umm_235

Федеральное агенство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Ю.С. РЫБАКОВ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Конспект лекций для студентов всех форм обучения
специальности
280202 – Инженерная защита окружающей среды
Екатеринбург
2005
УДК 574 (075.8)
Р 93
В конспекте лекций рассматриваются общие вопросы управления и защиты природы от загрязнения, научные основы технологических процессов, приведены схемы очистки газовых и жидких выбросов, методы и средства утилизации и переработки промышленных отходов, мероприятия по защите окружающей среды от шума и электромагнитных полей. Особое место уделяется
устройству, расчету и проектированию основных аппаратов для очистки обезвреживания и утилизации отходящих газов, сточных вод, промышленных и бытовых отходов.
Конспект лекций предназначен для студентов очной и заочной форм обучения, специализирующихся в области защиты окружающей среды, а также для
преподавателей, специалистов и руководителей различных отраслей науки и
производства.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Автор: Ю.С. Рыбаков, д-р техн. наук, профессор кафедры инженерной защиты окружающей среды
Рецензенты:
А.М. Черняев – д-р техн.наук, профессор, заместитель директора Российского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов МПР РФ
(РосНИИВХ), заслуженный деятель науки России;
В.Г. Березюк – д-р хим.наук, профессор, заведующий кафедрой общей химии и природопользования Уральского гос.техн.ун-та (УГТУ-УПИ).
ISBN
© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2005
© Ю.С.Рыбаков, 2005
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Глава 1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ . . . 10
1.1. Основные понятия и законы природоохранных технологий . . . . . . . . . 10
1.1.1. Два вида переноса вещества и энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2. Движущая сила технологического процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3. Закономерности переноса массы и энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4. Классификация и принципы оптимизации основных
технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2. Теплообменные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1. Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.2. Конвекция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3. Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.4. Теплоносители и их свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5. Теплоотдача при конденсации пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.6. Теплопередача при кипении жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.7. Процессы выпаривания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3. Массообменные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.1. Массопередача, массоотдача и массопроводность . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2. Абсорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.3. Ректификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.4. Адсорбция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.5. Ионный обмен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.6. Экстракция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.7. Сушка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.8. Кристаллизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем . . . . . . . . . 35
1.4.1. Классификация неоднородных и гетерогенных систем . . . . . . . . . . . 35
1.4.2. Процессы осаждения под действием силы тяжести и в поле
центробежных сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.4.3. Фильтрование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.4. Коагуляция и флокуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.5. Флотация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.5. Химические и биохимические процессы, протекающие при очистке вод 43
1.5.1. Химические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.5.2. Сущность отдельных химических процессов и их роль в
природоохранных технологиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.5.3. Биохимические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6. Воздействие транспорта на окружающую среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.6.1. Влияние предприятий железнодорожного транспорта
на окружающую среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3
1.6.2. Основные процессы, протекающие при воздействии транспорта
на окружающую среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.6.3. Характеристика топлив, используемых на объектах транспорта . . . . . 54
1.6.4. Характеристика основных токсичных веществ, содержащихся
в отработавших газах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Глава 2. ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ . . . 61
2.1. Общие вопросы защиты атмосферы от загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.1. Источники загрязнения атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.2. Нормирование качества атмосферного воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1.3. Классификация источников загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2. Пассивные методы защиты атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.1. Стадия проектирования предприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.2. Инвентаризация и расчет предельно допустимых выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.3. Установление санитарно-защитных зон вокруг предприятия . . . . . . . . 69
2.2.4. Расчет высоты трубы для рассеивания газовоздушных выбросов . . . . 71
2.3. Методы очистки отходящих газов от аэрозолей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.1. Сухие пылеуловители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.3.2. Мокрые пылеуловители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.3. Электрофильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.4. Фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.3.5. Туманоуловители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.4. Очистка промышленных выбросов от токсичных газовых примесей. . . . 88
2.4.1. Метод абсорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.4.2. Метод хемосорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.4.3. Адсорбционные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.4.4. Методы каталитической очистки газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.4.5. Метод термической очистки газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.5. Методы и устройства для очистки выхлопных газов карбюраторных
и дизельных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.5.1. Нейтрализаторы отработавших газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5.2. Фильтры для улавливания дисперсных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.5.3. Использование новых рабочих процессов и видов энергоресурсов . . . 99
2.5.4. Очистка отработавших газов при реостатных испытаниях тепловозов 100
Глава 3. ЗАЩИТА ВОДНОГО БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ . . . . . . . . . 102
3.1. Общие вопросы защиты водных объектов от загрязнения . . . . . . . . . . . . 102
3.1.1. Характеристика водопользования и водопотребления . . . . . . . . . . . . . .102
3.1.2. Критерии качества воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.1.3. Качество вод, используемых в промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2. Пассивные методы защиты гидросферы от загрязнения . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.1. Особенности канализования сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.2. Условия выпуска сточных вод в городскую канализацию . . . . . . . . . . 110
3.2.3. Расчет предельно допустимого сброса вредных веществ
в водные объекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4
3.2.4. Установление водоохранных зон и прибрежных защитных полос . . . 114
3.3. Классификация сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3.1. Классификация по принципу допустимости использования
в оборотном водоснабжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.3.2. Классификация сточных вод по дисперсному составу примесей . . . . 118
3.3.3. Классификация сточных вод в зависимости от растворенных
примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
3.4. Механические (физические) методы очистки сточных вод . . . . . . . . . . .119
3.4.1. Процеживание и отстаивание примесей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.4.2. Осветление сточных вод, улавливание жиров и нефтепродуктов . . . .127
3.4.3. Фильтрование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4.4. Гидроциклонирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.5. Химические, физико-химические и биологические методы очистки
и обезвреживания сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.5.1. Химическая очистка сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.5.2. Физико-химические методы очистки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.5.3. Методы биологической очистки сточных вод в естественных
условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.5.4.Методы биологической очистки сточных вод в искусственных
условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.5.5. Доочистка сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Глава 4. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ БЫТОВЫХ
И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.1. Опасность отходов для окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.1.1. Источники возникновения твердых отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.1.2. Классификация отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.1.3. Нормирование допустимого количества отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2. Основные технологические принципы утилизации, обезвреживания
и захоронения отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2.1. Размещение отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.2. Переработка отходов на месте складирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.2.3. Переработка отходов пластических масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.2.4. Сжигание отходов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.2.5. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов . . . . . . . . . . 170
4.3. Утилизация и ликвидация осадков сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.3.1. Технологический цикл обработки осадков сточных вод . . . . . . . . . . . 171
4.3.2. Уплотнение, стабилизация и кондиционирование осадков . . . . . . . . . 172
4.3.3. Обезвоживание и ликвидация осадков сточных вод . . . . . . . . . . . . . . . 173
Глава 5. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1. Защита окружающей среды от шума и вибраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1.1. Шум и его характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1.2. Нормирование шума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.1.3. Расчет шумовых характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5
5.1.4. Меры борьбы с шумовым загрязнением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.2. Защита от электромагнитного загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.1. Электромагнитное загрязнение среды и его источники . . . . . . . . . . . . 185
5.2.2. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей . . . . . . . . . 188
5.2.3. Защита от электромагнитных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одной из самых важных проблем, стоящих перед мировым сообществом,
является проблема защиты окружающей природной среды и устойчивого развития человечества. Эта проблема касается всех, живущих на планете. Добиться устойчивого равновесия между потреблением и способностью Земли поддерживать жизнь для будущих поколений – главная задача мирового сообщества. В настоящее время, как отметил академик П.Л. Капица, существует три
главные аспекта глобальных проблем:
- технико-экономический, связанный с истощением природных ресурсов
земного шара;
- экологический, связанный с биологическим равновесием человека и живой природы при глобальном загрязнении окружающей среды;
- социально-политический, связанный с необходимостью решения глобальных проблем в масштабе всего человечества.
В результате бурной техногенной деятельности, непродуманного отношения к окружающей среде, усиленного давления на природу, хищнического использования природных ресурсов отчетливо видны глобальные экологические
проблемы: загрязнение атмосферы, гидросферы, литосферы вредными техногенными отходами; изменение климата, в первую очередь, его потепление за
счет «парникового эффекта» с последующей возможностью затопления значительных территорий; обеднение биологических видов флоры и фауны; рост населения планеты; распространение вирусных заболеваний; нарушение генетической целостности ландшафтов; эстетические и этические аспекты деградации
окружающей среды; несоответствие восстановительных способностей природы
и техногенного воздействия и т.д.
Несмотря на глобальные угрозы существования биосферы, человеческое
общество может и должно найти выход. В России действует Закон об охране
окружающей природной среды, который является основным кодексом взаимоотношений Человека, общества и природной среды.
Коренное решение проблемы защиты окружающей среды от выбросов и
сбросов промышленных предприятий состоит в создании замкнутых технологических циклов (малоотходных систем). Однако их внедрение требует новых
технологических и конструктивных решений, а также больших капиталовложений. Поэтому одним из распространенных способов снижения концентраций
примесей является их разбавление в атмосфере и в водных объектах.
В то же время в России достигнуты большие успехи в области создания
аппаратов и устройств для очистки отходящих газов и сточных вод, обезвреживания и утилизации твердых отходов. Они широко применяются на промышленных предприятиях, что позволило в последние годы улучшить экологическое состояние вокруг этих предприятий. Поэтому распространение знаний в
области процессов и аппаратов защиты окружающей среды является актуальной задачей, решению которой и посвящен настоящий конспект лекций.
7
ВВЕДЕНИЕ
Согласно А.Н.Плановскому [1], «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» – дисциплина, изучающая закономерности, способы и
средства переработки вещества и энергии, обуславливающие изменение
состояния загрязняющих физических и химических компонентов в процессе устранения их действия на окружающую среду.
Из определения следует, что рассматриваемая дисциплина относится к
технологическим наукам, так как «технология» – это учение или наука о способах и средствах переработки вещества и энергии. Слово «технология» объединяет два понятия: «techne» – искусство, ремесло, техника и «logos» – учение,
наука. Таким образом, чтобы аппараты заработали и стали осуществлять природоохранную деятельность, их необходимо правильно рассчитать, установить,
настроить и найти оптимальный режим работы. Решение такой задачи возможно только с позиции системного подхода, реализующего комплексность решений во всех сферах материального производства.
Целью дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»
является изучение закономерностей, лежащих в основе технологических процессов защиты окружающей среды, а также подбор и расчет оборудования для
этой защиты [2 – 6].
К задачам дисциплины относятся:
- изучение изменения характеристик биосферы в связи с производственной
деятельностью;
- приобретение теоретических знаний о процессах, происходящих при образовании твердых, газообразных и жидких отходов, а также при их обезвреживании;
- изучение и классификация методов очистки этих отходов;
- подбор и расчет оборудования для защиты окружающей среды от загрязнения;
- изучение взаимосвязей процессов, происходящих при очистке отдельных
загрязнителей;
- ознакомление с научными основами разработки технологических схем
защиты окружающей среды.
Современная технологическая наука базируется практически на всех фундаментальных науках. Сложные процессы, происходящие при переработке вещества и энергии, основаны на законах физики, теплофизики, химии, биохимии, микробиологии, механики и др. По-настоящему грамотным может быть
только технолог, владеющий знаниями в этих областях науки. Технологии находятся в непрерывной связи с экономикой производства каждого вида продукта. Уместно вспомнить слова Д.И.Менделеева применительно к выплавке железа: «Дело химии – изучать получение железа из руды, а дело технологии – изучать выгоднейшие для этого способы, выбирать из возможностей наиболее
применяемую по выгодности к данным условиям времени и места, чтобы при8
дать продукту наибольшую дешевизну при желаемых свойствах и формах».
Поэтому изучение названного курса предполагает освоение студентом дисциплин естественно-научного и общепрофессионального профиля:
- физики (физические основы классической механики, основы молекулярной физики и термодинамики);
- химии (органическая, аналитическая, физическая, коллоидная, физикохимические методы активации и анализа);
- биохимии (роль биохимических процессов в очистке сточных вод и почв)
и другие.
9
Глава 1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
1.1. Основные понятия и законы природоохранных технологий
1.1.1. Два вида переноса вещества и энергии
Изучение технологических процессов позволило выявить общее свойство,
характерное для всех производств. Этим общим свойством является наличие
переноса вещества или энергии на каждой стадии технологического процесса.
Возьмем какой-либо аппарат, в котором осуществляется технологический
процесс (рис. 1.1).
МА
МД
МВ
МЕ
МС
Рис. 1.1. Схема материального баланса
В аппарат подаются загрязняющие вещества в количестве МА и МВ и реагенты в количестве МС, а из аппарата выходят очищенные вода, воздух или
почва в количестве МD и малоактивные отходы производства МЕ, которые можно впоследствии использовать или же захоронить. Воспользовавшись законом
сохранения массы, получим
МА + МВ + МС = МD + МЕ , то есть ΣМвх = Σ Мвых
(1.1)
Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения
(1.1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних
компонентов, входящих в аппарат, в другие.
Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию
(рис. 1.2), уравнение материального баланса принимает форму неразрывности
потока
w1S1 = w2S2 = w3S3,
(1.2)
где w1 w2 w3 – средние скорости движения жидкости в соответствующем сечении; S1 S2 , S3 – площади живого сечения в плоскостях 1-1; 2-2; 3-3.
Живое сечение – это сечение, заполненное жидкостью.
10
1
2
3
S2
S1
S3
W1
W2
1
W3
2
3
Рис. 1.2. Схема неразрывности потока
Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или
выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых
до определенной температуры (внутренняя энергия, или энтальпия), ЕА, ЕВ, ЕD,
EF, а также кинетическая энергия движущихся потоков ЕС. Наконец, это любой
вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых
преобразований Епр, и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например, потери теплоты в окружающую среду Епот и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Етр
(рис.1.3).
EПР
EА
ED
EВ
Ef
EС
ЕПОТ
ЕТР
Рис. 1.3. Схема энергетического баланса
Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:
ЕА+ ЕВ+ ЕС + Епр = ЕD+ EF + Епот + Етр, то есть ΣЕвх = Σ Евых
11
(1.3)
Уравнение (1.3) получило название энергетического, или теплового баланса аппарата. Наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии или количества движения.
1.1.2. Движущая сила технологического процесса
Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия, или градиента. Например, точечный источник теплоты образует вокруг себя температурное поле.
Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой
точке рассматриваемого пространства. При этом температура в пространстве
зависит от положения точки и от времени:
T = f (x, y, z, τ).
(1.4)
Рассмотрим этот точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства без изменения температуры по времени (рис. 1.4). Легко представить
вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых
температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается
температура Т = const, а на поверхности В – температура на ΔТ выше:
Т+ΔТ=const.
A
B
T = const
n
T + ∆T = const
∆n
q
Рис. 1.4. Схема температурного поля
В этом случае возникнет определенное движение, например тепловое из
точки с более высокой температурой в точку с меньшей температурой. Таким
образом, движущей силой процесса в данном случае является разность температур. Также движущей силой может служить разность концентраций, разность
электрических или химических потенциалов.
Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением ΔТ к отрезку, на котором оно достигнуто (Δn).
Если рассмотреть предел этого отношения ΔТ/ Δn, при n → 0, то получим выражение, называемое градиентом. Градиент – векторная величина, показывающая, что температура увеличивается в направлении к источнику, т.е. на-
12
встречу потоку теплоты. Таким образом, градиент какой-то величины в
технологическом процессе и есть его движущая сила.
ΔT dT
=
n = gradT .
n → 0 Δn
dn
lim
(1.5)
1.1.3. Закономерности переноса массы и энергии
Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость
тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление этому действию:
Δ
L= ,
R
(1.6)
где L – скорость протекания процесса,
R – сопротивление переносу,
Δ – движущая сила.
Это выражение носит название основного кинетического уравнения. Зная
движущую силу, можно получить основное уравнение для любого процесса.
Для процесса теплопередачи:
q = k ΔТ ,
(1.7)
где q – скорость переноса теплоты, удельный тепловой поток, Дж/(м2 ·с);
k – коэффициент теплопередачи, Дж/(м2 ·К·с);
ΔТ – движущая сила, т.е. средняя разность температур, К (или оС).
Вместе с тем тепловой поток – это количество теплоты, переносимое через
единицу поверхности в единицу времени:
q=
Q
,
Fτ
(1.8)
где Q – количество теплоты, Дж;
F – площадь поверхности, через которую передается теплота, м2;
τ – время, с.
Для процесса массопередачи удельный поток массы [кг/(м2 · с)] равен:
m= KmΔC , или m=
M
, (1.9)
Fτ
где Km– коэффициент массопередачи, размерность которого зависит от размерности концентрации, например, кг/[м2 ·(кг/м3)⋅с] либо м/с;
ΔC – движущая сила – средняя разность концентраций, кг/м3;
М – количество переносимого вещества, кг.
13
Для гидродинамических процессов, например для фильтрации, кинетическое уравнение примет следующий вид (уравнение фильтрования Дарси):
V
=v = KΔp,
Fτ
(1.10)
где V – объем получаемого фильтрата, м3;
F – площадь, через которую осуществляется фильтрование, м2;
τ – время, с;
v – скорость фильтрования, м3/м2 ·с, или м/с;
К – коэффициент, характеризующий проводимость фильтрующей перегородки, м3/(м2 ·с·Па), или м2 ·с/кг;
Δp – разность давлений, Па.
1.1.4. Классификация и принципы оптимизации основных
технологических процессов
Все технологические процессы защиты окружающей среды делятся по
движущей силе и типу переноса [1]. Пример такого разделения приведен в
табл.1.1.
Таблица 1.1
Классификация основных процессов природоохранных технологий
Тип переноса
Перенос количества
движения
Перенос теплоты
Перенос массы
Движущая сила
Процессы
Механическая Механичесила, давление ские, гидромеханические
Разность темТепловые
ператур
Разность конМассообменцентраций
ные
Технологические операции
Дробление, резание, сортирование, прессование, отстаивание, фильтрование
Нагревание, охлаждение,
выпаривание, конденсация
Сушка, экстракция, адсорбция, абсорбция, кристаллизация, растворение,
перегонка
Технологический процесс может осуществляться при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т.д. будут различными. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а природоохранный эффект – наибольшим. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях – оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий
оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс.
Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.
14
Первый принцип оптимизации формулируется следующим образом: «оптимально организованный процесс» – это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс.
Второй принцип – оптимальным является противоточное движение взаимодействующих веществ.
Третий принцип – процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и
скорость их движения.
Четвертый принцип – оптимизация процессов предполагает максимальную
утилизацию теплоты.
Пятый принцип – оптимизация процессов тесно связана с созданием замкнутых малоотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией
энергии и отходов.
1.2. Теплообменные процессы
1.2.1. Теплопроводность
Известно три способа переноса теплоты: за счет теплопроводности, конвекции и радиации [1].
Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри твердого тела, неподвижной жидкости или газа. Количество переносимой теплоты при
этом способе описывается законом теплопроводности Фурье: количество теплоты dQ, переносимое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный к тепловому потоку, за время dτ, прямо
пропорционально температурному градиенту dt/dn, площади поверхности
и времени:
∂t
dFdτ .
∂n
(1.11)
dQ
∂t
= −λ .
dFdτ
∂n
(1.12)
dQ = −λ
Тепловой поток по закону Фурье:
q=
Знак минус в уравнениях (1.11) и (1.12) показывает, что теплота переносится в сторону убывания температуры. Коэффициент λ в уравнении Фурье называется
коэффициентом
теплопроводности,
имеющим
размерность
[Дж/(м·К·с)].
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты переносится за счет теплопроводности за одну секунду при разности
температур один градус на расстоянии в единицу длины нормали к изотерме поверхности.
Теплопроводность зависит от физической природы тела, его структуры,
температуры и давления. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы,
наименьшей – газы.
15
Если написать уравнение теплопроводности по трем направлениям x, y, z
для элементарного параллелепипеда с ребрами dx, dy, dz и сложить переносимые количества теплоты, то получим следующее выражение:
⎛ ∂ 2t ∂ 2t ∂ 2t ⎞
dQ = λ ⎜ 2 + 2 + 2 ⎟dxdydz.
⎜
⎟
⎝ ∂x ∂y ∂z ⎠
(1.13)
Эта теплота изменила энтальпию параллелепипеда на следующую величину:
dQ = C p dxdydz
∂t
dτ ,
∂τ
(1.14)
где Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении.
Приравняв правые части уравнений (1.13) и (1.14), получим дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье (второй закон Фурье):
2
2
2
∂t λ ⎛⎜ ∂ t ∂ t ∂ t ⎞⎟
=
+
+
.
∂τ C p ⎜⎝ ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 ⎟⎠
(1.15)
Множитель λ/Ср называется коэффициентом температуропроводности, обозначается буквой α и характеризует тепловую инерцию тела. Размерность этого коэффициента [м2/с]. Она совпадает с размерностью кинематической вязкости, но никак не связана с его физическим смыслом.
Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье можно переписать
в следующем виде:
∂t
(1.16)
= α ∇ 2t ,
∂τ
2
2
2
⎛∂ t ∂ t ∂ t⎞
где ⎜
+ 2 + 2 ⎟ = ∇ 2t – оператор Лапласа.
2
⎜ ∂x ∂y ∂z ⎟
⎝
⎠
1.2.2. Конвекция
Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения
тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к его поверхности одновременно конвекцией и теплопроводностью. В неподвижной жидкости или газе теплота переносится за счет теплопроводности. В движущейся
жидкости появляется еще один механизм переноса теплоты за счет перемешивания. Нагретые частицы жидкости, попадая в окружение холодных частиц, отдают им свою теплоту. Скорость переноса теплоты при этом тем выше, чем интенсивнее перемешивание, то есть чем выше степень турбулизации потока теплоносителя. Следовательно, конвекционный теплообмен включает в себя оба
механизма переноса теплоты, а их вклад зависит от гидродинамических характеристик движения жидкости.
16
Теория гидравлического трения предполагает, что в пристеночной области
формируется ламинарный слой, толщина которого определяет характер взаимодействия основного потока со стенкой. Этот слой будет влиять и на характер
теплоотдачи от стенки жидкости и наоборот. В ядре потока, где жидкость движется в турбулентном режиме, преобладает перенос теплоты за счет перемешивания. В ламинарном пристеночном слое перемешивание отсутствует, поэтому
теплота через этот слой переносится за счет теплопроводности, а интенсивность этого процесса определяется толщиной ламинарного слоя. Последняя зависит от физических свойств жидкости, входящих в критерий Прандтля:
Pr =
μρC
,
λ
(1.17)
где μ – вязкость жидкости,
ρ – плотность ее,
С – удельная теплоемкость,
λ – удельная теплопроводность жидкости.
Критерий Прандтля имеет и другое написание:
v
Pr = ,
(1.18)
α
где v – кинематическая вязкость жидкости,
α – коэффициент температуропроводности.
Толщина гидравлического ламинарного слоя, определяющего гидравлическое трение, совпадает с толщиной слоя, определяющего теплоотдачу, только в
случае, если Pr = 1. Обычно для жидкости критерий Прандтля больше единицы, а для газов меньше или равен единице.
Количество теплоты, отдаваемое стенкой жидкости, рассчитывают по
закону теплоотдачи Ньютона: количество теплоты dQ, отдаваемое за время dτ поверхностью стенки dF, имеющей температуру tст, жидкости температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температур tст - tж:
dQ= a dF (tст – tж) dτ,
(1.19)
где а – коэффициент теплоотдачи, который показывает, какое количество
теплоты передается 1 м2 поверхности стенки жидкости (или от жидкости к
стенке) в течение 1 с при разности температур между стенкой и жидкостью
1о. Он имеет размерность [Дж/м2 ·К·с].
Коэффициент теплоотдачи зависит от факторов, определяющих процесс
переноса в пристеночном слое. Это физические свойства жидкости – теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения, а также
геометрические характеристики стенки.
17
1.2.3. Тепловое излучение
Перенос теплоты излучением (радиация) имеет место в хлебопекарных радиационных печах и радиационных сушилках, применение которых в настоящее время ограничено из-за довольно высокой энергоемкости. Сюда же можно
отнести и микроволновые печи, используемые в быту.
Если на поверхность тела попадает лучистая энергия в количестве Q, то в
общем случае телом поглощается с превращением в тепловую только часть ее
QА; часть лучистой энергии QR отражается от поверхности тела, а часть QD проходит сквозь тело. Очевидно, что
Q = QА + Q R + QD
(1.20)
Первое слагаемое правой части равенства (1.20) характеризует поглотительную способность тела, второе – отражательную, третье – пропускающую.
Если первое слагаемое гораздо больше второго и третьего, то такое тело называется абсолютно черным, если второе слагаемое больше первого и третьего, то
тело абсолютно белое, а если третье больше первого и второго, то тело абсолютно прозрачное. Каждое тело обладает своей лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью. Эта характеристика (Е) в общем случае выражается
формулой
Е=
Q
F
.
(1.21)
Продифференцировав это выражение по длине волны, а затем проинтегрировав его с учетом выражения Планка для различных длин волн, получим зависимость лучеиспускательной способности тела от температуры, которая называется законом Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела:
Е = ko T4 ,
(1.22)
где ko – константа излучения абсолютно черного тела.
Но в жизни тела бывают в большей части серыми. Поэтому в выражение
(1.22) была внесена поправка ε, названная степенью черноты тела, а закон Стефана-Больцмана принял вид:
⎛ T ⎞4
⎟
Е =εСD ⎜⎜⎜
⎟⎟ ,
100
⎝
⎠
(1.23)
где СD – коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Соотношение же между лучеиспускательной и лучепоглотительной способностью тела определяется законом Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности тел к их поглотительной для всех тел одинаково,
равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той
же температуре и зависит только от температуры.
18
1.2.4. Теплоносители и их свойства
Самый распространенный теплоноситель – насыщенный водяной пар. Он
обладает высокой аккумулирующей способностью теплоты и высокими коэффициентами теплоотдачи. Скрытая теплота конденсации насыщенного пара при
атмосферном давлении – 2260 кДж/кг. Это позволяет при небольшом расходе
пара и небольших поверхностях нагрева передавать большое количество теплоты. Главным недостатком водяного пара является значительное возрастание
давления при увеличении температуры. Практически насыщенный водяной пар
применяют при температурах 180-190оС и давлении 12·105 Па.
Чистая вода тоже широко используется в качестве теплоносителя. К достоинствам воды следует отнести доступность и дешевизну, сравнительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи. К недостаткам относятся сравнительно небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая
способность теплоты.
Топочные газы широко используются в системах утилизации теплоты на
предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов
достигает 1000-1100оС, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного
теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло.
Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) – один из распространенных теплоносителей для проведения тепловой обработки отходов при высокой температуре (до 800оС).
В качестве теплоносителей используют также ВОТ (высокотемпературные
органические теплоносители), например дифенильная смесь (Даутерм А), а
также расплавы металлов (литий, натрий, калий, их смеси и др.).
1.2.5. Теплоотдача при конденсации пара
Теплоотдача возникает при контакте пара с охлажденной поверхностью.
При этом на поверхности образуются капельки жидкости – конденсата. Если
этот процесс продолжается, то капельки заполняют всю поверхность конденсации и сливаются в сплошную пленку. В дальнейшем пар конденсируется на
поверхности пленки, которая представляет собой дополнительное термическое
сопротивление в процессе теплоотдачи от пара к стенке. Так как при этом термическое сопротивление в паровой фазе ничтожно мало, скорость передачи теплоты зависит от толщины и свойств этой пленки. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара, рассчитанная путем
преобразования критериальных уравнений теплоотдачи, представляет следующее выражение:
λ3ρ 2 gr
,
а = А4
μLΔtnк
(1.24)
19
где А – коэффициент, связанный с ориентацией поверхности: для вертикальных
поверхностей А=0,94, для горизонтальный – А=0,72;
λ, ρ, μ – коэффициенты теплопроводности, вязкости и плотности конденсата;
L – высота поверхности, по которой стекает конденсат, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
Δtпк – разность температуры пара и пленки, К.
Использование уравнения (1.24) для расчета α на практике связано с
трудностями определения перепада температур на пленке, поэтому эту величину определяют методом последовательных приближений от произвольно выбранного начального значения или путем экспериментов.
1.2.6. Теплопередача при кипении жидкостей
Кипением называется процесс испарения жидкости, при котором пар
образуется в виде пузырьков в определенных местах (центрах) поверхности нагрева либо в виде сплошной пленки. Первый вид парообразования называется пузырьковым, или ядерным, второй – пленочным.
Теплоотдача при кипении жидкостей относится к числу особенно сложных
процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось еще сделать теоретических обобщений, позволяющих надежно вычислять
коэффициенты теплоотдачи для этого случая. На основании же опытных данных С.С.Кутателадзе [1] предложил формулу для определения этого коэффициента при пузырьковом кипении:
⎛ g (ρ
−ρ
⎜
4
−
ж л
а =7.10 λ ⎜
⎜
σ
⎝
⎞ 0,7
⎞ 0,5 ⎛⎜
⎛v
⎟
⎟
рq
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜⎜
⎟
⎜
⎟
(
)
ρ
−
ρ
ρ
α
g
r
v
⎟
⎜
⎠
ж п п ⎠ ⎝
⎝
⎞ 0,35
⎟
,
⎟⎟
⎠
(1.25)
где ρж , ρп – плотности жидкости и пара, кг/м3;
р – давление над поверхностью пара, Па;
σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
v – кинематическая вязкость жидкости, м2/с;
α – коэффициент температуропроводности, м2/с;
q – тепловой поток, Дж/м2.с;
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Часто этим уравнением (1.25) невозможно пользоваться из-за отсутствия
необходимых данных при температурах кипения. Поэтому для расчетов применяют найденные опытным путем зависимости для различных жидкостей вида:
20
а= А1рn qm,
(1.26)
где А1, n, m – константы, которые находят по справочникам,
р – давление,
q – плотность теплового потока.
1.2.7. Процессы выпаривания
Выпаривание – процесс концентрирования растворенных нелетучих
веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.
Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное
состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного
раствора. Превращение жидкости с ее свободной поверхности в пар называется
испарением.
Образующийся при выпаривании пар, называемый вторичным паром, является водяным паром, который может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. Такая последовательная передача вторичного пара
из одного аппарата в другой значительно увеличивает коэффициент полезного
действия системы аппаратов. Такую последовательность аппаратов можно использовать при выпаривании сточных вод с высоким содержанием соли, которую невозможно выделить реагентным путем. Например, выпаривание применяется для обессоливания морских вод и получения пресной воды, а также для
извлечения солей натрия или калия, хлоридов.
На выпаривание растворов расходуется огромное количество теплоты, поэтому от рациональной организации процессов выпаривания в значительной
степени зависит рентабельность производства. Количество теплоты, необходимое для выпаривания:
Q = m r,
(1.27)
где m – масса выпаренного растворителя, кг;
r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
Затраты теплоты на выпаривание зависят от давления и температуры, при
которых осуществляется процесс, так как r = f (p). При этом они тем выше, чем
ниже давление. Поэтому в промышленности широко используется выпаривание
под вакуумом.
Аппарат, в котором осуществляется выпаривание, приведен на рис. 1.5. За
счет подвода теплоты от горячего теплоносителя в нем поддерживается кипение раствора. Особенностью выпарного аппарата является развитое паровое
пространство 2 над свободной поверхностью кипящей жидкости. В качестве
горячего теплоносителя обычно используется водяной пар, подводимый в межтрубное пространство 4 нагревательной камеры 8. Образовавшийся конденсат
отводится из нагревательной камеры через патрубок 5, а неконденсируемые га-
21
зы – через патрубок 9. Очищаемый раствор в аппарат подается через патрубок
10, а выводится через патрубок 7. Образовавшийся при выпаривании растворителя пар называется вторичным в отличие от греющего пара. В паровом пространстве вторичный пар должен отделиться от капель раствора и выйти из аппарата. Это обеспечивает сепаратор 1 – устройство, расположенное в верхней
части аппарата. Для увеличения интенсивности выпаривания следует увеличить
скорость движения жидкости по трубам. Поэтому устанавливают нагревательные трубы малого диаметра 6, а в центре циркуляционную трубу большого
диаметра 3. Процесс, осуществляемый в описанном аппарате, называется простой выпаркой.
Рис. 1.5. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией растворов [1]
1 – сепаратор; 2 – паровое пространство над жидкостью; 3 – циркуляционная труба большого
диаметра; 4 – межтрубное пространство; 5 – патрубок нагревательной камеры;
6 – нагревательные трубы малого диаметра; 7 – патрубок для вывода раствора;
8 – нагревательная камера; 9 – патрубок для вывода некондицируемых газов;
10 – патрубок для подачи растворов в аппарат
22
1.3. Массообменные процессы
1.3.1. Массопередача, массоотдача и массопроводность
Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы), называются массообменными.
К массообменным процессам относятся: абсорбция, адсорбция, ионный обмен,
перегонка и ректификация, растворение и кристаллизиция, сушка, экстрагирование и экстракция, мембранные процессы [1].
Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций. В результате растворения вещества в воде оно переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переводится из жидкой или газовой фазы в твердую.
Разбавление растворов приводит к переходу вещества из одной жидкой фазы в
другую.
Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз. Переход вещества из одной фазы в
другую в направлении достижения равновесия называется массопередачей. Значит, в основе представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Массоперенос начинается, если концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Достижение равновесия системы
подчиняется принципу Ле-Шателье: реакция системы против внешнего
воздействия направлена на уменьшение этого воздействия. При этом скорость перехода распределяемого вещества из одной фазы в другую пропорциональна разности между его фактической концентрацией в данной фазе и равновесной концентрацией. Это и есть истинная движущая сила этого процесса.
Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, которое гласит:
для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних
факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф плюс два:
С = К – Ф + 2.
(1.28)
Число степеней свободы – это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах). Если однокомпонентная система состоит из двух фаз, находящихся в равновесии, число степеней свободы в
этом случае равно 1. Это значит, что для нее произвольно выбирать можно
только один параметр, с помощью которого эту систему можно будет вывести
из равновесия и начать технологический процесс. Например, для однокомпонентной системы вода-пар от изменения давления изменяются температура
смеси и количество воды, обращенной в пар.
Основной закон массопередачи формулируется исходя из общих кинетических закономерностей физико-химических процессов: скорость процесса прямо
пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению:
23
dM ΔC
,
=
dFdτ R
(1.29)
где dM – количество вещества, перешедшего из одной фазы в другую,
dF – площадь поверхности фазового контакта;
dτ – продолжительность процесса массопередачи;
ΔC – движущая сила массообменного процесса;
R – сопротивление массопереносу.
Заменив сопротивление R в уравнении (1.29) на коэффициент массопередачи kм = 1/R и проинтегрировав его по времени, получим для установившихся
процессов основное уравнение массопередачи:
М = kм ΔC F.
(1.30)
В процессах переноса распределяемого вещества из одной фазы в другую
следует различать два случая: перенос из потока жидкости в поток жидкости;
перенос из твердого тела в поток жидкости или в обратном направлении. Этот
перенос подчиняется законам молекулярной диффузии, массоотдачи и массопроводности [1].
Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика). Молекулярная
диффузия в газах и растворах жидкостей происходит в результате хаотического
движения молекул, не связанного с движением потока жидкости. Благодаря
этому осуществляется перенос вещества из области с высокой концентрацией в
область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика:
количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентрации, площади, перпендикулярной к направлению диффузного потока, через которую осуществляется перенос, и времени:
dМ = − D
∂C
dFdτ .
∂x
(1.31)
где D – коэффициент диффузии; ðC/ðx – градиент концентрации в направлении
диффузии; dF – площадь поверхности, через которую диффундирует вещество;
dτ – продолжительность диффузии.
Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества переходит через поверхность равную 1 м2 за 1 с при разности концентраций
на расстоянии 1 м, равной единице.
Знак минус в уравнении (1.31) показывает, что перенос вещества осуществляется навстречу градиенту концентраций. Размерность коэффициента диффузии зависит от размерности концентрации, но в системе СИ она имеет следующий вид [м2/с]. Эти коэффициенты измеряются опытным путем, и для большинства веществ эти данные приводятся в справочной литературе.
Заметим, что первый закон Фика является аналогом закона теплопроводности Фурье, а явления переноса теплоты и массы во многом схожи. Это обстоятельство и аналогичность в описании других законов тепло- и массопереноса используются при расчетах массопередачи.
24
Второй закон Фика – дифференциальное уравнение молекулярной
диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности
Фурье дифференциальное уравнение молекулярной диффузии имеет следующий вид:
⎛ ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C ⎞
∂С
∂С
= D∇ 2C.
= D⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ или
⎜
∂τ
∂z ⎟⎠
∂τ
⎝ ∂x ∂y
(1.32)
Закон массоотдачи Щукарева. Этот закон является аналогом закона теплоотдачи (закона охлаждения) твердого тела Ньютона. Он был сформулирован
русским ученым А.Н.Щукаревым при изучении кинетики растворения твердых
тел: количество вещества, переносимого из одной фазы в другую, пропорционально разности концентраций у поверхности раздела фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности фазового контакта и
времени:
dM= β (Cr – Сf) dFdτ,
(1.33)
где Cr и Сf – концентрации вещества у поверхности раздела и в ядре потока
воспринимающей фазы;
β – коэффициент массоотдачи, имеющий размерность м/с.
Коэффициент массоотдачи показывает, какое количества вещества
переносится из одной фазы в другую через 1 м2 поверхности фазового контакта за 1 с, если разность концентраций на границе раздела фаз и в ядре
потока равна единице.
Для установившихся процессов и неизменности коэффициента теплоотдачи закон Щукарева принимает форму
M= β (Cr – Сf) F.
(1.34)
Закон массопроводности. Массопередача в системе с твердой фазой
представляет особо сложный процесс, в котором, кроме массопередачи от поверхности раздела фаз в поток жидкости, имеет место и перемещение вещества
в твердой фазе – массопроводность. К указанным процессам можно отнести
процессы адсорбции, сушки и выщелачивания (извлечение вещества растворителем из пор твердого тела). Закон массопроводности заключается в следующем: количество вещества, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентраций, площади перпендикулярной направлению потока вещества, и времени:
dМ = − К м
∂C
dFdτ ,
∂x
(1.35)
где Км – коэффициент массопроводности, по другому называемый коэффициентом «стесненной» диффузии, который можно определить по формуле Кади и
Виьямса
25
К =
м
D
1+ m
r
R
(1.36)
,
где D – коэффициент молекулярной диффузии,
r – размер диффундирующих молекул;
R – поперечный размер пор твердого тела;
m – числовой коэффициент.
1.3.2. Абсорбция
Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или паровых
смесей жидкостями поглотителями, называемыми абсорбентами.
Для большинства случаев этот процесс обратимый, т.е. в определенных
условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой
процесс называется десорбцией.
Процесс насыщения воды диоксидом углерода, называемый сатурацией,
является классическим примером процесса абсорбции.
Закон Генри. Равновесие при абсорбции. Количество газа, которое может поглотить жидкость, зависит от свойств газа и жидкости, температуры и
парциального давления поглощаемого газа в газовой смеси над поверхностью
жидкости. В качестве основного закона, характеризующего равновесие в системе газ-жидкость, используется закон Генри: при данной температуре концентрация газа в растворе пропорциональна парциальному давлению газа
над раствором:
х=
р
,
Е
(1.37)
где р – парциальное давление газа над раствором,
х – концентрация газа в растворе,
Е – коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), который зависит от природы растворяющегося вещества и температуры и не зависит от давления.
Для идеальных растворов по диаграмме р – х (рис. 1.6) зависимость равновесных концентраций от давления изображается прямой линией с угловым коэффициентом, равным Е.
При неизменных давлении и концентрации с повышением температуры
константа Е увеличивается, что ведет к уменьшению растворимости газа в
жидкости.
Уменьшение общего давления ведет к уменьшению парциального давления компонентов, что соответствует закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений, составляющих смесь компонентов:
Р = рА + рВ .
(1.38)
26
p
γ
tg γ = E
0
x
Рис. 1.6. Зависимость растворимости газа от давления
Из закона Дальтона следует, что парциальное давление компонента пропорционально общему давлению и его концентрации:
рА= Р·YА .
(1.39)
Подставив последнее выражение в закон Генри (1.37), получим
x
Y = E A , или YА = n хА,
A
p
(1.40)
где n – коэффициент распределения, или константа фазового равновесия:
Е
n= .
р
(1.41)
Если равновесная система состоит из жидкости и смеси газов, закону Генри может следовать каждый из компонентов смеси в отдельности.
1.3.3. Ректификация
Ректификация – разделение жидкой смеси на чистые или обогащенные составляющие в результате противоточного взаимодействия пара и
жидкости. Очень часто ректификация используется для очистки воды или почвы, загрязненных нефтепродуктами. В этом случае имеет место переход веществ из жидкой фазы в паровую, и наоборот. При ректификации исходная
смесь делится на две части: часть, обогащенную летучими компонентами –
дистиллят, и часть, обедненную летучими компонентами – остаток.
Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей, или ступеней
– верхней и нижней. В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению
смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка. Вследствие этого из смеси извлекается летучий компонент. В верхней
ступени пар начального состава, соответствующего составу исходной смеси,
взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дис-
27
тиллята. Вследствие этого пар обогащается летучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы. Пар для
питания ректификационного аппарата получается многократным испарением
жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной
конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.
Схема периодически действующей ректификационной установки приведена на рис. 1.7. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну
2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора
3. В дефлегматоре (конденсаторе) богатые летучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят –
проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.
Необходимо отметить, что одной из важнейших частей ректификационной
установки является конденсатор или дефлегматор. Полученный в нем конденсат делится на две части: одна часть направляется обратно в колонну (флегма),
другая является отбираемым продуктом (дистиллят).
Рис. 1.7. Принципиальная схема ректификационной установки
периодического действия
1 – куб; 2 – ректификационная колонна; 3 – дефлегматор; 4 – разделительный стакан;
5 – холодильник; 6, 7 – сборники
28
1.3.4. Адсорбция
Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать
одно или несколько веществ из их смеси. Процессы абсорбции и адсорбции
внешне схожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью твердого поглотителя – адсорбента.
Равновесие при адсорбции. Количество вещества, поглощенного сорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или
растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс адсорбции. Для изотермических процессов условие равновесия для адсорбции
принимает вид уравнения Френдлиха
xn= C y1/n,
(1.42)
где С и n – константы для данных веществ, зависящие от температуры.
Линии равновесия, соответствующие уравнению (1.42) получили название
изотерм сорбции (рис. 1.8). Их строят по опытным данным, а затем используют
для расчетов адсорбентов.
p
T = const
0
x
Рис. 1.8. Характерные формы кривых изотерм сорбции
различных веществ на разных адсорбентах
В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбентов. Поэтому
для поддержания скорости процессов в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбентов.
Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя, поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой
29
поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в
твердом теле. К наиболее распространенным адсорбентам относятся:
Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активизацией – прокаливанием при температуре около 900оС. Суммарная поверхность 1 г активированного
угля – 600-1700 м2. Размеры кусков его в зависимости от марки – от 1 до 5 мм.
Недостатком этого адсорбента является его небольшая механическая прочность.
Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой
кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул – от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля –
400-770 м2.
Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д.И.Менделеева. Встречаются в
природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой.
К этой же группе адсорбентов относятся опоки и клиноптилолит.
В качестве естественных адсорбентов для доочистки сточных вод используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин.
1.3.5. Ионный обмен
Ионный обмен – разновидность процессов сорбции, основанная на химическом взаимодействии адсорбентов, называемых ионитами, с очищаемыми
растворами. Иониты могут избирательно извлекать из раствора ионы. Этот
процесс следует отнести к хемосорбции – процессу, сопровождающемуся химическими реакциями.
Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную
воду до ПДК с последующим использованием ее в технологических процессах
или в системах оборотного водоснабжения.
По знаку обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам, которые подразделяются на следующие виды:
- сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3H, и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;
- слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичные NН аминогруппы, диссоциирующие при рН <7;
- иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.
Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость –
количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыще30
ния, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может
поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат.
Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям:
Ме+ + Н(К) = Ме(К) + Н+
(1.43)
+
Ме+ + Na(К) = Ме(К) + Na+
(1.44)
где Ме – катион, находящийся в сточной воде,
(К) – сложный комплекс катионита.
Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Нкатионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите)
2Ме(К) + Н2SО4 = 2Н(К) + МеSО4
(1.45)
Ме(К) + NaCl = Na(K) + MeCl.
(1.46)
Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов,
большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.
Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот
2(А)ОН + Н2SО4 = (А)2SО4 + 2Н2О
(1.47)
Для большинства анионитов справедлив следующий ряд по поглощающей
способности: SO4 >NO3>Cl
Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через
слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Na2CO3, NH4OH:
(A)2SO4 + 2NaOH + Na2SO4
(1.48)
Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического и непрерывного действия (адсорберах), примерно таких же,
как при сорбционной очистке.
1.3.6. Экстракция
Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Если вещество извлекается
из жидких систем, то процесс называется жидкостной экстракцией – извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ
другой жидкостью, которая не смешивается или частично не смешивается
с первой.
31
В общем виде процесс экстрагирования из твердого тела (выщелачивание)
можно разбить на 4 стадии:
- проникновение эктрагента в поры твердого тела;
- растворение извлекаемого вещества экстрагентом;
- диффузионный перенос извлекаемого вещества к поверхности куска или
частицы сырья;
- перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкую фазу –
экстрагент.
В зависимости от вида очищаемого вещества отдельные стадии процесса
могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий
зависит скорость процесса в целом.
Расчет процессов экстрагирования выполняют исходя из основного уравнения массопередачи. Количество извлекаемого вещества при экстрагировании
из твердого тела зависит от скорости внутренней диффузии и определяется по
следующему уравнению:
D
M = вн FΔCτ ,
L
(1.49)
где Dвн – коэффициент внутренней «стесненной» диффузии, м2/с;
L – минимальный размер твердого тела, м;
F – суммарная поверхность твердого тела, м2;
ΔC – разность между средней концентрацией вещества внутри твердого тела
и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем тело, кг/м3;
τ – продолжительность процесса, с.
Процесс жидкостной экстракции основан на распределении извлекаемого
вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его
растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций
в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является
постоянным и называется коэффициентом распределения:
С
К = э =const,
р С
р
(1.50)
где Сэ , Ср – концентрации извлекаемого вещества в экстрагенте и очищаемом
растворе.
После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в
экстрагенте значительно выше, чем в перерабатываемой растворе. После экстракции раствор и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Этот процесс называется реэкстракция. Экстрагент после этого используется вновь в процессе очистки.
32
1.3.7. Сушка
Сушка – удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их
подготовке к транспортировке, переработке, использованию или захоронению. Материалы, подвергаемые сушке, можно разделить на две группы:
твердые кристаллические и аморфные тела. Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе
энергии связи:
- механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и микрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная, такую влагу можно удалить
путем механического воздействия, например, прессованием или в центрифуге;
- физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения
этой формы связи требуется намного больше энергии, чем при удалении влаги
смачивания. При этом для удаления адсорбционной, осмотической и структурной влаги требуется ее испарение;
химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NаОН) и вода в кристаллогидратах (СuSO4 · 5H2O). Эта связь может быть разрушена либо
путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.
Анализируя виды связи влаги с материалом, можно сделать вывод, что
сначала целесообразно удалить влагу из материала механическим способом и
только затем перейти к тепловой сушке.
Самый распространенный способ тепловой сушки – конвективный. В этом
способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую,
не менее важную задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит
его из сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости
переноса массы этой влаги в сушильный агент. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.
Выделяют другие способы тепловой сушки, например кондуктивный или
контактный, когда материал нагревается при непосредственном контакте с поверхностью сушилки или сушка в инфракрасных лучах, как правило, комбинируют с конвективным способом.
1.3.8. Кристаллизация
Кристаллизация – выделение вещества из жидкой фазы, расплавов
или паров в виде твердой фазы (кристаллов).
Поведение системы кристалл-раствор или кристалл-расплав в широком
интервале температур, давлений и концентраций отображает диаграмма со-
33
стояния, или фазовая диаграмма, на которой графически изображается равновесие между различными фазами данной системы (рис. 1.9).
Линия FS на диаграмме является геометрическим местом точек, соответствующих насыщенным растворам, а линия SD – находящимся в равновесии со
льдом. Таким образом, линия FS является кривой растворимости NH4Cl в воде,
а линия SD соответствует условиям выделения льда в системе соль-вода. Точка
S является эвтектической точкой системы, в которой раствор находится в равновесии с двумя твердыми фазами: солью и льдом. В водных системах эвтектическую смесь называют криогидратом, а саму точку – криогидратной точкой.
Процесс кристаллизации состоит из двух последовательных стадий: образования зародышей кристаллов и роста кристаллов. Образование зародышей
происходит в пересыщенных растворах, когда пересыщение достигает определенной величины. Разность между концентрацией раствора, при котором начинают образовываться зародыши, и концентрацией насыщенного раствора называют максимальным пересыщением. После возникновения в пересыщенном
растворе зародышей кристаллов с размерами, большими критических (нерастворимых в пересыщенном растворе), на их поверхности начинает отлагаться
кристаллическое вещество. Рост кристаллов, образование зародышей во многом
зависят от температуры и интенсивности перемешивания.
Процесс кристаллизации ведется в специальных кристаллизаторах.
t, ºC
90
F
80
Раствор
70
60
50
40
30
NH4Cl
+ раствор
Лед +
раствор
20
10
D
0
- 10
S
-20
Лед +
NH4Cl
-30
0
5
10 15 20 25 C NH4Cl, % (масс.)
Рис. 1.9. Фазовая диаграмма для двухкомпонентной системы Н2О – NH4Cl
34
1.4. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем
1.4.1. Классификация неоднородных и гетерогенных систем
Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Эти системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть, как правило,
разделены под воздействием механических сил. Одна из фаз, сплошная, называется дисперсионной, а другая, мелкораздробленная и распределенная
в первой – дисперсной фазой. В зависимости от вида дисперсионной среды
различают неоднородные смеси, жидкие и газовые (табл. 1.2).
Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и
форму. Раздробленность определяется размером тела по наименьшей оси (а).
Она также характеризуется величиной обратной «а», называемой дисперсностью (D). Все дисперсные системы классифицируются по степени дисперсности: грубодисперсные (а › 10-3см), микрогетерогенные (10-3 ≥ а › 10-5см), коллоидные (10-5 ≥ а ›10-7 см), молекулярные коллоиды (растворы высокомолекулярных соединений) с размером частиц менее 10-7 см. Частицы с размером менее
10-8 см образуют растворы.
Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров называют золями,
системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями, а системы с жидкой дисперсионной средой – лиозолями.
Таблица 1.2
Классификация неоднородных и гетерогенных систем
Среда
Дисперсионная
Дисперсная
Твердая
Жидкая
Твердая
Газообразная
Твердая
Жидкая
Газообразная
Жидкая
Газообразная
Твердое тело
Жидкость
Газообразная
Неоднородная (гетерогенная) система
Твердые гетерогенные системы
Капиллярные системы (жидкость в пористых телах)
Пористые тела, твердые пены
Суспензии: грубые, тонкие, мути, коллоидные растворы и лиозоли
Эмульсии
Газовые эмульсии и пены
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Аэрозоли: туманы, в том числе и промышленные
Коллоидная система не образуется
Коллоидные системы образуются двумя путями: диспергированием –
дроблением грубодисперсных частиц до коллоидной дисперсности; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров.
35
К микрогетерогенным системам относятся суспензии (дисперсные системы
с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой), эмульсии (системы, состоящие из двух жидкостей, в которых вещества дисперсной фазы нерастворимы в дисперсионной среде), пены (высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ), аэрозоли и порошки (осажденные аэрозоли с твердыми частицами).
К молекулярным коллоидам относятся белки и полисахариды.
Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущей силы
относятся к механическим и гидромеханическим. Эффект разделения – это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды (Gо), к
начальному количеству в смеси (Gн):
G
Е = o 100%.
р G
н
(1.51)
1.4.2. Процессы осаждения под действием силы тяжести
и в поле центробежных сил
Процессы осаждения под действием силы тяжести применяются там, где
система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна.
Эти способы используются для разделения грубых дисперсий и некоторых
промышленных пылей. К этим процессам относится осаждение – отстаивание в
поле гравитационных сил твердых частиц в жидкой среде в отстойниках различной конструкции и пылеосаждение в пылеосадительных камерах.
Остановимся на теории отстаивания. Рассмотрим вариант нахождения в
воде твердых примесей (рис. 1.10).
І
ІІ
ІІ
І
ІІ
ІІІ
ІІІ
ІV
ІV
І
І
І
ІV
ІV
ІІІ
ІV
τ
Рис. 1.10. Зависимость осаждения твердых частиц в воде
от продолжительности протекания процесса
І – зона осветления воды; ІІ – зона свободного осаждения; ІІІ – зона сгущенной суспензии
(зона стеснения осаждения) – осаждение частиц происходит за счет выталкивания
дисперсной средой воды; ІV – зона осадка
Вначале в стакане с мутной водой примеси распространены равномерно
(позиция 1), затем в стакане примеси образуют 4 зоны (позиция 2). Как видно
36
из рис. 1.10, в течение времени появляются следующие зоны: I – зона осветления воды, II – зона свободного осаждения III – зона сгущенной суспензии (зона
стеснения осаждения) – осаждение частиц происходит за счет выталкивания
дисперсной средой воды, IV – зона осадка. Впоследствии идет перераспределение материала по зонам, а в конце процесса (позиция 6) остается две зоны: I –
зона осветления воды и IV – зона осадка.
Кинетика процесса осветления (отстаивания) характеризуется следующей
кривой (рис. 1.11).
На основании приведенных данных можно сделать следующие выводы:
- скорость осветления непостоянна, она уменьшается с увеличением времени отстаивания;
- лимитирующей стадией является скорость стесненного осаждения
(зона III).
В производственных аппаратах непрерывного действия образуются те же
самые четыре зоны осаждения, но они с течением времени не изменяются по
высоте.
Рис. 1.11. Кинетика процесса отстаивания твердых частиц в стакане
Также осаждение производится в поле центробежных сил. Этот способ
применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсей. Для этих целей используют центрифуги, циклоны и
гидроциклоны.
1.4.3. Фильтрование
Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем за счет
«просеивания» их через фильтрующую перегородку. Эти процессы используются для отделения дисперсных частиц в жидких и газовых дисперсионных
системах. В качестве движущей силы может использоваться сила тяжести
37
(нутч-фильтр) и разность давлений по разные стороны фильтрующей перегородки (фильтр-прессы, вакуум-фильтры). Фильтрование можно осуществлять и
в центробежном поле.
Существует два способа фильтрации:
1) через слой зернистой загрузки;
2) через фильтровальную перегородку.
Первый способ фильтрации заключается в следующем: через слой зернистой загрузки пропускается вода, содержащая взвешенные частицы. При этом
происходит отложение взвешенных частиц в порах фильтрующего материала и
отложение на поверхности этого материала. Осаждение частиц на поверхности
пор материала зернистой загрузки происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также процессов диффузионного, инерционного и гравитационного осаждения частиц.
Второй способ фильтрования заключается в задержании частиц примесей
на пористых перегородках при движении дисперсных сред через них. Принципиальная схема процесса фильтрования в пористой перегородке показана на
рис. 1.12. Фильтр представляет собой корпус 1, разделенный пористой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении фильтроэлемента. Частицы
примесей оседают на входной части пористой перегородки, задерживаются в
порах, образуя слой пыли 3, и таким образом становятся для вновь поступающих частиц частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность
очистки и перепад давления на фильтроэлементе.
Рис. 1.12. Схема процесса фильтрования
1 – корпус фильтра; 2 – фильтроэлемент, 3 – слой частиц примесей
Взвешенные частицы в фильтрующем материале удерживаются, вопервых, за счет молекулярного взаимодействия (прилипания) частиц друг с
другом и фильтрующим материалом, во-вторых, за счет их кулоновского (электрического) взаимодействия. Эффект очистки дисперсионной системы (газовой
или жидкой) от взвешенных частиц определяется соотношением сил сцепления
и отрыва их от фильтрующего материала. Чем выше сила сцепления, тем более
эффективным является процесс фильтрации.
38
1.4.4. Коагуляция и флокуляция
Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле [1]. В результате коагуляции
образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены
силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией,
а разнородных – гетерокоагуляцией.
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером
0,1-10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером
10 мкм и более, мелкодисперсные частицы и коллоидные практически не удаляются, поэтому их надо укрупнять. Для этих целей применяют коагуляцию.
Известно, что коллоидные частицы, представляющие совокупность большого числа молекул вещества, содержатся в сточной воде в диспергированном
состоянии. Обладая большой удельной поверхностью, эти частицы удерживают
покрывающий их слой воды и адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют адсорбирующий слой. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя
создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем)
образуется диффузный слой, в котором находятся остальные противоположно
заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузным слоем называется мицеллой. Так как мы имеем дело с электрическими зарядами, то поле вокруг мицеллы характеризуется определенным потенциалом,
который уменьшается к границе адсорбционного слоя. Потенциал на границе
адсорбционного слоя называется электрохимическим потенциалом. Если потенциал системы становится менее 0,03 В, то силы взаимного (гравитационного) притяжения между частицами начинают преобладать над электрическим отталкиванием. При потенциале, равном нулю, коагуляция происходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае называется изоэлектрическим состоянием, а величина рН – изоэлектрической точкой системы (рис. 1.13).
Одним из методов снижения потенциала коллоидной системы является
увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, противоположным заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности 1:2:3(валентных ионов)= 1:30:1000.
39
Основным же процессом коагуляции является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта. Образовавшиеся хлопья сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды и, осаждаясь вместе с
ними, очищают воду.
Рис. 1.13. Строение мицеллы и изменение ее напряженности
электрического поля
А – адсорбционный слой; б – диффузионный слой; І – ядро
При использовании в качестве коагулянтов алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа
и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные, коллоидные и растворенные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя
осадок:
Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2SO4
(1.52)
FeSO4 + 2H2O = Fe(OH)2 + 4H2SO4
(1.53)
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
(1.54)
40
Образующуюся в процессе гидролиза кислоту следует нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация кислот может также протекать
за счет щелочного резерва сточной жидкости, например,
H2SO4 + NaHCO3 = NaHSO4 + CO2 + H2O.
(1.55)
Для очистки сточных вод применяют различные коагулянты, количество
которых зависит от его вида, расхода, состава и требуемой очистки воды и определяется, как правило, экспериментально.
Однако коагуляция, идущая с применением неорганических коагулянтов, в
ряде случаев недостаточно эффективно способствует осветлению воды, что
связано с неуправляемостью процесса, медленным гидролизом коагулянтов и
малой скоростью хлопьеобразования. С целью интенсификации коагуляции и
осаждения взвесей используется процесс флокуляции, открытый французским
ученым Анри в 1903 году.
Флокуляцией называется процесс, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых неорганических и органических веществ–флокулянтов – образуют
интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления [1, 13].
Флокулянты – линейные органические полимеры с очень высокой молекулярной массой. Флокулянты могут быть органического катионного (ПАА) и
анионного (ВА-2, ВА-3 и т.д.) типов и минерального (кремниевая кислота) происхождения. Схема образования агрегата при флокуляции носит название мостиковой модели. Механизм флокуляции следующий: закрепление концов макромолекул на поверхности частиц; адсорбция сегментов молекул на вакантных
участках частиц. Наиболее эффективно процесс идет, когда размеры частиц соизмеримы с размером молекул. В других случаях эффективность флокуляции
уменьшается (рис. 1.14).
+
+
+
- - -
+
-
+
+
+
Рис. 1.14. Схема флокуляции
41
1.4.5. Флотация
Флотация – процесс прилипания частиц флотируемого материала к
поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости,
обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных
слоев [1].
Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты,
масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании
комплексов «частицы-пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда
наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.
Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность смачивать твердые тела уменьшается. Внешним
проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при
поверхностном натяжении воды не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемости
водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла Θ. (рис. 1.15, 1.16).
Г
Ж
Г
Г
Ж Ж
Т
Θ
Θ
Т
Т
Θ<900
Θ>900
Рис. 1.15. Условия смачиваемости и несмачиваемости твердых частиц
Чем больше этот угол, тем более гидрофобна поверхность частицы, то есть
увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеет размер,
количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной
воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков – 15-30 мкм, а максимальные – 100-200 мкм.
Также используются и другие методы очистки жидкостей и газов: промывные или мокрые способы очистки газов, абсорбционные, адсорбционные,
экстракционные, каталитические, электростатические и т.д.
42
Рис. 1.16. Схема прилипания пузырька воздуха (1) к взвешенной
в воде частице (2)
1.5. Химические и биохимические процессы,
протекающие при очистке вод
1.5.1. Химические процессы
В основе ряда природоохранных технологий лежат химические превращения. Большое значение в химических процессах имеет скорость протекания реакции. Основные факторы, влияющие на нее, – это концентрация реагирующих
веществ, температура, наличие катализатора.
Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации химического процесса. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом
действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо
пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции:
v= K CanCbm,
(1.56)
где К – константа скорости реакции; Ca и Cb - концентрации веществ а и b, участвующих в химической реакции; n и m – стехиометрические коэффициенты.
Константа скорости реакции численно равна скорости реакции при
концентрации реагирующих веществ, равной единице. Она зависит от при43
роды реагирующих веществ, температуры, наличия катализаторов и не зависит
от концентрации этих веществ. Для определения этих констант выведены соответствующие формулы, основанные на экспериментальных данных.
Влияние температуры. Известно, что с повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10оС увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Это правило является приблизительным и применимо к реакциям, протекающим в интервале температур от 0 до
300оС.
Более точно влияние температуры на скорость химических реакций выражается соотношением, полученным экспериментальным путем:
a
ln K =b − ,
T
(1.57)
где b и a – постоянные для данной реакции, Т – температура, К.
Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на
скорость протекания химических реакций можно объяснить теорией активных
столкновений. Молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по
сравнению со средней, способной разорвать химические связи, называются активными. Избыточная энергия при этом называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ. При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между
ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением
концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе
эффективных, также возрастет, в результате увеличивается скорость реакции.
Влияние катализаторов. Катализатор – это вещество, которое, фактически не вступая в химическую реакцию, резко изменяет ее скорость. В присутствии катализатора реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более
низких температурах, что экономически выгодно.
Неорганическими катализаторами преимущественно служат металлы в
чистом виде (никель, кобальт, железо, платина), в виде оксидов или солей (оксиды ванадия, алюминия, соединения железа, магния, кальция, меди и т.п.). Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при
сравнительно высоких температурах.
К катализаторам также относятся витамины, ускоряющие химические процессы в тысячи – десятки тысяч раз, а также ферменты, ускоряющие эти процессы в миллионы раз.
1.5.2. Сущность отдельных химических процессов и их роль
в природоохранных технологиях
Нейтрализация. Производственные сточные воды, образованные в результате технологических процессов многих отраслей промышленности, содержат щелочи и кислоты. Большинство кислых сточных вод содержит соли
44
тяжелых металлов, которые необходимо выделить из этих вод. Поэтому с целью предупреждения коррозии материалов канализационных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а
также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные
стоки подвергают нейтрализации.
Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами,
имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реакция нейтрализации
в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и
ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:
Н+ + ОН– = Н2О.
(1.58)
В результате, рН среды приближается к 7.
При химической очистке применяются:
- взаимная нейтрализация кислых и щелочных вод;
- нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)2 , кальцинированная сода Na2CO3, каустическая сода
NaOH, аммиак NH4OH);
- фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит СаСО3 · МgСО3, магнезит МgСО3, мел СаСО3 (96-99%);
- нейтрализация щелочных вод дымовыми газами, содержащими СО2, SО2,
NO2 и др.
Окисление. Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси, например цианиды КСN, или соединения, которые нецелесообразно извлекать из
сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды).
В узком смысле окисление – реакция соединения какого-либо вещества
с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность
которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике
обезвреживания сточных вод в качестве окислителя используют хлор, гипохлорит кальция или натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический
кислород и кислород воздуха.
Окисление активным хлором. Окисление ядовитых цианид-ионов СN–
осуществляется путем перевода их в нетоксичные цианаты СNO– , которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов:
CN– + 2OH– – 2e = CNO– + OH
(1.59)
CNO– + 2H2O = NH4+ + CO32-
(1.60)
Применение хлора здесь не надо путать с хлорированием сточных вод с
целью их обеззараживания.
45
Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных сточных вод. При электрохимической очистке сточных вод используются два процесса: анодное окисление и катодное восстановление.
Осаждение. При этой операции получают нерастворимые осадки, которые
затем могут быть захоронены либо использованы, например, в металлургической или другой промышленности.
Гидролиз - это реакция разложения сложных органических веществ
(например, белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.
Так, сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы):
С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6.
(1.61)
Также гидролизу могут быть подвергнуты другие углеводы, например,
крахмал до мальтозы. Этот углевод сбраживается бактериями и дрожжами, что
способствует улучшению биохимического разложения органических веществ.
Сульфитация. При проведении очистки сточных вод в последних могут
образовываться красящие вещества, которые необходимо обесцветить. Для этого воду или почву обрабатывают диоксидом серы, чаще всего Н2SО3. Диоксид
серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных
красящих пигментов. Его получают путем сжигания серы в специальных печах,
пропуская через них воздух.
При сульфитации идет образование сернистой кислоты, которая является
сильным восстановителем:
SО2 + Н2О = Н2SО3.
(1.62)
Частично сернистая кислота переходит в серную:
Н2SО3 + Н2О = Н2SО4 + 2Н.
(1.63)
Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие.
1.5.3. Биохимические процессы
Биохимические процессы протекают при участии ферментов, выделяемых
микроорганизмами, и имеют большое практическое значение для биологической очистки сточных вод и почв [11].
Биологическое окисление – широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, является по своей сущности природным и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме, очистном сооружении, склянке
для определения БПК (биологическая потребность в кислороде) и т.д. Этот
процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), вклю46
чающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый
комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм).
Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов – несколько десятков и даже сотен.
Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза
клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо за счет хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитратов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы).
Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными микроорганизмами может быть представлен следующим уравнением:
Органические вещества + О2 + N + Р + микроорганизмы = СО2 +
+ Н2О + биологически неокисляемые растворенные вещества (1.64)
Примером окисления автотрофами в аэробных условиях может быть процесс нитрификации:
55 NH4+ + 5CO2 + 76 O2 = C5H7NO2 + 54NO2– + 52H2O + 109H+ (1.65)
где C5H7NO2 – символ состава органического вещества образующихся клеток
микроорганизмов.
Реакцию осуществляют бактерии рода Nitrosjmonas, при этом они переводят азот аммонийных солей в азот нитратов.
Анаэробный процесс метановой ферментации описывается уравнением:
Органические вещества+Н2О=СН4+СО2+C5H7NO2+NH4++НСО3– (1.66)
Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:
NO3– + органические вещества = NO2– + 5CO2 + H2O
(1.67)
NO2 – + органические вещества = N2 + CO2 + H2O + ОН–. (1.68)
Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы. Влияние основных факторов, оп-
47
ределяющих пропускную способность очистных сооружений и влияющих на
степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже.
Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30оС. Температурная зависимость приведена на рис. 1.17.
Активная реакция среды (рН). Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий
лучше всего развивается в нейтральной среде, поэтому биологическая очистка
наиболее эффективна при рН от 5 до 9, оптимальной считается рН = 6,5-7,5.
Рис. 1.17. График температурной зависимости относительной
активности бактерий
Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточных вод в
среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания – органический углерод (БПК), азот, фосфор. Кроме основных элементов
состава клетки (С, N, О, Н), для ее построения необходимы в незначительном
количестве и другие компоненты: Mg, Cu, Zn, Mo, Se, Mn, Co, Ca, Na, K, Fe,
CO32-. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем
образуются сточные воды, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Часто не хватает азота и фосфора, и их добавляют искусственно.
Для обеспечения нормальной работы очистных сооружений городской канализации при очистке сточных вод необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь сточных вод в любое время суток не должна иметь:
- температуру ниже 6 и выше 30оС;
- активную реакцию рН ниже 6,5 и выше 8,5;
- общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л;
- БПК более 500 мг/л при поступлении на биологические фильтры и аэротенки и более 1000 мг/л при поступлении в аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды и др.
48
1.6. Воздействие транспорта на окружающую среду
1.6.1. Влияние предприятий железнодорожного транспорта
на окружающую среду
На долю железнодорожного транспорта приходится 75% грузооборота и
40% пассажирооборота общего пользования в России. Такие объемы работ означают большое потребление природных ресурсов и соответственно выбросы
загрязняющих веществ в биосферу. Выбросы только от подвижных источников
составляют 1,65 млн тонн в год [2, 14, 16]. При этом основное загрязнение происходит в районах, где в качестве локомотивов используют локомотивы с дизельными силовыми установками. Поэтому очистка и нейтрализация выхлопных газов от тепловозов является достаточно актуальной проблемой.
К факторам неблагоприятного воздействия железнодорожного транспорта
на окружающую среду относят выбросы вредных веществ в атмосферу, внешние шумы железнодорожных объектов, загрязнение почвы и водоемов.
В настоящее время железнодорожный транспорт, осваивающий огромные
объемы перевозок, обладает мощным производственным потенциалом и является одним из крупнейших потребителей энергетических ресурсов. Ежегодно
на тягу поездов и прочие производственные и непроизводственные нужды расходуется около 10 млрд кВт·ч электроэнергии и более 33 млн т условного топлива. Сжигание топлива осуществляется подвижным составом и стационарными установками. Основная статья расходов составляет затраты на тягу поездов.
Тепловозы, как известно, имеют дизельные двигатели, которые выбрасывают в
атмосферу токсичные газы, состоящие из оксида углерода (до 10%), оксида азота (до 0,8%) и углеводородов (до 3%). Наибольшей токсичностью обладают
продукты сгорания карбюраторных двигателей. В этих продуктах, кроме перечисленных ингредиентов, содержится еще свинец и незначительное количество
диоксинов.
Стационарная теплоэнергетика депо, ремонтных заводов и службы гражданских сооружений расходует до 49% топлива от общего расхода топлива
МПС. Однако эти службы находятся в неудовлетворительном состоянии: маломощные, с КПД на 15-20% ниже современных котлов. Все это обуславливает
повышенные выбросы вредных веществ в атмосферу, таких, как оксид углерода, альдегиды, несгоревшие углеводороды, сажа, оксиды азота и серы. Происходит также тепловое загрязнение окружающей среды из-за повышенной температуры дымовых газов на выходе котлов с малым КПД.
Многие производственные процессы на различных предприятиях железнодорожного транспорта сопровождаются также загрязнением атмосферного воздуха. Наиболее пагубное воздействие на окружающую среду и здоровье людей
оказывает производство на шпалопропиточных заводах, где загрязнение атмосферного воздуха происходит при остывании шпал после пропитки их антисептиком.
49
Приготовление в депо сухого песка для локомотивов, его транспортировка
и загрузка в тепловозы сопровождается выделением в воздушную среду пыли и
газообразных веществ, образующихся в процессе сжигания газа или мазута в
печах сушильных камер.
На заводах и в депо при сварке деталей в воздух поступает сварочная аэрозоль, оксиды марганца, соединения кремния, фториды, фтористый водород.
Нанесение лакокрасочных покрытий сопровождается выделением в воздух
паров растворителей и аэрозоля краски.
При обмывке подвижного состава в атмосферу может выделяться до
10 мг/м3 пыли, паров щелочи, карбоната натрия.
Машины химической чистки спецодежды на предприятиях железнодорожного транспорта выделяют в воздух пары различных органических соединений:
трихлорэтилена, бензина, ацетона, циклогексана и изопропиленового спирта.
Путевая техника и подвижной состав, в том числе тепловозы, относятся к
основным загрязнителям на железнодорожном транспорте. Один тепловоз по
вредным выбросам эквивалентен 10-15 грузовым автомобилям. Он создает локальную область сильно загрязненного воздуха на территориях железнодорожных узлов, депо, сортировочных станций и других предприятий.
Кроме этого на железнодорожных предприятиях и в депо в качестве вспомогательного транспорта используют автомобили с бензиновыми и дизельными
двигателями, являющимися дополнительными источниками загрязнения атмосферы.
1.6.2. Основные процессы, протекающие при воздействии
транспорта на окружающую среду
Промышленность и транспорт оказывают на окружающую среду, отдельные экосистемы отрицательное влияние: нарушаются принципы функционирования экосистем, они могут деградировать и потерять устойчивость. Транспортные средства являются источником повышенной опасности для здоровья и
жизни людей, загрязняют окружающую среду вредными выбросами, создают
транспортный дискомфорт, требуют потребления природных ресурсов. Но
вместе с тем транспорт несет и положительное влияние – он обеспечивает движение материальных потоков (строительство железных, автомобильных дорог,
аэродромов, пристаней, создание транспортной техники, организация и управление движением транспортных средств, хранение товаров), обеспечивает комфортабельные условия жизнедеятельности людей.
В табл. 1.3 и на рис. 1.18 указаны основные виды негативного воздействия
транспортного средства на окружающую среду в процессе реализации его жизненного цикла, начиная от производства черных и цветных металлов, топлива,
масел и заканчивая разрушением [15]. Также в табл. 1.3 указаны и позитивные
аспекты использования транспорта на жизнедеятельность людей.
Необходимо отметить, что требования к транспортным средствам в ХХ веке менялись в зависимости от ряда факторов.
50
В 50-е годы требования к транспортным средствам диктовались североамериканскими производителями и были ориентированы на повышение комфортности. В тот период строились автомобили больших габаритных размеров
с мощным быстроходным карбюраторным двигателем, широким использованием автоматических трансмиссий и электрических сервоприводов. В 60-е годы
внимание уделялось безопасности пассажиров в связи с принятием соответствующего закона в США. Сделаны шаги в направлении повышения пассивной
безопасности конструкции при фронтальном столкновении.
Таблица 1.3
Влияние транспорта на жизнедеятельность людей и окружающую среду [15]
Использование транспорта в жизнедеятельности людей
Развитие торговли, политических, культурных связей, расширение контактов
Стимулирование
научно-технического
прогресса, предоставление рабочих мест
Негативные аспекты воздействия
транспорта на природу и человека
Нарушение газового и энергетического равновесия в атмосфере
Истощение ресурсов атмосферы,
полезных ископаемых, пресной воды
Вовлечение транспорта в производст- Уничтожение живых организмов в
венные процессы и сокращение иннова- дорожно-транспортных происшестционных циклов при производстве това- виях
ров
Ощущение свободы и независимости ин- Отравление биологических ресурдивида
сов, в том числе растений, животных, человека
Расширение возможностей для прожива- Усиление стрессовых нагрузок учания в благоприятных условиях
стников движения
Расширение жизненного пространства Уменьшение жизненного пространдля отдельного индивида
ства за счет отчуждения площадей
территорий
Повышение доступности социально- Сокращение биологической продукбытовых услуг для потребителей
тивности ландшафта
Удовлетворение потребности на широ- Нарушение гармонии городских закий ассортимент товаров, свежих про- строек и сельских ландшафтов
дуктов
Ощущение радости от быстрой езды, Рост налогов и затрат, связанных с
комфорта и удобства в неблагоприятных транспортом. Изменение структуры
погодных условиях
семейного бюджета
В начале 70-х годов было введено ограничение на выбросы токсических
веществ с отработавшими газами. Поэтому при строительстве транспортных
средств в США, Японии, а затем и Западной Европе основным приоритетом
51
стало уменьшение выбросов СО, СхНу, NОx, сажи в отработавших газах.
С середины 70-х годов изменения в конструкциях машин связаны с мировыми нефтяными кризисами. Необходимо было повысить топливную экономичность. Следующая смена приоритетов (середина 80-х годов) продиктована
ужесточением конкурентной борьбы между производителями транспорта. На
первом плане – улучшение тягово-скоростных свойств за счет использования
высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания.
Рис. 1.18. Основные виды негативного воздействия транспортных
средств на окружающую среду
Дальнейшее ужесточение конкурентной борьбы привело в 90-х годах к
смещению приоритетов в сторону повышения комфортабельности и пассивной
безопасности конструкций за счет внедрения в массовое производство электронного управления силовым агрегатом и трансмиссией, кондиционеров, новых методов расчета и проектирования.
В конце 90-х годов основное требование – повышение безопасности за
счет использования новых поколений антиблокировочных систем, совмещенных со средствами предотвращения столкновений, бортовых навигационных
систем, других интеллектуальных технологий на базе развития микроэлектроники и информатики. Появилась техническая возможность снизить безопасное
расстояние между движущимися транспортными средствами в 3-4 раза, инфор52
мировать водителей о возможных препятствиях на маршруте, оптимизировать
режимы движения применительно к складывающейся ситуации на дороге.
На рубеже веков и на среднесрочную перспективу основным является требование минимизации потребления ископаемого углеводородного топлива при
обеспечении высокой транспортной эффективности, требуемого (нормативного) уровня безопасности выполнения транспортных услуг, транспортного комфорта, безвредности воздействия на окружающую среду.
Автомобильная и железная дороги как инженерные сооружения на местности нарушают природные ландшафты, изменяют режим стока поверхностных и
грунтовых вод, оказывают другие негативные воздействия (табл. 1.4).
Таблица 1.4
Воздействие дороги на окружающую среду
Вид воздействия
Изъятие местных
природных ресурсов
Изменение рельефа местности
Характеристика воздействия на окружающую среду
Отчуждение земельной площади (постоянное и временное).
Добыча каменных материалов, песка, грунта. Снятие почвы, дернового слоя
Устройство насыпей с уположенными и рекультивированными откосами, выемок, боковых резервов. Отвалы неиспользованного грунта. Разработка сосредоточенных резервов, сочетающихся после рекультивации с естественным
рельефом, глубоких карьеров
Гидротехнические Осушение (дренаж) земель, болот. Регулирование стока
работы
(водоотвод). Устройство напорных водопропускных сооружений. Изменение русла водотоков. Устройство насыпей на болотах
Технологические Выделение минеральной пыли. Шум, вибрация строительзагрязнения
ных машин, от взрывных работ. Сток грунтовой суспензии,
сточных вод. Засорение поверхности в местах временных
сооружений, стоянки машин, проведения взрывных работ.
Прокладка коммуникаций в придорожной полосе. Обработка дорог и придорожных полос пестицидами и противогололедными веществами
Транспортные
Отработавшие газы транспортных средств. Транспортный
загрязнения
шум, вибрации. Бытовое загрязнение придорожных земель
проезжающими транспортными средствами. Рекреационные нагрузки
Мероприятия, позволяющие снизить воздействие транспорта на окружающую среду:
- совершенствование нормативно-правовой базы для обеспечения экологической безопасности (устойчивого развития) промышленности и транспорта;
- создание экологически безопасных конструкций объектов транспорта,
эксплуатационных, конструкционных, строительных материалов, технологий
53
их производства;
- разработка ресурсосберегающих технологий защиты окружающей среды
от транспортных загрязнений;
- разработка алгоритмов и технических средств мониторинга окружающей
среды на транспортных объектах и прилегающих к ним территориях, методов
управления транспортными потоками для увеличения пропускной способности;
- совершенствование системы управления природоохранной деятельностью на транспорте;
- разработка средств и методов нейтрализации вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.
Основными процессами воздействия транспорта на окружающую среду являются: горение, термогазодинамические процессы в двигателях, тепловое
и химическое загрязнения, испарение и потери топлива, износ деталей, узлов
машин, виброакустическое и электромагнитное излучение и др.
Тепловая машина (двигатель внутреннего сгорания) работает, взаимодействуя с атмосферой. В процессе получения полезной работы происходит выделение теплоты в окружающую среду. Известно, что КПД любой тепловой машины зависит от температуры, возникающей при сжигании топлива, и температуры холодильника, то есть окружающей среды:
КПД =
Тг −Тх
,
Тг
(1.69)
где Тг – температура горения топлива, К;
Тх – температура окружающей среды, К.
Таким образом, чем выше температура горения топлива, тем выше КПД.
При этом повышается и тепловое загрязнение окружающей среды. Но это тепловое загрязнение незначительно и им, как правило, пренебрегают. В то же
время температура горения углеводородных топлив зависит от вида топлива,
количества подводимого кислорода и конструктивных особенностей двигателя
внутреннего сгорания.
1.6.3. Характеристика топлив, используемых на объектах транспорта
В качестве топлива чаще всего используют: бензин, дизтопливо, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ; реже – водород, метанол (СН3ОН),
диметилэфир (СН3ОСН3). Основным источником теплоты при сгорании топлив
является окисление содержащихся атомов углерода и водорода. Кроме того, в
топливах могут содержаться в незначительном количестве сера, соединения
азота, кислородсодержащие соединения (спирты, эфиры и др.), тяжелые металлы. Свойства топлив, используемых в объектах транспорта, приведены в
табл. 1.5, а выделяемые вещества при полном их сгорании – в табл. 1.6.
Условная «молекула» топлива имеет вид СхНуОz (для азотсодержащих топлив – СхНуОzNg, для серосодержащих – СхНуОz Sk). Молярная масса «условной» молекулы топлива определяется по формуле
54
Мт = 12х + у + 16z,
(1.70)
где 12х, у, 16z – масса углерода, водорода, кислорода в молекуле топлива.
В большинстве товарных сортов бензина и дизельных топлив наличием
кислорода можно пренебречь. В этом случае условная молекула топлива примет вид СхНу.
Таблица 1.5
Свойства топлив, используемых на объектах транспорта
Топливо
Водород
Сжатый природный газ
Сжиженный нефтяной газ
Метанол
Диметилэфир
Бензин
Дизтопливо
Мазут
Каменный уголь
С
Элементный состав, %
Н
О
N
S
Расход Теплота
воздуха, сгорания,
кг/кг
МДж/кг
34,34
119.6
13,63
46,9
71.0
100
23,2
0,4
5,3
0,1
84,0
16,0
-
-
0,01
15,1
45,5
37,5
52,2
85,5
86,5
85,6
80,5
12,5
13,0
14,5
13,3
11,3
6,0
50,0
34,8
0,5
11,5
0,02
0,3
1,5
0,02
0,2
2,3
0,5
6,5
9,0
14,8
14,5
13,8
10,8
19,6
28,8
44,0
41,3
40,9
32,3
Таблица 1.6
Потребление кислорода воздуха и выделение различных веществ при полном
сгорании 1 кг топлива, кг
Топливо
Водород
Сжатый природный газ
Сжиженный
нефтяной газ
Метанол
Диметилэфир
Бензин
Дизтопливо
Мазут
Каменный уголь
Выход веществ в результате сгорания, кг/кг
Н2О
N2
СО2
8,94
2,25
26,41
13,28
2,8
Потребление кислорода, кг/кг
7,94
3,13
1,59
12,0
3,0
3,47
1,13
1,08
1,46
1,29
0,78
-
4,98
11,74
11,39
10,4
8,86
1,37
1,84
3,1
3,16
3,5
3,0
1,5
1,92
3,04
3,34
3,17
2,48
55
Полное окисление (сгорание) топлива (бензина или дизтоплива) описывается уравнением:
СхНу + (х + у/4) О2 = хСО2 + (у/2)Н2О.
(1.71)
Полное окисление топлива возможно только при определенном избытке
воздуха. Количество потребляемого воздуха на полное окисление топлива приведено в табл. 1.5, а количество потребляемого кислорода – в табл. 1.6.
В результате полного сгорания 1 кг топлива потребляется 1,5-7,9 кг кислорода воздуха, а выделение углекислого газа при этом составляет порядка 3 кг,
воды – 0,8-2,3 кг, азота – 10,4-13,3 кг.
Неполное окисление. Если количество кислорода будет меньше стехиометрического, то окисление будет неполным: часть углерода окислится лишь
до СО, а часть водорода не сгорит вообще. При равенстве массовой доли углерода, окислившегося до СО, и массовой доли несгоревшего водорода в продуктах сгорания (С/О = 1) будет содержаться только СО и несгоревший водород:
СхНу + (х/2)О2 = хСО + (у/2) Н2.
(1.72)
При дальнейшем уменьшении содержания кислорода (С/О >1) в продуктах
сгорания появляется несгоревший углерод (сажа), а также другие вещества.
В связи с конструктивными особенностями двигателей внутреннего сгорания достичь полного окисления топлива практически не удается. Поэтому в составе отработавших газов, как правило, содержится значительное количество
вредных веществ. Типичное содержание различных веществ в отработавших
газах двигателей приведено в табл. 1.7.
Исследования отработавших газов двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов показал, что вследствие несовершенства процесса сгорания в выхлопе этих двигателей обнаружено более 200 веществ и высокомолекулярных соединений. Кроме соединений, приведенных в табл. 1.7, в выхлопе
содержатся акролеин, металлы, несгоревшие углеводороды – от простейших
молекул до высокомолекулярных соединений полициклического строения, и
другие вещества. Полициклические, ароматические (3,4-бенз(а)пирен), сложные углеводороды относятся к категории канцерогенных. В составе отработавших газов их количество составляет 1,5-2% от общего объема газов. Содержание токсических веществ в отработавших газах маневровых тепловозов приведено в табл. 1.8.
На содержание токсичных веществ в составе отработавших газов большое
влияние оказывают такие факторы, как состав смеси, режим работы двигателя и
др. Например, увеличение времени сгорания рабочей смеси в цилиндрах для
снижения содержания сажи вызывает повышение температуры сгорания, что
ведет к увеличению доли оксидов азота и наоборот. Более поздний впрыск топлива для уменьшения содержания оксидов азота ведет к снижению температуры и неполному сгоранию топлива, что, в свою очередь, ведет к повышению
56
содержания несгоревших углеводородов и твердых частиц. Для преодоления
этого внедряют электронные системы управления дизелем, которые позволяют
изменить давление в момент впрыска топлива в зависимости от условий движения, тем самым снизить токсичность отработавших газов.
Таблица 1.7
Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
Вещество
Кислород
Углекислый газ
Вода
Азот
Оксиды азота
Угарный газ
Углеводороды
Альдегиды
Сажа
Бенз(а)пирен
Оксиды серы
Объемная доля веществ в газах двигателей, %:
бензиновый [15]
автомобильный
дизель теплодизель [15]
воза [16]
0,05-8,0
2,0-18,0
2,0-18,0
5-12,5
1-12
2,5-12
3-13
0,5-10
1-12
74-77
76-88
74-78
0,05-0,5
0,1-1,0
0,5-4,0
0,1-10,0
0,01-0,5
0,5-2,5
0,2-2,0
0,01-0,5
0,5-0,8
0-0,2
0-0,05
0,05-0,1
3
3
до 100 мг/м
до 20000 мг/м
0,1-0,5
3
3
до 25 мкг/м
до 10 мкг/м
до 0,01 мг/м3
до 0,003 мг/м3
до 0,015 мг/м3
0,1-2,1
Таблица 1.8
Содержание токсичных веществ в отработавших газах дизельных двигателей
маневровых тепловозов [17]
Компонент
Оксид азота
Формальдегид
Акролеин
Оксид серы
Бенз(а)пирен
Сажа
Содержание,
мг/м3
до 5000
20
1
700
до 0,01
до 1100
Класс
опасности
2
2
2
3
1
4
ПДКраб.зоны,
мг/м3
5
0,5
0,2
10
0,0001
35
Превышение
ПДК, раз
1000
40
5
70
100
31
Сложнее с другим фактором, влияющим на содержание твердых частиц.
Это повышенное содержание серы в дизельном топливе. В настоящее время в
развитых странах содержание серы в топливе не превышает 0,15-0,3%, в США
– 0,05%. В отечественном же дизтопливе серы значительно больше. Кроме этого, существенное влияние на дымность двигателя оказывает молекулярная
структура топлива. Например, ароматические углеводороды дают большее
дымление, чем парафины. Одной из причин окраски в черный цвет отработавших газов является наличие в них твердых частиц, состоящих из множества
57
канцерогенных соединений.
На интенсивность дымления оказывает влияние и техническое состояние
топливной аппаратуры: подтекание топлива в распылителе форсунки, неправильно отрегулированное давление начала впрыска, зависание иглы распылителя, засорение воздушного фильтра, снижение давления сжатия из-за износа
или повреждения поршневых колец и т.д. При содержании сажи в количестве
130 мг/м3 отработавшие газы становятся видимыми, а при содержании
600 мг/м3 принимают цвет средней черноты. Таким образом, количество сажи в
отработавших газах не должно быть больше 130 мг/м3.
1.6.4. Характеристика основных токсичных веществ, содержащихся
в отработавших газах
Вредные и токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, в зависимости от механизма их образования
можно разделить на группы:
- углеродсодержащие вещества – продукты полного и неполного сгорания
топлив (углекислый и угарный газы, углеводороды, в том числе полициклические ароматические, сажа);
- вещества, механизм образования которых непосредственно не связан с
процессом сгорания топлива (оксиды азота);
- вещества, выброс которых связан с примесями, содержащимися в топливе (соединения серы, свинца, других тяжелых металлов), воздухе (кварцевая
пыль, аэрозоли), а также образующимися в процессе износа деталей (оксиды
металлов).
Конечными продуктами окисления топлива являются углекислый газ и вода, которые не относятся к токсичным веществам. Однако за последние 15-20
лет отношение к выбросам углекислого газа резко изменилось. Это связано с
фиксируемым повышением (на 25%) его в атмосфере планеты и влиянием на
изменение климата (так называемый «парниковый эффект»). Расчетами установлено, что на железных дорогах при эксплуатации тепловозов выбрасывается
3 кг углекислого газа на 100 тарифных тонно-километров.
Оксид углерода (угарный газ) образуется при сжигании топлива с некоторым недостатком кислорода, а также при диссоциации углекислого газа при
температурах выше 2000 К. Оксид углерода бесцветен, легче воздуха, свободно
распространяется в атмосфере. Под его воздействием нарушается газовый обмен в организме человека, так как он воздействует на красные кровяные шарики. В результате эритроциты теряют способность переносить кислород и наступает удушье. При острых отравлениях угарным газом человек ощущает резкую
слабость, у него появляется шум в ушах, головокружение, иногда наступают
судороги, а нередко человек теряет сознание.
Оксиды азота представляют набор следующих соединений: N2O, NO,
N2O3, NO2, N2O4, N2O5. Преобладает NO (99% в бензиновых двигателях и более
90% в дизелях), который неустойчив при выходе из двигателя, быстро окисля58
ется озоном или кислородом воздуха до двуокиси азота. Оксиды азота (NO и
NO2), попадая в организм человека, соединяются с водой и образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислот. Эти оксиды в малых дозах не имеют запаха. Удовлетворительно чувствуя себя в присутствии опасных
концентраций оксидов азота, человек впоследствии тяжело заболевает. Вдыхание с воздухом оксидов азота с концентрацией 0,01% в течение 0,5-1 часа разрушает легочную ткань и может вызвать хронические заболевания (эмфизему
легких, астму, бронхит). По действию на организм оксиды азота в 41 раз опаснее оксида углерода. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа и рта. Они участвуют в образовании смога.
К углеводородам СхНу относятся несколько десятков наименований веществ, образующихся в результате:
- реакций цепочно-теплового взрыва – пиролиза и синтеза (полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), альдегиды, фенолы);
- неполного сгорания в результате нарушения процессов горения (из-за
прекращения реакций окисления углеводородов при низких температурах, неоднородности топливно-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных
циклах или цилиндрах двигателя) (несгоревшие компоненты топлива и масла).
Наиболее токсичны из углеводородов ПАУ. Максимальный уровень токсичности имеет бенз(а)пирен С20Н12. Гипотетическая реакция его образования
при пиролизе топлив при температуре более 873 К может быть записана в виде:
С6Н2 + 3С2Н2 + 4С2Н = С20Н12,
(1.73)
где С6Н2 – полирадикал, представляющий зародыш сажи, С2Н2 и С2Н – элементные строительные блоки. Бенз(а)пирен образуется одновременно с сажей
по сходному механизму.
Формальдегид – газ с резким неприятным запахом, раздражает слизистые
оболочки, поражает центральную нервную систему, вызывает воспаление органов дыхания. При концентрации формальдегида в атмосфере 0,007% наблюдается легкое раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек глаза и носа; при концентрации 0,18% возникает сильное раздражение.
Акролеин – сильно ядовитый газ с раздражающим запахом подгоревших
жиров и масел: содержание его в атмосфере 0,002% непереносимо, 0,0005% труднопереносимо, и только 0,00008% для человека неопасно.
Сернистые соединения – сернистый газ и сероводороды, образуются при
горении серы, содержащейся в моторном топливе. Они оказывают сильное раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз. Пагубное действие на растения двуокиси серы начинается с концентрации на уровне 0,02
мг/м3. Вступая в реакцию с водой, образуют сернистую, серную и сероводородную кислоты.
Твердые частицы включают нерастворимые (сажу, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свинца) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, альдегиды, лак, нагар, тя59
желые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества. Твердые частицы
в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания состоят на 68-75% из
нерастворимых веществ и на 25-32% – из растворимых.
Сажа является основным компонентом нерастворимых твердых частиц.
Образуется при объемном пиролизе (термическом разложении углеводородов в
газовой или паровой фазе при недостатке кислорода). Механизм образования
включает несколько стадий:
- образование зародышей;
- рост зародышей до шестиугольных пластинок графита;
- увеличение размеров частиц (коагуляция) до сложных образований –
конгломератов, включающих 100-150 атомов углерода;
- выгорание;
- выделение сажи из пламени.
Сажа, как и любая мелкая пыль, засоряет дыхательные пути, раздражает их
и может явиться причиной хронических заболеваний носоглотки. Попадая в
легкие, она вызывает легочные заболевания, но главная опасность сажи заключается в том, что она является переносчиком канцерогенных веществ, в первую
очередь бенз(а)пирена. Наличие сажи в отработавших газах является не только
«наглядным» показателем загрязнения окружающей среды, но и используется
при диагностике двигателя.
Свинец в составе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов) присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются по сходному механизму образования сажи.
60
Глава 2. ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
2.1. Общие вопросы защиты атмосферы от загрязнения
2.1.1. Источники загрязнения атмосферы
Загрязнение атмосферы – привнесение в атмосферу или образование в
ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными,
так и антропогенными факторами. Классификация источников загрязнения атмосферы приведена на рис. 2.1.
Источники загрязнения атмосферы
Естественные
Отходящие газы
Пыльные бури
Вулканы
Лесные пожары
Выветривание
Разложение живых организмов
Промышленных предприятий
Транспорта
Теплоэнергетики
Отопления жилищ
Сельского хозяйства
Рис. 2.1. Классификация источников загрязнения атмосферы
Отходящими называют газы, по своему составу значительно отличающиеся от воздуха и поступающие в атмосферу с промышленных и
сельскохозяйственных предприятий, транспорта, в результате бытовой
деятельности человека.
Дополнительные вещества, которые содержатся в этих газах, называются
загрязнителями. В отходящих газах вредные примеси представлены взвешенными частицами твердых (пыль, дым) и жидких (туман) веществ, а также газами и парами. От вида примесей зависят методы очистки газов.
Самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводорода и пыль. Основные примеси атмосферы и их источники приведены в табл. 2.1.
Одними из самых интенсивных загрязнителей атмосферы являются энергетические установки, которые имеются и на предприятиях железнодорожного
транспорта. Удельные выбросы вредных веществ при сжигании различного топлива в котлоагрегатах приведены в табл. 2.2. Основными компонентами, выбрасываемыми при сжигании различных видов топлива в энергоустановках, яв61
ляются диоксид углерода и водяной пар. Однако в атмосферу выбрасываются и
другие вредные вещества: продукты неполного сгорания топлива – оксид углерода, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен С20Н12, несгоревшие частицы твердого топлива, вода и прочие механические примеси,
оксиды серы, азота и свинца.
Таблица 2.1
Основные примеси, обнаруженные в атмосфере, и их источники
Примеси
Основные источники
естественные
антропогенные
Среднегодовая
концентрация в
воздухе, мг/м3
В городах
0,04-0,4
Вулканические Сжигание топлива в
промышленных и быизвержения,
товых установках
пылевые бури,
лесные пожары и др.
То же
В городах
Сернистый газ Вулканические
до 1,0
извержения,
окисление серы и сульфатов, рассеянных в море
Оксиды азота
Лесные пожаПромышленность,
В районах с развиры
транспорт, теплоэлек- той промышлентростанции
ностью до 0,2
Оксид углеро- Лесные пожа- Транспорт, промышВ городах
да
ры, выделения
ленные энергоустаот 1 до 50
океанов, окис- новки, черная металление терпенов
лургия
Транспорт, дожига- В районах с развиЛетучие угле- Лесные пожатой промышленводороды
ры, природный ние отходов, испарение нефтепродуктов
ностью
метан, придо 3,0
родные терпены
ПолицикличеТранспорт, химиче- В районах с развиские ароматиские заводы, нефтетой промышленческие углевоперерабатывающие
ностью
дороды
заводы
до 0,01
Твердые частицы (зола,
пыль и др.)
Значительное загрязнение атмосферного воздуха наносят также машиностроительные и ремонтные производства железной дороги. На этих производствах широко используются сварочные работы, механическая обработка металлов, переработка неметаллических материалов, лакокрасочные операции, галь-
62
ваническая обработка и др., которые выделяют пылегазовые выбросы, содержащие значительное количество загрязняющих веществ.
Таблица 2.2
Удельные выбросы вредных веществ при сжигании различных видов
топлива
Топливо
Уголь:
воркутинский
донецкий
якутский
карагандинский
кузнецкий
Мазут:
высокосернистый
низкосернистый
Газ, кг/1000 м3
Удельные выбросы вредных веществ, кг/т
твердые чассернистый
угарный газ
окислы
тицы
газ
азота
67,2
67,6
43,0
75,2
53,6
14,4
50,4
3,6
14,4
7,2
45,5
49,0
45,1
43,9
51,3
2,17
2,21
2,01
1,97
2,23
6,0
5,6
-
54,9
5,9
-
37,7
37,7
12,9
2,46
2,57
2,15
2.1.2. Нормирование качества атмосферного воздуха
В России существует Закон «Об охране атмосферного воздуха», который
регламентирует порядок установления нормативных величин, лимитирующих
вредное воздействие на атмосферный воздух химических, физических и биологических факторов. Для его выполнения разработаны государственные стандарты, одним из которых является ГОСТ 17.2.3.01-78 «Охрана природы. Атмосфера», который включает нормативы по контролю качества воздуха населенных пунктов, установлению допустимых выбросов.
Закон также регламентирует размещение, проектирование, строительство и
ввод в эксплуатацию предприятий и других объектов, влияющих на атмосферный воздух.
Для оценки же санитарного состояния воздушной среды применяются следующие показатели:
- предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в воздухе рабочей зоны и населенных мест (табл. 2.3);
- временная допустимая концентрация (ориентировочный безопасный уровень воздействия) химических веществ в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе (ВДК);
- предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в атмосферу
(ПДВ);
- временно согласованные выбросы (ВСВ).
63
Под ПДКрабочей зоны следует понимать такие концентрации различных токсичных химических веществ, содержащихся в воздухе в виде газов, паров и пыли, которые при ежедневном воздействии в течение рабочего дня (при 40часовой рабочей неделе) не вызывают патологических изменений или заболеваний у работающего и его детей.
ПДКсреднесуточная – это предельная концентрация, которая на протяжении
жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом.
ПДКмаксимально разовая определяет степень кратковременного (20-минутного)
воздействия примеси на организм человека, не вызывающей у него патологических изменений и заболеваний.
Таблица 2.3
Предельно допустимые концентрации некоторых веществ в воздухе, мг/м3
Вещество
Азот диоксид
Аммиак
Ангидрид сернистый
Ацетон
Взвешенные вещества
Железа оксид
Кислота азотная
Кислота серная
Медь
Мышьяк
Нафталин
Озон
Полиэтилен
Ртуть металлическая
Сажа
Свинец
Сероводород
Спирт метиловый
Спирт этиловый
Угарный газ
Углерода оксид
Фенол
Хлор
ПДК в
рабочей
зоне
5
20
10
200
1
0,5
20
0,1
10
0,005
4
0,007
10
5
1000
20
0,3
1
Среднесуточная
ПДК
0,04
0,04
0,05
0,35
0,15
0,04
0,15
0,1
0,001
0,003
0,003
0,03
0,0003
0,05
0,0003
0,008
0,5
5
3,0
3
0,003
0,03
Максимально разовая ПДК
0,085
0,2
0,35
0,5
0,4
0,3
0,003
0,16
0,15
0,008
1
5
5,0
5
0,01
0,1
Класс
опасности
2
4
3
4
3
3
2
2
2
2
4
1
3
1
3
2
2
3
4
4
4
2
2
В качестве основного показателя опасности загрязнения воздуха принята
весовая концентрация примесей, мг/м3.
64
В зависимости от ПДК в рабочей зоне все химические вещества разделены
на 4 класса опасности: чрезвычайно опасные (1 класс), высокоопасные (2
класс), умеренно опасные (3 класс) и малоопасные (4 класс). В настоящее время
ПДК установлены для 700 вредных веществ.
При комбинированном воздействии нескольких веществ учитывают сумму
их вредного воздействия. Должно выдерживаться следующее неравенство:
Сn
С1
С2
+
+ .... +
≤1
ПДК1 ПДК 2
ПДК n
(2.1)
При проектировании или строительстве предприятий в районах, где воздух
уже загрязнен, необходимо выбросы предприятия нормировать с учетом присутствующих примесей, т.е. фоновых концентраций.
Фоновая концентрация – концентрация загрязняющего атмосферу вещества, создаваемая всеми источниками естественного и антропогенного воздействия, исключая рассматриваемые.
ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени,
которое в сумме с выбросами других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающих ее ПДК. Единицы измерения –
г/с, кг/ч, т/год.
Сущность введения ПДВ состоит в том, что при существующих методах
сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в атмосферу. Вместе с тем можно
уменьшить их выбросы до установленного предела путем разбавления чистым
воздухом. Здесь есть лазейка для так называемой технологии «высоких труб».
Если ПДК и ПДВ предприятием не могут быть достигнуты, а продукция
нужна, то согласовывают ВСВ. ВСВ – утвержденный поэтапно снижаемый
норматив мощности выброса вредного вещества из действующего источника
загрязнения, устанавливаемый на уровне выбросов предприятий с наилучшей
технологией производства или на уровне предприятий, аналогичных по мощности и технологическим процессам.
2.1.3. Классификация источников загрязнения
Источники загрязнения атмосферы классифицируются:
1. По пространственным параметрам:
точечные – дымовая труба, вентиляционная вытяжка и т.п.; размерами точечного источника можно пренебречь;
линейные – дороги, конвейеры и т.д.; шириной линейного источника
можно пренебречь;
площадные – поверхность карьеров, отвалов, хвостохранилищ и др.; размерами площадного источника пренебрегать нельзя.
2. По степени (уровню) организации:
организованные – используют специальные устройства отвода и концентрации загрязнителя – трубы, воздуховоды и т.д.;
65
неорганизованные – не имеют специальных устройств, выброс поступает
в атмосферу в виде ненаправленного потока газов. К ним относятся карьеры,
отвалы, шламохранилища, горное оборудование: экскаваторы, бульдозеры, автосамосвалы и т.д. Неорганизованные источники наиболее трудны в оценке количества, качества выбросов и зон их влияния.
3. По времени воздействия:
постоянные – работа транспорта, фабрик, котельных и т.д.;
залповые – аварийные выбросы, взрывные работы.
4. По стационарности:
стационарные – источники с жестко фиксированными координатами:
труба котельной, колбасной фабрики и т.д.;
нестационарные – перемещающиеся в пространстве – железнодорожный
и автотранспорт и т.д.
2.2. Пассивные методы защиты атмосферы от загрязнения
Выше было сказано, что защита окружающей среды может осуществляться
активными методами (которые непосредственно связаны с изменением в технологии производства) и пассивными, которые не вносят изменений в технологию, применяются лишь нейтрализация или ограничение вредного воздействия
(это организация санитарно-защитных зон, рассеивание загрязняющих веществ
за счет строительства высоких труб и т.д.).
2.2.1. Стадия проектирования предприятия
Важным природоохранным этапом является стадия проектирования предприятия, где в проект следует включать разработки по созданию малоотходных
технологий и совершенствованию конструкций аппаратов и оборудования, систем очистки и рекуперации выбросов, а также определение допустимых выбросов и создание санитарно-защитных зон.
При планировании предприятий необходимо учитывать следующие моменты.
1) В городах не разрешается размещать промышленные предприятия, распространяющие пылевидные и газообразные выбросы. Предприятия располагают в дали от городов, с подветренной стороны по отношению к ближайшему
жилому району и отделяют от границ жилых районов санитарно-защитными
зонами.
2) Для уменьшения задымления, запыления и отравления газами воздуха
предприятия располагают на возвышенных местах, хорошо обдуваемых ветрами. Это увеличивает высоту выброса дыма и газов, а следовательно, и их разбавление.
3) Составляют прогноз максимально возможных концентраций загрязняющих веществ на определенной территории. Для этого Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова разработана методика расчета кон66
центраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах
предприятия. Данная методика изложена в общесоюзном нормативном документе ОНД-86, обязательном для применения во всех подобных расчетах.
Также для расчета максимальных концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, необходимо использовать одну из модификаций унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) для ЭВМ,
являющейся приложением к ОНД (Эфир, РУЗА, ЛБЭД-РК, Эколог и др.).
2.2.2. Инвентаризация и расчет предельно допустимых выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу
В процессе разработки норм ПДВ (ВСВ) производится специальная процедура, инвентаризация выбросов – систематизация сведений о наличии и распределении источников на территории предприятия, количестве и составе выбросов.
При инвентаризации учитывается комплекс параметров:
- мощность (интенсивность) выброса (г/с, т/год);
- высота, размер и конфигурация устья источника;
- расход и температура газовоздушной смеси в устье источника;
- расположение источника на площадке, фиксируемое на карте-схеме (ситуационном плане) в заданной системе координат.
Учету подлежат все вредные вещества, содержащиеся в отходящих газах
(технологических выбросах), аспирационном воздухе (вентиляционные выбросы), а также выбросы транспортных средств.
При инвентаризации выбросов вредных веществ в атмосферный воздух
допускается использование как прямых инструментальных измерений, так и
расчетных методов по методикам, утвержденным контролирующими органами
в установленном порядке.
Совершенствование технологических процессов, применение высокоэффективных систем газоочистки позволяют в значительной мере уменьшить
размеры промышленных выбросов в атмосферу. В то же время полностью уловить пыле- и газообразные примеси в отходящих газах не удается. Для того,
чтобы концентрация вредных веществ в приземном слое не превышала ПДК,
пылегазовые выбросы подвергают рассеиванию в атмосфере через высокие
трубы. На рис. 2.2 показано распределение концентрации вредных веществ в
атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере
удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов
их концентрация в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает
максимума в зоне задымления (на расстоянии хм) и затем медленно убывает,
что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зона переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; зона задымления – зона максимального содержания вредных веществ, расположенная
67
на расстоянии хм от источника, и зона постепенного снижения уровня загрязнения.
хм
Рис. 2.2. Зависимость распределения концентрации вредных веществ
в атмосфере от организованного высокого источника выброса
Выше было показано, что для расчета ПДВ проводится инвентаризация
выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. На основании данных инвентаризации устанавливаются фоновые концентрации (Сф) в районе конкретного
источника выбросов. Затем рассчитывают рассеивание вредных веществ в атмосфере и устанавливают нормативы ПДВ, которые считаются одним из первых природоохранных мероприятий. Инвентаризация выбросов на предприятии
должна проводиться не реже 1 раза в пять лет, а при необходимости и чаще.
При расчете необходимо знать следующие значения:
- коэффициент неровности местности (η) (η = 1 – для ровной местности);
- коэффициент, определяющий влияние осаждения примесей в атмосфере
(КF или по-другому он обозначается F );
- предельно допустимые концентрации вредных примесей (СПДК).
Расчет ПДВ начинается с определения допустимой концентрации вредных
примесей (СД) в приземном слое атмосферы:
СД = СПДК – Сф, мг/м3.
68
(2.2)
Далее для установления величины коэффициента n, учитывающего условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, определяют величину параметра νм :
Q⋅ΔΤ ,
v м = 0,653
H
(2.3)
где Н – высота источника, м;
Q – объем выбрасываемой газовоздушной смеси, м3/с;
ΔТ – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и
температурой окружающего воздуха, оС;
Значение этого коэффициента: при vм ≥ 2, n =3;
при 0,3 ≤ vм ≤ 2,
n =3− ⎛⎜ v −0,3⎞⎟⎛⎜ 4,36−v ⎞⎟ ;
м⎠
⎝ м
⎠⎝
(2.4)
при vм ≤ 0,3,
n = 1.
Предельно допустимый выброс загрязняющих веществ из конкретного источника отходящих газов определяется по формуле
С Д Н 2 з QΔT г/с;
ПДВ =
,
AFmnη
(2.5)
а концентрацию вредного вещества в устье источника – по формуле
С у = ПДВ , г/м ,
Q
3
(2.6)
где А – коэффициент температурной стратификации атмосферы (для Свердловской области А = 160);
F – коэффициент оседания веществ в атмосфере (для пыли F = 3, для газов
F=1);
m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из
устья источника выброса (диаметр и высота устья, температура и скорость выхода газовоздушной смеси).
2.2.3. Установление санитарно-защитной зоны вокруг предприятия
Следующим природоохранным мероприятием является установление санитарно-защитной зоны (СЗЗ) вокруг предприятия. Согласно СНиП и СанПиН, СЗЗ следует создавать вокруг всех промышленных предприятий, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу, в том числе и общественного производства. СЗЗ – благоустроенная или озелененная территория, отделяющая
площадку предприятия, являющегося источником загрязнения атмосферы, шумовых, радиационных и прочих воздействий, от жилой и общественной застройки. Размеры ее устанавливаются с учетом санитарной классификации
предприятий, расчетов загрязнения атмосферы и других факторов. Санитарная
классификация приведена в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Нормами установлено
69
5 классов предприятий и соответственно 5 размеров нормативных СЗЗ: I класс
– 2000 м; II класс – 1000 м; III класс – 500 м; IV класс – 300 м; V класс – 100 м.
Размеры СЗЗ должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы (расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере) с учетом перспективы развития
предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха. Полученные
таким образом размеры расчетной СЗЗ должны уточняться отдельно для различных направлений ветра в зависимости от результатов расчета и среднегодовой розы ветров района.
Определение расчетной санитарно-защитной зоны. Приземная концентрация загрязняющих веществ в атмосфере, создаваемая источником выбросов
на предприятии, рассчитывается по формуле
С = СмS1 ,
(2.7)
где См – максимальное значение приземной концентрации вредного вещества
при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника, определяемое по формуле
См =
AMFmnη , мг/м3;
H 2 з QΔT
(2.8)
где А,F, m,n, H, Q, ΔТ – коэффициенты, имеющие те же значения, что и в выражении (2.5);
М – мощность выброса, г/с;
S1 – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от соотношения х/хм и коэффициента F:
S1 =
1,13
⎛
⎜
0,13⎜
⎜
⎝
,
2
(2.9)
х ⎞⎟
⎟ +1
х м ⎟⎠
где х – расстояние от источника выброса, м;
хм - расстояние от источника выбросов, на котором приземная концентрация достигает максимального значения, м. Оно определяется по формуле
хм =
(5− F )kH ,
4
(2.10)
где k = 4,95 vм при vм ≤ 2,
k = 7 v м при vм > 2
vм – определяется по формуле (2.3).
Преобразовав формулу (2.9), можно определить расстояние х, равное величине СЗЗ, на котором в приземном слое атмосферы будет достигаться равенство С=ПДКжилой зоны по определяемым загрязняющим веществам. Величины ПДК
по газу и пыли можно определить по данным табл. 2.3 или по справочникам.
70
На основании полученных расчетных данных можно определить класс
опасности предприятия, сравнив их с данными СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.
Корректировка санитарно-защитной зоны по розе ветров. Полученные
размеры СЗЗ уточняются отдельно для различных направлений ветра в зависимости от среднегодовой розы ветров района по формуле
L = Lо
P
,
Pо
(2.11)
где L – уточненный размер СЗЗ в направлении, противоположном розе
ветров, м;
L0 – нормативный размер СЗЗ, полученный по данным СанПиН
2.2.1/2.1.1.1200-03, м;
Р – среднегодовая повторяемость рассматриваемого направления ветра, %;
Р0 – повторяемость направлений ветров при круговой розе ветров (при
восьмирумбовой розе ветров Р0 = 100:8 = 12,5 %).
Построение СЗЗ предприятия. Для построения СЗЗ необходим ситуационный план предприятия. Для этого на листе бумаги (лучше на миллиметровой
формата А 4) необходимо нарисовать предприятие (лучше кубиками). В левом
верхнем углу чертежа приводится роза ветров.
При обосновании величины СЗЗ первоначально на ситуационном плане
отмечают:
- нормативные границы СЗЗ вокруг каждого источника выброса предприятия и определяют общую границу санитарной зоны;
- уточненные границы СЗЗ в зависимости от розы ветров (при этом необходимо учитывать, что величина уточненной СЗЗ противоположна рассматриваемому направлению ветра).
СЗЗ определяется как итог наложения обеих линий.
2.2.4. Расчет высоты трубы для рассеивания газовоздушных выбросов
Зачастую при реконструкции предприятия возникают проблемы, связанные с рассеиванием загрязняющих веществ в атмосфере: имеющиеся мощности
по очистке отходящих газов не гарантируют ПДВ, расчетная величина СЗЗ
больше, чем расстояние от предприятия до жилой зоны и другие проблемы. Для
их решения необходима установка дорогостоящего комплекса по очистке отходящих газов либо переход на другую технологию. Но есть более простое решение – увеличение высоты трубы для рассеивания выбросов. Это гарантирует
достижение ПДВ, предприятие по классу опасности становится менее опасным,
и СЗЗ предприятия уменьшается.
В основе расчета минимальной высоты трубы лежит условие, что величина
концентрации вредного вещества в приземном слое атмосферы не должна превышать его ПДКмакс разовую, т.е. См = ПДКмакс разовая. Учитывая это равенство, по
формуле (2.8) определяется Нмин.
71
2.3. Методы очистки отходящих газов от аэрозолей
Выделяют следующие активные методы очистки отходящих газов:
1. Механические (физические):
а) очистка в пылеосадительных камерах;
б) очистка в сухих механических пылеуловителях;
в) очистка в мокрых пылеуловителях;
г) очистка газов в фильтрах;
2. Промывные (абсорбционные);
3. Электростатические;
4. Адсорбционные;
5. Каталитические;
6. Термические.
Основные меры защиты атмосферы от загрязнения промышленными пылями и туманами предусматривают широкое использование пыле- и туманоулавливающих аппаратов и систем. Исходя из современной классификации пылеулавливающих систем, основанной на принципиальных особенностях процесса очистки, пылеочистное оборудование можно разделить на четыре группы: сухие пылеуловители, мокрые пылеуловители, электрофильтры и фильтры.
Пылеуловители различных типов используют при повышенных концентрациях
примесей в воздухе. Фильтры используются для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м3. Если требуется тонкая очистка воздуха
при высоких начальных концентрациях примесей, то ее проводят в системе последовательно соединенных пылеуловителей и фильтров.
2.3.1. Сухие пылеуловители
К сухим пылеуловителям относятся все аппараты, в которых отделение
частиц примесей от воздушного потока происходит механическим путем за
счет сил гравитации, инерции. Конструктивно сухие пылеуловители разделяют
на пылеосадительные камеры, циклоны, ротационные, вихревые, радиальные,
жалюзные пылеуловители и др.
Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации пылеосадительные камеры, в которых частицы пыли отделяются от газового потока под действием
сил тяжести (рис. 2.3). Главное предназначение аппарата очистки – обеспечение
определенного времени пребывания газового потока в обособленном пространстве и непрерывного отведения осевшей пыли из камеры улавливания. Основные трудности очистки газов с помощью осадительных камер обусловлены полидисперсностью пылей, размеры частиц которых распределяются по закону
нормального распределения. В этих условиях экономически приемлемым может быть выделение с помощью этих аппаратов крупных частиц размером не
менее 25-50 мкм. Часто при этом степень очистки не превышает 40-50%, что
приводит к необходимости использовать более совершенные конструкции аппаратов механической очистки газов.
72
Рис. 2.3. Схемы пылеосадительных камер
а – простейшая камера; б – камера с перегородками; в – многополочная камера; 1 – корпус;
2 – бункеры; 3 – перегородки; 4 – полка
Широкое применение для сухой очистки газов получили циклоны различных типов (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Конструкция циклона
1 – корпус; 2 – патрубок для ввода газового потока; 3 – выходная труба для очищенного газа;
4 – бункер для сбора пыли
73
Газовый поток вводится в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса 1 и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру 4. Под действием центробежной силы частицы
пыли образуют на стенке циклонов пылевой слой, который вместе с частью газа
попадает в бункер. Отделение частиц пыли от газа, попавшего в бункер, происходит за счет поворота газового потока в бункере на 180о. Освободившись от
пыли, газовый поток образует вихрь и выходит из бункера, давая начало вихрю
газа, покидающему циклон через выхлопную трубу 3. Для нормальной работы
циклона необходима герметичность бункера. Если бункер негерметичен, то за
счет подсоса наружного воздуха происходит вынос пыли с потоком через выходную трубу.
Для очистки газов от пыли с успехом применяются цилиндрические (ЦН11, ЦН-15, ЦН-15У, ЦН-24) и конические (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, СДК-ЦН33) циклоны, разработанные институтом НИИОГАЗ.
Расчет циклонов ведется методом последовательных приближений в следующем порядке:
1. Задаваясь типом циклона, определяют оптимальную скорость газа wопт в
сечении циклона диаметром D по следующим данным.
Тип циклона: ЦН-24; ЦН-15У; ЦН-15; ЦН-11; СДК-ЦН-33; СК-ЦН-34
wопт, м/с
4,5
3,5
3,5
3,5
2,0
1,7
2. Вычисляют диаметр циклона по формуле
D=
4Q м,
,
πwопт
(2.12)
где Q – объемный расход воздуха, проходящего через циклон, м3/ч.
3. По выбранному диаметру циклона находят действительную скорость
движения газа в циклоне:
w=
4Q м/с,
,
2
πnD
(2.13)
где n – число циклонов.
Действительная скорость в циклоне не должна отклоняться от оптимальной более чем на 15%.
4. Определяют коэффициент гидравлического сопротивления:
ζ = k1 k2 ζ500 ,
(2.14)
где k1 – поправочный коэффициент на диаметр циклона,
k2 – поправочный коэффициент на запыленность газов,
ζ500 – коэффициент гидравлического сопротивления одиночного циклона
диаметром 500 мм.
Эти коэффициенты определяются по специальным таблицам, например,
приведенным в учебнике под редакцией С.В.Белова [3].
74
5. Гидравлическое сопротивление циклона (∆р) вычисляют как разность
давлений воздушного потока на входе (рвх) и на выходе (рвых) из аппарата:
w2
Δр = ζρ ,
2
(2.15)
η = 0,5 [1 + Ф(х)],
(2.16)
где ρ и w – плотность и скорость воздуха в расчетном сечении аппарата.
6. Эффективность очистки газа в циклоне определяют по формуле
где Ф(х) – табличная функция от параметра х, определенного по методике, изложенной в учебнике С.В.Белова [3].
Кроме циклонов, в настоящее время разработаны ротационные, вихревые,
радиальные и жалюзийные пылеуловители.
2.3.2. Мокрые пылеуловители
Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как
характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной пыли
с диаметром менее 1,0 мкм, а также возможностью очистки от пыли горячих и
взрывоопасных газов. Однако эти аппараты обладают рядом недостатков, что
ограничивает область их применения: образованные в процессе очистки шламы
требуют специальной переработки; вынос влаги в атмосферу; образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.
Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли
либо на поверхности капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости.
Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и
броуновского движения. Кроме этих основных сил на процесс осаждения
влияют турбулентная диффузия, взаимодействие электрически заряженных
частиц, процессы конденсации, испарения и др. Во всех случаях очистки газов
в мокрых пылеуловителях важным фактором является смачиваемость частиц
жидкостью (чем лучше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки).
Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури,
форсуночные и центробежные скрубберы, аппараты ударно-инерционного типа, барботажно-пенные аппараты и др.
Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхности капель наибольшее практическое применение нашли скрубберы Вентури
(рис. 2.5). Основная часть скруббера – сопло Вентури, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1
жидкость на орошение. В этой части сопла (в горловине) 2 происходит разгон
газа от входной скорости (15-20 м/с) до скорости в узком сечении сопла
60-150м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относи75
тельной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости по сечению этой части сопла. В диффузорной части (камере
смешения) 3 сопла поток тормозится до скорости 15-20 м/с и подается в каплеуловитель (камеру разделения), который обычно выполняют в виде прямоточного циклона или скруббера ВТИ. Скруббер Вентури обеспечивает эффективность очистки 96-98% аэрозолей и более при начальной концентрации примесей 100 г/м3. Удельный расход воды на орошение при этом составляет
0,4-0,6 л/м3.
Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от
туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц около 0,3 мкм достигает 99,9%, что сравнимо с высокоэффективными
фильтрами.
Рис. 2.5. Схема скруббера Вентури
1 – сопло; 2 – горловина; 3 – камера смешения
Одним из удачных конструктивных решений совместной компоновки
скруббера Вентури и каплеуловителя служит конструкция (рис. 2.6) коагуляционно-центробежного мокрого пылеуловителя (КЦМП). Сопло Вентури 1 установлено в корпусе циклона 2, а для закручивания воздуха используется специальный закручиватель 3. Промышленные КЦМП работают при скоростях в узком сечении трубы 40-70 м/с, удельных расходах воды на орошение 0,1-0,5 л/м3
и имеют габариты на 30% меньше, чем габариты скруббера Вентури.
76
Рис. 2.6. Схема коагуляционно-центробежного мокрого пылеулавителя
1 – сопло Вентури; 2 – корпус циклона; 3 – закручиватель потока
В некоторых конкретных случаях процесс очистки может быть значительно рационализирован путем избирательного усиления действия физических
факторов. При улавливании крупнодисперсной пыли хорошие результаты можно получить при использовании газопромывателей ударно-инерционного действия. Например, в скруббере Дойля (рис. 2.7) акцент делается на преимущественное использование сил инерции улавливаемых частиц. Конструктивно это
решается путем организации лобового удара струи газа о зеркало жидкости с
резким изменением направления газового потока, а также путем использования
перегородок. В нижней части подводящей трубы 1 установлены конусы 2 для
увеличения скорости выходящего газа до 35-55 м/с. Разогнанные таким способом частицы пыли отбрасываются силой инерции на периферию газовой струи
и захватываются жидкостью. Дополнительным положительным эффектом является частичное дробление жидкой фазы газовым потоком с улавливанием затем
образующихся капель перегородками 3. Аэродинамическое сопротивление таких аппаратов составляет 500-4000 Па. Однако повышенное сопротивление
компенсируется высокой производительностью этих аппаратов и малым удель-
77
ным расходом промывной жидкости (в среднем 0,12 л/м3). В целом же инерционные газопромыватели эффективны для улавливания крупных частиц и поэтому используются чаще всего для предварительной очистки газов.
Рис. 2.7. Схема скруббера Дойля
1 – подводящая запыленный газ труба; 2 – конус; 3 – перегородки
Разновидностью аппаратов для улавливания пыли осаждением на каплях
жидкости являются форсуночные скрубберы (рис. 2.8,а). Запыленный газовый
поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где
осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимается вверх навстречу потоку капель, подаваемых в скруббер через форсуночные пояса 2.
Удельный расход воды в форсуночных скрубберах – 3-6 л/м3, гидравлическое
сопротивление аппарата – до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе скруббера 0,7-1,5 м/с.
В тех случаях, когда требуется очистка небольших масс горячих газов от
загрязнений с размером частиц более 15-20 мкм, можно применять простейшие
оросительные устройства, которые выполняют в виде ряда форсунок, встроенных в газоход. Удельный расход воды в таких системах выбирают равным 0,10,3 л/м3. Скорость газового потока в газоходе в целях исключения интенсивного
каплеуноса не должна превышать 3 м/с.
78
Рис. 2.8. Схемы скрубберов
форсуночного (а)
центробежного (б)
1 – корпус; 2 – форсуночный пояс; 1 – сопло; 2 – пленка жидкости;
3 – патрубок для ввода газа
3 – корпус аппарата; 4 – бункер;
5 – вводный патрубок
В аппаратах центробежного типа (рис. 2.8, б) частицы пыли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенсального расположения входного
патрубка 5 в корпусе аппарата. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм
создается подачей воды через сопло 1 и непрерывно стекает вниз, увлекая в
бункер 4 частицы пыли. Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра корпуса аппарата 3, скорости газа
во вводном патрубке и дисперсности пыли.
К мокрым пылеуловителям также относятся барботажно-пенные пылеуловители. В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены, очищается
от частиц пыли за счет осаждения частиц на внутренние поверхности газовых
пузырей. Режим работы аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдают барботажный режим работы аппарата.
Дальнейший рост скорости газа в корпусе аппарата до 2-2,5 м/с сопровождается
возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газов и брызгоуноса из аппарата. Современные барбо79
тажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газов от мелкодисперсной пыли около 95-96% при удельных расходах воды 0,4-0,5 л/м3.
2.3.3. Электрофильтры
Электрическая очистка – один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных частиц. Этот процесс основан на ударной ионизации газов в
зоне коронирующего разряда, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах. Между ними
создается электрическое поле высокого напряжения (30-100 кВ). Поскольку коронизирующие электроды изготавливают из относительно тонких стержней, то
около них создается поле высокой напряженности, вызывающее интенсивную
ионизацию газовых молекул. Этот процесс и вызывает образование вокруг
электродов светящейся короны. Под действием электрического поля заряженные аэрозольные частицы движутся от коронизирующего электрода к осадительному и прилипают к нему, отдавая свой заряд.
Ударная ионизация газа протекает устойчиво лишь в неоднородном электрическом поле, характерном для цилиндрического конденсатора (рис. 2.9). В
зазоре между коронирующим 1 и осадительным электродами создается поле
убывающей напряженности с силовыми линиями 3, направленными от осадительного к коронирующему электроду или наоборот. Напряжение к электродам
подается от выпрямителя 4.
Критическое напряжение на электродах, при котором возникает коронный
разряд, определяется соотношением
U кр = Екр R1 ln
R1
,
R2
(2.17)
где R2 и R1 – радиусы коронирующего и осадительного электродов,
Екр – критическая напряженность электрического поля, В/м.
Величина критической напряженности определяется экспериментально
или по эмпирическим формулам Пика. Для коронирующего электрода положительной полярности
⎛
⎜
Екр = 3,37⎜ β + 0,0242
⎜⎜
⎝
⎞
⎟
⎟106 ,
R1 ⎟⎟
⎠
β
(2.18)
а для коронирующего разряда отрицательной полярности
⎛
⎜
Екр = 3,04⎜ β + 0,0311
⎜⎜
⎝
⎞
⎟
⎟106 ,
R1 ⎟⎟
⎠
β
(2.19)
где β – поправка на плотность газов в рабочих условиях, определяемая по уравнению
80
β=
293( рокр ± рr )
6
1,013⋅10 (273+t )
,
(2.20)
где рокр – давление окружающей среды, Па;
рr – разряжение или избыточное давление в газоходе, Па;
t – температура газов, оС.
Рис. 2.9. Схема расположения электродов в электрофильтре
1 – коронирующий электрод; 2 – осадительный электрод; 3 – силовые линии электрического
поля в электрофильтре; 4 – выпрямитель
Электрофильтры используют для тонкой очистки газов от масляных туманов, смолы и пыли в различных отраслях промышленности. Применяют несколько типовых конструкций сухих электрофильтров типа УГ (унифицированные горизонтальные) и мокрых (типа С) электрофильтров (табл. 2.4), а также туманоуловители типа УПП. К наиболее распространенным относится трубчатый электрофильтр (рис. 2.10).
Эксплуатационные характеристики электрофильтров весьма чувствительны к изменению равномерности поля скоростей на входе в фильтр. При использовании электрофильтров для очистки воздуха от аэрозолей горючих веществ
необходимо, чтобы максимальная температура аэрозольной смеси была на 2025оС ниже температуры вспышки улавливаемой жидкости. Это позволяет устранить возможность воспламенения фильтрата в электроуловителе.
81
Рис. 2.10. Трубчатый электрофильтр
1 – осадительный электрод; 2 – коронирующий электрод; 3 – рама;
4 – встряхивающее устройство; 5 – изолятор
Таблица 2.4
Техническая характеристика электрофильтров
Техническая характеристика
Допустимая входная концентрация пыли
(УГ) или смолы (С) в газе, г/м3
Эффективность очистки, %
Гидравлическое сопротивление, Па
Наибольшая температура газа, оС
Удельный расход электроэнергии на очистку 1000 м3/ч газа, кВт.ч
Производительность очистки газа,
тыс. м3/ч
82
Тип электрофильтра
УГ
С
50
0,1
99,9
150
250
0,3
99
200
50
0,45
36-950
18-36
2.3.4. Фильтры
Фильтры широко используются в промышленности для тонкой очистки
вентиляционного воздуха от примесей, а также для промышленной и санитарной очистки газовых выбросов.
Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.
По типу перегородки все фильтры делятся на фильтры: с зернистыми
слоями (неподвижные свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); с гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волокнистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); с полужесткими пористыми перегородками (вязаные сетки, прессованные спирали и стружка и
др.); с жесткими пористыми перегородками (пористая керамика, пористые металлы и др.).
По конструктивному признаку воздушные фильтры, выпускаемые в России, делятся на ячейковые (рамочные и каркасные) и рулонные.
Для очистки воздуха в системах вентиляции обычно используют ячейковые фильтры, представляющие собой рамку или каркас с фильтрующими элементами, выполненными из набора металлических сеток (фильтры Река – ФиР).
винипластовых сеток (ФяВ), пенополиуретана (ФяП), упругого стекловолокна
(ФяУ), войлока и др. Выбор типа фильтрующих материалов зависит от требуемой тонкости очистки, химического состава загрязнителей и условий эксплуатации фильтра. В табл. 2.5 приведены основные параметры ячейковых фильтров.
Для повышения эффективности очистки можно использовать каркасные
фильтры с набивкой каркаса волокнистыми материалами. Одним из фильтров
такого типа (ПФ-6) обеспечивается очистка шахтного воздуха с эффективностью 80-85% при начальной запыленности до 3 мг/м3. Гидравлическое сопротивление фильтра составляет 200 Па при производительности 12000 м3/ч.
Таблица 2.5
Параметры ячейковых фильтров
Тип фильтра
ФяР
ФяВ
ФяП
ФяУ
Площадь
фильтрования,
м2
0,22
0,22
0,22
0,22
Пылеемкость, Эффективность Перепад давочистки, %
ления в начаг/м2
ле работы, Па
1500
менее 80
40
1500
менее 80
40
200
менее 80
60
400
менее 80
40
Недостатком ячейковых фильтров является ограниченный срок службы изза быстрого засорения ячеек фильтрующего элемента и образования слоя осадка на его входной части, что требует частой смены фильтрующих элементов
или их периодической очистки (регенерации). Этот недостаток частично устра83
няется при использовании рулонных фильтров (рис. 2.11, а), которые нашли
применение для очистки воздуха с концентрацией примесей не более 10 мг/м3.
В каркасе 1 такого фильтра устанавливаются подающий 2 и приемный 3
барабаны, на которых укреплена фильтрующая ткань 4 и направляющие ролики
5. Периодическая подача нового участка фильтрующей ткани выполняется автоматически или вручную при достижении максимально допустимого перепада
давлений на фильтрующей перегородке (обычно 2-3 начальных давления). Для
уменьшения габаритов рулонных фильтров или увеличения их производительности по газу применяют компактные фильтры (рис. 2.11, б), в которых фильтрующая ткань зигзагообразно поступает через направляющие ролики 5 от подающего к приемному барабану.
Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов от примесей имеют тканевые рукавные фильтры (рис. 2.12). В
корпусе фильтра 2 устанавливают необходимое число рукавов 1, во внутреннюю полость которых подают запыленный газ от входного патрубка 5. Частицы
загрязнений за счет ситового и других эффектов оседают в ворсе и образуют
пылевой слой на внутренней поверхности рукавов. Очищенный воздух выходит
из фильтра через патрубок 3.
Рис. 2.11. Рулонные фильтры обычного типа (а) и компактные (б)
1 – каркас фильтра; 2 – подающий барабан; 3 – приемный барабан; 4 – фильтрующая ткань;
5 – направляющие ролики
При достижении определенного перепада давлений на фильтре его отключают от системы и производят регенерацию встряхиванием рукавов с обратной
их продувкой сжатым газом. Регенерация осуществляется специальным устройством 4. При очистке ткани удаляется значительная часть пылевого слоя, но
внутри ткани между волокнами остается достаточное количество пыли, что
обеспечивает высокую эффективность очистки газов в фильтре после его регенерации.
84
Рис. 2.12. Рукавный фильтр:
1 – тканевые рукава; 2 – корпус фильтра; 3 – патрубок для выхода очищенного воздуха;
4 – устройство для регенерации рукавов; 5 – патрубок для ввода загрязненного воздуха
Для изготовления рукавов применяют различные ткани и войлоки (табл. 2.6).
Таблица 2.6
Характеристика тканевых фильтрующих материалов
Ткань
Толщина, мм
Воздухопроницаемость
при 49 Па,
м3/м2·мин
Термостойкость, оС
при длительном
воздействии
при кратковременном
воздействии
Химическая стабильность
в среде
кислот щелочей растворителей
Сукно № 2
1,5
3
65-85
90-95
ОП
ОП
Х
Нитрон
1,6
7,5
120
150
Х-У
У
Х
Лавсан
1,4
4
130
160
Х
У-П
Х
Хлорин
1,32
7,6
65-70
80-90
ОХ
ОХ
У-Х
№5231
Стеклоткань 0,22
2,7
240
315
Х
У-П
ОХ
ТССНФ
Примечание: ОХ – очень хорошая, Х – хорошая, У – удовлетворительная,
П – плохая, ОП – очень плохая.
85
3.6. Туманоуловители
Для очистки воздуха от туманов кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан
на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости
под действием силы тяжести. Осаждение капель на поверхности пор происходит под действием ранее рассмотренных механизмов отделения частиц загрязнителей от газовой фазы на фильтроэлементах.
Туманоуловители делят на низкоскоростные (скорость фильтрации менее
0,15 м/с), в которых преобладает механизм диффузного осаждения капель, и
высокоскоростные (скорость фильтрации – 2-2,5 м/с), где осаждение происходит главным образом под воздействием инерционных сил.
Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоуловителя показан на
рис. 2.13.
Рис. 2.13. Фильтрующий элемент низкоскоростного туманоуловителя
1 – корпус; 2 – верхний фланец; 3 – цилиндры из сеток; 4 – волокнистый фильтрующий
элемент; 5 – нижний фланец; 6 – гидрозатвор; 7 – стакан
В пространство между двумя цилиндрами 3, изготовленными из сеток, помещается волокнистый фильтроэлемент 4, который крепится через фланец 2 к
86
корпусу туманоуловителя 1. Жидкость, осевшая на фильтроэлементе, стекает
на нижний фланец 5 и затем через трубку гидрозатвора 6 и стакан 7 сливается
из фильтра. Волокнистые низкоскоростные туманоуловители обеспечивают
очень высокую эффективность очистки (до 99,9%) газа от частиц размером менее 3 мкм и полностью улавливают частицы бóльшего размера. Волокнистые
слои формируются набивкой стекловолокна диаметром от 7 до 309 мкм или полимерных волокон (лавсан, ПХВ, полипропилен) диаметром от 12 до 40 мкм.
Толщина слоя составляет 5-15 см.
Высокоскоростные туманоуловители имеют меньшие габариты и обеспечивают эффективность очистки газа от тумана с частицами менее 3 мкм, равную 90-98% при избыточном давлении 1500-2000 Па. В качестве фильтрующей
набивки в таких туманоуловителях используют войлоки из полипропиленовых
волокон, которые успешно работают в среде разбавленных и концентрированных кислот и крепких щелочей.
На рис. 2.14 показана конструкция высокоскоростного волокнистого туманоуловителя с цилиндрическим фильтрующим элементом 3, который представляет собой перфорированный барабан с глухой крышкой. В барабане установлен грубоволокнистый войлок 2 толщиной 3-5 мм. Вокруг барабана по его
внешней стороне расположен брызгоуловитель 1, представляющий собой набор
перфорированных плоских и гофрированных слоев винипластовых лент. Брызгоуловитель и фильтроэлемент установлены в слой жидкости.
Рис. 2.14. Высокоскоростной туманоуловитель
1 – брызгоуловитель; 2 – грубоволокнистый войлок;
3 – цилиндрический фильтрующий элемент
87
2.4. Очистка промышленных выбросов от токсичных газовых примесей
Методы очистки промышленных выбросов от газообразных примесей по
С.В.Белову [3] делятся на четыре группы: промывка выбросов растворителями
примеси (метод абсорбции); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (метод хемосорбции); поглощение газообразных
примесей твердыми активными веществами (метод адсорбции); поглощение
примесей путем применения каталитических превращений.
2.4.1. Метод абсорбции
Этот метод заключается в разделении газовоздушной смеси на составные
части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов этой
смеси поглотителями, называемыми абсорбентами, с образованием раствора.
Физическая сущность процесса объясняется пленочной теорией, согласно которой при соприкосновении жидких и газообразных веществ на поверхности раздела фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый в жидкости
компонент газовоздушной смеси из-за градиента концентрации проникает путем диффузии сначала через газовую пленку, а затем сквозь жидкостную и поступает во внутренние слои абсорбента.
Абсорбент выбирают из условия растворимости в жидкости поглощаемого
газа, температуры и парциального давления газа. Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый и фтористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду, так как растворимость этих газов в ней составляет сотни граммов на 1 кг Н2О. В то же
время из-за низкой растворимости сернистого ангидрида или хлора (сотые доли
граммов на 1 кг воды) расход воды будет значительным, поэтому для поглощения этих веществ применяют другие жидкости или другие методы, например,
адсорбцию для концентрирования газа и каталитические методы для перевода
их в концентрированные кислоты, например, серную или соляную. В некоторых случаях вместо воды применяют водные растворы таких химических веществ, как серная кислота (для улавливания водяных паров), вязкие масла (для
улавливания ароматических углеводородов из коксового газа) и др.
Применение абсорбционных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, включающих узлы абсорбции и десорбции. Десорбция растворенного газа (или регенерация растворителя) проводится либо снижением
общего давления примеси, либо повышением температуры, либо использованием обоих приемов одновременно.
В зависимости от конкретных задач применяются абсорберы различных
конструкций: пленчатые, насадочные, трубчатые и др. Наибольшее распространение получили скрубберы, представляющие собой насадку 1, размещенную в
полости вертикальной колонны (рис. 2.15). В качестве насадки, обеспечивающей большую поверхность контакта с жидкостью, обычно используют кольца
88
Рашига, кольца с перфорированными стенками и др. Материалы для изготовления насадки (керамика, фарфор, уголь, пластмассы, металлы) выбирают исходя
из соображений антикоррозионной устойчивости. Орошение колонн абсорбентом осуществляют при помощи одного или нескольких разбрызгивателей 2.
Рис. 2.15. Схема орошаемого скруббера-абсорбера с насадкой
1 – насадка; 2 – разбрызгиватель
Большое распространение получили башни с колпачковыми тарелками
(рис. 2.16), в которых вместо насадки устанавливают несколько тарелок 1. Каждая тарелка снабжена колпачками 2 с зубчатыми краями, патрубками 3 и переливными трубками 4. Абсорбент в этих аппаратах стекает от тарелки к тарелке
по переливным вертикальным трубкам. Очищенный газ движется снизу вверх,
барботируя через слой жидкости. При прохождении между зубцами колпачков
газ разбивается на множество струек и пузырьков, в результате чего образуется
большая поверхность соприкосновения взаимодействующих веществ.
89
Рис. 2.16. Схема тарельчатого абсорбера
1 – тарелки; 2 – колпачки; 3 – патрубки; 4 – переливные трубки
В качестве абсорберов могут использоваться и такие устройства, как мокрые скрубберы Вентури, центробежные скрубберы и др.
Расчет абсорбера состоит в определении объемного расхода поглотительной жидкости Qж, необходимой поверхности F соприкосновения газа с жидкостью и параметров вспомогательной аппаратуры (мощность насосов, размер
баков и т.п.).
Объемный расход поглотительной жидкости рассчитывают из уравнения
материального баланса процесса абсорбции – масса поглощаемого компонента
m, которая удалена из очищаемого газа, должна быть равна массе этого компонента, которая перешла в жидкость:
m = Qг(Y1 – Y2) = Qж(Х2 – Х1),
(2.21)
где Qг – объемный расход очищаемого газа, м3/с;
Х1 и Х2 – начальная и конечная концентрации газообразного компонента в поглотительной жидкости, г/м3;
Y1 и Y2 – начальная и конечная концентрации поглощаемого газообразного компонента в очищаемом газе, г/м3.
Необходимую поверхность соприкосновения газа с жидкостью вычисляют
по формуле
F = 103
m
,
kа Δpср
(2.22)
где ka – коэффициент абсорбции (коэффициент массопередачи), определяемый
по справочникам, кг/(м2 ·ч·Па);
∆рср – средняя движущая сила абсорбции, Па.
90
2.4.2. Метод хемосорбции
Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или
жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых
соединений. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, является экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры
раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов. Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольших концентрациях вредностей в отходящих газах.
Примером хемосорбции может служить очистка отходящих газов от сероводорода с использованием мышьяковощелочного раствора:
Na4As2S5O2 +H2S = Na4As2S6O +H2O.
(2.23)
Регенерацию раствора проводят путем окисления продукта кислородом,
содержащимся в очищаемом воздухе:
Na4As2S6O + 1/2O2 = Na4As2S5O2 + S2. (2.24)
В этом случае в качестве побочного продукта получается сера.
От сероводорода очищают газ и с применением раствора едкого натра. Получаемый при этом гидросульфид натрия используют для очистки сточных вод
от металлов:
H2S + NaOH = NaHS + H2O.
(2.24)
На мокром улавливании основано также производство некоторых редких
металлов, таких как индий, кадмий и др. В данном случае, например, при производстве цинка индий переходит в возгоны (газовая фаза), которые затем конденсируются в дистиллировочном аппарате. Эти конденсаты собирают, они затем служат полупродуктом для производства металла.
Но мокрые способы очистки газов имеют и недостатки. При очистке получают разбавленные растворы и шламы, которые затем нужно куда-то утилизировать. Кроме этого, из-за высокой коррозионной активности газов и полученных растворов оборудование приходится делать в коррозиостойком исполнении и по возможности герметичным, что увеличивает его стоимость.
91
2.4.3. Адсорбционные методы
Адсорбция – диффузионный процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).
В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и
природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью:
- активные угли;
- силикагели – гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2 · nH2O);
- алюмогель – активный оксид алюминия (Al2O3 · nH2O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия;
- цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов;
- иониты – высокомолекулярные соединения органических веществ.
Регенерацию насыщенных адсорбентов осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей рабочую, либо продувкой его паром или горячим газом.
Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через
который фильтруется поток очищаемого газа. Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой
адсорбента. Наибольшее распространение получили адсорберы периодического
действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента.
На рис. 2.17 представлена схема адсорбционной установки для удаления
SO2 из горячего топочного газа. Основным агрегатом установки служит адсорбер 1, который заполнен древесным активированным углем. Горячий топочный
газ проходит теплообменник 2, подогревает воздух, поступающий в топку, и
подается в нижнюю часть адсорбера, где при температуре 150-200оС происходит улавливание сернистого газа. Очищенный дымовой газ выбрасывается в
атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переходит в десорбер 5, где с помощью подогревателя 3 поддерживается температура 300600оС. Богатый оксидом серы газ выводится из десорбции и может быть направлен на получение серной кислоты каталитическим методом. Регенерированный адсорбент поступает в бункер 4 и затем с помощью ковшового элеватора в верхнюю часть адсорбера.
92
Рис. 2.17. Адсорбционная установка для удаления оксида серы
из горячего топочного газа
1 – адсорбер; 2 – теплообменник; 3 – подогреватель; 4 – бункер; 5 – десорбер
2.4.4. Методы каталитической очистки газов
Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом
преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в
присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению
скорости химических взаимодействий. Катализатор обеспечивает взаимодействие на его поверхности преобразуемых веществ, образование промежуточных
поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы
(платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные
и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк,
ванадий, церий и другие элементы. Катализаторы обычно выполняют в виде
шаров, колец или проволоки, свитой в спираль.
Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса оказывает температура газов. Для каждой реакции, протекающей в потоке
газа, характерна так называемая минимальная температура начала реакции, ниже которой катализатор не проявляет активности. Для поддержания необходимой температуры газа иногда к нему подмешивают продукты сгорания от
93
вспомогательной горелки, работающей на каком-либо высококалорийном топливе.
На рис. 2.18 представлен каталитический реактор, предназначенный для
окисления толуола, содержащегося в газовоздушных выбросах цехов окраски.
Воздух, содержащий примеси толуола, подогревают в межтрубном пространстве теплообменника-рекуператора 1, откуда по переходным каналам он поступает в подогреватель 4. Продукты сгорания природного газа, сжигаемого в горелках 5, смешиваются с воздухом, повышая его температуру до 250- 350оС, то
есть до уровня, обеспечивающего оптимальную скорость окисления толуола на
поверхности катализатора. Процесс химического превращения происходит на
поверхности катализатора 3, размещенного в контактном устройстве 2. В качестве катализатора применяют природную марганцевую руду (пирполюзит) в
виде гранул размером 2-5 мм, промотированных азотнокислым палладием. В
результате окисления толуола образуются нетоксичные продукты: оксид углерода и водяные пары:
С7Н8 + 9 О2 = 7 СО2 + 4 Н2О.
(2.25)
Смесь воздуха и продуктов реакции при температуре 350-450оС направляется в рекуператор 1, где отдает тепло газовоздушному потоку, идущему на
очистку, а затем через выходной патрубок выводится в атмосферу.
Рис. 2.18. Схема каталитического реактора
1 – теплообменник-рекуператор; 2 – контактное устройство; 3 – катализатор;
4 – подогреватель; 5 – горелка
Каталитические методы используют и при производстве серной кислоты
для окисления сернистого газа до серного ангидрида. В качестве катализатора
применяют специальный ванадиевый катализатор. При этом сконцентрированный методами адсорбции сернистый газ пропускают через катализатор, добавляют воду и получают серную кислоту:
2SO2 + 2H2O + O2 + ванадиевый катализатор = 2H2SO4.
94
(2.26)
2.4.5. Метод термической очистки газов
Большое развитие в отечественной практике нейтрализации вредных веществ, содержащихся в вентиляционных и других выбросах, получило высокотемпературное дожигание (термическая нейтрализация). Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а
также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны,
чем исходные вещества. Преимуществом прямого сжигания является простота
используемой аппаратуры и универсальность использования (не зависят от состава обрабатываемых газов).
Термическую очистку широко применяют в лакокрасочных производствах,
процессах получения некоторых видов химической, электротехнической и электронной продукции, пищевой промышленности, окраске деталей и других процессах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в
отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в
топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов используют как топливо.
2.5. Методы и устройства для очистки выхлопных газов
карбюраторных и дизельных двигателей
Выше были рассмотрены методы и аппараты, используемые для очистки
отходящих газов, в основном стационарных источников загрязнения атмосферы. Многие из этих методов неприменимы для защиты атмосферы от загрязнения транспортными средствами. Поэтому для снижения загрязнения окружающей среды при осуществлении перевозочного процесса разрабатывают следующие мероприятия:
1. Регулярный пересмотр норм токсичности и уровня шума одиночных
транспортных средств.
2. Совершенствование (модернизация) систем питания, зажигания двигателей внутреннего сгорания – увеличение полноты сгорания топлива путем оптимизации дозирования горючей смеси и более надежного дожигания (в двигателях с искровым зажиганием), а также:
а) ужесточение технологических допусков при изготовлении деталей,
формирующих камеру сгорания, систему подачи топлива, впускные трубопроводы;
б) улучшение конструкции поршневых колец;
в) уменьшение угла опережения зажигания;
г) совершенствование систем пуска, прогрева, холостого хода;
д) использование впрыска топлива, транзисторного зажигания, микропроцессорного управления.
95
3. Повышение качества моторных топлив. Отказ от использования тетраэтилсвинца в бензинах, снижение содержания серы в дизельном топливе (до
0,05%), ароматических углеводородов.
4. Рециркуляция отработавших газов. Перепуск отработавших газов в систему впуска приводит к снижению температуры горения и снижению выбросов
оксидов азота (при рециркуляции 15-20% газов содержание оксидов азота снижается на 60-80%), но ухудшается топливная экономичность.
5. Поддержание технического состояния (теплового режима, регулировок)
в пределах допусков заводов-изготовителей. Это мероприятие должно предусматривать развитие сети сервисного обслуживания транспортной техники адекватно росту ее численности.
6. Использование новых рабочих процессов и видов энергоресурсов (природный газ, водород, спирты и др.).
7. Нейтрализация отработавших газов, фильтрация твердых частиц.
2.5.1. Нейтрализаторы отработавших газов
В последние годы для нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания применяют каталитические методы очистки. Главным исполнительным аппаратом в этом технологическом процессе является нейтрализатор.
Нейтрализатор – устройство каталитического действия, предназначенное
для обработки отработавших газов двигателей. Нейтрализаторы делятся на
окислительные и окислительно-восстановительные.
Окислительный каталитический нейтрализатор работает при температуре
680-880 К и осуществляет окисление СО и низкомолекуляных углеводородов в
углекислый газ с эффективностью до 75-95%. Блок-носитель делают из керамической сотовой структуры, гофрированной фольги (нержавеющая сталь толщиной 0,03-0,04 мм). Катализатор в виде гранул из оксида алюминия с нанесенными на них металлами платиновой группы укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками.
Окислительно-восстановительный каталитический нейтрализатор бензиновых двигателей по конструкции не отличается от окислительного, но дополнительно комплектуется кислородным датчиком после нейтрализатора, системой впрыска топлива (вместо карбюратора), для того чтобы дозировать топливо
с высокой точностью.
Для комплексной очистки выхлопных газов – окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксида азота – применяют двухступенчатый
каталитический нейтрализатор (рис. 2.19). Установка состоит из последовательно соединенных восстановительного 2 и окислительного 4 катализаторов.
Отработавшие газы через патрубок 1 поступают к восстановительному катализатору 2, на котором происходит нейтрализация оксидов азота:
NО + СО → ½ N2 + CO2,
96
(2.27)
NО + H2 → ½ N2 + H2O.
(2.28)
Рис. 2.19. Двухступенчатый каталитический нейтрализатор
1 – патрубок для ввода выхлопных газов; 2 – восстановительный катализатор;
3 – патрубок для ввода вторичного воздуха; 4 – окислительный катализатор
В качестве восстановительного катализатора применяют монельметалл
(медноникелевый сплав) или катализатор из благородных металлов (платина на
глиноземе).
После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок 3 подводят вторичный воздух. На
окислительном катализаторе происходит нейтрализация продуктов неполного
сгорания – оксида углерода и углеводов:
СО + ½ O2 → CO2,
(2.29)
СхНу + (х + у/4) O2 → хCO2 + (у/2)H2O. (2.30)
Для окислительных процессов применяют катализатор из благородных металлов или оксидов переходных металлов (медь, никель, хром и др). Содержание оксида углерода в выхлопных газах при этом уменьшается в 10 раз, а углеводов – в 8 раз.
Широкому применению каталитических нейтрализаторов препятствует
использование этилированного бензина, который содержит определенное коли-
97
чество свинца. Свинец дезактивирует (отравляет) катализаторы в течение 100200 ч.
Нейтрализацию отработавших газов дизелей осуществляют несколько
иначе. Процессы окисления (дожига) СО, СхНу, сажи и восстановления NОx выполняют в следующей последовательности: на первом этапе – дожиг сажи, на
втором – восстановление NОx, на третьем – окисление СО и СхНу.
Для инициирования процесса каталитического дожигания и объемного
окисления сажи применяют ванадиевые катализаторы с электроразогревом носителя в электрическом поле высокого напряжения. Для восстановления NОx
можно использовать медь, обеспечив ее элекроразогрев и удаление окалины.
Процессы окисления СО и СхНу не отличаются от процессов, протекающих в
каталитических нейтрализаторах двигателей с искровым зажиганием.
2.5.2. Фильтры для улавливания дисперсных частиц
Среди фильтрующих материалов предпочтение отдают керамике, позволяющей получить максимальную фильтрующую поверхность в единице объема
при выполнении жестких требований, предъявляемых к рабочим температурам,
прочности, долговечности, а также экономическим показателям (табл. 2.7).
Таблица 2.7
Характеристика фильтрующего материала
Характеристика материала
Состав
Структура
Средний размер волокон, мкм
Средний размер пор, мкм
Пористость, %
Объемная плотность, г/см3
Прочность на сжатие, кг/см2
Температура разрушения, К
Коэффициент линейного расширения, м/К
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К)
Показатель
SiO2
Волокнистая
1-10
20
90-92
0,25
10
1500
5.10– 7
0,1
При использовании фильтров возникают проблемы обеспечения их эффективной работы из-за быстрого заполнения пор частицами сажи. Предотвратить
это можно, если применять систему регенерации от накопленной сажи: термическую (внешний подогрев отработавшими газами, пламенем) или каталитическую активацию горения сажи. Второй вариант значительно упрощает систему
регенерации, сводя ее только к системе аварийного отключения фильтра при
недопустимо высоком сопротивлении.
В числе каталитических активаторов горения сажи используют металлокерамические соединения и активаторы на основе железа, цезия, марганца, при
98
наличии которых обеспечивается надежная регенерация фильтра при температурах отработавших газов 600-650К. Концентрация активаторов горения сажи в
топливе составляет 0,02%.
Обычно в дизелях фильтр частиц устанавливают в комбинации с нейтрализатором (фильтр-нейтрализатор) или с глушителем (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Схемы каталитического (а), комбинированного (б),
адсорбирующего (в) нейтрализаторов
2.5.3. Использование новых рабочих процессов и видов энергоресурсов
В числе перспективных рабочих процессов двигателей выделяют процесс
переобеднения смеси, то есть работу в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 1,4-1,6. В этом случае даже при отсутствии нейтрализатора отработавших
газов можно существенно снизить выброс токсичных веществ в широком интервале эксплуатационных нагрузок.
Существенное снижение выбросов транспортных средств можно обеспечить в случае использования альтернативных топлив (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Выбросы вредных веществ автомобилем ГАЗ-2410 при работе
на разных топливах
Вид топлива
СО, г/км
СхНу, г/км
NОx ,г/км СО2, кг/км
Бензин АИ-93
10,3
2,17
2,25
2,1
Сжиженный нефтяной газ
4,7
1,19
2,15
2,0
Сжатый природный газ
2,1
1,11
2,1
1,9
Бензин + водород
0,74
0,69
1,11
0,42
Водород
0
0
0,62
0
Метанол
6,92
1,14
1,09
0,35
Метанол + синтез-газ
1,24
0,62
0,89
0,26
Синтез-газ
0
0,1
0,57
0,19
Перспективным считается, например, применение диметилэфира (ДМЭ) в
качестве топлива для городских дизельных автомобилей и автобусов. При нормальных условиях ДМЭ находится в газообразном состоянии и по физическим
99
свойствам сходен со сжиженным нефтяным газом. При использовании ДМЭ
возможна реализация в двигателе с воспламенением от сжатия эффективного
процесса сгорания с очень низким уровнем выбросов вредных веществ и шума.
Диметилэфир имеет период полураспада менее суток и распадается на углекислый газ и воду, не загрязняя атмосферу. Однако возникают экономические проблемы с промышленным получением этого вида моторного топлива.
2.5.4. Очистка отработавших газов при реостатных
испытаниях тепловозов
Перед выпуском из текущего ремонта ТР-1 тепловоз подвергают контрольным реостатным испытаниям, а перед выпуском из текущих ремонтов
ТР-2 и ТР-3 полным реостатным испытаниям. Реостатные испытания проводят
для регулирования параметров рабочего процесса по цилиндрам дизеля, настойки внешней характеристики тягового генератора, параметров срабатывания
отдельных реле и аппаратов, контроля системы охлаждения двигателя, тягового
генератора и тяговых электродвигателей. Тепловоз находится на реостатных
испытаниях после одного текущего ремонта более 6,5 ч, а в течение года –
462 ч. При этом один маневровый тепловоз сжигает до 900 кг дизельного топлива, а магистральный – 1500 кг, что приводит к выбросам загрязняющих веществ в атмосферу.
Для выполнения существующих санитарных норм по содержанию вредных
веществ в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны реостатную станцию
оборудуют системой очистки, которая должна, прежде всего, очищать отходящие газы от сажи и оксидов азота. Поэтому чаще всего используют двухступенчатую очистку. Для очистки газов от сажи наиболее эффективным является
применение электрофильтров. Восстановление оксидов азота, как правило,
осуществляют в каталитическом нейтрализаторе при дозированной подаче в
него газообразного аммиака. Функциональная схема очистки выхлопных газов
на станции реостатных испытаний приведена на рис. 2.21.
100
Рис. 2.21. Функциональная схема очистки отработавших газов дизелей
при реостатных испытаниях тепловозов
НК – нейтрализатор каталитический; ЭФ – электрический фильтр; Д – дымосос; ОГ – отработавшие газы; ИВН – источник высокого напряжения; СВ – соленоидный вентиль; РО – регулирующий орган; З – заслонка; БПА – блок подготовки аммиака
101
Глава 3. ЗАЩИТА ВОДНОГО БАССЕЙНА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
3.1. Общие вопросы защиты водных объектов от загрязнения
3.1.1. Характеристика водопользования и водопотребления
Вода, химическое соединение кислорода и водорода, существующее в
жидком и газообразном состоянии [12]. Земной шар содержит около 16 млрд
км3 воды, что составляет 0,25% массы планеты. Но 13 млрд км3 воды рассредоточено и надежно законсервировано в глубинных слоях, составляющих мантию. Большая часть воды входит в состав горных пород и минералов, слагающих земную кору. 1,45 млрд км3 воды составляют гидросферу Земли, из них
1,370 млрд км3 – мировой океан, 60 млн км3 – подземные минерализованные
воды, 24 млн км3 – ледники. Пресные же воды составляют только 28,5 млн км3,
из них 24 млн км3 это ледники, недоступные для человека. В озерах и водохранилищах зааккумулировано только 155 тыс. км3 воды, в речных же водах содержится только 1,2 тыс. км3 воды. Если сюда добавить, что Евразия вообще-то
обделена водными источниками (здесь на душу населения приходится
6 тыс. м3/год воды), то становится ясно, что воду нужно беречь и защищать.
Правда, в России на душу населения приходится более 20 тыс. м3 /год воды. Но
где она сосредоточена? В Байкале да в Сибирских реках. Для сведения, озеро
Байкал вмещает 23 тыс. км3 воды – это 1/6 часть всей пресной воды планеты.
Водные ресурсы – это запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы. Водный объект – сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее
рельефа либо в недрах, имеющих границы, объем и черты водного режима.
Водный режим – изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в
водных объектах.
Водные ресурсы нашей планеты образуют оболочку, называемую гидросферой. Все воды разделяются на природные и сточные.
Природные воды формируются под действием естественных процессов
при отсутствии антропогенного воздействия. Их подразделяют на атмосферные, поверхностные и подземные.
Атмосферные осадки в виде дождей или растаявшего снега стекают по
дневной поверхности суши, называемой водосбором, образуя поверхностные
воды, а часть их инфильтрует в грунт и переходит в подземные воды.
Поверхностные воды представляют собой скопление воды на земной поверхности в виде водотоков, водоемов, морей и ледников
Водотоки – реки, каналы, ручьи.
Водоемы – озера, водохранилища, пруды, моря.
Различают 3 основных типа подземных вод: верховодка, грунтовые, артезианские.
102
Верховодка располагается в самой верхней части земной коры на небольших глубинах.
Грунтовые воды залегают на относительно небольших глубинах на первом
от земной поверхности водоупорном слое, состоящем из водонепроницаемых
пород.
Артезианские воды залегают на большой глубине в водоносных горизонтах, перекрытых сверху и снизу водоупорными слоями.
Скопление подземных вод представляют подземные водные объекты, которые разделяются на водоносные горизонты, месторождения и бассейны.
Воду используют в быту, промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и в других видах деятельности человека. От вида целевого назначения воды
ее применение подразделяют на водопользование и водопотребление.
При водопользовании вода, оставаясь в водоемах и водотоках, является
средой или механическим источником энергии. Основными водопользователями являются водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, гидроэнергетика
Водопотребление связано с забором воды из водоемов и водотоков. Круг
водопотребителей очень широк: промышленность, сельское хозяйство, коммунально-бытовые организации, предприятия общественных производств, железнодорожный транспорт и т.д. Водопотребление от водопользования отличается
не только безвозвратным изъятием части воды, но и загрязнением природных
вод возвратными стоками.
Подсчитано, что если город потребляет в день 600 тыс. м3 воды, то он дает
около 500 тыс. м3 сточных вод. Сточные воды – это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека. Водоотведение – технологический процесс, обеспечивающий прием сточных вод с последующей подачей их на очистные сооружения канализации. Сточные воды,
как правило, вызывают загрязнение и засорение водных объектов.
Загрязнение поверхностных и подземных вод – это вызванные хозяйственной деятельностью изменения физических, химических и биологических
свойств воды по сравнению с нормами качества воды в естественном состоянии.
Засорение вод – это поступление в водоем посторонних нерастворимых в
воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное
состояние русел водоемов и водотоков.
В зависимости от условий образования сточные воды делят на бытовые,
атмосферные, промышленные и сельскохозяйственные.
Загрязнения вод можно разделить на 4 группы, которые образуют с водой
гетерогенные и гомогенные системы (табл. 3.1).
103
Таблица 3.1
Классификация примесей промышленных сточных вод
по их фазовому и дисперсному состоянию
Группа
Взвеси
Коллоидные растворы
Молекулярные
растворы
Ионные растворы
Размер частиц, м
Краткая характеристика
Гетерогенные системы
> 10–7
Суспензии и эмульсии, микроорганизмы и планктон, обуславливающие мутность воды
–7
–9
10 – 10
Золи и растворы высокомолекулярных
соединений, обуславливающих окисляемость и цветность воды
Гомогенные системы
–9
10 – 10–10
Растворенные газы, органические соединения, придающие воде запахи и
вкусы
–10
< 10
Соли, основания, кислоты, обуславливающие минерализованность, жесткость, щелочность и кислотность воды
Эта классификация позволяет определить способ очистки сточных вод.
Регулирование водопользования, водопотребления, охраны водных объектов в России осуществляется на основе принятого в 1995 году Водного кодекса.
С 1999 года действует Закон о плате за пользование водой из естественных источников.
3.1.2. Критерии качества воды
Качество воды – это характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды – признак, по которому производится оценка качества воды по видам водопользования.
Показатели качества воды.
Органолептические – определяются с помощью органов чувств человека
(запах, вкус, цветность, мутность)
Физические – температура, вязкость, плотность, концентрация, электрическая проводимость и т.д.
Химические – активная реакция (рН), окисляемость, растворимость газов,
сухой остаток, жесткость, концентрация химических веществ и др. Сюда же
можно отнести:
- химическое потребление кислорода (ХПК), мг/л – количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ;
104
- биологическую потребность в кислороде (БПК), мг/л – количество кислорода, необходимое для биологического разложения органики за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20 суток).
Бактериологические показатели: коли-индекс – количество кишечных
палочек в 1 л воды; коли-титр – количество миллилитров воды, в которых обнаружена 1 кишечная палочка.
Для хозяйственно-питьевого водоснабжения, культурно-бытовых нужд населения и рыбохозяйственных целей используют реки, водохранилища, озера,
искусственные каналы. Пригодность состава и свойств поверхностных вод, используемых для этих целей, определяется соответствующими требованиями и
нормативами, изложенными в Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами. Согласно этим правилам в водные объекты запрещается сбрасывать сточные воды:
- которые могут быть устранены путем усовершенствования технологий,
максимального использования в системах оборотного водоснабжения или устройства бессточного производства;
- содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы на данном или других предприятиях;
- содержащие производственное сырье, реагенты, полупродукты и конечные продукты производства в количествах, превышающих установленные нормативы технологических потерь;
- содержащие вещества, на которые не установлены ПДК;
- которые с учетом местных условий могут быть использованы для орошения в сельском хозяйстве при соблюдении санитарных требований
- в виде кубовых остатков и технологических отходов.
Согласно Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными
водами, все водные объекты подразделяют на 2 типа: 1) хозяйственнопитьевого и культурно-бытового назначения, 2) используемые для рыбохозяйственных целей. В свою очередь, первый тип подразделяют на две категории: 1)
объекты, используемые для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения и снабжения пищевых предприятий, 2) объекты, используемые для
купания, спорта, отдыха, и водоемы, находящиеся в черте населенных пунктов.
Второй тип водных объектов имеет тоже две категории: 1) объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих
высокой чувствительностью к кислороду, 2) объекты, используемые для всех
других видов рыбохозяйственной деятельности. В России большинство водоемов и водотоков находятся в разряде рыбохозяйственных.
Для оценки санитарного состояния водной среды, как и для атмосферного
воздуха, применяют показатели ПДК и ВДК, а также ПДС (предельно допустимый сброс). Причем необходимо отметить, что ПДК является основным условием очистки сточных вод.
Под ПДК природных вод подразумевают концентрацию индивидуального
вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного
вида водопользования. При концентрации вещества, равной или меньшей ПДК,
105
вода безвредна для всего живого. ПДК для некоторых веществ в воде приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Критерии оценки загрязненности воды по ПДК вредных веществ
Показатель загрязненности
Лимитирующий показатель вредности
Растворенный кислород
БПК5
NH4+ по азоту
Бензол
Окисляемость: перманганатная
бихроматная
Железо трехвалентное
Медь
Нефтепродукты
Фенолы
Экстрагируемые вещества
Общесанитарный
ПДК, мг/л
хозпитьевой рыбохозяйственный
≥4
≥6
-“-“-“-
3
≤2
≤ 0,5
3
≤ 0,5
-“ -“ Органолептический
-“-“-“-“-
≤ 10
≤ 30
≤ 0,5
≤ 0,1
≤ 0,3
≤ 0,001
≤ 0,1
≤ 0,001
≤ 0,05
≤ 0,001
≤ 0,05
При нормировании качества воды водоемов ПДК устанавливают по лимитирующему признаку вредности (ЛПВ) – признаку вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией. Кроме
этого, ПДК устанавливают по органолептическому и токсикологическому признакам вредности. В качестве основного показателя загрязнения воды принята
концентрация примесей, измеряемая в мг/л.
3.1.3. Качество вод, используемых в промышленности
Вторым видом классификации вод является разделение их по целевому назначению (рис. 3.1). Воду расходуют на полив, хозяйственно-питьевые и на технические нужды.
Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую,
технологическую и энергетическую.
Энергетическая вода может находиться как в системе водопользования
при получении электроэнергии на ГЭС, так и в системе водопотребления. В
системе водопотребления эта вода служит средой для подачи тепла в системах
централизованного теплоснабжения.
Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. При этом она практически не соприкасает106
ся с минеральными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается, являясь в
дальнейшем источником теплового загрязнения окружающей среды. В промышленности на нужды теплообмена расходуют 65-80% всего водопотребления. На крупных химических предприятиях потребление охлаждающей воды
достигает 440 млн. м3/год. Суммарное количество воды, заключенное в системах охлаждения на предприятиях химической отрасли, составляет
20 млрд м3/год.
Технологическую воду подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную.
Средообразующую воду используют для растворения и образования производственных суспензий (пульп), при обогащении и переработке руд, для
нужд гидротранспорта и в пищевой промышленности.
Промывающая вода служит для промывки газообразных, жидких и твердых материалов, а также для мытья машин и аппаратов. В железнодорожном
транспорте на промывку направляют до 30% всей используемой воды.
Реакционная вода служит в качестве химического или физикохимического реагента.
Вода
Хозяйственно-питьевая
Энергетическая
Подпиточная
(добавочная)
Оборотная
Техническая
Поливная
Охлаждающая
Технологическая
Средообразующая
Промывающая
Реакционная
Рис. 3.1. Классификация вод по целевому назначению
Согласно требованиям Водного кодекса, система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего
предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов. При этом необходимо предусматривать очистку отработанной воды. Последовательную или
прямоточную систему подачи воды на производственные нужды со сбросом
очищенных сточных вод в водоем допускают только при невозможности или
нецелесообразности применения оборотного водоснабжения. Принципиальные
схемы оборотного водоснабжения приведены на рис. 3.2.
107
П
ОХ
П
НС
Добавочная
вода
а)
ОС
П
НС
ОС
Добавочная
вода
НС
Добавочная
вода
ОХ
б)
в)
Рис. 3.2. Принципиальные технологические схемы оборотного водоснабжения
а) –с охлаждением воды; б) – с очисткой воды; в) – с очисткой и охлаждением воды:
П – производство; НС – насосная станция; ОХ – охлаждение воды; ОС – очистка воды
Таким образом, наиболее перспективный путь уменьшения потребления
свежей воды, а значит, и количества стоков – это создание оборотных систем
водоснабжения. Использование оборотного водоснабжения позволяет в 10-50
раз уменьшить потребление свежей воды. В отдельных отраслях ее доля составляет в настоящее время 75-90%.
3.2. Пассивные методы защиты гидросферы от загрязнения
3.2.1. Особенности канализования сточных вод
Канализацией сточных вод называется комплекс инженерных сооружений населенных пунктов и промышленных предприятий для сбора, очистки
сточных вод и обработки их осадков [11].
При проектировании и эксплуатации систем канализации промышленных
предприятий различают внутриплощадную и внеплощадную канализацию.
К первой относят размещаемый на территории промышленной площадки комплекс канализационных сетей, сооружений, насосных станций и локальных установок по очистке цеховых сточных вод.
Канализационные сети и коллекторы, сооружения, насосные станции и
очистные сооружения, расположенные за территорией промышленной площадки, относят к внеплощадной канализации. Если производственные сточные
воды направляются в канализационную сеть или непосредственно на очистные
сооружения населенного пункта, то внеплощадная канализация ограничивается
системой сетей, коллекторов и сооружений, обеспечивающих присоединение
коллекторов промышленного предприятия к канализационной сети населенного
пункта или к комплексу объединенных очистных сооружений.
Очистные сооружения канализации промышленных предприятий должны,
как правило, размещаться на территории канализируемых предприятий. При
108
выборе системы и схемы канализации промышленных предприятий необходимо учитывать:
- требования, предъявляемые к качеству воды, используемой в различных
технологических процессах;
- количество, состав и свойства сточных вод отдельных производственных
цехов и предприятия в целом, а также режимы водоотведения;
- возможность сокращения количества загрязненных производственных
сточных вод предприятия путем рационализации технологических процессов;
- возможность повторного использования производственных сточных вод в
системе оборотного водоснабжения или для технологических нужд другого
производства, где допустимо применять воду более низкого качества;
- целесообразность извлечения и использования ценных веществ, содержащихся в сточных водах;
- возможность разделения производственных сточных вод для повторного
использования не загрязненных в производстве и обработки загрязненных сточных вод;
- возможность и целесообразность совместного канализования нескольких
близко расположенных промышленных предприятий, а также возможность
комплексного решения канализования промышленного предприятия и населенного пункта;
- возможность использования в технологическом процессе очищенных бытовых сточных вод;
- возможность и целесообразность использования производственных сточных вод для орошения сельскохозяйственных и технических культур;
- целесообразность локальной очистки сточных вод отдельных производств и цехов;
- самоочищающую способность водоема, условия спуска производственных сточных вод в него и необходимую степень очистки этих вод по лимитирующим показателям;
- целесообразность применения каждого метода очистки.
При учете всех этих показателей, а также на основании техникоэкономического расчета принимают оптимальных вариант систем канализации.
Канализирование промышленных предприятий, как правило, осуществляется по полной раздельной системе.
Производственные сточные воды в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации, а также количества сточных вод и мест их образования отводятся несколькими самостоятельными потоками:
- слабозагрязненные, содержащие один или несколько видов загрязнений;
- содержащие токсичные и ядовитые вещества;
- кислые;
- щелочные;
- сильноминерализованные;
- содержащие масла и жиры, волокно, ПАВ и т.д.
Незагрязненные сточные воды, как правило, объединяют в отдельный поток.
109
Бытовые сточные воды, образующиеся на промышленном предприятии,
отводят и очищают отдельно, если производственные сточные воды по своему
составу не требуют биологической очистки. Совместное отведение бытовых и
производственных сточных вод целесообразно, если последние загрязнены органическими веществами, деструкция которых возможна биологическим путем.
При этом концентрация токсичных примесей не должна превышать ПДК.
Дождевые воды, стекающие с незагрязненной территории промышленного
предприятия, отводят отдельной системой канализации или объединяют с незагрязненными производственными сточными водами и спускаются в водоем без
очистки. Дождевые воды, стекающие с площадок для складирования сырья,
жидкого и твердого топлива, масел, красителей и т.п., отводят вместе с загрязненными производственными сточными водами, затем они подлежат совместной очистке перед выпуском в водоем.
Целесообразность разделения или объединения отдельных потоков сточных вод при проектировании систем канализации промышленного предприятия
является одним из актуальных вопросов, от правильности решения которого зависят сметная стоимость строительства и затраты на эксплуатацию очистных
сооружений, надежность охраны водоемов от загрязнения и рентабельность основного производства.
При строительстве новых и реконструкции действующих промышленных
предприятий большое значение имеет разработка систем оборотного водоснабжения.
Наиболее широко применяются системы оборотного водоснабжения при
наличии сточных вод, имеющих лишь термальное загрязнение. Эти воды проходят через охладительные сооружения (градирни, брызгальные бассейны,
пруды) и вновь подаются на производство.
Значительная экономия воды и снижение потерь ценных продуктов достигается в результате замены водяного охлаждения воздушным. Применение аппаратов воздушного охлаждения на нефтеперерабатывающих заводах позволяет уменьшить расход воды на производственные нужды в 3-5 раз.
Одним из путей утилизации производственных сточных вод является использование их в сельском хозяйстве для нужд орошения. Наиболее пригодными для орошения являются сточные воды некоторых производств пищевой, химической и легкой промышленности. На железной дороге целесообразно использовать для орошения сточные воды, содержащие биогенные элементы, после промывки вагонов, перевозивших минеральные удобрения, цистерны азотной кислоты и др.
3.2.2. Условия выпуска производственных сточных вод
в городскую канализацию
При расположении промышленных предприятий в городах или вблизи их,
а также при решении о совместной очистке сточных вод группы предприятий
промышленной зоны и близлежащего жилого массива загрязненные производ110
ственные сточные воды могут сбрасываться в городскую канализацию. В связи
с тем, что в сточных водах промышленных предприятий могут содержаться
специфические загрязнения, их спуск в городскую канализацию ограничен
комплексом требований. Выпускаемые в канализацию производственные сточные воды не должны [11]:
- нарушать работу сетей и сооружений;
- содержать более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ;
- содержать вещества, которые способны засорять трубы канализационных
сетей или отлагаться на стенках труб;
- оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации;
- содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные примеси в канализационных сетях и сооружениях;
- содержать вредные вещества в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоемы (с учетом эффективности
очистки);
- иметь температуру выше 40оС.
Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, подвергаются предварительной очистке. Степень такой очистки должна быть согласована с органами по охране природы.
Отведение в городскую канализацию промышленных сточных вод, способных вступать в химические реакции с выделением ядовитых или взрывоопасных газов и образовывать эмульсии, а также имеющих большое количество
нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных производственных сточных вод. При значительных колебаниях их состава в течение суток необходимо предусматривать емкостиусреднители, обеспечивающие равномерный выпуск воды.
Для обеспечения нормальной работы очистных сооружений городской канализации при совместной очистке производственных и бытовых сточных вод
необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь сточных вод в любое
время суток не должна иметь:
- температуру ниже 6 и выше 30оС;
- активную реакцию рН ниже 6,5 и выше 8,5;
- общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л;
- БПК более 500 мг/л при поступлении на биологические фильтры и аэротенки и более 1000 мг/л при поступлении в аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды;
- нерастворимых масел, а также смол и мазута;
- биологически жестких синтетических ПАВ, практически не окисляющихся на сооружениях биологической очистки;
- концентрацию вредных веществ более, чем указана в таблицах 3.3 и 3.4.
111
Таблица 3.3
Величины БПК, ХПК и допустимых концентраций (ДК) вредных веществ
в чистых растворах при очистке сточных вод в аэротенках-смесителях
БПК
ХПК
мг/мг вещества
Вещество
Анилин
Ацетальдегид
Ацетон
Бензойная кислота
Бутанол
Глицерин
Капролактам
Кротоновый альдегид
Метанол
Пропанол
Резорцин
Толуол
Уксусная кислота
Уксусно-этиловый эфир
Фенол
Этанол
2-этилгексанол
1,9
1,07
1,68
1,61
1,8
0,86
1,8
1,6
1,05
1,68
1,5
1,1
0,86
1,49
1,18
1,45
1,55
2,4
1,82
2,17
1,97
2,58
1,23
2,12
2,5
1,5
2,4
1,89
1,87
1,06
1,8
2,38
2,08
2,95
ДК, мг/л
Средняя скорость
окисления, мг БПК на
1 г сухого вещества
активного ила в 1 ч
100
750
600
150
600
1150
300
400
950
600
500
200
200
500
1000
700
400
9
12
28
14
15
30
22
5,5
23
18
12,2
8
26
20
14
19
100
Таблица 3.4
Допустимые концентрации (ДК) вредных веществ в сточных водах
при биологической очистке
Вещество
Кадмий
Кобальт
Красители:
сернистые,
синтетические
Медь
Мышьяк
Нефть и нефтепродукты
Никель
Ртуть
Свинец
Допустимая
концентрация,
мг/л
0,1
1
Эффективность
удаления, %
25
25
0,5
0,1
90
70
80
50
25
0,5
0,005
0,1
90
50
50
60
50
Вещество
ПАВ биологически
мягкие (окисляющиеся на сооружениях
биологической очистки): анионные
неионогенные
ПАВ: анионные
неионогенные
Сульфиды
Формальдегид
Хром (трехвалентный)
Цианиды
Цинк
112
Допустимая
концентрация,
мг/л
Эффектив
ность
удаления, %
20
50
20
20
1
25
2,5
1,5
1
80
90
60
75
99
80
80
70
Дополнительное условие. При совместной биологической очистке производственных и бытовых сточных вод ХПК не должно превышать БПК более
чем в 1,5 раза. Минимальное содержание биогенных элементов в смеси определяется из соотношения 100:5:1 (БПК:аммонийный азот:фосфор). Если это соотношение не выдерживают, то перед биологической очисткой в сточные воды
необходимо вводить дополнительное количество биогенных элементов в виде
растворов аммиачной воды, фосфорнокислого калия и др.
3.2.3. Расчет предельно допустимого сброса вредных веществ
в водные объекты
Если сточные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая
степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДС и экологическими
требованиями.
При расчете предельно допустимого сброса необходимо знать следующие
значения:
- коэффициент неровности дна водотока или водоема (η) (для ровного дна
η = 1);
- коэффициент неровности берегов (φ);
- предельно допустимые концентрации вредных примесей (КПДК, мг/л);
- среднюю скорость течения воды в водоеме или водотоке (vср, м/с):
- среднюю глубину водоема (Нср, м);
- расход воды в водоеме или водотоке (Q, м3/с);
- расход сточных вод (q, м3/с);
- содержание вредных веществ в воде водоема до выпуска сточных вод
(К1, мг/л).
Расчет ПДС начинается с определения коэффициента турбулентности по
формуле
Е=
vср Н ср
200 ;
(3.1)
коэффициента, учитывающего влияние гидравлических факторов смешения сточных вод
α = ηϕ 3
Е
q
(3.2)
и коэффициента смешения сточных вод с водой водоема:
μ = 1−а .
1+ Qβ
(3.3)
q
Допустимую концентрацию вредного вещества в сточной воде с учетом ее
смешения с водой водоема определяют по формуле
КД =
μ ⋅Q
q
(К ПДК − К1 ) + К ПДК , мг/л;
113
(3.4)
а предельно допустимый сброс – по формуле
ПДС = КД · q , г/с.
(3.5)
3.2.4. Установление водоохранных зон и прибрежных защитных полос
Водоохраной зоной является территория, примыкающая к акваториям рек,
озер и других поверхностных водных объектов, на которой устанавливается
специальный режим хозяйственной и иных видов деятельности с целью предотвращения загрязнения, засорения, заиления и истощения водных объектов, а
также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира.
Соблюдение специального режима на территории водоохранных зон является составной частью комплекса природоохранных мер по улучшению гидрологического, гидрохимического, гидробиологического, санитарного и экологического состояния водных объектов и благоустройству их прибрежных территорий.
Размеры и границы водоохранных зон, а также режим их использования
устанавливаются на основании результатов обследования водных объектов и
прилегающих к ним территорий, физико-географических, почвенных, гидрологических и других условий с учетом прогноза изменения береговой линии водных объектов, а также с учетом принятых нормативов, которые указаны ниже.
Также должно предусматриваться установление и нанесение на плановотопографические материалы границ водоохранных зон, составление экспликации земель и перечня хозяйственных и других объектов, расположенных на
этой территории. Ширина водоохранных зон и прибрежных защитных полос
устанавливается:
- для рек, стариц и озер – от среднемноголетнего уреза воды в летний период;
- для водохранилищ – от уреза воды при нормальном подпорном уровне;
- для морей – от максимального уровня прилива;
- для болот – от их границы (нулевой глубины торфяной залежи);
- для болот в истоках рек, а также других болот, формирующих сток в водосборном бассейне, водоохранные зоны устанавливаются на прилегающих к
ним территориях.
Минимальная ширина водоохранных зон рек устанавливается в зависимости от их протяженности с плавным увеличением ширины зоны от истока к
устью. На участке: до 10 км –50 м, от 10 до 50 км – 100 м, от 50 до 100 км –
200 м, от 100 до 200 км – 300 м, от 200 до 500 км – 400 м, от 500 км и более –
500 м.
Для истоков рек и родников минимальная ширина водоохраной зоны устанавливается не менее 50 м.
114
Минимальная ширина водоохранных зон:
- для озер и водохранилищ принимается при площади акватории до
2
2 км – 300 м, от 2 км2 и более – 500 м;
- для болот площадью до 2 км2 – 300 м, более 2 км2 – 500 м;
- для морей – 500 м.
Размеры и границы водоохранных зон на территории городов и других поселений устанавливаются исходя из конкретных условий застройки в соответствии с утвержденным генеральным планом.
В пределах водоохранных зон запрещается:
- проведение авиационно-химических работ;
- применение химических средств борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками;
- использование навозных стоков для удобрения почв;
- размещение складов ядохимикатов, минеральных удобрений и горючесмазочных материалов, площадок для заправки аппаратуры ядохимикатами,
животноводческих комплексов и ферм, мест складирования и захоронения
промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов, кладбищ и скотомогильников, накопителей сточных вод;
- складирование навоза и мусора;
- заправка топливом, мойка и ремонт автомобилей, тракторов и других
машин и механизмов;
- размещение дачных и садово-огородных участков при ширине водоохранных зон менее 100 м и крутизне склонов, прилегающих территорий,
более 3о;
- размещение стоянок транспортных средств, в том числе на территориях
дачных и садово-огородных участков;
- проведение рубок деревьев главного пользования;
- проведение без согласования с органами МПР строительства и реконструкции зданий, сооружений и коммуникаций, а также добычу полезных ископаемых, землеройных и других работ;
- при совпадении водоохранных зон и зон санитарной охраны следует руководствоваться требованиями санитарных норм и правил «Зоны санитарной
охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого
назначения» (СанПиН 2.1.4.027-95).
Прибрежной защитной полосой является часть водоохраной зоны, территория которой непосредственно примыкает к водному объекту.
В пределах прибрежных защитных полос в дополнение к ограничениям,
вводимым для водоохранных зон, запрещается:
- систематическая распашка земель;
- применение удобрений;
- складирование отвалов размываемых грунтов;
- выпас и организация летних лагерей скота (кроме традиционных мест водопоя), устройство купочных ванн;
- установка и устройство сезонных стационарных палаточных городков;
115
- размещение дачных и садово-огородных участков;
- выделение участков под индивидуальное жилищное, дачное и другое
строительство;
- прокладка проездов и дорог (кроме прогонов и традиционных мест водопоя скота);
- движение автомобилей, тракторов и механизмов, кроме техники специального назначения.
Прибрежные полосы, как правило, должны быть заняты лесокустарниковой растительностью или залужены.
Максимальная ширина прибрежных полос водных объектов устанавливается в зависимости от топографических условий и видов угодий (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Минимальная ширина прибрежных защитных полос
Виды угодий,
прилегающих к
водному объекту
пашня
луга, сенокосы
лес, кустарник
Ширина прибрежной защитной полосы (м) при крутизне
склонов прилегающих территорий:
обратный и нулеуклон до 3о
уклон более 3о
вой уклон
15-30
35-55
55-100
15-25
25-35
35-50
35
35-50
55-100
Ширина прибрежных защитных полос для участков водоемов, имеющих
особо ценное рыбохозяйственное значение, устанавливается не менее 100 м, независимо от уклона и характера прилегающих земель.
Для морей и горных рек ширина прибрежных защитных полос определяется в каждом конкретном случае с учетом порядка, установленного для водоохранных зон и прибрежных защитных полос.
В городах и населенных пунктах при наличии ливневой канализации и набережной границу прибрежных полос допускается совмещать с парапетом набережной.
3.3. Классификация сточных вод
Требования к качеству очищенных вод диктуется условиями их дальнейшего применения. Если они возвращаются в производственный цикл, то степень их очистки определяется технологическими требованиями самого производства (например, для производства радиодеталей, печатных плат, спиртных
напитков, пива, хороших газированных вод и т.д. требуется очистка природных
вод, т.к. они для этого считаются грязными). Если же очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется
нормативами ПДК, ПДС и экологическими требованиями.
116
Выбор методов очистки зависит от состава сточных вод [11]. Загрязнители
сточных вод делятся на физические, биологические и химические. Химические
загрязнители делятся на:
- биологически нестойкие органические соединения;
- малотоксичные неорганические соли;
- нефтепродукты;
- биогенные соединения;
- вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы и биологически жесткие неразлагающиеся органические вещества.
Для того, чтобы эффективно и недорого очистить сточные воды, на предприятии осуществляют классификацию сточных вод. В основу наиболее распространенных классификаций заложены: принцип допустимости использования в оборотном водоснабжении, дисперсность загрязняющих веществ и состав
растворенных в воде веществ.
3.3.1. Классификация по принципу допустимости
использования в оборотном водоснабжении
По принципу допустимости использования в оборотном водоснабжении
сточные воды подразделяются на две группы.
Группа А. Это сточные воды, применяемые для общей системы оборотного
водоснабжения, не содержат растворенных нелетучих кислот, солей, оснований
неорганического происхождения и содержат такую органику, которая окисляется кислородом воздуха (это сточные воды от охлаждения конденсаторов, насосов, узлов), они могут сбрасываться в коллекторы водной системы через местные отстойники. К ним относятся также сточные воды, которые образуются
периодически.
Группа Б. Эти сточные воды не могут непосредственно сбрасываться в
оборотную систему. Они загрязнены нелетучими органическими и неорганическими примесями, стойкими к кислороду воздуха. Группа Б подразделяется на
4 подгруппы и называется классификацией Гусева:
1) сточные воды, содержащие неорганические примеси со специфическими токсичными веществами. Источник их образования – предприятия цветной
и черной металлургии. В состав сточных вод входят соли, кислоты, металлы,
гидроксиды. Этот тип сточных вод влияет на здоровье людей, на общесанитарный и органолептический лимитирующий показатель вредности (ЛПВ). Сюда
же относятся радиоактивные сточные воды;
2) сточные воды, содержащие минеральные примеси без специфических
токсичных веществ. Источник образования – углеобогатительные фабрики и
обогатительные рудные фабрики;
3) сточные воды, содержащие примеси органической природы со специфическими свойствами. Источники образования – химические, нефтехимические, гидролизные заводы, заводы по переработке пластмасс. Характер загряз117
нения - высокотоксичные вещества органической природы. Влияние их проявляется, как и в первой подгруппе, но больше всего влияние оказывается на органолептические лимитирующие показатели вредности;
4) сточные воды, содержащие органические примеси без специфических
токсичных веществ. Источники образования: пивоваренное, дрожжевое, крахмальное, сахарное производства. Сточные воды, как и в третьей подгруппе,
создают дефицит кислорода в водном объекте.
3.3.2. Классификация сточных вод по дисперсному составу примесей
Суть классификации по дисперсному составу (классификация Кульского)
заключается в следующем: физико-химические свойства примесей, влияющих
на выбор метода очистки сточных вод, определяют в основном фазовоагрегатным состоянием примесей и их дисперсностью. Основные положения
классификации:
фазово-дисперсная характеристика веществ полностью определяет поведение их в воде и отношение к вводимым реагентам;
анализ научных данных показывает, что каждому фазово-дисперсному составу примеси соответствует конкретный прием и метод очистки стоков;
способность многих веществ в воде изменять свое фазово-дисперсное состояние под влиянием различных факторов делает возможным регулировать
процесс очистки сточных вод;
можно использовать признаки, присущие ионам, молекулам или коллоидам, так как форма примесей влияет на характер протекающих процессов.
Все примеси и сточные воды, по классификации Кульского, подразделяются на 4 группы (см. табл. 3.1):
1. Сточные воды, содержащие грубодисперсные примеси с величиной частиц выше 10-4 см.
2. Сточные воды, содержащие гидрофильные и гидрофобные коллоиды, а
также высокомолекулярные вещества с размером частиц 10-4 – 10-6 см.
3. Молекулярные растворы, содержащие растворенные газы и молекулярно-растворенные органические вещества с размером частиц 10-6 – 10-7 см.
4. Электролиты или ионные растворы, содержащие вещества диссоциирующие на ионы с размером частиц менее 10-7 см.
Первые две группы характеризуются как гетерогенные системы, а третьи и
четвертые, как гомогенные (однофазные).
Сточные воды первой группы очищаются от грубодисперсных примесей с
применением следующих методов: отстаивание, фильтрование (вода очищается
прохождением через фильтрующий слой за счет силы тяжести), фильтрация
(принудительное или напорное пропускание сточной воды через фильтрующий
слой), флотация, осветление во взвешенном слое осадка, центробежные методы
(гидроциклонирование, центрифугирование, сепарация).
118
Вторая группа сточных вод очищается от тонкодисперсных твердых примесей и коллоидов. Поэтому применяются: коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, электрофлотация.
3.3.3. Классификация сточных вод в зависимости
от растворенных примесей
Растворенные загрязнители в сточных водах можно разделить на минеральные, органические и газовые примеси. В настоящее время применяют следующую классификацию методов очистки сточных вод от таких растворенных
примесей.
1. Очистка от минеральных примесей: дистиляция, ионный обмен, обратный осмос и ультрафильтрация, электрические методы, вымораживание, реагентные методы (нейтрализация, осаждение) адсорбция на твердых сорбентах,
ионная флотация и экстракция.
2. Очистка от органических примесей:
а) регенеративные методы: экстракция, ректификация, ионный обмен, автосорбция, ионная флотация
б) деструктивные методы: биологическое, жидкофазное, парофазное, электрохимическое и радиационное окисление, озонирование и хлорирование.
3. Очистка от газов: отдувка, нагрев, реагентные методы, абсорбция.
Очистка сточных вод осуществляется: механическими (физическими), физико-химическими, химическими и биологическими (биохимическими) методами. Кроме них применяют специфические методы очистки сточных вод: захоронение, закачка в отработанные скважины, захоронение в глубинные районы морей, термообезвреживание.
4. Механические (физические) методы очистки сточных вод
Механическая (физическая) очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение
ее заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической
(биохимической), физико-химической и другой более тонкой очистке. Механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95%
и снижение органических загрязнений на 20-25% [11].
Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок.
Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование. Данные процессы и оборудование достаточно подробно описаны в книгах С.В.Белова [3] и С.В.Яковлева
[11].
119
3.4.1. Процеживание и отстаивание примесей
Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки
устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод
самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае
подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами
16 мм или менее. Решетки могут быть с ручной или механизированной выгрузкой осадка, по конструктивным особенностям вертикальные и наклонные, а
также решетки-дробилки. На рис. 3.3 представлена схема решетки с механизированной выгрузкой осадка.
Рис. 3.3. Схема решетки
1 – решетка из металлических стержней; 2 – механизм для снятия задержанных решеткой
загрязнений; 3 – транспортер для подачи задержанных загрязнений в дробилку
Необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных
вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание.
Метод отстаивания подразделяется на 2 группы:
осветление в поле гравитационных сил;
осветление в поле центробежных сил.
Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники.
Песколовки обычно используют для отделения из сточных вод минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м3/сут. Песколовки задерживают 40-50% взвешенных веществ. Эффективность очистки определяется гидравлической крупностью. Гидравлической крупностью называется скорость
оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Гидравлическая
крупность (U) измеряется в мм/сек и определяется по формуле
U=
H
⎛H⎞
τ⎜ ⎟
⎝h⎠
n
,
(3.6)
120
где Н – глубина проточной части песколовки или отстойника;
τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба
воды h = 500 мм при температуре 20оС;
n – показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще
называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он уменьшается до 0,35-0,75.
Исходя из этих показателей можно рассчитать рабочую продолжительность протока сточной воды
t1 = H(U – w),
(3.7)
где w – вертикальная составляющая турбулентного потока, мм/с
w = 0,05 v ,
(3.8)
где v – скорость потока, м/с.
Расчетная длина сооружения определяется по формуле
L=tv.
(3.9)
К основным типам песколовок относятся: горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, аэрируемые, тангенциальные со шнековым пескопромывателем.
Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды предназначены для удаления песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Они рассчитаны на производительность 1400-70000 м3/сут. Широкое применение находят горизонтальные песколовки с прямолинейным движением воды (рис. 3.4), в состав которой входят
входной патрубок 1, выпускной коллектор 4 и песковый приямок (шламосборник) 3.
Рис. 3.4. Схема горизонтальной песколовки
1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3 – шламосборник (песковый приямок);
4 – выпускной коллектор
121
Горизонтальные песколовки этого типа обладают пропускной способностью 70-280 тыс.м3/сут. Скорость движения сточных вод составляет 0,15-0,3
м/сек, продолжительность пребывания в рабочей зоне около 1 мин.
Вертикальные песколовки (рис. 3.5) состоят из входной трубы 1, перегородки 2 для изменения направления движения очищаемой воды, шламосборника 3 и выходной трубы 5. В шламосборнике предусмотрено отверстие 4 для
удаления шлама. Вертикальные песколовки имеют линейную скорость 0,030,04 м/сек, продолжительность пребывания потока в рабочей зоне 2-2,5 мин, а
гидравлическая крупность – до 25 мм/сек.
Для разделения механических загрязнений по фракционному составу или
по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 3.6), в состав которых
входят входная труба 2, воздуховод, воздухораспределители 3, выходная труба
4, шламосборник 5 с отверстием 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваются пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок определяется по
формуле
L=
H
.
U −w
(3.10)
Рис. 3.5. Схема вертикальной песколовки
1 – входная труба; 2 – перегородка; 3 – шламосборник; 4 – отверстие для удаления шлама;
5 – выходная труба
122
Рис. 3.6. Схема аэрируемой песколовки
1 – входная труба; 2 – воздуховод; 3 – воздухораспределители; 4 – выходная труба;
5 – шламосборник; 6 – отверстие для удаления шлама
Аэрируемые песколовки применяются для выделения из сточной воды минеральных частиц гидравлической крупностью 13-18 мм/сек. Скорость движения сточных вод составляет 0,08-0,12 м/сек.
Усреднители применяют для регулирования состава и расхода сточных
вод, поступающих на очистные сооружения, что позволяет повысить эффективность и надежность устройств механической, биологической и физикохимической очистки. Экономический эффект достигается за счет выравнивания
пиковых концентраций и расходов сточных вод, поступающих на очистку.
Конструктивно усреднители представляют собой прямоугольные резервуары, изготовленные из железобетона. В отечественной практике применяют
усреднители, действующие по принципу дифференцирования потока, и усреднители с перемешиванием поступающей сточной воды.
Схема усреднителя с дифференцированием потока сточных вод представлена на рис. 3.7. Принцип работы этого усреднителя заключается в следующем:
сточная вода после очистки на решетках и песколовках попадает в распределительный колодец 8, из которого по желобам направляется в коридоры усреднителя 3 и собирается затем в диагональные лотки 4, из них сточная вода поступает в выпускную камеру 5. Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет разного времени добегания отдельных порций сточной воды к
сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из 4-6 параллельно расположенных коридоров.
123
Рис. 3.7. Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием
потока сточных вод
1 – входной патрубок с шибером; 2 – диагональная перегородка; 3 – коридоры; 4 – сборные
лотки; 5 – выпускная камера; 6 – выходной патрубок; 7 – желоб для подачи сточных вод;
8 – распределительный колодец
Кроме того, при очистке производственных сточных вод применяют усреднители барботажного типа суммарной вместимостью 600, 900, 1200,
1800 м3, а также радиальные отстойники-усреднители, в которых совмещены
процессы отстаивания и усреднения. Разработаны также конструкции усреднителей, обеспечивающих поддержание расчетной величины усредненного расхода выпускаемой воды.
Отстойники. Как правило, в отстойниках отделяются частицы меньших
размеров, чем в песколовках, что определяет большее разнообразие отстойников перед песколовками. Некоторые из конструкций этих аппаратов показаны
на рис. 3.8.
Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия.
Типы аппаратов отстойников непрерывного действия: вертикальные, горизонтальные, радиальные.
124
Рис. 3.8. Отстойники
а – горизонтальный: 1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток;
4 – приямок;
б – вертикальный: 1 – цилиндрическая часть; 2 – центральная труба; 3 – желоб,
4 – коническая часть;
в – радиальный: 1 – корпус; 2 – желоб; 3 – распределительное устройство; 4 – успокоительная камера; 5 – скребковый механизм;
г – трубчатый;
д – с наклонными пластинами: 1 – корпус; 2 – пластины; 3 – шламоприемник
Горизонтальные отстойники (рис. 3.8, а) представляют собой удлиненные
и прямоугольные резервуары с глубиной 1,5-4,0 м с приямком для сбора осадка.
Длина таких отстойников равна 8-12 м, а ширина коридора – 3-6 м. Такую же
конструкцию имеют и горизонтальные песколовки, рассмотренные выше. Осадок сдвигают в приямок с помощью скребкового механизма. Горизонтальная
скорость движения воды в отстойнике не выше 0,01 м/с. Это обеспечивает достижение заданной степени отстаивания за 1-3 ч.
125
Вертикальный отстойник (рис. 3.8, б) представляет собой цилиндрический
или квадратный в плане резервуар с коническим днищем. Сточную воду вводят
по центральной трубе. После ввода она движется вверх к желобу. Для равномерности распределения воды конец вводной трубы снабжен раструбом и распределительным щитом. Таким образом, оседание частиц происходит в восходящем потоке, скорость которого составляет 0,4-0,6 м/с. Высота зоны осаждения – 4-5 м.
Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары
(рис. 3.8, в), вода в которых движется от центра к периферии. Глубина проточной части такого отстойника составляет 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине – от 6 до 30. Обычно используются отстойники диаметром 9-60 м. Такие
отстойники применяются при расходах сточных вод свыше 2000 м3/сут.
Повысить эффективность работы отстойников можно, увеличивая не только площадь, но и глубину отстаивания. Это используют в трубчатых
(рис. 3.8, г) и пластинчатых (рис. 3.8, д) аппаратах.
В трубчатых отстойниках основным рабочим элементом являются пучки
труб квадратного, круглого или шестиугольного сечения. Трубки устанавливают под некоторым углом к горизонту. Трубчатые отстойники с небольшим углом наклона работают периодически.
Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных пластин с расстоянием между ними 25-100 мм. Пластины устанавливают
под некоторым углом к горизонтали, достаточным для самопроизвольного
сползания осадка. Угол устанавливают экспериментально.
Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности,
можно выделить группу простейших устройств – аппаратов периодического
действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра
(рис. 3.9).
Рис. 3.9. Схема гравитационного отстойника периодического действия
1 – корпус; 2 – патрубки для отвода отстоя; 3 – патрубок для выгрузки осадка
126
Аппарат 1 объемом V периодически заполняют суспензией, которая отстаивается в течение времени τо. Сначала сливается чистая жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через
патрубок 3. Это отстойник периодического действия. Он же может работать и в
непрерывном режиме.
Производительность такого отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения частиц (гидравлической крупности – U), продолжительности нахождения суспензии в отстойнике (τ) и площади отстойника (S).
Необходимую площадь отстойника рассчитывают по формуле
S=
QC
,
ktU
(3.11)
где Qc – суточная производительность отстойника,
t – суточная продолжительность работы отстойника,
U – гидравлическая крупность частиц,
k – коэффициент объемного использования площади отстойника, равный
отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к
расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а
для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8.
Значительно повышается эффективность отстаивания в тонкослойных отстойниках, когда при невысоких концентрациях взвешенных веществ теряется
различие между Ш и 1У зонами (рис. 1.10). В этом случае не формируется зона
стесненного осаждения, а высота отстаивания уменьшается. Этот показатель
(Нотс) рассчитывают по формуле
H отс =
Qч
,
S
(3.12)
где Qч – часовая производительность отстойника.
Высота отстаивания составляет 0,5 – 1 м. Такая высота принимается для
расчетов в тонкослойных пластинчатых или трубчатых отстойниках. В других
отстойниках она, как правило, должна быть в 3-4 раза больше.
4.2. Осветление сточных вод, улавливание жиров и нефтепродуктов
Кроме первичных отстойников для механической очистки воды наиболее
часто используют осветлители, нефте- и жироловушки.
Осветлители. Эти аппараты отличаются от отстойников тем, что в их работе для ускорения процесса оседания частиц и используют специальные реагенты – коагулянты или флокулянты, способствующие агрегации, то есть укрупнению частиц. Механизм действия этих реагентов будет описан ниже.
В практике очистки сточных вод часто используют осветлитель со взвешенным слоем осадка, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.10.
Вода с коагулянтом поступает в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта
и увлекаемые им частицы поднимаются потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока (сечение
127
А-А). Выше этого сечения образуется слой взвешенного осадка, через который
фильтруется осветленная вода. Осадок удаляется в осадкоуловитель, в котором
из-за отсутствия восходящего движения потока он отстаивается, частично обезвоживается и удаляется по специальному трубопроводу. Осветленная вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.
Рис. 3.10. Схема осветлителя
1 – осветлитель; 2 – желоб; 3 – осадкоуплотнитель
Эффективность очистки сточных вод в осветлителях достигает 75%. Пропускная способность осветлителя диаметром 6 м при продолжительности пребывания в нем сточной воды 1,5 ч – 85 м3/ч, а осветлителя диаметром 9 м –
193 м3/ч. Осветлители компонуют в блок из двух или четырех сооружений.
Жироловки. Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей в зависимости от состава и концентрации примесей производится отстаиванием, обработкой в гидроциклонах и фильтрованием. При отстаивании происходит
всплывание частиц масел с плотностью, меньшей плотности воды, по тем же
законам, что и осаждение тяжелых частиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках, а также маслоловушках при незначительной концентрации
механических загрязнений. Конструкция маслоловушек аналогична конструкции горизонтального отстойника (рис. 3.11).
128
Рис. 3.11. Схема маслоловушки
1 – входной патрубок; 2 – отстойная камера; 3 – маслосборник; 4 – цепной конвейер;
5 – выходной патрубок
При среднем времени пребывания сточной воды в маслоловушке, равном
двум часам, скорость движения воды составляет 0,003-0,008 м/с. В результате
отстаивания маслопродукты, содержащиеся в воде, всплывают на поверхность,
откуда удаляются маслосборным устройством. Для расчета маслоловушек необходимо знать расход сточной воды и скорость всплывания маслопродуктов,
которая определяется по следующей формуле
gd 2 ρ ч − ρ ж
,
U=
18
ρж
(3.13)
где d – диаметр осаждаемых частиц,
ρч , ρж – плотности загрязнителя и жидкости.
В этом случае расчет сводится к определению геометрических размеров
ловушек и времени отстаивания сточной воды.
Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрованием – заключительный этап очистки. В качестве фильтрующего материала используют
кварцевый песок, доломит, керамзит и др. На рис. 3.12 представлена схема полиуретанового фильтра. Устройство состоит из решетки 1 и патрона 2 с фильтрующим элементом 3 из вспененного полиуретана. Решетка задерживает твердые частицы, а фильтр задерживает жир. Пенополиуретаны, обладая большой
маслопоглощательной способностью, обеспечивают очистку до 0,97 - 0,99 при
скорости фильтрования 0,01 м/с. Насадка из пенополиуретана легко регенерируется механическим отжиманием маслопродуктов.
2
1
129
3
Рис. 3.12. Схема полиуретанового фильтра
1 – решетка; 2 – патрон; 3 – насадки из пенополиуретана.
Нефтеловушки. Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты при концентрациях более 100 мг/л, применяют нефтеловушки, которые представляют собой прямоугольные, вытянутые в длину резервуары. В них
происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и
нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в сточной воде минеральные примеси, оседают на дно нефтеловушки. Типичные схемы нефтеловушек представлены на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Схемы нефтеловушек
а – горизонтальная нефтеловушка: 1 – корпус; 2 – гидроэлеватор; 3 – слой нефти;
4 - нефтесборная труба; 5 – нефтеудерживающая перегородка; 6 – скребковый транспортер;
7 – приямок для осадка;
б – тонкослойная нефтеловушка: 1 – вывод очищенной воды; 2 – нефтесборная труба;
3 – перегородка; 4 – плавающий пенопласт; 5 – слой нефти; 6 – ввод сточной воды;
7 – секция из гофрированных пластин; 8 – осадок
В горизонтальной нефтеловушке (рис. 3.13, а) нефть всплывает на поверхность очищаемой воды в отстойной камере (которая ограничена нефтеудерживающей перегородкой 5) и удаляется с помощью скребкового транспортера 6 и
нефтесборной трубы 4. Работа данной нефтеловушки характеризуется следующими параметрами: скорость движения воды в ней – 5·10–3 – 10–2 м/с; степень
очистки от нефтепродуктов – 96-98%. Горизонтальные нефтеловушки имеют не
130
менее двух секций. Ширина секции составляет 2-3 м, глубина отстаиваемого
слоя воды 1,2-1,5 м, продолжительность отстаивания не менее 2 ч. Производительность типовых горизонтальных нефтеловушек составляет 300, 450 и
600 м3/ч.
Усовершенствованными разновидностями горизонтальных нефтеловушек
являются радиальные и полочные (рис. 3.13, б) тонкослойные ловушки. Они
имеют меньшие габариты и более экономичны.
4.3. Фильтрование
Для улавливания тонких частиц используют фильтрование сточных вод
через тонкие перегородки или насыпные слои зернистых материалов.
В качестве фильтрующих перегородок применяют перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и других
металлов, а также разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стекловолоконные, хлопчатобумажные, шерстяные, из синтетических волокон). Выбор
перегородки зависит от коррозионной активности очищаемой воды, физикохимических свойств и концентрации отделяемых осадков. Для осуществления
процесса фильтрации в этом случае используются все известные типовые
фильтры: нутч-фильтры, пресс-фильтры, барабанные, дисковые, ленточные, карусельные и др.; непрерывно и периодически работающие; работающие под
давлением и в вакууме.
Более широко в водоочистной практике применяют фильтры с насыпным
фильтрующим зернистым материалом. Насыпной материал – кварцевый песок,
антрацит, дробленый керамзит, шлаки и др.
Фильтры характеризуются показателем, который называется время работы фильтра до проскока. Показатель рассчитывается по формуле
t=
1
,
S о d ⎞ с,
l
⎛
k ⎜ 1, 7 0, 7 −
⎟
V
d
V
⎠
⎝
где
(3.14)
l – толщина фильтрующего слоя загрузки, м;
V – объем фильтрата или скорость фильтрации, м3;
d – диаметр зерен загрузки, м;
S0 и k – константы (или концентрации) взвешенных веществ в осветленной и
исходной воде.
Требования к фильтрации следующие:
- фильтрование должно идти в направлении убывающей крупности зерен
загрузки с целью предотвращения образования малопроницаемых пленок на
поверхности загрузки;
- должна быть предусмотрена интенсивная промывка зерен загрузки при
наступлении проскока загрязненных вод;
- фильтры должны обладать малой чувствительностью к колебаниям качества и расхода воды.
131
Требования к фильтрующим материалам:
наличие определенного фракционного состава;
механическая прочность на истирание и измельчение;
химическая стойкость к воде и примесям;
доступность и невысокая стоимость.
По скорости фильтрации фильтры делятся на медленные (со скоростью
фильтрации менее 0,5 м/ч), скорые (от 2 до 15 м/ч) и сверхскорые фильтры (более 25 м/ч).
Также они подразделяются на открытые и закрытые, на напорные и безнапорные, а по размерам загрузки верхнего слоя – на мелкозернистые (диаметр
частиц до 0,4 мм), среднезернистые (0,4-0,8 мм) и крупнозернистые (более 0,8
мм). По виду используемых материалов фильтры делятся на однослойные и
многослойные (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Схемы фильтров с зернистой загрузкой
а – однослойный с плавающей загрузкой; б – многослойный; в – контактный осветлитель:
1 – распределительный карман; 2 – корпус; 3 – фильтрующая загрузка; 4 – удерживающая
решетка; 5 – дренажная система; 6 – распределительная система промывной воды; 7 – желоб
для отвода фильтрата и промывной воды; 1, П, Ш, 1У – соответственно потоки очищаемой,
очищенной, промывной и загрязненной промывной воды
В однослойных фильтрах загрузка состоит из зерен одного материала
(рис. 3.14, а). Загрузка многослойного фильтра (рис. 3.14, б) состоит из нескольких слоев разных материалов, уложенных с уменьшением размера зерен
по ходу воды. Контактный осветлитель (рис. 3.14, в) относится к группе многослойных фильтров, только в его работе используются коагулянты и флокулянты для укрупнения частиц взвеси. В этом аппарате крупность зерен уменьшается по ходу потока очищаемой воды. Такое распределение засыпного материала
позволяет использовать весь объем фильтрующего слоя, иначе вся извлекаемая
взвесь сосредоточилась бы на входе в фильтрующий слой, быстро забивая его.
Значительное влияние на работу узла фильтрации оказывает соотношение
продолжительностей периодов фильтрования и регенерации фильтрующего
132
слоя путем промывки его обратным потоком очищенной воды. Чем меньше рабочий период фильтра, тем меньше он забивается улавливаемой примесью и,
следовательно, выше средняя скорость фильтрования. Однако при этом увеличивается общая продолжительность простоев фильтра из-за его остановки на
промывку. Очевидно, что выбор указанного соотношения периодов очистки
воды и промывки фильтрующего слоя является задачей на оптимизацию.
4.4. Гидроциклонирование
Отделение механических примесей в поле действия центробежных сил
осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах, многоярусных гидроциклонах и центрифугах.
Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой
фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования
частицы в поле гидроциклона может превышать скорость оседания эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз.
К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести:
- высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии;
- сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок;
- отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального
ввода сточных вод;
- возможность создания компактных автоматизированных установок.
Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных механических частиц со скоростью оседания 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорными – большая производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 Па. Эффективность очистки сточных
вод от механических примесей в гидроциклонах зависит от характеристик загрязнений (вида материала, размеров и форм частиц и др.), а также от конструктивных и геометрических характеристик самого гидроциклона.
На рис. 3.15 представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из
входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, трубы для отвода очищенной воды 3 и шламоотводящей трубы.
133
Рис. 3.15. Схема открытого гидроциклона
1 – входной патрубок; 2 – кольцевой водослив; 3 – труба для отвода очищенной воды;
4 – шламоотводящая труба
Производительность открытого гидроциклона рассчитывается по формуле
Q = 0,785qD,
(3.15)
где D – диаметр цилиндрической части гидроциклона,
q – удельный расход воды, определяемый по формуле
q = 4,32 U,
(3.16)
где U – гидравлическая крупность загрязняющего воду материала.
При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие
значения геометрических характеристик: D = 2-10 м; высота цилиндрической
части H=D, диаметр входного отверстия d=0,1D. Угол конической части
α = 60о.
Напорные гидроциклоны (рис. 3.16) применяют для выделения из сточных
вод механических частиц со скоростью осаждения менее 0,02 м/с. Производительность напорных циклонов определяется по формуле
134
Q = kDd
2 Δp
ρ
,
(3.16)
где ρ – плотность очищаемой сточной воды,
k – опытный коэффициент, равный 0,524 для гидроциклонов с диаметром
цилиндрической части D = 0,125-0,6 м и углом конической части 30о,
d – диаметр входного отверстия.
Рис. 3.16. Схема напорного гидроциклона
1 – входной патрубок; 2 – труба для отвода воды; 3 – труба для отвода шлама
Многоярусные гидроциклоны по принципу выделения механических частиц из жидкости аналогичны напорным гидроциклонам. В камере гидроциклона устанавливают нескольких секций (ярусов), через которые последовательно
проходит очищаемая вода. Это позволит более полно использовать объем гидроциклона и уменьшить время пребывания жидкости в циклоне.
135
3.5. Химические, физико-химические и биологические методы очистки
и обезвреживания сточных вод
3.5.1. Химическая очистка сточных вод
Химическая или реагентная очистка производственных сточных вод может
применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных
сточных вод в систему оборотного водоснабжения, спуском их в водоем или
городскую канализационную сеть. Химическую очистку в ряде случаев целесообразно использовать перед биологической или физико-химической очисткой.
Химическая обработка находит применение для дезинфекции и обесцвечивания
производственных сточных вод или извлечения из них различных компонентов
[1 – 4, 11].
Нейтрализация. В технологических процессах производственные сточные
воды содержат щелочи NaOH, КОН, кислоты HCl, H2SO4, H3PO4, а также соли
металлов, образованных на основе кислот или щелочей. Эти воды приводят к
коррозии материалов канализационных сооружений, нарушают биохимические
процессы в биологических окислителях и водоемах, образуют соли тяжелых
металлов. Наиболее агрессивными являются кислые и щелочные стоки, которые необходимо подвергать нейтрализации. В результате нейтрализации в водных растворах происходит реакция между гидратированными ионами водорода
и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и
основаниях, с образованием молекулы воды и гидроксида металлов. В результате рН среды приближается к 7. Указанные реакции и способы нейтрализации
подробно рассмотрены в главе 1. Здесь же рассмотрим расчет расхода реагентов.
Расход щелочного (кислого) реагента на нейтрализацию 1 т кислоты (щелочи), содержащейся в сточных водах, определяется по формуле
m=C
M1
,
M2
(3.17)
где С – концентрация кислоты (щелочи) или солей металлов, содержащихся в
сточной воде, кг/м3;
M1 – молекулярная масса щелочного (кислого) реагента, г-моль;
М2 – молекулярная масса кислоты (щелочи) или солей металлов, содержащихся в сточной воде, г-моль.
В качестве реагента для нейтрализации используют любые щелочи, кислоты или их соли (NaOH, KOH, H2SO4, известняк, доломит, мел, мрамор, магнезит, сода и др.).
Процессы нейтрализации осуществляют в специальных реакторах, оборудованных перемешивающим устройством, и при необходимости проветривания–системой вытяжной вентиляции. Расчет реакторов достаточно подробно
изложен в книге [1].
136
Кроме нейтрализации к химическим методам очистки относятся осаждение, окисление и электрохимическая обработка. Химизм этих процессов рассмотрен в главе 1.
Электрохимическая обработка широко используется для очистки сточных вод от шестивалентного хрома. Технология очистки основана на пропускании постоянного электрического тока через сточную воду, находящуюся в открытых или закрытых электролизных ваннах, в которых размещены попеременно чередующиеся стальные аноды и катоды. При этом сточная вода не
должна содержать механические примеси с гидравлической крупностью (скоростью осаждения или всплывания) более 0,0003 м/с и концентрацией более
0,05 кг/м3. Очистка сточных вод от соединений шестивалентного хрома основана на реакции восстановления бихромат- и хромат-ионов ионами трехвалентного железа. Трехвалентное железо образуется при электролитическом растворении анода и при окислении гидроксида Fe(ОН)2, возникающего в сточной воде
при взаимодействии ионов Fe2+ и ОН– (при рН ≥ 5,5).
В промышленных условиях биохимическую очистку сточных вод от соединений хрома проводят на установках, использующих в качестве питательной среды городские бытовые сточные воды со средним значением БПК 0,1 г/л.
На рис. 3.17. представлена схема установки биохимической очистки хромсодержащих сточных вод гальванического цеха. Бытовые сточные воды с расходом 0,023 м3/с из отстойника 1 насосом подают в смеситель 2, куда одновременно поступают хромсодержащие (до 85 мг/л) сточные воды с расходом
0,013 м3/с и активный ил, содержащий бактерии рода Pseudomonas. Из смесителя сточные воды с активным илом поступают в биовосстановители 3, где происходит процесс биохимического восстановления хроматов с образованием
гидроксида хрома. Процесс восстановления идет при постоянном перемешивании смеси и поддержании активного ила во взвешенном состоянии. Из биовосстановителей сточная вода поступает в отстойник 4, отстаивается и очищенная
от хрома направляется в резервуар 5. В этот же резервуар сбрасывается избыточный активный ил с гидроксидом хрома и осадок сточных вод из отстойника
1. Осевший активный ил из отстойника 4 перекачивается в смеситель 2 для
поддержания в биовосстановителях концентрации, равной 7 г/л. Из резервуара
5 сточная вода перекачивается в канализацию и далее поступает в биологические установки станции водоочистки, где в первичных отстойниках осаждается
гидроксид хрома.
137
Рис. 3.17. Схема установки биохимической очистки хромсодержащих
сточных вод
1 – отстойник бытовых вод; 2 – смеситель; 3 – биовосстановители; 4 – отстойник;
5 – резервуар
3.5.2. Физико-химические методы очистки
К физико-химическим методам очистки относятся: коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, ультрафильтрация, эвапорация, термоокисление, выпаривание, испарение, кристаллизация, высаливание, вымораживание, магнитная обработка, а также методы,
связанные с наложением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ и другие.
Коагуляция – слипание частиц коллоидной системы при их столкновении
в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты –
более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением
частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание
однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
Для очистки сточных вод применяют следующие коагулянты:
1. Соли алюминия: сульфат алюминия (глинозем) Al2(SO4)3 ·18H2O, алюминат натрия NaAlO2, оксихлорид алюминия Al2(OH)2Cl, полихлорид алюминия [Al2(OH)nCl6-n]m(SO4)x где 1<n<5m<10, алюмокалиевые [AlK(SO4)2 ·18H2O] и
алюмоаммонийные [Al(NH4)(SO4)2 ·12H2O] квасцы.
138
2. Соли железа: сульфат двухвалентного железа FeSO4 ·7H2O, гидроксид
железа, хлорид железа FeCl3·6H2O, сульфат трехвалентного железа
Fe2(SO4)3·9H2O.
3. Соли магния: хлорид магния MgCl2·6H2O, сульфат магния MgSO4··7H2O.
4. Известь – Са(ОН)2 .
5. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств,
содержащие перечисленные выше реагенты.
Количество коагулянта зависит от его вида, расхода, состава и требуемой
очистки воды и определяется экспериментально.
Флокуляция – процесс, при котором мелкие частицы, находящиеся во
взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых неорганических
и органических веществ–флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.
Типы флокулянтов:
1. Неорганические флокулянты – активная кремниевая кислота или жидкое
стекло mNa2O · nSiO2. m , n модули жидкого стекла (чаще всего равны 2 и 5);
2. Вещества, получаемые из растительного сырья – крахмал, эфиры;
3. Синтетические органические флокулянты – полиакриаламид, полиэтиленамин.
Коагуляцию и флокуляцию взвешенных частиц в сточных водах проводят
в специальных камерах смешения. После камер смешения сточные воды направляют на осветление в отстойниках или фильтрах с зернистой загрузкой, то
есть на механическую очистку.
Сорбция – процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым
телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента
с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные
пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/т), и она колеблется в пределах от
1 до 50 кг/т.
Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях,
при которых частица жидкости перемещается относительно сорбента. Поэтому
различают статическую и динамическую активность сорбента. При этом динамическая активность составляет 45–90% относительно статической.
Следует указать, что сорбционные процессы являются обратимыми, то
есть сорбат может переходить с сорбентом обратно в раствор. Скорости проте139
кания сорбционного и десорбционного процессов пропорциональны концентрации веществ в растворе и на поверхности сорбента. Наиболее простым адсорбером является насыпной фильтр, схема которого приведена на рис. 3.18.
Скорость фильтрования через фильтры – 1– 6 м/ч, а крупность зерен сорбента составляет 1,5–5 мм. Основные характеристики сорбционных фильтров
типа ФСУ представлены в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Конструктивные и технологические показатели сорбционных фильтров
с активированным углем
Марка
фильтра
Диаметр,
мм
Площадь,
м2
ФСУ-2-0,6
ФСУ-2,6-0,6
ФСУ-3-0,6
2000
2600
3000
3,14
5,3
7,1
Высота
слоя сорбента, м
2,5
2,5
2,5
Объем, м3
фильтра сорбционного
общий
слоя
10,7
7,85
19,0
13,2
26,0
17,8
Рис. 3.18. Схема насыпного сорбционного фильтра (типа ФСУ)
1 – вход обрабатываемой воды (конденсата); 2 – выход обрабатываемой воды (конденсата);
3 – подача промывочно-взрыхляющей воды; 4 – сброс промывочной воды; 5 – спуск первого
фильтрата и опорожнение фильтра; 6, 7 – штуцеры для гидрозагрузки и гидровыгрузки активированного угля; 8 – воздушник; А – корпус; Б – активированный уголь; В – нижнее днище;
Г – нижний дренаж (копирующий); ВРП – верхнее распредустройство; Е – лаз
140
Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются или десорбируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной
очистки применяют различные методы регенерации сорбента.
К одному из видов сорбции относится ионный обмен. Ионообменная
сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами,
присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита.
Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную
воду до ПДК с последующим использованием ее в технологических процессах
или в системах оборотного водоснабжения.
По знаку обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам, которые подразделяются на следующие виды:
сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO3H и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;
слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичные NН аминогруппы, диссоциирующие
при рН <7;
иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых
кислот или оснований.
Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость –
количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыщения, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может
поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат.
Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям (1.43-1.44).
Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Нкатионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите) по реакциям
(1.45-1.46).
Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов,
большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.
Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот.
Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через
слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Na2CO3, NH4OH.
На рис. 3.19 представлена схема ионообменной очистки сточных вод ванн
хромирования от соединений хрома. Сточные воды поступают в приемный резервуар 1, откуда насосом 2 подаются в фильтр 3 для очистки от механических
примесей. Очищенная от механических примесей сточная вода поступает в последовательно расположенные анионитовые фильтры 4 и 5, заполненные иономебменной смолой АВ-17 в ОН-форме. Очищенная таким образом вода вновь
подается в ванну хромирования 12. Вспомогательный катионовый фильтр 6
141
предназначен для дополнительной обработки сточной воды в пусковой период.
В бак 7 поступают выделенные соединения хрома. Бак 8 предназначен для сбора отработанного раствора. Емкости 13 – со щелочью и 14 – с кислотой предназначены для промывки фильтров. Промывной раствор нейтрализуется в баке
11, куда дозатором 9 одновременно подается необходимое для нейтрализации
количество извести из бака 10.
Рис. 3.19. Схема ионообменной очистки сточных вод ванн хромирования
1 – приемный резервуар; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 и 5 – анионитовые фильтры, заполненные
ионообменной смолой; 6 – катионитовый фильтр; 7 – бак для сбора соединений хрома;
8 – бак для сбора отработанного раствора; 9 – дозатор; 10 – бак для известкового молока;
11 – бак для нейтрализации промывного раствора; 12 – ванна хромирования;
13 и 14 – емкости со щелочью и кислотой
Жидкостная экстракция – процесс извлечения веществ из водного раствора в жидкую органическую фазу (раствор экстрагента), не смешивающуюся
с водой. Процесс жидкостной экстракции используется для выделения из сточных вод ценных органических веществ (например, фенолов и жирных кислот),
а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, кадмия, ртути и др.).
Экстрагент – органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в органическую фазу.
Обычно экстрагенты находятся в аморфном состоянии и требуют разбавления.
Разбавителем называют органическую жидкость, не смешивающуюся с
водой и служащую растворителем экстрагента (керосин, бензол, ксилол, уайтспирит и др.).
Органическая и водная фаза после проведения экстракционной стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом.
Загрязняющие компоненты выделяются из экстракта двумя путями: либо
ректификацией, либо реэкстракцией, в результате которых обычно достигается
142
и регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрактов) используют водные растворы кислот, солей и оснований. Водный
раствор после реэкстракции называют реэкстрактом.
Основные количественные характеристики экстракционного процесса следующие: коэффициент распределения экстрагируемого вещества; коэффициент
разделения или коэффициент селективности и степень извлечения загрязняющего вещества.
Коэффициент распределения экстрагируемого вещества (Кр) в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия определяется по
формуле 1.50.
Данные о коэффициенте распределения некоторых органических загрязняющих веществ между экстрагентом и водой представлены в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Значение коээфициента распределения некоторых загрязняющих веществ
между экстрагентом и водой при комнатной температуре
Экстрагируемое из воды
вещество
Анилин
Бензойная кислота
Муравьиный альдегид
Пикриновая кислота
Пиридин
Салициловая кислота
n-Толуидин
Фенол
Хлоруксусная кислота
Экстрагент
Бутилацетат
Толуол
Диэтиловый эфир
Бутилацетат
Толуол
Амиловый спирт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Толуол
Ацетон
Толуол
Бензол
Хлороформ
Бензол
Бутилацетат
Амиловый спирт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Амиловый спирт
Коэффициент
распределения
27
8-19
71-91
30
6-12
3
1,7-8,7
0,7-5,3
1,2-2,6
1.4-9,3
126
1,7-2,5
1,7-4,5
2,9-4,3
51-61
51
14-16
1,7-9,4
2,3-12,5
3,4-12,5
3,6
Степень извлечения Е – это процент извлечения веществ в органическую
фазу от общего его количества в обеих фазах:
143
Е=
К р 100
,
Vводн
Кр +
Vорг
(3.18)
где Vводн и Vорг – соответственно объем водной и органической фаз.
Коэффициент разделения или коэффициент селективности β характеризуется отношением коэффициентов распределения двух разделяемых компонентов А и В. Так, селективность какого-либо экстрагента по отношению к компоненту В определяют из выражения
К рВ
β=
.
(3.19)
К рА
Из выражения (3.19) видно, что с увеличением КрВ селективность возрастает. При β = 1 селективность равна нулю, и экстракционное разделение компонентов невозможно.
Сведения о наиболее распространенных экстрагентах, предназначенных
для выделения из сточных вод тяжелых металлов, приведены в табл. 3.8.
Таблица 3.8
Основные экстрагенты, предназначенные для выделения из сточных вод
тяжелых металлов и железа
Реагент
Ди (2–этилгексил) фосфорная кислота
(Д2ЭГФК)
Lix 64 N
Структура
(СН3(СН2)3СНСН2О2)2Р ==О
|
|
СН2СН3
ОН
SMЕ-529
Триалкиламин (Alamine
336)
Четвертичные аммониевые соединения (Adogen
464)
Трибулилфосфат (ТБФ)
R3N(R==C8–C10)
R – углеводородный радикал
(R3NCH3)+Cl–
(R==C8–C10)
(C4H9O)3P=O
Алкилсалицилальдоксим
(АСАО-РТ)
Смесь алкилфенола и
карбоновой кислот
(ОМГ)
144
Типичное применение для очистки
сточных вод
Очистка сточных
вод от меди, никеля
и мышьяка
Очистка вод от
меди и никеля
Очистка вод от
меди
Очистка вод от
кадмия и цинка
Очистка сточных
вод от ртути
Очистка от железа,
хрома, никеля, молибдена и мышьяка
Очистка от меди и
цинка
Очистка от меди и
цинка
За счет смешения растворенного в растворителе экстрагента с загрязненной водой происходит перераспределение загрязняющих веществ между экстрагентом и водой. По достижении равновесия концентрация экстрагируемого
вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. После экстракции вода и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в
экстрагенте вещество отделяется от растворителя на стадии реэкстракции и
может быть утилизировано. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе очистки.
Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и жидкости.
Способы флотации отличаются между собой методами насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу выделяются следующие способы флотации:
- флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные, эрлифтные флотационные установки);
- флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);
- флотация с подачей воздуха через пористые материалы;
- электрофлотация;
- биологическая и химическая флотация.
Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке
сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. На рис. 3.20 показана схема
вакуумной флотации.
Рис. 3.20. Схема процесса вакуумной флотации
1 – подача сточной воды; 2 – аэратор; 3 – деаэратор; 4 – флотационная камера; 5 – механизм
сгребания пены; 6 – пеносборник; 7 – отвод пены; 8 – отвод обработанной сточной воды
145
Сточную воду в течение нескольких минут (1-3 мин.) насыщают воздухом,
потом ее направляют в деаэратор, где удаляется нерастворившийся воздух, и
под действием разряжения (0,02-0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру. В ней воздух под действием вакуума выделяется в виде пузырьков, которые взаимодействуют с частицами загрязнений и переносят их на
поверхность жидкости в пенный слой, откуда пена вращающимися скребками
удаляется в пеносборник. Продолжительность обработки сточной воды в камере 20 мин., производительность 1 м2 поверхности флотатора – до 200 м3/сут.
Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений 4-5 г/л и более. Схема процесса напорной флотации
представлена на рис. 3.21. Сущность процесса заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной воде (воду обрабатывают в аэрационной
камере 1-3 мин. под избыточным давлением 0,3-0,5 МПа). Затем ее перемещают
во флотационную камеру. Выделяющийся из такого раствора воздух образует
микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Продолжительность флотации около 20 мин. Количество воздуха, которое
должно выделиться из пересыщенного раствора, обычно составляет 3-5% объема обрабатываемой сточной воды. Расход сточной воды на 1 м2 площади камеры составляет 6-10 м3/ч.
Рис. 3.21. Схема процесса напорной флотации
1 – подача сточной воды; 2 – подача воздуха; 3 – насос; 4 – сатуратор (напорный бак);
5 – флотационная камера; 6 – механизм для сгребания пены; 7 – пеносборник;
8 – отвод пены; 9 – отвод обработанной сточной воды
Флотация с механическим диспергированием воздуха. При перемещении струи воздуха в воде в ней создается интенсивное вихревое движение, под
действием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки.
Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных установках создает
в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины.
Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается
простотой аппаратурного оформления и относительно малым расходом энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкие фильтросные пла146
стины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина отверстий должна
быть 4-20 мкм, давление воздуха – 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации
20-30 мин, расход воздуха определяется экспериментально.
Пенное фракционирование (пенная сепарация) применяется для очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ (ПАВ). При реализации
этого метода протекают процессы селективной адсорбции загрязняющих воду
веществ на поверхности газовых пузырьков и концентрирование указанных
веществ в слое пены. Степень извлечения ПАВ при пенной сепарации можно
определить из следующего выражения
Е=
100(С Н − С К )
,
СН
(3.20)
где СН – концентрация ПАВ в сточной воде до извлечения;
СК – остаточная концентрация растворенного ПАВ в объеме воды.
Наиболее эффективное извлечение загрязнений наблюдается в интервале
рН 9,5-12,3. Положительное влияние на повышение степени извлечения оказывают добавки следующих электролитов (≤0,0005 моль/л): КСl, K2SO4, K4P2O7,
KNO3, NaNO3, NH4NO3. Повышение степени извлечения загрязняющих веществ
из сточных вод объясняется поглощением ионами указанных электролитов части воды за счет гидратации, в результате чего возрастает эффективная концентрация ПАВ. Степень извлечения из сточных вод ПАВ при их высокой концентрации больше, чем при извлечении из малоконцентрированных сточных вод.
Кроме того, на величину Е оказывают влияние температура и вязкость очищаемой воды.
Для характеристики распределения ПАВ между пенным продуктом и
сточной водой используют коэффициент распределения, который определяют
по формуле
εп =
Сп
,
СК
(3.21)
где СК – концентрация ПАВ в пене.
Степень изменения объема сточной воды при проведении процесса пенного фракционирования определяется выражением
Rv =
Vп
,
Vост
(3.22)
где Vп – объем пенного продукта (пеноконденсата);
Vост – остаточный объем сточной воды.
Схема установки для очистки сточных вод от ПАВ методом пенной сепарации приведена на рис. 3.22. Процесс ведется в сепараторе, который состоит
из нескольких камер. Высота слоя обрабатываемой воды в каждой камере составляет 0,5-0,8 м. Очищенная вода поступает в сборник, а пена под напором
воздуха, создаваемого вентилятором, поступает в циклон, в котором происходит первая стадия разделения жидкой и газовой фаз, а вторая стадия разделения
воды и пены происходит в отстойнике. Воду из отстойника возвращают в сепа147
ратор, а пену – в камеру концентрирования. Как правило, ПАВ из пены не выделяют, а направляют в отходы.
Рис. 3.22. Схема установки очистки сточных вод методом пенной сепарации
1 – емкость; 2 – насос; 3 – промежуточный сборник; 4 – расходомер; 5 - сепаратор;
6 – воздуходувка; 7 – сборник; 8 – вентилятор; 9 – циклон; 10 – отстойник;
11 – камера концентрирования пены
Электрофлотация. Сущность электрофлотационного способа очистки
сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. В
процессе электролиза воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Основную роль играют мелкие пузырьки, образовавшиеся на катоде. При
применении растворимых анодов (в основном железных и алюминиевых) происходит переход катионов железа и алюминия, приводящий к образованию
хлопьев гидроокиси. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает
предпосылки для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционнофлотационными.
Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в
мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод (рис. 3.23).
Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под действием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются
анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из
одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся в один ряд камер.
Ультрафильтрация – мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении
сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов.
Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом более высокопроизво148
дительный процесс, так как высокая производительность мембран достигается
при давлении 0,2-1 МПа.
Рис. 3.23. Схема процесса электродиализа
А – анионитовые мембраны; К – катионитовые мембраны;
1 – выход газообразного водорода; 2 – подача сточной воды; 3 – выход газообразных хлора
и кислорода; 4 – выпуск обессоленной воды; 5 – выпуск рассола
Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением, через
полунепроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. При приложении давления на водный раствор выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через
мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки (рис. 2.24).
Необходимое давление, превышающее осмотическое, составляет при концентрации солей 2-5 г/л 0,1-1 МПа и при концентрации солей 20-30 г/л – 5-10 МПа.
Росм
С1 = С2
С1 > С2
Рис. 2.24. Схема обратного осмоса
149
3.5.3. Методы биологической очистки сточных вод
в естественных условиях
Различают очистку в естественных и искусственных условиях. К методам
биологической очистки сточных вод в естественных условиях относятся: почвенная очистка, биологические пруды, биоплато. Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях: биофильтры, аэротенки, окситенки, погружные биофильтры, биотенки-биофильтры, анаэробные биофильтры.
Почвенная очистка. Почва – сложный комплекс органических и неорганических веществ, заселенный большим числом различных микроорганизмов.
В почве отсутствуют благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, вследствие чего почва представляет собой надежный и мощный фактор
обезвреживания сточных вод. В результате почвенной очистки одновременно
решаются две основные задачи – минерализация внесенных органических веществ и обеззараживание.
Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют
на малые (с расчетной пропускной способностью 0,5-700 м3/сут), средние
(1,4-80 тыс.м3/сут) и крупные (100-280 тыс.м3/сут). К таким сооружениям относятся площадки подземной фильтрации, фильтрующие колодцы, песчаногравийные фильтры, фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта, а также коммунальные поля орошения, земледельческие поля орошения и поля наземной фильтрации. Применяют несколько видов систем
орошения: сплошной залив, залив по бороздам и полосам, дождевание и подпочвенное орошение. Из всех способов орошения подпочвенное наиболее
удовлетворяет эпидемиологическим, санитарно-техническим, агроэкономическим, эстетическим и водохозяйственным требованиям.
К сожалению, орошение сточными водами не позволяет достаточно эффективно очищать их от органических веществ и не исключает возможность загрязнения почвы и выращиваемых культур патогенными бактериями и яйцами
гельминтов. Поэтому почвенная очистка по масштабам применимости значительно уступает методам естественной очистки в искусственных сооружениях и
методам искусственной биологической очистки.
Биологические пруды – искусственно созданные водоемы, в которых для
очистки сточных вод используются естественные процессы. Эти пруды могут
применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических
прудов имеет преимущественное распространение.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Аэрация способствует улучшению деятельности микрофлоры и прямому окислению органики за счет кислорода воздуха. Конструкция биологического пруда с искусственной аэрацией для очистки и доочистки сточных вод пропускной способностью 1400 м3/сут приведена на рис. 3.25.
150
Рис. 3.25. Аэрируемые биологические пруды для очистки и доочистки сточных
вод пропускной способностью 1400 м3/сут [11]
Потоки: І – сточная вода, поступающая на первую ступень очистки; П – то же, поступающая
на П и Ш ступени очистки; Ш – сточная вода после биологической очистки; ІУ – то же, после доочистки; 1, 2, 3 – аэрируемый биологический пруд соответственно І, П, Ш ступени;
4, 5 – биологический пруд соответственно І и П ступени с естественной аэрацией;
6 – контактная емкость; 7 – аэраторы
Кроме окислительного действия микрофлоры и кислорода воздуха значительную активность в очистке принимает высшая водная растительность, которая своей корневой системой сорбирует и поглощает органические и неорганические вещества-загрязнители. Водная растительность играет существенную
роль в окислительных процессах, а также способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема.
151
3.5.4. Методы биологической очистки сточных вод
в искусственных условиях
Сооружения биологической очистки разделяют на три группы по признаку
расположения в них активной биомассы (или активного ила):
1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;
2) активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;
3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.
Первую группу сооружений составляют биофильтры, вторую – аэротенки,
циркуляционные окислительные каналы, окситенки, третью – погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.
Биофильтры. Важнейшей составной частью биофильтра является загрузочный материал (рис. 3.26).
Рис. 3.26. Типы загрузки биофильтров
а – кольца Рашига; б – кольца с перегородкой; в – кольца с крестообразной перегородкой;
г – кольца Палля; д – седла Берля; е – седла «Инталокс»; ж – полые цилиндры с отверстиями;
и – жесткая блочная загрузка; з – мягкая загрузка
По его типу все биофильтры делятся на две категории: с объемной и плоской загрузкой. Плоская загрузка тоже объемная, хотя занимаемый ею объем
невелик. Отсутствует принципиальная разница между биофильтрами, загруженными шлаком, гравием, керамзитом, пластмассовыми материалами. Важной
составляющей любого биофильтра является создание условий для закрепления
152
биомассы на его разветвленной поверхности и образование биопленки, которая
способствует интенсивному окислению содержащихся в сточной воде органических веществ.
Биофильтры разделяются на капельные (рис. 3.27) и с объемной загрузкой
(рис. 3.28). Биофильтры с плоской загрузкой делятся по категориям по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой.
Рис. 3.27. Капельный биофильтр [11, 18]
1 – дозирующие баки сточной воды; 2 – спринклеры; 3 – железобетонная стенка;
4 – загрузка биофильтра; 5 – подача сточной воды; 6 – отводящий лоток
153
Рис. 3.28. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем [11, 18]
Аэротенки. Их можно классифицировать по следующим признакам.
По структуре потока – аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, так называемые аэротенки промежуточного типа.
По способу регенерации активного ила – аэротенки, с отдельно стоящими
регенераторами ила и аэротенки, совмещенные с регенераторами.
По нагрузке на активный ил – высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.
По числу ступеней – одно-, двух- и многоступенчатые.
По конструктивным признакам – прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.
По типу систем аэрации – с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической аэрацией.
Схема работы аэротенков приведена на рис. 3.29.
154
Рис. 3.29. Схемы аэротенков
а – вытеснители; б – смесители; в – с рассредоточенным выпуском воды; г – типа АНР
(по К.Бойте); д – с регенераторами; е – ячеистого типа;
І – сточная вода; П – активный ил; Ш – иловая смесь;
1 – аэротенк; 2 – вторичный отстойник; 3 - регенератор.
Период аэрации в аэротенке, работающим по принципу смесителя, определяется по формуле
t=
La − Lt
,
ρa(1 − S )
(3.28)
где La и Lt – БПК соответственно поступающей и очищенной сточной воды;
а – количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода воды;
ρ – скорость окисления загрязнений, мг БПК на 1 г беззольного вещества или в 1 ч;
S – зольность или, доля единицы.
Окситенки – сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом. Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой в плане
формы с цилиндрической перегородкой, отделяющей зону аэрации от зоны
илоотделения (рис. 3.30). В средней части цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в
нижней части – для поступления возвратного ила в зону аэрации. Илоотделитель работает со взвешенным слоем активного ила, уровень которого стабилизируется автоматически путем сброса избыточного ила через трубу. Сточную
воду подают в зону аэрации по трубе. Под воздействием скоростного напора,
развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна перемещается в илоотделитель. Благодаря направляющим щиткам жидкость в нем медленно движется по окружности. В сочетании с перемешивающим устройством все это значительно интенсифицирует процесс отделения и уплотнения ила.
155
Рис. 3.30. Конструкция окситенка
1 – продувочный трубопровод; 2, 5 – задвижки с электроприводом; 3 - электродвигатель;
4 – турбоаэратор; 6 – герметичное перекрытие; 7 – трубопровод для подачи кислорода;
8 – вертикальные стержни; 9 – сборный лоток; 10 – трубопровод для сброса избыточного
ила; 11 – резервуар; 12 – окно для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель;
13 – цилиндрическая перегородка; 14 – скребок; 15 – окно для перепуска возвратного ила в
зону аэрации; 16 – зона аэрации; 17 – трубопровод для подачи сточной воды в зону аэрации;
18 – илоотделитель; 19 – трубопровод для выпуска очищенной воды
156
Очищенная вода проходит сквозь слой взвешенного активного ила, дочищается от взвешенных и растворенных органических веществ, поступает в
сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный ил опускается по
спирали вниз и через окна направляется в камеру аэрации. Окситенк оборудуют
системой автоматики, обеспечивающей подачу кислорода в зону аэрации в соответствии со скоростью его потребления.
Расчет времени пребывания сточной воды в окситенке (t) выполняют по
формуле, учитывающей снижение удельной скорости окисления при повышении концентрации ила,
La − Lt
t=
,
(3.29)
ρak н (1 − S )
где а – количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода
воды;
ρ – скорость окисления загрязнений, мг БПК на 1 г беззольного вещества,
или в 1 ч;
S – зольность ила, доля единицы;
kн – коэффициент, зависящий от количества возвратного ила (при а = 1 г/л,
kн = 1,8, при а = 5 г/л, kн = 0,7, при а = 10, kн = 0,4, при а = 15 г/л, kн = 0,3);
La и Lt – БПК соответственно поступающей и очищенной сточной воды.
Погружные биофильтры состоят из вращающегося вала с насажденными
на нем дисками и резервуара со сточной водой, в которую диски погружаются
на 1/3-1/2 своего диаметра. Диски изготовляются из легкого материала и располагаются на расстоянии 10-20 см друг от друга. Число пластин на валу от 20 до
200. Диаметр дисков 0,5-3 м. Частота вращения вала около 1 оборота в минуту.
Сточная вода протекает по резервуару с различной скоростью в зависимости от
требуемой степени очистки. На дисках нарастает биопленка толщиной до 4 мм.
Попеременно погружаясь в воду и выходя из нее, биопленка извлекает загрязнения и окисляет их с помощью кислорода, который она получает непосредственно из атмосферы. Отмершая часть биопленки попадает в воду, выносится
ею во вторичный отстойник. Кроме биопленки в очистке принимает участие и
активный ил, образующийся в резервуаре из-за продолжительного нахождения
в нем жидкости. Схема погружного биофильтра приведена на рис. 3.31, а на
рис. 3.32 приведена схема биотенка-биофильтра.
157
Рис. 3.31. Схема установки дисков в погружном биофильтре
1 – камера впуска сточных вод; 2 – лоток; 3 – биодиски; 4 – илопровод; 5 - отстойник;
6 – камера выпуска обработанных сточных вод; 7 – двигатель-редуктор биодиска;
8 – трубопровод к иловой насосной станции.
Рис. 3.32. Схема биотенка-биофильтра
1 – корпус; 2 – элементы загрузки
3.5.5. Доочистка сточных вод
В большинстве случаев производственные сточные воды после очистки
могут быть использованы для технического водоснабжения. Иногда допускается выпуск в водоемы воды после биологической очистки с БПК = 15-20 мг/л и
примерно с таким же количеством взвешенных веществ. Эти показатели являются практически предельно достижимыми на современных очистных сооружениях биологической очистки. Содержащиеся в биологически очищенных
158
сточных водах суспензированные частицы активного ила, остаточные органические соединения, ПАВ, биогенные элементы и бактериальные загрязнения
оказывают вредное влияние на водоемы, вызывают их эфтрофикацию и создают трудности при повторном использовании воды. Поэтому необходима глубокая очистка (доочистка) производственных сточных вод, предусматривающая:
- уменьшение количества взвешенных веществ в очищенных сточных водах;
- снижение величин БПК, ХПК и содержания ПАВ, фосфора и азота;
- обеззараживание сточных вод;
- насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного назначения.
В результате глубокой очистки достигается возможность:
- полного повторного использования очищенных сточных вод в технологических процессах на промышленных предприятиях, что позволит сэкономить
значительное количество свежей природной воды и особенно воды питьевого
качества;
- полной очистки сточных вод с удалением всех вредных веществ перед
сбросом их в водоемы.
Для доочистки сточных вод применяются все те же методы очистки, которые приведены выше. Более подробно о глубокой очистке сточных вод можно
прочитать в книге Яковлева С.В. Карелина Я.А. и др. «Очистка производственных сточных вод [11].
159
Глава 4. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
4.1. Опасность отходов для окружающей природной среды
4.1.1. Источники возникновения твердых отходов
в материальном производстве
Урбанизация, приведшая к образованию крупнейших мегаполисов, и постепенно возрастающая хозяйственная деятельность человека создают одну из
острейших проблем ХХI века – проблему защиты окружающей среды от негативного воздействия отходов производства и потребления. Во все времена своего существования человек стремился как можно быстрее и дешевле избавиться
от отходов, ссыпая их в ближайшие понижения рельефа, не задумываясь при
этом о последствиях.
Большинство городов мира практически построены на свалках. Дальнейший их рост, развитие промышленности и сельского хозяйства нередко приводят к нарушению экологической обстановки, особенно в крупных городах, где
хозяйственная деятельность наиболее сконцентрирована на ограниченной территории и где сосредоточена значительная часть населения. В таких городах
происходит наиболее интенсивное накопление отходов, а неправильное и несвоевременное удаление их и обезвреживание нередко приводят к экологическому кризису. Возникающие вокруг городов, плохо организованные, а порой и
просто «стихийные» свалки являются наиболее серьезными источниками загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод.
Известно, что за всю историю существования человечество научилось использовать в среднем 2-5% исходного сырья. Остальная масса вещества превращается в отходы. В России ежегодно образуется 5-7 млрд т отходов производства и потребления. Под их складирование выведено из оборота более
1 млн га плодородных земель. Ежегодная прибавка токсичных отходов составляет 50 млн т. Их накоплено свыше 1000 млн т. Различными отвалами в Свердловской области занято до 5% территории. Поэтому была утверждена губернаторской программа по переработке техногенных отходов, которые содержат
значительное количество полезных компонентов. Бытовыми отходами по данным различных источников занято до 20% территории Московской области.
С целью охраны окружающей среды, а также утилизации содержащихся в
отходах ценных компонентов разрабатывают и внедряют различные промышленные технологии обезвреживания и переработки отходов, включая методы
термического и биологического обезвреживания и другие технологические
приемы их переработки.
С учетом все возрастающих требований к защите окружающей среды необходим поиск новых рациональных путей снижения экологического ущерба,
наносимого природной среде повседневной жизнедеятельностью человека. Остановимся на понятии «отходы» и на их классификации.
160
В соответствии с законом Российской Федерации «Об отходах…», «отходы производства и потребления – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов,
иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства
или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства». Это определение содержит некоторые неточности, в частности,
не перечислены все возможные группы веществ, которые относятся к отходам.
Более точное определение дано В.Л.Лотошем в работе [7]: «отходы производства и потребления – некондиционные остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе производства и потребления товарной продукции, или товарная продукция, полностью или частично утратившая свои потребительские свойства в процессе использования или хранения, или нецелевые
продукты производства, образовавшиеся попутно с товарной продукцией, которые при наличии определенных социально-эколого-экономических условий
могут быть использованы в качестве сырья, материалов, полуфабрикатов».
По данным международной организации «ВейстТэк», к отходам производства и потребления относятся: промышленные, муниципальные, медицинские,
биологические, сельскохозяйственные, органические, техногенные образования, отходы строительства и сноса, транспортного, топливно-энергетического
комплексов, отходы с низким уровнем радиоактивности, лом черных и цветных
металлов, электронный и электротехнический лом, шламы, сточные воды, иловые осадки, воздушные выбросы и др.
4.1.2. Классификация отходов
Классификация отходов проводится по ряду признаков. Наиболее общим
является деление по форме материального субстрата, в которой они находятся.
По этому признаку отходы разделяют на вещественные и энергетические.
К последним относятся механические колебания и волны, электромагнитные
поля.
Отходы в вещественной форме различают:
по агрегатному состоянию – газообразные жидкие, твердые и условно
твердые (пастообразные);
по химическому составу – органические и неорганические;
по генезису (происхождение) – бытовые и производственные (промышленные, сельскохозяйственные, промысловые);
по возможности применения – вторичные материальные ресурсы, которые пригодны к эффективному использованию на данном этапе развития науки
и техники; отбросы, которые не могут быть полезны на данном этапе развития
науки и техники;
по токсичному действию – первый класс (чрезвычайно опасные вещества), второй (высокоопасные), третий (умеренно опасные) и четвертый (малоопасные);
по способности к самостоятельному горению – горючие и негорючие.
Возможны и другие признаки деления отходов.
161
В области государственного управления при обращении с отходами для
учета, контроля, нормирования и т.д. МПР России разработан федеральный
классификационный каталог, который зарегистрирован в Минюсте России в
2003 году. Для формализации видов отходов, удобства передачи информации,
ее сбора и обработки введена кодовая система каталога отходов. Последний содержит перечень их видов, систематизированных по совокупности приоритетных признаков: происхождению, агрегатному состоянию, химическому составу, экологической опасности.
Классификация отходов по агрегатному состоянию и опасности воздействия на окружающую среду приведена на рис. 4.1.
Отходы
Отходы производства
Отходы потребления
Газообразные
Жидкие
Твердые
Уровень токсичности и опасности отходов
Чрезвычайно
опасные
(І класс)
Высокоопасные
(ІІ класс)
Умеренно
опасные
(ІІІ класс)
Малоопасные
(ІV класс)
Инфицированные
(V класс)
Изменение элементов природной среды
Нарушение ландшафта
Изменение
геологической
среды
Загрязнение
воздуха
Загрязнение
и истощение
водных
ресурсов
Загрязнение
и деградация почв
Истощение
ресурсов
флоры и
фауны
Рис. 4.1. Классификации отходов по агрегатному состоянию
и опасности воздействия на окружающую среду
Отходы могут быть бытовыми, промышленными, сельскохозяйственными,
строительными и т.д.
Бытовые (коммунальные) твердые (в том числе твердая составляющая
сточных вод – их осадок) отбросы, не утилизированные в быту, образовавшиеся
в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей.
Отходы производства (промышленные) – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции и утратившие
162
полностью или частично исходные потребительские свойства, а также образующиеся в процессе производства попутные вещества, не находящие применения [10]. В странах ЕЭС 60% бытовых отходов подвергаются захоронению,
33% – сжиганию, а 7% – компостированию, свыше 60% промышленных отходов и 95% отходов сельскохозяйственного производства подвергаются интенсивной переработке.
Отходы производственного потребления – непригодные для дальнейшего
использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке,
машины, инструменты и пр.
Из приведенной схемы рис. 4.1, все отходы в той или иной степени воздействуют на окружающую среду, вызывая в ней изменения, которые в ряде случаев приводят к состоянию экологического бедствия или чрезвычайной экологической ситуации или экологического кризиса (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Экологические признаки территорий крайних степеней неблагополучия
Показатель
Окружающая природная среда
Здоровье населения
Естественные
стемы
Экологическое бедствие
Глубокое необратимое
изменение
Существенное ухудшение здоровья
экоси- Разрушение естественных экосистем
Экологический кризис
Устойчивые отрицательные изменения
Угроза здоровью населения
Устойчивое отрицательное изменение состояния
естественных экосистем
4.1.3. Нормирование допустимого количества отходов
По степени воздействия на окружающую среду промышленные отходы,
как было показано выше, различаются по классам токсичности и степени опасности. Класс токсичности таких отходов определяется в каждом конкретном
случае расчетным путем в соответствии с нормативным документом «Предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах, обуславливающее отнесение этих отходов к категории токсичности» № 3170-84. – М.:
Минздрав СССР, 1985. Основой расчета является сравнение растворимости и
содержания опасных веществ в отходах с их ПДК в почве.
При этом загрязняющие вещества формируются: 1) в пахотном слое почвы
сельскохозяйственных угодий; 2) в почве территорий предприятий; 3) в почвах
жилых районов, в местах хранения бытовых отходов.
ПДКпочвы – это концентрация химического вещества (мг/кг) в пахотном
слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающейся с почвой среду и здоровье человека, а также
на самоочищающую способность почвы. ПДК некоторых загрязняющих веществ в почве приведены в табл. 4.2.
163
Таблица 4.2
ПДК некоторых загрязняющих веществ в почве
Вещество
ПДКп, мг/кг
Марганец
1500 по ОС
Мышьяк
Вещество
ПДКп, мг/кг
Бромфос
0,4 по ТВ
2 по ОС
Перхлорвинил
0,5 по ТВ
Ртуть
2,1 по ОС
Изоприлбензин
0,5 по МА
Свинец
20 по ОС
Фосфора оксид Р2О5
200 по ТВ
0,5 по МА
Хром
0,05 по МВ
α - Метилстирол
Бенз(а)пирен
0,02 по ОС
Формальдегид
7 по ОС
На основании сведений о содержании токсических веществ в отходах устанавливается предельно допустимое количество отходов на территории
предприятия, которое можно разместить при условии, что выделение вредных
веществ в воздух, водный объект или почву не превысит 0,3ПДК этих веществ.
При этом для выбросов в атмосферу концентрации выделяемых веществ не
должны превышать 0,3ПДКрабочей зоны.
Содержание ядовитых соединений в отходах определяет класс их токсичности. Для определения класса токсичности, согласно «Методическим указаниям по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами» [21], рассчитывают индекс токсичности данного компонента по формуле
Кi =
ПДК i
,
S i + Cв
(4.1)
где Si – коэффициент, отражающий растворимость его в воде (величина безразмерная);
Св – содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т;
ПДКi – предельно допустимая концентрация в почве i-того токсичного вещества, содержащегося в отходе;
i – порядковый номер данного компонента.
Величину Кi округляют до первого десятичного знака после запятой.
Рассчитав Кi для отдельных компонентов отходов, выбирают 1-3 ведущих
компонента, имеющих минимальное значение, причем К1< К2< К3. Кроме того,
должно выполняться условие: 2 Кi > К3. Затем находят суммарный индекс токсичности (Кz ) по формуле
⎛1⎞
Кz = ⎜ ⎟
⎝n⎠
2 n
∑K ,
i =1
i
(4.2)
где n – число значимых токсичных компонентов в отходе. Причем n ≤ 3.
164
С помощью суммарного индекса токсичности по табл. 4.3 [21, 22] определяют класс опасности отходов производства.
Таблица 4.3
Классификация опасности отходов производства
Расчетное значение Кz
Менее 2
От 2 до 16
От 16 до 30
Более 30
Класс токсичности
1
П
Ш
1У
Степень опасности отходов
Чрезвычайно опасные
Высокоопасные
Умеренно опасные
Малоопасные
4.2. Основные технологические принципы утилизации, обезвреживания и захоронения отходов
Все процессы переработки и обезвреживания отходов можно разделить на
физические, химические, физико-химические, биохимические и комбинированные [7].
В физических процессах изменяется лишь форма, размеры, агрегатное состояние и некоторые другие свойства отходов при сохранении их качественного химического состава. Эти процессы доминируют, например, при дроблении
и измельчении вскрышных пород, хвостов обогащения, шлаков и зол, при
окомковании тонкодисперсных материалов, брикетировании рудной мелочи,
строительных отходов, в магнитных и электрических методах сепарации смешанных отходов, в процессе сушки и испарения.
Химические процессы изменяют физические свойства исходного материала
и его качественный химический состав. Взаимодействие веществ в них осуществляется в стехиометрическом соотношении, определенном уравнением химической реакции. Важное место среди химических процессов занимают нейтрализация, окисление, осаждение, обеззараживание и термические методы. Термические способы предусматривают тепловое воздействие на отходы, которые
приводят к изменению их первоначального состава. Виды термического воздействия: сжигание, газификация, пиролиз.
Физико-химические процессы и основанные на них методы являются пограничными между физическими и химическими. Однако в отличие от химических, переходы одних веществ в другие нестехиометричны. К физикохимическим методам относятся: коагуляция, флокуляция, адсорбция, абсорбция, ионный обмен, экстракция, мембранные и каталитические методы.
Биохимические процессы представляют собой химические превращения,
протекающие с участием субъектов живой природы, выполняющих роль биологического катализатора. Процессы основаны на способности различных микроорганизмов разлагать или усваивать многие органические соединения. Биохимические превращения составляют основу жизнедеятельности живых организмов растительного и животного мира. Продуктом этих превращений являются
165
вещества неживой природы. На использовании биохимических превращений
построены многие технологии переработки отходов с получением биогаза, переработки сельскохозяйственного сырья, биометаллургии, очистки сточных вод
и др.
Реально технологии редко могут быть сведены только к какому-либо одному виду превращений. Как правило, имеют место комбинированные процессы, являющиеся сочетанием двух или более типов превращений, один из которых может быть преобладающим.
2.1. Размещение отходов
В настоящее время основная часть твердых отходов промышленности подвергается тем или иным видам захоронения. В соответствии с «Правилами охраны окружающей среды от отходов производства и потребления», использование, обезвреживание и захоронение отходов первых трех классов, а при необходимости и 1У класса токсичности осуществляют на специализированных
предприятиях или на полигонах по обезвреживанию и захоронению, обустроенных в соответствии со СНиП. При этом следует отметить, что границы территорий, отведенных для размещения опасных отходов, должны находиться на
расстоянии не менее 3 км от границ городов и населенных пунктов, лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных зон и зон санитарной охраны источников питьевого водоснабжения, а также от районов развития
геотектонических структур, образований и процессов. Кроме того, часть промышленных отходов может быть использована в других производствах.
Часть отходов может быть размещена на полигонах. В состав полигона могут входить участки приемки и обезвреживания отходов гальванических производств, приемки и захоронения органических отходов, захоронения особо вредных отходов, приема и сжигания жидких горючих и других отходов.
На рис. 4.2 показан план полигона «Красный бор» в Санкт-Петербурге [3].
В составе полигона имеются участки приемки и обезвреживания отходов гальванических производств, приемки и захоронения органических отходов, захоронения особо вредных отходов, приема и сжигания жидких горючих и других
отходов.
Для захоронения применяют также различные накопители отходов
(рис. 4.3). Среди них различают пруды-испарители («белое море»), накопители
суспензий и шламов (шламохранилища), хвостов обогащения (хвостохранилища), накопители твердых отходов (свалки, отвалы), золоотвалы и др. Любые
накопители должны иметь противофильтрационный экран, который готовят из
глины, асфальта, полиэтиленовой пленки. Кроме этого, должны разрабатываться мероприятия по подавлению пыления таких отвалов, по локализации стока
дождевых и талых вод с них, а также предусматриваться лесополосы и ограждения от попадания на территорию животных и людей.
166
Рис. 4.2. Полигон «Красный бор» для переработки и захоронения
промышленных отходов
Рис. 4.3. Схема накопителя твердых отходов
1 – чаша; 2 – эстакада; 3 – откосы накопителя; 4 – лесопосадка; 5 – водоотводная канава
167
Площадь земельного участка, занимаемого накопителем, изображенным на
рис. 72, согласно данным С.В.Белова [3], составляет 5 га и более, его глубина –
до 10 м. Во избежание попадания ливневых и талых вод с площади водосбора
устраивают ограждающую насыпь шириной до 4 м. Чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод, предусматривается противофильтрационный экран.
Такой экран устраивают из двух слоев: нижнего (два слоя полимерной пленки
толщиной по 2 мм) и верхнего (грунтополимерный слой толщиной до 0,5 м).
Грунтополимерный слой получают разбрызгиванием разогретого до 80оС раствора синтетических жирных кислот по подготовленному слою грунта.
В экологических целях для контроля за работой противофильтрационного
экрана и качеством грунтовых вод в районе накопителя бурят и оборудуют гидрогеологические наблюдательные скважины.
4.2.2. Переработка отходов на месте складирования
Обработку инфицированных отходов и отходов четвертого класса опасности целесообразно проводить в местах их образования, что сокращает затраты
на погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транспортировке и высвобождает транспортные средства.
Эффективность использования лома и отходов металлов зависит от их качества. Сбор, хранение и сдача отходов регламентируется специальными стандартами (ГОСТ 2787-75 «Лом и отходы черных металлов», ГОСТ 1639-71 «Лом
и отходы цветных металлов и сплавов» и др.).
Отходы древесины широко используются для производства древесностружечных плит, корпусов различных приборов и т.п.
В настоящее время разработано достаточно много технологий по переработке и рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии, являющихся
отходами Ш и 1У классов опасности. При этом показано, что из многих отвалов
возможно экономически выгодно доизвлечь полезные компоненты, что позволит очистить отвалы от металлов-загрязнителей, а последующая биологическая
рекультивация приведет к восстановлению ландшафтов, но, естественно, не в
первозданном виде. Водные объекты этими техногенными образованиями уже
загрязняться не будут. В настоящее время главной проблемой является внедрение таких технологий в жизнь. Так, в Свердловской области в рамках программы по переработке техногенных образований внедряются только две: в Нижнем
Тагиле по переработке шлаков НТМК и в Первоуральске – по переработке
шламов хромпикового завода.
168
4.2.3. Переработка отходов пластических масс
При термической обработке отходов пластических масс расходуется
большое количество кислорода и выделяется много высокотоксичных продуктов (углеводороды, хлористый водород, диоксины, фураны и др.). Наиболее радикальным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха (пиролиз), в результате которого из отходов пластмасс в смеси с другими отходами (дерево, резина и др.) получают
ценные продукты: пирокарбон, горючий газ и жидкая смола. Пирокарбон применяют для производства разнообразных полимерных и строительных материалов.
Схема высокотемпературного пиролизного реактора, описанная в книге
С.В.Белова [3], приведена на рис. 4.4. Отходы подаются в бункер 1 и под действием массовых сил поступают в зону сушки 2, где испаряется влага. В зоне пиролиза 4 высушенные отходы разлагаются при температуре 1640оС с образованием смеси горючих газов и водяных паров, которая поднимается в зону сушки,
проходит кольцеобразный отвод 3 и выбрасывается в атмосферу. Окончательная обработка пластмасс происходит в зоне сгорания 5, куда подается кислород
через коллектор 7. Продукты пиролиза выгружаются через патрубок 6.
Рис. 4.4. Схема высокотемпературного пиролиза
1 – бункер; 2 – зона сушки; 3 – кольцеобразный отвод; 4 – зона пиролиза; 5 – зона сгорания;
6 – патрубок для выгрузки продуктов пиролиза; 7 – коллектор для подачи кислорода
169
Высокая температура в зоне пиролиза обеспечивает разрушение практически всех сложных ядовитых и канцерогенных соединений и превращение их в
простые горючие или инертные соединения. Пиролиз широко применяется и
для переработки производственного мусора органического происхождения
(древесины, резины, бумаги, ветоши и т.д.).
4.2.4. Сжигание отходов
Для утилизации и обезвреживания твердых отходов широко используется
их биологическая или термическая обработка. Эти методы особенно эффективны для борьбы с отходами или токсичными примесями органической природы.
Термическая обработка осуществляется в реакторах-печах. Применяются преимущественно барабанные, камерные и циклонные печи, в которых можно отходы обрабатывать при температурах выше 1000оС. Этот метод начал широко
использоваться для переработки бытовых отходов больших городов (Москва,
Санкт-Петербург, Уфа). Использование высоких температур обусловлено тем,
что сжигание отходов при более низких температурах может привести к образованию большого спектра химических соединений, таких как диоксины, фураны и др. и попаданию их в атмосферу.
Но все мероприятия, описанные выше, не гарантируют надежную защиту
окружающей среды от загрязнения. Поэтому наиболее эффективным средством
защиты окружающей среды от загрязнения промышленными отходами считается создание малоотходных технологий.
4.2.5. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов
Радиоактивные отходы собираются отдельно от других отходов в зависимости от физического состояния, взрыво- и огнебезопасности и периода полураспада. Сбор радиоактивных отходов на рабочих местах и удаление их в места
для выдерживания или захоронения проводят люди, непосредственно занятые
на работах с радиоактивными веществами.
Для транспортировки твердых и жидких радиоактивных отходов на предприятиях применяют специальные однотипные сборники, размер и конструкции которых определяют количеством отходов, видом и энергией излучений.
Сборники разового пользования должны иметь достаточную прочность для
транспортировки в них радиоактивных отходов. Сборники для твердых и жидких радиоактивных отходов устанавливают в нижней части вытяжных шкафов
и камер или на поддонах с бортиком в рабочих помещениях в специально отведенных местах. Внутренние поверхности сборников для многократного использования изготавливаются из гладкого малосорбирующего материала, обеспечивающего обработку кислотами и специальными растворами. Конструкция
сборников должна обеспечивать механизированную загрузку и разгрузку их с
транспортного средства. Мощность дозы излучения на расстоянии 1 м от сборника с радиоактивными отходами не должна превышать 10 мбэр/год.
170
Транспортировка радиоактивных отходов к местам захоронения осуществляется на специально оборудованных автомашинах с крытым кузовом или цистерной (для жидких отходов). Мощность дозы излучения с наружной стороны
автомашины должна быть не более 200 мбэр/год, а в кабине водителя – не более 2,8 мбэр/год. Автомашины и сменные сборники после каждого рейса должны дезактивироваться.
Проблема безопасного удаления и захоронения радиоактивных отходов
еще не решена окончательно и требует дальнейшего развития. Наиболее перспективным и разработанным считается метод подземного захоронения жидких
радиоактивных отходов между слоями водоупоров (Россия) и цементной пульпы в расслаивающиеся горные породы (США).
4.3. Утилизация и ликвидация осадков сточных вод
4.3.1. Технологический цикл обработки осадков сточных вод
Осадки сточных вод, скапливающихся на очистных сооружениях, представляют собой водные суспензии с объемной концентрацией полидисперсной
твердой фазы от 0,5 до 10%. Прежде чем направить их на ликвидацию или утилизацию, осадки подвергают предварительной обработке для получения шлама,
свойства которого обеспечивают возможность ликвидации с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды. Технологический цикл
обработки осадков сточных вод представлен на рис. 4.5.
4.3.2. Уплотнение, стабилизация и кондиционирование осадков
Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки. Наиболее распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения. Гравитационное уплотнение осуществляется в отстойникахуплотнителях; флотационное – в установках напорной флотации. Применяются
также центробежное уплотнение осадков в циклонах и центрифугах. Перспективно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка через фильтрующие перегородки или с помощью погруженных в осадок вибраторов.
Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков
при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках,
использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т.п.). Для стабилизации осадков промышленных сточных вод применяют аэробную стабилизацию – длительное аэрирование осадков в сооружениях типа аэротенков, в результате чего происходит распад основной части биологически разлагаемых
веществ, подверженных гниению.
171
Исходный осадок
Уплотнение:
гравитационное
флотационное
центробежное
вибрационное
Стабилизация:
сбраживание
аэробная стабилизация
Обезвоживание:
Кондиционирование:
сушка на иловых площадках
вакуум-фильтрация
фильтр-прессование
центрифугирование
виброфильтрование
термическая сушка
обработка неорганическими реагентами
тепловая обработка
обработка полиэлектролитами
замораживание
электрокоагуляция
Ликвидация:
Утилизация:
сжигание в печах
жидкофазное окисление
сброс в накопители
закачка в земляные пустоты
вывоз на свалки
использование в сельском хозяйстве
производство строительных материалов
производство сорбентов
регенерация металлов
Рис. 4.5. Схема ликвидации и утилизации осадков сточных вод
Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной
структуры осадков органического происхождения и увеличения их водоотдачи
при обезвоживании. В промышленности применяют реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки составляет до 40% стоимости всех затрат при обработке осадков, поэтому
разрабатываются более экономичные методы: тепловая обработка, замораживание и электрокоагуляция.
172
4.3.3. Обезвоживание и ликвидация осадков сточных вод
Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлама
с объемной концентрацией твердой фазы до 80%. Эту операцию осуществляют
в основном путем сушки на иловых площадках. Однако из-за дефицита земельных участков применяют и другие методы сушки: фильтрование на нутч- и
фильтр-прессах, термическую сушку и др.
Ликвидация осадков сточных вод применяется в тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной. Сжигание – один из наиболее распространенных методов ликвидации таких осадков.
Предварительно обезвоженные осадки органического происхождения имеют
теплотворную способность 167800 – 21000 кДж/кг, что позволяет поддерживать
процесс горения без использования дополнительных источников теплоты.
Осадки сжигают на станциях очистки сточных вод в многоподовых, циклонных
печах, а также в печах кипящего слоя.
На рис. 4.6 представлена схема установки для сжигания осадков сточных
вод и твердых отходов с использованием теплоты, полученной от сжигания
осадков. Дымовые газы, образующиеся при сжигании твердых отходов в печи 1
с температурой 900-1000оС, поступают в камеру 3 для сжигания осадка сточных
вод, в которой навстречу потоку дымовых газов с помощью насоса-дозатора 12,
компрессора 13 и распределителя 2, подается осадок в распыленном состоянии.
В камере 3 капли осадка подогреваются, подхватываются потоком дымовых газов, сгорают и поднимаются в верхнюю зону камеры. Температура дымовых газов в верхней зоне камеры за счет испарения влаги, содержащейся в осадках,
снижается до 750-800оС. В этой же зоне происходит дезодорация паров воды.
Дымовые газы, содержащие минеральные частицы осадка, золу и пары воды,
поступают в теплообменник. Одновременно из бака 4 в канал теплообменника 5 подается уплотненный осадок с влажностью 93-95%, который подсушивается до влажности 84-89% и поступает в бак 10, оборудованный шнеком 11 для
размельчения и подачи осадка к насосу-дозатору 12. Дымовые газы, охлажденные в теплообменнике до температуры 300-350оС, поступают в фильтр 6, откуда отсасываются вентилятором 8 через трубу 7 в окружающую среду. Твердые
частицы, осаждающиеся на фильтре, поступают в сборник 9, откуда периодически удаляются.
Установки такого типа не вызывают загрязнения окружающей среды, просты в эксплуатации. Они позволяют обезвреживать органические отходы с
влажностью до 60% и объемным содержанием механических примесей до 10%.
К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс жидких осадков в накопители и закачка их в земляные пустоты. Регенерация отходов – один из способов утилизации осадков сточных вод на многих предприятиях. Основными методами регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация.
173
Рис. 4.6. Схема установки для сжигания осадков сточных вод
и твердых отходов
1 – печь; 2 – распылитель осадка; 3 – камера для сжигания осадков; 4 – бак для уплотненного
осадка; 5 – теплообменник; 6 – воздушный фильтр; 7 – труба дымовых газов; 8 – вентилятор;
9 – сборник шлама; 10 – промежуточный бак; 11 – шнек для измельчения и подачи осадка;
12 – насос-дозатор; 13 – компрессор
174
Глава 5. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
5.1. Защита окружающей среды от шума и вибраций
5.1.1. Шум и его характеристики
Любое промышленное предприятие является источником техногенных загрязнений. Большую долю в загрязнение окружающей среды вносят энергетические выбросы. По своей природе энергетические загрязнения условно можно
разделить на три группы (рис. 5.1): механические, электростатические (магнитостатические) и электромагнитные. К первой группе относятся шум, вибрации,
инфразвук, ультразвук. Источники шума чрезвычайно разнообразны, так же как
и их уровни. Ориентировочные уровни шума (в дБ) приведены на рис. 5.2.
Энергетическое
(физическое) загрязнение
Механические
Электростатические
Электромагнитные излучения:
промышленные частоты
Шумы
Магнитостатические
радиочастоты
СВЧ диапазон
Вибрации
миллиметровый диапазон
ИК излучения
(тепловые загрязнения)
Инфразвук
УФ загрязнение
рентгеновские и
γ-излучения
Ультразвук
Рис. 5.1. Классификация энергетических загрязнений
Шумом, по Н.Реймерсу, принято называть звуковые колебания, выходящие за рамки звукового комфорта [19]. Чаще всего это неупорядоченные
звуковые колебания, но бывают и упорядоченные, мешающие восприятию
нужных звуков, либо вызывающие неприятное ощущение и повреждающие органы слуха. Как и все акустические колебания, шум может восприниматься
ухом человека в пределах частот от 16 до 20000 Гц (ниже – инфразвук, выше –
175
ультразвук). Шумы принято делить на низкочастотные (до 350 Гц), среднечастоные (350-800 Гц), высокочастотные (выше 800 Гц).
Рис. 5.2. Ориентировочные уровни шума
Высокочастотный шум оказывает наиболее неблагоприятное воздействие
на организм. Но человек реагирует не на абсолютный прирост частоты и громкости, а на относительный. Так, физиологически прирост частоты вдвое на
низких или высоких частотах воспринимается одинаково. В этом суть биофизического закона Вебера-Фихтнера. Именно поэтому все звуковое частотное поле делят на 9 октав. Причем конечная частота fк данной октавы в 2 раза
больше начальной fн, а основная октавная частота – их среднее геометрическое
значение:
Fокт =
fн. fн ,
(5.1)
Ряд октавных полос частот выглядит так: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000;
2000; 4000; 8000 Гц.
Кроме частоты, к основным характеристикам шума относят акустическое
(звуковое) давление Р, интенсивность I и уровень L шума (звука), а также мощность источника.
Звуковое давление Р является избыточным над давлением воздушной
среды. Минимальное звуковое давление, воспринимаемое ухом человека, называется пороговым, и оно равняется Ро = 2.10-5 Па.
Интенсивность звука I характеризует удельную энергию звуковых волн
на единицу площади
176
P2
, Вт/м2,
I=
2 ρα
(5.2)
где ρ - плотность среды, кг/м3, α - скорость звука , м/с.
Пороговая интенсивность звука Iо, соответствующая Ро для распространения звука в воздухе, равна 10-12 Вт/м2. Следует иметь в виду, что давление и интенсивность характеризуют звуковое поле в данном месте, т.е. на расстоянии r
от источника.
Мощность источника по измерениям в любой точке сферы радиусом r
определяется выражением
W = I · 2π · r2, Вт.
(5.3)
Все эти величины имеют абсолютный характер и не вполне удобны для
оценки шума. Поэтому введена величина, называемая уровнем шума, которая
характеризуется отношением интенсивности в данном месте к пороговой:
L = lg
I
,
I o Б.
(5.4)
Единица измерения – белл (Б). Характеризует рост интенсивности в 10 раз.
Белл очень большая неудобная в работе величина. Для удобства применяют десятую долю белла, т.е. децибелл (дБ):
L = 10 lg
I
,
I o дБ.
(5.5)
Обычно суммарный уровень шума устанавливают с помощью шумомера
по шкале А, измеряющего звуковое давление на мембрану. В этом случае величина уровня звука обозначается дБА и определяется зависимостью
L = 20 lg
P
,
Po дБА.
(5.6)
Различают тональный шум, в котором выражены дискретные тона, и широкополосный. Кроме того, если уровень шума изменяется по времени не более, чем на 5 дБ, он считается постоянным, а в противном случае – непостоянным.
По физической природе шумы могут иметь следующее происхождение:
механическое, связанное с работой машин и оборудования, вследствие ударов в сочленениях, выбрации роторов и т.п.;
аэродинамическое, вызванное колебаниями в газах;
гидравлическое, связанное с колебаниями давления и гидроударами в жидкостях;
электромагнитное, вызванное колебаниями электромеханических устройств под действием переменного электромагнитного поля или электрических
разрядов.
177
Основными источниками шума являются все виды транспорта (прежде
всего авто- и железнодорожный), промышленные предприятия и бытовое оборудование (включая звуковую аппаратуру).
В древнем Китае существовала смертная казнь шумом. Шум порядка
90-100 дБ вызывает постепенное ослабление слуха, нервно-психический стресс,
язвенную болезнь, сердечно-сосудистые заболевания (в крови существенно повышается уровень холестерина), заболевания щитовидной железы. Длительное
воздействие очень сильного шума (более 110 дБ) приводит к агрессивному состоянию (так называемому «шумовому опьянению»), разрушению тканей тела,
обострению хронических заболеваний и снижению продолжительности жизни.
Жители г. Осака (Япония), проживающие вблизи аэропорта, с помощью медиков доказали, что рост нервно-психических расстройств у них – следствие шума от ночных полетов самолетов, и через суд добились компенсации и снижения интенсивности полетов.
Нижний порог слышимости для человека 1 дБ, при 115-129 дБ появляется
боль в ушах, а при 150 дБ возможна потеря слуха. Причем с возрастом порог
болевого восприятия снижается. Обычно не рекомендуется длительное воздействие шума, с уровнем выше 80 дБ. Для справки. Уровень шума электропилы
достигает 120 дБ, рок-группы – 80-120, электробритвы – 75-80, дыхания –
25-30, шепота – 8-10 дБ.
5.1.2. Нормирование шума
Санитарные нормы устанавливают, как говорилось ранее, предельно допустимые уровни воздействия (ПДУ) звука для различных зон и в разное
время суток. При этом для тонального постоянного шума используются допустимые уровни в конкретной октаве. Для непостоянного шума введены эквивалентный и максимальный уровни. Эквивалентный уровень определяется
из условия равенства энергии условного постоянного широкополосного шума,
имеющего то же среднеквадратичное звуковое давление, что и реальный непостоянный шум:
⎛ 1 n
0 ,1Li ⎞
Lэкв = 10 lg⎜
t
10
⎟, дБА,
(5.7)
∑i
⎝ 100 i =1
⎠
где ti – относительное время действия шума, %, Li – уровень шума, дБА.
Максимальный уровень определяется по показателям шумомера за время,
не менее 1% общей продолжительности измерения. Общее измерение во всем
диапазоне октав должно быть не менее 30 мин. Результаты измерений сравниваются с допустимыми. Допустимые уровни воздействия шума сведены в санитарные нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 и другие нормативы. Некоторые данные по ПДУ приведены в табл. 5.1.
178
Таблица 5.1
Предельно допустимые уровни воздействия шума
Зона действия звука
Учебные помещения
Жилые комнаты
Палаты больниц и санаториев
Номера гостиниц, общежитий, территории больниц и
санаториев
Залы столовых, кафе
Залы ожидания вокзалов,
аэропортов
Территории, прилегающие к
жилым домам, пансионатам,
детсадам и т.п.
Площадки отдыха жилых
домов, школ, институтов и
т.п.
Допустимые уровни звука в разное время суток, дБА
7 – 23 ч
23 – 7 ч
ЭквиваМаксиЭквивалент- Максимальный
лентный
мальный
ный
40
55
40
55
30
45
35
50
25
40
45
60
35
50
55
60
70
75
-
-
55
70
45
60
45
60
-
-
Эти уровни вблизи магистральных улиц (на расстоянии 2 км от них) допускается принимать на 10 дБА выше, приведенных в табл. 5.1. Шум от конкретных единиц, согласно стандарту, измеряется на расстоянии 7,5 м от осевой
линии движения. На этом расстоянии уровни шума от легковых автомобилей
должны быть не более 77 дБА, автобусов – 83, грузовых – 84, самых тяжелых
мотоциклов – 85 дБА.
Сравнение действительных эквивалентных уровней звука заканчивается
определением уровня шумового дискомфорта как разности эквивалентного и
допустимого уровней воздействия. Некоторые данные по этим величинам приведены в табл. 5.2. Следует учесть, что при закрытой форточке шум уменьшается примерно на 5дБА.
179
Таблица 5.2
Сравнительные данные уровней шумового воздействия транспортных
средств на окружающую среду
Тип магистрали
Железнодорожная:
двухколейная
Одноколейная
Скоростная магистраль или улица
городского значения
Улица районного
значения
Жилая улица
Открытая линия
метро
Интенсивность
движения, час
На расстоянии
7,5 м
Действие шума, дБА
В помещении (при открытой форточке)
Расстояние до Эквивалент- Уровень шупомещения, м ный уровень
мового дисзвука
комфорта
70
65
20
40
89
20
2000-6000
87
82-85
70
50
63
56-59
18
11-14
500-2000
76-81
30
61-68
18-23
50-500
40
60-74
69
10
50
52-66
53
7-21
8
5.1.3. Расчет шумовых характеристик
Для правильного выбора методов защиты от шумов различных промышленных установок необходимо знать их шумовые характеристики, определяемые в соответствии с ГОСТ 12.1.024-81, ГОСТ 12.1.025-81 и другими нормативными документами. Наиболее часто встречающимися шумящими установками в промышленности являются вентиляторы, компрессоры и турбореактивные двигатели. Из-за интенсивного шума последних некоторые типы российских самолетов не принимаются зарубежными аэропортами.
Уровень звуковой мощности Lp в октавной полосе шума, создаваемого вентиляторной установкой в воздуховоде, вычисляется по формуле [3, 9]
Lp = Кш + 25 lg pв + 10 lg V – ∆ L1 + ∆ L2 + δ + 25,
(5.8)
где Кш – критерий шумности, определяемый в зависимости от типа установки,
определяемый по данным работы [3];
pв – полное давление, Па;
V – объемный расход воздуха в вентиляторе, м3/с;
∆ L1 – поправка для учета распределения звуковой мощности вентилятора по
октавным полосам частот [3];
∆ L2 – поправка для учета акустического влияния присоединения воздуховода
к вентилятору [3];
180
δ – поправка, учитывающая режим работы вентилятора, величина которой
равна нулю при работе вентилятора в режиме максимума КПД, или с отклонением от него не более чем на 10%, а при отклонении на 20% – δ = 2-4 дБ.
Компрессорные и вентиляционные установки являются самым распространенным источником шума на производстве и часто в быту. В случае работы
стационарных установок распространение шума происходит через всасывающие и выхлопные отверстия воздуховодов.
При сбросе сжатого воздуха турбореактивными двигателями возникает интенсивный шум, источником которого является высокоскоростная струя воздуха. Общий уровень звуковой мощности в широком диапазоне частот можно определить по приближенной формуле
Lp = 80 lg vc + 20 lg pc + 10 lg S – К,
(5.9)
где vc – скорость истечения газа из сопла;
pc – плотность струи в выходном сечении сопла;
S – площадь поперечного сечения сопла;
К – величина, зависящая от температуры струи (для холодных струй она
равна 57 дБ, для турбореактивных двигателей – 44 дБ).
5.1.4. Меры борьбы с шумовым загрязнением
При разработке или выборе методов защиты окружающей среды от шумов
принимается целый комплекс мероприятий, включающий:
проведение необходимых акустических расчетов и измерений, их сравнение с нормированными и реальными шумовыми характеристиками;
определение опасных и безопасных зон; разработка и применение звукопоглощающих, звукоизолирующих устройств и конструкций;
выбор соответствующего оборудования и оптимальных режимов работы;
снижение коэффициента направленности шумового излучения относительно интересующей территории;
выбор оптимальной зоны ориентации и оптимального расстояния от источника шума;
проведение архитектурно-планировочных работ;
организационно-технические мероприятия по профилактике в части своевременного ремонта и смазки оборудования;
запрещение работы на устаревшем оборудовании, производящем повышенный уровень шума и т.п.
Перечисленные мероприятия, сведенные в рис. 5.3, относятся к коллективным средствам защиты от шума, широко применяемым на промышленных
предприятиях [9]. Использование в той или иной степени этого комплекса мероприятий зависит от каждого конкретного случая.
181
Средства коллективной защиты
Архитектурнопланировочные
Акустические
Организационнотехнические
Звукоизоляция
Звукопоглощение
Глушители
Облицовка
Абсорбционные
Штучные
звукопоглотители
Реактивные
Ограждения Кабины,
пульты
Кожухи
Экраны
Комбинированные
Рис. 5.3. Классификация коллективных средств защиты от шума [9]
Основным методом борьбы с шумом на железнодорожном транспорте является улучшение конструкции машин, более жесткие технологические требования к машинам и механизмам, особенно:
уменьшение дисбалансов роторов электрических машин;
установка глушителей;
переход на электротягу;
улучшение стыковки рельсов (для рельсового транспорта), установка
амортизирующих прокладок, гребнесмазывателей и др.
Очень важно уменьшить мощность шумовых источников за счет оптимального размещения предприятий, создания объездов, развязок на основе шумовых карт.
Не менее важны градостроительные мероприятия: вдоль транспортных магистралей необходимо улучшить остекление домов, использовать разделительные оконные переплеты, увеличить плотность естественных и искусственных
экранов. В домах, расположенных вблизи шумовых источников, при невозможности отселения жителей, применяют тройное остекление окон с раздельными
переплетами, стеклопакет. Шум при этом уменьшается в 2,5 раза при закрытых
окнах.
Таким образом, исходя из данных рис. 5.3 и сказанного выше, для защиты
от шума основными техническими мероприятиями, направленными на снижение уровня шума, являются звокоизоляция, звокопоглощение и установление
глушителей.
Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой
волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук. Как отмечалось выше, звукопоглощение в непрерывных средах характеризуется уменьшением амплитуды распространяющихся звуковых волн в зависимости от рас182
стояния. Кроме удаления источника звука на определенное расстояние, на котором достигается нормативный уровень звука, для звукопоглощения применяются различные поглощающие материалы. Звукопоглощение в этих материалах зависит от частоты и угла падения волны на звукопоглощающий материал.
Зависимость звукопоглощения некоторых материалов от частоты звуковых колебаний приведена в табл. 5.3 [3, 9].
Таблица 5.3
Зависимость коэффициента звукопоглощения ряда материалов от частоты
звуковых колебаний
Материал
Минеральная вата
Шторы (у стены)
Шторы (от стены 20 см)
Ковер (плюш из войлока)
Штукатурка на деревянной
решетке
Стул с бархатной спинкой
125
0,03
0,08
0,11
0,012
250
0,3
0,04
0,29
0,14
0.013
Частота, Гц
500
1000
0,66
0,76
0,11
0,17
0,44
0,50
0,37
0,43
0,018 0,045
-
0,17
0,16
0,17
2000
0,24
0,40
0,27
0.028
4000
0,35
0,35
0,25
0.055
0,21
-
К звукопоглощающим относятся материалы, у которых коэффициент поглощения выше 0,3. В зависимости от механизма поглощения звука эти материалы делятся на три вида:
- волокнистые пористые материалы (ультратонкие стеклянные или базальтовые волокна, в которых звукопоглощение осуществляется за счет вязкого трения воздуха в порах);
- войлоки, древесноволокнистые материалы, минеральная вата, в которых
помимо вязкого трения происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого скелета;
- панельные материалы, звукопоглощение в которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых ее участков (фанерные щиты, плотные
шторы и т.п.).
Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабевает за счет ее частичного проникновения через ограждения, щели, окна и т.д.
Звукоизоляция – процесс снижения уровня шума, проникающего через
ограждение в помещение. Для звукоизоляции применяют акустические экраны,
звукоизоляционные ограждения и кожухи. Звукоизолирующая способность Sи
ограждения с учетом звукопоглощения может быть рассчитана для изолируемого помещения по формуле [3, 9]
S и = 10 lg
S
1
+ 10 lg
,
K пр
∑ K п Si
183
(5.10)
где S – площадь ограждения, м2;
∑Кп Si – сумма общих звуковых поглощений всех тел, находящихся в помещении, включая стены, пол, потолок и т.д.;
Кп – коэффициент поглощения;
Кпр – коэффициент прохождения звука.
Глушители шума по принципу действия делятся на абсорбционные, реактивные и комбинированные.
Принцип действия абсорбционных глушителей основан на поглощении
звуковой волны в звукопоглощающих материалах. Снижение шума ∆Lгл в этом
глушителе определяется по формуле
ΔLгл = LК п
S
,
Δs
(5.11)
где L – длина глушителя;
Кп – коэффициент звукопоглощения;
S – периметр облицовки поперечного сечения глушителя;
∆s – площадь поперечного сечения.
В реактивных глушителях используется явление отражения звуковой
волны обратно к источнику шума с использованием отражателей и объемных
резонаторов. Этот вид глушителей применяется в том случае, когда в спектре
источника шума наблюдаются ярко выраженные дискретные составляющие
(поршневые компрессоры, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Глушители
этого вида устанавливают непосредственно в трубопроводах, поперечные размеры которых меньше длины волны заглушаемого звукового колебания. Глушители имеют резонансную частоту, определяемую по формуле
fp =
ω
2π
S o (l + 0,8d
,
V
(5.12)
где ω – угловая скорость;
l – длина горловины;
d – диаметр отверстия;
So – площадь поперечного сечения горловины;
V – объем резонатора.
При наличии в спектре источника шума с несколькими резонансными частотами применяют многокамерные концентричные системы.
В комбинированных глушителях используются как поглощение, так и
отражение звука.
Более подробные сведения о защите окружающей среды от шума приведены в работах [3, 9].
184
5.2. Защита от электромагнитного загрязнения
5.2.1. Электромагнитное загрязнение среды и его источники
Электромагниное загрязнение, по Н.Реймерсу, возникает в результате
изменений электромагнитных свойств среды, приводящих к нарушениям работы электронных систем и изменениям в тонких клеточных и молекулярных
биологических структурах [19]. Естественные изменения в электромагнитном
фоне называют электромагнитными аномалиями. В связи с широчайшим развитием электронных систем управления, передач, связи, электроэнергетических
объектов на первый план вышло антропогенное электромагнитное загрязнение
– создание искусственных электромагнитных полей (ЭМП). Их влияние на нашу жизнь многообразно, но недостаточно изучено. Известны случаи полного
нарушения движения поездов в Японии под влиянием внешних ЭМП. Другой
пример – остановка сердца у человека с электростимулятором. У людей, постоянно проживающих под ЛЭП, фиксируется аномально высокая смертность от
рака, туберкулеза и сердечно-сосудистых заболеваний. Установлены факты
влияния высоковольтных линий на геомагнитные процессы и даже на грозовую
активность в атмосфере. В 70-е годы прошлого столетия исследователи установили связь между повышением лейкоза у детей и воздействием магнитного поля высоковольтных линий.
В результате антропогенной деятельности увеличивается общий электромагнитный фон окружающей среды. Появились источники техногенного происхождения, отличающиеся по своим характеристикам от традиционных источников, к которым живые организму биосферы адаптировались в процессе
длительной эволюции. Например, миллиметровые волны, некоторые участки
радиодиапазонов, ультрафиолетовые, рентгеновские, γ-излучения, инфразвуковые и ультразвуковые колебания, сильные электростатические и магнитные поля и т.д. в существенной степени изменяют естественный фон. При этом возможно не простое наложение техногенных физических полей на естественный
фон, а происходит их более сложное взаимодействие друг с другом, что существенно может влиять на устойчивость экосистем.
Современная концепция действия миллиметровых волн на биологический
объект заключается в следующем:
- взаимодействие излучения с поверхностными клеточными мембранами;
- взаимодействие СВЧ поля с зарядами белковых молекул, совершающими
колебания на собственных резонансных частотах;
- возникновение в мембране СВЧ поля акустического происхождения;
- мембраны создают синхронизирующие, фазирующие СВЧ поля, воздействующие на белковые молекулы;
- синхронизация и когерентное сложение колебаний белков передается колебаниям мембраны с последующим излучением энергии в межклеточное пространство.
185
Статическое электрическое поле также существенно влияет на живые организмы. Разряды, возникающие при стечении электрических зарядов, вызывают испуг, раздражение, могут быть причиной пожара, взрыва, травмы, порчи
микроэлектронных устройств и т.п. Длительное воздействие статических электрических полей, с напряженностью поля более 1000 В/м, вызывает у человека
головную боль, утомленность, нарушения обмена веществ, раздражительность.
Известно, что любое ЭМП характеризуется частотой и векторами напряженности электрического и магнитного полей.
Шкала электромагнитных волн для различных диапазонов частот ЭМП
представлена на рис. 5.4, а некоторые техногенные источники электромагнитного загрязнения – в табл. 5.4.
104 м
3
10 м
102 м
10 м
1м
0,1 м
1 см
1 мм
v→0
№1*-4*. Сверхдлинные волны
30 КГц
№5*. Километровые волны (НЧ- низкие частоты)
300 КГц
№6*. Гектометровые волны (СЧ- средние частоты)
3 МГц
№7*. Декаметровые волны (ВЧ- высокие частоты)
№8*. Метровые волны (ОВЧ- сверхвысокие частоты)
№9*. Дециметровые волны (УВЧ- ультравысокие частоты)
№10*. Сантиметровые волны (СВЧ- сверхвысокие частоты)
№11*. Миллиметровые волны (миллиметровый диапазон)
Субмиллиметровые волны
100 мкм=0,1 мм
30 МГц
300 МГц
3 ГГц
Радиоволны
λ→∞
30 ГГц
300 ГГц
3000 ГГц
4,3·1014 Гц
Видимый диапазон
7,5·1014 Гц
0,38 мкм
диапазон
0,76 мкм
Оптический
Инфракрасное излучение (ИК-диапазон)
Ультрафиолетовое излучение (УФ-диапазон)
100 Ǻ
3·1016 Гц
Рентгеновский диапазон
~0,1 Ǻ
3·1019 Гц
γ-Излучение
0,001 Ǻ
3·1021 Гц
Космические лучи
λ→0
v→∞
Рис. 5.4. Шкала электромагнитных волн
*Звездочкой помечены номера поддиапазонов, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР)
Однако для различных вариантов степень воздействия на биологические
объекты может быть разной. Если ЭМП обусловлено неподвижными зарядами,
то оно является электростатическим. Определяющей является напряженность
186
электрического поля. Наоборот, для катушек с большим числом витков при постоянном токе относительное проявление магнитной составляющей выше электрической. Для ЭМП от источников, работающих на переменных токах частотой до 300 МГц, учитываются электрическая и магнитная составляющие. Этот
диапазон охватывает установки промышленной частоты (50 Гц), а также радиопередающие и телевизионные устройства различных диапазонов: низкой частоты (30-300 кГц), средней (300 кГц – 30 МГц), очень высокой (30-300 МГц). Существуют и более высокие диапазоны излучения УВЧ (300-3000МГц), СВЧ
(3-30 ГГц) и КВЧ (30-300 ГГц).
Таблица 5.4
Техногенные источники электромагнитного загрязнения
Название
Радиотехнические объекты
Радиопередающие станции
Радиолокационные и радионавигационные станции
Телевизионные станции
Плазменные установки
Термические установки
Высоковольтные линии электропередач
Рентгеновские установки
Лазеры
Мазеры
Ядерные реакторы
Технологические установки
Источники ЭМП специального назначения (наземные, водные, подводные,
воздушные)
Диапазон частот (длин волн)
30 кГц – 30 МГц
30 кГц – 300 МГц
СВЧ диапазон (300 МГЦ – 300 ГГц
30 МГц – 3 ГГц
Видимый, ИК-, УФ-диапазоны
Видимый, ИК-диапазон
Промышленные частоты, статическое
электричество
Жесткий УФ, рентгеновский диапазон,
видимое свечение
Оптический диапазон
СВЧ диапазон
Рентгеновское и γ-излучение, ИК, видимое и т.п.
ВЧ, СВЧ, ИК, УФ, видимый, рентгеновский диапазоны
Радиоволны, оптический диапазон,
акустические волны (комбинированного действия)
187
5.2.2. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей
В нашей стране разработаны и приняты санитарные нормы, являющиеся
по ряду параметров самыми жесткими в мире. В качестве предельно допустимого уровня (ПДУ) облучения населения принимаются такие значения
напряженности электромагнитных полей, которые при ежедневном воздействии в свойственных для данного источника излучения режимах, не
вызывают у людей заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования. ПДУ электромагнитного воздействия для населения, установленный Минздравом РФ, составляет 500 В/м при частоте 50 Гц в местах постоянного пребывания людей. Магнитные поля для населения России не нормируются.
Введенный в качестве рекомендации учеными Швеции и ряда других
стран дополнительный критерий безопасности состоит в том, что в местах ночного отдыха и пребывания детей напряженность магнитного поля частотой
50 Гц не должна превышать 0,2 МкТл.
Предельно допустимые уровни напряженности ЭМП представлены в
табл. 5.5 в соответствии с «Санитарными нормами и правилами защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями
электропередач переменного тока промышленной частоты» № 2971-84.
Таблица 5.5
Предельно допустимые уровни напряженности электрического поля
Помещение, территория
Внутри жилых зданий
На территории зоны жилой застройки
В населенной местности, вне жилой застройки (земли
в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет, пригородные и зеленые
зоны, курорты, земли поселков городского типа и
сельских населенных пунктов, в пределах черты этих
пунктов); на участках пересечения высоковольтных
линий с автомобильными дорогами 1-1У категории
В ненаселенной местности (часто посещаемой людьми, доступной для транспорта и сельскохозяйственные
угодья)
В труднодоступной местности (не доступной для
транспорта и сельскохозяйственных машин) и на специально выгороженных участках, где доступ населения исключен)
188
Напряженность электрического поля, кВ/м
0,5
1,0
10
15
20
При величине напряженности электромагнитного поля выше 500 В/м
должны быть приняты меры, исключающие воздействие на человека электрических зарядов и токов стекания.
Для зон, находящихся около радиотехнических объектов, нормирование
проводится в соответствии с «Временными санитарными нормами и правилами
защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами» № 2963-84. Эти нормы распространяются и на
ЭМП телевизионных станций УВЧ диапазона. Для зон, прилегающих к телевизионным станциям СВЧ диапазона, нормирование производится по СН 4262-87.
Измерение уровней излучений радиолокационных устройств производится в
соответствии с «Методическими указаниями по определению плотности потока
энергии электромагнитного поля, размеров санитарно-защитных зон и размещению метеорологических радиолокаторов» № 1910-77 и «Методическими
указаниями по определению уровней электромагнитного поля и гигиеническими требованиями к размещению ОВЧ, УВЧ и СВЧ радиотехнических средств
гражданской авиации» № 2284-81. Нормирование загрязнения окружающей
среды электромагнитным излучением радиочастотного диапазона осуществляется в соответствии с СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96.
Нормированию подлежат также электромагнитные поля, излучаемые бытовой и компьютерной техникой. В соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видиодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы» время непрерывной
и суммарное время работы за персональным компьютером представлено в
табл. 5.6.
Таблица 5.6
Нормативы продолжительности работы на ПЭВМ
Категории пользователей
Дети дошкольного возраста
Школьники
Студенты
Взрослые
Продолжительность работы на ПЭВМ в течение дня
непрерывная
общая
7-10 мин
10-30 мин
45-90 мин
1-2 ч
2-3 ч
до 2 ч
до 6 ч
5.2.3. Защита от электромагнитных полей
Способ защиты расстоянием. Этот способ защиты окружающей среды от
воздействия ЭМП является основным, включающим в себя как технические,
так и организационные мероприятия.
При размещении на служебных территориях радиотехнических сооружений и объектов с целью получения уровней воздействия ЭМП, не превышающих ПДУ, учитывают:
189
- мощность и диапазон частот источника ЭМП;
- конструктивные особенности, диаграмму направленности и высоту размещения антенн излучателя;
- рельеф местности;
- оптимальный режим работы источника ЭМП;
- этажность и особенность застройки и т.п.
При сооружении радиотехнических объектов в случае необходимости создают санитарно-защитную зону и зону ограничения застройки в соответствии с
Санитарными нормами № 245-71. Размеры зон ограничений и санитарнозащитной зоны выбирают по методикам, представленным в приложении правил
СН 2963-84.
Вдоль трассы высоковольтных линий, проходящей через населенную местность, границу санитарно-защитной зоны выбирают в соответствии с размерами, представленными в табл. 5.7.
Таблица 5.7
Граница санитарной зоны вдоль трассы высоковольтных линий электропередач
Напряжение высоковольтной линии,
кВ
1150
Расстояние от проекции на землю крайних фаз проводов, м
300
750
500
330
220
110
35
до 20
250
150
75
25
20
15
10
Санитарно-защитные зоны радио- и телевизионных станций представлены
в табл. 5.8.
Таблица 5.8
Санитарно-защитные зоны радио- и телестанций
Тип объекта
Диапазон частот
Длинноволновые радиостанции
Средневолновые радиостанции
Коротковолновые радиостанции
Телевизионные и УКВ станции
30 – 300 кГц
300 – 3000 кГц
3 – 30 МГц
30 – 1000 МГц
Размер санитарнозащитной зоны, м
100 – 1000
200 – 1000
50 – 70
25 – 100
В пределах санитарно-защитной (охранной) зоны запрещается размещать
жилые здания, стоянки и остановки транспорта, устраивать места отдыха, спортивные и игровые площадки.
190
С целью уменьшения ЭМП промышленной частоты увеличивают высоту
подвеса проводов высоковольтных линий, удаляют жилую застройку от линий
передачи, применяют экранирующие устройства.
Способ защиты временем состоит в нормировании продолжительности
пребывания вблизи источников ЭМП. Например, в зоне напряженностью
10 кВ/м разрешается находиться не более 3 часов, а при 20 кВ/м – не более 10
минут в день. Допускается уменьшение санитарно-защитных зон для сельской
местности и самых высоких напряжений почти в 6 раз при условии ограничения времени пребывания людей и других специальных мер.
Способ экранирования ЭМП. Процесс экранирования окружающей среды от электромагнитных излучений заключается в отражении и поглощении
электромагнитных волн.
Для снижения электрической составляющей поля в зонах с повышенной
напряженностью предложено заземлять металлические крыши, на неметаллические устанавливать заземленные сетки. На открытых местностях, расположенных в зонах с повышенными уровнями ЭМП, применяются экранирующие
устройства в виде железобетонных заборов, тросовых экранов, экранирующих
сеток, высаживаются деревья высотой более 2 м и др. Для снижению уровня
ЭМП промышленных источников используются стандартные специализированные средства в соответствии с ГОСТ 12.1.006-84.
Частичной экранирующей способностью Sэ обладают строительные конструкции
S э = 20 lg
Wo
,
Wп
(5.13)
где Wo и Wп – соответственно мощности падающей и прошедшей электромагнитной волн.
Ослабление (экстинкция) мощности электромагнитного излучения строительными конструкциями представлена в табл. 5.9 для длин волн 3 см и 10 см.
Таблица 35
Ослабление мощности электромагнитного излучения строительными
конструкциями
Материалы и элементы конструкций
Кирпичная стена толщиной 70 см
Междуэтажное перекрытие
Оштукатуренная стена здания
Окна с двойными рамами
Экстинкция, дБ
λ = 3 см
λ = 10 см
21
16
22
2
12
8
18
7
Более подробно вопросы защиты окружающей среды от электромагнитного воздействия рассмотрены в работе [9].
191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предложенном читателю конспекте лекций была сделана попытка показать, что угроза необратимого загрязнения окружающей среды и истощения
природных ресурсов носит глобальный характер. К основным причинам такого
положения относится хозяйственная деятельность человека в сфере промышленности, транспорта, в том числе железнодорожного. Современный период
развития человечества характеризуется нарастающим объемом производства,
вовлечением в производственную деятельность все больших объемов природных ресурсов и ростом количества отходов, выбрасываемых в окружающую
среду, что приводит к глобальному ее загрязнению и истощению природных
ресурсов. Поэтому требуется искать пути выхода из опасной ситуации.
По отношению к отходам производства в настоящее время существует два
противоположных подхода:
- пассивный – разбавить, рассеять и выбросить. Разбавляя выбросы и сбросы можно добиться соблюдения нормативов, но не решить проблему;
- активный – сконцентрировать, нейтрализовать и захоронить – единственный экологический путь.
В настоящих лекциях показаны оба метода, но главное внимание уделено
активному методу. Для этого рассмотрены различные процессы и оборудование, применяемые для защиты окружающей среды. Главное внимание уделено
основным методам и особенностям очистки отходящих газов от аэрозолей и
токсичных газовых выбросов, физическим (механическим), химическим, физико-химическим и биологическим методам очистки сточных вод, переработке
твердых отходов, а также способам и средствам защиты окружающей среды от
энергетического воздействия.
Также при написании данного конспекта лекций была поставлена задача в
сжатой форме изложить разрозненные сведения по проблеме поиска и расчета
оборудования, применяемого для защиты окружающей среды, а также частично
были освещены вопросы по оптимизации взаимодействия в системе «человек –
окружающая среда».
Автор стремился доказать, что мы являемся пусть и мыслящей, но частичкой природы, как загрязняющей ее, так и способной спасти от нас самих. Если
мы хотим управлять окружающей средой, перестраивать ее в своих интересах,
то делать это можно, лишь поняв ее законы, подчинив себя им, уразумев свое
могущество. Поэтому материалы данных лекций следует рассматривать как
введение в проблему инженерной защиты окружающей среды как базу для изменения отношения человека к биосфере.
192
Библиографический список
1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и
нефтехимической технологии: Учебник для вузов.– М.: Химия, 1987.– 496 с.
2. Зубрев Н.И., Шарпова Н.А. Охрана окружающей среды и экологическая
безопасность на железнодорожном транспорте: Учебное пособие для вузов. –
М.: УМК МПС России, 1999. – 592 с.
3. Охрана окружающей среды: Учебное пособие для вузов / Под ред
С.В.Белова.– М.: Высшая школа, 1983.– 264 с.
4. Лотош В.Е. Экология природопользования: Учебное издание.– Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002. – 540 с.
5. Маслов Н.Н., Коробов Ю.И. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: Учебное пособие.– М.: Транспорт, 1996. – 238 с.
6. Лотош В.Е. Технологии основных производств в природопользовании:
Учебник для вузов.– Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002.– 553 с.
7. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования: Учебное издание.– Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002.– 463 с.
8. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. Учебник для
вузов.– М.: Высшая школа, 1999.– 447 с.
9. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учебное пособие для технических
вузов. – М.: Высшая школа, 2001.– 357 с.
10. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и
потребления: Учебное пособие для вузов.– М.: Колос, 2000.– 232 с.
11. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод: Учебник для вузов.– М.: Стройиздат, 1985.– 335 с.
12. Рыбаков Ю.С., Лугаськова Н.В. Лекции по курсу «Экология»: Учебное
пособие.– Екатеринбург: УрГУПС, 2005.– 122 с.
13. Рыбаков Ю.С. Лекции по курсу «Промышленная экология»: Учебное
пособие.– Екатеринбург: УрГУПС, 2004.– 152 с.
14. Симсон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. Двигатели внутреннего сгорания:
Учебник.– М.: Транспорт, 1980.– 384 с.
15. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учебник для вузов.– М.: Высшая школа, 2001.– 273 с.
16. Булаев В.Г. Снижение токсичности тепловозных двигателей // Железнодорожный траспорт.– 1993.– № 10.– С. 45-48.
17. Бондаренко В.В., Булдаев В.Г., Липкинд Т.А. Источники загрязнения
окружающей бенз(а)пиреном на железнодорожном транспорте // Экология и
безопасность жизнедеятельности: Сб.науч.тр.– Екатеринбург: УрГУПС, 2003.–
С. 92-94.
18. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков:
Учебное пособие / Д.А.Кривошеин, П.П.Кукин, В.Л.Лапин и др. – М.: Высшая
школа, 2003.– 344 с.
19. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник.– М.: Мысль,
1990.– 637 с.
193
20. Кузнецов К.Б., Мишарин А.С.: Учебное пособие. – Екатеринбург: Издво УрГАПС, 1999.– 425 с.
21. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами.– М.: Минздрав СССР, 1987, № 4266-87.
22. Предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах, обуславливающее отнесение этих отходов к категории токсичности. –
М.: Минздрав СССР, 1985, № 3170-84.
194
Юрий Сергеевич РЫБАКОВ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Конспект лекций для студентов специальности 280202 – Инженерная
защита окружающей среды
Редактор Е.А.Морозова
620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 УрГУПС
Редакционно-издательский отдел
Подписано в печать
Бумага писчая № 1
Формат 60х84 1/16
Усл.п.л. 12,3
Тираж
Цена договорная
Заказ
экз
195
Уч.-изд.л. 10,9
Федеральное агенство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Ю.С. РЫБАКОВ
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Екатеринбург
2005
196