Физико-химические методы очистки сточных вод: отходы потребления и производства, тепловая ловушка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рособразование

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пензенская государственная технологическая академия

Кафедра « Промышленная экология »

Реферат

Тема:

Физико-химические методы очистки сточных вод: отходы потребления и производства, тепловая ловушка

Пенза 2011 год

Физико-химические методы очистки сточных вод (осмос, ультрафильтрация). Схема, оборудование

очистка бытовые отходы цикл карно

Введение

В процессах эксплуатации промышленного оборудования образуются сточные воды, которые требуют специальной очистки перед сбросом в канализационные системы. Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, аммонийный и нитратный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан, формальдегид и др.. Например, сточные воды заводов черной и цветной металлургии загрязнены большим количеством взвешенных минеральных веществ, содержат цветные металлы, сульфаты, хлориды, смолы и масла, серную кислоту, железный купорос. Нефтеперерабатывающие заводы и нефтепромыслы сбрасывают нефть и нефтепродукты, хлориды, взвешенные вещества, возможно присутствие железа и сероводорода. Большую опасность представляют сточные воды коксохимических предприятий: смолы, масла, фенолы, аммиак, цианиды, роданиды, большое количество солей неорганических кислот и взвешенных веществ. К сильно загрязненным сточным водам, трудно поддающимся очистке, относятся жидкие стоки целлюлозно-бумажных комбинатов: растворенные органические вещества, волокно, каолин и др. Машиностроительные и автомобильные заводы сбрасывают цианиды, хром, масла и окалину. Основные загрязнители текстильных предприятий - красители и СПАВ.

Условия приема промышленных сточных вод в канализацию населенных мест

Сточные воды любого промышленного предприятия содержат специфические загрязнения, которые должны удаляться до смешения со стоками другого производства или населенного пункта.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт свидетельствуют о возможной реализации бессточных систем путем повторного использования очищенных сточных вод. Значение повторного использования очищенных сточных вод в системах промышленного водоснабжения в полной мере зависит от конкретных местных условий, применяемых технологий и определяется главным образом возможностью и целесообразностью использования:

а) сточных вод в системах оборотного и повторного водоснабжения предприятия или цехов;

б) очистных и обеззараженных хозяйственно-бытовых сточных вод в техническом водоснабжении предприятий или цехов;

в) очищенных сточных вод одних предприятий для технического водоснабжения других предприятий или цехов.

В связи с этим разработаны «Правила приема производственных сточных вод в системы канализации населенных мест», направленные на предотвращение нарушений в работе очистных сооружений и безопасности их эксплуатации за счет правильной организации приема промышленных сточных вод в канализационную сеть населенных пунктов. Эти «Правила…» разработаны на основе «Правил охраны поверхностных вод» для расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ в производственных сточных водах с учетом требований к качеству очищенных вод в конкретных местных условиях.

Существуют три основных вида очистных сооружений для сточных вод - локальные, заводские, районные или городские.

Назначение локальных, или цеховых очистных сооружений заключается, прежде всего, в обезвреживании сточных вод или извлечении ценных компонентов непосредственно после технологических установок или цехов. На локальных установках механической очистки, коагуляции, электроосаждения, фильтрования, ультрафильтрации и др. очищают сточные воды, которые нельзя направлять без предварительной очистки в систему повторного и оборотного водоснабжения, на общие заводские либо районные очистные сооружения.

Многие крупные предприятия располагают общезаводскими очистными сооружениями, которые имеют установки для механической, физико-химической и биологической очистки.

Районные или городские очистные сооружения предназначены для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод района. При совместной очистке сточных вод, в последних регламентируется содержание растворимых, взвешенных и всплывающих веществ, продуктов, способных разрушать или засорять коммуникации, взрывоопасных и горючих веществ, а также температура.

Выбор метода очистки зависит от концентрации загрязнений в сточных водах и количества твердых отходов, образующихся в основном производстве и на стадии очистки, а также от эколого-экономических показателей процесса.

По этим причинам сточные воды промышленных предприятий должны подвергаться обязательной локальной очистке, основной целью которой является:

максимальное снижение потерь сырья со сточными водами;

снижение потребления чистой воды;

сокращение сброса сточных вод по объему и количеству загрязняющих веществ в водоемы;

снижение объема внезаводских очистных сооружений и капитальных вложений в их строительство.

Методы и оборудование для очистки технической воды и промышленных стоков

При очистке сточных вод промышленных технологий применяют методы фильтрования, осаждения, флотации, коагуляции, нейтрализации и др. Перспективными являются методы, использующие процессы мембранной технологии, электрокоагуляцию, озонирование, биологическую очистку.

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, электродиализ. Преимущества этих методов заключаются в возможности ведения процесса при нормальной температуре без фазовых превращений и при меньших энергетических затратах, чем в других методах очистки, простоте оформления аппаратуры, высокой степени разделения, позволяющей увеличить выход готового продукта.

Процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации ведут под избыточным давлением и относят их к группе баромембранных процессов, в которых перенос молекул или ионов растворенных веществ происходит через полупроницаемую перегородку под давлением, превышающим осмотическое. Под осмосом понимается самопроизвольный перенос растворителя через мембрану.

Ультрафильтрация

Возможность по применению этого метода показана в исследованиях, проведенных во ВНИИВОДГЕО на аппарате типа фильтр-пресс с использованием ультрафильтрационных мембран марок УАМ-500, УАМ-200, УАМ-150, УАМ-50 (цифра обозначает средний диаметр пор мембраны в Ангстрем).

Установлено, что производительность ультрафильтратов по пермеату практически одинакова для всех марок мембран [10 л/ (сут-м²)]. Содержание масла в очищаемой жидкости может быть снижено до 8 - 10 мг/л. Степень концентрирования фильтруемой эмульсии зависит от ее стойкости: наиболее стойкие эмульсии, например приготовленные на основе эмульсола ИХП, можно концентрировать до содержания масел 500 г/л. Недостатком этого метода является малая производительно ультрафильтров, что значительно сдерживает его широкое применение. Для повышения производительности ультрафильтров целесообразно применять их промывку растворами поверхностно-активных веществ (например, 6%-ным раствором препарата Лабомид-161). Такую промывку следует проводить через 150 - 200 ч работы установки, при этом производительность мембран, повышается в 2 - 3 раза.

Во ВНИИВОДГЕО проведены также исследования метода ультрафильтрации с использованием в качестве фильтрующего элемента фрагментов трубчатых модулей из фторопласта типа БТУ с диаметром пор 500 А (50 нм). Полученные результаты показали, что для реального диапазона концентраций масел в отработанных СОЖ (10 - 25 г/л) производительность мембран и величина ХПК пермеата практически не зависят от исходной, концентрации масел в сточной воде. При этом конечная ХПК очищенной жидкости не зависит также от времени работы установки и составляет 100 - 150 мг*О/л. Проницаемость мембран составляет 10 - 15 л/ (м2ч).

Как следует из приведенного обзора, в разработке эффективных методов очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод в последние годы достигнуты определенные успехи. Построены и введены в постоянную эксплуатацию установки по очистке маслосодержащих сточных вод методами коагуляции, электрокоагуляции, реагентной напорной флотации. Значительное количество установок на предприятиях машиностроительной и металлургической промышленности строится. На одном из завалов действует опытно-промышленная установка для очистки маслосодержащих сточных вод методом ультрафильтрации. Очищенные маслосодержащие сточные воды вместе с другими сточными водами предприятия поступают обычно на городские очистные сооружения.

Осмос, ультрафильтрация. Схема, оборудование

В настоящее время мембранные методы очистки сточных вод - обратный осмос, ультрафильтрация, являются перспективной альтернативой существующим методам очистки. Сущность этих новейших методов в следующем: обрабатываемый раствор, в том числе и раствор сточной воды, вводится в соприкосновение с полупроницаемой перегородкой с одной стороны. Вследствие свойств полунепроницаемых мембран, прошедшая через мембрану жидкая смесь обогащается только одним из компонентов растворенных веществ, таким образом мембрана позволяет осуществить разделение смесей.

У методов обратного осмоса и ультрафильтрации много общего. Движущей силой этих процессов является градиент давления: давление растворов по обеим сторонам мембраны неодинаково. Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие полностью растворитель (например воду) и полностью, либо частично задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ (например ионы ртути, хрома, нефти). Осмос - это самопроизвольный переход растворителя через полунепроницаемую перегородку в раствор. Давление при котором наступает равновесие называется осмотическим. При дальнейшем повышении давления, на раствор направление потока молекул растворителя (воды) изменяется на противоположное и из более концентрированного путем переноса через мембрану выводится чистый растворитель.

Между процессами обратного осмоса и ультрафильтрации существует только одна разница- давление ультрафильтрации меньше осмотического и может находиться в пределах 3-10 кгс/см2. Различие между обратным осмосом и ультрафильтрацией состоит в том, что при ультрафильтрации разделяются низкоосмотические растворы молекулярной массой больше 500, а при обратном осмосе разделяются растворы низкомолекулярных веществ с высоким осмотическим давлением.

Движущая сила ультрафильтрации и обратного осмоса определяется разностью рабочего давления Р и осмотического давлений разделяемого раствора у поверхности мембраны П₃: ДР = Р - П₃, а с учетом осмотического давления пермеата П₂

Рабочее давление при обратном осмосе составляет 5-8 МПа.

Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, где молекулярная масса компонентов больше молекулярной массы растворителя, например, для водных систем, в которых один из компонентов имеет молекулярную массу выше 500. Осмотическое давление высокомолекулярных соединений мало, что позволяет проводить ультрафильтрацию при невысоком давлении. С помощью ультрафильтрации разделяют растворы высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Процесс выделения из раствора коллоидных частиц размером 0,1-10 мкм при давлении порядка десятых и сотых долей мегапаскалей относится к микрофильтрации и занимает промежуточное положение.

В отличие от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка откладывается на поверхности мембраны, при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Баромембранные процессы позволяют разделить частицы по размерам, мкм: обратный осмос - 0,0001-0,001, ультрафильтрация - 0,001-0,02 и микрофильтрация - 0,02-10.

При деминерализации сточных вод и различных смесей используют диализ и электродиализ,

Диализ является диффузионным процессом разделения веществ в результате их неодинаковой диффузии через мембрану. По существу диализ является разновидностью ультрафильтрации.

Мембранная технология может быть эффективно использована во всех отраслях промышленности для очистки нефтесодержащих сточных вод, сточных вод гальванических, медицинских, пищевых производств, для минерализации и обессоливания воды.

Мембранные системы более компактны, просты в обслуживании, чем традиционные системы очистки сточных вод, имеют более низкие эксплуатационные расходы.

Кроме того при выборе мембран необходимо учитывать свойства рабочих растворов (температуру, агрессивность).

Методы мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды, условно делятся на микрофильтрацию, ультрализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности очистки сточных вод от растворенных примесей достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.

Обратный осмос и ультрафильтрацию применяют в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды. По способу укладки мембран эти устройства делятся на несколько типов.

Аппараты типа фильтр-пресса с плоскими мембранами широко применяют для очистки сточных вод; они просты в изготовлении и сборке, но имеют невысокую удельную производительность, что обусловлено небольшой плотностью укладки мембран (60--300 м²/м ). Аппарат состоит из плотно сжатых между двумя фланцами плоских фильтрующих элементов прямоугольной или круглой формы, разделенных тонкими (например, паронитовыми) прокладками.

Фильтрующий элемент состоит из опорно-дренажной пластины 1, воспринимающей высокое давление и обеспечивающей отвод фильтрата, и полупроницаемых мембран 2. Опорно-дренажные пластины выполняют пористыми (из прессованных порошков полимеров, металлов, керамики, а также из сочетания различных материалов) или сплошными (например, из винипласта), с каналами для отвода фильтрата. В качестве полупроницаемых мембран в таких аппаратах обычно используют полимерные пленки: ацетилцеллюлозные (марок МГА и УАМ), нитроцеллюлозные, поливинилхлоридные, поликарбонатные, нейлоновые и др. Иногда используют так называемые динамические мембраны, получающиеся при пропускании через грубопористые подложки раствора с диспергированными коллоидными частицами.

Рабочая поверхность мембран, выполненных в форме полых волокон малого диаметра (45--200 мкм), достигает 20 тыс. м /м объема (рис. 7.27). Надежность работы таких аппаратов относительно невелика, поскольку полые волокна легко повреждаются и заиливаются. Кроме того, происходит значительная концентрационная поляризация жидкости в камере аппарата, что обусловлено небольшой скоростью ее перемещения.



Циркуляционные установки, обеспечивающие многократную циркуляцию разделяемого раствора, позволяют повысить скорость потока раствора в каналах и снизить тем самым отрицательный эффект концентрационной поляризации, а также предотвратить кольматацию мембран. Многоступенчатые установки применяют при очистке «тяжелых» стоков со значительной концентрацией солей или других примесей. При использовании таких установок уменьшение расхода раствора на каждой ступени (в результате отвода фильтрата) должно быть в пределах 10--60% от исходного.

Все системы обратного осмоса требуют предварительной обработки исходных сточных вод для снижения их мутности, цветности, щелочности и жесткости. Исходную воду с повышенным содержанием железа и марганца не рекомендуется направлять в системы обратного осмоса.

Для очистки мембраны промывают пульсирующим потоком чистой воды или фильтрата (иногда в смеси с воздухом), растворами этилендиаминтетрауксусной (или другой) кислоты и гекса-метафосфата натрия. Иногда применяют ультразвуковую обработку, вводят в исходный раствор полиуретановые шарики и т. д.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе выделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше.

Изготавливаемые установки типа УГОС, УРЖ (НИИТОП, Нижний Новгород); УСОВО-2.5-001 (ПО «Точрадиомаш», Майкоп); ДРКИ (СБНПО-Биотехмаш, Москва); УМГ (АО «Мембраны», Владимир) сложны при эксплуатации, используются в редких случаях.

Отходы производства и потребления. Твердые бытовые отходы

Отходы производства и потребления

Отходы производства и потребления - это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства. Отходы производства и потребления поступают в окружающую среду в больших количествах, в частности только в Москве ежегодно образуется 20 млн.мі так называемых твердых бытовых отходов и около 5 млн.т промышленных нетоксичных отходов. В общей сложности в Российской Федерации накоплено около 7 млрд.т. отходов, из которых 1 млрд.т. - опасные отходы. В среднем на каждого жителя РФ вырабатывается (накапливается) до 15 т. различных твердых бытовых отходов в год. Отходы в значительных количествах образуются во всех базовых отраслях промышленности (сельское хозяйство, энергетика, металлургия, строительство, транспорт, горнодобывающее производство), а также в быту.

Отходы представляют собой неоднородные по химическому составу, сложные многокомпонентные смеси веществ, обладающих разнообразными физико-химическими и физико-механическими свойствами. Общая направленность химического и вещественного состава отходов обусловлена взаимодействием компонентов, биологическим разложением и ассимиляцией веществ.

Твердые бытовые отходы

Твердые бытовые отходы (ТБО) - совокупность твердых веществ (пластмасса, бумага, стекло, кожа и т.д.) и пищевых отбросов, образующихся в бытовых условиях. Человечество на сегодняшний день придумало множество видов деятельности по обращению с твердыми бытовыми отходами: хранение, транспортирование, утилизация, складирование и даже добывание из обыкновенного мусора энергии. Твердые бытовые отходы я бы хотел рассмотреть подробнее в следующей главе.

Структура ТБО

Таблица 2.Состав ТБО в некоторых городах (Денисов, 2008)

Составляющий компонент ТБО	Москва	Харьков	Владимир
Гниющие пищевые отходы (овощные очистки, остатки пищи)	36,8	47	44
Целлюлозное волокно (бумага, картон)	36,4	29,3	22
Стекло	5,6	-	9
Металлы	3,4	1,8	8
Кожа, текстиль	1,6	2,1	5
Древесина	2	2	1
Шлаки, пыль	0,9	-	1
Пластические массы (упаковочные материал)	0,7	-	5
Прочие ТБО	7,1	4,7	5

В таблице 2 приведен состав ТБО двух городов России, а также Харькова (Украина). Однако с начала 90-х годов прошлого века, среди ТБО все большее место занимают пластмассы и синтетические материалы, а также упаковка. В структуре развитых стран выделяются макулатура и органические отходы (около 20 % в среднем, увеличиваясь до 60 % в южных странах). К 2000 г. в наибольшей степени увеличился объем пластмассовых отходов. Так, если в 1970 г. в США объем пластмассовых отходов составлял 3 млн. т., в 1986 г. - 10,3 млн. т., то в 2000 г. уже свыше 15 млн. т. Аналогичная тенденция наблюдается в России. Количество бытовых отходов в расчете на одного человека увеличивается примерно на 1-4 %, а по массе на 0,2-0,4 % в год и в настоящее время составляет (кг/год): в благоустроенных зданиях - 210-225, в неблагоустроенных зданиях - 360-450.

Сбор, временное хранение и транспортирование твердых бытовых отходов

Надлежащая организация сбора, хранения и транспортировки отходов вносит большой вклад в оздоровление окружающей среды. В США, где норма накопления ТБО в 2-3- раза больше, чем в России, на их удаление и обезвреживание расходуется около 10 млрд. долларов в год, причем больше половины этих средств идет на сбор и транспортировку.

В России существующая схема сбора твердых бытовых отходов включает следующие операции: 1) в зоне многоэтажной застройки сбор производится в металлические контейнеры, устанавливаемые на специальные контейнерные площадке; 2) с целью вывоза ТБО применяют спецтранспорт:

- с различными механизмами загрузки-выгрузки отходов, характером процесса уплотнения отходов;

- с различной вместимостью кузова: мини-мусоровозы (7-10 мі), средние (16-45 мі) и большегрузные (более 45 мі).

Следует всячески фиксировать сортировку и селективный сбор ТБО, причем при любом способе транспортирования. Это более сложный путь, но в то же время выгодный с экономической и экологической точки зрения.

За рубежом уже давно с активным участием населения практикуется раздельный сбор ТБО: в отдельные контейнеры складываются пищевые отходы, макулатура, стеклотара, металлолом. С населением заблаговременно проводится разъяснительная работа, которая вполне оправдывает себя в ряде промышленно-развитых стран: в Германии, США, Канаде, Японии и некоторых других. Например, в Финляндии, богатой лесом не менее России, сортируют даже макулатуру: газетная бумага, картон, книжная бумага собираются в отдельные чистые контейнеры, каждый из которых выкрашен специальной краской в определенный цвет.

Сжигание ТБО - диоксиновая опасность

В мировой практике наибольшее распространение получили следующие инженерно-технические методы обращения с ТБО:

1) сжигание на мусоросжигательных заводах;

2) предварительная сортировка, утилизация и реутилизация ценных веществ из отходов; 3) компостирование с получением азотного удобрения или биотоплива;

4) ферментация (получение биогаза);

5) пиролиз ТБО - высокотемпературный (около 1700єС) нагрев без доступа воздуха;

6) строительство полигонов для длительного захоронения отходов (с возможностью их частичной переработки).

Сжигание твердых отходов в кострах или примитивных печах нельзя считать целесообразным ни с экономической, ни, тем более, с экологической точек зрения. При этом не только загрязняется воздушная среда, но и не используется образующаяся тепловая энергия. Ряд специалистов считает, что оно может быть оправдано только в том случае, если сочетаются утилизация тепловой энергии и очистка отходящих газов. Такой процесс происходит на мусоросжигательных заводах (МСЗ), которые имеют паровые или водогрейные котлы со специальными топками. Температура в топке должна быть не менее 1000 °С, чтобы сгорели все дурно пахнущие примеси.

Выбор сжигания или компостирования для обезвреживания твердых отходов зависит от местных условий. В интересах сельского хозяйства, очевидно, компостировать отходы целесообразнее в Нечерноземных районах. Что касается мусоросжигания, оно как способ использования ТБО должно рассматриваться как пройденный этап. Например, в европейских странах за последние 10 лет не введен ни один мусоросжигательный завод; сжигают лишь то, что остается после сортировки и утилизации. Это, в частности, объясняется тем, что при сжигании мусора с самым разнообразным сочетанием компонентов образуется огромное количество вредных веществ, таких как диоксины, фосген, синильная кислота и другие, а также золы и шлаки неизвестного состава и с непредсказуемыми свойствами. Например, при сжигании 1 т городского мусора в среднем образуется около 25--34 кг летучей золы.

Диоксины -- общепринятое название группы органических веществ, которые относятся к классу полихлорированных полициклических соединений (ПХ ПС). Под этим названием объединено более 200 веществ.

Диоксины признаны наиболее опасными веществами -- супертоксикантами. Борьба с ними объявлена мировым сообществом специальным документом -- Стокгольмской конвенцией, открытой для подписания 23 мая 2001 г. Через год Россия присоединилась к указанной Конвенции.

Утилизация твердых бытовых отходов городов

В большинстве стран мира, прежде всего развитых, для утилизации существует унифицированная система, которая позволяет депонировать или переработать каждый компонент. Указанная система в общем виде состоит из трех взаимодополняющих и связанных между собой блоков:

1) рециклинг или повторное использование;

2) собственно утилизация, направленная, прежде всего, на сокращение объемов ТБО;

3) депонирование или складирование.

Соотношение между собой блоков этой системы определяется спецификой страны (площадь, уровень развития техники и технологии, отношение населения к проблеме) и самой структурой отходов. Так, наиболее экологически обоснована эта система у относительно маленькой и технологически развитой Японии, где наибольшее количество твердых отходов направляется в повторное производство. Напротив, в такой крупной стране, как США, 80 % отходов складируется. То же самое относится и к России, где около 140 млн м³ ТБО/год складируется на площади около 100 км² пригородных земель под полигонами.

Рециклинг (рециклизация). Это повторное использование какого-то ресурса после его обработки, делающей его пригодным для такого использования. Процесс использования вторичного сырья превращен в большинстве стран в особого рода производственную деятельность, сектор бизнеса.

Главное в процессе рециклинга -- селективный (избирательный) сбор, сортировка отходов и подразделение на категории. При разделении отходов по категориям выделяют:

- отходы, которые могут быть использованы для производства аналогичной продукции (стекло, бумага, металлы, пластмассы);

- отходы, содержащие опасные или особо ценные компоненты (аккумуляторы, батарейки, некоторые виды пластмасс)

Сепарация (разделение) определяет в большой степени успешность рециклинга. Например, на мусороперерабатывающих заводах черные металлы выделяются методом магнитной сепарации, цветные металлы -- с помощью переменного магнитного поля или методом дробления с последующей пневмовибросепарацией.

Внедрение предварительной сортировки позволяет вдвое сократить количество ТБО, направляемых на сжигание или захоронение. Так, в США извлекается и повторно используется 60 % металлов, 50 % макулатуры, 40 % стекла, содержащихся в ТБО. Во Франции в 2005 г. из макулатуры ТБО произведено до 56 % бумаги.

Рециклизация становится все более выгодной в развитых странах, а потенциальная прибыль данной отрасли привлекает к ней все новые и новые фирмы. Более того, во многих западных странах фирмы борются за доступ к рынку отходов, к бизнесу очистки. А государство постоянно поддерживает режим наибольшего благоприятствования, стимулирующий рециклизацию.

Мусороперерабатывающие заводы: отходы в доходы. Расчеты показывают: вывозить содержимое мусорных контейнеров на свалку (полигон) нецелесообразно ни в экологическом, ни в экономическом отношениях. С каждым годом растет ценность ТБО как комплексного сырья. Это становится понятным, если учесть, что в его составе содержится около 20--40 % макулатуры, 2--3 % черных и цветных металлов, 25-40 % пищевых отходов, 1-5 % пластмасс, 4-6 % стекла, 4--6 % текстиля и др. С другой стороны, на фоне повышения стоимости городских земель, расширения строительства загородных домов, поселков, дач и т. п. существующие свалки (полигоны) стремительно заполняются или уже переполнены. Так, существующие полигоны в Подмосковье заполнены более чем на 90 %.

В этих условиях предпочтительна организация двухступенчатой системы сбора и переработки, при которой отходы везут не на свалку, а на расположенные в черте города мусороперерабатывающие заводы (МПЗ). Там отходы сортируют, измельчают, уплотняют, прессуют, извлекают из них полезные материалы, а остатки направляют на свалки.

Вторичная переработка (реутилизация). Имеется много способов вторичной переработки различных типов мусора, причем постоянно предлагаются новые. К настоящему времени наиболее широко применяемые технологии таковы:

- извлеченную бумагу снова измельчают до состояния пульпы, из которой далее изготовляют различную бумажную продукцию; ее можно также перемалывать и продавать как целлюлозную изоляцию, измельчать и компостировать;

- стекло дробят, плавят и делают из него новую тару, дробят и используют вместо гравия или песка при производстве бетона и асфальта;

- пластмассу переплавляют и изготавливают из нее «синтетическую древесину», устойчивую к биодеградации и могущую использоваться как материал для различных ограждений, перил, столбов, настилов и других сооружений, эксплуатирующихся под открытым небом;

- металлы плавят и перерабатывают в различные детали; получение алюминия из лома позволяет экономить до 90 % электроэнергии, необходимой для его выплавления из руды;

- старые покрышки переплавляют с последующим изготовлением новых резиновых изделий;

- текстиль измельчают и используют для придания прочности макулатурной бумажной продукции;

- пищевые отходы и садовый мусор компостируют с получением органического удобрения.

Компостирование твердых бытовых отходов

На многих МПЗ осуществляется промышленная переработка ТБО в органическое удобрение -- компост. Его получают в результате разложения растительных и животных остатков микроорганизмами. Для этой цели используют навоз, навозную жижу и помет птиц в смеси с различными видами торфов, городской мусор, опавшие листья деревьев, солому и другое. При компостировании в органической массе повышается содержание питательных веществ (азота, фосфора) в усвояемой растениями форме, обезвреживается патогенная микрофлора, уменьшается количество целлюлозы и пектиновых веществ; удобрения становятся сыпучими, что облегчает их внесение в почву. Разные по составу и способу приготовления компосты применяют под многие культуры, выращиваемые на различных почвах. Компосты часто используют вместо остродефицитных органических удобрений (навоз, торф).

Складирование (депонирование) отходов

Складирование (депонирование) -- это наиболее распространенный способ обращения с твердыми бытовыми отходами городов в большинстве стран.

Неконтролируемые (несанкционированные) свалки. До сих пор основным местом, куда в наших городах вывозят ТБО, являются фактически неконтролируемые свалки (таблица 3).

Пункт 10 (прочие) может включать различные объекты - от обочин автомобильных дорого до летних зон отдыха, особенно вблизи водных объектов.

Анализ характера образования несанкционированных свалок позволят выделить две формы подобных объектов: это собственно несанкционированные свалки, представляющие собой скопление отходов на территории 0,2-0,5 и более га, и захламления территории, представляющие собой аморфные, без четко выраженных границ скопления твердых бытовых и строительных отходов.

Таблица 3.Виды муниципальных (городских) свалок (Денисов, 2008)

№ п/п	Классификационное наименование свалки	Место возникновения
1	Дворовая	Жилой массив; внутриквартальный жилой комплекс; дворовый комплекс
2	Общепитовская	Вблизи мест общественного питания (рестораны, кафе,точки продажи продуктов)
3	Магазинная	Вблизи объектов торговли
4	Рыночная	Вблизи рынков, ярмарок, в том числе и несанкционированных
5	Привокзально-таможенная	Вблизи вокзалов и таможен
6	Медицинская	Вблизи больниц, санитарных и ветеринарных пунктов и т.п.
7	Эпизодическая	Вблизи строек, в пригородных зонах отдыха, в лесополосах и лесопарковых массивах и т.п.
8	Промхозная	Вблизи действующих промышленно-хозяйственных объектов
9	Войсковая	Вблизи мест дислокации армейских частей и их складов
10	Прочие	По мере поступления мусора

 Энергоемкость отходов и ее использование

Растения, городские отходы, отходы сельского хозяйства, будучи биомассой, занимают все более заметное место в качестве дополнительного, экологически чистого, постоянно возобновляемого источника энергии. Внимание, уделяемое в последние года потенциальной энергии отходов, связано как с постоянно растущим дефицитом ископаемых топлив, угля, нефти, природного раза, так и с поисками им замены.

Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, а также дальнейшая урбанизация неизбежно приведут к тому, что количество разнообразных органических отходов в ближайшие десятилетия резко увеличится. А это значит, нужно будет принимать неотложные меры по их утилизации. Переработка отходов, т. е. биомассы, позволит, таким образом, Неопределенной степени решить и экологическую, и энергетическую проблемы. По предварительным подсчетам, только из отходов, производимых ежегодно в бывших странах СНГ, перевозка которых не требует значительных затрат, можно добывать биогаз в количестве, эквивалентном 100 млн. условных тонн. И кроме того, получать 150-160 млн. т высококачественных органоминеральных удобрений, содержащих 6,25 млн. т азота, 3 млн. т фосфора и 7,5 млн. т оксида калия в виде минеральных солей, легко усваиваемых растениями. Следовательно, при переработке биомассы решается и еще одна проблема -- продовольственная. Получение биогаза весьма перспективно. Его можно использовать как топливо в энергоустановках, в двигателях внутреннего сгорания, в котлах, а также в качестве сырья для производства белковых концентратов. Кроме того, утилизируя стоки, животноводы решают и экологические проблемы.

Подавая биогаз на электростанцию, можно выработать электроэнергию потребительского напряжения. В настоящее время за рубежом газ, образуемый на свалках все чаще рассматривают как альтернативный источник энергии в США его добыча считается коммерчески выгодной. В Германии системы экстракции биогаза и его переработки действуют на 35 полигонах ТБО, в Великобритании -- на 25. Во многих развитых странах биогаз улавливается и обезвреживается из чисто экологических соображений.

Из каждой тонны отходов образуется до 250 м³ биогаза, в составе которого 50--60 % составляет метан, 30--45 % С0₂, 1-2 % H₂S и около 1--2 % -- соединения азота и водорода, кислорода! других (всего 32 компонента). В результате очистки от приме и осушения теплота сгорания биогаза может достигать 80 % родного газа и довольно эффективно использоваться в качестве топлива. Однако для достижения таких показателей требуется предварительное отделение ТБО от негорючих материалов, оборудование подземного резервуара, создающего анаэробные условия, обеспечение условий ферментативного разложения.

Отходы как топливо. Содержание в отходах органического вещества позволяет использовать их непосредственно как топливо, хотя и низкокалорийное. Тем не менее, одна тонна мусора, разным оценкам, эквивалентна 200-280 кг угля или 150 кг мазута.

Предусмотрено, что самые ценные материалы, содержащиеся в отходах, -- железо и алюминий -- извлекаются из золы. Сама зола не подвержена ни разложению, ни усадке, ее можно использовать в качестве наполнителя при строительстве дорог, насыпей и т. д.

Брикетирование и грануляция ТБО. Эта технология направлена на производство из ТБО твердого топлива с последующим сжиганием в отопительный сезон. В результате предварительного отбора и высушивания органической фракции ТБО теплота сгорания таких гранул и брикетов возрастает в 2 раза, полученное топливо хранится длительно время, транспортируется. По сравнению с непереработанным мусором зольность и влажность такого топлива существенно сокращается, меньшее включение металлических фракций приводит к уменьшению токсичности. Такая установка многие годы успешно работает в Донкастере (Великобритания), производя 350 тыс. т гранулята в год. В Японии гранулы размером 2,5 мм, произведенные из ТБО с использованием армирующей нити, используются при произволе строительных материалов, бетона или раствора, причем гранулы смешиваются с золой или шлаком.

Пиролиз, или высокотемпературное разложение ТБО. Технологии на основе пиролиза -- активно развивающийся в последнее время способ переработки ТБО, направленный на получение из них максимального количества газа и нефтеподобных жидких продуктов. Пиролиз -- высокоэффективное обезвреживание отходов и их энергетическое использование в качестве топлива и сырья для химической промышленности, что в целом способствует сокращению выбросов в атмосферу.

Тепловая ловушка (цикл Карно)

Прямой цикл Карно

Как известно, все тепловые двигатели, превращающие тепловую энергию в механическую, работают по круговым циклам или термодинамическим циклам - идеальный цикл теплового двигателя (прямой цикл Карно) и цикл холодильной машины (обратный цикл Карно).

Рассмотрим прямой цикл Карно. Для этой цели возьмем идеальную систему, состоящую из горячего источника тепла, рабочего тела и окружающей среды. Параметры источника тепла Т_г, S_г, температура окружающей среды Т₀. Рабочее тело в конечном итоге не совершает работы за счет своей собственной энергии. До начала работы и после ее завершения все параметры рабочего тела и его полная энергия остаются в точности теми же самыми. Иначе говоря, рабочее тело изменяет свои параметры по какому-то циклу, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Суммарная работа окружающей среды над телом равна нулю; никаких потерь работы нет; энтропия системы остается неизменной (DSc=0); все процессы обратимые.

При отдаче горячим источником рабочему телу тепла dQ₁ тело произведет суммарную работу dL и, для того чтобы вернутся в первоначальное состояние, отдаст окружающей среде тепло dQ₂. При этом энтропия горячего источника уменьшится на величину dS_г = dQ₁/T₁, а энтропия холодного источника возрастет на dS_x = dQ₂/T₀ .

Поскольку согласно второму закону термодинамики энтропия рассматриваемой изолированной системы уменьшаться не может, то при dS_г < 0 всегда будет dS_x > 0, а следовательно, и dQ₂ > 0. Значит, совершая работу с помощью циклов, тепло должно не только подводится, но и обязательно отводиться.

В идеальном случае, когда достигается максимальная работа, dS_г + dS_x = 0 и величина dQ₂ является минимальной. Таким образом,

-dQ₁/T_г = dQ_{2 min}/T₀, или

dQ_{2 min} = T₀dS_г ,

где dSг берется по абсолютной величине (без отрицательного знака), т.е. dS_г = dQ₁/T_г.

Согласно первому закону термодинамики, всегда

dL = dQ₁ - dQ₂,

dL_max = dQ₁ - dQ_{2 min}, или

dL_max = dQ₁ - T₀dS_г,

т.е. максимальная работа цикла за счет тепла Q

L_max = Q₁ - T₀(Sг₂ - Sг₁),

где (Sг₂ - Sг₁) - абсолютна величина уменьшения энтропии горячего источника, вызванная отдачей тепла Q₁.

Очевидно, что эта формула будет справедлива независимо от того, меняется или не меняется температура Т_г горячего источника. Обязательными условиями ее справедливости являются только постоянство температуры окружающей среды и обратимость всех процессов цикла. Максимальная полезная работа, которая может быть совершена в идеальном (обратимом) тепловом двигателе, оказывается абсолютно одинаковой, будет ли этот двигатель работать по какому-либо обратимому циклу или в нем будут совершаться любые разомкнутые процессы.

Максимальная доля тепла, которая может быть превращена в работу, обычно выражается через отношение L_max/Q₁, называемое термическим к. п. д. теплового двигателя :

ht = L_max/Q₁ = (Q₁ - Q_{2 min})/Q₁

При постоянных температурах горячего Т_г и холодного Т₀ источников, учитывая предыдущие формулы максимальный термический к. п. д. теплового двигателя :

ht =1 - Т₀/Т_г

Можно доказать, что значение максимальной работы, а следовательно, и максимальный термический к. п. д. для случая источников тепла постоянной температуры достигается в обратимом прямом цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат:



Условия построения прямого цикла Карно следующие :

1) Поскольку подвод тепла обратимый, то при Тг = const температура тела Т₁ на протяжении всего процесса подвода тепла должна быть равной Т_г и оставаться постоянной :

Т₁ = Т_г=const;

2) Так как и отвод тепла должен быть обязательно обратимым, то и температура Т₂ тела в процессе отвода тепла также должна быть равна Т₀ и оставаться постоянной :

Т₂ = Т₀ =const;

3) Поскольку в других процессах тепло не должно подводиться и отводиться, то замыкание цикла может осуществляться только процессами с постоянной энтропией (S = const), следовательно, должно быть : S_a = S_b и S_c = S_d .

В изображенном на рисунке цикле изоэнтропа ab - процесс адиабатического сжатия рабочего тела; изотерма bc - процесс подвода тепла Q₁; изоэнтропа cd - процесс адиабатического расширения рабочего тела; изотерма da - процесс отвода тепла Q₂ к холодному источнику (окружающей среде). Одновременно изотермы bc и da - соответственно процессы отвода тепла от горячего источника и подвода тепла к холодному источнику. В этом, как и в любом другом, обратимом цикле значения изменения энтропии горячего и холодного источников равны между собой по абсолютной величине и имеют обратные знаки, т.е.

- DS_г = DS_x

Конечное изменение энтропии DS_т рабочего тела, совершающего замкнутый процесс, будет равен нулю. Приращение энтропии системы, равное алгебраической сумме энтропии всех тел рассматриваемой системы (обеих источников тепла и рабочего тела), также равно нулю :

DS_c = еDS_i = DS_г +DS_x +DS_т = 0

Этим подтверждается, что цикл Карно действительно дает максимальную работу.

Из рисунка находим :

Q₁ = T_гDS_г = Т₁DS_г ;

Q₂ = T₀DS_x = T₂DS_г,

Отсюда

L_ц = Q₁ - Q₂ = (T₁ - T₂)DS_г

С учетом того, что S_г = Q₁/T₁, получим

L_ц = Q [(T₁-T₂)/T₁]

Термический к. п. д. этого цикла

ht = L_ц /Q₁ = 1 - T₂/T₁ = ht мах

С помощью прямого цикла Карно можно доказать, что отводимое к холодному источнику тепло Q_{2 min} не является потерей энергии, а представляет собой тот «балласт», ту непревратимую часть энергии, которая в любой момент, без затраты какой-либо дополнительной работы, может быть отнята от холодного источника и возвращена горячему.

Здесь следует заметить, что осуществляя обратный цикл Карно, можно, затратив работу L_ц , получить и отдать горячему источнику тепла Q₁ ровно столько, сколько было от него получено в прямом цикле, а от холодного источника будет отобрано в точности такое же количества тепла Q_{2 min} , сколько ему было отдано в прямом цикле.

Тепловая изоляция

Теплоизоляция - это защита зданий, промышленных установок (или отдельных их узлов) от нежелательного теплового обмена с окружающей средой. Так, например, в строительстве и теплоэнергетике теплоизоляция необходима для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, в холодильной и криогенной технике - для защиты аппаратуры от притока тепла извне.

Теплоизоляция обеспечивается устройством специальных заграждений, выполняемых из теплоизоляционных материалов (в виде оболочек, покрытий и т.п.) и затрудняющих теплопередачу; сами эти теплозащитные средства также называются теплоизоляцией.

При преимущественно конвективном теплообмене для теплоизоляции используются ограждения, содержащие слои материала, непроницаемого для воздуха; при лучистом теплообмене - конструкции из материалов, отражающих тепловое излучение (например из фольги, металлизированной лавсановой пленки); при теплопроводности (основной механизм переноса тепла) - материалы с развитой пористой структурой.

Эффективность теплоизоляции при переносе тепла теплопроводностью определяется термическим сопротивлением ( R) изолирующей конструкции R = d /l , где d - толщина слоя изолирующего материала, l - его коэффициент теплопроводности.

Повышение эффективности теплопроводности достигается применением высокопористых материалов и устройством многослойных конструкций с воздушными прослойками.

В тепловых промышленных установках теплоизоляция обеспечивает значительную экономию топлива, способствует увеличению мощности тепловых агрегатов и повышению их КПД, интенсификации технологических процессов, снижению расходов основных материалов. Экономическая эффективность теплоизоляции в промышленности часто оценивается коэффициентом сбережения тепла

Где Q₁ - потери тепла без теплоизоляции, а Q₂ - с теплоизоляцией.

Задача теплоизоляции зданий - снизить потери тепла в холодный период года и обеспечить постоянство температуры в помещениях в течении суток при колебаниях температуры наружного воздуха. Применяя для теплоизоляции эффективные теплоизоляционные материалы, можно существенно уменьшить толщину и снизить массу ограждающих конструкций и, т.о. сократить расход основных стройматериалов.

Теплоизоляция - необходимый элемент конструкции транспортных средств (судов, ж.д. вагонов, самолетов и т.д.), в которых роль теплозащиты определяется их назначением : для средств пассажирского транспорта - требованием поддержания комфортных микроклиматических условий в салонах; для грузового - обеспечение заданной температуры при минимальных энергетических затратах. К эффективности теплоизоляции на транспорте предъявляются повышенные требования в связи с ограничением массы и объема ограждающих конструкций транспортных средств.

Материалы и изделия, применяемые для теплоизоляции называются теплоизоляционными. Теплоизоляционные материалы характеризуются низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности не более 0.2 Вт/м*К), высокой пористостью, незначительной объемной массой и прочностью (предел прочности при сжатии 0.05-2.5 МН/м²).

Основной показатель качества теплоизоляторов - коэффициент теплопроводности. Он является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности определяется экспериментально с помощью различных методов. На рисунке показаны примерные значения коэффициента теплопроводности для различных веществ :

Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом деле температура будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной :

l=l₀[1+b(t-t₀)]

где

l₀ - значение коэффициента теплопроводности при температуре t₀; b - постоянная, определяемая опытным путем.

Коэффициент теплопроводности газов. Согласно кинетической теории перенос тепла в газах при обычных давлении и температуре определяется переносом кинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул газа. При этом коэффициент теплопроводности определяется соотношением:

l=wlCvr/3

где

w - средняя скорость перемещения молекул газа, l - средняя длина свободного пробега молекул при соударении, r - плотность газа.

С увеличением давления в равной мере увеличивается плотность, уменьшается длина пробега и произведение rl сохраняется постоянным. Поэтому коэффициент теплопроводности газов мало меняется с изменением давления. Исключения составляют очень малые (меньше 2,66*103 Па) и очень большие (2*109 Па) давления. Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах от 0,0006 до 0,6 Вт/(м*К). Поэтому воздух обладает свойствами хорошего теплоизолятора.

Коэффициент теплопроводности жидкостей описывается уравнением :

где

С_р - теплоемкость жидкости при постоянном давлении, r - плотность жидкости, m - ее молекулярная масса. Коэффициент А пропорционален скорости распространения упругих волн в жидкости, не зависит от природы жидкости, но при этом А*С_р = const. Механизм распространения теплоты в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестройных упругих колебаний. Коэффициет теплопроводности жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(м*К). Но жидкости, как правило, не используются в теплозащитной технике.

Коэффициент теплопроводности твердых тел

Определяется опытным путем или на основе эмпирических формул. В металлах основным передатчиком являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений или в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Это можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которое приводит к рассеиванию электронов. Так, например, для чистой меди l=396 Вт/(м*К), для той же меди со следами мышьяка l=142 Вт/(м*К). Как видно металлы не могут быть хорошими теплоизоляторами от обычной теплопроводности, хотя они хорошо справляются с отражением ИК- и других излучений в лучистом переносе энергии.

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается. Как правило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение.



Теплопроводность зависит от структуры материала, его пористости и влажности. Зависимость теплопроводности материала от объемной влажности может быть выражена эмпирической формулой :

l = l_с.м + Dlw

где

l_с.м - коэффициент теплопроводности материала в воздушно-сухом состоянии; Dl - приращение коэффициента теплопроводности на каждый процент увеличения объемной влажности; w - объемная влажность, %. Величину Dl органических материалов при положительных температурах принимают равной 3.5*10-3, а при отрицательных температурах 4*10-3 Вт/(м*К); неорганических материалов - соответственно 2,3*10-3 и 3,5*10-3 Вт/(м*К).

Теплоизоляционные материалы должны отвечать следующим нормам : они должны быть температуро- и морозостойкими, негорючими или обладать возможно меньшей горючестью, химически инертными. Они недолжны иметь запаха или воспринимать запахи, обладать достаточной механической прочностью, виброустойчивыми, должны легко обрабатываться и резаться, должны удовлетворять определенным экономическим показателям.