Инженерная защита окружающей среды. Лекция. Тема 5. Инженерная защита окружающей среды. Тема 5 Инженерная защита окружающей среды Последствия загрязнения природной среды
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
Очистка выбросов от газо- и парообразных загрязнителей Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных компонентов (NO X , SO 2 , H 2 S) делят на пять основных групп. Метод абсорбции основан на растворении газовых загрязнителей жидкостью. Молекулы газообразных примесей газов и паров, разделяясь в газовой среде и отделяясь от нее, переходят поверхность раздела газ – жидкость и растворяются в жидкой фазе поглотителя (абсорбента). Эффективность очистки зависит от растворимости газа в жидкости, температуры, парциального давления газа, площади поверхности, коэффициента диффузии. Для удаления многих технологических выбросов, например аммиака, хлорводорода, фторводорода, применяют воду; для улавливания водяных паров применяют раствор серной кислоты, ароматические углеводороды улавливают с помощью вязких масел. В качестве технических устройств процесса абсорбции применяют промывные башни и скрубберы. Регенерация растворителя, т.е. десорбция из него газов, проводится путем повышения температуры или понижения давления в термических или вакуумных десорберах. Адсорбция представляет процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси рядом пористых, тонкодисперсных твердых тел. Наиболее известным адсорбентом является активированный уголь, 1 кг которого может составлять несколько сотен тысяч квадратных метров. Из других адсорбентов наиболее распространены силикагели, алюмосиликаты, в качестве катализаторов процесса адсорбции Рис. 136. Схема пластинчатого электрофильтра используют медь, серебро, палладий, платину. При увеличении температуры адсорбционная способность снижается. На этом основана регенерация, осуществляемая нагревом насыщенного адсорбента до температуры выше рабочей или продувкой горячим воздухом или паром. Метод хемосорбции использует поглощение газов и паров жидкими или твердыми реагентами с образованием малолетучих или малорастворимых соединений. Например, очистка газовоздушной смеси от сероводорода проводится с помощью мышьяко-щелочного реагента: H 2 S + Na 4 As 2 S 5 O 2 Na 4 As 2 S 6 O + H 2 O Каталитические методы очистки газовых потоков основаны на взаимодействии удаляемых веществ со специально добавленным в газовую смесь катализатором, ускоряющим химическую реакцию. Так например, для нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания применяют твердый катализатор (медно-никелевый сплав, платину на глиноземе, хром и др.), на поверхности которого происходит превращение токсичных оксидов азота и углерода в нетоксичные (газообразный азот и диоксид углерода): 2NO + 2CO N 2 + 2CO 2 , 2NO + 2H 2 N 2 + 2H 2 O. Термическая нейтрализация основана на способности горючих токсичных газов окисляться до менее токсичных при наличии О 2 при повышенных температурах. В случаях когда очищаемые газы обладают значительной энергией, достаточной для поддержания горения (например, в факелах нефтехимических предприятий), используют прямое дожигание загрязненных газовых потоков. В очищаемые газы, имеющие высокую температуру, но не содержащие достаточно горючих веществ или кислорода, подают в специальных камерах обогащенный кислородом воздух или природный газ. Рассеивание загрязнителей Самым простым способом уменьшения концентрации вредных веществ в атмосфере является рассеивание. В этих случаях загрязненный газовый поток выбрасывается через трубу непосредственно в атмосферу. За счет турбулентной диффузии загрязняющие частицы рассеиваются в воздухе до мелких концентраций. На этот процесс существенно влияют высота трубы, физические свойства выбросов, характеристики атмосферы, параметры ветра, влажность и температура воздуха, рельефа местности и т.д. Минимальная высота трубы определяется по формуле 3 1 F A M k m n H ПДК Q T , где А – коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания; М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу; Q – объем расходуемой газовоздушной смеси; T – разность температур газовоздушной смеси и атмосферного воздуха; k F – коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц в атмосфере; m и n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из трубы; ПДК – установленная предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе. Основной недостаток рассеивания состоит в том, что загрязнение не исключается, а нормированно уменьшается. При этом недостаточно учитывается суммарное загрязнение, накопление загрязняющих веществ по времени и перенос загрязнения из зоны источника загрязнения в иные местности, в том числе на большие расстояния. Защита водных объектов Загрязнение воды стало многообразным и повсеместным явлением. Основные загрязнители – промышленные отходы, бытовые отходы и канализация, сточные воды, использованная в различных технологических процессах, в том числе как охладитель, вода и т.д. Отдельно необходимо рассматривать загрязнения акваторий судами. В основе защиты водных объектов, как уже указывалось выше, должны лежать разработки и повсеместное внедрение водосберегающих технологий и замкнутых бессточных систем водоснабжения. Схема «водоем – потребитель – очистка – сброс в водоем» должна быть заменена на: использование воды в единой системе: «забор воды – потребитель – очистка – подготовка – повторное использование потребителем»; очистка загрязненной воды направлена на регенерацию воды, а загрязнители перерабатываются во вторичное сырье. Очистка воды в зависимости от процессов, протекающих в очистных сооружениях, разделяется на механическую, физико-химическую и биологическую. Механическая очистка осуществляет задержание нерастворенных примесей (иногда называется осветлением воды) и заключается в процеживании, отстаивании, отделении частиц в поле действия центробежных сил и фильтровании. Процеживание проводится пропусканием водного потока через решетки, сита и волокноуловители. Решетки (рис. 137) изготавливаются из металлических стержней с зазором 5–25 мм; удаление осадка осуществляется, как правило, механически с помощью различных устройств, вертикальных и поворотных граблей, например. Сита имеют более мелкие ячейки квадратной формы. Решетки-дробилки, имеющие в своем устройстве сетчатые барабаны, улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их, что упрощает последующую обработку осадка. Для выделения волокнистых веществ из сточных вод, в частности в выбросах целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий, применяют волокноуловители, принцип действия которых основан на процеживании через конусообразные диски с перфорацией или через движущие сетки с нанесенным на них слоем волокнистой массы. Отстаивание основано на свободном оседании (в ряде случаев, всплытии) примесей с плотностью больше (или меньше) плотности воды. Устройствами отстаивания являются отстойники, песколовки, жироуловители. Скорость свободного осаживания (или всплытия) примесей, являющаяся основой расчета очистных устройств, равна (м/с) 2 0 18 ч ч в gd W , где g – ускорение свободного падения; d ч – средний диаметр части, м; ρ ч и ρ в – плотности частиц и воды, кг/м 3 ; μ – динамическая вязкость воды, Па/с. Песколовки (рис. 138) применяют для очистки сточных вод от тяжелых нерастворимых частиц: песка, окалины, металлических и других крупиц размером более 0,25 мм. Направление движения сточной воды может быть прямолинейным и круговым в горизонтальных по конструкции песколовках. Кроме того, бывают вертикальные и аэрируемые песколовки. Рис. 137. Схема решетки: 1 – решетка из металлических стержней; 2 – механизм для снятия задержанных решеткой загрязнений; 3 – транспортер для подачи задержанных загрязнений в дробилку Рис. 138. Схема горизонтальной песколовки: 1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3 – шламосборник (песковый приямок); 4 – выходной патрубок Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм и частиц нефтепродуктов; конструктивно они выполняются горизонтальными, радиальными, комбинированными (рис. 139). Специфические загрязнения удаляются специальные устройствами: жиро-, нефте-, масло-, смолоуловителями (рис. 140 и 141). Для осаждения твердых частиц водного потока в поле центробежных сил применяют открытые и напорные гидроциклоны (рис. 142) и центрифуги (рис. 143). Открытые гидроциклоны применяют скорости осаждения более 0,02 м/с, при меньших скоростях осаждения применяются напорные циклоны; центрифуги используются для очистки больших объемов воды. Станции механической очистки включают многоступенчатую технологию. Для большей эффективности в отстойники вводят различные химические вещества, в первую очередь коагулянты, которые укрупняют частицы, образуя хлопья, в том числе частично растворенных примесей. В числе таких веществ сернокислый алюминий, хлорное железо, сернокислое железо, известь и др. Рис. 139. Схемы отстойников: а – горизонтальный (1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток; 4 – приямок); б – вертикальный (1 – цилиндрическая часть; 7 – центральная труба; 3 – желоб; 4 – коническая часть); в – радиальный (1 – корпус; 2 – желоб; 3 – распределительное устройство; 4 – успокоительная камера; 5 – скребковый механизм); г – трубчатый; д – с наклонными пластинами (1 – корпус; 2 – пластины; 3 – шламоприемник) Рис. 140. Схема радиальной нефтеловушки: 1 – патрубок отвода осветленной воды; 2 – желоб для отвода нефтепродуктов; 3 – распределительное устройство; 4 – нефтесборный скребок; 5 – донный скребок; 6 – корпус Рис. 141. Жироуловитель однокамерный: 1 – главная камера; 2 – перегородки; 3 – слой жира; 4 – люк для удаления жира; 5 – отвод воздуха а) б) в) г) Рис. 142. Гидроциклоны: а – напорный; б – с внутренним цилиндром и конической диафрагмой (1 – корпус; 2 – внутренний цилиндр; 3 – кольцевой лоток; 4 – диафрагма); в – многоярусный гидроциклон с наклонными патрубками для отвода очищенной воды (1 – конические диафрагмы; 2 – лоток; 3 – водослив; 4 – маслосборная воронка; 5 – распределительные лотки; 6 – шламоотводящая щель); г – блок напорных гидроциклонов Фильтрование предназначено для очистки сточных вод от тонкодисперсных механических примесей. Фильтры применяются в основном двух типов: зернистые (рис. 144) и микрофильтры. Первые имеют насадки несвязанных пористых материалов, в качестве которых применяют песок, гравий, мраморную крошку, частицы шунгизита, пенополиуретана и др. В микрофильтрах используют фильтроэлементы, изготовленные из связанных пористых материалов: сеток, шпаней, спеченных металлических порошков и т.п. Рис. 143. Горизонтальная центрифуга непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка: 1 – барабан; 2 – полая цапфа; 3 – барабан-шнек; 4 – труба для промывной воды; 5 – труба подачи суспензии; 6 – кожух; а – отверстия для пульпы; б – окна для фугата; в – разгрузочные окна для осадка Рис. 144. Напорный вертикальный фильтр с зернистой загрузкой: 1 – подача воды на очистку; 2 – фильтрующий слой из зернистой загрузки; 3 – верхнее распределительное устройство; 4 – контрольный эллиптический лаз; 5 – круглый лаз; 6 – подвод промывной Сочетание фильтров и центробежных сил используется в фильтрах-сепараторах. Так, фильтры с частицами пенополиуретана, которые обладают высокой маслопоглощающей способностью, легко очищаются под действием центробежных сил. Поэтому в фильтре-сепараторе достигают последовательно очистки воды, а затем регенерации самого фильтра. Физико-химические методы очистки достаточно разнообразны и высокоэффективны. Они используются для удаления из сточных вод монодисперсных взвешенных частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ. К ним относятся: реагентная очистка (нейтрализация, хлорирование, озонирование, коагуляция и т.д.), экстракция, флотация, сорбция, эвапорация, ионообменные и электрохимические методы, гиперфильтрация, кристаллизация и др. Коагуляция – это процесс введения в сточные воды коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и т.п.) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются. Коагуляция широко применяется для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно- бумажной, легкой и текстильной отраслей промышленности. В процессе механической очистки из сточных вод удаляются частицы размером более 10 мкм, а мелкодисперсные и коллоидные агрегаты в них остаются. Производственные сточные воды, прошедшие сооружения механической очистки, представляют собой агрегативно устойчивую систему. При введении в сточную воду коагулянтов или коагулянтов совместно с флокулянтами агрегатная устойчивость нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц (хлопья), которые удаляются из сточных вод механическими методами (рис. 145). Расход коагулянта зависит от его вида, а также состава и требуемой степени очистки сточных вод и составляет 0,1–5 кг на 1 м 3 сточных вод. Рис. 145. Перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным движением обрабатываемой сточной воды: 1, 2 – отводной канал соответственно сточной воды и осадка; 3, 4 – шиберы соответственно для отключения части коридоров камеры и выпуска осадка воды; 7 – отвод первого фильтрата; 8 – отвод очищенной воды; 9 – отвод промывной воды В процессе коагуляции образуется значительный объем рыхлого хлопьевидного осадка (до 10–20% объема обрабатываемой сточной воды), что вынуждает применять коагуляционные методы очистки при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов. Эффективность очистки может достигать 90–95%. В практике находит применение и метод электрохимического коагулирования с использованием электродов, изготовленных из железа или сплавов алюминия. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми гидро-ксидами алюминия или железа. Нейтрализация сточных вод ведется для удаления кислот, щелочей и солей металлов на основе кислот и щелочей и основана на объединении ионов водорода и гидрокислотной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода получает нейтральную среду. Нейтрализацию кислот и их солей проводят щелочными реагентами: едким натром, едким кали, содой, мелом, известью, известняком, доломитом и т.п., а для нейтрализации щелочей и их солей используют серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Проведение нейтрализации происходит на практике одним из трех способов: путем фильтрования сточной воды через насадки с реагентами (рис. 146); добавлением в воду реагента в виде сухого вещества или раствора; перемешиванием сильно загрязненного водного потока с сухим реагентом с последующим образованием нейтральной сгущенной массы. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей и соответственно его последующей растворимости в них. Его целесообразно применять при относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (фенолы, жирные кислоты). В процессе экстракции экстрагент вводится в обрабатываемую воду, причем после достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте с подходящим коэффициентом распределения значительно превышает остаточную концентрацию в сточной воде. Экстракт (экстрагент с растворенным веществом) отделяется от обработанной сточной воды, а затем с помощью различных методов осуществляется отделение экстрагируемого вещества, которое утилизируется, а экстрагент вновь возвращается в технологический процесс. Рис. 146. Вертикальный доломитовый фильтр-нейтрализатор: 1 – подача кислых сточных вод; 2 – приемные камеры; 3 – доломитовые фильтры; 4 – гравий; 5 – дренаж; 6 – выпуск нейтрализованных сточных вод Очистка флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками воздуха (рис. 147) или другой газовой смеси, подаваемой в загрязненную воду. В основе процесса флотации лежит молекулярное слипание частиц масла и пузырьков газа в воде. В зависимости от способа образования газовых пузырьков различают следующие виды флотации: пневматическую, напорную (рис. 148), химическую, вибрационную, пенную, биологическую, электрофлотацию и др. В процессе электрофлотации (рис. 149) используют электролиз воды, который приводит к образованию дисперсной газовой фазы. Кроме того, с поверхности электродов (алюминиевых, стальных) происходит сход ионов алюминия и железа в раствор, что обеспечивает коагулирование мельчайших частиц примесей. Сопутствующие флотации электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточной воды. Таким образом, электрофлотацию можно считать комплексным методом очистки. При сорбции удаляют растворимые примеси; основными сорбентами являются мелкодисперсные материалы: зола, глина, торф, опилки, шлаки; наиболее эффективный сорбент – активированный уголь. |