состоят из многокамерных ванн, в которых размещаются в чередующемся порядке катионитовые и анионитовые мембраны. Электроды, в особенности аноды,
изготовляют из стойких к окислению материалов — магнезита и графита.
Принцип удаления солей приведен на рис. 10.12. При работе установки поток воды непрерывно проходит через все обессоливающие, рассольные и электродные камеры, объединенные специальными коллекторами. Метод электродиализа широко применяют для обессоливания природных вод, он также перспективен и для очистки сточных вод от растворенных солей. Единственный
существенный недостаток метода — необходимость предварительной очистки
сточных вод от взвешенных и коллоидных частиц.
Степень концентрирования раствора при электродиализе ограничена тем,
что осмотический и электроосмотический перенос воды, как правило, направлен в ту же сторону, что и перенос соли. Например, при обессоливании раствора NaСl критическая концентрация рассола составляет ~ 4,5 н. Плотность тока в
электродиализаторе колеблется от 0,2 до 1,0 А/дм2, причем чем больше плотность тока, тем выше производительность аппарата, но при этом возрастают и
затраты электроэнергии на обессоливание 1 м3 воды.
137
Рис. 10.12. Схема установки электрохимического
обессоливания воды с ионитовыми мембранами:
а — катионитовые мембраны; б — анионитовые мембраны;
в — катод; г — анод; 1, 9 — электродные камеры; 2, 4, 6, 8 —
обессоливающие камеры; 3, 5, 7 — рассольные камеры;
I — подача воды на установку; II — поток рассола;
III — поток обессоленной воды
Электродиализ, в сравнении с другими методами обессоливания, наиболее
экономичен при исходном солесодержании воды 1—10 г/л; при солесодержании выше 10 г/л становится экономичнее выпаривание, а при солесодержании
ниже 1 г/л — ионный обмен. Глубину удаления солей при электродиализе повышают введением в камеры обессоливания смеси гранулированных катионита
и анионита. Электродиализ применяют для очистки сточных вод от соединений
фтора, хрома, радиоактивных изотопов. При очистке сточных вод от соединений фтора по схеме, включающей двухступенчатый электродиализ и ионитовую доочистку, электродиализ снижал концентрацию фтора в воде от 5,5 до
0,5 г/л при расходе энергии 17 кВт⋅ч/м3 и выходе по току 46 %. Извлечение 1 кг
фтора электродиализом примерно в пять раз дешевле, чем при реагентном методе. Применение электродиализа дает возможность получать из солесодержащих сточных вод растворы кислоты и щелочи, которые могут быть использованы для регенерации ионитовых фильтров при совместном применении электродиализа и ионного обмена.
Ультрафильтрация и обратный осмос. При использовании ультрафильтрации и обратного осмоса (гиперфильтрации) вода освобождается от примесей
при прохождении под давлением через полупроницаемую мембрану. Движущая
сила процесса мембранного разделения в обоих случаях определяется как
∆Р = Р – π (для идеальной мембраны), где Р — избыточное давление над исходным раствором; π — осмотическое давление раствора.
Обратный осмос и ультрафильтрация имеют много общего, в частности, в
конструктивном оформлении аппаратов. Но есть и ряд различий: в механизме
разделения (в обратном осмосе играет большую роль физико-химическое взаимодействие вещества и мембраны); в прилагаемом давлении (для обратного ос138
моса Р = 1—10 МПа, а для ультрафильтрации Р = 0,07—0,7 МПа); в молекулярной массе (М) отделяемых примесей (для обратного осмоса М < 500, для
ультрафильтрации М > 500).
При изготовлении мембран для обратного осмоса и ультрафильтрации используют разнообразные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую
фольгу и др. Получены мембраны полиуретановые, поливинилкарбонатные, полиакрилатные, на основе полиэтиленовой пленки с различными прививками. Наибольшее распространение получили ацетатцеллюлозные мембраны. По способу
укладки мембран различают следующие типы аппаратов для обратного осмоса и
ультрафильтрации: с плоскими фильтрующими элементами (типа фильтр-пресс);
с трубчатыми фильтрующими элементами; с рулонными или спиральными
фильтрующими элементами; с мембранами в виде полых волокон. Устройство аппаратов трех последних типов схематически показано на рис. 10.13.
Рис. 10.13. Аппараты для обратного для ультрафильтрации и обратного осмоса:
а — схема трубчатого элемента аппарата обратного осмоса: 1 — мембрана;
2 — пористая труба; б — схема рулонной укладки полупроницаемых мембран:
1 — мембрана; 2 — гибкая пористая пластина; 3 — гофрированный сепаратор;
4 — труба коллектор; в — аппарат с мембранами из полых волокон:
1 — подложка; 2 — шайба с волокном; 3 — корпус; 4 — трубка
Обратный осмос и ультрафильтрацию можно успешно использовать при
очистке сточных вод химических, целлюлозно-бумажных и других производств
для удаления из воды солей и органических примесей. Например, в гальванических производствах с помощью ацетатцеллюлозных мембран при давлении 8—
10 МПа обеспечивалась 93 %-я эффективность очистки сточных вод от хрома, а
его содержание в полученном концентрате повышалось в 50—100 раз. При
очистке сточных вод ЦБП достигнуто снижение цветности на 99 %, ХПК на
64 %, сухого остатка на 43 %.
139
На рис. 10.14 приведены различные варианты технологических схем доочистки сточных вод цеха специальной обработки стальной фольги с целью их
возврата в производство. В этих схемах для доочистки от взвешенных веществ
используется механический фильтр. Растворенные органические вещества удаляются сорбционным методом, а для извлечения солей применены ионообменный, обратноосмотический и электродиализный способы. Стоимость очистки
воды методами ультрафильтрации и обратного осмоса снижается по мере увеличения производственной мощности установки и возрастает при повышении
степени извлечения примесей. Несмотря на высокую стоимость мембран, затраты на очистку воды для крупных установок обычно не превышают стоимости ее очистки другими способами. В некоторых случаях обратный осмос и
ультрафильтрация наиболее эффективны в сочетании с ионным обменом.
Рис. 10.14. Схемы подготовки сточных вод для сброса в канализацию (а)
и доочистки для повторного использования (б, в, г):
1 — усреднитель; 2 — насосы; 3 — смеситель; 4 — осветлитель;
5 — песчаный фильтр; 6 — отстойник промывных вод; 7 — центрифуга;
8 — сборник очищенных по схеме а сточных вод; 9 — механический фильтр;
10 — сорбционный фильтр; 11 — катионитовый и анионитовый фильтры;
12 — обратноосмотический аппарат; 13 — электродиализатор;
14 — сборник очищенных сточных вод
140
Контрольные вопросы к главе 10
1. Какие физико-химические методы используют для очистки сточных вод (указать область
их применения)?
2. Какие способы и реагенты используются для нейтрализации сточных вод?
3. Какие важнейшие окислительно-восстановительные процессы, используемые для очистки
сточных вод (указать их достоинства, недостатки и область применения)?
4. Как выявить оптимальные условия очистки сточных вод коагулированием? Какие трудности и проблемы связаны с очисткой сточных вод коагулированием?
5. Каковы сущность электрохимической коагуляции, ее достоинства и недостатки?
6. Какие устройства используются для очистки сточных вод коагулированием в производственных условиях?
7. Как изготовляются гранулированные и порошкообразные активные угли, применяемые в
процессах очистки воды? Какие виды промышленных отходов можно использовать для получения активных углей?
8. Какие иониты применяют в процессах очистки сточных вод ЦБП?
9. Какие виды ионитовых установок и оборудования используются в водоподготовке и при
очистке сточных вод?
10. Какие существуют мембранные методы очистки воды и каковы перспективы их использования?
Глава 11. Биологические способы очистки
Сущность метода биологической очистки. Биологическая очистка основана на способности микроорганизмов использовать в качестве источника питания загрязнения сточных вод. Этот метод применяют преимущественно для
удаления растворенных органических веществ, но биоокислению могут подвергаться и различные неорганические соединения — аммиак, нитриты, сероводород. Частично в системах биологической очистки биоокисляются коллоидные и
взвешенные вещества, но в основном они удаляются за счет физикохимических процессов (адсорбции на активном иле или биопленке, флокуляции
под действием биополимеров). На биоматериале сорбируются также ионы тяжелых металлов и некоторые токсичные соединения, в частности бензпирен.
Все методы биологической очистки подразделяют на очистку в природных
и искусственных условиях. Первая группа методов в ЦБП практически не используется. Биологическая очистка в искусственных условиях включает методы
очистки с прикрепленной микрофлорой (биофильтры, биодиски) и системы с
активным илом — как аэробные, так и анаэробные (аэротенки, аэрируемые
пруды, анаэробные сбраживатели). Принятая классификация имеет некоторую
условность. Так, биофильтры относят к аэробным системам, хотя обычно в них
имеют место и анаэробные процессы. Для сточных вод целлюлозно-бумажной,
гидролизной и лесохимической промышленности наибольшее распространение
в России и за рубежом получила аэробная биологическая очистка в аэротенках
и аэрируемых прудах. В нашей стране этот метод используется на всех крупных
предприятиях отрасли и является основным для строящихся объектов.
141
11.1. Аэробные системы очистки
В системах аэробной очистки доминирующим процессом биологического
окисления является аэробное дыхание, при котором конечным акцептором
электронов окисляемых органических веществ служит молекулярный кислород.
Микроорганизмы аэробных систем объединены в макроколонии (хлопья активного ила, биопленку), которые образуются в результате биофлокуляции, и состоят преимущественно из аэробных гетеротрофных бактерий. Бактерии, потребляющие растворенные органические вещества, играют основную роль в
процессе биологической очистки. Кроме бактерий, биоценоз очистных сооружений включает простейшие (одноклеточные животные), питающиеся в основном бактериями. В меньшем количестве присутствуют коловратки, черви, личинки насекомых, а также грибы и водоросли. Видовой состав биоценоза определяется составом сточных вод, технологией и режимом биологической очистки. Для роста и поддержания жизнедеятельности микроорганизмы аэробных
систем нуждаются в кислороде. Рост аэробных микроорганизмов (микроаэрофилов) не зависит от концентрации растворенного кислорода сверх некоторой
критической величины, составляющей для бактерий около 0,2—0,5 мг/л. При
концентрации кислорода меньше критической падает скорость потребления
микроорганизмами органических веществ, а следовательно, и скорость биологической очистки. Перенос кислорода из аэрирующего газа (обычно воздуха) к
микроорганизмам хлопьев и биопленки представляет собой трехстадийный
процесс: абсорбция кислорода жидкостью, диффузия (конвективная и молекулярная) в жидкости к поверхности клеточной макроколонии, диффузия внутри
макроколонии к поверхности клетки. При этом в глубине хлопьев и биопленки
концентрация кислорода может оказаться ниже критической. Для уменьшения
внутри макроколоний объема зон с недостатком кислорода создают интенсивный массообмен и повышают концентрацию растворенного в жидкости кислорода. В этих целях применяют различные системы аэрации, являющиеся неотъемлемой частью сооружений аэробной биологической очистки.
Биологические (очистные) пруды. Это искусственно созданные проточные водоемы глубиной до 5 м, ограниченные дамбами. Они применяются как
для биологической очистки, так и для доочистки стоков. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией, низконагружаемые (без рециркуляции активного ила) и высоконагружаемые (с рециркуляцией активного ила). Пруды с
искусственной аэрацией (аэрируемые пруды, или лагуны) относятся к аэробным
очистным системам со взвешенной микрофлорой (активным илом). Они широко
используются во всем мире, так как наиболее просты в эксплуатации и не требуют больших затрат. В отечественной целлюлозно-бумажной и гидролизной
промышленности аэрируемые пруды применяются главным образом для доочистки, стабилизации качественных характеристик сточных вод и снижения в них
концентрации специфических загрязнений (фенолов, сульфатного мыла, скипидара и др.). Пруды с естественной аэрацией малоэффективны и практически не
используются. В низконагружаемых аэрируемых прудах доочистки, располагае142
мых после основных очистных сооружений (аэротенков), процесс биоокисления
загрязнений осуществляется микроорганизмами активного ила, поступающего со
сточной водой. Продолжительность пребывания стоков в прудах доочистки составляет 1—3 сут. Аэрацию производят с помощью механических всасывающих
аэраторов, обеспечивающих снабжение микроорганизмов кислородом и поддержание хлопьев активного ила во взвешенном состоянии.
Доочистка сточных вод может проводиться также в высоконагружаемых
аэрируемых прудах. После этих прудов располагают отстойники, осадок которых (активный ил) возвращают в пруд. За счет рециркуляции концентрация активного ила в высоконагружаемом пруде поддерживается на уровне около
300 г/м3, благодаря чему соблюдаются условия для адаптации микроорганизмов
к остаточным загрязнениям сточных вод. В результате скорость биоокисления
значительно выше, чем в низконагружаемых прудах, а эффективность доочистки по БПК5 достигает 90 %.
В качестве самостоятельных очистных сооружений пруды применяют для
биологической очистки стоков бумажных и картонных фабрик. По современным требованиям для этих целей допускается использовать только высоконагружаемые аэрируемые пруды при благоприятных климатических и грунтовых
условиях, загрязненности сточных вод по БПК5 до 100 г/м3 и расходе стоков до
1000 м3/ч.
Биофильтры. Биофильтры представляют собой очистные сооружения, где
сточная вода фильтруется через толщу загрузочного материала большой удельной поверхности, на которой адсорбируются микроорганизмы. Размножаясь,
они образуют биопленку (рис. 11.1).
Рис. 11.1 (слева). Принципиальная схема биофильтра
Рис. 11.2 (справа). Схема процесса биологической очистки в биофильтре
По виду загрузочного материала биофильтры делят на два типа: с объемной загрузкой (щебень, шлак, гравий) и плоскостной (пластмассовой) загрузкой. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяют на капельные, высокоскоростные и башенные. Разновидностью биофильтров с плоскостной загрузкой являются биодиски, погруженные почти наполовину в сточную воду и
143
вращающиеся на горизонтальном валу. Независимо от типа биофильтры работают по единому принципу. Загрязнения из сточной воды проникают в биопленку, где потребляются микроорганизмами и подвергаются биоокислению, в
результате которого образуются продукты окисления, в частности диоксид углерода. Схема процесса биологической очистки в биофильтре приведена на
рис. 11.2. В зависимости от толщины биопленки и условий аэрации под аэробным слоем может образовываться анаэробный слой. Глубина проникновения
кислорода в биопленку, определяющая толщину аэробного слоя, обычно не
превышает 0,1 мм. Толщина биопленки иногда достигает нескольких миллиметров (заиливание биофильтра), что приводит к нежелательному развитию
анаэробных процессов и снижает эффективность и пропускную способность
биофильтра. Для поддержания микрофлоры в состоянии аэробиоза в большинстве случаев используется естественная аэрация, возникающая за счет разницы
температуры воды и воздуха. Если температура воды выше, чем воздуха, то
воздушная тяга направлена снизу вверх. Если теплее воздух, то он движется через свободное пространство биофильтра сверху вниз. Для интенсификации
процесса применяют принудительную вентиляцию (подача воздуха снизу); такие биофильтры называют аэрофильтрами.
Отечественный опыт использования биофильтров с объемной (гравийной)
загрузкой для очистки стоков целлюлозно-бумажной, гидролизной промышленности и предприятий лесохимии показал малопригодность сооружений этого типа из-за заиливания загрузки, низкой производительности и невысокой
эффективности очистки (менее 80 % по БПК5). В настоящее время такие биофильтры сохранились лишь на старых гидролизных заводах и отдельных картонно-бумажных фабриках. При новом проектировании они не применяются.
Наиболее производительны и менее подвержены заиливанию биофильтры с
пластмассовой загрузкой. Они существенно отличаются от обычных биофильтров. Если каменистая загрузка имеет свободное пространство около 50 % (без
учета толщины биопленки), то в биофильтрах с пластмассовой загрузкой оно
достигает 95—98 % при значительно большей удельной площади поверхности
(до 300 м2/м3). Биофильтры с пластмассовой загрузкой могут работать при высоких нагрузках — до 5 кг БПК5/(м3⋅сут) и больших скоростях потока, обеспечивая удаление БПК5 до 70—90 %. Такие биофильтры уже эксплуатируются на
некоторых предприятиях ЦБП за рубежом и показали свою перспективность.
Их применение в отечественной практике сдерживается отсутствием промышленного выпуска элементов загрузки. Согласно действующим в России строительным нормам и правилам, биофильтры для очистки производственных сточных вод допускается применять как основные окислительные сооружения при
одноступенчатой схеме очистки или как окислительные сооружения первой или
второй ступеней при двухступенчатой схеме полной или неполной биологической очистки. Расчетные параметры биофильтров принимаются по экспериментальным данным.
Аэротенки. Это проточные аэробные биохимические реакторы с возвратом биомассы, в которых микроорганизмы находятся в виде хлопьев активного
144
ила (рис. 11.3). Реактор (аэротенк) представляет собой аэрируемую емкость;
продолжительность пребывания сточной воды составляет 1,5—10 ч (иногда до
20 ч). Для возврата биомассы (рециркуляции активного ила) используются вторичные отстойники (в отдельных случаях флотаторы). Независимо от производительности и конструкции сооружений наличие этих двух технологических
звеньев всегда обязательно, даже если они совмещены в одном аппарате, как,
например, в аэротенках-отстойниках. Иными словами, аэротенки функционируют только в комплексе с вторичными отстойниками, и технологические параметры процесса биологической очистки определяются обоими этими устройствами. Важной основой метода биологической очистки в аэротенках является
способность микроорганизмов выделять биофлокулянты и с их помощью слипаться в крупные частицы (хлопья ила), оседающие в гравитационном поле.
Именно благодаря этому свойству удается простым и недорогим способом отделять микроорганизмы от очищенной воды (дисперсные микробные клетки в
гравитационном поле не оседают). Рециркуляция сгущенного в отстойнике активного ила позволяет поддерживать его концентрацию в аэротенке на уровне
1—6 кг/м3, что значительно интенсифицирует процесс биологической очистки в
сравнении с аэрируемыми прудами.
Рис. 11.3. Принципиальная схема
биологической очистки в аэротенке:
1 — отстойник; 2 — вторичный отстойник
Рис. 11.4. Схема аэротенка
с регенератором активного ила:
1 — аэротенк; 2 — вторичный отстойник;
3 — регенератор
Перед подачей в аэротенк сточные воды ЦБП проходят предварительную
механическую очистку в первичных отстойниках, нейтрализуются до рН 6,5—
7,5 и подпитываются биогенными солями из соотношения БПК5 : азот : фосфор = 100 : 4 : 11. Процесс биологической очистки в аэротенках включает две
стадии: адсорбцию загрязнений на активном иле и их биоокисление. Исходя из
этого, в схему биологической очистки вводят регенератор (рис. 11.4), предназначенный для доокисления сорбированных илом веществ и восстановления его
сорбционной емкости. Такое технологическое решение позволяет сократить
объем очистных сооружений на 10—20 % за счет более высокой концентрации
ила в регенераторе. Роль регенератора не сводится к окислению сорбированных
веществ. Он служит для стабилизации процесса очистки, защиты активного ила
от отравления токсичными веществами при залповых сбросах и регулирования
нагрузки на активный ил.
В зависимости от нагрузки на активный ил аэротенки делят на низко-,
средне- и высоконагружаемые (табл. 11.1). Для оценки способности ила к оса145
ждению используется показатель — иловый индекс, i. Иловый индекс равен
объему в кубических сантиметрах, занимаемому одним граммом активного ила
(по сухой массе) после отстаивания иловой смеси в стандартном цилиндре вместимостью 1 л в течение 30 мин. Величина илового индекса существенно зависит от концентрации ила в пробе, взятой для анализа. Иловую смесь из аэротенков перед определением илового индекса необходимо разбавлять очищенной сточной водой до концентрации активного ила 1 г/л.
Низконагружаемый
(продленная аэрация)
50—200
10—40
Средненагружаемый
(обычная аэрация)
200—500
4—7
500—
1500
1—2
Высоконагружаемый
(неполная биологическая очистка)
85—95 (мак10—20 симально до
97)
90—95 (мак4—8 симально до
97)
1,5—3
70—80
Способность ила
к осаждению
(i, см3/г; Ва, г/м3)
Эффект очистки
по БПК5, %
Возраст ила, сут
Аэротенк
Нагрузка,
гБПК5
(кг ⋅ сут)
Период аэрации,
ч
Таблица 11.1. Классификация аэротенков по нагрузке на активный ил
в зависимости от основных параметров биологической очистки
Умеренная
i = 150—250
Ва = 20—30
Хорошая
i = 100—150
Ва = 15—25
Плохая
i = 100—250
Ва > 30—50
Примечание: i — иловый индекс; Ва — концентрация взвешенных веществ (активного
ила) в сточной воде на выходе аэротенка.
Иловый индекс определяет концентрацию возвратного ила, которая, в
свою очередь, влияет на концентрацию ила в аэротенке. Для ориентировочных
расчетов используют соотношение
1000
xр =
,
i
где хр — концентрация возвратного (рециркулирующего) активного ила, кг/м3.
Наряду с иловым индексом эффективность разделения фаз при отстаивании характеризует концентрация взвешенных веществ в осветленной (надыловой) воде или вынос активного ила из вторичных отстойников (Ва). Типичные
значения илового индекса и выноса ила при нормальной работе вторичных отстойников приведены в табл. 11.1. Наилучшую способность к осаждению активный ил проявляет в диапазоне нагрузок 250—300 г БПК5/(кг⋅сут).
Аэрация сточных вод в аэротенках выполняет три функции: 1) насыщение
сточной воды кислородом и снабжение им микроорганизмов; 2) поддержание
активного ила во взвешенном состоянии; 3) перемешивание жидкости. По спо146
собу ввода кислорода и энергии для перемешивания системы аэрации делятся
на три типа: 1) пневматические (барботажные), использующие энергию сжатого
воздуха; 2) механические, основанные на механическом перемешивании; 3)
комбинированные (пневмомеханические).
На действующих очистных сооружениях предприятий целлюлознобумажной, гидролизной и лесохимической промышленности преобладают пневматические системы аэрации, изготовленные в виде перфорированных труб с
диаметром отверстий 8—10 мм, через которые воздух нагнетается в жидкость.
Широко применявшиеся ранее фильтросные пластины не надежны в эксплуатации и повсеместно заменены на перфорированные трубы или пневмомеханические аэраторы. Пневматические аэраторы чаще располагают вблизи дна аэротенка (глубинная аэрация), нагнетая воздух воздуходувками. Затраты энергии при
глубинной аэрации через перфорированные трубы составляют 0,8—1,2 кВт⋅ч на
1 кг растворенного в воде кислорода. Скорость переноса кислорода из воздуха в
жидкость не превышает 50 г/(м3⋅ч). Для поддержания активного ила аэротенка во
взвешенном состоянии интенсивность аэрации должна быть не менее 5 м3 воздуха в час на 1 м2 зеркала аэротенка. В силу значительного ценообразования ее ограничивают сверху: для стоков сульфатцеллюлозного производства — не более
8 м3/(м3⋅ч), других стоков — не более 10 м3/(м3⋅ч). Допустимый диапазон интенсивности аэрации очень узок, что ограничивает возможность управления скоростью процесса биологической очистки.
Механические аэраторы по глубине погружения в жидкость подразделяются на поверхностные и глубинные.
Даже в условиях пневмомеханической аэрации часть микроорганизмов активного ила, сосредоточенных в середине хлопьев, может испытывать недостаток кислорода. При этом активность ила и скорость биологической очистки
меньше потенциально возможной. Для интенсификации процесса аэрацию проводят не воздухом, а чистым кислородом. Это позволяет в несколько раз увеличить концентрацию растворенного кислорода (до 8—12 мг/л) и обеспечить им
значительно больше микроорганизмов. Применение чистого кислорода дает два
основных преимущества: повышение скорости биологической очистки и снижение прироста активного ила, а следовательно, и затрат на его обработку. Однако затраты на аэрацию возрастают. Для их снижения стремятся к максимальному использованию кислорода. Так как даже в условиях противотока фаз эффективность использования кислорода не превышает 80 %, то при аэрации чистым кислородом применяют герметизированные аэротенки (окситенки), позволяющие использовать кислород практически полностью. Наряду с экономической целесообразностью окситенки позволяют исключить выбросы дурнопахнущих веществ в атмосферу. В последнее время появилась тенденция использования обогащенного кислородом воздуха, который по энергозатратам более
экономичен, чем технический кислород.
По гидродинамическому режиму аэротенки делят на вытеснители и смесители. В типовых коридорных аэротенках с пневматической аэрацией продольное перемешивание протекает намного медленнее, чем перенос веществ с про147
током. Режим вытеснения обеспечивается при отношении длины коридора к
ширине более 30. Такие сооружения называют аэротенками-вытеснителями.
Типовые проекты коридорных аэротенков-вытеснителей (рис. 11.5) разработаны для широкого диапазона производительности очистных схем. Имеются варианты двух-, трех- и четырехкоридорных аэротенков с переменным объемом
регенератора. Аэротенки компонуются из параллельно работающих секций,
число которых обычно принимается не менее трех, что позволяет производить
их ремонт поочередно.
В последнее время стали использоваться бескоридорные аэротенки, оборудованные пневмомеханическими и механическими аэраторами (рис. 11.6). Время выравнивания концентрации в этих сооружениях значительно меньше времени пребывания жидкости. По гидродинамическому режиму их относят к аэротенкам-смесителям. Смесители могут также изготовлять в виде коридорных
аэротенков с пневматической или механической аэрацией, но с подачей сточной воды не с торца коридора, а вдоль одной из его сторон.
Рис. 11.5 (слева). Схема коридорного аэротенка-вытеснителя:
1 — подводящий лоток; 2 — шиберы для выпуска сточных вод
Рис. 11.6 (справа). Схема бескоридорного аэротенка
с пневмомеханическими аэраторами:
1 — воздухораспределительное устройство;
2 — пнемомеханический аэратор
Несмотря на длительную практику использования аэротенков, преимущества и недостатки смесителей и вытеснителей выяснены еще не полностью. Установлено, что аэротенки-смесители более эффективны и устойчивы в условиях
больших колебаний расхода и концентрации загрязнений сточных вод, а также
при высоких концентрациях органических веществ по БПК5 (свыше 1 кг/м3).
В остальных случаях предпочтение обычно отдают аэротенкам-вытеснителям,
предполагая (на основе теоретических расчетов), что они обеспечивают больший эффект очистки стоков. Вместе с тем специальные промышленные и лабораторные исследования показали, что при работе в одинаковых условиях и стабильной нагрузке смеситель и вытеснитель дают равные эффекты очистки по
БПК5 и взвешенным веществам. При новом проектировании рекомендуется
применять ячеистые аэротенки бескоридорного типа (рис. 11.7), которые могут
148
эксплуатироваться по схемам смесителя, вытеснителя и ступенчатой подаче
сточной воды при широком диапазоне изменения процента регенерации. Колебания нагрузки на активный ил снижают эффективность очистки в аэротенках.
Для уменьшения отрицательного воздействия неравномерности характеристик
сточных вод, поступающих на очистку, перед аэротенком размещают усреднитель (рис. 11.8), представляющий аэрируемый реактор, близкий к смесителю.
Продолжительность усреднения сточных вод принимают по графику часовой
неравномерности количества загрязнений, а при отсутствии таких данных —
около 2 ч. Усреднители рекомендуется применять при БПК5 сточных вод более
200 мг/л, а также при БПК5 менее 200 мг/л, если коэффициент часовой неравномерности поступления загрязнений превышает 1,5. Для стабилизации качества сточных вод и их предварительной очистки в усреднитель подают 10—20 %
возвратного ила, а в отдельных случаях до 50 %. В результате уже в усреднителе эффект очистки по БПК5 может достигать 50—80 %, но при проектировании
принимается не более 25 %.
Рис. 11.7. Схема ячеистого аэротенка:
1 — воздухораспределительное устройство;
2 — подводящий лоток; 3 — пневмомеханический аэратор; 4 — отводящий лоток
Рис. 11.8. Схема очистки в аэротенке
с предварительным усреднением стоков:
1 — усреднитель; 2 — аэротенк;
3 — вторичный отстойник
Эффект очистки сточных вод ЦБП по БПК5 в одноступенчатых аэротенках
(см. рис. 11.3, 11.4), включая схему с усреднителем (см. рис. 11.8), не превышает 95—97 %. Технологические ограничения эффективности одноступенчатых
схем связаны, прежде всего, с гравитационным способом разделения фаз (активного ила и воды). Уменьшение нагрузки на активный ил, необходимое для
повышения эффекта очистки ниже определенного уровня — 150—
200 г БПК5/(кг⋅сут), вызывает разрыхление и диспергирование хлопьев ила, что
приводит к повышению его выноса с очищенной водой из вторичных отстойников. С приближением выноса ила к величине его прироста может произойти
полное вымывание активного ила из системы. Минимальное значение нагрузки,
при которой одноступенчатые схемы еще работоспособны, составляет 50—
100 г БПК5/(кг⋅сут) (аэротенки продленной аэрации). Для достижения более
глубокой биологической очистки применяют доочистку в аэрируемых прудах
или многоступенчатые схемы аэротенков (рис. 11.9).
149
Рис. 11.9. Многоступенчатая схема биологической очистки в аэротенках:
1 — аэротенк; 2 — вторичный отстойник;
I — первая ступень; II — вторая ступень; III — n-я ступень
При проведении процесса в несколько ступеней создаются условия для
формирования на каждой из них специфических биоценозов активного ила, оптимальных для биоокисления определенных компонентов стоков (с более высокой скоростью, чем в одноступенчатой системе). К таким условиям относятся
рециркуляция активного ила на каждой ступени и снижение до минимума выноса активного ила с каждой ступени на последующую ступень. Активный ил
некоторой i-й ступени биологической очистки состоит из сформировавшегося
здесь специфического биоценоза и активного ила, выносимого со сточной водой из (i – 1)-й ступени, который не адаптирован к условиям i-й ступени (неспецифический для i-й ступени биоценоз).
Многоступенчатая технология очистки в аэротенках может применяться
только для достаточно концентрированных промышленных стоков. Чем выше
концентрация стоков, тем больше возможное число ступеней. На практике при
БПК5 сточных вод, равной 400—1000 г/м3, достаточное разделение биоценозов
по ступеням обеспечивает двухступенчатая система. Перспективным направлением развития конструкции аэротенков является создание различных модификаций комбинированных сооружений, характерная особенность которых заключается в совмещении в одном объеме аэрации и илоотделения. Это позволяет повысить дозу ила, интенсифицировать очистку, сократить занимаемую
сооружениями площадь и снизить капитальные затраты. В зависимости от конструкции комбинированные установки получили названия: аэротенк-отстойник,
аэротенк-осветлитель, аэроакселератор, оксидатор, циклейтор и др. В отечественной практике сооружения такого типа уже широко применяются для очистки небольших объемов сточных вод — в так называемых компактных установках производственной мощностью до 1000 м3/сут.
Обработка и утилизация избыточного ила. Избыточный ил, образующийся в системах аэробной биологической очистки, отводится из вторичных
отстойников в виде иловой смеси с содержанием твердой фазы 5—10 кг/м3 и
направляется на обработку и утилизацию. На крупных предприятиях ЦБП количество избыточного ила (по сухой массе) составляет десятки и сотни тонн в
сутки, а затраты на его обработку — около половины всех затрат на биологическую очистку. Схема обработки и утилизации избыточного ила, как правило,
включает следующие этапы: 1) уплотнение (отдельно или совместно со скопом
— осадком первичных отстойников); 2) механическое обезвоживание совместно со скопом; 3) вывоз в отвал или сжигание с утилизацией тепла. В общем ви150
де различные технологические решения по обработке и утилизации избыточного ила приведены на рис. 11.10.
Рис. 11.10. Обобщенная схема обработки
и утилизации избыточного ила
Уплотнение избыточного ила и его смесей со скопом осуществляется с помощью гравитационных уплотнителей (илоуплотнителей), представляющих
собой радиальные или вертикальные отстойники. Продолжительность уплотнения активного ила составляет 9—11 ч, смесей ила и скопа 6—9 ч, влажность
уплотненного осадка 97,5—98,0 %. Надыловую жидкость из илоуплотнителей,
содержащую около 0,5 кг/м3 взвешенных веществ, возвращают на вход первичных отстойников. Перед уплотнением активный ил может подвергаться аэробной стабилизации (аэрации в течение 1—5 сут) для сокращения его количества,
улучшения способности к механическому обезвоживанию и предотвращения
загнивания. В отдельных случаях для уплотнения ила до влажности 92 % используют центрифуги, а до влажности 95 % — флотаторы. Перед механическим
обезвоживанием осадки с активным илом подвергают кондиционированию, направленному на улучшение их влагоотдачи и фильтруемости за счет освобождения части связанной воды и укрупнения частиц осадка в результате коагуляции и флокуляции. Основным методом кондиционирования является обработка
химическими реагентами (хлорным железом, известью, органическими флокулянтами), другие способы (тепловая обработка, замораживание, добавки инертных веществ) в ЦБП практически не используются.
Для обезвоживания применяют вакуум-фильтры со сходящим полотном,
центрифуги, фильтр-прессы и винт-прессы. При добавке высокомолекулярных
флокулянтов центрифугирование снижает влажность осадков с активным илом
до 70—80 %, а обработка на фильтр-прессах и винт-прессах — до 60—70 %. На
период освоения очистных сооружений и цехов обработки осадков предусматривается сброс избыточного уплотненного ила в осадконакопители, с которых
надыловая вода возвращается в первичные отстойники. Фильтрат с вакуумфильтров и фугат с центрифуг подаются либо в илоуплотнители, либо в первичные отстойники.
151
На большинстве действующих предприятий обезвоженный осадок вывозится в отвал. Но все шире применяются различные способы его утилизации. С
возрастанием цен на топливные ресурсы экономически выгодно сжигание
осадков с утилизацией тепла. Теплотворная способность активного ила составляет 19000, скопа — 17000 кДж/кг. Перед сжиганием осадок подсушивают до
влажности 60 %. Сушка и сжигание могут осуществляться на одной установке,
где для сушки используется тепло дымовых газов от сжигания осадков. Наиболее эффективно сжигание осадков с активным илом происходит совместно с
мазутом в печах с кипящим слоем. Перспективным направлением утилизации
избыточного ила является его использование в качестве добавок к кормам животных и рыб, удобрения в сельском хозяйстве, а также непосредственно в ЦБП
при варке целлюлозы, изготовлении древесноволокнистых плит, тарного картона и мешочной бумаги. При утилизации всего избыточного ила в сельском хозяйстве системы биологической очистки могут стать самоокупаемыми.
Рис. 11.11. Типовые схемы
биологической очистки:
А — аэротенк; В — вторичный
отстойник; ВАП — высоконагружаемый аэрируемый пруд;
П — первичный отстойник;
У — усреднитель;
НАП — низконагружаемый
аэрируемый пруд:
I — первая ступень, II — вторая
ступень
Однако проблема эффективной утилизации активного ила еще требует
своего решения. Названные направления не всегда оказываются приемлемыми.
Избыточный ил, несмотря на то, что он является биопродуктом, сильно загрязнен различными примесями — волокном, корой, минеральными веществами, а
152
иногда солями тяжелых металлов и углеводородами, в частности бензпиреном.
Это ограничивает его применение в сельском хозяйстве. При тепловой обработке избыточного ила выделяются дурнопахнущие газы, что создает определенные трудности при его добавке в композицию волокнистой массы и его использовании в других направлениях.
Схемы биологической очистки. Типовые схемы биологической очистки
сточных вод ЦБП приведены на рис. 11.11.
Использование той или иной схемы определяется концентрацией загрязнений по БПК5 и требуемой эффективностью очистки (табл. 11.2).
Таблица 11.2. Рекомендуемые принципиальные схемы
биологической очистки сточных вод ЦБП
Эффект очистки
по БПК5, %
Менее 90
90—97
95—98
До 98,5
Номера применяемых схем по рис. 11.11 при БПК5 (фильтрованная
проба) сточных вод, поступающих на очистку, г/м3
До 100
100—400
400—1000
1, 2
1, 3
3
1, 2
3, 5
3, 4, 5, 6
—
4, 5, 6
5, 6, 7
—
7
7
В зависимости от конкретных условий наряду с типовыми схемами могут
использоваться оригинальные технологические решения, включая дифференцированный подход к очистке отдельных потоков сточных вод предприятия, например, выделение и локальная биологическая очистка токсичных и наиболее
концентрированных стоков, таких, как конденсаты варочного и выпарного цехов
сульфатцеллюлозного производства, стоки отбельных цехов, последрожжевая
бражка. Возможны также различные сочетания биологической, химической и
механической очистки. Окончательное решение по технологии биологической
очистки принимается на основе технико-экономического сравнения вариантов.
11.2. Анаэробная очистка
Анаэробная очистка — это анаэробный (в отсутствии кислорода) двухстадийный процесс биохимического превращения органических веществ сточных вод в метан и диоксид углерода. На первой стадии под действием кислотообразующих бактерий органические вещества сбраживаются до простых органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной). На второй стадии эти кислоты служат источником питания метанообразующих бактерий. Метановое
брожение — основная и наиболее уязвимая стадия анаэробной очистки. Метановые бактерии очень чувствительны к изменению температуры, рН, окислительно-восстановительного потенциала (Еh) среды и нагрузки по БПК5; их развитие ингибируется при сравнительно низких концентрациях в стоках катионов
тяжелых металлов, сульфидов и фенолов. Эти обстоятельства обусловливают
меньшую гибкость и устойчивость анаэробного процесса, чем аэробного, и тре153
буют строгого контроля и регулировки входных параметров сточных вод для
поддержания в реакторе оптимальных условий: температура 30—35 °С,
рН 6,8—7,2, Еh = –(0,2—0,3) мВ. Анаэробной очистке могут подвергаться только достаточно концентрированные сточные воды с БПК5 не менее 500—
1000 г/м3.
Анаэробные реакторы конструктивно сложнее, капитальные затраты на их
строительство выше, чем на аэротенки. Вместе с тем, анаэробная очистка часто
оказывается экономически более выгодной, так как не требует затрат энергии
на аэрацию сточных вод, которые в аэротенках определяют до половины эксплуатационных расходов на очистку стоков. Прирост анаэробной биомассы в
несколько раз ниже, соответственно снижаются затраты на обработку избыточного ила. Образующийся биогаз содержит до 80 % метана и может использоваться в качестве топлива, которого вполне достаточно для поднятия температуры в анаэробном реакторе до 30—35 °С. Выше эффект очистки по ХПК (до
75 %). Предложены различные технологические схемы (одно- и двухступенчатые) и конструкции анаэробных реакторов.
В представленном на рис. 11.12 анаэробном реакторе «Биотане» (Голландия) перемешивание иловой смеси осуществляется за счет биогаза, образующегося в основном в нижней зоне (иловый матрас), где концентрация ила достигает 50—100 кг/м3. В данном реакторе могут осуществляться обе стадии анаэробного процесса или только метановое брожение.
Соответствующие технологические схемы анаэробной очистки приведены
на рис. 11.13.
Рис. 11.12. Схема анаэробного
реактора «Биотане»:
1 — биогаз; 2 — очищенная вода;
3 — вода на отстаивание; 4 — возврат оседающего
ила; 5 — направляющие пластины для газа;
6 — взвешенный слой ила (иловый матрас); 7 —
поступающая сточная вода; 8 — избыточный ил
154
Рис. 11.13. Технологические схемы
анаэробной биологической очистки:
а — одноступенчатой; б — двухступенчатой, предусматривающей разделение
процессов кислотного и метанового брожения; 1 — поступающая сточная вода;
2 — первичный отстойник; 3 — скоп; 4 — регулировка рН и температуры,
добавка биогенных солей; 5 — биогаз; 6 — газгольдер; 7 — анаэробный реактор
«Биотане»; 8 — очищенная вода; 9 — возврат части очищенной воды;
10 — избыточный ил; 11 — реактор кислотного сбраживания
При очистке стоков бумажной фабрики, применяющей макулатуру, на анаэробной установке «Биотане» со временем пребывания жидкости в реакторе
5,1 ч была получена эффективность очистки по БПК5 70 %, по ХПК 50 % (исходные значения БПК5 и ХПК составляли соответственно 500 и 1000 г/м3).
Прирост ила не превышал 0,1 кг на 1 кг снятого ХПК, т. е. экономический коэффициент составлял всего 0,14 кг/кг БПК5. Установка обеспечивала производство биогаза в количестве 0,35 м3 на 1 кг снятого ХПК с содержанием метана
около 80.
Для стоков ЦБП максимальная эффективность анаэробных методов составляет 90 % по БПК5. Доочистку целесообразно проводить в аэротенках или
аэрируемых прудах.
Контрольные вопросы к главе 11
1. Какие существуют основные методы биологической очистки (перечислить области их
применения)?
2. В чем заключается принцип биологической очистки в прудах?
3. Какие преимущества имеют биофильтры с пластмассовой загрузкой?
4. Назовите способы аэрации сточных вод. Какие преимущества дает аэрация чистым кислородом?
5. Как классифицируются аэротенки по гидродинамическому режиму и нагрузке на активный ил?
6. Когда необходимо применение многоступенчатых аэротенков?
7. Какие существуют методы обработки и утилизации избыточного ила?
155
РАЗДЕЛ V. ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ
Глава 12. Принципы технологии пылеулавливания
Технологию пылеулавливания в общем случае следует рассматривать как
совокупность взаимосвязанных между собой стадий. Целью технологии пылеулавливания является достижение нормативов ПДВ взвешенных веществ в выбросах в атмосферу и исключение вторичного загрязнения окружающей среды
уловленными веществами путем их рекуперации или утилизации.
При разработке технологических схем пылеулавливания возникает необходимость в решении следующих задач:
1) установление механизма и динамики образования взвешенных веществ,
определение состава, параметров и количества газов; определение условий отвода газов от источника выделения, возможности локализации выбросов; выбор
устройств для отбора (отсоса) газов или воздуха с учетом конструктивных и
технологических особенностей оборудования и процессов;
2) выбор параметров, схемы и устройств, обеспечивающих подготовку газов к очистке;
3) обоснование требуемой степени очистки; выбор способа, схемы пылеулавливания и типов аппаратов с учетом приведенных затрат на очистку газов и
эффекта от предотвращения загрязнения окружающей среды; установление параметров процесса пылеулавливания и средств их регулирования;
4) выбор способа и средств для выгрузки и транспортировки уловленных
пылей и шламов с учетом их свойств и местных условий;
5) определение путей использования уловленных пылей и шламов, исключающих вторичное загрязнение окружающей среды;
6) контроль эффективности пылеулавливающих установок и соблюдение
норм ПДВ.
Блок-схема стадий технологии пылеулавливания приведена на рис. 12.1.
Отдельные стадии взаимосвязаны между собой таким образом, что ошибочная оценка фактических условий или неверные решения по любой из стадий,
принятые при разработке, осуществлении или эксплуатации установки, не позволяют достигнуть цели технологии пылеулавливания. Например, только выбор
недостаточно надежных устройств для выгрузки, удаления и транспортировки
уловленных пылей или шламов может исключить возможность длительной работы установки в режиме, позволяющем обеспечивать требуемую степень очистки, или быть причиной вторичного загрязнения окружающей среды.
Основная характеристика взвешенных частиц — дисперсный состав, представляемый обычно в виде массы частиц различных фракций. Фракцией называют относительную долю частиц, размеры которых находятся в определенном
интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов. Дисперсный состав зависит от механизма образования взвешенных частиц и определяется первой стадией технологии пылеулавливания.
156
При анализе механизма образования необходимо учитывать, что газы или
запыленный воздух, удаляемые от источника выделения и содержащие взвешенные частицы, относятся к промышленным аэрозолям, которые с некоторым
приближением принято подразделять на четыре класса: дымы, пыли, туманы и
смешанные аэрозоли. К дымам относятся так называемые конденсационные аэрозоли, образующиеся при возгонке веществ и конденсации их паров, а также в
результате химических и фотохимических реакций; размер частиц в дымах от 5
до 0,1 мкм. Высокая степень очистки газов от таких мелких частиц может быть
достигнута только в таких высокоэффективных аппаратах, как тканевые фильтры, электрофильтры и мокрые пылеуловители с большими энергозатратами на
очистку. Типичным примером аэрозолей, относящихся к дымам, являются дымовые газы СРК. Пыли содержат взвешенные частицы, образующиеся в результате механического измельчения твердых материалов в порошкообразное состояние, в процессах обжига, сушки, загрузки, смешения, дозировки, просеивания и транспортировки сыпучих материалов, а также при сжигании твердого
топлива. Пыли — полидисперсные системы с размером частиц от 5 до 200 мкм
и более. К этому классу аэрозолей относится большинство источников загрязнения взвешенными частицами атмосферного воздуха в ЦБП и деревообработке. В туманах взвешенными частицами являются капельки жидкости, в которых могут содержаться растворенные вещества или суспендированные твердые
частицы. Туманы образуются в результате конденсации паров или при распылении жидкости в газовой среде. Размер капель в первом случае может быть
близок к размеру частиц в дымах, во втором — к размеру частиц в пылях. Образованием туманов сопровождаются процессы каустизирования известкового
шлама, получения кислоты, пневматической окраски изделий и др. Определенная приближенность рассмотренной классификации заключается в том, что в
ряде химико-технологических процессов взвешенные частицы могут образовываться по двум механизмам, например дым и пыль или пыль и туман. Такие аэрозоли называют смешанными.
При выбросе очищенных газов в атмосферу рассчитывается требуемая
степень очистки. В свою очередь, требуемая степень очистки вентиляционного
воздуха в схемах пылеулавливания с рециркуляцией очищенного воздуха в помещении должна рассчитываться из условия, что концентрация пыли в очищенном воздухе будет не более 0,3 ПДК воздуха рабочей зоны производства
для данного вида пыли. При разработке схем с рециркуляцией воздуха следует
учитывать достигаемую при этом экономию электроэнергии на подогрев наружного приточного воздуха в течение отопительного периода года. Высокая
требуемая степень очистки газов может вызвать необходимость установки последовательно двух-трех ступеней очистки. Выбор типа пылеулавливающего
аппарата зависит от требуемой степени очистки газов, дисперсного состава
взвешенных частиц и параметров очищаемых газов. Пылеулавливающие аппараты подразделяют на сухие механические, фильтрующие, мокрые механические, электрические (электрофильтры). Схема классификации пылеулавливающих аппаратов приведена на рис. 12.2.
157
158
В основе работы сухих механических пылеуловителей лежат гравитационный, инерционный и центробежный механизмы осаждения частиц. Наиболее
эффективным для этой группы аппаратов является центробежный механизм.
К сухим пылеуловителям относятся пылеосадительные камеры, простейшие
инерционные и жалюзийные пылеуловители, циклоны одиночные, групповые и
батарейные, вихревые аппараты, дымососы-золоуловители. В ЦБП и особенно
в деревообработке из сухих механических пылеуловителей наиболее распространены циклоны, областью эффективного применения которых является
улавливание пылей с размерами dч > 20—50 мкм.
Фильтрующие пылеулавливающие аппараты. Фильтры принято делить
на три класса: 1) фильтры тонкой очистки (волокнистые фильтры); 2) фильтры
для очистки атмосферного воздуха (сетчатые фильтры); 3) промышленные
фильтры (тканевые или зернистые). Волокнистые фильтры относятся к аппаратам однократного использования со сроком службы до 1 года при входной запыленности до 1 мг/м3. Сетчатые фильтры, используемые в системах общеобменной и в ограниченных случаях местной вентиляции, применяются при
входной запыленности до 10—30 мг/м3. При улавливании волокнистых пылей в
сетчатых фильтрах достигается высокая эффективность очистки и обеспечивается регенерация фильтрующего материала. Благодаря автоматизации работы
механизмов регенерации в современных типах тканевых рукавных фильтров
наибольшие возможности из фильтрующих аппаратов для промышленного
применения имеют фильтры, в которых фильтрующим материалом являются
ткани. Тканевые фильтры эффективно улавливают частицы с размерами около
1 мкм. Однако применение таких фильтров в отрасли затрудняется вследствие
ограниченной термостойкости тканей, а также из-за опасности закупорки тканей при очистке влажных газов, к которым относятся дымовые газы таких
крупных источников, как ИРП и СРК.
В основе аппаратов мокрой механической очистки лежит инерционный
механизм пылеулавливания, который проявляется при обтекании газами смачиваемых поверхностей осаждения, а также при взаимодействии газов с каплями
орошающей жидкости. К достоинствам мокрых пылеуловителей относятся: более высокая степень очистки, чем в наиболее эффективных сухих механических
пылеуловителях (в скрубберах Вентури может достигаться такая же высокая
степень очистки газов, как в тканевых фильтрах и электрофильтрах при улавливании высокодисперсных частиц); возможность одновременного осуществления процессов пылеулавливания, охлаждения газов и абсорбции; эффективное применение при высоких температуре и влажности газов; безопасность использования при улавливании взрывоопасных пылей. К недостаткам мокрого
пылеулавливания следует отнести: образование шламовых вод и растворов солей; высокие затраты энергии для эффективного улавливания мелких частиц;
брызго- и каплеунос при форсировании работы аппаратов.
Несмотря на то, что в основе работы электрофильтров лежит осаждение
взвешенных частиц под действием электрических сил, эти аппараты отличаются
от всех других высокоэффективных пылеулавливающих аппаратов низкими
159
энергозатратами. Однако удельные капитальные затраты на электрофильтры
возрастают с уменьшением их единичной производительности. По этим соображениям, а также в связи с необходимостью обслуживания электрофильтров высококвалифицированным персоналом они применяются для очистки больших
количеств очищаемых газов (более 100 тыс. м3/ч). Для промышленной очистки
газов используют однозонные электрофильтры, в которых процессы зарядки и
осаждения взвешенных частиц конструктивно объединены в одной камере. При
размерах улавливаемых частиц около 1 мкм и более в электрофильтрах может
достигаться эксплуатационная степень очистки газов до 96—99 %.
Контрольные вопросы к главе 12
1. Что является целью технологии пылеулавливания (охарактеризовать ее основные стадии)?
2. Какие существуют в ЦБП основные источники загрязнения атмосферы (привести классификацию взвешенных частиц и примеры их образования)?
3. Каким образом определяется степень очистки и гидравлическое сопротивление в двухступенчатых пылеулавливающих установках?
Глава 13. Сухая механическая очистка газов. Циклоны
В ЦБП получили распространение следующие типы циклонов: циклоны
НИИОГаз, Гипродрев, Гипродревпром (тип «Ц»), ОЭКДМ (тип «К»), УЦ-38, а
также батарейные циклоны. Общие виды перечисленных циклонов приведены
на рис. 13.1. Циклоны НИИОГаз подразделяются на высокоэффективные и высокопроизводительные. Аппараты первого типа отличаются высокой эффективностью, но имеют значительное гидравлическое сопротивление; второго типа имеют меньшее гидравлическое сопротивление, бо́льшую единичную производительность, но недостаточно эффективно улавливают относительно мелкие
частицы пыли (с dч < 10 мкм).
К высокопроизводительным циклонам относятся цилиндрические циклоны
НИИОГаз следующих типов: ЦН-11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24. Последний тип
называют также разгрузителем, так как он может обеспечивать надежную работу при высоких значениях запыленности газов (более 100 г/м3). Отличительными конструктивными особенностями цилиндрических циклонов НИИОГаз являются: удлиненная цилиндрическая часть корпуса, угол наклона крышки и
входного патрубка α, равный соответственно 11, 15 и 24°, и одинаковое отношение диаметра выхлопной трубы Dтр к диаметру циклона Dц, равное 0,59.
К высокоэффективным относятся конические циклоны НИИОГаз типов
СК-ЦН-22, СДК-ЦН-33 и СК-ЦН-34, отличающиеся длинной конической частью, спиральным входным патрубком и малым отношением Dтр/Dц, равным
соответственно 0,22, 0,33 и 0,34. Этим циклонам аналогичен циклон УЦ-38.
Особенности циклонов типов «К» и «Ц», применяемых только в деревообрабатывающих производствах, заключаются в отводе потока воздуха из корпуса в выхлопную трубу, куда поступают два потока воздуха. При этом в циклоне
типа «К» часть потока воздуха входит в кольцевой зазор между выхлопной
трубой и ее нижней конусной частью, не изменяя направления вращения, а в
160
циклоне типа «Ц» — в лопастной сепаратор, установленный под выхлопной
трубой. Благодаря этому указанные типы циклонов более приспособлены для
улавливания древесных частиц, обладающих значительной парусностью, чем
циклоны НИИОГаз. Для улавливания древесной стружки циклоны типа «Ц» не
рекомендуется применять, так как стружка забивает лопасти сепаратора.
Рис. 13.1. Основные типы одиночных и групповых циклонов:
а — ЦН-11; б — СК-ЦН-34; в — Гипродревпром типа «Ц»; г — ОЭКДМ;
д — группа циклонов НИИГаз; 1 — корпус циклона; 2 — выхлопная труба;
3 — входной патрубок
Циклоны устанавливают только с бункерами, назначение которых состоит
в создании условий для отделения частиц от воздушного потока и сбора улов161
ленных частиц. Каждый бункер должен быть снабжен затвором, срабатывающим периодически или непрерывно. Циклоны НИИОГаз размещают как на всасывающей, так и на нагнетательной стороне вентиляторов или дымососов. В
первом случае циклоны работают под разрежением, и их эффективность в таких условиях может значительно снижаться из-за подсосов наружного воздуха,
из-за негерметичности циклона, особенно со стороны бункера циклона, во втором — под давлением. Циклоны типов «К» и «Ц», как правило, устанавливают
на нагнетательной стороне вентиляторов, они работают прямо на выхлоп в атмосферу. Поэтому их выхлопные трубы снабжены устройствами, защищающими эти аппараты от атмосферных осадков.
Рассмотренные типы циклонов применяют как одиночными, так и групповыми. Компоновка циклонов в группу позволяет не только очищать требуемые
количества газов или воздуха, но и не применять циклоны больших диаметров.
Из циклонов НИИОГаз для компоновки в группу обычно используют цилиндрические циклоны. Каждая группа имеет общее — коллектор запыленных газов, сборник очищенных газов и бункер с затвором. Для улавливания золы из
дымовых газов котлов для сжигания твердого топлива разработаны батарейные циклоны, представляющие собой большое число циклонных элементов малого диаметра, в каждом из которых установлено устройство для закручивания
газового потока. В качестве закручивающих устройств в циклонных элементах
применяют устройства типа винт или розетка. Схема батарейного циклона приведена на рис. 13.2. Батарейный циклон имеет общий бункер для сбора уловленной золы и снабжен затвором для периодического или непрерывного удаления золы. Степень очистки газов в батарейном циклоне обычно несколько ниже, чем в одиночных циклонах, эквивалентных по диаметру применяемым циклонным элементам, что объясняется некоторыми перетоками газов между циклонными элементами в области бункера. Опасность вредных перетоков возрастает с увеличением числа циклонных элементов. Поэтому обычно применяют элементы диаметром 250 мм, а в новых конструкциях диаметр элементов
увеличен до 500 мм.
Из других типов аппаратов сухой механической очистки в отрасли получили применение камеры пылеосадительных аппаратов и простейшие инерционные пылеуловители. Осаждение частиц пыли в пылеосадительных камерах
происходит обычно при движении очищаемой среды в горизонтальном направлении. Простейшие инерционные пылеуловители работают по принципу осаждения частиц под действием сил инерции, возникающих при резком изменении
направления движения газового потока. Эти пылеуловители имеют низкое гидравлическое сопротивление (не более 250 Па), могут встраиваться непосредственно в газоходы или воздуховоды, тем самым выполняя функции предварительной ступени очистки. Также могут иметь самостоятельное значение при
размерах улавливаемых частиц dч = 30—40 мкм и требуемой степени очистки
не более 70—75 %. Инерционные пылеуловители можно использовать в системах пневмотранспорта для защиты рабочих колес вентиляторов от повреждения
кусковыми отходами.
162
Рис. 13.2. Схема батарейного циклона
Контрольные вопросы к главе 13
1. В чем состоят конструктивные особенности цилиндрических и конических циклонов?
2. Какие существуют конструктивные характеристики циклонных элементов батарейных циклонов?
Глава 14. Мокрая механическая очистка газов
14.1. Полые газопромыватели
Полые газопромыватели применяются либо непосредственно для улавливания из газов и вентиляционного воздуха твердых и жидких частиц, либо для
подготовки газов к очистке. В первом случае в аппаратах происходит захват
частиц каплями распыливаемой жидкости, во втором случае жидкость используется для охлаждения газов или образовавшиеся при ее дроблении капли служат поверхностями осаждения в последующих аппаратах. В любом случае диспергирование жидкости в объеме аппарата осуществляется механическими
форсунками, размещаемыми в определенном порядке по сечению аппарата при
давлении 200—400 кПа. При мокром пылеулавливании функции полого газопромывателя могут выполнять орошаемые участки газоходов, нижние части
дымовых труб, промывные камеры, форсуночные скрубберы (гидрофильтры).
В перечисленных аппаратах для обеспечения нормального режима работы
брызго- и каплеуловителей скорость газов или воздуха не должна превышать
163
2,5—3 м/с. Гидравлическое сопротивление таких аппаратов 300—500 Па при
удельном расходе воды на орошение 0,3—1,0 л/м3.
Обычно применяют полые газопромыватели с противоточным движением
газов и жидкости, т. е. капли падают навстречу запыленному потоку газов. До
тех пор, пока такие аппараты использовались без каплеуловителей, скорость газов была ограничена величиной 0,6—1,0 м/с. Полые газопромыватели при
удельных расходах до 6—8 л/м3 позволяют достигнуть степени очистки газов
до 90 % при улавливании частиц dч > 10 мкм и хороших показателей в ряде
случаев абсорбции газов. Схема полого форсуночного скруббера, применяемого для пылеулавливания и абсорбции газов, приведена на рис. 14.1.
Рис. 14.1. Схема полого форсуночного скруббера:
1 — входной патрубок; 2 — корпус;
3 — система орошения
В качестве форсунок в полых газопромывателях используются центробежные и эвольвентные форсунки с диаметром выходных отверстий dотв > 8 мкм,
позволяющие применять орошающую жидкость повторно при наличии в ней
взвешенных частиц.
14.2. Скрубберы Вентури
Скрубберы Вентури в зависимости от величины гидравлического сопротивления следует подразделять на эжекторные (струйные газопромыватели),
низконапорные и высоконапорные. Общим у всех этих модификаций является
сочетание трубы Вентури (трубы-распылителя или смесителя), в которой осуществляется интенсивное дробление орошающей жидкости за счет кинетической энергии ее струи или воздействия на жидкость газового потока, движуще164
гося со скоростью 40—120 м/с в сечении горловины, и каплеуловителя. Общие
виды перечисленных модификаций скруббера Вентури приведены на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Основные модификации скруббера Вентури:
а — высоконапорный («классический»); б — эжекторный (струйный
газопромыватель); в — низконапорный (в энергетике): 1 — система орошения;
2 — труба Вентури (труба-смеситель); 3 — каплеуловитель
Эжекторные
скрубберы
Вентури
(струйные
газопромыватели)
(см. рис. 14.2, б) применяются в ЦБП для очистки дымовых газов известерегенерационных печей (ИРП) и содорегенерационных котлоагрегатов (СРК), а
также парогазов растворителя плава (РП) СРК при следующих значениях рабочих параметров: скорость газов в сужении трубы-смесителя 25—30 м/с, удельный расход орошающей жидкости (воды, слабого белого щелока, черного щелока) 1—2 л/м3, давление подачи орошающей жидкости перед форсунками
600—800 кПа. Жидкость, распыливаемая в объеме конфузора трубы-смесителя,
вытекает из форсунок со скоростью, превышающей скорость газов. Вследствие
этого скоростной поток капель воздействует на газовый поток таким образом,
что возникает эжекционный эффект. Благодаря этому гидравлическое сопротивление струйного газопромывателя либо не превышает 150—200 Па, либо
практически равно нулю. Такая особенность струйного газопромывателя значительно облегчает выбор дымососов для ИРП и СРК. Степень очистки газов от
пыли в струйном газопромывателе (СГП) составляет 90—92 % при очистке газов ИРП и 40—50 % при очистке газов СРК. Труба-смеситель СГП компонуется с каплеуловителем колонного типа с боковым нижним подводом газов или
выносным центробежным каплеуловителем. В первом случае для предотвраще165
ния каплеуноса условная скорость газов в каплеуловителе должна быть не выше 1 м/с, а во втором 2,5—3,0 м/с. Отношение высоты Н цилиндрической части
каплеуловителя к его диаметру D должно быть равно 3—4. Для орошения трубы-смесителя СГП применяют механические цельнофакельные форсунки с
вкладышами-завихрителями, создающие факел с углом распыла αф = 50—55°.
При работе с оборотным орошением требования к допустимому остаточному
каплеуносу возрастают. Остаточный каплеунос не выше 0,1 г/м3 газов может
быть достигнут в двухступенчатой системе каплеулавливания и при установке
на первой ступени ударно-инерционного каплеуловителя соосно с трубойсмесителем СГП. Относительное расстояние от обреза диффузора трубысмесителя до зеркала жидкости в таком каплеуловителе должно составлять
1,5—2,0 диаметра выходного сечения диффузора, а скорость газов в свободном
сечения каплеуловителя 2,5—4,0 м/с.
Высоконапорные скрубберы Вентури (см. рис. 14.2, а), называемые иногда
«классическими» скрубберами Вентури, также применяются для очистки дымовых газов ИРП и СРК. В последнем случае для котлов небольшой единичной
производительности. Кроме того, они используются в качестве второй ступени
очистки газов или вентиляционных выбросов от установок термической переработки осадков сточных вод и производства белково-витаминных концентратов.
Эффективные условия для пылеулавливания в таких скрубберах создаются
вследствие высоких относительных скоростей в горловине трубы Вентури между высокоскоростным газовым потоком и диспергированной на мельчайшие капли орошающей жидкостью. Высоконапорные скрубберы Вентури применяются
в отрасли при следующих значениях рабочих параметров: скорость газов в горловине трубы Вентури ωг = 60—90 м/с, удельный расход орошающей жидкости
(воды, черного щелока) m = 0,5—1,5 л/м3, давление подачи жидкости на орошение трубы Вентури рж = 150—300 кПа. Степень очистки газов в высоконапорных
скрубберах Вентури зависит при прочих равных условиях от скорости газов в
горловине трубы Вентури (ωг) и удельного расхода воды (m). Вследствие интенсификации процесса взаимодействия газов и жидкости высоконапорные скрубберы Вентури позволяют достигнуть более высокой степени очистки газов (94—
96 % для ИРП и 92—94 % для СРК), чем СГП. Трубы Вентури этой модификации скрубберов Вентури компонуются с выносными центробежными каплеуловителями, в которых условная скорость газов 3,0—5,0 м/с. Для орошения трубы
Вентури используются центробежные форсунки (в некоторых случаях эвольвентные). Гидравлическое сопротивление высоконапорных скрубберов Вентури
для характерных в отрасли условий их применения составляет 3—8 кПа.
Низконапорные скрубберы Вентури (см. рис. 14.2, в) используются в отрасли для очистки дымовых газов котлов при сжигании твердого топлива и
древесных отходов. В энергетике эти аппараты называют скрубберы МС-ВТИ.
Допустимое гидравлическое сопротивление ∆р таких скрубберов 0,8—1,3 кПа.
Кроме того, по условиям предотвращения конденсации водяных паров из газов
их температура после очистки должна быть не ниже 66—72 ºС. Это ограничение не позволяет применять удельные расходы орошающей жидкости (воды)
166
выше 0,10—0,14 л/м3. Скорости газов в горловине трубы Вентури составляют
45—55 м/с. Труба Вентури и циклон-каплеуловитель футеруются изнутри кислотоупорной плиткой. Циклон-каплеуловитель в верхней своей части оборудуют поясом сопел, подающих воду на его стенку в виде пленки. При применении в энергетике низконапорные скрубберы Вентури обеспечивают степень
очистки газов 92—95 %.
14.3. Мокрые пылеулавливающие аппараты
с внутренней циркуляцией орошающей жидкости
В связи с резким возрастанием требований к сокращению расхода свежей
воды и недостаточной в ряде случаев надежностью работы форсуночных мокрых аппаратов при рециркуляции орошающей жидкости разработаны несколько типов бесфорсуночных аппаратов с внутренней циркуляцией орошающей
жидкости. К таким аппаратам относится группа мокрых пылеуловителей ударно-инерционного действия, в которых захват жидкости в виде брызг и капель
осуществляется благодаря удару газового потока о поверхность жидкости, находящейся в нижней части аппарата. При последующем пропускании образовавшейся смеси газов (воздуха) и капель через каналы и отверстия различной
конфигурации происходит отделение частиц пыли от очищаемых газов. Затем
капли жидкости отделяются от очищенных газов или воздуха в каплеуловителе,
стекают в нижнюю часть аппарата в слой жидкости, который, таким образом,
участвует в процессе многократно. Подпитка свежей водой в аппаратах с внутренней циркуляцией орошающей жидкости минимальна и составляет 0,01—
0,05 л/м3 газов. Подпитка компенсирует потери воды с испаряемой влагой и со
шламовой жидкостью, удаляемой периодически. Для снижения потерь влаги с
испарением газы следует предварительно охлаждать.
К аппаратам с внутренней циркуляцией орошающей жидкости относятся
ротоклоны и щелевые газопромыватели. На предприятиях из этой группы аппаратов большое распространение получили щелевые газопромыватели типа
ПВМ (рис. 14.3). Запыленные газы или воздух поступают в аппарат через входной патрубок. При включении вентилятора уровень воды перед перегородкой 7
устанавливается ниже, чем за перегородкой 8. В результате этого образуется
щелевой канал, через который газовый поток проходит со скоростью 20—30
м/с в виде плоской струи, частично увлекая за собой воду. Встречая на своем
пути перегородку 8, струя отклоняется вверх; при этом на смоченную поверхность перегородки под действием сил инерции из газовой струи осаждаются
частицы пыли. Пылеуловители типа ПВМ имеют две модификации: со сливом
шламовой воды (ПВМС) и с механизированным скребковым удалением шлама
(ПВМК). На эти аппараты разработан типоразмерный ряд производительностью по очищаемому воздуху от 3 до 40 тыс. м3/ч.
Кроме того, для улавливания плавающей пыли (пыли, не смачиваемой водой) применяют пылеуловители ПВМП, снабженные переливными карманами
для слива шлама. Для предупреждения образования отложений в месте удаления шлама из аппарата выполнен подвод воды.
167
Рис. 14.3. Газопромыватель
вентиляционный мокрый (типа ПМВ):
1 — задвижка; 2 — регулятор уровня жесткости; 3 — входной патрубок;
4 — вентилятор; 5 — каплеуловитель; 6 — брызгоотбойник;
7, 8 — перегородки; 9 — корпус
Аппараты ПВМ также снабжены устройствами для автоматической подпитки водой по датчику уровня жидкости в аппарате. В данных аппаратах одним из наиболее важных для эффективной очистки показателей является величина ε — расстояние от верхнего уровня жидкости в аппарате до нижней кромки верхней перегородки 7. Величина ε устанавливается при заливе жидкости в
аппарат и может составлять от 20 до 200 мм. Бо́льшие значения ε требуется
обеспечивать для эффективного улавливания пылей с размерами частиц
dг = 3—5 мкм. Расход очищаемого воздуха на 1 м длины перегородки аппарата
принимается от 2000 до 8000 м3/ч. При этом гидравлическое сопротивление аппарата составит 1500—3000 Па.
168
Аппараты ПВМ при установке в отапливаемых помещениях могут применяться в отрасли для улавливания шлифовальной пыли от производств деревообработки и различных порошкообразных материалов из систем пневмотранспорта.
Контрольные вопросы к главе 14
1. В чем отличия условий для пылеулавливания, создаваемых в эжекторных и «классических» скрубберах Вентури?
2. Какие преимущества и недостатки имеют полые газопромыватели и скрубберы Вентури?
3. Какие преимущества у мокрых пылеуловителей ударно-инерционного действия?
Глава 15. Сухая фильтрационная и электрическая
очистка газов
15.1. Тканевые фильтры
Сухая фильтрационная очистка газов основана на осаждении частиц при
прохождении пористых сред под действием механизмов инерции, зацепления
(касания), диффузии, электростатического взаимодействия. Улавливаемые в
процессе фильтрации частицы по мере их накопления образуют на поверхности
фильтрующего материала пылевой слой и становятся, таким образом, частью
фильтрующей среды для вновь поступающих частиц. Такое течение процесса
характерно для тканевых фильтрующих материалов. Тканевые фильтрующие
материалы работают по циклу фильтрация — регенерация. В процессе регенерации с фильтровального материала встряхиванием удаляется часть накопленного пылевого слоя. В тканевых фильтрах применяют два вида фильтровальных
материалов из естественных и синтетических волокон: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным способом. К тканям из естественных волокон относятся хлопчатобумажные и шерстяные ткани. Они обладают хорошими фильтрующими свойствами, особенно
шерстяные. Срок службы тканей достигает 1 года при температуре фильтруемой среды до 70—90 °С. Недостатками таких тканей являются их низкие химическая и термическая стойкость, горючесть и влагоемкость. Наиболее распространенными стали ткани из синтетических (лавсана, нитрона, оксалона) и
смешанных волокон. Синтетические тканевые материалы обладают высокой
механической прочностью и химической стойкостью, более термостойки.
Тканевые фильтры различаются по конструктивным признакам: а) по форме фильтровального материала (рукавные, плоские, клиновые) и наличию
опорных устройств (каркасные, рамные); б) по способу регенерации ткани
(встряхиванием, обратной и импульсной продувкой); в) по наличию и форме
корпуса фильтра (прямоугольные, цилиндрические, бескамерные); г) по числу
секций в установке фильтрации (однокамерные, многосекционные).
В промышленности наиболее распространены рукавные фильтры, в которых процессы регенерации могут быть полностью автоматизированы. Рукава в
169
фильтрах могут иметь следующие размеры: диаметр 127—300, длина 2000—
6000 мм. Запыленные газы или воздух могут вводиться в рукава как снизу, так
и сверху. Фильтрация через рукава может производиться снаружи вовнутрь, а
также изнутри наружу. Применяются два способа регенерации запыленных
тканей: встряхивание (механическое, аэродинамическое) и обратная продувка
очищенными газами, наружным воздухом и сжатым воздухом (струйная продувка). На некоторых фильтрах сочетаются оба способа регенерации. В современных фильтрах применяется аэродинамическое встряхивание, импульсная
продувка, заключающаяся в кратковременной подаче сжатого воздуха под давлением 0,4—0,8 МПа.
Основные рабочие параметры тканевых рукавных фильтров — скорость
фильтрации, гидравлическое сопротивление, сопротивление перед регенерацией, периодичность и время регенерации. Для тканевых фильтров целесообразны
небольшие скорости фильтрации, м3/(м2⋅мин): для синтетических тканей 0,3—
0,8, для естественных тканей 0,6—1,2. При регенерации импульсной продувкой
скорости фильтрации могут быть увеличены в 1,5—2 раза. Более высокие скорости фильтрации нежелательны, так как это приводит к необходимости частой
регенерации, способствующей изнашиванию тканей. Исключение составляют
случаи очистки аспирационного воздуха с входной запыленностью менее 1 г/м3.
Гидравлическое сопротивление фильтров перед регенерацией достигает 750—
1500 Па. Периодичность регенерации зависит от входной запыленности газов
или воздуха. Регенерация импульсной продувкой происходит без отключения
фильтра из цикла фильтрации. Длительность импульса 0,1—0,2 с, частота 5—
10 импульсов в минуту на каждый рукав.
Эффективность очистки в рукавных тканевых фильтрах при соблюдении
требований к условиям их работы и нормальном состоянии рукавов весьма высокая. По данным многочисленных испытаний промышленных установок, остаточная концентрация пыли после тканевых фильтров составляет 5—50 мг/м3
при входной запыленности 5—15 г/м3.
Общий вид каркасного рукавного фильтра с импульсной продувкой приведен на рис. 15.1. В таких фильтрах каждый рукав одевается на каркас. При регенерации аэродинамическое встряхивание за счет импульса сжатого воздуха
сочетается с обратной продувкой, так как струя сжатого воздуха эжектирует в
рукав часть очищенных газов. Управление электромагнитными клапанами сжатого воздуха автоматизировано.
Для общепромышленного применения разработаны фильтры типа ФРКИ с
импульсной продувкой каждого каркасного рукава. Типоразмерный ряд включает пять фильтров: ФРКИ-30, ФРКИ-60, ФРКИ-90, ФРКИ-180, ФРКИ-360 с
общей поверхностью фильтрации от 30 до 360 м2. Диаметр рукавов 135 м, высота 2—3 м, число рукавов от 36 до 288, расход сжатого воздуха на импульсную продувку рукавов при их регенерации 10—120 м3/ч.
170
Рис. 15.1. Фильтр рукавный каркасный с импульсной продувкой (ФРКИ):
1 — рукав; 2 — крышка; 3 — клапанная секция импульсной продувки; 4 — коллектор;
5 — корпус; 6 — бункер; 7 — люк
15.2. Электрофильтры
Электрическая очистка газов осуществляется в электрофильтрах, принцип
работы которых заключается в следующем. Газы, содержащие взвешенные частицы, проходят через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных между ними на некотором расстоянии коронирующих
электродов, к которым подведен выпрямленный ток высокого напряжения.
Возникающая разность потенциалов вызывает электрический разряд у коронирующих электродов, который называется коронным из-за своего внешнего проявления. Особенность этого разряда состоит в том, что он не распространяется
на весь газовый промежуток. Образующиеся в зоне коронного разряда газовые
ионы (положительные и отрицательные) движутся под действием сил электрического поля к электродам, а отрицательные ионы — к осадительным электродам, и на этом пути они сталкиваются с частицами пыли, которые заряжаются
отрицательно. Затем частицы движутся к осадительным электродам и осаждаются на них. По мере накопления слоя частиц они удаляются с осадительных
электродов встряхиванием и попадают на дно электрофильтра.
Важнейшими характеристиками электрофильтра являются прилагаемое
напряжение Uр и потребляемый ток і. Зависимость і = f(Uр), называемая вольтамперной характеристикой электрофильтра, используется для оценки условий его работы. Рост напряжения, прилагаемого к электродам, ограничен пробойным напряжением Uпр, при котором происходит дуговой разряд и электрофильтр отключается от питания. Поэтому практически рабочее напряжение Uр
на электрофильтре должно обеспечивать условие Uкр < Uр < Uпр (Uкр — критическое напряжение, при котором возникает коронный разряд). Необходимо
стремиться, чтобы Uкр было как можно ближе к Uпр, так как при этом достига171
ются наилучшие условия для зарядки и осаждения частиц. Сложность соблюдения этого условия состоит в том, что пробойное напряжение Uпр не является
постоянной величиной и зависит от количества и температуры очищаемых газов, их запыленности и влажности, толщины слоя пыли на электродах, эффективности работы механизмов встряхивания. Поэтому достижение высокой эксплуатационной степени очистки зависит от возможности автоматического регулирования оптимального рабочего напряжения на электрофильтре.
Применяемые в промышленности однозонные электрофильтры классифицируют по ряду особенностей. В зависимости от типа осадительных электродов
различают электрофильтры пластинчатые и трубчатые, а по способу удаления
частиц пыли с осадительных электродов — сухие и мокрые. В сухих электрофильтрах пыль удаляется с осадительных электродов встряхиванием, в мокрых
— промывкой водой. В зависимости от направления движения газов электрофильтры подразделяют на горизонтальные и вертикальные. По числу электрических полей (активных зон), через которые очищаемые газы проходят последовательно, электрофильтры подразделяют на однопольные и многопольные.
Кроме деления на отдельные поля электрофильтры разбивают на параллельные
по ходу газов камеры-секции. По этому признаку электрофильтры разграничивают на одно-, двух- и трехсекционные. Разделение электрофильтров на секции
позволяет отключать одну из секций для производства ремонтных работ без остановки технологического агрегата. Однако для этого требуется независимое
электрическое питание и отключение каждой секции.
Важнейшие характеристики электрофильтров:
а) активное сечение — свободное сечение для прохода газов в активной
зоне электрофильтра;
б) активная длина поля — протяженность поля в направлении газов;
в) активная высота электродов — высота коронирующих и осадительных
электродов в границах активной зоны;
г) поверхность осаждения осадительных электродов — суммарная поверхность осадительных электродов в активной зоне электрофильтров.
Электрофильтры различной производительности отличаются друг от друга
площадями активного сечения и осаждения, высотой электродов, активными
длинами электрических полей и коронирующих электродов. В отрасли для очистки дымовых газов СРК и в некоторых случаях для очистки дымовых газов
энергетических котлов паропроизводительностыо более 100 т/ч применяют
отечественные и импортные сухие, главным образом горизонтальные двухсекционные электрофильтры. Для очистки дымовых газов СРК применяются электрофильтры серии ЭГА, общий вид приведен на рис. 15.2.
Активную зону электрофильтра составляет система С-образных широкополосных осадительных электродов и игольчатых коронирующих электродов
рамной конструкции. Шаг между одноименными электродами 300 мм, ширина
одного элемента осадительного электрода 640 мм, число элементов в одном поле 4—8, что дает соответственно активную длину поля 2,56; 3,2; 3,84; 4,48;
5,12 м. Число полей — от двух до четырех.
172
Рис. 15.2. Электрофильтр ЭГА:
1 — газораспеределительная решетка; 2 — осадительные электроды; 3 —
коронирующие электроды; 4 — опорно-проходные изоляторы; 5 — механизмы
встряхивания электродов; 6 — корпус; 7 — газоотсекающие листы; 8 — бункеры
Система осадительных и коронирующих электродов размещается внутри
металлического сварного или железобетонного корпуса. Активное сечение по
ширине электрофильтра образуют газовые проходы между электродами, число
которых составляет от 10 до 88.
Применение игольчатых коронирующих электродов позволяет увеличить
плотность тока короны по сравнению с проволочными и ленточными коронирующими электродами, относящимися к электродам без фиксированных разрядных точек. Необходимость в игольчатых коронирующих электродах возникает, в первую очередь, в случаях улавливания так называемых высокоомных
пылей, т. е. пылей, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением. Газораспределительная решетка в электрофильтре служит для равномерного распределения газов в активном сечении. Она изготовлена из перфорированных листов с живым сечением до 45 % и устанавливается па входе газов в электрофильтр. Для предохранения решетки от забивания пылью она
снабжается механизмом встряхивания. Кроме газораспределительной решетки
в электрофильтре для исключения прохода очищаемых газов вне активной зоны
устанавливаются газоотсекающие листы. Уловленная в электрофильтре пыль
после встряхивания осадительных электродов падает в нижнюю часть корпуса,
который может быть оборудован бункерами для сбора уловленной пыли или
иметь плоское дно с цепным конвейером. Последний вариант применяется в
электрофильтрах на СРК. Для очистки дымовых газов СРК применяют двух- и
трехпольные электрофильтры ЭГА.
173
Установка электрической очистки газов включает в себя собственно электрофильтр и преобразовательную подстанцию, основным оборудованием которой являются агрегаты питания электрофильтров, каждый из которых состоит
из регулятора напряжения, трансформатора и выпрямителя. Все современные
агрегаты питания могут обеспечивать автоматическое регулирование рабочего
напряжения, которое может достигать 50 кВ при среднем значении выпрямленного тока до 300 мА. На каждое электрическое поле следует устанавливать самостоятельный агрегат питания. Подключение нескольких электрических полей к одному агрегату приведет к тому, что электрический режим всегда будет
соответствовать режиму поля с худшими условиями по установке электродов,
режиму их встряхивания и др. Для первого по ходу газов поля и последующих
полей следует создавать различные выходные параметры по току и напряжению с учетом свойств улавливаемой пыли.
Контрольные вопросы к главе 15
1. В чем состоит сущность фильтрации газов через тканевые рукавные фильтры и как зависит их эффективность от режимных параметров?
2. Из каких основных стадий состоит процесс очистки газов в электрофильтре и их режимные параметры?
3. Какие можно перечислить характеристики применяемых электрофильтров?
Глава 16. Технология пылеулавливания
в различных производствах
16.1. Пылеулавливание при регенерации реагентов
в производстве целлюлозы
Пылеулавливание при сжигании щелоков в содорегенерационных
котлах (СРК). При сжигании черного щелока в СРК имеются два источника
выделения взвешенных частиц — топка и бак-растворитель плава. Взвешенные
частицы в топке образуются как дисперсная фаза аэрозоля конденсационного
происхождения и состоят в основном из Nа2SO4. Количество газов зависит от
расхода черного щелока на сжигание, содержания в нем сухих веществ, а также
от степени уплотнения газового тракта. Температура газов на выходе из котла
может составлять 140—230 °С в зависимости от наличия или отсутствия в схеме СРК каскадного испарителя и степени развития конвективных поверхностей
нагрева котла. Влажность газов составляет в среднем 25 %. Такие условия не
позволяют применять для улавливания взвешенных частиц рукавные фильтры.
Требуемая степень очистки дымовых газов СРК от взвешенных частиц составляет 95—97 % для предприятий большой единичной мощности и 90—92 % для
небольших предприятий, оснащенных СРК производительностью 200—250 т
абсолютно сухого вещества черного щелока в сутки. Однако поскольку сульфат
натрия является основным реагентом, вводимым в производственный цикл для
компенсации потерь щелочи и серы, то целесообразно достижение и более высоких значений степени очистки газов. Преимущественное содержание в пыле174
вом уносе мелких частиц и высокая требуемая степень очистки газов в сочетании с параметрами газов за котлом обусловили повсеместное применение электрофильтров. Исключение при выборе типа пылеуловителя составляют СРК
небольшой производительности, оснащаемые высоконапорными скрубберами
Вентури, на которых в качестве орошающей жидкости используется черный
щелок после выпарной станции с концентрацией сухих веществ 50—55 %, уплотняемый в скруббере до концентрации 60 %.
На рис. 16.1 приведена схема очистки дымовых газов СРК в электрофильтре. Уловленный пылевой унос поступает в бак с мешалкой, смешивается в нем с
черным щелоком, подаваемым с выпарной станции, затем поступает в проточный ящик каскадного испарителя и далее, проходя через смеситель сульфата, откачивается циркуляционными насосами в топку СРК на сжигание и регенерирование соды. Таким образом, уловленный в электрофильтре пылевой унос полностью возвращается в производственный цикл регенерации соды. Эффективность
работы электрофильтра зависит от ряда факторов, а также от качества его изготовления, ремонта и обслуживания. Следует также отметить, что при очистке
дымовых газов СРК отрицательное влияние на эффективность и состояние электрофильтра может оказывать: вынос капель черного щелока из каскадного испарителя на газораспределительную решетку и в активную зону электрофильтра
вследствие увеличения скорости газов в каскадном испарителе из-за подсосов
воздуха по газовому тракту; использование мазута для «подсветки» при работе
СРК при сниженной нагрузке, а также работа только на мазуте с направлением
газов через электрофильтр, что приводит к «зарастанию» газораспределительной
решетки продуктами недожога и корродированию электродов.
Рис. 16.1. Схема очистки
дымовых газов СРК
в электрофильтре:
1 — топка СРК; 2 — щелоковые
форсунки; 3 — смеситель для
сульфата натрия; 4 — каскадный
испаритель; 5 — проточный ящик
каскадного испарителя; 6 — электрофильтр; 7 — дымосос; 8 — бак
опорожнения электрофильтра;
9 — насосы
В случаях, когда после электрофильтра устанавливается газоочистная установка, схема пылеулавливания становится двухступенчатой. Вторая ступень
при нормальной работе электрофильтров и использовании струйных газопромывателей может обеспечивать степень очистки от взвешенных частиц 50—
60 %. Газоочистная установка может также компенсировать снижение эффективности электрофильтра из-за ухудшения работы системы встряхивания оса175
дительных электродов, так как в этом случае из электрофильтра будут выноситься агрегированные частицы, которые легче улавливаются. Однако при этом
может снизиться надежность системы циркуляции жидкости в установке, а
также могут возникнуть трудности с использованием отработанной жидкости,
особенно на предприятиях, вырабатывающих беленую целлюлозу. Взвешенные
частицы в баке-растворителе плава образуются в результате взаимодействия
плава со струей слабого белого щелока, подаваемого на его распыление, и массой зеленого щелока в растворителе плава. Температура парогазов на выходе из
бака-растворителя плава составляет 90—100°С. Количество парогазов зависит
от количества поступающего плава, температуры взаимодействующих сплавом
жидкостей, величины подсоса наружного воздуха в растворитель плава. Основным компонентом парогазов являются водяные пары, содержание которых может составлять 50—70 %. Образующиеся при распылении и растворении плава
взвешенные частицы имеют размеры 5—20 мкм и состоят в основном из
Nа2СО3. Схема рекуперации реагентов, уносимых с парогазами из бакарастворителя плава, включающая улавливание взвешенных частиц в струйном
газопромывателе, показана на рис. 6.4 (см. главу 6). Использование теплообменника в этой схеме перед струйным газопромывателем позволяет не только
рекуперировать тепло от конденсации водяных паров, но и значительно сократить количество парогазов, а значит, и размеры струйного газопромывателя.
Каплеуловитель применяется в данном случае только гравитационного типа,
так как транспортировка парогазов осуществляется за счет эжекции, создаваемой трубой-смесителем и самотяги вытяжной трубы. Для предотвращения каплеуноса скорость парогазов в каплеуловителе не должна превышать 0,5 м/с.
Условия для эжектирования парогазов обеспечиваются при удельном расходе
орошающей жидкости (слабый белый щелок или конденсат парогазов) не менее
1,5 л/м3 и давлении подачи жидкости около 800 кПа. При таких условиях степень очистки от взвешенных частиц составляет 92—94 %.
Пылеулавливание при обжиге каустизационного шлама в известерегенерационных печах (ИРП). Во вращающихся ИРП, получивших повсеместное применение на сульфатцеллюлозных предприятиях, пылевой унос образуется в результате механического увлечения частиц из зон обжига, подогрева и
подсушки. Количество газов на выходе из печи зависит от следующих величин:
количества сжигаемого мазута и обжигаемого каустизационного шлама, коэффициента избытка воздуха, подсоса наружного воздуха в холодную головку печи. Температура газов на выходе печи определяется перечисленными соотношениями и, кроме того, зависит от влажности шлама и величины добавки камня-известняка, вводимого в печь для компенсации потерь шлама в цикле. Диапазон изменения температуры газов на выходе из печи 140—170 °С, влажность
газов в среднем 25 %. Значительные пределы изменения температуры и влажности газов обусловили преимущественное применение для очистки дымовых
газов ИРП метода мокрой механической очистки.
Для различных условий размещения предприятий по отношению к жилой
застройке требуемая степень очистки дымовых газов ИРП составляет 92—97 %.
176
Схема очистки дымовых газов ИРП приведена на рис. 16.2. Очистка газов
от взвешенных частиц осуществляется в установке со струйным газопромывателем. Удельный расход орошающей жидкости должен составлять не менее
1,2 л/м3 при давлении подачи жидкости около 800 кПа для достижения степени
очистки газов 93—94 %. Температура газов после газоочистки 60—65 °С. Рекомендации по организации каплеулавливания в таких установках приведены в
главе 14. Более высокая степень очистки газов ИРП (96—97 %) в установке со
струйными газопромывателями может достигаться при двух ступенях очистки.
Рис. 16.2. Схема очистки
дымовых газов ИРП:
1 — теплообменник; 2 — струйный газопромыватель второй
ступени; 3 — струйный газопромыватель первой ступени; 4 —
насос; 5 — дымосос; 6 — печь
В связи с необходимостью резкого сокращения водопотребления орошающая жидкость должна использоваться повторно или для орошения следует
применять отработанную воду из других технологических процессов. На некоторых предприятиях используется схема работы струйного газопромывателя с
оборотным орошением и с осветлением циркулирующей жидкости в отделе
каустизации. Такая схема может быть применима только при наличии резервного осветлителя и ее использование связано со значительными затруднениями,
так как оборотная осветленная жидкость будет иметь рН не менее 11—11,5, при
котором могут образовываться отложения карбоната и сульфита кальция в трубах и форсунках.
Рекуперация пыли, уловленной жидкостью из газов, достигается при направлении жидкости на промывку каустизационного шлама. Без опасности нарушения материального баланса каустизации из цикла циркуляции может откачиваться 20—25 % жидкости. Применение для орошения вместо свежей воды
конденсата с выпарных станций приводит к выделению Н2S в газы и поэтому
нецелесообразно. К такому же отрицательному результату приводит использование в качестве орошающей жидкости слабого белого щелока из каустизации
при работе с циркуляцией. Перспективным направлением снижения потребления воды мокрой газоочисткой ИРП может быть применение на первой ступени
сухой очистки со степенью очистки 80—85 %. В этом случае добавку свежей
воды снижают до 0,2 л/м3 газов.
177
16.2. Пылеулавливание в процессах деревообработки
Пылеулавливание при производстве древесностружечных плит (ДСП).
Источники загрязнения атмосферного воздуха в технологии производства ДСП:
операции транспортирования, загрузки и выгрузки щепы, сырой и сухой стружки; процессы сушки и сортирования стружки; операция обработки (шлифования) плит. Кроме того, источниками загрязнения воздуха являются операции
переработки отходов (стружки, опилок, пыли), которые осуществляются на
различных стадиях технологического процесса с целью максимального использования отходов для производства ДСП. Для транспортирования щепы и
стружки применяют механические и пневматические транспортные устройства.
В качестве механических устройств используют ленточные и скребковые
конвейеры. Образование пыли при таком способе транспортирования незначительно и не превышает 0,1—0,3 % от массы щепы или стружки. Система пневмотранспорта является более компактной, позволяет исключить многочисленные перегрузочные операции, характерные при применении механических
транспортных устройств, значительно сократить расходы на обслуживание,
уменьшить неорганизованные источники выбросов.
К недостаткам пневмотранспортных установок, с точки зрения загрязнения
атмосферного воздуха, относятся: необходимость разгрузки транспортируемого
материала через циклон (группу циклонов), что приводит к образованию организованных источников выбросов в атмосферу, так как абсолютно полное
улавливание в циклоне дисперсной фазы практически не достигается; возможность аварийных выбросов пыли при разрыве пневмопроводов, забивании выпускных отверстий циклонов, переполнении бункеров-сборников; более высокая интенсивность пылеобразования по сравнению с механическим транспортом (до 1 % от массы щепы или стружки). Следует отметить также значительные энергозатраты на пневмотранспорт. На рис. 16.3 приведена принципиальная схема пылеулавливания при производстве ДСП при транспортировании
щепы и стружки пневмотранспортом. Основными являются три линии приготовления и пневмотранспорта — щепы, сырой и сухой стружки.
Транспортируемые материалы подаются в пневмотранспорт барабанными
шлюзовыми затворами, винтовыми или камерными питателями; стружка может
отсасываться вентиляторами непосредственно из циклонов. Количество воздуха в системе пневмотранспорта определяется условиями транспортировки материалов, исключающими их осаждение в воздуховодах. Скорость воздуха в
воздуховодах должна составлять 23—26 м/с для щепы, 16—22 м/с для стружки,
минимальные диаметры воздуховодов составляют для стружки 125 мм, для щепы 160 мм. Для пневмотранспорта щепы и стружки применяются нагнетательные и всасывающе-нагнетательные воздуходувки и вентиляторы. В первом
случае в качестве побудителей тяги используются воздуходувки типа
ТВ-80-1,6, ТВ-50-1,6 (производительностью соответственно 80 и 50 м3/мин), во
втором — вентиляторы высокого давления (до 8000 Па).
178
Рис. 16.3. Схема пылеулавливания при производстве ДСП:
1 — приготовление сырой стружки; 2 — линия пневмотранспорта; 3 — циклоны;
4 — сушка стружки; 5 — сортирование стружки; 6 — шлифование готовых плит
Данные по дисперсному составу пыли, содержащейся в транспортируемых
щепе и стружке, различны. Применяемые для улавливания щепы из системы
пневмотранспорта циклоны выполняют свои основные функции. Однако вследствие выделения пыли из этих циклонов они заменяются на предприятиях на
циклоны типа «К». Эти циклоны получили широкое распространение и для
улавливания стружки, так как имеющиеся в циклонах типа «Ц» жалюзийные
сепараторы имеют склонность к забиванию стружкой. В большинстве случаев
достигаемая в циклонах типов «К» и «Ц» степень очистки 96—98 % соответствует требуемым значениям. Обычно на линиях перекачки стружки пневмотранспортом устанавливают группы циклонов, имеющие общий бункер. Для
таких групп необходима внутренняя перегородка в бункере на всю его высоту,
так как при остановке одной из линий внутри бункера будут возникать перетоки между циклонами через их выпускные отверстия, отрицательное действие
которых аналогично подсосам воздуха из атмосферы в бункер при расположении циклона на всасывающей стороне вентилятора.
Количество газов, поступающих вместе с высушиваемой стружкой из сушилки на циклонную установку, зависит от количества сжигаемого в топке топлива (мазут, древесная пыль, мазут + древесная пыль), количества рециркулирующих газов, влаги, испаряемой из стружки, и плотности газового тракта. Для
улавливания сухой стружки и пыли из газов применяют циклоны типов «К»
или «Ц», а также другие типы цилиндрических циклонов. Наиболее мелкая
пыль образуется при шлифовании готовых плит на калибровочношлифовальных станках. Интенсивность образования пыли в данном случае
179
аналогична интенсивности на шлифовальных деревообрабатывающих станках.
Расход отсасываемого воздуха составляет 6000—8000 м3/ч. Для очистки воздуха следует устанавливать конические циклоны, например типа УЦ-38, так как
цилиндрические циклоны в данном случае не позволяют достигнуть требуемой
степени очистки (η = 92—96 %). Уловленная пыль используется в производстве
или направляется на сжигание в топки сушильных установок.
Пылеулавливание при механической обработке древесных материалов. При механической обработке древесных материалов в результате воздействия на них режущего или шлифовального инструмента образуются древесные
частицы — кусковые, отщепы, стружка, опилки, пыль. Во всех процессах деревообработки, кроме шлифования и полирования, вращающийся режущий инструмент станка сообщает древесным частицам значительную скорость вылета,
что приводит к загрязнению рабочего места и воздуха в рабочей зоне. Для предотвращения травматизма и создания требуемых санитарно-гигиенических условий деревообрабатывающие станки снабжаются местными отсосамипылеприемниками, через которые вместе с отсасываемым воздухом удаляются
древесные частицы. Стремление максимально удалить древесные частицы от
мест их образования приводит к тому, что в отсасываемом воздухе находятся во
взвешенном состоянии древесные частицы размерами от нескольких сантиметров до нескольких десятков микрон. В большинстве процессов деревообработки (пилении, строгании, фрезеровании, сверлении) собственно пыль, т. е. частицы с размерами dч ≤ 200 мкм, составляют небольшую долю от общей массы
образующихся частиц. Преобладание весьма крупных, с точки зрения пылеулавливания, фракций древесных частиц нередко приводит к неверному выводу
о простоте решений по пылеулавливанию. При этом не учитывается, что из-за
высокой интенсивности пылеобразования содержание наиболее мелких фракций может быть настолько значительным, что использование обычно применяемых для пылеулавливания древесных частиц циклонов не позволит обеспечить нормативы ПДВ.
Пылеобразование при шлифовании древесных материалов имеет другой
характер, чем при их обработке режущим инструментом. Пыль в этом случае
образуется в результате взаимодействия абразивных частиц шлифовальной
ленты с поверхностью обрабатываемого материала. В результате воздействия
абразивных частиц образуются измельченные древесные частицы размерами
dч < 200 мкм. При шлифовании поверхностей, покрытых слоем полиэфирного
лака, интенсивность образования пыли достигает 0,8 кг/ч, а при полировании
поверхностей (после шлифования) 0,1—0,3 кг/ч. Приведенные данные по интенсивности образования пыли относятся непосредственно к времени работы.
Поэтому при определении валовых выбросов, т/год, по общему фонду рабочего
времени нужно учитывать коэффициент загрузки оборудования.
На каждом производственном участке устанавливают несколько станков.
Для объединения воздуха, отсасываемого от отдельных станков, применяют
коллекторы. В зависимости от типа и числа станков, присоединенных к одной
вентиляционной системе, общее количество воздуха, поступающего в коллек180
тор, может составлять 1200—30000 м3/ч. Местные отсосо-пылеприемники разработаны для конкретных типов станков и их характеристики приведены в
справочной литературе. В воздуховодах-ответвлениях от отдельных станков
скорость воздуха должна быть такой, чтобы не происходило отложения древесных частиц на стенках. Для этого скорость воздуха в зависимости от дисперсности частиц и положения воздуховода (вертикального или горизонтального)
должна составлять 14—20 м/с. Коллектор, в который поступает запыленный
воздух из воздуховодов-ответвлений, может представлять собой: 1) воздуховод
переменного сечения; 2) сборник цилиндрической, шаровой или конической
формы; 3) магистральный воздуховод. В деревообработке наиболее распространены коллекторы-сборники, занимающие среднее положение между первым и третьим типами коллекторов и наиболее необходимые при числе объединяемых станков до 8—12. Принципиальная технологическая схема пылеулавливания при процессах деревообработки приведена на рис. 16.4. Запыленность воздуха на выбросе в атмосферу от процессов деревообработки, по укрупненным данным, не должна превышать 60—120 мг/м3, т. е. степень очистки
должна быть не менее 97—98 %. При соблюдении проектных параметров работы циклонов такая степень очистки достигается на основных процессах, кроме
шлифования при одноступенчатой схеме очистки.
Рис. 16.4. Схема пылеулавливания от деревообрабатывающих станков:
1 — местные отсосы-пылеприемники; 2 — воздухоотводы-ответвления от станков;
3 — коллектор; 4 — сборный воздуховод; 5 — циклон; 6 — вентилятор
Установлены следующие области применения циклонов, распространенных в деревообработке при улавливании: кусковых отходов и крупной стружки
— циклоны Гипродрев; стружки, опилок и относительно крупной пыли — циклоны ОЭКДМ (или типа «К»); кусковых отходов, опилок и пыли с размерами
частиц dг ≥ 70 мкм — циклоны Гипродревпром (типа «Ц»); более мелкой пыли,
в т. ч. от процессов шлифования — циклоны УЦ-38, вместо которых могут
быть применены конические циклоны НИИОГаз.
Общие виды этих типов циклонов (кроме циклона УЦ-38) приведены на
рис. 13.1 (глава 13). При улавливании пыли от процессов шлифования и поли181
рования требуемая степень очистки может быть в ряде случаев достигнута
только в двухступенчатой пылеулавливающей установке, имеющей ступени:
сухая механическая — мокрая механическая или сухая механическая — сухая
фильтрующая. В качестве мокрой ступени очистки могут быть применены аппараты ПВМС или ПВМП, причем последние — для улавливания полировальной пыли, не смачиваемой водой. Для увеличения смачиваемости этой пыли
могут быть применены добавки ПАВ и пеногасителя. При улавливании пыли
лаковой пленки бункеры циклонов и рукавных фильтров необходимо оборудовать нейтрализаторами зарядов, а объемы самих бункеров должны быть ограничены. Древесные отходы, уловленные в пылеулавливающих аппаратах, выгружаются из бункеров периодически. Применяемые для этой цели шиберные
затворы и затворы челюстного типа должны быть подогнаны таким образом,
чтобы исключить вторичное загрязнение воздуха из-за негерметичности.
Транспортировка уловленных древесных отходов производится машинами,
график работы которых должен быть составлен на основе предварительной
оценки времени заполнения бункеров циклонов (не более 2/3 их высоты). Пневмотранспорт может применяться как для перекачки уловленной пыли непосредственно из пылевыпускных отверстий циклонов в циклоны-разгрузители,
так и для подачи уловленных древесных отходов в утилизационную котельную.
Трудности в использовании древесных отходов заключаются в том, что они
улавливаются обычно в виде смеси, а для утилизации (кроме сжигания) пригодны отдельные их виды. Для отдельных видов отходов возможны следующие
пути утилизации: при производстве ДСП и ДВП; на предприятиях местной
промышленности для производства товаров культурно-бытового назначения
методом прессования в пресс-формах; в сельском хозяйстве и животноводстве;
в промышленности строительных материалов.
16.3. Золоулавливание при сжигании
твердого топлива и древесных отходов
В процессе сжигания топлива в топке котла органическая часть топлива
сгорает, образуя продукты сгорания. Минеральная часть топлива является балластом. Частично она оплавляется, образуя шлак, который удаляется через
шлаковые воронки, расположенные под топкой. Остальная ее часть называется
золой, а ее частицы, выносимые дымовыми газами из топки, — летучей золой.
В обычных камерных топках, в которых твердое топливо сжигается в пылевидном состоянии, унос золы из топки характеризуется коэффициентом уноса
αун = 0,75—0,95. При слоевом сжигании топлива αун = 0,1—0,3. Количество дымовых газов на выходе из котла зависит от вида и расхода топлива на сжигание,
коэффициента избытка воздуха α за котлом, который при отсутствии сверхнормативных подсосов равен 1,25—1,3 для котлов, оборудованных камерными
топками, и 1,3—1,4 — для котлов со слоевыми топками.
В соответствии с классификацией аэрозолей (см. главу 12) унос золы по
механизму его образования относится к классу пылей, так как он возникает в
результате механического увлечения частиц золы продуктами сгорания органи182
ческой части топлива. При слоевом сжигании топлива летучая зола характеризуется преобладанием более крупных по размерам частиц (dт = 20—80 мкм),
чем при камерном сжигании топлива (dт = 15—40 мкм). Запыленность дымовых
газов зависит от содержания минеральной части в топливе, т. е. от Ар, %, и может составлять от 5 до 60 г/м3. При сжигании древесных отходов, имеющих малую зольность, запыленность дымовых газов не превышает 1,5—2,0 т/м3. Требуемая очистка газов от взвешенных частиц зависит от количества золы в дымовых газах, расстояния до жилой застройки, уровня фонового загрязнения атмосферного воздуха, других факторов и составляет ηтр ≥ 70—98 %.
Применение золоуловителя позволяет достигать требуемой степени очистки. Котлы весьма малой паропроизводительности (до 1 т/ч) обычно работают на
естественной тяге, т. е. без дымососов, что создает трудности в оснащении их
газоочисткой. Для условий работы на естественной тяге НИИОГаз разработал
циклон ЦМС-27, имеющий угол наклона входного патрубка 27º и в связи с этим
весьма малое гидравлическое сопротивление. Котлы паропроизводительностью
до 2,5 т/ч оборудуют одиночными или групповыми циклонами НИИОГаз типа
ЦН-15. При паропроизводительности котлов от 6 до 50 т/ч их оборудуют батарейными циклонами, которые изготавливают секционными и с неодинаковым
числом циклонных элементов в разных секциях. Например, марка
БЦ-2-4 (3 + 2) означает батарейный циклон, предназначенный для улавливания
золы при сжигании угля, двухсекционный с четырьмя элементами по глубине и
пятью по фронту (по ширине), причем в большей секции размещены три элемента, а в меньшей два. Секционирование и возможность отключения одной
секции позволяют достигать требуемой степени очистки при работе котла на
сниженной нагрузке. Степень очистки газов в правильно смонтированных и хорошо эксплуатируемых батарейных циклонах может составлять 82—88 %.
Некоторые недостатки батарейных циклонов отмечены в главе 13. Для
предупреждения перетоков газов в случаях, когда степень очистки не удается
достигнуть, применяют принудительный отсос части газов (до 10 %) из бункера. Отобранные газы проходят очистку в выносном одиночном циклоне, а затем
подаются отдельным вентилятором в газовый тракт, расположенный перед батарейным циклоном. Для выгрузки золы из бункеров батарейных циклонов
применяют устройства периодического и непрерывного действия. Выбор устройств непрерывного действия зависит от способа транспортирования золы.
При пневмотранспорте уловленной золы используют устройства для выгрузки
золы в сухом виде, а при гидрозолоудалении выгрузка золы обеспечивается золосмывными аппаратами. Схемы с мокрыми золоуловителями следует применять, когда требуемая степень очистки не может быть достигнута при использовании сухих золоуловителей. Применяемые в настоящее время на действующих предприятиях центробежные золоуловители типа ЦС-ВТИ и МП-ВТИ заменяются низконапорными скрубберами Вентури (скрубберами МС-ВТИ).
Мокрое золоулавливание в условиях оборотного орошения приводит к образованию трудноудаляемых отложений СаSO3 и СаСO3 в золоуловителях, трубопроводах, форсунках. Для предотвращения образования отложений необхо183
димо обеспечить добавку к оборотной воде 15—20 % технической воды, ограничить применение мокрой газоочистки при повышенном содержании свободного СаО в топливе. Установлено, что отложения не образуются при рН орошающей жидкости не более 9—9,5. Для очистки дымовых газов от сжигания
коры и других древесных отходов по условиям пожароопасное целесообразно
применять мокрое золоулавливание в скрубберах МС-ВТИ. Повышенная пожароопасность золы корьевых котлов обусловлена наличием в ней недожога (до
20 %). Для предотвращения сернокислотной коррозии газоходов, элементов золоуловителя и дымососов орошение мокрых золоуловителей следует прекращать при переходе энергетических и корьевых котлов на сжигание мазута. При
сухом способе золоулавливания зола от сжигания твердого топлива может применяться при изготовлении строительных материалов. Мокрое золоулавливание сопровождается выщелачиванием золы, она представляет собой инертный
материал и может быть использована в дорожных работах.
Контрольные вопросы к главе 16
1. В чем состоит очистка дымовых газов СРК от взвешенных частиц?
2. Как проводят очистку дымовых газов ИРП от взвешенных частиц?
3. В чем состоят особенности пылеулавливания в процессах деревообработки?
184
РАЗДЕЛ VI. ОЧИСТКА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ
АТМОСФЕРУ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Выделение газообразных компонентов из общего газового потока на основе их взаимодействия с жидкими и твердыми поглотителями относится к широкому кругу процессов, объединяемых общим понятием сорбция. Применительно к газовым выбросам сорбционные процессы в основном используют для
очистки газов: санитарной, предупреждающей загрязнение атмосферы; промышленной, предотвращающей потери ценных компонентов; и смешанной,
включающей как промышленную (первоначальную) зону, так и санитарную
(заключительную). Процессы химического удаления загрязняющих атмосферу
газообразных компонентов, связанные с переводом вещества в менее токсичные соединения, используют для обезвреживания выбросов, преимущественно
для санитарной очистки.
Процесс поглощения газообразных компонентов жидкими поглотителями
называется абсорбционным. Аппараты, применяемые в указанном процессе, называются абсорберами, а поглощающая жидкость — абсорбентом. Процесс извлечения газообразных компонентов из общего газового потока твердыми поглотителями (адсорбентами) называется адсорбционным, а аппараты, применяемые в этом процессе, адсорберами, поглощаемое вещество адсорбтивом,
поглощенное адсорбатом. Химическое превращение газообразных компонентов в относительно безвредные соединения при повышенных и высоких температурах называется термическим и осуществляется в реакторах, камерах сгорания, топках. Термические методы обезвреживания классифицируют на методы
каталитического дожигания и сжигания в пламени. Каждый из отмеченных методов очистки газов находит применение в целлюлозно-бумажном производстве. Однако наиболее распространенным из них является абсорбционный метод.
Вместе с тем, все более жесткие нормативные требования к выбросам в атмосферу предопределяют перспективность применения адсорбционных и термических методов обработки газов.
Глава 17. Абсорбционный метод очистки газов
В настоящее время имеются теоретические и экспериментальные данные,
которые позволяют рассчитать большинство известных систем абсорбтив —
абсорбент и разработать схему абсорбционной газоочистной установки. Предварительный выбор необходимого типа абсорбера может быть выполнен по величинам константы фазового распределения, числу единиц переноса, соотношению расходов жидкой и газовой фаз (удельного расхода абсорбента). Окончательный выбор конструкции абсорбера определяется условиями его привязки
к конкретному источнику выбросов. Технологический расчет абсорбционного
процесса и абсорбера предусматривает выбор абсорбента, определение эффективности извлечения газообразного компонента из выбросов в атмосферу данным абсорбентом (или конечной концентрации его в очищенном газе), расход
185
абсорбента, геометрические размеры абсорбера (диаметр, высота активной части), подбор и расчет вспомогательного оборудования, определение условий
эксплуатации абсорбционной установки. Исходными данными для расчета абсорбционной установки являются: объемный расход газового потока, его температура и состав, требуемая конечная концентрация извлекаемого вещества в
очищенном газе (или эффективность очистки его), характеристика местных условий, для которых проводится расчет.
17.1. Характеристика абсорберов
Для очистки газов в ЦБП применяются поверхностные, барботажные и
распыливающие абсорберы. Из поверхностных абсорберов наибольшее распространение получили насадочные. Для насадочных абсорберов характерны следующие гидродинамические режимы: барботажный, подвисания, пленочный и
уноса. Барботажный режим соответствует максимальной эффективности абсорбера. Однако в этом режиме работа аппарата неустойчива и существенно зависит от расхода газового потока, изменение которого приводит к резкому изменению гидравлического сопротивления, гидродинамического режима и эффективности массообмена. Относительно более стабильным в этом отношении является режим подвисания. Барботажный режим следует рассматривать как
верхний предел нагрузки абсорбера по газу и жидкости.
Для конкретных условий абсорбции существует оптимальная приведенная
скорость газового потока (отнесенная к свободному сечению абсорбера), являющаяся функцией приведенных затрат на очистку. Основным рабочим телом
насадочных абсорберов является насадка, которая выпускается в России в виде
колец Рашига, Палля и седел «Инталокс». В целлюлозно-бумажном производстве чаще всего используются кольца Рашига. Способ укладки насадки зависит
от напора, развиваемого вентилятором, и константы фазового распределения m.
При небольших значениях m и низконапорном вентиляторе (большом объеме
газа) целесообразно применять насадку, уложенную регулярно правильными
рядами или блоками. При относительно высоких значениях т, небольшом объеме газа и наличии высоконапорного вентилятора целесообразнее применять
насадку, уложенную в навал. Насадочные абсорберы относятся к интенсивным
аппаратам. Их интенсивность Uн составляет для хорошо растворимых газов
(3600—7200) ч–1, уменьшаясь с увеличением константы т. Повышение производительности насадочных абсорберов возможно при использовании прямоточного движения фаз. В этом случае возможно повышение скорости газового
потока в сечении абсорбера до 10 м/с (без опасности брызгоуноса) при меньших значениях гидравлического сопротивления по сравнению с противоточными абсорберами. В целлюлозно-бумажном производстве насадочные абсорберы
(противоточные) применяются для очистки газов варочного и кислотного цехов
сульфитцеллюлозного производства, варочного, выпарного цеха и цеха побочных продуктов сульфатцеллюлозного производства, отбельных цехов.
Из барботажных абсорберов наиболее распространены ситчатые, пенные и
с провальными тарелками. При выборе барботажных абсорберов следует учи186
тывать, что они могут работать при любых значениях константы т, относительно невысоких расходах абсорбента; абсорберы обеспечивают высокое число единиц переноса (более 10), являются высокоинтенсивными (Uн = 3600—
60000 ч–1). Для барботажных абсорберов характерны следующие гидродинамические режимы: неравномерный, равномерный (пенный) и режим газовых
струй и брызг. Наиболее устойчивым и практически реализуемым режимом является равномерный (скорость 0,9—2,5 м/с).
Ситчатые тарелки представляют собой пластины с круглыми (диаметром
2—10 мм) или щелевыми (шириной до 4 мм) отверстиями. Через них проходит
газовый поток и барботируется через слой поглотительного раствора, находящегося на тарелке. Уровень этого слоя регулируется высотой порога переливного устройства, аналогичного применяемому на колпачковых тарелках. При
нормальном режиме работы ситчатой тарелки через отверстия проходит только
газовый поток. Если расход газов падает, поглотительный раствор также проходит через отверстия; в этом случае тарелка работает в провальном режиме.
Разновидностью аппаратов с ситчатыми тарелками являются пенные аппараты.
Тарелки провального типа отличаются простотой конструкции, так как не
имеют переливного устройства. Отличительная особенность таких тарелок —
неравномерность барботажа, так как через одни отверстия проходят газы, а через другие сливается поглотительный раствор. Одни и те же отверстия могут
попеременно пропускать сначала газы, а затем раствор. Тарелки провального
типа, так же, как и ситчатые, могут работать только в сравнительно узком диапазоне расходов газового потока, так как при низкой и высокой скоростях газов
на тарелках не будет слоя поглотительного раствора. Эффективность работы
тарелок провального типа, на которых полностью перемешивается жидкость,
несколько ниже, чем у ситчатых. По конструкции тарелки провального типа
разделяются на дырчатые, решетчатые, щелевые, трубчатые, гофрированные с
различной перфорацией.
К барботажным абсорберам условно относят также абсорбер с подвижной
насадкой. Эти абсорберы относятся к высокоинтенсивным и перспективным
аппаратам. Абсорбер с подвижной насадкой (рис. 17.1) представляет собой колонну, разделенную по высоте рядом опорных решеток, на которые насыпан
слой насадки. В качестве такого слоя обычно используют полые или сплошные
шары из полиэтилена, полипропилена и других пластических масс. Газовый поток, проходя через отверстия в решетках, воздействует на насадку, орошаемую
поглотительным раствором, поддерживая ее во взвешенном состоянии. Возможное перемещение насадки по высоте аппарата определяется расстоянием
между опорной и ограничительной решетками. Если корпус аппарата разбит на
ряд секций, опорная решетка вышерасположенной секции является ограничительной для нижерасположенной. Живое сечение опорной решетки 0,35—0,45,
а ограничительных (конечной или промежуточных) 0,8—0,9 от площади сечения корпуса аппарата в месте установки этих решеток. Высота слоя насадки в
неподвижном состоянии составляет 0,2—0,3 м, а расстояние между решетками
1,0—1,5 м.
187
Рис. 17.1. Абсорбер
с подвижной насадкой:
1 — ороситель; 2 — ограничительная решетка;
3 — опорные решетки; 4 — шаровые насадки
Допускается скорость газового потока в поперечном сечении корпуса аппарата 2,5—5,0 м/с при плотности орошения 25—100 м/ч.
Абсорберы с подвижной насадкой применяются тогда, когда обе или одна
из фаз загрязнены твердыми нерастворимыми веществами. Из-за интенсивного
движения насадки она, как и отверстия в решетках, не забивается этими веществами. Абсорберы отличаются устойчивой работой в широком диапазоне изменения нагрузок по газу и жидкости. Недостатками абсорберов являются
сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, брызгоунос и износ насадки в процессе работы.
Распыливающие абсорберы применяются для очистки дымовых газов известерегенерационных печей, СРКА; они используются в системах регенерации
сульфитных щелоков. Основными факторами, обусловливающими применение
их для очистки больших объемов газов, являются высокое значение линейной
скорости газового потока в сечении абсорберов, использование абсорбционных
систем с малым значением константы т, отсутствие необходимости в достижении большого числа единиц переноса. Обычно такие абсорберы целесообразно
применять для очистки газов, когда сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе, а извлекаемый газ хорошо растворяется в абсорбенте. Из
распыливающих абсорберов при очистке отходящих газов целлюлознобумажного производства получили распространение полые абсорберы, скрубберы Вентури, струйные (эжекторные) газопромыватели (СГП); характеристика
и общий вид их приведены в главе 14.
188
17.2. Схемы абсорбционных установок
В абсорбционном методе различают разомкнутые и циркуляционные схемы очистки. Выбор схемы зависит от возможности повторного использования
абсорбента: в разомкнутых схемах (рис. 17.2) нет стадии регенерации абсорбента, тогда как циркуляционные схемы (рис. 17.3) основаны на замкнутом
цикле абсорбента. На рис. 17.2, а показана простейшая схема разомкнутого
процесса очистки. Газовый поток поступает в абсорбер снизу, сверху противотоком подается абсорбент. В схеме, приведенной на рис. 17.2, б, предусмотрена
частичная рециркуляция абсорбента (но без его регенерации).
Рис. 17.2. Схемы разомкнутых
абсорбционных процессов:
а — простейшая схема; б — с частичной
рециркуляцией; 1 — абсорбер; 2 — насос
Разомкнутые схемы отличаются простотой аппаратурно-технологического
оформления и высокой эффективностью очистки из-за применения абсорбентов, практически не содержащих извлекаемого из газового потока компонента
или содержащего его в связанной форме. Кроме того, в разомкнутых схемах
можно использовать сильные нерегенерируемые хемосорбенты, обеспечивающие тонкую очистку. Достоинством разомкнутых схем является также малый
расход энергии на очистку из-за отсутствия стадии регенерации. Такие схемы
наиболее целесообразны, если в качестве абсорбента используют технологические растворы, сточные воды или когда необходима тонкая очистка.
Характерным примером разомкнутой схемы является абсорбция сернистых
соединений щелочными технологическими растворами в производстве целлюлозы. Простейшая типовая циркуляционная схема очистки приведена на
189
рис. 17.3, а. Абсорбент, насыщенный веществом, поглощаемым из газового потока в абсорбере 1, поступает в десорбер (регенератор) 3, где происходит обратный процесс — выделение поглощенного компонента, после чего абсорбент
вновь поступает на абсорбцию. Выделение компонента происходит в основном
путем его десорбции или окисления в жидкой фазе. Окисление предусматривается при хемосорбционном оформлении процесса. Десорбция происходит
вследствие сдвига равновесия в системе газ — жидкость в сторону уменьшения
растворимости газа путем отдувки каким-либо газом (воздухом, паром) или парами абсорбента. Окисление проводится обычно воздухом. Если регенерация
абсорбента происходит при нагревании, в схему включают оборудование для
подвода тепла к системе, его отвода и рекуперации. Такие усложнения схемы
обусловлены необходимостью снизить энергию, затрачиваемую на процесс
(рис. 17.3, б).
Рис. 17.3. Схемы циркуляционных процессов:
а — регенерация отдувкой; б — регенерация с применением нагрева; 1 — абсорбер;
2 — насос; 3 — десорбер (генератор); 4 — холодильник; 5 — кипятильник;
6 — теплообменник
Технологическое оформление циркуляционных схем определяется физикохимическими особенностями процесса абсорбции. Для хемосорбции характерны следующие особенности: возможность абсорбции при низком парциальном
давлении поглощаемого газа; относительно низкая циркуляция абсорбента; повышенный расход тепла на десорбцию; возрастание коррозии и протекание по190
бочных реакций. В циркуляционных схемах снижается расход абсорбента, но
возрастает расход электроэнергии и усложняется технологическое оформление
процесса.
Действующие на целлюлозно-бумажных предприятиях абсорбционные установки работают по разомкнутой схеме. Схемы установок очистки парогазовых выбросов от сероводорода, диоксида серы, метилсернистых соединений,
хлора и диоксида хлора различаются конструкцией абсорберов, их числом и габаритными размерами, составом вспомогательного оборудования и условиями
использования отработанного абсорбента. Такие установки действуют в варочном, выпарном, кислотном, отбельном цехах, цехе (заводе) побочных продуктов и др. Наиболее мощными по объему выбросов в целом и по количеству загрязняющих веществ являются отходящие газы СРК, ИРП и ТЭС. Выбор схемы
очистки дымовых газов СРК зависит от схемы подготовки и сжигания черного
щелока. При отсутствии установки окисления черного щелока и наличии каскадного испарителя проблема очистки отходящих газов сводится к удалению из
них метилмеркаптана, сероводорода и диоксида серы. При отсутствии каскадного испарителя задача очистки упрощается вследствие уменьшения концентрации в газах сероводорода и сводится в основном к выделению из них диоксида серы. Абсорбция сернистых газов в обоих случаях осуществляется с помощью щелочных (рН = 12) или нейтральных (6 ≤ рН ≤ 8) растворов. Применение различных поглотительных растворов вызвано: сочетанием требований,
предъявляемых к степени очистки, с затратами на процесс обезвреживания газовых выбросов; различием начальных концентраций серосодержащих газообразных соединений в зависимости от схем СРК и технологических режимов
сжигания черного щелока; необходимостью обеспечения селективности абсорбции серосодержащих газообразных компонентов из дымовых газов; применением сульфатных щелоков (помимо каустической или кальцинированной
соды) для подщелачивания циркулирующего поглотительного раствора.
Селективная абсорбция серосодержащих газообразных соединений, обусловленных наличием в газах большого избытка диоксида углерода, осуществляется регулированием продолжительности контакта фаз с целью сохранения
на определенном уровне химических свойств поглотительного раствора в конце
процесса (при щелочной абсорбции), а также подготовкой поглотительного
раствора с определенными химическими свойствами к началу процесса абсорбции (при абсорбции нейтральными растворами). Для повышения поглотительной способности абсорбционного раствора в него вводят твердые или жидкие
активирующие добавки. Этот способ наиболее эффективен при щелочной абсорбции, так как позволяет менее жестко регулировать продолжительность
контакта фаз. Щелочная абсорбция серосодержащих газообразных компонентов при значительном содержании двуокиси углерода предусматривает максимальное значение рН поглотительного раствора (не ниже 12,5) в конце процесса. При более низком конечном рН происходит интенсивная десорбция этих
компонентов.
191
С целью повышения селективности абсорбции сероводорода разработана
отечественная установка (рис. 17.4), в которой укорочена труба-смеситель и
использованы высокоэффективные каплеуловители, поэтому значительно сокращается продолжительность контакта дымовых газов. Установка имеет ряд
недостатков, которые не позволяют достигнуть высокой эффективности (90—
94 %) извлечения из газов сероводорода. Основные недостатки разработанной
схемы связаны с нестационарностью режима работы котлоагрегата и колебанием сульфидности щелока.
Рис. 17.4. Схема установки очистки дымовых газов СРКА:
1 — вход газов после электрофильтров; 2 — первая ступень;
3 — коллектор с форсунками; 4 — вторая ступень; 5 — каплеотделитель;
6 — выход очищенных газов; 7 — теплообменник; 8 — бак
Более надежным и эффективным в отношении селективного извлечения
сероводорода из дымовых газов СРК является применение в качестве абсорбента нейтрального сульфит-бисульфитного раствора натрия. Сульфитбисульфитный раствор получают при поглощении из дымовых газов диоксида
серы слабощелочным раствором солей натрия. Сероводород и диоксид серы
поглощаются из дымовых газов в узких пределах рН (6—8), когда поглощения
диоксида углерода практически не происходит. При небольших отклонениях в
кислую область абсорбция сероводорода ухудшается. Очистка дымовых газов
по этому способу может быть реализована как по разомкнутой, так и циркуляционной схеме. Схема промышленной разомкнутой установки приведена на
рис. 17.5. Использование такой установки целесообразно при отсутствии в схеме СРК каскадного испарителя (или его присутствии при обеспечении эффективного окисления черного щелока).
192
Рис. 17.5. Схемы абсорбера для очистки дымовых газов СРК
и получения теплой воды:
1 — дымовые газы; 2, 3 — зоны промывки газов; 4 — зона регенерации
тепла; 5 — очищенный газ; 6 — холодная вода; 7 — теплая вода;
8 — подача раствора гидроксида натрия; 9 — реакционный бак; 10 — слив
в растворитель плава; 11 — перелив; 12 — вода для охлаждения газов;
13 — предварительная промывка; 14 — конечная промывка;
15 — сборник раствора; 16 — форсунки
Основным аппаратом установки является полый скруббер, который имеет
несколько зон орошения, каждая из которых несет определенную нагрузку.
Первая ступень промывки предназначена для улавливания сероводорода и до
30 % сернистого ангидрида, вторая — для поглощения остатков сернистого ангидрида. Циркулирующий поглотительный раствор подщелачивается в промежуточном баке до рН 7,5—8 и направляется на орошение второй ступени промывки. В результате абсорбции сернистого ангидрида в растворе образуются
сульфиты и бисульфиты натрия, и его рН понижается до 6,0—6,5. Далее раствор направляется на орошение первой ступени. Избытки, поглотительного
раствора сбрасываются в бак-растворитель плава СРК. На остальные ступени
орошения подается вода для ее нагрева с целью утилизации тепла дымовых газов. Для более эффективной очистки газов от диоксида серы целесообразно повышать рН орошающей жидкости до 9,0, при поглощении сероводорода рекомендуется поддерживать рН орошающей жидкости в пределах 6,5—7,5. Вместо
193
полого абсорбера в данной схеме могут быть использованы и другие распыливающие абсорберы, в частности струйный газопромыватель.
Очистку дымовых газов при наличии в схеме СРК каскадного испарителя
рекомендуется проводить в две отдельные ступени: на первой ступени из газов
извлекается диоксид серы (частично и сероводород) с получением сульфитбисульфитного раствора, который используется на второй ступени для извлечения из газов сероводорода. При этом в раствор вводят катализаторы окисления, проводимого в интервале рН 8,0—10,0. Отработанный абсорбент выводится в растворитель плава. В качестве подщелачивающего реагента в рассмотренных схемах используется слабый белый щелок, который смешивается с сульфит-бисульфитным раствором. При этом происходит окисление сульфидной
серы до тиосульфатной (политионатной), что приводит к отсутствию сульфида
натрия в орошающей жидкости. Недостатком этой схемы, по сравнению с первой, является меньшее содержание в газах диоксида серы (поглощаемого черным щелоком в каскадном испарителе), что обусловливает необходимость добавки его извне.
Эффективность извлечения сероводорода и диоксида серы, которая может
быть практически достигнута по этому способу, составляет соответственно
70—80 и 90—98 %. Организация данного способа по рециркуляционной схеме
предполагает регенерацию абсорбента путем, например, жидкофазного окисления тиосульфата натрия (основного продукта в отработанном растворе) до
сульфита в специальном аппарате. В настоящее время для очистки дымовых газов СРК и ИРП получают распространение способы, предусматривающие применение гетерогенных и гомогенных катализаторов. Эти способы предполагают
и решение проблемы селективного извлечения сероводорода и метилмеркаптана из газов. Катализаторами, вводимыми в щелочной поглотительный раствор,
служат окислы железа, гидроокиси металлов (например, марганца), фенольные
соединения и их производные, сульфофталоцианины кобальта и др. Известна
промышленная установка, в которой предусмотрена добавка активированного
угля к щелочному поглотительному раствору. Этот уголь вместе с раствором
предварительно аэрируют, что приводит к насыщению поверхности угля и его
пор адсорбированным им кислородом. Обезвреживание газообразных компонентов восстановленной серы, содержащихся в дымовых газах СРК, протекает
в два этапа. Первоначально эти компоненты абсорбируются щелочным раствором (при этом образуются неустойчивые в условиях контакта с дымовыми газами химические соединения сульфидов и меркаптидов натрия). Затем на поверхности и в порах активированного угля адсорбируются образовавшиеся химические соединения, которые вступают в реакцию с кислородом, ранее адсорбированным углем. Взаимодействие кислорода с сульфидом и меркаптидом натрия приводит к их окислению, образованию устойчивых соединений и снижению концентрации этих веществ в поглотительном растворе, абсорбционная
емкость которого возрастает.
Более перспективным является применение для очистки отходящих газов
СРК и ИРП от сероводорода гомогенных катализаторов, например, натриевых
194
солей сульфофталоцианина кобальта, вводимых в щелочные растворы (содовый, слабый и крепкий белый щелок). Впервые такой способ апробирован для
очистки парогазовых выбросов окислительной установки черного щелока. Схема газоочистной установки приведена на рис. 17.6. Установка позволяет извлекать из газов H2S и ММ при начальной их концентрации в потоке 5—100 мг/м3
с эффективностью 90—98 %; при этом извлекаются и органические сульфиды с
эффективностью 65—90 %. Абсорбция проводится при температуре 360—
365 К и концентрации тетрасульфофталоцианина кобальта 15—200 мг/л. Основным продуктом окисления сероводорода является тиосульфат.
Рис. 17.6. Схемы установки абсорбционно-каталитического
окисления соединений сульфидной серы:
1, 2 — струйные газопромыватели; 3 — каплеуловители;
4 — теплообменник; 5 — насос
Для очистки дымовых газов данный способ целесообразно проводить по
циркуляционной схеме, предусматривающей регенерацию катализатора. При
относительно высоких начальных концентрациях сероводорода в газах (2—
4 г/м3) возможно получение на его основе в качестве продукта серы. В этом
случае схема установки значительно усложняется. Для очистки дымовых газов
ТЭС абсорбционным методом необходимы установки, в которых абсорбентом
являются растворы и суспензии, используемые затем в качестве технологических растворов. Такими абсорбентами могут быть растворы и суспензии гидро195
ксидов натрия, аммония, магния, кальция. Применение указанных абсорбентов
предполагает использование уловленного SO2 в производственном цикле и
снижение мощности кислотного отдела. В этом случае отходящие газы ТЭС
могут служить источником сырья (в виде SO2) для сульфитцеллюлозного производства. Если использовать диоксид серы дымовых газов ТЭС нельзя, их целесообразно очистить известняковым (известковым) методом по следующей
схеме (рис. 17.7). В настоящее время разработано большое число различных вариантов этого метода. Наиболее простые схемы, обеспечивающие низкие капитальные затраты, дают возможность получать неутилизируемый шлам, состоящий из смеси солей кальция. При этом шлам после обезвоживания подвергается захоронению. В более сложных схемах за счет дополнительного узла окисления возможно получение в качестве продукта утилизации гипса — сырья для
стройматериалов. Большинство схем отличается лишь конструкцией абсорберакаплеуловителя или вспомогательного оборудования. В качестве абсорберов
применяют скрубберы Вентури, полые скрубберы и аппараты со взвешенным
слоем насадки.
Рис. 17.7. Схемы известнякового процесса очистки газов:
1 — труба Вентури для улавливания пыли; 2 — абсорбер; 3 — подогреватель газов;
4 — каплеуловитель; 5 — сборник суспензии известняка;
6, 7 — циркуляционные сборники; 8 — промежуточный сборник шлама
Проводятся большие работы по совершенствованию известкового способа,
которые в основном сводятся к поиску различных добавок, позволяющих повысить его эффективность и экономические показатели (увеличение скорости
окисления СаSО3, уменьшение отложений солей кальция и др.). Применительно
к целлюлозно-бумажному производству при реализации данного способа в качестве основной составляющей абсорбента могут быть использованы сточные
196
воды щелочного характера, суспензия шлама зеленого щелока и другие отходы;
представляется возможным применение рассмотренных выше гомогенных катализаторов для интенсификации окисления CaSO3. Значительную проблему
при очистке дымовых газов ТЭС представляют оксиды азота, что не исключается и при сжигании щелоков в СРК (несмотря на более низкие значения концентрации NO в отходящих газах). Решения этой задачи, связанного с применением абсорбционного метода очистки, в настоящее время не имеется. В гидролизном производстве наиболее распространена конденсационно-абсорбционная
схема очистки неконденсируемых парогазовых выбросов от фурфурола
(рис. 17.8). Фурфурол улавливают в два этапа: сначала путем конденсации, а
затем абсорбции. Абсорбентом служит 5—10 %-й водный раствор гидроокиси
натрия, который циркулирует в цикле до тех пор, пока содержание фурфурола в
растворе не достигнет 5—6 %.
Рис. 17.8. Схема очистки парогазовых выбросов
из инверторов и сборников гидролизата:
1 — конденсаторы-теплообменники; 2 — сборник конденсата; 3 — насосы;
4 — абсорбер; 5 — бак; 6 — циклон; 7 — вентилятор
Конденсацию фурфурола и других сопутствующих веществ проводят в
трубчатых теплообменниках; при этом получают конденсат, содержащий 0,3—
0,4 % фурфурола, который можно использовать для получения товарного фурфурола на специальной фурфурольной установке. На втором этапе улавливания
фурфурола применяют абсорбер распыливающего типа. Паровоздушная смесь
и абсорбент поступают прямотоком в абсорбер и далее в его расширенную сепарационную часть, где вследствие падения скорости газа капли жидкости отделяются от парогазового потока. Эффективность очистки такой установки
197
96—98 %. Исключив ступень конденсации, данную схему можно применить
для очистки аспирационных выбросов от различных емкостей. В этом случае
конкурентоспособным может оказаться адсорбционный метод.
Для очистки аспирационных выбросов в деревообрабатывающих производствах от паров органических веществ используется разомкнутая схема с применением абсорберов пленочного типа (так называемых гидрофильтров), орошаемых
водой. Эти аппараты являются малоэффективными и обеспечивают извлечение
органических веществ не более 10—30 %. Повышение эффективности очистки
выбросов может быть достигнуто применением более интенсивных абсорберов,
работающих с большими расходами; объем воды можно сократить, используя в
качестве абсорбента подходящие сточные воды. Циркуляция абсорбента в такой
схеме возможна только при наличии химической реакции в жидкой фазе.
Контрольные вопросы к главе 17
1. В чем различие материального баланса при физической абсорбции и хемосорбции? Каково
его практическое значение?
2. Какие факторы влияют на эффективность абсорбции при хемосорбции?
3. Каково значение селективности абсорбции при извлечении из газов сероводорода в присутствии избытка CO2, SО2, NOx?
4. Каков принцип работы насадочного и ситчатого (с провальными тарелками) абсорбера?
5. Для каких систем газ — жидкость целесообразно использовать распыливающие абсорберы?
6. Какие существуют способы очистки газов от сероводорода?
Глава 18. Адсорбционный метод очистки газов
18.1. Сущность адсорбционного метода
Адсорбционный метод очистки выбросов в атмосферу, основанный на поглощении парогазообразных компонентов твердыми пористыми материалами,
обеспечивает высокую эффективность их извлечения в широком диапазоне исходных концентраций. При относительно высоких концентрациях адсорбтива
(1,0—1,5 г/м3 и выше) метод позволяет рекуперировать уловленные компоненты
и становится рентабельным. Совершенствование метода создает предпосылки к
его рентабельности при концентрации адсорбтива 0,5—1,0 г/м3. Процесс адсорбции может проводиться по физическому и хемосорбционному механизмам. Физическая адсорбция проходит при обычных и пониженных, а хемосорбция —
при повышенных температурах. Для данного способа очистки характерны следующие стадии: адсорбция (пропускание через адсорбент потока газа до требуемой степени насыщения его адсорбатом), регенерация адсорбента для извлечения адсорбата и подготовки адсорбента к работе путем сушки и охлаждения.
Внедрение метода в конкретных случаях во многом зависит от возможности использования извлеченного из адсорбента адсорбата. В качестве промышленных
адсорбентов используют активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты.
Для очистки отходящих увлажненных газов наиболее эффективны активные угли. Их активность во многом определяется соотношением макро- и микропор, переходных пор; преобладание в адсорбенте микропор обусловливает его
198
более высокую активность. Вместе с тем требуется большее количество энергии
для удаления из адсорбента поглощенного вещества. Для извлечения паров и газов промышленность выпускает рекуперационные и газовые угли. Рекуперационные угли характеризуются меньшим, по сравнению с газовыми, объемом микропор. Их целесообразно применять для очистки выбросов с концентрацией адсорбтива не менее 1 г/м3. Из рекуперационных углей получают угли марок АР-А,
АР-Б и АР-В. Уголь марки АР-А используют для улавливания паров с температурой кипения (Ткип) выше 373 К, марки АР-Б с Ткип = 330—373 К, а АР-В с Ткип <
330 К. К газовым относятся угли АГ-2 марок А и Б, АГ-3, а также СКТ-2 марок
А, БП, СКТ-3, СКТ, СКТ-6 марок А, Б. Активный уголь СКТ-2 марки А применяют для адсорбции в стационарном слое адсорбента, марки Б — в кипящем
(взвешенном) слое. Наиболее развитая пористая структура характерна для угля
СКТ-6. В целом газовые угли целесообразно использовать для очистки низкоконцентрированных газов. Суммарный объем пор для газовых углей 0,7—
1,1 см3/г (для рекуперационных 0,6—0,7 см3/г); при этом объем микропор 0,4—
0,6 см3/г (для рекуперационных 0,3—0,4 см3/г), насыпная плотность углей находится в пределах 380—600 г/см3. Адсорбционный метод наиболее эффективен
для очистки выбросов от паров органических веществ (метилсернистых соединений, метанола, формальдегида, фурфурола, паров растворителей и др.); возможно его применение и для тонкой очистки газов от сероводорода, диоксида
серы; этот метод перспективен при очистке вентиляционных выбросов с последующим использованием их в качестве приточного воздуха.
18.2. Характеристика адсорберов
Адсорберы подразделяются на аппараты периодического и непрерывного
действия. Для адсорбции веществ в стационарном слое используют обычно
вертикальные, кольцевые, реже горизонтальные адсорберы.
Адсорберы вертикального типа (рис. 18.1) обычно изготавливают сварными из листовой стали толщиной 10 мм. При наличии агрессивных примесей в газовом потоке применяют нержавеющую сталь. В нижней части корпуса адсорбера на расстоянии 500—600 мм от его днища устанавливают колосниковую решетку из керамической или металлической плиты с отверстиями, которую укладывают на литую чугунную решетку. На керамическую плиту насыпают слой
гравия высотой 100—200 мм, причем внизу слоя размещают крупные куски гравия (размером 25—30 мм), а затем последовательно более мелкие фракции (минимальный размер не менее 5 мм). Слой гравия предохраняет адсорбент от попадания капельной агрессивной жидкости, а также препятствует просыпанию мелких частиц адсорбента и забиванию отверстий плиты. После гравия укладывают
слой адсорбента, причем высота его может достигать 2,5 м. Во избежание уноса
или раздувания слой адсорбента покрывают сеткой из проволоки толщиной
0,8 мм с отверстиями размером не более 2,5 мм. Диаметр адсорберов вертикального типа 2; 2,5 и 3 м, высота цилиндрической части корпуса до 2—5 м. Газовый
поток, поступающий на очистку в адсорбер со скоростью в свободном сечении
не более 0,4 м/с (см. рис. 18.1), направляется в верхнюю часть корпуса 1 и отби199
рается через штуцер 4, установленный в конусной части днища аппарата. Пар
для десорбции адсорбата подается через специальную распределительную трубу,
установленную также в конусной части днища аппарата, а уходит по специальному штуцеру 6 в крышке аппарата. Гравий и адсорбент загружают в корпус адсорбера на колосниковую решетку через специальный люк 8 на крышке аппарата, а выгружают через люк 2. Производительность вертикальных адсорберов, как
правило, составляет 10000 м3/ч, максимально 30000 м3/ч.
Рис. 18.1. Вертикальный адсорбер:
1 — корпус; 2 — люки для выгрузки адсорбента; 3 —
патрубок для отвода очищенной ПГС и воздуха
(при сушке и охлаждении); 4 — штуцер для отвода
конденсата; 5 — барботер для подачи острого пара;
6 — патрубок для отвода паров при десорбции;
7 — патрубок для подачи ПГС; 8 — люк для загрузки адсорбента
На рис. 18.2 показан полочный адсорбер, производительность которого может достигать 100000 м3/ч. В отличие от вертикального такой адсорбер лучше
использует адсорбент при меньших значениях гидравлического сопротивления.
Существенный недостаток промышленных адсорберов с неподвижным
слоем адсорбента — относительно невысокая производительность, повышенная
металлоемкость и громоздкость аппаратуры. Это является следствием низкой
линейной скорости движения потока газа в сечении адсорбера (0,25—0,35 м/с).
Имеются и другие недостатки: неравномерность адсорбции и десорбции, что
обусловливает снижение коэффициента использования адсорбента; увеличение
времени десорбции и энергозатрат; трудности автоматизации процесса. Эти недочеты можно исключить при проведении адсорбции непрерывно, во взвешенном слое адсорбента; пропускная способность адсорбера обеспечивается более
высокими значениями линейной скорости в сечении (до 1,5—2,0 м/с). Принципиально конструкции таких адсорберов близки к барботажным тарельчатым абсорберам (с учетом применения твердой фазы).
200
Рис. 18.2. Полочный адсорбер:
1 — корпус; 2 — слой адсорбента
Для непрерывнодействующего адсорбера характерна компоновочная схема, предусматривающая расположение десорбера под адсорбером, противоточное движение адсорбента (сверху) и потока газа (снизу) в обоих аппаратах и
обратный транспорт адсорбента. Применение адсорберов непрерывного действия в настоящее время ограничено из-за отсутствия механически прочных устойчивых к истиранию адсорбентов. Поэтому заслуживает внимания использование адсорбентов мелкой грануляции в виде суспензии.
18.3. Схемы адсорбционных установок
Адсорбционный метод очистки применим в различных вариантах в зависимости от свойств улавливаемого из газов вещества и поставленной задачи. На
рис. 18.3 приведена схема установки очистки парогазовой смеси (ПГС) от паров
органических веществ, предусматривающая их рекуперацию.
В зависимости от концентрации адсорбтива в ПГС установка может работать по четырех-, трех- и двухфазному циклам. При относительно высоких концентрациях адсорбтива (не менее 3—4 г/м3) применяют четырехфазный цикл,
при средних (2—3 г/м3) — трехфазный, при концентрациях адсорбтива 1,0—
2,0 г/м3 — двухфазный. Четырехфазный цикл включает следующие стадии: адсорбцию из ПГС адсорбатива, десорбцию его подходящим носителем, сушку
адсорбента подогретым воздухом и охлаждение его атмосферным воздухом. В
трехфазном цикле обычно исключается стадия охлаждения адсорбента и совмещается со стадией адсорбции. В двухфазном цикле сушка адсорбента проводится подогретым потоком ПГС (совмещается с адсорбцией), а охлаждение
— потоком ПГС с характерной для него температурой (298—313 К). При адсорбции в стационарном слое адсорбента ПГС пропускают через него до появления на выходе из адсорбера заданной проскоковой концентрации. Затем поток ПГС переводят в другой(ие) адсорбер(ы), а первый подвергается регенерации. С этой целью через адсорбент пропускают поток носителя (чаще всего
201
острого пара). При этом поглощенное ранее вещество десорбируется и вместе с
потоком паров воды поступает в конденсатор. Конденсат направляют в сепаратор, в котором происходит выделение десорбированного вещества из воды путем механического отстаивания; в том случае, если вещество растворимо в воде, конденсат подвергают ректификации. Влажный после десорбции адсорбент
сушат горячим воздухом (дымовыми или инертными и другими газами) и охлаждают холодным воздухом (охлажденным потоком ПГС).
Рис. 18.3. Схема адсорбционной очистки выбросов в атмосферу:
1, 2 — вентиляторы; 3 — теплообменники; 4 — адсорберы; 5 — конденсатор;
6 — холодильник; 7 — сепаратор
Для проведения непрерывного процесса адсорбции по ПГС адсорбционная
установка (см. рис. 18.3) должна включать не менее двух адсорберов. При таком
проведении процесса время регенерации адсорбента не должно превышать времени адсорбции. Обычно продолжительность всех стадий процесса изображают
с помощью графиков или таблиц, называемых циклограммами. Адсорбционная
установка, схема которой приведена на рис. 18.3, применяется и для извлечения
из выбросов газообразных примесей; в этом случае адсорбат при десорбции выходит из конденсатора в газообразном состоянии. Необходимость в сепараторе
(позиция 7) отпадает. Схема предусматривает получение концентрированного
газообразного вещества с дальнейшим его использованием в производстве. Такая
схема может быть использована для очистки дымовых газов ТЭС (входящей в
состав предприятия) от SO2 с последующим использованием его для получения
варочной кислоты в производстве целлюлозы по сульфитному методу. При этом
202
десорбцию поглощенного SO2 можно проводить не только острым паром, но и
промывкой адсорбента соответствующим раствором с получением непосредственно варочной кислоты, а сушку — потоком очищенного газа. Такой способ десорбции позволяет исключить из схемы конденсатор, холодильник, сепаратор
(позиции 5, 6, 7). При достаточной концентрации кислорода в дымовых газах
ТЭС и проведении стадии адсорбции при Т = 353—383 К поглощение SO2 сопровождается окислением его в триоксид серы. Последующая промывка адсорбента
водой или раствором серной кислоты приводит к получению кислоты соответствующей концентрации, величина которой зависит от условий промывки и последующего концентрирования полученного раствора. Окислительные свойства адсорбентов в присутствии кислорода служат для окисления метилмеркаптана и
диметилсульфида при извлечении их из ПГС варочного цеха сульфатцеллюлозного производства; в качестве адсорбента рекомендован уголь сернистокалиевой активации СКТ-2, модифицированный йодистым или хлористым калием (1 % от массы угля). Если концентрация адсорбтива в отходящих газах ниже
1,0 г/м3, его рекуперация экономически нецелесообразна и схема очистки выглядит следующим образом (рис. 18.4).
Рис. 18.4. Схема установки санитарной очистки
выбросов в атмосферу:
1 — адсорберы; 2 — теплообменники;
3 — каталитический реактор (или топка)
Данная схема отличается от схемы, приведенной на рис. 18.3, способом регенерации адсорбента, который включает следующие стадии: десорбцию с последующим окислением десорбированных веществ в каталитическом реакторе
(или топке); сушку адсорбента потоком газов после реактора (топки) или очищенной ПГС, подогретой потоком газов. Эта схема предназначена для извлечения из газов паров органических веществ. Для очистки выбросов в атмосферу
203
от газообразных примесей по данной схеме целесообразно стадию десорбции
проводить промывкой адсорбента подходящим раствором с последующим его
использованием или направлением на очистные сооружения сточных вод.
Развитие адсорбционного метода очистки газов происходит в направлении
повышения производительности адсорберов и емкости применяемых адсорбентов. Повышение производительности адсорбционных установок предусматривается путем разработки скоростных адсорберов с применением высокопрочных адсорбентов, микросферических адсорбентов, суспензий адсорбентов. При
этом следует учитывать взаимосвязь скорости пропускания потока газов через
слой адсорбента с его адсорбционной емкостью. Повышение динамической емкости адсорбента (при периодическом оформлении процесса в целом и непрерывном по потоку газов) может быть достигнуто применением двухстадийной
схемы. В этом случае поток ПГС проходит через два последовательно расположенных адсорбера; в целом для проведения процесса, необходимо не менее
трех адсорберов. В двухстадийном процессе различают адсорбцию первой и
второй ступеней. Преимущество такой схемы заключается в более полном
улавливании загрязняющих веществ, повышении коэффициента использования
адсорбента, снижении расхода пара на десорбцию и возможности охлаждения и
сушки адсорбента отходящими потоками ПГС.
Повысить емкость адсорбента можно за счет рационального распределения
потоков ПГС, например, путем последовательной подачи адсорбтива в адсорбер на стадии адсорбции ПГС с переменной концентрацией — сначала с малой,
а затем с более высокой. Способ целесообразно использовать в производствах,
в которых имеются различные источники выбросов. ПГС с малой концентрацией адсорбтива необходима для начального насыщения адсорбента с одновременной его подсушкой и последующим охлаждением. В зависимости от числа
потоков ПГС охлаждение адсорбента ведется при малой или средней концентрации адсорбтива. В последней фазе в адсорбер подается охлажденная ПГС с
наиболее высокой концентрацией адсорбтива. В отличие от известных способов, в данном случае динамическая активность адсорбента повышается от фазы
к фазе (в целом на 20—30 %). При отсутствии источников выбросов ПГС с различными концентрациями адсорбтива повышение динамической емкости адсорбента на 20—35 % достигается в соответствии со схемой рис. 18.5.
Данная схема предусматривает пропускание потока ПГС через два адсорбера с различными значениями линейных скоростей: скорость ПГС в первом (1)
адсорбере 0,75 м/с. Высота слоя адсорбента в первом адсорбере рассчитывается
при условии, что концентрация адсорбтива в потоке ПГС, поступающем во
второй адсорбер, непрерывно изменяется от нуля до значения, соответствующего концентрации адсорбтива в исходной ПГС.
Достаточно простой и легко реализуемой, позволяющей повысить динамическую емкость адсорбента без существенных затрат, является схема адсорбции, приведенная на рис. 18.6. Суть ее заключается в том, что поток ПГС пропускают через слой адсорбента с градиентом температуры, уменьшающейся по
длине слоя до появления в очищенной ПГС проскоковой концентрации, после
чего направление потока и градиент температуры меняют на обратное.
204
Рис. 18.5 (слева). Схема адсорбции с различными скоростями движения ПГС:
1, 2 — адсорберы
Рис. 18.6 (справа). Схема адсорбции с изменением направления движения ПГС
Повышение емкости адсорбента при этом составляет 18—35 %. Дальнейшее ее повышение достигается при пропускании потока ПГС через адсорбент
при различном соотношении линейных скоростей: в прямом направлении
0,25—0,30 м/с, в обратном 0,125—0,05 м/с.
Контрольные вопросы к главе 18
1. От каких факторов зависит эффективность адсорбционной очистки газов? Какие из них
принимаются, рассчитываются и находятся экспериментально?
2. В чем заключаются преимущества и недостатки промышленных адсорберов? Каковы проблемы разработки непрерывных адсорберов?
3. В чем состоит сущность интенсификации адсорбционного способа?
Глава 19. Термические методы обезвреживания газов
19.1. Каталитическое обезвреживание газов
Каталитическое обезвреживание снижает загрязненность отходящих газов
и вентиляционных выбросов путем окисления или восстановления содержащихся в них вредных веществ в менее вредные. Наиболее эффективно применение этого метода для обезвреживания выбросов от органических веществ,
монооксида углерода и оксидов азота.
Общие сведения о каталитическом обезвреживании и его эффективность. Каталитическое обезвреживание осуществляется в присутствии специальных материалов-катализаторов, которые могут увеличивать или уменьшать
скорость превращения вещества или придавать этому превращению целенаправленный характер. Масса катализаторов в конце превращения остается неизменной, поэтому теоретически срок их службы неограничен. Однако в произ205
водственных условиях большинство катализаторов разрушается или при работе
постепенно дезактивируется, поэтому их необходимо периодически регенерировать или заменять новыми.
Причины разрушения катализатора могут быть физического и химического
происхождения. Физическое разрушение вызывается механическим истиранием
и спеканием. При истирании увеличивается унос тонких фракций катализатора
газовым потоком и повышается гидравлическое сопротивление слоя, а спекание
приводит к изменению структуры поверхности катализатора и потере им активности. Химическое разрушение — следствие химического взаимодействия
между составляющими катализатора и веществами газового потока, при этом
образуются стойкие продукты реакции. Химическому разрушению (дезактивации) катализатора может способствовать также накопление на его поверхности
высокомолекулярных соединений, содержащихся в поступающем на очистку
газовом потоке или образующихся при очистке в результате побочных реакций.
Дезактивацию катализатора под действием примесей, характерных для газового
потока, называют «отравлением» катализатора. Постепенная его дезактивация
из-за накопления на поверхности отложений часто происходит в процессах, при
которых образуется один или несколько нелетучих продуктов. Вследствие ускоряющего действия катализаторов понижается энергия активации химического взаимодействия от 170 до 40 кДж/моль, что необходимо для большинства
химических превращений в производственных условиях. Наряду со снижением
энергии активации нередко уменьшается и влияние концентрации реагирующих веществ на скорость их превращения.
В зависимости от фазовых соотношений между катализатором и реагирующими веществами различают реакции гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции характеризуются тем, что катализатор и исходные вещества находятся в одной фазе, тогда как при гетерогенном катализе катализатор и исходные вещества находятся в различных фазах. В связи с тем, что в газоочистке
применяют главным образом твердые катализаторы, рассмотрим только гетерогенные каталитические превращения.
В большинстве процессов очистки газов в качестве катализаторов берутся
металлы, их окислы и соли — обычно на каких-либо инертных носителях,
имеющих большую удельную поверхность и механическую прочность (хотя
применяются катализаторы и без носителей). Промышленные катализаторы могут быть самыми разнообразными по числу компонентов и фаз системы.
Промышленные катализаторы должны обладать высокой активностью,
стойкостью к каталитическим ядам, механической прочностью, термостойкостью, теплопроводностью, низкой температурой зажигания; кроме того, необходимо, чтобы форма и размер зерен катализатора обеспечивали минимальное
гидравлическое сопротивление слоя.
Большое значение имеют структурные характеристики катализатора и его
стоимость. Наиболее просто сравнивать активности различных катализаторов в
конкретном процессе при заданных условиях по степени превращения исходного вещества. При любом выражении активности она определяется свойствами
206
как катализатора, так и всей реакционной смеси, природой реагирующих веществ и их концентрациями, специфичностью и структурой катализатора, концентрацией промотора, температурой процесса и др. В России созданы разнообразные катализаторы для обезвреживания промышленных газовых выбросов
от органических веществ и оксида углерода. Наиболее типичные представители
катализаторов глубокого окисления для обезвреживания газов практически любого состава — НИИОГаз-3Д, НИИОГаз-4Д, НИИОГаз-5Д, НИИОГаз-7Д,
НИИОГаз-8Д, ИК-12-1, ИК-12-8, ИК-12-2, ИК-12-3, ИК-12-4, ШПК-1,
ШПАК-0,2.
Катализаторы марок ШПК-1 (платиновый нанесенный) и ШПАК-0,2 (палладиевый) предназначены для обезвреживания от оксида углерода газов от двигателей внутреннего сгорания и промышленных газов. Для обезвреживания газов от оксидов азота путем восстановления их до азота применяют ванадиевые
катализаторы марок СВД, БАВ; при обезвреживании газов во взвешенном слое
катализатора рекомендуется катализатор П-17,КС. Обычно обезвреживание
проводят при 473—723 К и объемных скоростях (15—30) ⋅ 103 ч–1; объемная
скорость повышается с увеличением температуры.
19.2. Сжигание в пламени
Сжигание в пламени применяется для обезвреживания отходящих газов от
токсичных горючих веществ органического происхождения (парообразных и
твердых — сажи, частиц углерода, древесной пыли и др.). Суть метода заключается в высокотемпературном (973 К и выше) окислении органических веществ до диоксида углерода и паров воды. Высокие значения температуры
процесса обусловливают высокие расходы топлива (природного газа). Это делает данный метод более дорогим по сравнению с каталитическим методом.
Метод целесообразно использовать для обезвреживания газов с относительно
высокой концентрацией горючих веществ. Основными факторами, оказывающими влияние на эффективность сжигания, являются температура, продолжительность пребывания газов в реакционной зоне и интенсивность турбулентной
диффузии. Продолжительность процесса горения складывается из времени подогрева и времени реакции окисления; при этом время подогрева значительно
больше времени реакции из-за низкого температурного градиента. Из существующих типов реакторов для сжигания отходящих газов можно выделить камерные печи, циклонные топки, паровые котлы, регенеративные установки.
В целлюлозно-бумажном, деревообрабатывающем и гидролизном производствах имеются большие объемы низкокалорийных выбросов, содержащих
значительные количества кислорода. Такие выбросы используют в качестве добавки к дутьевому воздуху при сжигании высококалорийного топлива в топках
энергетических котлоагрегатов. Необходимым условием при этом является
присутствие кислорода в выбросах концентрацией не менее 17 %; при концентрации кислорода более 17 % выбросы могут полностью заменить свежий дутьевой воздух (если их достаточно по объему).
207
При разработке такого метода обезвреживания следует, однако, учитывать,
что он является конкурентоспособным по отношению к каталитическому дожиганию, если источник выброса находится на расстоянии от котельной не более
1000 м. Наибольшее распространение в промышленности получили в основном
двухступенчатые циклонные печи. Рабочее пространство такой печи разделено
на две камеры: первая предназначена для сжигания топлива, вторая — для
смешения высокотемпературных продуктов горения топлива с обезвреживаемым газом и окисления составляющих газа. Воздух и газы подаются в топку
тангенциально: воздух — в первую камеру, газы — во вторую.
Наиболее перспективными и экономичными являются реакторы регенеративного типа, которые состоят из камеры сгорания и двух (или более) слоев регенеративной насадки из огнеупорного материала. За счет реверсивного движения обезвреживаемого газа через реактор слои насадки обеспечивают поочередную смену периодов нагрева и охлаждения, то нагреваясь продуктами горения топлива, то отдавая аккумулированное тепло обезвреживаемому газу.
Реверсирование движения газового потока через слои насадки осуществляется либо изменением направления его движения, либо вращением цилиндрического слоя насадки при неизменном направлении движения газа. Схема регенеративного реактора приведена на рис. 19.1. Реактор может работать в автотермическом режиме, если теплота сгорания газов не менее 40 кДж/нм3.
Рис. 19.1. Многокамерный регенераторный реактор:
1 — камера сгорания; 2 — огнестойкие решетки-жалюзи; 3 — насадка;
4 — решетки; 5 — выходной коллектор; 6 — дроссельный клапан;
7 — входной коллектор; 8 — теплоизоляция; 9 — горелка
Основными направлениями усовершенствования регенеративных реакторов являются: повышение эффективности обезвреживания, снижение удельного
расхода топлива, интенсификация теплообмена в насадках, организация процесса сжигания топлива в отношении его надежности и др.
208
19.3. Схемы установок термического обезвреживания
Наиболее распространенная схема каталитического обезвреживания отходящих газов приведена на рис. 19.2. Газовый поток поступает в пылеуловитель,
далее в теплообменник, в котором нагревается до температуры зажигания катализатора за счет тепла газов, выходящих из реактора.
Рис. 19.2. Схема каталитического обезвреживания ПГС:
1 — вход газов; 2 — пылеуловитель; 3 — теплообменник;
4, 5 — реакторы; 6 — вентиляторы
Обезвреженные газы после теплообменника направляются в атмосферу.
Тепло газов перед выбросом в атмосферу можно вторично использовать. Данная схема применима, если на обезвреживание подаются газы с высокой концентрацией загрязняющих веществ, обеспечивающей выделение тепла за счет
реакции их окисления, достаточного для проведения процесса в автотермическом режиме. В случае, когда тепла выделяется недостаточно (низкоконцентрированные газы), в схеме теплообменника необходимо установить камеру
сгорания (или топку) с подачей в нее природного газа; количество природного
газа тем больше, чем меньше концентрация обезвреживаемого вещества и, следовательно, адиабатический разогрев. Обычно расход топлива составляет 15—
25 кг/1000 м3 выбросов. Каталитический метод используется на целлюлознобумажных предприятиях для обезвреживания парогазовых выбросов варочного
цеха от метилсернистых соединений.
Схема очистки и обезвреживания ПГС приведена на рис. 19.3. Схема предусматривает две стадии. На первой, абсорбционной, стадии предусмотрена
двухступенчатая очистка ПГС от ММ, скипидара, метанола, ДМС, ДМДС. На
второй, санитарной, стадии происходит каталитическое окисление остаточных
концентраций указанных веществ. ПГС, содержащая остаточные концентрации
загрязняющих веществ, по линии 14 подается в теплообменник 15, куда также
вводится через калорифер часть вентиляционных выбросов из линии 12 (калорифер включается только при пуске установки). После смешения с горячим
209
воздухом газ из теплообменника направляется в реактор, где в результате реакции окисления температура поднимается до 773 К. Выделяющееся при этом тепло используется для нагрева ПГС до 553 К. По линии 21 обезвреженная ПГС
поступает в насадочный скруббер для улавливания SO2 водой от последней
ступени промывки целлюлозы. Отработанная вода вновь используется при
промывке целлюлозы. Очищенная ПГС вентилятором выводится в атмосферу.
Рис. 19.3. Схема очистки и обезвреживания ПГС:
1 — линия водно-скипидарной эмульсии; 2 — насос; 3 — аккумулятор;
4 — линия пополнения водой; 5 — регулировочный вентиль; 6 — линия черного щелока;
7 — теплообменник; 8 — линия подачи ПГС; 9 — СГП первой ступени; 10 — линия подачи
ПГС на вторую ступень очистки; 11 — СГП второй ступени; 12 — линия подачи
вентиляционных выбросов; 13 — калорифер; 14 — линия подачи ПГС после абсорбции;
15 — теплообменник; 16 — байпасная линия; 17 — регулятор температуры; 18, 20 — датчики температуры; 19 — реактор; 21 — линия обезвреживания ПГС; 22 — скруббер;
23 — линия воды; 24 — линия очищенной ПГС; 25 — вентилятор
Сжигание в пламени отходящих газов в специальных топках на целлюлозно-бумажных, деревообрабатывающих и гидролизных предприятиях практически не распространено. Заслуживают внимания предложения по сжиганию некоторых отходящих газов в топках технологических агрегатов, в частности в
известерегенерационных печах. Обезвреживание отходящих газов от оксидов
азота, содержащих относительно невысокое количество кислорода, осуществляется обычно по схеме, приведенной на рис. 19.2, и предусматривает восстановление их до молекулярного азота и паров воды в присутствии подходящего
восстановителя: аммиака, монооксида углерода, водорода и др.
Контрольные вопросы к главе 19
1. В чем состоят различия промышленных катализаторов?
2. Какая взаимосвязь между режимом катализа и конструкцией катализатора?
3. Какие условия необходимы для проведения обезвреживания в автотермическом режиме?
210
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная учебная литература
1. Вальдберг, А. Ю. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Защита атмосферы [Текст] : учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по напр. 656600 «Защита окружающей
среды» / А. Ю. Вальдберг, Н. Е. Николайкина. — Москва : Дрофа, 2008. — 239 с.
2. Ветошкин, А. Г. Процессы и аппараты защиты окружающей среды [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Г. Ветошкин ; Университетская библиотека онлайн (ЭБС). —
Москва : Абрис, 2012. — 639 с. — Режим доступа: http://www.biblioclub.ru/book/117487/.
3. Воронов, Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод [Текст] : учеб. для студ. вузов,
обуч. по спец. «Водоснабжение и водоотведение» напр. подготовки дипломированных
специалистов «Строительство» / Ю. В. Воронов, С. В. Яковлев ; под ред. Ю. В. Воронова.
— 4-е изд., доп. и перераб. — Москва : АСВ, 2006. — 704 с.
4. Нарыков, В. И. Гигиена водоснабжения [Электронный ресурс] : учеб. пособие /
В. И. Нарыков, Ю. В. Лизунов, М. А. Бокарев ; Университетская библиотека онлайн
(ЭБС). — Санкт-Петербург : СпецЛит, 2011. — 119 с. — Режим доступа:
http://www.biblioclub.ru/book/105045/.
5. Штокман, Е. А. Очистка воздуха [Текст] : учеб. пособие для студ., обуч. по напр.
653500 «Строительство» / Е. А. Штокман. — Москва : АСВ, 2007. — 312 с.
6. Яковлев, С. В. Водоотведение и очистка сточных вод [Текст] : учеб. для студ. вузов,
обуч. по спец. «Водоснабжение и водоотведение» / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов ; под
ред. Ю. В. Воронова. — 3-е изд., доп. и перераб. — Москва : АСВ, 2004. — 704 с.
Дополнительная литература
7. Бернер, Г. Я. Технология очистки газа за рубежом [Электронный ресурс] : справ. /
Г. Я. Бернер ; Университетская библиотека онлайн (ЭБС). — Москва : Новости теплоснабжения,
2006.
—
262
с.
—
Режим
доступа:
http://www.biblioclub.ru/index.php?page=book&id=56224.
8. Швыдкий, В. С. Очистка газов [Текст] : справ. / В. С. Швыдкий, М. Г. Ладыгичев. —
Москва : Теплоэнергетик, 2002. — 790 с.
211
_______________________________________________________________________________________
Учебное издание
Казакова Елена Геннадиевна, ст. преподаватель
Леканова Тамара Леонардовна, доцент, кандидат химических наук
УСТАНОВКИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ
_______________________________________________________________________________________
Сан.-эпид. заключение № 11.РЦ.09.953.П.000015.01.09
_______________________________________________________________________________________
Подписано в печать 21.10.14. Формат 60 × 90 1/16. Уч.-изд. л. 15,3. Усл. печ. л. 13,3.
Тираж 36. Заказ №
.
_______________________________________________________________________________________
Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский
государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ),
167982, г. Сыктывкар, ул. Ленина, 39, institut@sfi.komi.com, www.sli.komi.com
_______________________________________________________________________________________
Редакционно-издательский отдел СЛИ. Отпечатано в СЛИ.
212