Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

А. И.

РОДИОНОВ,

ff.

KJTVШИН, В. Г. СЕСТЕР

Технологические

процессы

экологической

безопасности

(основы энвайронменталистики)

ТРЕТЬЕ ИЗДАНИЕ,

ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Рекомендовано Министерством образования

Российской Федерации

в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся

по специальности "Охрана окружающей среды

и рациональное использование природных ресурсов

Н. Бочкаревой

Калуга

2000

ББК 6П7.1:57(069)

Р603

УДК [551.510.42+628.15/161 : (075.8)

Рецензент: академик ATH РФ, д-р хим. наук. проф. Голубев В. H.

Родионов А. И., Клушин В. H., Систер В. Г.

Р603 T ехнологические процессы экологической безопасности /Осно-

вы энвайронменталистики/: Учебник для студентов технических и

технологических специальностей. 3-е изд., перераб. и

доп.

— Ка-

луга: Издательство Н. Бочкаревой, 2000. — 800 е., ил, табл.

Рассмотрены способы предотвращения производственных и городс-

ких поступлений в биосферу наиболее распространенных и масштабных

загрязнений. Охарактеризованы эффективные технологические процес-

сы и основная аппаратура, предназначенные для очистки от гетеро- и

гомогенных примесей различной природы газовых выбросов и сточных

вод, а также утилизации основных видов крупнотоннажных твердофаз-

ных отходов различных отраслей промышленности и городского хозяй-

ства. Особое внимание уделено комплексному использованию сырья,

ресурсосберегающим малоотходным технологиям.

Для студентов технологических и технических специальностей. Мо-

жет быть полезен специалистам, занятым вопросами исследования, раз-

работки, проектирования и эксплуатации природоохранных процессов.

ББК 6П7Л:57(069)

ISBN 5-89552-013-8 © Родионов А. И., Клушин В. H., Систер В. Г.. 2000

Предисловие

Грандиозные масштабы производственной деятельности че-

ловека привели к большим позитивным преобразованиям в мире

— созданию мощного промышленного и сельскохозяйственно-

го потенциала, широкому развитию всех видов транспорта, ир-

ригации и мелиорации больших земельных площадей, созда-

нию систем искусственного климата. Вместе с тем резко ухуд-

шилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосфе-

ры, водоемов и почвы твердыми, жидкими и газообразными от-

ходами достигает угрожающих размеров, происходит истоще-

ние невозобновляемых природных ресурсов, в первую очередь,

полезных ископаемых и пресной воды. Дальнейшее ухудше-

ние состояния экосферы может привести к далеко идущим от-

рицательным последствиям для человечества. Поэтому охра-

на природы, защита ее от загрязнений стала одной из важней-

ших глобальных проблем.

В целях сокращения выбросов загрязнений в биосферу и под-

держания качества окружающей среды на должном уровне рус-

скими учеными академиками Н. Н. Семеновым и И. В. Соко-

ловым-Петряновым была выдвинута концепция безотходной

(малоотходной) технологии. Она подразумевает такое произ-

водство, в котором технически достигнут возможный в насто-

ящее время минимальный объем газообразных, жидких, твер-

дых и тепловых отходов в процессах переработки природного

сырья. В общем виде это связано с разработкой и внедрением

технологических процессов, обеспечивающих комплексную пе-

реработку сырья с замкнутой системой водооборота или с пол-

ной рекуперацией (улавливанием и использованием) отходов

производства в циклах реутилизации. Такие процессы нашли

широкое распространение в различных отраслях промышлен-

ности.

Для этой же цели в США оценку технологий рекомендует-

ся осуществлять по системе СКОВИО (снижение количества

отходов в источнике их образования). В СКОВИО входят внут-

ризаводские мероприятия, которые уменьшают, предотвраща-

ют или ликвидируют образование вредных отходов таким об-

разом, что уменьшают риск для здоровья человека и ухуд-

шения состояния окружающей среды. Конференция ООН в Рио-

де-Жанейро в 1992 году приняла документы, по которым ре-

шение проблемы охраны окружающей среды и рационального

использования природных ресурсов возможно лишь при пере-

ходе всех стран на модель устойчивого социально-экономичес-

кого развития.

Два издания книги под названием "Техника защиты окружающей

среды" вышли в 1981 и 1989 гг. Книга стала основным учебником

для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности "Охра-

на окружающей среды и рациональное использование природных ре-

сурсов"

Так как на современном этапе развитие промышленности

должно быть тесно увязано с минимизацией проблем экологической

безопасности, то учебник может быть полезен и для студентов дру-

гих технических специальностей, ибо современные инженеры при-

званы разрабатывать, совершенствовать технологические процес-

сы с глубоким пониманием воздействия на биосферу образуемых

ими загрязнений и осуществлять меры по устранению поступлений

последних в окружающую среду.

Настоящее издание учебника имеет новое название, более точ-

но отражающее содержание.

него внесен ряд существенных изме-

нений, уточнений и дополнений, включены главы по переработке го-

родских отходов и вопросы для контроля усвоения знаний.

Учебник состоит из четырех разделов, содержащих основы эн-

вайронменталистики. В первом разделе "Процессы защиты атмос-

феры (очистка отходящих газов)" в главах

1-5

рассмотрены мето-

ды и технологические процессы очистки газов от аэрозолей, газооб-

разных и парообразных загрязнений.

Во втором разделе "Процессы защиты гидросферы (очистка

сточных

вод)"

в главах

6-11

изложены основы использования воды в

оборотных и замкнутых системах водоснабжения предприятий, а

также механические, химические, физико-химические, биохимичес-

кие

термические методы удаления растворимых и нерастворимых

загрязняющих примесей из производственных сточных вод.

В третьем разделе "Процессы защиты литосферы (перера-

ботка твердых отходов)" в главах 12-18 охарактеризованы уни-

версальные методы переработки и основные технологические

процессы утилизации наиболее крупнотоннажных отходов важ-

нейших отраслей промышленности.

В четвертом разделе в главах 19-24 обсуждаются основные про-

цессы сбора и переработки твердых городских отходов.

Предисловие, главы

1-3

6-11

написаны д-ром техн. наук, про-

фессором

А.

И. Родионовым; главы 4,5 и 12-18—д-ром

техн.

наук,

профессором В. Н. Клушиным; раздел IV (главы 19-24) написаны

д-ром

техн.

наук, профессором В. Г. Систером.

Общее редактирование материала учебника осуществлено д-ром

техн. наук, профессором А. И. Родионовым.

Авторы выражают глубокую благодарность за помощь в подго-

товке рукописи и издания Т. В. Шестеркиной, а также рецензенту—

академику ATH РФ, д-ру хим. наук, профессору В. Н. Голубе-

ву за ценные указания, сформулированные при тщательном

анализе рукописи настоящего издания, и будут весьма призна-

тельны всем читателям за критические замечания и пожела-

ния, направленные на улучшение содержания учебника.

I. Процессы защиты атмосферы

(очистка отходящих газов)

Одним из следствий техногенного влияния на окружающую

среду в ряде стран в настоящее время является заметное ухудше-

ние состояния атмосферного воздуха. Наиболее крупнотоннаж-

ные (млн. т. в год) глобальные загрязнения атмосферы образуют

(2-IO

), пыль (250), СО (200), SO

(150), углеводороды (> 50),

(50). Номенклатура загрязнений весьма широка и включа-

ет, помимо названных, сероводород, сероуглерод, аммиак, гало-

гены и их производные, сажу, оксиды металлов, различные соли

и другие соединения. Выбросы наиболее распространенных вред-

ных веществ, отходящих от стационарных промышленных ис-

точников загрязнения атмосферного воздуха, характеризовались

в России в 1997 году следующими данными:

Характеристика выбросов Масса выбросов, млн. т

Твердые вещества 2,58

Газообразные вещества 13,26

Оксида углерода

3,78

Углеводородов (без летучих органических соединений) 1,10

Степень улавливания и обезвреживания выбросов в среднем

составила 80,2%.

Источники производственных загрязнений воздушного про-

странства разделяют: а) по назначению — технологические, со-

держащие хвостовые газы рекуперационных, абсорбционных, ад-

сорбционных и других улавливающих установок, а также про-

дувочные газы из аппаратов, устройств и установок (для этих

источников характерны высокие концентрации вредных веществ

и сравнительно малые объемы удаляемого воздуха); вентиля-

ционные (местные отсосы от оборудования и общеобменная

вытяжка); б) по месту расположения — незатененные или вы-

сокие, находящиеся в зоне недеформированного потока (высо-

Из них:

Диоксида серы

Оксидов азота

5,71

1,56

Летучих органических соединений

Всего

0,90

15,85

кие трубы, а также точечные источники, удаляющие загрязнения на

высоту, превышающую в 2,5 раза высоту производственного здания);

затененные или низкие, расположенные над зданием на меньшей

высоте; наземные, находящиеся вблизи земной поверхности (открыто

расположенное технологическое оборудование, колодцы промкана-

лизации, пролитые токсичные вещества, открыто хранящиеся отхо-

ды производства); в) по геометрической форме — точечные (тру-

бы, шахты, крышные вентиляторы) и линейные (аэроционные фона-

ри, открытые окна, близко размещенные вытяжные шахты и факе-

лы); г) по режиму работы — непрерывного и периодического дей-

ствия, мгновенные и залповые, при которых за короткий промежу-

ток времени в воздух удаляется большое количество вредных ве-

ществ (возможны при авариях и сжигании быстрогорящих отходов

производства на специальных площадках для их уничтожения).

Все промышленные выбросы в атмосферу классифицируют по

агрегатному

состоянию (газообразные, жидкие, твердые и смешан-

ные), по характеру организации отвода и контроля (организованные и

неорганизованные), по режиму отвода (непрерывные и периодичес-

кие), по температурному потенциалу — нагретые (температура выб-

росов превышает температуру воздуха) и холодные, по локализации

(в основном, вспомогательном, подсобном производстве), по призна-

кам очистки — удаляемые без нее (организованные и неорганизо-

ванные) и после нее (организованные).

Различают также первичные выбросы, поступающие в атмосфе-

ру' непосредственно от источников загрязнений, и вторичные выбро-

сы, которые, являясь продуктами превращений первичных выбро-

сов, могут быть более токсичны и опасны.

Под очисткой газового потока понимают отделение от него или

превращение в безвредную форму загрязняющих веществ, выбра-

сываемых в атмосферу вместе с газовым потоком. Воздушными

массами загрязнения могут переноситься на большие расстояния и

существенно влиять на состояние атмосферы и здоровье человека.

В частности, происходящее с интенсивностью 0,4% в год накоп-

ление в атмосфере CO

вследствие поглощения им ИК-излучения

солнца может вызывать глобальное повышение температуры ("пар-

никовый" эффект). Трансформация в атмосфере SO

, NO

и других

анологичной природы выбросов может завершаться образованием

кислотных туманов и выпадением кислотных дождей (снегов), вы-

зывающих коррозию многих неорганических материалов (объектов)

а также угнетение и уничтожение различных объектов флоры и фау-

ны. Находящиеся в атмосферном воздухе аэрозоли (пыли, дымы,

туманы) задерживают падающую на поверхность Земли солнечную

радиацию, способствуя похолоданию на планете. Оседающая же на

поверхности ледников пыль ускоряет их таяние вследствие более ин-

тенсивного поглощения солнечной энергии. Атмосферные аэрозоли

вследствие их более илй менее длительной седиментации обуслов-

ливают загрязнение токсичными веществами поверхностных и под-

земных вод, а также почвы.

Многофакторно отрицательное влияние атмосферных загрязне-

ний и на животный мир, и, в частности, человека. Так, даже малые

концентрации SO

при продолжительном воздействии обусловлива-

ют возникновение у человека гастрита, ларингита и других болез-

ней. Предполагают даже связь между содержанием в воздухе SO

уровнем смертности от рака легких. Оксид углерода (СО) инактиви-

рует гемоглабин, обусловливая кислородную недостаточность жи-

вых тканей, и вызывает расстройство нервной и сердечно-сосудис-

той систем, а также способствует развитию атеросклероза. Сероуг-

лерод влияет на нервную систему, приводит к острой интоксикации и

атеросклерозу. Сероводород вызывает головную боль, слабость и

тошноту

и даже в малых концентрациях может обусловливать функ-

циональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудис-

той систем. Оксиды азота сильно раздражают дыхательные орга-

ны, приводя к возникновению в них воспалительных процессов, по;

их влиянием образуется метгемоглобин, понижается кровяное дав-

ление, возникает головокружение, рвота, одышка, возможна потеря

сознания. Хлор и его соединения влияют на обоняние, световую чув-

ствительность глаз, нарушают дыхание. Соединения фтора резке

раздражают кожу и слизистые оболочки, при их длительном воздей-

ствии возможны носовые кровотечения, насморк, кашель, склероти-

ческие изменения в легких. Наличие в атмосферном воздухе углево-

дородов вызывает раздражение дыхательных путей, тошноту, голо

вокружение, сонливость, расстройства дыхания и кровообращения

некоторые углеводороды — канцерогенные вещества. Хроническо<

воздействие радиоактивных веществ, находящихся в атмосферного

воздухе даже в малых концентрациях, нарушает нервную деятель-

ность, функции половых желез, желудочно-кишечного тракта, орга

нов дыхания, работу надпочечников, гипофиза, щитовидной железы

сердечно-сосудистой системы, изменяет форменные элементы кро

ви, вызывает генетические аномалии.

Эти обстоятельства обусловливают жесткие требования,

предъявляемые к производственным выбросам в атмосферу и со-

держанию загрязнений в атмосферном воздухе. Выполнение этих

требований контролируется специальными службами предприятий, а

также ведомственных и государственных органов путем, в частно-

сти, установления соответствия измеряемых показателей регламен-

тируемым величинам ПДК и ПДВ.

Действующие на территории России ПДК (в мг/м

) в воздухе ряда

токсичных веществ характеризуются следующими величинами:

Вещество HF Cl

S SO

пда

рз

0,5 1

20 10

10 10 5

пдк

мр

0,02

0,1

0,2

0,03

0,008 0,03 0,085

ПДКсс

0,005 0,03

0,2

0,005

0,008 0,005 0,085

Вещество СО HCl

SiF

HCN

(сажа)

ПДКрз

:> 0,01

—

0,3

0,1

3,5

ПДК

.р

3 0,015

—

0,02

—

0,15

ПДКс.0. 1

0,015

0,0003 0,005 0,01

—

0,05

В зависимости от значения ПДК вещества в воздухе классифи-

цируют по степени опасности. При одновременном присутствии в

атмосфере к вредных веществ (с концентрациями C

, C

, ..... C

) од-

нонаправленного действия, их безразмерная суммарная концентра-

ция не должна превышать единицы:

СУМ

=-^

-++' •<

с>м

ПДК, ПДК

пдк

•

Предельно допустимый выброс для нагретых загрязнений опре-

деляют по формуле:

ПДК

-H

ПДВ» =

,, —•

F-m п

При этом концентрация вредного вещества в отходящем газе около

устья источника загрязнения (например, дымовой трубы) должна

быть не более некоторой максимальной концентрации, вычисляемой

по формуле:

с-

М,Т р

Д T

Для холодных выбросов расчет проводят по формулам:

8пдк.нVhvT

пдв

F n D

_ 8 п дк

н VH

м тр

-F-n-D •

В этих формулах H — высота дымовой трубы, м; V

— объем-

ный расход газовоздушной смеси, м

/с; AT — разность между темпе-

ратурами выбрасываемой смеси и атмосферного воздуха; A

, A

—

коэффициенты, зависящие от условий вертикального и горизонталь-

ного рассеиваний вредных веществ в воздухе, значения которых со-

ставляют 120-240; F — безразмерный коэффициент, учитывающий

скорость оседания в воздухе вредных веществ (для газов F=I); m, п —

коэффициенты, учитывающие условия выхода газов из источника заг-

рязнений; D — диаметр устья трубы, м.

Наиболее известные методы и технологии обезвреживания и очи-

стки производственных газовых выбросов, содержащих широко рас-

пространенные в практике загрязнения, охарактеризованы ниже.

Глава 1. Методы очистки и обезвреживания

отходящих газов

Основными источниками загрязнения атмосферного воздч'ха яв-

ляются промышленные предприятия, транспорт, тепловые электро-

станции, животноводческие комплексы. Каждый из этих источников

связан с выделением большого количества специфических токсич-

ных веществ, иногда не поддающихся сразу идентификации, хотя но-

менклатура многотоннажных загрязнений сравнительно мала.

Например, предприятия черной металлургии выбрасывают газы,

содержащие пыль, оксиды серы и металлов. На 1 т передельного

чугуна выбрасываются 4,5 кг пыли, 2,7 кг SO

, 0,1—0,5 кг Mn

а так-

же соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, ртути, редких

металлов, смолистые вещества. Агломерационные фабрики выбра-

сывают пыль и диоксид серы (190 кг SO

на 1 т руды). Мартеновс-