Основы экологии

Основным топливом для доменной плавки является каменноугольный кокс, который представляет собой твердую пористую спекшуюся массу, оставшуюся после удаления из каменного угля летучих веществ в результате прокаливания его при высокой температуре без доступа воздуха.

Сущность процесса доменной плавки состоит в восстановлении железа из окислов и отшлаковывания пустой породы. Процесс доменной плавки происходит по следующей схеме:

со со со

Fe₂0₃ --»> Fe₃0₄ --»- FeO --»~ Fe + С0₂.

Восстановление железа оксидом углерода происходит при температуре до 1000°С, свыше 1000°С начинается прямое восстановление железа углеродом. Кроме того, восстановителем является водород. Одновременно с этим происходит восстановление других элементов, входящих в состав шихты: марганца, кремния, фосфора, ванадия, хрома и др. Но часть этих оксидов не восстанавливается и переходит в чугун. Расплавленная пустая порода (кремнезем, глинозем и др.) вместе с флюсами образует легкоплавкое соединение - доменный шлак. Оксид кальция, являющийся составной частью флюса, способствует удалению серы из чугуна, образуя нерастворимое соединение, также переходящее в шлак. По назначению и химическому составу чугун делится на передельный, идущий для переработки в сталь, литейный - для изготовления чугунных изделий методом литья и специальный - с высоким содержанием кремния и марганца (ферросплавы). Производство чугуна - один из наиболее энергоемких процессов в черной металлургии: здесь расходуется 50-55% всей энергии металлургического предприятия, а с учетом подготовки кокса и руды до 80% энергии, расходуемой на металлургическом заводе с полным циклом.

В современной металлургии сталь выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Для получения стали особо высокого качества, применяют рафинирование или электрошлаковый переплав.

Исходным материалом для производства стали являются передельный чугун и скрап (стальной и чугунный лом). Суть процесса производства стали сводится к удалению из чугуна избытков углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и др. Для этого расплав железа нагревают до высоких температур. Нагрев осуществляется двумя способами: химической теплотой, полученной в результате окисления примесей в чугуне, и теплотой, полученной за счет сжигания топлива или превращения электрической энергии в тепловую. Важнейшей тенденцией развития сталеплавильного производства является снижение роли мартеновской стали и рост выплавки кислородно-конвертерным способом.

В кислородных конвертерах расплавленный чугун продувается технически чистым (95,5%) кислородом, который, соединяясь с примесями, уводит их в шлак и отходящие газы, очищая металл. Вместимость современных конвертеров - 300-50П т, продолжительность плавки - 35-60 мин. Сталеплавильный процесс в кислородном конвертере проходит без подвода тепла извне. Оно выделяется в ходе протекающих в расплаве окислительных реакций.

Мартеновский способ получения стали отличается большей продолжительностью плавки (4-12 ч) и худшими технико-экономическими показателями. При мартеновском процессе в печь подводится дополнительное тепло, получаемое при сжигании газообразного или жидкого топлива, т. к. тепла протекающих химических реакций недостаточно.

Стали с высокой температурой плавления и улучшенными качественными показателями варят в электропечах. Электрическая дуговая печь представляет собой невысокую цилиндрическую емкость в стальной оболочке, облицованную внутри огнеупорным материалом. Через отверстия, расположенные на своде печи, вставлены три графитовых электрода, на которые подают электрический ток. За счет выделения тепла при горении дуги сталь плавится. В индукционных печах используется тепло, которое выделяется в металле при возбуждении в нем электротока переменным магнитным полем. В электрических дуговых и индукционных печах отсутствие окислительного пламени и незначительный доступ воздуха создают восстановительную атмосферу и обеспечивают возможность более тщательного раскисления стали. Готовую сталь из печи сливают в разливочный ковш, а из ковша разливают по изложницам - чугунным и стальным формам (для получения слитков), или на машинах непрерывной разливки (для получения заготовок). Из сталеплавильных цехов стальные слитки для дальнейшей переработки поступают в прокатные цехи, где из них делают листы, сортовые и фасонные профили, трубы и т. д.

Кроме основных производств металлургического цикла, в составе металлургического комбината есть цехи, использующие в качестве сырья отходы металлургических процессов. К ним можно отнести коксохимию, перерабатывающую сопутствующие продукты коксования для производства аммиака, азотных удобрений и других веществ.

Черная металлургия является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. По экспертным оценкам, удельный выход твердых, газообразных и жидких отходов на 1 т проката в целом по черной металлургии составляет: вскрышные и вмещающие породы 1500-2500 кг; шлаки 500-1000 кг, шламы 80-120 кг; сухая пыль 80-120 кг; окалина 30-40 кг; сточные воды 250-300 м³, технологические газы 8000-10000 м³, аспирационный воздух 30-50 тыс. м³, горючие газы 2000-2500 м³. Суммарно отходы черной металлургии превышают объем выпуска черных металлов в 2-4 раза.

Каждая стадия металлургического производства сложна и имеет свои технологические особенности, объемы выбросов и их состав сильно различаются. Одним из основных источников загрязнения воздушного бассейна является агломерационное производство. На его долю приходится около трети пыли, выбрасываемой металлургическим заводом. Выбросы могут быть технологическими, образующимися в процессе спекания агломерационной шихты, охлаждения агломерата, обжига окатышей; и неорганизованными, которые образуются в процессе дробления шихтовых материалов, их грохочения и перегрузок при транспортировке. Удельный выход пыли на 1 т агломерата достигает 20 кг. В состав агломерационной пыли входят Fe, Fe₂0₃, Si0₂, A1₂0₃, CaO, MgO, MnO, P₂0₅, S, C, As и др. Химический состав пыли агломерата зависит от употребляемых руд. Агломерационное производство дает наибольшую долю выбросов сернистого газа (более 60%). Удельные выбросы S0₂ на одну топку агломерата составляют 12-12,5 кг.

Завод черной металлургии с суточным выбросом S0₂ более 10т приводит к гибели растительности в радиусе 500 м.

К технологическим выбросам доменного производства относится доменный (колошниковый) газ, который очищают в газоочистных устройствах и затем используют в качестве топлива. Выход доменного газа при современном уровне производства составляет 2000-2500 м³/т чугуна. Вместе с доменным газом из печи выносится большое количество колошниковой пыли - 50-150 кг/т чугуна.

Доменное производство является основным загрязнителем водоемов. Для одной доменной печи средней мощности объем сточных вод составляет 2000 м³/ч, для сверхмощных печей - 6000 м³/ч. Основной расход связан с мокрой очисткой колошникового газа. В процессе очистки вода уносит механические примеси - частички руды, кокса, известняка и химические соединения - сульфаты, хлориды, роданиды и цианиды. Уменьшить загрязнение водных источников можно с внедрением более эффективной сухой очистки, которая позволяет улавливать электрофильтрами до 98-99% механических примесей.

Доменный процесс сопровождается выходом доменных шлаков и шламов. На 1 т чугуна приходится от 0,4 до 0,65 т доменных шлаков. Состав их сложен, в них встречается до 30 химических элементов, главным образом, в виде оксидов. Основные из них - Si0₂, A1₂0₂, CaO, MgO. Доменные шлаки широко используются в промышленности строительных материалов в качестве добавок к бетону, при изготовлении цемента для доменных печей и для производства шлаковой (минеральной) ваты. Цементная промышленность потребляет более 23 млн. т гранулированного доменного шлака ежегодно. Применяется он и при получении новых строительных материалов - шлакосисталла, синтетического гранита для строительства дорог.

Мартеновские печи - основной источник выбросов окислов азота (30% от общезаводских выбросов). Окись азота образуется после сгорания топлива, когда уже нет горючих веществ. Удельные выбросы окиси азота составляют 1-3 кг/т стали. Плавильная пыль мартеновских печей состоит в основном из окиси железа. Удельные выбросы пыли - 15 кг/т выплавленной стали. Выбросы окиси углерода с дымовыми газами мартеновских печей незначительны и в основном носят кратковременный характер.

Процесс производства стали в конвертерах с продувкой ванны кислородом сверху связан с образованием большого количества конвертерных газов, которые содержат высокодисперсную конвертерную пыль и газы - окись углерода, сернистый газ, окислы азота. Конвертерные газы образуются в результате выгорания углерода шихты и разложения известняка. Очистка конвертерных газов весьма сложна и сопровождается образованием сильно загрязненных сточных вод. Из всех электросталеплавильных печей, работающих в металлургической промышленности, только дуговые отличаются большими выбросами твердых веществ. Вместе с технологическими газами из них выбрасывается пыль, окись углерода, окись азота, серы и цианиды. Величина этих выбросов зависит от применяемого сырья, технологического режима плавки, способа отвода газов от печи.

В выбросах цехов горячей прокатки содержится незначительное количество вредных веществ - оксидов углерода и серы.

Процесс травления заключается в удалении окалины с поверхности металла путем обработки ее растворами. Травление высоколегированных сталей, окалина на поверхности которых состоит из оксидов железа, хрома, никеля, проводится азотной кислотой. Основные выбросы при этом процессе - окись и двуокись азота.

При обработке кислотами поверхности металлических изделий, покрытой окалиной и ржавчиной, образуются очень вредные сточные воды, которые после травления имеют температуру до 80°С и содержат серную кислоту, сернокислую закись железа, железо, хлориды, сульфаты, взвешенные вещества. Источниками выбросов в атмосферу в коксовом цехе являются отопительная система коксовых печей, системы загрузки угля и выдачи кокса, башни тушения кокса, коксовые рампы, коксосортировка. Выбросы продуктов сгорания и вредных веществ из коксовых печей представлены окислами углерода, окислами серы и азота. Объемы и структура выбросов коксового производства зависят от способа тушения. Кокс тушат сухим и мокрым способами. Сухое тушение кокса дает многообразный эффект - резко уменьшается объем выбросов в атмосферу, сэкономленные пар и электроэнергия полностью могут обеспечить потребности коксохимического производства, уменьшается расход воды, улучшается качество кокса и уменьшается его расход на производство металла. Для мокрого тушения кокса применяется техническая или сточная вода. При остывании кокса более половины тепла, затраченного на коксование, уходит в атмосферу.

Основным элементом, содержащимся в сточных водах коксового производства, является фенол (до 2000 мг/л), поэтому их называют фенольными сточными водами, хотя в них содержится много других вредных веществ - роданиды, цианиды, аммиак, смолы, масла и др.

Цех улавливания химических продуктов коксования состоит из отделений конденсации, сульфатного и бензольного, аммиачно-обесфеноливающей, пиридиновой и химической установок. Они являются источниками выбросов разнообразных вредных веществ - сероводорода, аммиака, фенолов, углеводородов, бензола, фторидов, цианидов, синильной кислоты. Для охраны водных ресурсов необходимым является создание замкнутых бессточных систем. Прежде всего, это создание системы оборотного водоснабжения: обезвреживание отработанных загрязненных вод и растворов, их повторное использование в производстве и одновременно утилизация ценных компонентов.

Образующиеся в процессе очистки сточных вод железистые осадки улавливаются и могут использоваться либо в металлургическом переделе, либо в качестве сырьевых добавок в стройиндустрии.

Цветная металлургия

Цветная металлургия - значительно более сложная отрасль, чем черная металлургия. Отрасль характеризуется чрезвычайным разнообразием принципиально различных производств, методов, процессов, аппаратурного оборудования, а также выбросов в атмосферу и сбросов в водные источники. Это связано прежде всего с характером используемого сырья.

Цветные металлы можно разделить на несколько групп:

тяжелые - медь, свинец, цинк, никель, олово;

легкие - алюминий, магний, титан;

малые или младшие - сурьма, ртуть, кадмий;

легирующие - вольфрам, молибден, ванадий, кобальт;

драгоценные или благородные -- золото, серебро, платина;

редкие и рассеянные - цирконий, ниобий, тантал, литий, бериллий, селен, теллур.

Одна из особенностей руд цветных металлов заключается в том, что они содержат относительно небольшую долю основного металла. Содержание меди в рудах очень редко превышает 5%, свинца и цинка - 6-7%, а молибдена - всего 0,1-0,2%. Исключением являются руды для производства алюминия, с содержанием основного металла до 30%.

Для получения 1 т металла необходимо переработать 100-200 т руды, а в ряде случаев и более. Балластная, неиспользуемая часть сырья переходит в твердые и газообразные отходы. Тенденция вовлечения в переработку все более бедного природного сырья вызывает увеличение отходов - газообразных, твердых и жидких.

В рудах цветных металлов наряду с основным металлом содержатся многие рассеянные и редкие элементы. Имеется большое количество токсичных веществ, среди которых выделяются сера, мышьяк, сурьма, селен, теллур и др. В ряде случаев токсичными являются и остаточные цветные металлы (свинец, цинк, медь, кадмий, ртуть и др.). Использовать руды цветных металлов нужно комплексно, извлекая из них все полезные компоненты.

В настоящее время из минерального сырья, перерабатываемого на предприятиях цветной металлургии, извлекается 74 из 104 элементов таблицы Менделеева.

При общей схожести производства цветных металлов можно все-таки выделить технологические особенности, требования к размещению, специфику загрязнения окружающей среды при получении различных металлов.

Существует несколько способов получения цветных металлов из руд или концентратов - пирометаллургический, электрометаллургический и гидрометаллургический. Наиболее распространенными и в то же время неблагоприятными с точки зрения загрязнения являются первые два.

При всех различиях в технологии, выбросах, воздействии на природу и человека, которые имеются в цветной металлургии, можно выделить несколько проблем, являющихся общими для отрасли в целом.

1. Предприятия отрасли - источники поступления в окружающую среду различных канцерогенных веществ, в первую очередь тяжелых металлов. Для уменьшения их выбросов необходима смена устаревших технологий, неэффективного очистного оборудования.

2. Проблема переработки шлаков. Шлаки цветной металлургии отличаются чрезвычайным разнообразием. Кроме того, на единицу выплавляемого металла их образуется больше, чем при выплавке чугуна и стали (на 1 т чугуна образуется от 0,2 до 1 т шлаков, при выплавке никеля - до 15 т, меди -10-30 т). В состав шлаков (кроме оксидов кремния, алюминия, кальция, магния, железа, марганца) входят такие ценные компоненты, как медь, никель, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы. Комплексная переработка шлаков включает несколько стадий, прежде всего предварительное извлечение цветных и редких металлов из шлаков. Содержание цветных металлов в шлаках пирометаллургических процессов во многих случаях превышает их содержание в исходных рудах.

3. Устранение или снижение выброса в атмосферу диоксида серы, так как цветная металлургия дает около 20% всех загрязнений атмосферы этим веществом. Решения этой проблемы нет пока даже в теоретическом плане. Это связано с тем, что чаще всего концентрация S0₂ в выбросах медеплавильного, свинцового, никелевого, цинкового производств значительно ниже того предела, при котором возможна эффективная переработка их на серную кислоту.

4. Улавливание пыли и газообразных вредных веществ (HF, С12, мышьяка и др.) из отходящих газов.

5. Введение оборотного водоснабжения. При производстве цветных металлов расходуются значительные количества воды. По усредненным данным, при производстве 1 т алюминия требуется 146 м³ воды, свинца и цинка - по 360, олова - 750, меди -775, титана - 960, никеля - 2420, вольфрама - 2470, молибдена -2480 м³ воды. Значительная часть потребляемой воды используется для технологических нужд (обогатительные фабрики, гидрометаллургические переделы, мокрая очистка газов и т. д.).

6. Сточные воды предприятий цветной металлургии содержат в своем составе грубодисперсные примеси, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов, сульфаты, хлориды, фториды и т. д. Существующие способы очистки позволяют существенно уменьшить концентрации этих элементов. Однако даже глубокая очистка сточных вод не может гарантировать сохранение качества водных объектов. Отсюда - необходимость перевода предприятий отрасли на бессточный режим работы, на организацию замкнутых циклов водоснабжения.

Машиностроение

Машиностроение - сложная и разветвленная отрасль промышленности, включающая в себя несколько сотен различных видов производств. В связи с этим трудно говорить о едином технологическом процессе отрасли. Каждое производство имеет свои технологические особенности. Однако ряд общих операций все же можно выделить. Технологический процесс машиностроения можно разделить на два вида.

Концентрированный технологический процесс применяется в большинстве случаев на мелкосерийном и индивидуальном производствах. При концентрированном технологическом процессе применяют универсальное оборудование, универсальный режущий и измерительный инструменты.

Дифференцированный технологический процесс применяется в крупносерийном и массовом производстве. При дифференцированном технологическом процессе четко выделяются стадии заготовки (механической обработки), сборки, окончательной обработки изделий.

1. Заготовки разделяются на следующие виды: отливки из чугуна и стали; отливки из цветных металлов и сплавов; поковки и штамповки из черных и цветных металлов; сортопрокат из черных и цветных металлов; сварные металлические заготовки.

Отливки из черных и цветных металлов получают различными способами. Так, например, грубые и громоздкие заготовки заливают в земляные формы; чистые и точные детали заливают в оболочные формы и кокиль. Методом литья можно получить фасонные детали сложной конфигурации, которые с помощью других видов производства (ковки, штамповки, сварки) изготовить невозможно. В литейном производстве примерно 95% всех отливок изготовляют в разовых формах. Разовая форма разрушается при извлечении из нее отливки. Для получения отливок плавку ведут в различных плавильных печах: вагранках, пламенных, электрических и др. Наиболее широко применяется вагранка.

Кованые и штампованные заготовки получают на кузнечно-прессовом оборудовании. Технологические требования, предъявляемые к конструкции деталей, изготовляемых свободной ковкой и штамповкой, резко отличаются друг от друга. В зависимости от исходного материала штамповку делят на объемную и листовую. Объемная штамповка заготовок производится преимущественно в нагретом, а листовая - в холодном состоянии. Сортопрокат из черных и цветных металлов, производимый металлургической промышленностью, режется на различные профили в заготовительных цехах машиностроительных заводов. Для этих целей применяется различное оборудование: пресс-ножницы, зубчатые и фрикционные пилы, реже специальные механические ножницы.

Сварные заготовки дают большую экономию металла (от 15 до 30%), поэтому применяются при изготовлении крупных и простых по конфигурации деталей и узлов, полученных сочетанием простейших геометрических поверхностей. Сварные соединения можно получить двумя способами: плавлением и давлением.

По виду энергии, используемой для нагрева металла, сварку разделяют на 6 групп: электрическую, химическую, механическую, лучевую, электромеханическую, химико-механическую.

Наиболее широкое применение получили электросварка (электродуговая, плазменная, электрошлаковая) и электромеханическая сварка.

2. Обработка металлов ковкой, штамповкой, сваркой, литьем не всегда обеспечивает заданные чистоту поверхности и размеры. В этих случаях производится обработка деталей химико-механическим, электрохимическим, ультразвуковым и некоторыми другими способами. Электрические, ультразвуковые

и другие способы обработки важны для вязких и термически обработанных деталей, а также для твердых сплавов.

Обработка металлов резанием, вследствие большой трудоемкости и значительных отходов металла в стружку, относится к сложным и дорогим технологическим процессам. Обработка металлов резанием составляет примерно 40% стоимости готового изделия.

3. Технологический процесс сборки машин является составной частью производственного процесса, при котором последовательно соединяют детали в подгруппы, группы, а из них получают готовое изделие. Технологическая организация производства сборки узлов машин зависит от вида производства - единичного, серийного или массового. Основные формы сборки машин - стационарная (стендовая) и подвижная.

Стационарная сборка характеризуется тем, что все детали и узлы подаются на собираемый пост (стенд).

При подвижной сборке собираемые узлы машины последовательно перемещаются по всем постам в определенный промежуток времени. Каждый пост оснащен специальным оборудованием и инструментом, необходимыми для выполнения работ.

4. Заключительная часть технологического процесса включает многочисленные отделочные работы - очистку, покраску, нанесение защитных покрытий и др.

Особо следует выделить: травление - один из способов очистки поверхности металлических изделий от окислов; гальванику - получение защитных, декоративных или обладающих определенными физическими свойствами покрытий из хрома, меди, цинка, олова, кадмия, серебра; окраску - покрытие готовой продукции различными красками и аэрозолями.

Учитывая многообразие производств и технологических процессов, воздействие машиностроения на природный комплекс и человека масштабно и разнообразно. Машиностроительные предприятия выбрасывают в воздушный бассейн пыль различного химического и гранулометрического состава, сернистый ангидрид, окись углерода, окислы азота, сероводород. Кроме того, выбрасываются масляный и сварочный аэрозоли, растворители ароматического ряда (бензол, толуол, ксилол, ацетон), углеводороды эфирного ряда (бензин, уайт-спирит), испарения гальванических ванн и др.

Состав выбросов зависит от технологии, специализации цехов. Если в составе завода есть сталеплавильные, чугуноплавильные агрегаты, литейное производство, производство проката, загрязнение атмосферы идет по типу металлургической промышленности - пыль, окись углерода, сернистый ангидрид. Особенно вредны для здоровья человека элементы, поступающие в атмосферу при процессах сварки и пайки. При сварке выделяются пары окислов железа и цинка, аэрозоли марганца, кремния, меди, а также фторидов, озона, окислов азота.

Применяемые в производстве теплоизоляционные и звукопоглощающие материалы могут быть источниками асбестовой пыли. Гальванические ванны - источник поступлений токсичных испарений (в частности, свинцовых) закалочных процессов. В красочных цехах преобладают испарения органических растворителей лакокрасочных материалов и аэрозоли пигментов.

При работе металлорежущего оборудования всех видов применяются смазочно-охлаждающие жидкости: масла, эмульсии, сульфофрезол. Аэрозоли этих веществ также попадают в воздух. Абразивная пыль выделяется при обработке всухую абразивными инструментами (шлифовальными и полировальными кругами и лентами).

Воздействие на водные ресурсы

Машиностроение вносит существенный вклад в загрязнение водных ресурсов, давая 10-13% от объема сбрасываемых сточных вод. Основными видами загрязнений сточных вод являются минеральные масла и механические взвеси - песок, окалина, металлическая стружка, пыль, флюсы и т. д. Концентрация взвесей может достигать 3000 мг/л. Содержание нефтепродуктов - 1200 мг/л.

Выделяются своей высокой токсичностью сточные воды травильных отделений и гальванических цехов. В этих цехах в технологических целях используют химические и электрохимические процессы, при которых образуются жидкие отходы, представляющие подчас сильные яды. Травильный раствор для стальных заготовок обычно состоит из серной или соляной кислоты. В сточных водах, образующихся при травлении цветных металлов и их сплавов, содержатся, кроме остатков кислот, входящих в состав травильного раствора, также катионы металлов из протравленных заготовок.

Химический состав и концентрация загрязнений в сточных водах гальванических цехов изменяются в зависимости от применяемых технологических операций. Основные составляющие этих загрязнений - неорганические соединения высокой токсичности, вызываемой ионами тяжелых металлов и цианистыми соединениями. Около 40% стоков составляют хромсодержащие сточные воды.

Твердые отходы

Состав твердых отходов машиностроительных предприятий отличается сравнительной однородностью - черные и цветные металлы, шлак, окалина, зола, горелая формовочная смесь, древесина, пластмассы, бумага и картон. Утилизируются главным образом металлы, централизованно сдаваемые предприятиям вторчермета и вторцветмета. Существует проблема использования других видов отходов. Они или вывозятся на свалки, или остаются на заводской территории, сильно загрязняя ее.

К числу специфических видов загрязнения машиностроения и металлообработки нужно отнести промышленные шумы и вибрацию. Интенсивный шум регистрируется практически во всех технологических процессах. В ряде случаев уровни звукового давления на рабочих местах превышают допустимые нагрузки на 10-30 дБ. Источниками аэродинамических и механических шумов и вибраций высоких уровней являются вентиляционные системы, насосы, компрессорные установки.

Целлюлозно-бумажная промышленность

Целлюлоза (С₆Н_|0О₅) - природный полимер, который входит в различном количестве в состав растительных клеток. Основным сырьем для получения целлюлозы является древесина, в состав которой входят: целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, смолы и минеральные вещества.

Свойства целлюлозы зависят от возраста и породы сырья. Преимущественно используются малосмолистые породы: ель, пихта, бук и др., хотя целлюлозу можно выделить из любых деревьев. Целлюлоза, полученная из хвойных пород дерева, более прочна, волокна ее длиннее. Недостатком современной технологии целлюлозно-бумажной промышленности России является ее ориентация на преимущественное потребление дефицитной хвойной древесины. Огромные же ресурсы древесины лиственных пород почти не осваиваются.

Производство целлюлозы сводится к удалению из древесины нецеллюлозных веществ и выделению чистой клетчатки.

Существуют два способа производства целлюлозы - сульфатный и сульфитный, различающиеся по способу воздействия на среду. При сульфитном (кислотном) на древесину воздействуют раствором бисульфата кальция и сернистой кислоты H₂S0₃. Обработка ведется в автоклавах при температуре 130-- 160°С и давлении до 6 атм. в течение 10-16 часов. За это время растворяется большая часть нецеллюлозных веществ и получается продукт, содержащий до 95% чистой клетчатки, - целлюлоза. По окончании процесса автоклав разгружают, целлюлозу отделяют от сульфитного щелока, промывают водой, обезвоживают, прессуют.

Если сульфитный способ применяют главным образом для переработки еловых и пихтовых балансов, то сульфатным можно перерабатывать любую древесину, в том числе отходы лесопиления и деревообработки. При сульфатном (щелочном) способе для варки целлюлозы применяют так называемый белый щелок - смесь гидрооксида натрия NaOH и сернистого натрия Na₂S.

В связи с различием реагентов, используемых в производстве, различно и воздействие на природу. При сульфатном способе загрязняется преимущественно воздушный бассейн, при сульфитном - водный. Предприятия, производящие целлюлозу по сульфитному способу, преобладают и составляют более 65% от числа предприятий отрасли. Большая часть отходов сульфит-целлюлозного производства поступает в водный бассейн, меньшая - в воздух и отвалы. Сточные воды данного производства различаются по типу основных загрязнителей.

1. Коросодержащие воды образуются при мокрой окорке древесины. Они загрязнены корой, количество которой составляет по весу 12-14% от обрабатываемой древесины. Этот сток имеет скипидарный запах, низкую прозрачность и высокое ВПК (100-200 мг 0₂/л). Кора ухудшает качество и состав воды в результате выделения смолистых веществ при ее разложении, а сам процесс разложения связан с потреблением растворенного в воде кислорода.

2. Волокно- и каолиносодержащие сточные воды образуются при производстве бумаги, картона, древесноволокнистых плит. Они загрязнены взвешенными веществами в виде целлюлозных, древесных волокон и наполнителей. Недостаточная промывка целлюлозы при пропаривании и горячем дефибрировании древесины приводит к повышению ВПК этого потока. Используемые в производстве красители тоже частично переходят в сточные воды. Потери волокна в сточных водах целлюлозно-бумажной промышленности составляют до 10% перерабатываемой целлюлозы. Отлагаясь на дне водоемов, волокно в анаэробных условиях загнивает, выделяя углекислый газ, аммиак; белковые соединения разлагаются с выделением сероводорода. На разложение волокна расходуется растворенный в воде кислород. Взвешенные волокна и наполнители засоряют жабры рыб, приводя к их гибели. Продукты гниения волокна придают воде неприятный вкус, загрязняют атмосферный воздух.

3. Щелокосодержащий поток образуется в варочном, промывном, очистном цехах, цехах переработки побочных продуктов. Вредное воздействие этого потока связано главным образом с нарушением кислородного режима водоемов. Этот поток имеет темно-коричневый цвет и интенсивно окрашивает природные воды, в результате солнечный свет проникает на меньшую глубину, процессы фотосинтеза тормозятся, и, следовательно, уменьшается кормовая база для рыб.

4. Кислотный поток в основном образуется в кислотном цехе сульфитно-целлюлозного завода, в отбельном цехе, при производстве пергамента и большинства видов бумаги. Эти воды содержат минеральные кислоты, в том числе серную кислоту. Сброс этих вод понижает рН и уменьшает количество растворенного в воде кислорода.

5. Хлорсодержащие воды образуются при приготовлении белильных растворов и в отбельном цехе. Они загрязнены свободным и связанным хлором, продуктами хлорирования целлюлозы, двуокисью хлора, щелочью, серной и соляной кислотами, некоторым количеством взвешенного волокна и извести. Особую опасность представляет ртуть, попадающая в сточные воды хлорного завода, где она применяется при электролизе поваренной соли. При охлаждении аппаратуры образуются условно чистые воды, их обычно используют в обороте или сбрасывают без очистки. Возникающие изменения температурного режима водоемов могут иметь нежелательные последствия.

Главным загрязнителем воздуха при сульфитном способе производства является сернистый ангидрид. В процессе отбелки целлюлозы атмосфера загрязняется газообразным хлором и двуокисью хлора. Кроме того, при получении этих веществ образуются такие токсичные соединения, как хлористый водород, пары ртути, сернистый ангидрид, щелочные аэрозоли.

В отвалы идут отходы лесной биржи - опилки и кора. Сульфитные щелоки могут использоваться для производства этилового спирта.

Сульфатный способ получения целлюлозы включает кипячение древесной щепы в "кипящем" щелоке при температуре 165-- 175°С и давлении 700-900 кг/м² в течение 3-5 ч. Полученную целлюлозу промывают, а промывную жидкость направляют на регенерацию. Промытая целлюлоза измельчается, сушится и иногда отбеливается. Основным источником выбросов является процесс концентрирования черной промывной жидкости в кипятильной емкости, где происходит выделение тиолов (меркаптанов) и небольших количеств гидросульфида. В процессе производства целлюлозы сульфатным методом образуются выбросы, содержащие диоксид серы и такие пахучие вещества, как метантион CH₃SH, диаметил-сульфид (CH₃)S, диметилдиаркофид (СН₃)₂S₂. Хотя больших выбросов не происходит, однако даже малые выбросы с низкой концентрацией вредных веществ образуют так называемый "сульфатный букет запахов".

Как и при сульфитном способе, сильным загрязнителем воздуха является отбельный цех. Кроме того, все перечисленные выше соединения, входящие в так называемый "сульфатный букет запаха", выделяются в результате нарушения герметичности из аппаратов и емкостей, служащих для хранения белого, черного и зеленого щелоков. Вредные газопылевые выбросы вызывают заболевания органов дыхания, усыхание деревьев, особенно лиственницы и осины. В результате оседания выбросов на почву снижается ее биохимическая активность, загрязняются грунтовые воды.

Водный бассейн загрязняется сульфат-целлюлозным производством в меньшей мере. Как и при сульфитном способе, для него характерен щелокосодержащий поток сточных вод, образующийся в цехах: варочном, промывном, регенерации соды и основания, переработки побочных продуктов. Особенно вредное воздействие на водоемы оказывают смолы, футурол, фенолы и серосодержащие соединения сульфатного щелока. Серосодержащие воды образуются в виде конденсатов варочного и выпарного цехов. Этот поток содержит сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид, диметилдисульфид, скипидар, метанол, имеет высокое ВПК. Неприятный запах, обусловленный наличием метилмеркаптана, не исчезает даже при разбавлении в 1000 раз, передается рыбам. Сброс этих вод приводит к гибели рыб, микроорганизмов, нарушению кислородного режима. Шламсодержащие воды образуются в результате отстаивания зеленого и белого щелоков. Они не могут быть сброшены в водоем без очистки, так как сильно повышают щелочность воды. В настоящее время шламлигнин обезвоживается и направляется в отвалы.

Большую опасность представляет загрязнение воды, воздуха и почв диоксинами и диоксиноподобными веществами, уровни содержания которых вблизи ЦБК резко возрастают. Загрязнение диоксинами связано с процессом отбеливания бумажной пульпы газообразным хлором и может быть ликвидировано лишь с внедрением новых технологий. Некоторые предприятия (Усть-Илимский, Братский, Котласский ЦБК и другие) начали работу по установке кислородных станций, которые переведут производство на бесхлорный метод отбелки. На территории России можно выделить несколько ареалов размещения целлюлозно-бумажной промышленности - бассейны Финского залива, Северной Двины, север Волго-Вятского и Уральского районов, Восточная Сибирь, остров Сахалин. Решающими факторами при размещении предприятий отрасли являются наличие значительных запасов древесины и крупных водных источников (современный крупный ЦБК потребляет столько воды, сколько город с населением 2 млн. человек).

Производство неорганических веществ

Производство серной кислоты

Серная кислота применяется в производстве минеральных удобрений, минеральных кислот и солей, искусственного волокна и пластических масс, при очистке нефтепродуктов, при травлении металлов и ряде других процессов. Серная кислота (H₂S0₄) - бесцветная тяжелая маслянистая жидкость. Исходным веществом в производстве серной кислоты является сернистый ангидрид S0₂. Для получения сернистого ангидрида применяется серный колчедан, элементарная сера, сероводородные и сернистые газы, выделяющиеся при переработке руд цветных и черных металлов, очистке нефти.

Производство серной кислоты осуществляется в промышленности двумя способами: контактным и нитрозным. Контактный способ основан на окислении S0₂ кислородом воздуха в серный ангидрид S0₃ при непосредственном контакте S0₂ и 0₂ на поверхности твердого катализатора. Нитрозный способ основан на окислении сернистого газа диоксидом азота в присутствии воды. Катализатором являются оксиды азота. Недостаток способа - потеря оксидов азота из-за неполного возвращения их в процесс и частичного выброса в атмосферу (т. н. "лисий хвост", по бурой окраске).

Производство серной кислоты является многотоннажным по объему выбросов, загрязняющим атмосферу и водоемы сернистыми соединениями, хотя в значительно меньшей степени, чем тепловая энергетика, черная и цветная металлургия. Над заводами, производящими серную кислоту, могут образовываться кислотные туманы. Технологические стандарты выбросов по диоксиду серы составляют 2 г/кг, по кислотному туману -0,75 г/кг. Для снижения концентрации диоксида серы и тумана серной кислоты в отходящих газах разработаны различные методы: аммиачный, содовый, кислотно-каталитический. Кислотно-каталитический метод основан на окислении диоксида серы в растворе серной кислоты в присутствии ионов марганца с получением разбавленной серной кислоты.

Производство азотной кислоты

Исходным веществом для получения азотной кислоты является аммиак - NHr Получение слабой азотной кислоты имеет три стадии:

1)окисление аммиака до окиси азота N0;

2)окисление окиси азота до двуокиси N02;

3)поглощение N02 водой с образованием азотной кислоты. Окисление аммиака проводится при температуре 800-900° С в присутствии катализатора, изготовленного из сплава платины и родия. Кроме платины, могут применяться менее активные катализаторы на основе окиси кобальта или железа с активирующими добавками. Для получения 1 т разбавленной азотной кислоты в установках с нормальным атмосферным давлением расходуется 300 кг аммиака, 100 м³ воды и 80 кВт /ч электроэнергии. Производство азотной кислоты - один из самых крупных источников выбросов оксидов азота в химической промышленности. Выброс HN0₃ может составлять до 3 кг на 1 т (в пересчете на 100%-ную кислоту).

Производство соды

Сода получается по методу Сольве, основанному на аммиачно-содовом процессе, с использованием в качестве исходного сырья хлорида натрия. Можно выделить следующие стадии технологического процесса:

- приготовление насыщенного раствора поваренной соли;

- осаждение и удаление примесей (ионов кальция и магния), насыщение аммиаком, получение аммиачного рассола;

- обработка рассола С0₂ (карбонизация), получаемым при термическом разложении известняка. В осадок выпадает бикарбонат натрия (пищевая сода), который после кальцинации прокаливанием переводится в карбонат натрия - кальцинированную соду.

При получении 1 т кальцинированной соды на конечной стадии образуется около 1 т хлорида аммония, раствор которого обрабатывают известковым молоком для регенерации аммиака.

Образующуюся дистиллярную жидкость (суспензию нерастворимых соединений в растворе СаС1₂ и NaCl) направляют в отстойники - шламонакопители. Их называют "белыми морями". Они занимают значительные площади и являются источниками загрязнения подземных и поверхностных вод. Содовый завод может занимать до 3-4 га под шламонакопитель.

Производство удобрений

К фосфорным удобрениям относятся суперфосфат и двойной суперфосфат, преципитат, фосфоритная мука.Сырьем для получения фосфорных удобрений служат природные фосфориты Са₃(Р0₄)₂ и апатиты Са₅(Р0₄)₃ ¦ (F, C1).

Фосфоритная мука получается путем дробления природного фосфорита, его сушки и размола; суперфосфат - путем разложения природного фосфорита серной кислотой; преципитат - путем нейтрализации фосфорной кислоты известковым молоком. Главные загрязнители при производстве фосфорных удобрений - фтористые соединения. Фториды присутствуют как в газообразном состоянии, так и в виде аэрозолей.

Калийные удобрения - это хлорид калия (КС1), сульфат калия (K₂S0₄) и калий-магнезия (K₂S0₄ ¦ 2MgS0₄). Сырьем для получения хлористого калия, наиболее распространенного калийного удобрения, является сильвинит mKCl * nNaCl и карна-лит MgCl₂ ¦ КС1 ¦ 6Н₂0. Производство калийных удобрений включает отделение хлористого калия сопутствующих солей методами избирательного растворения или флотации, при этом образуются значительные объемы отходов, особенно галитовых. Их складирование приводит к значительному засолению окружающих земель и подземных вод.

Азотные удобрения - мочевина (карбамид), аммиачная селитра, сульфат аммония. Наиболее ответственной операцией является синтез аммиака из азота и водорода в специальных колоннах при наличии катализаторов. Выбросы при производстве азотных удобрений содержат аммиак, формальдегид.

Для производств неорганической химии в целом можно выделить 3 основных загрязнителя - оксиды серы, азота, взвешенные частицы. Кроме того, можно отметить легко испаряющиеся неорганические соединения - Hg, HF, SiF₄, HC1 и др. галогеноводородные кислоты. Фиксируется около 400 ненормируемых загрязнителей, имеющих широкий диапазон опасных свойств (так называемые некритериальные загрязнители):

- аммиак - в производстве аммиака, нитрата аммония, фосфата аммония, сульфата аммония;

- хлороводород - в производстве соляной кислоты;

- фтороводород - в производстве фосфора, фосфорной кислоты.

Некритериальные загрязнители незначительны по объему и представляют сложную проблему для очистных сооружений.

Предприятия отрасли создают высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод и почв диоксинами и диоксиноподобными веществами. Основными источниками поступления диоксинов в окружающую среду являются:

- процессы получения хлорфенолов и продуктов на их основе;

- процессы получения замещенных хлорбензолов;

- синтез алифатических хлорпроизводных;

- процессы с хлорсодержащими промежуточными продуктами;

- процессы с применением хлорированных катализаторов и растворителей.

Шламы предприятий основной химии содержат отработанные соляную и серную кислоты, отходы производств кальцинированной соды, лигнин, фосфогипс, из которых используются лишь около 30%, остальные либо уничтожаются, либо складируются в специально отведенных местах. Количеством образующихся отходов выделяются предприятия по выпуску минеральных удобрений. Это фосфогипс при производстве фосфорной кислоты и галитовые отходы флотационного обогащения хлористого калия.

Промышленность строительных материалов

Отрасль включает большое число производств, начиная с добычи минерального сырья и заканчивая готовыми изделиями, используемыми в строительстве.

Выброс предприятиями отрасли вредных веществ в атмосферу производится в основном в виде пыли и взвешенных веществ (более 50% от суммарного выброса в атмосферу), оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота. Кроме того, в выбросах присутствуют сероводород, формальдегид, толуол, бензол, пятиокись ванадия, ксилол и другие вещества. Основными источниками загрязнения являются цементные, асбесто-цементные, известковые производства, предприятия по производству кровельно-изоляционных материалов, керамзитобетонные заводы, бетонное и асфальтобетонное производство.

На примере производства цемента. Сырьем для производства цемента служат известняковые и глинистые породы или их природная смесь - мергель. Сырье к обжигу готовят двумя способами, предварительно тщательно дозируя и смешивая, а затем тонко измельчая. При мокром способе загрузку сырья в шаровые и стержневые мельницы производят вместе с водой. Полученный шлам затем перекачивают в сушильную печь или обезвоживают вакуумными фильтрами, или сгущают до 20-50% содержания влаги. При сухом способе для сушки сырого материала используют горячие газы, образующиеся при работе специальных печей, или поток отходящих газов из обжиговой печи. Для производства шлама однородного состава порода должна быть мелко размолота и хорошо перемешана.

При дроблении по замкнутому циклу воздушные сепараторы возвращают грубую фракцию на мельницу для дальнейшего дробления, а мелкую - в бункера или хранилища.

Сухое сырье или влажный шлам кальцинируют в обжиговой печи. Продуктом обжига является цементный клинкер.

Во вращающейся наклонной печи, используемой для обжига шлама, удаляются углекислый газ и связанная вода; известняк, кремнезем, оксиды железа, глина превращаются в такие соединения, как кальциевые силикаты, алюминаты, ферриты. Клинкер формируется в нижней части печи - зоне спекания, где поддерживается температура 1300 - 1450°С. Выходящий из нижнего торца печи клинкер охлаждается в холодильнике 10-15 суток, затем поступает на тонкий размол.

Основным выбросом цементного производства в атмосферу является пыль, образующаяся на всех стадиях производства. Кроме того, при разогреве печи и операциях сушки выбрасываются аэрозоли, содержащие продукты сгорания топлива, включая оксиды азота и серы.

Пищевая промышленность

Отрасль представлена различными производствами. Технологические операции связаны с переработкой продуктов как растительного, так и животного происхождения, что приводит к различиям в характере выбросов. В результате деятельности предприятий отрасли ежегодно образуется значительное количество вторичных сырьевых ресурсов и отходов производства. Сточные воды, сбрасываемые в поверхностные водные объекты, являются высококонцентрированными по загрязняющим веществам и содержат органические вещества, сульфаты, фосфаты, нитраты, щелочи и кислоты. В сточные воды поступают остатки корма, поваренная соль, моющие и дезинфицирующие вещества, нитриты, болезнетворные микроорганизмы.

В а/сф. воздух от объектов пищевой промышленности поступают загрязняющие вещества от технологических процессов, сопровождаемых выбросами сильнопахнущих компонентов, сухих частиц животного и растительного происхождения, канцерогенных веществ.

Запахи часто взаимосвязаны с видимыми выбросами, но есть ряд производств пищевой промышленности, в которых запахи выделяются без визуально обнаруживаемых загрязнений - варка томатов, переработка специй, рыбы, костей.

Обычно запахи имеют комплексную природу с эффектом синергизма. Как все аэрозоли органического происхождения частицы пищевых продуктов обладают способностью к взрывам, и при работе с ними должны быть приняты меры предосторожности.

С/хоз. произ-во и ОС

Интенсивность ведения сельского хозяйства, привела к обострению экологических проблем. Одна из наиболее серьезных заключается в разрушении, засолении, загрязнении и необратимой гибели почв под влиянием водной и ветровой эрозии, воздействия сельскохозяйственных машин и орудий, потерь горючесмазочных материалов, а также других причин.

На долю водной эрозии приходится до 80 % всех эродированных почв, ветровой эрозии - 20 %. Эрозия, засоление почв и подтопление водой наносят ежегодный ущерб в 6 млн. га сельскохозяйственных земель. В ряде мест их продуктивность или не восполняется, или для этого требуется внесение 2 тыс. т плодородной почвы либо 500 т навоза на каждый гектар реабилитируемых угодий.

Стремление ввести в оборот дополнительные земли служит причиной уничтожения свыше половины всех лесов в мире, общая ежегодная вырубка которых достигает 11,6 млн. га. Это, в свою очередь, приводит к резкому повышению скорости смывания стекающей водой почвенного слоя. По имеющимся оценкам, смыв такого слоя мощностью в 20 см при наличии леса и прочих равных условиях требует 174 тыс. лет при наличии луга - 29 тыс. и при обычной обработке почвы - 100 лет. При полном отсутствии растительности указанный слой может быть уничтожен за 17 лет.

Примерно 2/3 российской пашни подвержено ветровой и водной эрозии на уровне, приводящем к потере плодородия, в частности, имеется более 400 тыс. оврагов площадью свыше 500 тыс. га. Снижение плодородия приводит к недобору с 1 га около 10 ц зерна. Эрозийные процессы наиболее распространены в Центральночерноземном, Поволжском, Северо-Кавказском регионах, во многих областях Урала и Сибири.

Ряд факторов, связанных с сельскохозяйственным производством, способствует загрязнению водного бассейна. К ним относятся хранение и внесение удобрении и пестицидов, часть которых при недостатке культуры производства смывается в водоемы, создавая угрозу окружающей среде и здоровью людей. Серьезными вопросами являются утилизация отходов растениеводства и животноводства, очистка их сточных вод.

Значительное количество отходов и побочных продуктов растениеводства (соломы, рисовой, соевой, хлопковой шелухи, древесных, зеленной части и т.п.) может быть использовано в промышленных установках по получению биогаза, спиртов, при производстве удобрений, в качестве корма сельскохозяйственных животных (барда), местного топлива, ионообменных агентов и сорбентов при очистке сточных вод от тяжелых цветных металлов. Навоз, наиболее крупнотоннажный отход животноводства, является прекрасным органическим удобрением, однако, если не организована его переработка и утилизация, может представить исключительную опасность для водоемов. Одно из основных направлений переработки навоза - его метановое сбраживание. При этом образуются биогаз и сброженная масса, приравниваемая по своему питательному действию к минеральным удобрениям, достигаются обеззараживание и девитализация (уничтожение семян сорных растении). Сброженный продукт можно применять сразу для внутрипочвенного внесения и орошения полей, приготовления компостов. Его использование позволяет получить экологически чистую продукцию с увеличением урожайности на 15-20%.

Жидкие стоки (сточные воды) животноводческих ферм - один из основных загрязнителей, образующихся в сельском хозяйстве. Они включают вещества органического и неорганического происхождения в растворенном и коллоидном видах. Их очистка предусматривает выделение грубодисперсных примесей отстаиванием в прудах-отстойниках, флотацией, мелкодисперсных частиц - адсорбцией или в центрифугах. Для глубокой очистки применяют методы адсорбции, химические и биологические. Для доочистки как финишной операции организуют пропускание стоков через заросли водорослей и высших водных растений. Наросшая биомасса пригодна как добавка к комбикормам. Однако наиболее эффективным направлением очистки сточных вод животноводческих комплексов является обработка их в метатенках с получением биогаза.