UMK ЭиУР

Контрольные вопросы:

1.Какие факторы оказывают влияние на газовый состав атмосферы?

2.Назовите группы основных загрязнителей атмосферного воздуха.

3.В чем заключается проблема «парникового эффекта»?

4.Что такое смог? Назовите основные типы смогов.

5.Какие последствия может иметь исчезновение озонового экрана?

Тема лекции 10 – Методы и средства защиты атмосферы. Классифи-

кация систем очистки воздуха. Очистка промышленных выбросов от пыли. Методы и системы очистки от газообразных примесей. Санитарно-защитная зона.

Классификация систем очистки воздуха. По агрегатному состоянию за-

грязнители воздуха подразделяются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Промышленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости.

Системы очистки воздуха от пыли (рисунок 10.1) делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также электрофильтры и фильтры.

При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тонкой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м3.

Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называемых туманоуловителями.

Средства защиты воздуха от газообразных примесей зависят от выбранного метода очистки. По характеру протекания физико-химических процессов выделяют метод абсорбции (промывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.

СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Рисунок 10.1 Системы и методы очистки вредных выбросов

51

Очистка промышленных выбросов от пыли. Сухие пылеуловители

(циклоны, пылеосадительные камеры) предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы – оседание частиц под действием центробежных сил и сил тяжести. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок, далее он совершает вращательнопоступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам циклона и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда периодически удаляются.

В зависимости от конструктивного исполнения различают циклоны:

-осевые, в корпусе которых входящие и выходящие потоки газа движутся вдоль его оси, при этом они могут двигаться в одном направлении (прямоточные) или в противоположных (противоточные);

-с тангенциальным входом, при этом входящий газ движется по касательной к окружности поперечного сечения корпуса аппарата и перпендикулярно к оси корпуса;

-с винтовым входом, при этом движение входящего потока газа приобретает винтовой характер с помощью тангенциального входного патрубка и верхней крышки с винтовой поверхностью;

-со спиральным входом, когда соединение выпускного патрубка с корпусом аппарата выполнено спиральным.

Для повышения эффективности работы применяют групповые (батарейные) циклоны.

Преимущество циклонов – простота конструкции, небольшие размеры, отсутствие движущихся частей; недостатки – затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуловителей, например ротационные, вихревые, радиальные.

Мокрые пылеуловители. Особенностью этих систем очистки является высокая эффективность очистки от мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсуночные скрубберы и скрубберы Вентури, которые обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов.

Фильтры (тканевые, зернистые) способны задерживать мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. В промышленности наиболее употребительны тканевые рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250-300 °С) типа «сульфон-Т», фильтровальные металлические ткани (до 800 °С), а также фильтры из тканей типа ФПП и ФПА, дающие высокую степень очистки.

52

В корпусе фильтра устанавливается необходимое число рукавов, на которые подается загрязненный воздух, при этом очищенный воздух выходит через патрубок. Частицы загрязнений оседают на фильтре. Насыщенные загрязненными частицами рукава продувают и встряхивают для удаления осажденных частиц пыли. Эффективность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером более 0,5 мкм.

Электрофильтры – наиболее совершенный способ очистки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0-99,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности коронирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. При встряхивании электродов осажденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли. Электроды требуют большого расхода электроэнергии – это их основной недостаток.

Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах.

Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим их стеканием под действием гравитационных сил. Эффективность туманоуловителей для размеров частиц менее 3 мкм может достигать 0,99.

Для улавливания кислотных туманов применяются также сухие электрофильтры.

Методы и системы очистки от газообразных примесей. Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей (NO, NО2, SО2

и др.) подразделяют на три основные группы: 1) промывка выбросов растворителями примеси (абсорбционный метод); 2) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод) и 3) поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

Метод абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в ней поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических углеводородов (из коксового газа) – вязкие масла.

Установки, реализующие метод абсорбции, называются абсорберами. В абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения более высо-

53

кого контакта с газовой средой. Все аппараты жидкостной абсорбции делятся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические. Например, очистка газовой смеси от сероводорода мышьякощелочным методом осуществляется по следующей химической реакции:

Na4As2S5О2 + H2S = Na4As2S6О + Н2О.

При этом извлекаемый водород связывается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.

Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75...0,92. Основной недостаток мокрых методов в том, что при их реализации понижается температура газов, что уменьшает их эффективность.

Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов – твердых тел с ультрамикроскопической структурой (активированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, сланцевая зола и другие вещества).

Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных или горизонтальных емкостей, заполненных адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

С помощью каталитического метода превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами. Широко применяют палладийсодержащие и ванадиевые катализаторы. С их помощью происходит каталитическое досжигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида.

Термический метод или высокотемпературное дожигание, который иногда называют термической нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9...0,99, температура в зоне горения - 500...750°С.

Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов предприятий в значительной степени связана с устройством санитарно-защитных зон.

Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – территория между границами промплощадки, складов открытого и закрытого хранения материалов и реагентов, предприятий сельского хозяйства, с учетом перспективы их расширения и селитебной застройки. Она предназначена для:

54

-обеспечения требуемых гигиенических норм содержания в приземном слое атмосферы 3В, уменьшения отрицательного влияния предприятий, транспортных коммуникаций, линий электропередач на окружающее население, факторов физического воздействия;

-создания архитектурно-эстетического барьера между промышленностью и жилой частью при соответствующем ее благоустройстве;

-организации дополнительных озелененных площадей с целью усиления ассимиляции и фильтрации загрязнителей атмосферного воздуха, а также повышения активности процесса диффузии воздушных масс и локального благоприятного влияния на климат.

Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ:

-предприятия первого класса – 2000 м (по СН 245-71 - 1000 м);

-предприятия второго класса – 1000 м (500 м);

-предприятия третьего класса – 500 м (300 м);

-предприятия четвертого класса – 300 м (100 м);

-предприятия пятого класса – 100 м (50 м).

Основная литература: 2 [264 – 287]; 3[112-114]; 4 [109-123]

Дополнительная литература: 2 [156-158] Контрольные вопросы:

1.Какие методы применяются для очистки воздуха от пыли?

2.Что представляют собой рукавные фильтры?

3.Какое оборудование применяют для тонкой очистки от пыли?

4.Какие аппараты применяют для очистки воздуха от газов?

5.Что называется санитарно-защитной зоной (СЗЗ)?

Тема лекции 11 – Охрана водных ресурсов. Строение гидросферы. Ис-

точники загрязнения поверхностных и подземных вод. Классификация сточных вод. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах. Методы очистки сточных вод. Оптимизация водопотребления и рациональное водопользование.

Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды и ледники, снежный покров, а также водяные пары в атмосфере. Гидросфера Земли на 94% представлена солеными водами океанов и морей, более 75% всей пресной воды законсервировано в полярных шапках

Арктики и Антарктиды (табл. 11.1).

Т а б л и ц а 11.1 Распределение водных масс в гидросфере Земли

Водная среда используется для лова рыбы и других морепродуктов, сбора растений, добычи подводных залежей руды (марганца, никеля, кобальта) и нефти, перевозки грузов и пассажиров. В производственной и хозяйственной деятельности человек применяет воду для очистки, мытья, охлаждения оборудования и материалов, полива растений, гидротранспортировки, обеспечения специфических процессов, например выработки электроэнергии и т.п.

Источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Под загряз-

нением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Главные загрязнители вод. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

Различают химические, биологические и физические загрязнители. Среди химических загрязнителей к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. Очень опасно загрязняют воду биологические загрязнители, например, вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, и физические – радиоактивные вещества, тепло и др.

Основные виды загрязнения. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение вод. Значительно реже наблюдается - радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод.

Процессы загрязнения поверхностных вод обусловлены различными факторами. К основным из них относятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов. Основные источники антропогенного загрязнения гидросферы представлены на рисунке 11.1.

Классификация сточных вод. Промышленные предприятия потребляют большие количества чистой (свежей) воды. Она используется в производственном цикле, на вспомогательных участках, для бытовых целей. Вода может быть средой для проведения химических реакций, охлаждающим агентом в теплообменной аппаратуре, ее используют для мытья полов, оборудования. Взаимодействуя с химическими веществами в технологическом цикле, вода, в конечном счете «обогащается» и превращается в сточную воду.

Выделяют следующие г р у п п ы с т о ч н ы х в о д : п р о и з в о д с т в е н - н ы е (ПСВ), бытовые (включая хозфекальные) – БСВ и а т м о с ф е р н ы е (АСВ). Последние формируются за счет атмосферных осадков (дождь, снег), поступающих на территорию предприятия. В зависимости от содержания в них химических веществ АСВ могут быть

56

Состояние воды оценивается тремя группами показателей: санитарнотоксикологическими, общесанитарными и органолептическими. По каждой группе выявляется критический лимитирующий показатель (лимитирующий показатель вредности – ЛПВ). Общелимитирующим считается лимитирующий показатель той группы, которая является определяющей с точки зрения категории водопотребления – водопользования.

Существует общие требования к составу и свойствам воды, соблюдение которых обязательно.

Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования.

ЛПВ создает некоторый запас надежности по двум другим признакам вредности. В перечне ПДК (СанПиН 4630-88) всегда указываются ЛПВ, а также класс опасности вещества: от чрезвычайно опасных (1-й класс) до малоопасных (4-й класс).

Кроме того, одно и то же вещество для водоемов, используемых для нужд населения, может нормироваться по одному ЛВП, а для рыбохозяйственных – по-другому. Если водоем используется для нескольких видов водопользования, то в качестве ПДК выбирается самая низкая, т.е. самая жесткая предельно допустимая концентрация вещества.

При сбросе в водоемы нескольких загрязняющих веществ и от нескольких источников действует то же правило, что и при выбросе нескольких загрязнении в атмосферу: сумма отношений концентрации веществ, нормируемых по одинаковому ЛПВ и относящихся к 1-му и 2-му классам опасности, к их ПДК

где Сi- концентрации отдельных веществ, нормируемых по одинаковому ЛПВ 1-го и 2-го классов опасности; ПДК - предельно допустимые концентрации суммируемых веществ соответственно.

Методы очистки сточных вод. Выделяют механические, химические, физико-химические и биологические методы очистки, а также методы захоронения сточных вод.

Механические методы очистки сточных вод. Традиционно в группу методов механической очистки включают процеживание (решетки, сита), отстаивание (песколовки, отстойники – горизонтальные, вертикальные или радиальные и осветлители), осветление во взвешенном слое осадка (осветлители), фильтрование (фильтры с сетчатыми элементами – микрофильтры и барабанные сетки) и ф и л ь т р ы с ф и л ь т р у ю щ и м з е р н и с т ы м с л о е м ), центробежные методы (гидроциклоны и центрифуги).

Химические методы очистки сточных вод. Существуют следующие методы н е й т р а л и з а ц и и : взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (если они имеются на данном предприятии); нейтрализация реагентами; фильтрование через нейтрализующие материалы (наиболее часто кис-

58

лые сточные воды фильтруются через основные агенты: известняк СаСО3, доломит СаСО3∙MgCО3, магнезит MgCО3 и т. д.).

Физико-химические методы очистки сточных вод. Из этой группы методов наиболее распространенными являются флотация и коагуляция.

Процесс флотации состоит в том, что молекулы нерастворенных частиц прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность воды во флотационных установках. Для повышения эффекта флотации в воду вводят реагенты.

Коагуляция. Метод заключается в том, что к сточной воде добавляют реагенты – коагулянты – известь, сульфаты железа и алюминия, способствующие быстрому выделению из нее мелких взвешенных частиц, которые при простом отстаивании не осаждаются. Взвеси вместе с коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.

Для ускорения процесса хлопьеобразования, имеющего место при коагуляции мелкодисперсных примесей, к сточной воде добавляют некоторые высокомолекулярные вещества, называемые флокулянтами (поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, полиакрилат натрия, полиэтиленимин).

Среди других физико-химических методов можно выделить электрохимические (электроэкстракцию, электрофлотацию и др.). сорбционные, включая ионообменные методы, большую группу термических процессов (дистилляцию, ректификацию, эвапорацию перегонку с паром), мембранные процессы. Все перечисленные методы не являются универсальными. Они используются, как правило, в системах локальной очистки. В своем большинстве они энергоемки и имеют ограничения по производительности.

Биологические методы очистки сточных вод. Методы основаны на способности микроорганизмов использовать в качестве питательного субстрата многие органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах.

Биологическая очистка сточных вод может производиться в аэробных (аэротенки, биофильтры) или анаэробных условиях (метантенки,

биологической очистки сточных вод, основанной на тех же процессах, которые происходят при самоочищении водоемов.

Захоронение сточных вод. Высококонцентрированные и токсичные сточные воды промышленности, для которых еще не разработаны достаточно эффективные и экономичные методы, – могут быть захоронены в глубоких подземных горизонтах. Сточные воды, закачиваемые в подземные пласты, не должны содержать большого количества взвешенных и коллоидных частиц, жиров, масел и т. п.

59

Оптимизация водопотребления и рациональное водопользование. Ос-

новными путями уменьшения количества и загрязненности сточных вод являются: разработка и внедрение безводных технологических процессов, усовершенствование существующих технологических процессов, разработка и внедрение совершенного оборудования, внедрение аппаратов воздушного охлаждения, повторное использование очищенных сточных вод в оборотном водоснабжении.

Основами Экологического кодекса РК и водного законодательства запрещены проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию предприятий, не обеспеченных водоочистными устройствами. Сброс отработанных вод допускается только с разрешения органов, контролирующих качество воды.

Предусматривается ответственность за нарушение правил пользования водами (уголовная, административная, гражданско-правовая и возмещение убытков).

Основная литература: 1 [453-468], 2 [202 –237], 3 [124-179], 3 [165-270] Дополнительная литература: 1 [92-95], 1 [114-118, 158-161]

Контрольные вопросы:

1.Определите место водных ресурсов в структуре природных ресурсов.

2.В чем заключается опасность загрязнения вод?

3.Какие меры по охране вод Вам известны?

4.Назовите основные виды загрязнения подземных вод?

5.Назовите основные источники загрязнения подземных вод.

Тема лекции 12 – Охрана почв. Почва, ее строение и загрязнение. Основные виды антропогенного воздействия на почву и мероприятия по защите почв. Нормирование и контроль загрязнения почв.

Почва, ее строение и загрязнение. Особую важность для человека представляет земная поверхность литосферы. Почва (педосфера) – верхний слой земной коры – образована из материнской горной породы, живых организмов (и в первую очередь из растений) под влиянием климата, бактерий, рельефа и возраста страны.

Почва – гигантская экологическая система, оказывающая решающее влияние на всю биосферу. Главный ее компонент – гумус. В нем непрерывно происходят биологические процессы и химические реакции, создающие условия для растительности и накопления биомассы.

Почва состоит из 4 частей: твердая (минеральная – песок, глина), жидкая, газообразная часть и живые организмы от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.

С точки зрения экологии почва это биокосное вещество. Почва важнейший биологический агент (адсорбент) и нейтрализатор загрязнений. Микроорганизмы, обитающие в почве играют важнейшую роль в минерализации остатков органики, поддержании самоочищающей способности биосферы, в обеспечении круговорота веществ и энергии, что является важнейшим условием обеспечения экологического равновесия в биосфере.

60