Техника защиты водных ресурсов и атмосферного воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техника защиты водных ресурсов и атмосферного воздуха



1. Методы очистки газов

Абсорбционные методы очистки газов

Суть абсорбции заключается в поглощении удаляемых компонентов жидкостью. В зависимости от особенностей взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газовой смеси компонента абсорбционные методы подразделяются на методы физической абсорбции и химической (хемосорбция), сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе. Для физической абсорбции применяют поглотители - воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом. При хемосорбционной очистке выделяемые из газов компоненты вступают в химические реакции с хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и органические жидкости. Абсорбционные методы используют для очистки газов от СО, NxOy, S02, H2S, HC1, CO2.

Очистка газов от диоксида серы

Для очистки газов от SO2 предложено большое количество хемосорбционных методов, однако на практике нашли применение лишь некоторые из них. Это связано с тем, что объемы отходящих газов велики, а концентрация SO2 в них мала, газы характеризуются высокой температурой и значительным содержанием пыли. Для абсорбции могут быть использованы вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочно-земельных металлов.

Известняковые и известковые методы

Достоинством этих методов являются доступность и дешевизна абсорбентов, простая технологическая схема процесса, низкие капитальные и эксплуатационные затраты, возможность очистки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания.

Недостатки - невысокая эффективность очистки, недостаточная степень использования известняка, образование отходов в виде шлама или загрязненного гипса.

Процесс абсорбции диоксида серы для известкового и известнякового методов представляется в виде следующих стадий: химические реакции при абсорбции известковым молоком:

S02 + Н20 = H2S03; SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O ; 2CaSO3 + O2 = 2CaSO4.

Известняки содержат разное количество СаСО3 и примесей, поэтому 1 кг известняка поглощает от 0,4 до 0,6 кг SO2. Для уменьшения отложений CaSO4 и CaSO3 рН суспензии должен быть не < 5.

Абсорбция SO2 сульфитом натрия Метод двухстадийный и заключается в следующем:

Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3; 2NaHSO3 = SO2 + H2O + Na2SO3.

Вторая стадия - регенерация сульфита натрия - проводится при температуре 130 °С, при этом выделяется газообразный SO2. Охлажденный раствор сульфита натрия снова возвращается на абсорбцию, a SO2 направляется на переработку в серную кислоту.

Аммиачный способ улавливания SO2 Этот метод основан на протекании реакции:

SO2 + NH4OH = NH4HSO3; (NH4)2SO3 + SO2 + Н2О = 2NH4HSO3.

При нагревании бисульфит аммония разлагается:



2 NH4HSO3 = (NH4)2SО3 + SO2 + Н2О.

Этим методом достигается высокая степень улавливания SO2.

Другие методы: магнезиальный (абсорбция SO2 суспензией оксида -гидроксида магния); фосфатный (абсорбция SO2 водным раствором фосфата натрия); кислотно-каталитический (применение разбавленной H2S03, полученной в процессе абсорбции, в качестве катализатора - соединения марганца); озоно-каталитический; радиационно-каталитический, с использованием органических сорбентов (ксилидина, диметиланилина и др.).

Очистка газов от оксидов азота

Газы, содержащие оксиды азота (NxOy), образуются в ряде производств химической промышленности, металлургии, машиностроения, при сжигании топлива. На практике с отходящими газами выбрасываются в основном NO и NO2 одновременно. Основная сложность абсорбционной очистки связана с низкой химической активностью и растворимостью оксида азота. Имеется несколько путей решения этой проблемы: полное или частичное окисление NО в N02, использование селективных абсорбентов и катализаторов абсорбции. При абсорбции оксидов азота используют воду, растворы щелочей и селективные сорбенты, кислоты и окислители. Например, при абсорбции диоксида азота водой в газовую фазу выделяется часть менее опасного оксида азота, скорость окисления которого мала:

3 NO2 + Н2О = 2 HNO3 + NO + Q .

Для очистки газов применяют различные растворы щелочей и солей (NaOH, Na2CO3, КОН, Са (ОН)2, NH4OH, MgCO3 и др.).

N2O3 + Na2CO3 = 2 NaNO2 + СО2 + Q .



Для очистки газов при отсутствии кислорода используют растворы FeSO4, FeCl2, Na2SO3, NaHC03, Na2S203. При взаимодействии NO, например с FeС12, протекает следующая реакция

FeCl2 + NO = Fe(NO)Cl2.

Применение растворов-восстановителей NaHSO3, Na2S2O3, (NH4)2CO приводит к получению азота

2 Na2S2O3 + 6 NO = 3N2 + 2Na2SO4 + 2SO2.

Очистка газов от сероводорода

Технологические и топочные газы, содержащие H2S, очень коррозионно-активны. Очистка газов от сероводорода производится с применением различных хемосорбционных методов. Для очистки используется также мышьяково-щелочной метод, абсорбция этаноламинами, фосфатный метод.

Очистка газов от оксида углерода

Оксид углерода является высокотоксичным газом. Предельно-допустимые концентрации его: в рабочей зоне - 20 мг/м3, в атмосфере (максимально разовая) - 3 мг/м3, среднесуточная - 1 мг/м3. Оксид углерода образуется при неполном сгорании веществ, содержащих углерод. Он входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и переработки черных и цветных металлов; выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.д. Для очистки газов от оксида углерода используют абсорбцию или промывку жидким азотом, а также адсорбцию водно-аммиачными растворами закисных солей ацетата, формиата или карбоната меди:



Сu(NН4)nСОСН + СО = Cu(NH3)nCOCOCH.

Очистка промывкой жидким азотом представляет собой физическую абсорбцию. В нем наряду с СО одновременно поглощаются и другие компоненты газовой смеси. Абсорбцию ведут в колоннах тарельчатого типа.

Очистка газов от галогенов и их соединений

Фторсодержащие газы выделяются при электролитическом производстве алюминия. Они содержат фторид водорода (HF) и тетрафторид кремния (SiF4). Газы в значительной степени загрязнены различными веществами, что затрудняет их переработку.

Образование промышленных отходящих газов, содержащих хлор и его cоединения, характерно для многих производств: получения хлора и щелочей методом электролиза, переработки цветных металлов методом хлорирующего обжига, получения соляной кислоты и хлорсодержащих неорганических и органических веществ.

Очистка от соединений фтора

Для абсорбции фтористых газов можно использовать воду, растворы щелочей, солей и некоторые суспензии (Na2CO3, NH4OH, NH4F, Ca(OH)2, NaCl, K2SO4и др.). Например, нейтрализация HF карбонатом калия протекает по реакции

2 HF + К2СО3 = 2KF + СО2 + Н2О. . (5.13)

Абсорбция хлора

Для абсорбции хлора и хлорсодержащих веществ используют воду, водные растворы щелочей и органических веществ, водные суспензии и органические растворители.

Хлористый водород сорбируют водой с образованием соляной кислоты или щелочными реагентами (NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2). В этом случае получают соли - хлориды натрия и кальция. Процесс абсорбции газов проводят в пленочных, насадочных (с неподвижной и подвижной насадкой), тарельчатых, форсирующих и других аппаратах.

Адсорбционные методы

Адсорбционные методы очистки газов основаны на поглощении газообразных и парообразных примесей твердыми телами с развитой поверхностью - адсорбентами.

Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела силами Ван-дер-Ваальса (физическая адсорбция) либо химическими силами (хемосорбция).

Процесс адсорбции осуществляется в несколько стадий: перенос молекул газа к внешней поверхности твердого тела; проникновение молекул газа в поры твердого тела; собственно адсорбция. Самая медленная стадия лимитирует процесс в целом.

Адсорбция рекомендуется для очистки газов с невысокой концентрацией вредных компонентов. Адсорбированные вещества удаляются из адсорбентов десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят термическую регенерацию.

Процесс осуществляется в адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента, в установках периодического и непрерывного действия.

В качестве адсорбентов используют материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью. Адсорбенты могут быть как природного, так и синтетического происхождения. К основным типам промышленных адсорбентов относятся активированные угли, силикагели (SiO2*nН2О), алюмогели (активный оксид алюминия А12О3*nН2О), цеолиты и иониты.

Очистка газов от диоксида серы

В качестве адсорбентов при очистке от SO2 используют активированные угли, полукоксы, активированный силикагель, доломит, карбонат кальция, подщелоченный оксид алюминия, активированный диоксид марганца. Разрабатываются процессы адсорбции SO2 известняком или доломитом непосредственно в камере сгорания. Диоксид серы при высокой температуре сорбируется порошкообразным материалом. Затем дымовые газы очищают в сухих или мокрых пылеуловителях. Добавление к доломиту 1-2 % Fe2O3 катализирует процесс.

Очистка газов от сероводорода

Для удаления H2S и органических сернистых соединений из газа используют аппараты с несколькими псевдосжиженными слоями гранулированного оксида и гидроксида железа при температуре ~ 340 °С. Гранулы оксида железа регенерируют путем отжига частично сульфидированного и восстановленного оксида в воздушной среде при 800 °С, при этом получают SO2, который перерабатывают в серную кислоту. Недостатками процесса являются низкая эффективность очистки, невысокая степень использования известняка, зарастание технологического оборудования.

Каталитические методы

Химические превращения токсичных компонентов в нетоксичные происходят в присутствии катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и яды для катализаторов. Каталитический метод применяют для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей.

Каталитическое разложение оксидов азота

Оксиды азота восстанавливаются газом - восстановителем (Н2, СH4, СО) в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов используют различные металлы, которыми покрывают огнеупорные материалы (носители); применяют палладиевый катализатор, нанесенный на оксид алюминия. Температура начала контактирования при восстановлении 400 ~470 С. Восстановительные процессы происходят по следующим реакциям:



4 NО + СН4 = СО2 + 2Н2О + 2N2; 2NO + 2H2 = N2+2H20; 2 N20 + 4CO = N2 + 4CO2

Очистка от оксида углерода

Каталитическая очистка является наиболее рациональным методом обезвреживания промышленных газов от СО. Процесс гидрирования оксида углерода на никелевых и железных катализаторах проводят при высоких давлениях и повышенных температурах по реакции

СО + ЗН2 = СН4 + Н2O. 5.2.4.4.3. Очистка от диоксида серы

Разработанная технология каталитической очистки газов от диоксида серы основана на принципе окисления SO2 в SO3 нитрозным либо контактным методом. Этот процесс лежит в основе производства серной кислоты.

Существует также метод очистки газа от SO2 с получением сульфата аммония, который можно использовать как удобрение. SO2 окисляют до SO3 в присутствии V2Os при 450 - 480 °С, затем при температуре 220 - 260 °С вводят газообразный аммиак. Полученные кристаллы сульфата аммония отделяют в циклонах и электрофильтрах.

2. Механические («сухие») пылеуловители

Такие пылеуловители условно делятся на три группы:

- пылеосадительные камеры, принцип работы которых основан на действии силы тяжести (гравитационной силы);

- инерционные пылеуловители, принцип работы которых основан на действии силы инерции;

- циклоны, батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители, принцип работы которых основан на действии центробежной силы.

Пылеуловительная камера представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости прямоугольный короб, в нижней части которого имеется отверстие или бункер для сбора пыли (рис. 1.).

Рис. 1 Пылеосадительные камеры: а - полая: б - с горизонтальными полками; в, г - с вертикальными перегородками: / - запыленный газ; // - очищенный газ; /// - пыль; 1 - корпус; 2 - бункер; 3 -штуцер для удаления; 4 - полки; 5 - перегородки

Скорость газа в камерах составляет 0,2-1,5 м/с, гидравлическое сопротивление 50-150 Па. Пылеосадительные камеры пригодны для улавливания крупных частиц размером не менее 50 мкм. Степень очистки газа в камерах не превышает 40-50%. Продолжительность прохождения т(с) газами осадительной камеры при равномерном распределении газового потока по ее сечению составляет:



где Vk, - объем камеры, м3; Vг- объемный расход газов, м3/с; L - длина камеры, м; В- ширина камеры, м; Н- высота камеры, м.

В инерционных пылеуловителях для изменения направления движения газов устанавливают перегородки (рис. 2). При этом наряду с силой тяжести действуют и силы инерции. Пылевые частицы, стремясь сохранить направление движения после изменения направления движения потока газов, осаждаются в бункере. Газ в инерционном аппарате поступает со скоростью 5-15 м/с. Эти аппараты отличаются от обычных пылеосадительных камер большим сопротивлением и высокой степенью очистки газа [З].

Рис. 2 Инерционные пылеуловители с различными способами подачи и распределения газового потока: а - камера с перегородкой; б - камера с расширяющимся конусом; в - камера с заглубленным бункером

Большое внимание при проектировании пневмотранспортных и других устройств пылеочистки необходимо уделять узлам отделения материала от транспортирующего воздуха - разгрузочным и пылеулавливающим устройствам (циклонам, фильтрам и т.п.). В зависимости от способа отделения материала в системах пневмотранспорта используют объемные разгрузочные устройства и центробежные циклоны. Выбор того или иного типа устройства зависит от конкретных условий работы установок и требований, предъявляемых к его работе: наибольшее значение коэффициента осаждения материала, минимальное сопротивление разгрузочного устройства, надежность в эксплуатации.

Предпочтение отдается центробежным циклонам, выполняющим одновременно и роль пылеулавливающего аппарата. Эффективность улавливания пыли в циклонах повышается с уменьшением диаметра корпуса, но при этом снижается их пропускная способность. Для обеспечения соответствующей производительности пневмотранспортной установки небольшие циклоны группируют в батарею. Коэффициент пылеулавливания батареи циклонов составляет 0,76-0,85 и несколько повышается с увеличением входной скорости (с 11 до 23 м/с). Использование вместо циклонов вихревых пылеуловителей обеспечивает улавливание частиц пыли размером 5-7 мкм.

Воздух после разгрузочных устройств или циклонов, насыщенный субмикронными частицами, должен направляться на доочистку в пылеуловители. При выборе типа пылеуловителя в условиях работы таких установок учитывают следующие показатели:

· степень пылеулавливания, равную отношению количества пыли, задержанной пылеуловителем, к количеству пыли, содержащейся в воздухе при его поступлении в пылеуловитель;

· сопротивление пылеуловителя, от которого зависит экономичность процесса пылеулавливания;

· габаритные размеры и масса пылеуловителя, надежность и простота его обслуживания.

Циклоны рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными аппаратами (например, фильтрами или электрофильтрами) очистки.

Основными элементами циклонов являются корпус, выхлопная труба и бункер. Газ поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок, приваренный к корпусу тангенциально. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопной трубой. Уловленная пыль ссыпается в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопную трубу (рис. 3). В зависимости от производительности циклоны можно устанавливать по одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из двух, четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны).

Существуют батарейные циклоны. Конструктивной особенностью последних является то, что закручивание газового потока и улавливание пыли в них обеспечивается размещенными в корпусе аппарата циклонными элементами [4]. Ниже приведенатехническая характеристика наиболее распространенного на производстве циклона ЦН-15:

- допустимая запыленность газа, г/м3:

для слабослипающихся пылей - не более 1000;

для среднесливающихся пылей - 250;

- температура очищаемого газа, °С - не более 400;

- давление (разрежение), кПа (кг/см2) - не более 5 (500);

- коэффициент гидравлического сопротивления:

для одиночных циклонов - 147;

для групповых циклонов - 175-182;

- эффективность очистки (от пыли dm = 20 мкм, при скорости газопылевого потока 3,5 м/с и диаметре циклона 100 мм), % - 78.



Рис. 3 Циклон типа ЦН-15П: 1 - коническая часть циклона; 2 - цилиндрическая часть циклона; 3 - винтообразная крышка; 4 - камера очищенного газа; 5 - патрубок входа запыленного газа; 6 -выхлопная труба; 7 -бункер; 8 - люк; 9 - опорный пояс; 10 - пылевыпускное отверстие

Для расчетов режимов и выбора марки (конструкции) циклона необходимы следующие исходные данные: количество очищаемого газа при рабочих условиях Vг, мЭ/с; плотность газа при рабочих условиях р, кг/м3; динамическая вязкость газа при рабочей температуре ; дисперсный состав пыли, задаваемый двумя параметрами dm и lg r; запыленность газа Сх, г/м3; плотность частиц рч, кг/м3; требуемая эффективность очистки газа .

Конструкцию и режимные параметры циклона рассчитывают методом последовательных приближений по методикам [3-5] или используя более современный математический аппарат [б]. Пористые фильтры Для очистки запыленных газов все большее распространение получает на последних ступенях сухая очистка рукавными фильтрами. Степень очистки газов в них при соблюдении правил технической эксплуатации достигает 99,9%.

Классификация рукавных фильтров возможна по следующим признакам:

- форме фильтровальных элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.) и наличию в них опорных устройств (каркасные, рамные);

- месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие, работающие под разрежением, и нагнетательные, работающие под давлением);

- способу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной продувкой, с импульсной продувкой и др.);

- наличию и форме корпуса для размещения ткани - прямоугольные, цилиндрические, открытые (бескамерные);

- числу секций в установке (однокамерные и многокамерные);

- виду используемой ткани (например, стеклотканевые).

В качестве фильтровальных материалов применяют ткани из природных волокон (хлопчатобумажные и шерстяные), ткани из синтетических волокон (нитроновые, лавсановые, полипропиленовые и др.), а также стеклоткани. Наиболее распространены лавсан, терилен, дакрон, нитрон, орлон, оксалон, сульфон. Последние два материала представляют полиамидную группу волокон, обладающих термостойкостью при температуре 250-280 °С. Для фильтровальных тканей наиболее характерно саржевое переплетение. Применяют также нетканые материалы - фетры, изготовленные свойлачиванием шерсти и синтетических волокон.



3. Обезвреживание газов

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют следующие методы: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические, конденсации и компримирования. Абсорбционные методы очистки отходящих газов подразделяют по следующим признакам: 1) по абсорбируемому компоненту; 2) по типу применяемого абсорбента; 3) по характеру процесса - с циркуляцией и без циркуляции газа; 4) по использованию абсорбента - с регенерацией и возвращением его в цикл (циклические) и без регенерации (не циклические); 5) по использованию улавливаемых компонентов - с рекуперацией и без рекуперации; 6) по типу рекуперируемого продукта; 7) по организации процесса - периодические и непрерывные; 8) па конструктивным типам абсорбционной аппаратуры. Для физической абсорбции на практике применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объема и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производят на основании результатов технико-экономических расчетов.

4. Методы очистки газов

Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами-адсорбентами. Процессы очистки проводят в периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком - невозможность очистки запыленных газов. 5 Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Их проводят в реакторах различной конструкции. Термические методы применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсических примесей.

Помимо механических, физико-химических и химических методов очистки газов широко применяют термические методы. Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, находят все большее применение для очистки дренажных и вентиляционных выбросов. Эти методы выгодно отличаются от других (например, мокрой очистки в скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и исключением сточных вод. Как правило, примеси сжигают в камерных топках с использованием газообразного или жидкого топлива. Иногда на практике представляется возможным окислять органические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на поверхности катализатора, что дает возможность понизить температуру процесса. Химические реакции между ингредиентами газовых выбросов, которые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются с повышением температуры. Система, содержащая токсичные вещества, может быть обезврежена посредством термообработки, если реакции, происходящие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов. Из всех термоокислительных процессов для термообезвреживания пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты окисления. Поэтому далее под термином "окисление" подразумевается процесс, окислителем в котором служит кислород. Газофазный процесс осуществляют непосредственной огневой обработкой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих температуру воспламенения горючих компонентов выбросов. Огневой обработкой, как и термокаталитическим окислением, принципиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не содержат каких-либо других элементов, кроме водорода Н2, углерода С и кислорода О. Это следующие химические соединения: водород Н2 оксид углерода СО, углеводороды CmHn и кислородные производные углеводородов СтНпОр . Посредством сжигания возможно обезвреживание перечисленных веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях, диспергированных или компактных, а посредством термокаталитического окисления - только в газообразном. Термокатализ неприемлем и для обработки газов (паров) высокомолекулярных и высококипящих соединений, которые, плохо испаряясь с катализатора, коксуются и "отравляют" его, т. е. заполняют активную поверхность сажистыми продуктами неполного окисления. Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С и О - серу S, фосфор Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокислительную обработку, так как продукты сгорания будут содержать высокотоксичные соединения. В реальных условиях и при сжигании чисто органических соединений не удается обеспечить абсолютно полное окисление исходных компонентов до практически безвредных углекислого газа СО2 и паров воды Н20. В дымовых газах всегда присутствуют оксид углерода СО и другие продукты химического недожога (неполного окисления). Кроме того, при повышенных температурах заметно ускоряется реакция окисления азота, который поступает в зону горения с топливом и воздухом. Некоторые оксиды азота оказывают вредное воздействие на организм человека и окружающую среду. Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Их преимуществами являются относительная простота аппаратурного оформления и универсальность использования, т. к. на работу термических нейтрализаторов мало влияет состав обрабатываемых газов. 6 Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы практически для обезвреживания любых паров и газов, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в тех случаях, когда концентрация горючих веществах в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. При обработке горючих газов для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание, однако применение этого метода затруднено тем, что концентрация органических примесей, распределенных в большом объеме воздуха, очень низка. Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термического окисления углеводородных компонентов до СО2 и Н2О. В ходе процесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например, галоген - и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. Для того, чтобы нагреть такие большие количества воздуха до температур, при которых проводится дожигание, расходуется очень большое количество энергии. Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию загрязнений перед дожиганием. Обрабатываемые газы пропускают через слой адсорбента, а насыщенный адсорбент продувают воздухом, который затем поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию загрязнителя в 40 раз.



5. Укрупненная оценка экономического ущерба за загрязнение водоемов

Экономическая оценка ущерба У (руб./год), наносимого сбросами загрязняющих веществ в водоемы, для отдельного источника определяется по формуле (1.1):

,

где у - удельный ущерб от сброса в водоем одной условной тонны загрязняющего вещества, у = 440,0 руб/усл. т (в ценах 2002 г.);

безразмерный показатель, учитывающий относительную опасность загрязнения различных водохозяйственных участков (таблица 1.5);

Мi приведенная масса годового выброса i-го загрязнения из источника, усл. т/год;

i вид загрязняющего вещества (i = 1, 2, 3…n).

Приведенная масса загрязняющего вещества Мi, усл. т/год, определяется по формуле (1.2)

,

где i - вид загрязняющего вещества;

- фактическая масса годового сброса i-го вида примеси в водоем, т/год;

Аi - показатель относительной опасности i-го загрязняющего вещества, поступающего в водоем, рассчитывается по формуле:



,

где ПДКi - предельно допустимая концентрация i-го загрязнителя в водоеме.

6. Укрупненная оценка экономического ущерба за загрязнение почв твердыми отходами

Укрупненную оценку ущерба в результате загрязнения почв твердыми отходами проводят по уравнению

, (1.7)

где m - масса твердых отходов, т/год;

- удельный ущерб от поступления в окружающую среду од-ной тонны твердых отходов (руб./т).

Удельный ущерб от поступления в окружающую среду на почвы одной тонны твердых отходов производства и потребления может быть выражен через затраты на удаление, обезвреживание и захороне-ние твердых отходов, а также через стоимость отчуждаемой для этих целей земли и затраты на ее санитарно-гигиеническую рекультива-цию

, (1.8)



где - затраты на удаление, обезвреживание и захоронение 1 т твердых отходов (руб./т);

- ущерб, наносимый народному хозяйству при изъятии терри-тории под складирование, создание отвалов, захоронение 1 т твердых отходов с последующей их санитарно-гигиенической рекультивацией (руб./т).

Для расчета затрат на удаление отходов используют выра-жение

, (1.9)

где - текущие затраты на удаление 1 т твердых отходов (транспо-ртировка отходов, погрузочно-разгрузочные работы), руб./т;

- эксплуатационные расходы, связанные с содержанием 1 т твердых отходов на свалках или отвалах, а также с обезвреживанием или уничтожением твердых отходов в специальных установках руб./т;

- нормативный коэффициент экономической эффективности удельных капитальных затрат;

- удельные капитальные затраты на сооружение систем уда-ления, обезвреживания, складирования или уничтожения отходов,

руб. т/год.

Величину ущерба рассчитываем по формуле

, (1.10)

где - экономическая оценка 1 га земли по нормативам затрат на возмещение потерь сельскохозяйственного производства, руб./га;

- усредненные затраты на санитарно-гигиеническую рекульти-вацию 1 га земли;

S - площадь, используемая при складировании 1 т твердых отхо-дов.

7. Процесс биологической очистки

Биологическая очистка сточных вод представляет собой результат функционирования системы активный ил - сточная вода, характеризуемой наличием сложной многоуровневой структуры. Биологическое окисление составляющее основу этого процесса, является следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от элементных актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой.

Результаты исследований показывают, что характерной особенностью сложных многовидовых популяций, к которым относятся и активный ил, является установление в системе динамического равновесия, которое достигается сложением множества относительно небольших отклонений активности и численности отдельных видов в ту или иную сторону от их среднего уровня.

8. Сооружения и аппараты биологической очистки

Биологическая очистка может осуществляться как в естественных так и в искусственных условиях.

К сооружениям естественной очистки относятся: 1. Фильтрующие колодцы, используемые при расходе 1 куб.м в сутки и менее, и фильтрующие кассеты - при расходе 0,5-6 куб.м в сутки.

2. Поля подземной фильтрации - при расходе до 15 куб.м в сутки и более.

3. Поля фильтрации - при расходе 1400 куб.м в сутки и менее.

В этих сооружениях, фильтрующей загрузкой являются естественные грунты, используемые непосредственно на месте (пески, супеси, легкие суглинки).

4. Фильтрующие траншеи, песчано-гравийные фильтры, применяемые при расходе 15 куб.м в сутки и более. Оросительная и дренажная сеть этих сооружений положена в слое искусственной фильтрующей загрузки из привозного грунта. Их устраивают при наличии водонепроницаемых или слабофильтрующих грунтов.

5. Фильтрующие кассеты с пропускной способностью 0,5-6 куб.м в сутки, применяемые в слабофильтрующих грунтах (суглинках) при коэффициенте фильтрации не менее 0,1 куб.м в сутки.

6. Циркуляционные окислительные каналы (ЦОК) - при расходе 100-1400 куб.м в сутки.

7. Биологические пруды с естественной или искусственной аэрацией - при расходе 1400 куб.м в сутки. При круглогодичной работе очистной станции Сооружения естественной очистки рекомендуется использовать, если удовлетворяются следующие условия: среднегодовая температура воздуха в районе расположения очистной станции не менее 10 град.С; глубина грунтовых вод не менее 1 м от поверхности земли; наличие свободных площадей в близи малых объектов.При сезонной работе станции (только в летний период) первое условие, касающееся среднегодовой температуры, исключается.

Однако почвенные методы не всегда приемлемы из-за неблагоприятных санитарных, почвенно-грунтовых, климатических, гидрогеологических условий. В связи с этим возникает необходимость в применении сооружений искусственной биологической очистки. К сооружениям, в которых биологическая очистка протекает в искусственно созданных условиях, относятся: 1. Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы.

2. Биодисковые фильтры.

3. Биофильтраторы.

4. Биореакторы с биобарабанами.

5. Блок биореакторов с затопленной ершовой загрузкой.

6. Аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (продленной аэрации).

7. Аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы

Сооружения биологической фильтрации, особенно с прикрепленным биоценозом, хорошо себя зарекомендовали в работе с малыми расходами и пиковыми нагрузками по органике. Они просты, удобны, в них за короткое время (до 30 минут) происходит скоростное изъятие загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень, гравий, керамзит. Блочные загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло - это теплоизоляционный строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью, огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения. Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших пор- 200 кв.м/куб.м. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большое количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод. Распределение сточной воды по поверхности биофильтра осуществляется с помощью реактивного оросителя. Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т.д.), жестко-блочной (из плоских и гофрированных листов), а также мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Таким образом, загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки.

Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха, что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков. Так, высокая не равномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается не равномерность температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежания этих явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков. Биодисковые фильтры Эти сооружения предназначены для расхода сточных вод до 1000 куб.м в сутки. В качестве загрузки для биодисковых фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной плотности (пенопласта, пеностекла). Современные биодисковые фильтры представляют собой многосекционную емкость, наполненную вращающейся загрузкой (Рис. 2). Диски набирают на горизонтально расположенном валу с расстоянием между ними 15-20 мм. Диски обычно погружены в очищаемую жидкость на 0,45Д (30--45 %), иногда до 0,75Д. Диаметр дисков находится в пределах от 0,4 до 3,0 метров в зависимости от производительности установки. Принцип действия данного сооружения следующий: диски - основной компонент сооружения - находится в постоянном вращательном движении, причем их поверхность перфорации покрывается биопленкой, которая находится в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидродинамические условия, при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. Здесь совмещается режим работы прикрепленного биоценоза и взвешенного (активного) ила. За пределами зоны очищаемой воды микроорганизмы, находясь в биопленке, получают кислород непосредственно из атмосферы. При одинаковых категориях обрабатываемых городских сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в БДФ составляет 60-90 минут, а в классических аэротенках - около 6 часов. Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты, устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при использовании этих фильтров практически отпадает необходимость насосной станции, так как гидравлические потери сооружений не значительны. Биодисковые фильтры - многосекционные сооружения (3-6 секций). Основная масса удаленных биоразлагаемых загрязнений приходится на первую и вторую секции БДФ. Процесс снижения аммонийного азота и нитрификации успешно протекает в третьей и последующих секциях. Удаление азота достигает 40 %, что выше, чем в классических биофильтрах и аэротенках. Однако в очищенных водах присутствуют азотистые соли (биогенные соединения), поэтому в некоторых случаях требуется доочистка. Из биодисковых фильтров биологическая пленка потока обработанной жидкости выносится во вторичный отстойник. Разделение биопленки осуществляется гравитационным способом. Вторичные отстойники рекомендуется оборудовать тонкослойными модулями. Биофильтраторы Компактная установка биофильтратор предназначена для малых расходов сточных вод (от 2 до 600 куб.м в сутки) и обеспечивает полную биологическую очистку от разнообразных загрязнений в широком диапазоне концентраций. Установка имеет низкие капитальные вложения и энергетические затраты. Она проста и экономична в эксплуатации, не требует специального постоянного ухода.Биофильтратор (Рис.3) состоит из аэрационной (сорбционной) зоны и зоны осветления. В сорбционной зоне установлены вращающиеся перфорированные диски из пенопласта или подобных материалов. Диски вращаются мотор-редукторм с частотой вращения 10-15 об/мин. За счет градиента давления жидкость и отторгнутая биопленка переливаются через отверстие, устроенное в разделительной перегородке. Укрупненные хлопья активного ила из зоны осветления опускаются вниз и через отверстия подсасываются в аэрационную зону за счет кинематики течения. Таким образом, происходит постоянный обмен биомассы между зонами сорбции и осветления. Очищаемая жидкость поднимается к лотку и отводится за пределы сооружения. Для интенсификации биотехнологии в биофильтре используется струйная аэрация, что позволяет исключить механическую систему привода мотор-редуктор. Такой метод очистки применяется дла расходов сточных вод от 0,5 до 1,5 куб.м в сутки и более, с загрузкой от низких до высоких значений концентрации биоразделяемых соединений (БПК). Струйный биофильтр работает следующим образом. Сточные воды, прошедшие механическую очистку, попадают в аэрационную зону, куда также поступает смесь осветленной жидкости и циркуляционного активного ила. Эта смесь из нижней части осветляется забирается по трубопроводу насосом и через струйный аэратор шахтного типа сбрасывается в аэрационную зону биофильтра. Струя потока вводится в межсекционное пространство (Рис. 4) ниже свободной поверхности на 15-30 см и отражается от специально спланированной поверхности дна. В результате возникают интенсивные воздушные восходящие потоки, которые приводят к движению биоротора. После контакта очищаемой жидкости в аэрационной зоне смесь или и сточной воды поступает на осветление. Зона осветления разделена на три отсека. В дегазационно-отстойной зоне при низходящем потоке отделяются выносимые из аэрационной зоне пузырьки газа малых размеров. Здесь укрупненные частицы ила осаждаются на дно отстойника и возвращаются в аэрационную систему. Далее смесь поступает во вторую зону отстаивания, где происоходит основной процесс разделения твердой и жидкой фаз с образованием взвешенного слоя, углубляющего процесс биофильтрации. Из этой зоны укрупненные хлопья активного ила также поступают в камеру аэрации. В последующем отделении обеспечивается окончательная очистка сточных вод. Вторая зона отстаивания работает в режиме отстойника. Осаждающиеся хлопья активного ила по стенке емкости сползают в зону их забора насосным агрегатом. Осветленные сточные воды через сбросный лоток отводятся на обеззараживание. Биореакторы с биобарабанами В качестве биореакторов для очистных сооружений пропускной способностью 50-700 куб.м в сутки сточных вод предложены 5-6-ступенчатые установки с полупогруженными вращающимися биобарабанами. Они представляют собой каскад поддонов (корыт) цилиндрической или близкой к ним конфигурации. Движение очищаемой сточной воды и жидкости из поддона в поддон - самотечное за счет объединения поддонов в сообщающиеся сосуды по средствам системы патрубков, располагаемых в примыкающих друг к другу стенок поддонов. Для равномерного распределения жидкости в первом по ходу движения поддоне расположен приемный карман с затопленным щелевым переливом. Сборный канал для отвода очищенной жидкости устраивается на выходе из последнего поддона установки. В каждый поддон помещается барабан с волокнистой загрузкой , на которой нарастает биопленка. Барабан медленно вращается вследствие легкости конструкции, все барабаны каскада приводятся в движение от одного привода. При вращении барабана осуществляется естественная аэрация биомассы микроорганизмов. В нижней части поддона в нижней части поддонов устраивают сборно- отводящие каналы или продольные бункеры для сбора и отвода осадка, заканчивающиеся патрубком и задвижкой, которые присоединяются к сборному коллектору, отводящему осадок на обезвоживание. Регенерация ершей осуществляется барботированием через перфорированные трубы, расположенные в нижней части биореактора. Установки работают устойчиво при различных концентрациях органических веществ в сточных водах. Они просты в эксплуатации, что позволяет использовать не квалифицированных работников. Аэротенки Для полной биологической очистке сточных вод малых населенных пунктов применяются: аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (аэротенки подлинной аэрации); аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод, могут применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли. Установки, работающие по методу полного окисления. Они предназначены для полной биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод. Полное окисление органических загрязнений протекает в три фазы. В первой фазе наличия большого количества органических веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое размножение микроорганизмов с непрерывным прогрессированием общего их количества. Во второй фазе нагрузка по органическим загрязнениям на активный значительно ниже и из-за недостаточного количества этих загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается. Устанавливается определенное соотношение между количеством поступивших органических веществ и приростом ила. В третей фазе размножение микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических загрязнений. Ил как бы находится в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только органические вещества поступившие со сточными водами, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов, т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила. В результате полного окисления органических загрязнений прирост активного ила настолько мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4 месяца. Компактные установки (КУ) производительностью 12 и 25 куб.м в сутки изготавливаются в заводских условиях в виде единого металлического блока. Все установки конструктивно выполнены в виде аэротенко-отстойников с принудительным возвратом активного ила. Установки производительностью 12 куб.м в сутки оборудованы механической системой аэрации, остальные - эжекторной или пневматической. Принцип работы установки (Рис. 6): сточные воды пропускают через решетку и без первичного отстаивания направляют в зону аэрации. Здесь происходит биологическая очистка сточных вод активным илом, который поддерживается во взвешенном состоянии за счет вращения роторного аэратора. Затем после полутора часового контакта в аэрационном объеме, смеси сточных вод и активного ила по дегазационному каналу поступает в зону отстаивания. Осевший ил через нижнюю щель отстойника возвращается в аэрационную зону. Сверху установка перекрывается щитами для предохранения от замерзания в зимний период. Принцип работы установок КУ -25 - КУ-200 (Рис. 7): до поступления на установку сточную воду пропускают через решетку-дробилку или решетку с ручной очисткой. На установку сточная жидкость поступает через входной патрубок и по подающему лотку перетекает в два распределительных лотка, проходящих по продольным стенкам. Для предотвращения осаждения взвешенных веществ в лоток подается сжатый воздух. Из распределительных лотков через отверстия с регулируемыми треугольными водосливами сточная вода переливается в аэротенк-отстойник. Аэрационные зоны расположены по продольным стенкам. Воздух в аэрационную зону подается от воздуходувок по воздухопроводам и распределяется через дырчатые трубы. В аэротенка возможно применение эжекционной аэрации. Отстойная зона расположена в центре установки. Смесь сточных вод и активного ила поступает в зону через нижнюю щель, проходит через взвешенный слой, образованный активным илом, где происходит разделение активного ила и очищенной сточной жидкости. Последняя поднимается к поверхности отстойной зоны, протекает через затопленные отверстия в сборный лоток и по нему отводится из установки. Активный ил увлекается потоком в бункеры отстойной зоны и перекачивается лифтами в аэрационные зоны. Избыточный активный ил периодически (1 раз в 1-4 месяца) удаляется из аэрационных зон на иловые площадки. Компактные установки КУ-12 - КУ-200 прошли длительные испытания на многих очистных станциях, качество очищенного стока БПК и взвешенным веществам составляет 12-15 мг/л, концентрация аммонийного азота снижается на 40%. Эффективность очистки сточных вод на этих сооружениях повышается, если во вторичных отстойниках использовать тонкослойные модули. ГПИ «Эстонпроект» была разработана установка БИО заводского изготовления. Она представляет собой аэротенк-отстойник, работающий в режиме продленной аэрации. Принцип работы БИО-25 аналогичен установкам КУ. Продолжительность аэрации около суток. В этих сооружениях использованы эжекторная или пневматическая система аэрации. Метод аэробной стабилизации избыточного ила по сравнению с методом анаэробной обработки осадка имеет такие существенные преимущества:

простота конструктивного исполнения сооружений; отсутствие взрывоопасности;

хорошие санитарно-гигиенические показатели; лучшие водоотдающие свойства;

легкость автоматизации процесса; простота обслуживания сооружений.

Обработка осадков Обработка осадков, поступающих со сточной водой может осуществляться в анаэробных условиях, протекающих без доступа кислорода воздуха, когда за счет жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов происходит распад органических веществ, находящихся в осадке. К ним относятся: 1) биотуалеты, предназначенные для жилого дома;

2) септики, рекомендуемые при расходе до 20 куб.м в сутки;

3) двухярусные отстойники и осветители - перегниватели, применяемые при расходе до 1400 куб.м в сутки и более. В сооружениях второго и третьего типов одновременно проводят два процесса: отстаивание сточной жидкости и обработка осадка. В аэробных условиях, протекающих при наличии кислорода воздуха, за счет жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходит окисление органических веществ, находящихся в осадке. К ним относятся:

1) аэротенки, работающие с продленной аэрацией по методу полного окисления органических загрязнений, находящихся как в жидкой так и в твердой фазе сточных вод;

2) аэробные стабилизаторы, расположенные в блоке емкостей (аэрационных установок).

9. Обеззараживание сточных вод

Производится с целью уничтожения содержащихся в них патогенных микроорганизмов и устранения опасности заражения водоема этими микробами при спуске в него очищенных сточных вод. Наиболее распространенным методом обеззараживания является хлорирование. В настоящее время на малых очистных станциях применяется несколько типов установок для приготовления дозирования растворов, содержащих активный хлор. К первому типу относятся установки по хлорированию воды хлорной известью или порошкообразными гипохлоритами. Принцип их действия сводится к приготовлению раствора требуемой концентрации и последующей подачей его в воду. Ко второму типу относятся установки, которые позволяют получить обеззараживающие хлорпродукты из исходного сырья - поваренной соли - непосредственно на месте потребления. Такими установками являются электролизеры предназначенные для приготовления электролитического гипохлорита натрия. К третьему типу относятся установки, позволяющие осуществлять обеззараживание воды путем его прямого электролиза. Этот метод безреагентный, поскольку обеззараживающие продукты образуются за счет электролитического разложения хлоридов, находящихся в самой обрабатываемой воде.

Доочистка сточных вод

Хозяйственно бытовые сточные воды, поступают от малых объектов, подвергается механической и биологической очистке, которая может быть полной и неполной. Сооружения доочистки позволяют снизить содержание взвешенных и органических веществ до 3-5 мг/л, азота аммонийных солей (N) и фосфатов (P2O5) до 0,5 мг/л, нитратов до 0,02 и нитритов до 10 мг/л по азоту.

10. Природные воды

Природные воды бывают поверхностные, подземные и биосферные. Поверхностные природные водные объекты разделяются на водоемы, водотоки, моря и океаны.

Качество природных и сточных вод определяется их составом и свойствами. Нормирование качества воды рек, озер, водохранилищ проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнений». «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнений» устанавливают две категории водоемов: 1 категория - водоемы питьевого и культурно-бытового назначения; 2 категория - водоемы рыбохозяйственного назначения. Нормы качества воды устанавливаются с учетом вида водопользования. Качество воды водных объектов определяется следующими основными показателями:

· содержание взвешенных веществ;

· плавающие примеси (пленка, пятна, скопления);

· запах и вкус;

· окраска;

· температура;

· состав и концентрация минеральных примесей;

· значение рН;

· растворенный в воде кислород (ХПК);

· биохимическая потребность воды в кислороде (ВПК);

· возбудители заболеваний;

· состав и предельно допустимая концентрация ядовитых и вредных веществ;