Основные составляющие безопасности жизнедеятельности

Электрофильтры очищают большие объёмы газов от пыли с частицами размером от 0,01 до 100 мкм при t=450 °С, P = 150 Па. Удельные затраты электроэнергии составляют 0,36-1,8 МДж на 1000 м3 газа. Эффективность 0,999.

Очистка технологических и вентиляционных выбросов от газо- и парообразных загрязнителей.

Процессы очистки и обезвреживания технологических и вентиляционных выбросов машиностроительных предприятий от газо- и парообразных примесей характеризуется тем, что, во-первых, газы, выбрасываемые в атмосферу, весьма разнообразны по химическому составу; во-вторых, они подчас имеют высокую температуру и содержат большое количество пыли, что существенно затрудняет процесс газоочистки и требует предварительной подготовки отходящих газов; в-третьих концентрация газообразных и парообразных примесей чаще в вентиляционных и реже в технологических выбросах обычно переменна и низка.

Создаваемые в промышленности газоочистные установки позволяют обезвреживать технологические и вентиляционные выбросы без или с последующей утилизацией уловленных примесей. Аппараты с выделением продукта в концентрированном виде и дальнейшим его использованием в производственном цикле наиболее перспективны. Производство таких установок важнейший этап в разработке малоотходной и безотходной технологии.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на пять групп:

физическая абсорбция;

хемосорбция;

поглощение газообразных примесей твёрдыми сорбентами (адсорбция);

термическая нейтрализация отходящих газов;

каталитическая очистка отходящих газов.

Метод абсорбции. В технике очистки газовых выбросов процесс абсорбции часто называют скрубберным процессом. Очистка газовых выбросов методом абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путём поглощения одного или нескольких газовых компонентов (абсорбатов) этой смеси жидкими поглотителями (абсорбентами) с образованием растворов.

Движущей силой здесь является градиент концентрации на границе раздела фаз газ - жидкость. Растворённый в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс очистки протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и коэффициенты диффузии. Поэтому в процессе проектирования абсорберов особое внимание следует уделять организации контакта газового потока с жидким растворителем и выбору поглощающей жидкости (абсорбента).

Решающим условием при выборе абсорбента является растворимость в нём извлекаемого компонента и её зависимость от температуры и давления.

В качестве абсорбента при физической абсорбции используют воду (для поглощения таких газов как NН3, НС1, НF и др.). В некоторых специальных случаях в качестве абсорбента используют высококипящие органические растворители для улавливания ароматических углеводородов, которые плохо растворяются в воде.

Организация контакта газового потока абсорбентом осуществляется либо пропусканием газа через насадочную колонну, либо распылением жидкости, либо барботажем газа через слой абсорбента.

В зависимости от реализуемого способа контакта газ-жидкость различают:

а) насадочные колонны;

б) полые распыливающие колонны;

в) скрубберы Вентури;

г) барботажные тарельчатые колонны.

В качестве насадки используют геометрические тела различной формы, каждая из которых характеризуется собственной удельной поверхностью и сопротивлением движению потока газа (кольца Рашига, сёдла Берля, кольца Палля, сёдла Инталокс). Материал: керамика, фарфор, пластмассы, металл.

Метод хемосорбции. Основан на поглощении газов и паров жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Поглотительная способность хемосорбента почти не зависит от давления, поэтому хемосорбция более выгодна при небольшой концентрации вредных примесей в отходящих газах. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующиеся химические соединения разлагаются с выделением исходных элементов. На этом принципе основан механизм десорбции хемосорбента.

Примером хемосорбции может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода и диоксида углерода с применением мышьяково-щелочного, этаноламинового и других растворов.

Хемосорбция один из распространенных способов очистки отходящих газов от окислов азота. Для очистки газов от окислов азота, выделяющихся из ванн травления, используется скруббер Вентури с форсуночным орошением газов раствором извести. Газы травильных ванн, содержащие оксиды азота, пары серной, соляной и плавиковой кислот, направляются в скруббер, где они контактируют с раствором извести и нейтрализуются. Эффективность очистки от оксидов азота 0,17-0,86 и от паров кислот 0,95.

Для очистки отходящих газов от оксида углерода используют медно-аммиачные растворы.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел с развитой поверхностью пор селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси.

Адсорбция подразделяется на физическую и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы газа адсорбируются на поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения. Преимущество физической адсорбции обратимость процесса.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Процесс хемосорбции как правило необратим.

В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, а также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита). Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная способность по извлекаемому компоненту.

Конструктивно аппараты для проведения процесса адсорбции (адсорбера) выполняются в виде вертикальных, горизонтальных, либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа.

Адсорбцию широко используют при очистке газовых выбросов от паров органических растворителей для удаления ядовитых компонентов (сероводород) из газовых потоков, выбрасываемых в атмосферу, для удаления радиоактивных газов при эксплуатации ядерных реакторов, в частности, радиоактивного йода, и в других процессах очистки воз духа от вредных примесей.

Термическая нейтрализация. Метод основан на способности горючих токсичных компонентов (газы, пары и сильно пахнущие вещества) окисляться до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газовой смеси. Этот метод применяется в тех случаях, когда объемы выбросов велики, а концентрации загрязняющих веществ превышают 300 млн-1.

Методы термической нейтрализации вредных примесей во многих случаях имеют преимущества перед абсорбцией и адсорбцией:

а) отсутствие шламового хозяйства;

б) небольшие габариты очистных установок;

в) простота их обслуживания;

г) высокая эффективность обезвреживания при низкой стоимости очистки.

Этот метод находит широкое применение в машиностроительной промышленности.

Область применения метода термической нейтрализации вредных примесей ограничивается характером образующихся при окислении продуктов реакции. Так, при сжигании газов, содержащих фосфор, галогены, серу, образующиеся продукты реакции по токсичности во много раз превосходят исходный газовый выброс.

Различают три схемы термической нейтрализации:

прямое сжигание в пламени t = 600-800°С;

термическое окисление t = 600-800°С;

каталитическое сжигание t = 250-450°С.

Выбор схемы зависит от химического состава загрязняющих веществ, их концентраций, начальной температуры газовых выбросов, объемного расхода и ПДВ загрязняющих веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы обеспечивают подвод значительной части энергии, необходимой для осуществления процесса. Из экономических соображений этот вклад должен превышать 50% общей теплоты сгорания. Системы огневого обезвреживания обеспечивают эффективность очистки 0,9-0,99, если время пребывания вредностей в высокотемпературной зоне не менее 0,5 с. Температура равна 500-650°С для газов, содержащих углеводороды, и 660-750°С для оксида углерода.

Термическое окисление применяют либо когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода, либо когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

Важнейшими факторами, которые должны учитываться при проектировании устройств термического окисления, являются время, температура и турбулентность. Время составляет 0,3-0,8 с. Турбулентность характеризует степень механического перемешивания, необходимую для обеспечения эффективного контактирования кислорода и горючих примесей. Температура: 500-760°С при окислении углеводородов; 680-800°С для оксида углерода; 480-680°С при устранении запаха.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, происходит дожигание оксида углерода в газах, удаляемых системой вентиляции от электродуговых плавильных печей.

В тех случаях, когда температура отходящих газов недостаточна для протекания процесса окисления, поток отходящих газов подогревают в теплообменнике, а затем пропускают через рабочую зону, в которой сжигают природный или какой-либо другой высококалорийный газ.

Основное преимущество термического окисления относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и избежать образования значительного количества окислов азота.

Каталитический метод используют для превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ катализаторов. Каталитические методы основаны на взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, присутствующих в очищаемом газе, или со специально добавляемым в смесь веществом.

Каталитическое окисление выгодно отличается от термического кратковременностью протекания процесса (иногда доли секунды), что позволяет резко сократить габариты реактора. Кроме того, температура в данном процессе существенно снижена (до 300°С) по сравнению с термическим.

Методы подбора катализаторов разнообразны, но все они, как правило, базируются на эмпирических или полуэмпирических способах. Основной критерий выбора катализаторов их активность и долговечность. Об активности катализатора судят по количеству продукта, получаемого с единицы объема катализатора, или по объемной скорости каталитического процесса, при которой обеспечивается требуемая степень очистки обрабатываемого газа. Степень обезвреживания 0,85-0,95 обычно достигается при объемной скорости от 2000 до 60000 ч-1. В большинстве случаев в качестве катализаторов используют различные металлы (платина, палладий и другие благородные металлы) или их соединения (оксиды меди, марганца и т.п.). Катализаторная масса обычно выполняется из шаров, колец, пластин или проволоки, свитой в спираль из нихрома, никеля, оксида алюминия с нанесением на их поверхность благородных металлов.

Объем катализаторной массы определяют исходя из максимальной скорости обезвреживания газа, которая, в свою очередь, зависит:

а) от природы и концентрации вредных веществ;

б) от температуры и давления каталитического процесса;

в) от активности катализатора.

Отравление катализатора (присутствие железа, свинца, кремния и фосфора, соединений серы).

Температура с повышением активности катализатора возрастает.

Различают два конструктивных варианта газоочистных каталитических устройств:

реакторы каталитические, в которых происходит контакт газового потока с твердым катализатором, размещенным в отдельном корпусе;

реакторы термокаталитические аппараты, в которых в общем корпусе размещены контактный узел и подогреватель.

Рассеивание выбросов в атмосфере

На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают:

состояние атмосферы;

расположение предприятий и источников выбросов;

характер местность;

физические и химические свойства выбрасываемых веществ;

высота источника выброса;

диаметр устья источника выброса и некоторые другие факторы.

Горизонтальное перемещение примесей определяется, в основном, скоростью ветра, а вертикальное распределением температур в вертикальном направлении.

Газовые выбросы на определенном расстоянии от трубы достигают земли. Приземная концентрация быстро растет до максимальной величины и затем по мере удаления от трубы медленно убывает. Максимальная концентрация прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Повышение температуры и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентрации.

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит, главным образом, под действием вертикальных потоков. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра Vm на высоте струи. Вместе с тем с увеличением Vm уменьшается высота факела над устьем трубы. Поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того, чтобы предотвратить это явление, скорость газа Wг должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных предприятий является "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86".

Кроме формул для точечных источников, в ОНД-86 даны формулы для расчета приземных концентраций от низких и наземных источников, от площадных источников, а также приведен специальный раздел для определения приземных концентраций на площадке в зонах аэродинамических теней, создаваемых зданиями.

13. Защита водного бассейна

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материалов и др. целей.

Особенностью внутреннего строения молекулы воды является несимметричное расположение атомов водорода относительно атома кислорода. В результате этого внутримолекулярные силы компенсируются не полностью, и их избыток проявляется вне молекулы. В силу асимметричного распределения положительных и отрицательных зарядов молекула воды обладает ярко выраженной полярностью, значительно превосходящей разделение зарядов у других веществ. Этим объясняется хорошая способность воды растворять многие вещества.

Вода наилучший растворитель для многих газов, жидкостей и твердых соединений. В то же время вода химически не изменяется под действием большинства соединений, т.к. является инертным растворителем. Этим обеспечивается полноценное питание живых существ и возможность многократного использования в природе и технологических процессах.

Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех известных жидкостей, за исключением ртути. Это свойство обусловливает возможность движения воды в стеблях растений, стволах деревьев, движение крови в тончайших сосудах организмов.

Химически чистая вода обладает следующими физическими свойствами: плотность при температуре 0С 1 г/см3, температура плавления 0°С, температура кипения 100°С, не обладает запахом и вкусом. Наибольшую плотность вода приобретает при температуре около 4°С, при замерзании увеличивает объем примерно на 10%.

Ресурсы воды. Общее количество природной воды на земле составляет 1386 млн. км3. В основном (свыше 97,5 %) это соленые воды. Количество пресной воды 35 млн. км3. Подавляющая часть пресной воды является труднодоступной для людей, так как она в основном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под землей. В России запас пресных поверхностных вод составляет 40,5 тыс. км. Объем потребления пресной воды в мире достигает приблизительно 3900 км3/год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды.

Природная вода это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Ее качественные показатели находятся на естественном среднемноголетнем уровне. Классификация воды в зависимости от степени минерализованности приведена на рисунке 13.1.



Рис. 13.1. Классификация вод

По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Жесткость природных вод обуславливается присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са2+ и Мg2+ в ммоль-экв/л. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух последних, карбонатная связана с присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и магния.

Сточные воды. В производстве образуются различные категории сточных вод.

Сточная вода это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), поверхностные и производственные (ПСВ).

Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуатации на его территории душевых, туалетов, прачечных, столовых. Они содержат примеси, из которых примерно 58% органических веществ и 42% минеральных. Предприятие не отвечает за качество данных сточных вод и направляет их на городские или районные станции очистки.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смывания дождевой, талой, поливочной водой примесей, скапливающихся на территории, крышах и стенах производственных зданий. Основными примесями этих вод являются твердые частицы, нефтепродукты, органические и минеральные удобрения. Каждое предприятие отвечает за загрязнение водоемов, поэтому необходимо знать объем сточных вод данного типа.

Расход сточных вод рассчитывают по методу предельной интенсивности в соответствии со СНиП 2.04.03-85. "Нормы проектирования, канализация, наружные сети и сооружения".

Производственные сточные воды. Они образуются в результате использования воды в технологических процессах. Их количество, состав и концентрация примесей определяется типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов. В технологических процессах источниками сточных вод являются:

воды, образующиеся при протекании химических реакций (они загрязнены исходными веществами и продуктами реакций);

воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах и выделяющиеся в процессе переработки;

промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования;

маточные водные растворы;

водные экстракты и абсорбенты;

воды охлаждения.

Для обеспечения промышленных предприятий нашей страны ежегодно забирается из естественных источников водоснабжения примерно 100 млрд. м3 воды, при этом 90% этого количества возвращается обратно в водоемы с различной степенью загрязненности. Около 10% общего водопотребления приходится на машиностроительные предприятия, где воду используют для следующих целей:

охлаждение или подогрев исходных материалов и продукции, деталей и узлов технологического оборудования;

приготовление различных технологических растворов;

промывку, обогащение и очистку исходных материалов или продукции;

хозяйственно-бытовое обслуживание.

Химически чистой воды в природе нет. Даже дистиллированная вода содержит микросоединения и растворенные углекислоту, азот, кислород.

Природные воды являются сложными дисперсными системами, содержащими большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Дисперсной системой называют систему, которая состоит из очень мелких частичек распределенного вещества. При нахождении частичек в молекулярно-растворенном состоянии или в виде ионов система называется истинным раствором. Это, как правило, гомогенная, т.е. не имеющая внутренних поверхностей раздела, система. При наличии внутренних поверхностей раздела (гетерогенная система) в зависимости от степени раздробленности примеси образуют коллоидные растворы или взвеси.

В природных водах наряду с неорганическими соединениями почти всегда присутствуют сложные органические вещества. Наиболее распространенными органическими примесями являются гумусовые вещества, придающие воде окраску. Гумусовые вещества представляют комплекс органических веществ продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. В природных водах гумусовые вещества представлены фульвокислотами и гуминовыми кислотами, а также их солями.

Присутствие в природных водах органических соединений обусловливает цветность, запах и привкус воды, изменение физических показателей по прозрачности, преломлению света, снижению поверхностного натяжения, изменению способности растворять кислород.

Это дало основание акад. Л.А. Кульскому предложить классификацию примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию.

Сущность классификации заключается в том, что все примеси воды по их отношению к дисперсионной среде объединены в четыре группы с общей для них физико-химической характеристикой. Примеси первых двух групп образуют термодинамически неустойчивые гетерогенные системы, а примеси двух других групп термодинамически равновесные и обратимые гомогенные системы. Связь между техникой очистки воды и принадлежностью удаляемых примесей и загрязнений к той или иной группе классификации определяется общими закономерностями, которым подчиняются процессы, происходящие в водной среде в зависимости от физико-химической характеристики этих примесей.

Примеси первой группы, к которым относятся грубодисперсные вещества, образующие с водой суспензии, эмульсии, пены, а также планктон и патогенные бактерии кинетически неустойчивы, удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока. Попадают такие вещества в водоемы в результате размыва пород, смыва почв, со сточными водами. Наиболее часто эти примеси представлены частицами глины, песка, почвы, ила, а также эмульсиями минеральных масел, нефтепродуктами и т.п. На поверхности частиц сорбируются патогенные бактерии, вирусы и т.п. В состоянии покоя для таких систем характерно осаждение (седиментация) частиц или всплытие в зависимости от их плотности. Примеси группы 1 эффективно удаляются под действием сил гравитации, сил прилипания (адгезии).

Табл. 13.1. Классификация примесей воды

Фазовая характеристика	Системы
	гетерогенные	гомогенные
Группа	I	II	III	IV
Физико-химическая характеристика	Грубодисперсные примеси: суспензии, эмульсии, планктон, патогенные микроорганизмы	Примеси коллоидной степени дисперсности, органические, неорганические вещества, вирусы	Примеси молекулярной степени дисперсности: газы, органические вещества	Примеси ионной степени дисперсности: соли, кислоты, основания
Поперечный размер частицы, см	10-110-5	10-6	10-7	10-8

Примеси второй группы представляют собой коллоидные растворы, состоящие из гуминовых и фульвокислот, высокомолекулярных соединений естественного происхождения и попадающих со сточными водами, вирусы и другие микроорганизмы коллоидной степени дисперсности.

Примеси второй группы образуют с водой кинетически и агрегативно устойчивые системы. Кинетически устойчивость данных примесей характеризуется соотношением сил гравитационного поля и броуновского движения, примеси практически не оседают, время седиментации измеряется годами. Эти примеси удаляются в результате коагуляции, сорбции, воздействия окислителей.

Примеси третьей группы растворенные газы, органические соединения биологического происхождения, соединения в производственных и бытовых стоках. Это, как правило, неэлектролиты или слабые электролиты: фенолы, его производные, амины, нитросоединения.

Молекулы примесей третьей группы могут существенно изменять структуру воды и взаимодействовать и с ней, и друг с другом. В первом случае происходит гидратация молекул, во втором ассоциация. Исключая случай образования химических соединений, эти взаимодействия в основном обусловлены силами Ван-дер-Ваальса.

Молекулярно-растворенные вещества способны за счет водородных связей образовывать с водой непрочные соединения, существующие лишь в растворе. Большое значение имеют эти связи при ассоциации молекул растворенного вещества, необходимым условием возникновения таких связей является достаточная полярность валентных связей водорода в исходных веществах.

Примеси четвертой группы образуются в результате диссоциации в воде солей, кислот, оснований. Примеси этой группы удаляются из воды в результате образования малорастворимых или малодиссоциированных соединений.

Природные воды отличаются от водных растворов минеральных и органических веществ присутствием сложных сообществ живых организмов и концентрацией химически активных частиц и соединений. С участием этих организмов и частиц осуществляется синтез и разрушение органических веществ, преобразование их форм и миграция химических элементов.

Водоем как водный источник связан с окружающей его природной средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного и подземного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственна и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых не свойственных ей веществ загрязнителей, ухудшающих качество воды. При этом возможно химическое, физическое и биологическое загрязнение воды и водоемов.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической, так и органической природы.

Физическое загрязнение связано с изменением параметров водной среды и определяется тепловыми, механическими, радиоактивными примесями.

Биологическое загрязнение заключается в изменении свойств воды в результате увеличения количества не свойственных ей видов микроорганизмов, растений и животных, привнесенных извне.

Основными неорганическими загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.

Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен в таблице 13.2.

Табл. 13.2. Степень токсичности ряда загрязняющих веществ

Вещество	Планктон	Ракообразные	Моллюски	Рыбы
Соли тяжелых металлов
Медь	+++	+++	+++	+++
Ртуть	++++	+++	+++	+++
Свинец		+	+	+++
Цинк	+	++	++	++
Кадмий		++	++	++++
Неорганические вещества
Хлор		+++	++	+++
Цианид		+++	++	++++
Фтор			+	+++
Сульфид		++	+	+++

Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания. Они обусловливают широкий диапазон рН водной среды промышленных стоков (1,0-11,0) и способны изменять рН водной среды ниже 5,0 и выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0-8,5.

Нормирование качества воды рек, озер и водохранилищ проводят в соответствии с "Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения" (1988 г). Эти правила устанавливают две категории водоемов (или их участков):

водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;

водоемы рыбо-хозяйственного назначения.

Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению, а в не проточных водоемах в радиусе одного километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водоемах должен соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска не далее, чем в 500 м от места выпуска.

Нормируемые значения параметров воды водоемов:

Содержание плавающих примесей и взвешенных веществ;

Запах, привкус, окраска и температура воды;

Значение рН, состав и концентрация минеральных примесей и растворенного кислорода;

Биохимическая потребность в кислороде;

Возбудители заболеваний, концентрация и состав ядовитых и вредных веществ.

Вредные и ядовитые вещества нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.

При нормировании качества воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида ЛПВ:

санитарно-токсикологический;

общесанитарный;

органолептический.

Для водоемов рыбохозяйственного назначения наряду с указанными используют еще два вида ЛПВ:

токсикологический;

рыбохозяйственный.

Санитарное состояние водоема отвечает требованиям норм при выполнении соотношения:

,

где концентрация вещества i-ro ЛПВ в расчетном створе водоема, мг/л,

ПДКi предельно допустимая концентрация i-ro вещества, мг/л.

Для водоемов питьевого и культурно-бытового назначения проверяют выполнение трех, а для водоемов рыбохозяйственного назначения пяти неравенств. При этом каждое вещество можно учитывать только в одном неравенстве. "Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения" запрещают:

сбрасывать в водоемы сточные воды, если этого можно избежать (используя рациональную технологию, безводные процессы и системы повторного и оборонного водоснабжения);

если сточные воды содержат ценные отходы, которые можно утилизировать;

если сточные воды содержат сырье, реагенты и продукцию предприятий в количествах, превышающих технологические потери;

если сточные воды содержат вещества, для которых не установлены ПДК.

Контроль требований к нормируемым показателям качества воды в водоемах осуществляется периодическим отбором и анализом проб воды из поверхностных водоемов. Согласно ГОСТ 2874-82 анализ проб из поверхностных вод источников водоснабжения отбирают не реже 1 раза в месяц.

Количество проб и места их отбора определяют в соответствии с гидрологическими и санитарными характеристиками водоема и согласовывают с местными органами санитарно-эпидемиологической службы (СЭС). При этом считается обязательным отбор непосредственно в месте водозабора и на расстоянии 1 км выше по течению рек и каналов, а для озер и водохранилищ на расстоянии 1 км от водозабора в 2-х диаметрально расположенных точках.

В настоящее время наряду с анализом проб воды в лабораториях используют автоматические станции контроля качества воды, которые могут одновременно измерять 8-10 показателей качества воды: концентрацию растворенного кислорода, электрическую проводимость, рН, температуру, уровень воды в водоеме, концентрацию взвешенных веществ, концентрацию меди и т.д.

На очистных сооружениях машиностроительных предприятий осуществляют контроль состава исходных и очищенных сточных вод, а также контроль эффективности работы очистных сооружений.

Контроль состава исходных и очищенных сточных вод осуществляют один раз в 10 дней. Анализ следует проводить не позднее, чем через 12 часов после отбора пробы. Контроль состава сточных вод заключается в измерении:

органолептических показателей воды (запах, цвет, мутность );

содержания грубодисперсных взвешенных веществ (массовая концентрация и фракционный состав);

химического потребления кислорода (ХПК);

количества растворенного в воде кислорода;

биохимического потребления кислорода (ВПК);

концентрации вредных веществ, для которых существуют нормируемые значения ПДК;

рН среды.

Под ХПК понимается величина, характеризующая общее содержание в воде восстановителей, реагирующих с сильными окислителями. Выражается ХПК количеством кислорода, необходимого для окисления всех содержащихся в воде восстановителей. На практике окисление пробы сточной воды проводят бихроматом калия в серной кислоте по специальной методике.

Содержание растворенного кислорода измеряют после заключительного процесса очистки непосредственно перед сбросом воды в водоемы. Это необходимо знать для оценки коррозионных свойств воды, а также для вычисления БПК. Концентрацию растворенного в воде кислорода определяют, либо используя иодометрический метод Винклера, либо отечественные ЭГ-152-03, АКП-100,1, "Оксиметр". Под БПК подразумевается количество кислорода (в миллиграммах), необходимое для окисления в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов органических веществ, содержащихся в 1л сточной воды. Определение БПК производят на основе анализа изменения количества растворенного кислорода с течением времени. На практике обычно используют пятисуточное БПК - БПК5.

Измерение концентрации вредных веществ, для которых установлены ПДК, проводят на различных ступенях технологической схемы очистки, в том числе перед выпуском сточной воды в водоем. Для этих целей используют газовые и жидкостные хроматографы, фотоэлектроколориметры, химические методы.

Определение допустимого состава сточных вод проводят в зависимости от преобладающего вида примесей и с учетом характеристик водоема, в который сбрасываются сточные воды.

Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации взвешенных веществ.

где концентрация взвешенных веществ в воде водоема до сброса в него сточных вод;

ПДКвзв предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в водоеме;

n кратность разбавления.

Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации растворенных вредных веществ.

Допустимую концентрацию каждого из растворенных вредных веществ в очищенных сточных водах определяют по формуле:

где концентрация i-го вещества в воде водоема до сброса сточных вод;

максимально допустимая концентрация того вещества с учетом макcимальных концентраций и ПДК всех веществ, относящихся к одной группе ЛПВ, вычисленная по формуле:

Расчет кратности разбавления сточных вод в водоемах.

Разбавление сточных вод это процесс уменьшения концентрации примесей в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с водной средой, в которую они выпускаются. Интенсивность процесса разбавления количественно характеризуется кратностью разбавления "А".

Для водоемов с направленным течением кратность разбавления определяют по формуле:

m = (mQв + Qv)/Qv,

где Qv объемный расход сточных вод, сбрасываемых в водоем с объемным расходом воды Qв;

m коэффициент смешения, показывающий какая часть расхода воды в водоеме участвует в смешении.

Коэффициент смешения определяют по формуле:

где k = коэффициент, характеризующий гидравлические условия смешения;

коэффициент, характеризующий место расположения выпуска сточных вод (для берегового выпуска = 1, для выпуска в сечение русла = 1,5);

= L/Ln коэффициент извилистости русла;

L длина русла от сечения выпуска до расчетного створа;

Ln расстояние между этими же параллельными сечениями в нормальном направлении;

DТ коэффициент турбулентной диффузии, определяемый по формуле Караушева:

DT = gHx/Mcш,

где g ускорение силы тяжести;

Н средняя глубина русла по длине смешения;

x средняя по сечению русла скорость течения реки на удалении L от места выпуска сточных вод;

Сш 40...44 м0,5/с коэффициент Шези;

М функция коэффициента Шези, для воды М=22,3 м0,5/с.

Расчет разбавления сточных вод в озерах и водоемах проводят двумя методами: метод Руффеля и метод Лаптева. Эти методы приведены в книге Н.Н. Лапшева "Расчеты выпусков сточных вод", М., Стройиздат, 1977 г.

На основе анализа систем водоснабжения определяют объем воды, потребляемой и сбрасываемой машиностроительными предприятиями. Затем эти нормы используют при проектировании и реконструкции предприятий.

В ряде случаев необходимо определить количество сточных вод, сбрасываемых из аппаратов и образующихся при отдельных технологических процессах. Расчетные суточные, часовые и секундные расходы бытовых сточных вод на промышленных предприятиях определяются по смене с максимальным числом рабочих часов в смену по следующим формулам:

где n1, n2 число работающих в сутки в цехах при нормах водоотведения соответственно 25 и 45 л на одного человека (холодные и горячие цехи);

n3, n4 максимальное число работающих в смену при тех же нормах водоотведения;

k1, k2 коэффициенты часовой неравномерности, соответствующие тем же нормам водоотведения и равные 3 и 2,5.

14. Очистка сточных вод

При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что заданная эффективность и надежность работы любого очистного устройства обеспечивается в определенном диапазоне значений концентраций примесей и расходов сточной воды.

Сточные воды машиностроительных предприятий содержат, в основном, следующие примеси: взвешенные твердые частицы минерального происхождения, окалину, масла, нефтепродукты, щелочи и кислоты, растворы солей тяжелых металлов, эмульсии, ПАВ, органические растворители.

Концентрация этих примесей составляет от 0,001 кг/м (например, содержание хрома в отработанных электролитах), что во много раз превышает предельно допустимые концентрации этих веществ в водах различных водоемов. Поэтому перед сбросом этих вод в водоемы или для повторного использования в оборотном цикле необходимо их очищать.

Большинство цехов машиностроительных предприятий характеризуется постоянством расхода и состава сточных вод. Однако, в термических, травильных и гальванических цехах наблюдаются залповые сбросы, которые вызывают существенное увеличение концентрации тяжелых металлов в сточных водах. Для обеспечения нормальной работы очистных сооружений в указанных случаях необходимо усреднение примесей или расхода сточной воды, а иногда, и того и другого. С этой целью на входе в очистные сооружения устанавливаются усреднители, выбор и расчет которых определяются характеристиками залповых сбросов.

Расчет усреднителя примеси

где Кп -- коэффициент подавления;

Сmax -- максимальная концентрация примесей в залповых сбросах;

Сер -- средняя концентрация примесей в воде на входе в очистные соору-жения;

Сд -- допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная работа очистного сооружения;

При Кп>5

При Кп<5 ,

где V -- объем усреднителя.

-- превышение расхода сточных вод;

-- продолжительность залпового сброса.

При расчете объема усреднителя выбирают необходимое число сек-ций, исходя из условия:

,

где Н -- высота секции усреднителя; Wд=0.025 м/с -- допустимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

Существует большое количество способов очистки сточных вод. Выбор необходимых способов при проектировании станций очистки сточных вод, как правило, основывается на виде и концентрации преобладающих примесей в сточных водах, а именно: механических (взвешенных), растворенных и органи-ческих.

2. Удаление взвешенных частиц из сточных вод.

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют ги-дромеханические процессы (периодические и непрерывные), процеживание, отстаивание (гравитационное и центробежное), фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концен-трации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очи-стки.

Первичная стадия очистки сточных вод

ПРОЦЕЖИВАНИЕ. Перед более тонкой очисткой сточные воды про-цеживают через решетки и сита, которые устанавливают перед отстойниками с целью извлечения из них крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Процеживание осуществляется пропусканием воды через решетки. Решетки изготавливают из металлических стержней с зазором между ними 5-25 мм. Они устанавливаются в коллекторах сточных вод вертикально или под уг-лом 60-70° к горизонту.

Скорость сточной воды в зазорах между стержнями не должна пре-вышать 0.8-1 м/с. При эксплуатации решетки должны очищаться. Очистка, как правило, производится механически или вручную.

Промышленность выпускает вертикальные решетки марки РММВ-1000 и наклонные марки МГ (800/1000)98; МГ(1600/2000)98. Для измельчения примесей не извлекая их из воды, промышленность выпускает решетки-дробилки марок РД-200; РД-600, с диаметром барабанов 200 и 600, соответст-венно. Средний размер измельченных примесей не превышает 10 мм.

Снятые с решеток примеси направляют на переработку. Для изме-льчения отходов используют дробилки. Расход энергии на работу меха-низированных граблей, транспортеров и дробилок составляет около 1 кВт на 1000 кубометров сточных вод.

ОТСТАИВАНИЕ. Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и ос-ветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильт-рация сточных вод через слой взвешенных частиц. Основным параметром, который используют при расчете отстойников, является скорость осажденных частиц (гидравлическая крупность) -- Woc. Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свободного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле:

где -- число Рейнольдса;

Ламинарный режим движения частицы в жидкости определяется по формуле:

,

где -- динамическая вязкость воды.

-- число Архимеда;

d -- диаметр частиц;

-- динамическая вязкость воды;

ПЕСКОЛОВКИ. Их применяют для предварительного выделения минеральных и органических загрязнений (0.2-0.25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки (рис. 14.1) представляют собой резервуары с треугольным или трапециидальным поперечным сечением.

Рис. 14.1. Схема горизонтальной песколовки

На рисунке: 1 -- подводящий патрубок, 2 -- песколовка, З -- шламосборник, 4 -- выходной патрубок. Скорость движения воды в них не превышает 0.3 м/с. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму. В них сточные воды движутся с вертикальными восходящими потоками со скоростью 0.05 м/с. Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Чаще всего используют горизонтальные песколовки.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ОТСТОЙНИКИ. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения (рис. 14.2). Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Рис. 14.2. Схема горизонтального отстойника

Глубина отстойников равна Н=1,5-4 м, длина 8-12Н, а ширина коридора 3_6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м3/сутки. Эффективность отстаивания достигает 60%. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике принимается не более 0,01 м/с, а продолжительность отстаивания 1-3 часа.

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОТСТОЙНИК. Отстойник (рис.З) представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем.

Рис. 14.3. Схема вертикального отстойника

На рисунке: 1 -- трубопровод для вывода очищ. воды из отстойника, 2 -- цилиндрическая перегородка, З -- кольцевой водосборник, 4 -- трубопровод для удаления шлама, 5 -- подводящий трубопровод, 6 -- корпус отстойника, 7 -- кольцевой отражатель, 8 -- шламосборник.

Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх по желобу. Для лучшего распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Высота зоны осаждения составляет 4-5 м. В вертикальных отстойниках должно выполняться условие -- вертикальная скорость движения жидкости должна быть меньше скорости осаждения частиц (Woс > V).

Удаление взвешенных частиц под действием центробежных сил.

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

ГИДРОЦИКЛОНЫ. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяются для осаждения твердых примесей, а открытые - для удаления осаждающихся и всплывающих примесей.

Гидроциклоны просты по конструкции, компактны, их легко обслуживать. Они отличаются большой производительностью и невысокой стоимостью. На эффективность работы гидроциклонов влияют физические свойства жидкости и твердой фазы (вязкость, удельный вес, диаметр твердых частиц), а также конструктивные параметры гидроциклонов (диаметр аппарата, диаметры и уст-ройство входного и сливных патрубков). Из напорных гидроциклонов наи-большее распространение получили аппараты конической формы. Гидроцикло-ны изготавливаются диаметром от 10до 700 мм, высота цилиндрической части примерно равна диаметру аппарата, угол конусности равен 10-30 градусов. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70-80%. Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат (батарею), в котором они рабо-тают параллельно. Такие аппараты называют мультигидроциклонами. Они наиболее эффективны при очистке сточных вод от тонкодисперсных твердых частиц. Производительность напорных гидроциклонов определяют по формуле:

,

где K1 -- коэффициент, зависящий от условий входа сточной воды в гидро-циклон для гидроциклонов с D=0,125-0,6 м и =30° K1=0,524

D -- диаметр гидроциклона, м; dВХ -- диаметр входного патрубка, м; -- перепад давления между сливным и входным патрубками, Па.

ОТКРЫТЫЕ (БЕЗНАПОРНЫЕ) ГИДРОЦИКЛОНЫ. Их применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлической крупностью 5 мм/с и более). От напорных гидроциклонов они отличаются большей производи-тельностью и меньшим гидравлическим сопротивлением. Схема одного из гид-роциклонов -- с внутренним цилиндром и конической диафрагмой показана на рис. 14.4).

Рис. 14.4. Схема открытого гидроциклона

На рисунке: 1 -- вход ной патрубок, 2 -- кольцевой водослив, 3 -- отвод для чистой воды, 4 -- шламоотводящая труба.

Производительность открытого гидроциклона определяется по формуле:

Q=0.875q.D2

где q -- удельный расход воды: q = 4,32 Wo; с внутренней перегородкой q = 7,15Wo. При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются сле-дующие параметры: D = 2-10 м; Н = D; dВХ = 0,1.D; угол конусности = 60°.

ЦЕНТРИФУГИ. Для удаления осадков из сточных вод могут быть ис-пользованы фильтрующие и отстойные центрифуги. Центробежное фильт-рование достигается вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенах бара-бана. Его удаляют вручную или ножевым съемом. Такое фильтрование наибо-лее эффективно, когда надо получать продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

Центрифуги могут быть периодического или непрерывного действия; горизонтальными, вертикальными или наклонными. Производительность центрифуги равна:

где К -- коэффициент использования объема ванны (К=0,4-0,6); Vh -- расчетный объем ванны ротора; -- продолжительность пребывания суспензии в роторе.

ФИЛЬТРОВАНИЕ. Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых веществ, удаление которых отстаивани-ем затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенно-го давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий исполь-зуют два класса фильтров:

1. зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насад-ки не связанных пористых материалов;

2. микрофильтры -- фильтроэлементы изготовлены из связанных по-ристых материалов.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтроматериалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит, и др. Зерни-стые фильтры изготавливают однослойными и многослойными. Скорость фильтрации в таких фильтрах невысока и составляет 0,0014 -0,002 м/с. Для выделения из сточных вод механических загрязнений с размерами частиц ме-нее 0,01 мм применяют микрофильтры, в которых фильтрующий элемент изго-тавливают из одного или нескольких слоев металлических сеток с размера-ми ячейки (2-4)-105 м или из натуральных или искусственных тканей. Для очистки сточных вод машиностроительных предприятий применяют бара-банные или пластинчатые конструкции микрофильтров.

Рис. 14.5. Схема каркасно-насыпиого фильтра

На рис. 14.5 представлена схема каркасно-насыпного фильтра. Очищае-мая сточная вода поступает по коллектору 3 и через отверстия в нем равно-мерно распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит через слой гравия 5 и песка 6, через перфорированное днище 2, установленное на поддерживающем слое гравия 1 и через трубопровод 8 отводится из фильтра. Регенерацию фильтра осуществляют продувкой сжато-го воздуха, подаваемого в фильтр по трубопроводу 4, с последующей обрат-ной промывкой водой через вентиль 7.

Для очистки сточных вод кузнечно-прессовых и прокатных цехов от ферромагнитных примесей применяют электромагнитные фильтры (рис. 14.6), в которых используют силы взаимодействия между намагниченной фильтро-вальной загрузкой и ферромагнитными примесями сточной воды.



Рис. 14.6. Схема электромагнитного фильтра

Исходная сточная вода через трубопровод 1 поступает в корпус 3 из немагнитного материала, проходит через ограничительную решетку 4, фильт-ровальную загрузку 5 из ферромагнитных частиц с толщиной слоя 0,15-0,2 м, опорную решетку б и выводится из фильтра по трубопроводу 7. Намагничива-ние фильтровальной загрузки осуществляется магнитным полем, создавае-мым катушкой индуктивности 2 с ферромагнитным сердечником. Эффектив-ность очистки сточных вод от ферромагнитных и немагнитных примесей составляет соответственно 95-98 и 40-60%. Регенерацию фильтра осуществ-ляют при выключенном электромагнитном поле не очищенной сточной водой в направлении фильтрования или в обратном направлении чистой водой.

Очистка сточных вод от маслопродуктов.

На машиностроительных предприятиях для очистки сточных вод от маслопродуктов в зависимости от их состава и концентрации, применяют сле-дующие методы очистки: отстаивание, обработка в гидроциклонах, флотация и фильтрование.

ОТСТАИВАНИЕ. Этот метод основан на закономерностях всплывания маслопродуктов по тем же законам, что и осаждение твердых частиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках и маслоловушках. При проектиро-вании очистных сооружений, предусматривают использование отстойников, как для осаждения твердых частиц, так и для всплывания маслопродуктов. При этом расчет длины отстойника проводят по скорости осаждения твердых час-тиц, и по скорости всплывания маслопродуктов, и принимают максимальное из двух значений.