Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

101

2.7. Классификация промышленных отходов

Классификация промышленных отходов (ПО), образующихся в ре-

зультате производственной деятельности человека, необходима как сред-

ство установления определенных связей между ними с целью определения

оптимальных путей использования или обезвреживания отходов.

Обобщение и анализ литературных данных показывают, что класси-

фикация ПО основана на систематизации их по отраслям промышленно-

сти, возможностям переработки, агрегатному состоянию

, токсичности и

т.д. В каждом конкретном случае характер используемой классификации

соответствует рассматриваемым аспектам: складированию, очистке, пере-

работке, захоронению ПО, предотвращению их токсичного воздействия и

пр. Каждая отрасль промышленности имеет классификацию собственных

отходов.

Классификация отходов возможна по разным показателям, но самым

главным из них является степень опасности для человеческого здоровья.

Вредными отходами, например, считаются инфекционные, токсичные и

радиоактивные. Их сбор и ликвидация регламентируются специальными

санитарными правилами.

Согласно ГОСТ "Вредные вещества. Классификация и общие требо-

вания безопасности", все ПО делятся на четыре класса опасности (табл.

2.6):

Таблица 2.6

Классификация промышленных отходов по их опасности

Класс опасности Характеристика вещества (отходов)

Первый чрезвычайно опасные

Второй высоко опасные

Третий умеренно опасные

Четвертый малоопасные

Для примера можно привести класс опасности некоторых химиче-

ских веществ, определяемый расчетным методом:

- наличие в отходах ртути, сулемы, хромовокислого калия, треххло-

ристой сурьмы, бенз(а)пирена, оксида мышьяка и других высокотоксич-

ных веществ позволяет отнести

их к первому классу опасности;

- наличие в отходах хлористой меди, хлористого никеля, трехокис-

ной сурьмы, азотнокислого свинца и других, менее токсичных веществ да-

ет основание отнести эти отходы ко второму классу опасности;

- наличие в отходах сернокислой меди, щавелевокислой меди, хло-

ристого никеля, оксида свинца, четыреххлористого углерода и других ве-

ществ

позволяет отнести их к третьему классу опасности;

102

- наличие в отходах сернокислого марганца, фосфатов , сернокислого

цинка, хлористого цинка дает основание отнести

их к четвертому классу

опасности.

Принадлежность к классу опасности иных по химическому составу

отходов можно определить расчетным методом по ПДК для данного хими-

ческого вещества в почве, пользуясь математической формулой, справоч-

ной литературой (физико-химические константы, их токсичность и гиги-

гиеническими нормативами для химических веществ в почве).

2.8. Энергетическое загрязнение окружающей среды

Промышленные предприятия, объекты энергетики, связи и транс-

порт являются основными источниками энергетического загрязнения про-

мышленных регионов, городской среды, жилищ и природных зон.

К энергетическим загрязнениям относят вибрационные и акустиче-

ские воздействия, электромагнитные поля и излучения, воздействия ра-

дионуклидов и ионизирующих излучений.

Вибрации, источником которых является технологическое оборудо-

вание, рельсовый транспорт, строительные

машины и тяжелый автотранс-

порт, распространяются по грунту. Протяженность зоны воздействия виб-

рации определяется величиной их затухания в грунте, которая составляет 1

дБ/м.

Шум создается транспортными средствами, промышленным обору-

дованием, санитарно-техническими установками. На городских магистра-

лях и в прилегающих к ним зонах уровни звука могут достигать 70…80

дБА.

Основными источниками

электромагнитных полей (ЭМП) разночас-

тот являются радиотехнические объекты, телевизионные радиолокацион-

ные станции, термические цехи и участки. Воздействие ЭМП промышлен-

ной частоты связано с высоковольтными линиями электропередач, источ-

никами постоянных магнитных полей, применяемыми на промышленных

предприятиях. Зоны с повышенными уровнями ЭМП радиочастот имеют

до 100..150 м.

В быту источниками ЭМП и излучений являются

телевизоры, дис-

плеи, печи СВЧ и другие устройства.

Воздействие ионизирующего излучения на человека может происхо-

дить в результате внешнего и внутреннего облучения.

Внешнее облучение вызывают источники рентгеновского и γ-

излучения, потоки протонов и нейтронов. Внутреннее облучение вызыва-

ют α- и β-частицы, которые попадают в организм человека через органы

дыхания

и пищеварительный тракт.

Доза облучения, создаваемая антропогенными источниками, невели-

ка по сравнению с естественным фоном ионизирующего облучения, что

103

достигается применением средств коллективной защиты промышленных

источников излучения. В тех случаях, когда на объектах экономики норма-

тивные требования и правила радиационной безопасности не соблюдают-

ся, уровни ионизирующего воздействия резко возрастают.

2.9. Основные процессы инженерной защиты окружающей среды

от техногенных загрязнений

Защита окружающей среды является составной частью концепции

устойчивого развития человеческого общества, означающей длительное

непрерывное развитие, обеспечивающее потребности ныне живущих лю-

дей без ущерба удовлетворению потребностей будущих поколений. Кон-

цепция устойчивого развития не сможет реализоваться, если не будут раз-

работаны конкретные программы действий по предотвращению загрязне-

ния окружающей среды, включающие в себя

также организационные, тех-

нические и технологические разработки по развитию ресурсо-, энергосбе-

регающих и малоотходных технологий, снижению газовых выбросов и

жидкостных сбросов, переработки и утилизации хозяйственных отходов,

уменьшению энергетического воздействия на окружающую среду, усо-

вершенствованию и использованию средств защиты окружающей среды.

Организационно-технические методы охраны окружающей среды

можно условно разделить на

активные и пассивные методы.

Активные методы защиты окружающей среды представляют собой

технологические решения по созданию ресурсосберегающих и малоотход-

ных технологий.

Пассивные методы защиты окружающей среды делятся на две под-

группы: 1) рациональное размещение источников загрязнения; 2) локали-

зация источников загрязнения. Рациональное размещение предполагает

территориальное рациональное размещение объектов экономики, сни-

жающее нагрузку на окружающую

среду, а локализация по существу явля-

ется флегматизацией источников загрязнений и средством снижения их

выбросов. Локализация достигается применением различных средозащит-

ных технологий, технических систем и устройств.

В основе многих средозащитных технологий лежат физические и

химические превращения. В физических

процессах изменяются лишь фор-

ма, размеры, агрегатное состояние и другие физические свойства веществ.

Их строение и химический состав сохраняются. Физические процессы до-

минируют при дроблении, измельчении полезных ископаемых, в различ-

ных способах обработки металлов давлением, при сушке и в других анало-

гичных случаях.

Химические процессы изменяют физические свойства исходного сы-

рья и его химический состав. С их помощью получают металлы, спирты,

удобрения, сахара и т.п., которые в чистом виде в сырье не присутствуют.

104

Химические процессы являются основой производства в металлургии, хи-

мической промышленности, промышленности строительных материалов,

целлюлозно-бумажной промышленности и во множестве других отраслей

народного хозяйства.

Химические явления в технологических процессах зачастую полу-

чают развитие под влиянием внешних условий (давление, объем, темпера-

тура и т.д.), в которых реализуется процесс. При этом имеют место

несте-

хиометрические превращения одних веществ в другие, изменение

их по-

верхностных, межфазных свойств и ряд других явлений смешанного (фи-

зического и химического) характера.

Совокупность взаимосвязанных химических и физических процес-

сов, происходящих в вещественной субстанции, получила название

физи-

ко-химических,

пограничных между физическими и химическими. Физико-

химические процессы широко применяются в обогащении полезных иско-

паемых, металлургии, технологиях основных химических производств, ор-

ганическом синтезе, энергетике, но особенно в природоохранных техноло-

гиях (пыле- и газоулавливании, очистке сточных вод и др.).

Специфическую группу составляют

биохимические процессы -

химические превращения, протекающие с участием субъектов живой при-

роды. Биохимические процессы составляют основу жизнедеятельности

всех живых организмов растительного и животного мира. На их использо-

вании построена значительная часть сельскохозяйственного производства

и пищевой промышленности, например биотехнология. Продуктом био-

технологических превращений, протекающих с участием микроорганиз-

мов, являются вещества неживой природы.

В теоретических основах

технологии защиты окружающей среды,

базирующихся на общих законах физической и коллоидной химии, термо-

динамики, гидро- и аэродинамики, изучается физико-химическая сущность

основных процессов экобиозащитных технологий. Такой системный под-

ход к средозащитным процессам позволяет сделать обобщения по теории

таких процессов, применить к ним единый методологический подход.

В зависимости от основных закономерностей,

характеризующих

протекание средозащитных процессов, последние подразделяют на сле-

дующие группы:

- механические;

- гидромеханические;

- массообменные,

- химические;

- физико-химические;

- тепловые процессы;

- биохимические;

105

- процессы, осложненные химической реакцией.

В отдельную группу выделены процессы защиты от энергетических

воздействий, в основном базирующиеся на принципах отражения и погло-

щения избыточной энергии основных технологических процессов приро-

допользования.

К механическим процессам, основой которых является механическое

воздействие на твердые и аморфные материалы, относят измельчение

(дробление), сортирование (классификация), прессование и смешивание

сыпучих материалов. Движущей силой этих процессов являются силы ме-

ханического давления или центробежная сила.

К гидромеханическим процессам, основой которых является гидро-

статическое или гидромеханическое воздействие на среды и материалы,

относят перемешивание, отстаивание (осаждение), фильтрование, центри-

фугирование. Движущей силой этих процессов является гидростатическое

давление или центробежная сила.

К массообменным (диффузионным) процессам,

в которых большую

роль наряду с теплопередачей играет переход вещества из одной фазы в

другую за счет диффузии, относят абсорбцию, адсорбцию, десорбцию,

экстрагирование, ректификацию, сушку и кристаллизацию. Движущей си-

лой этих процессов является разность концентраций переходящего веще-

ства во взаимодействующих фазах.

Химические процессы, протекающие с изменением физических

свойств и химического состава

исходных веществ, характеризуются пре-

вращением одних веществ в другие, изменением их поверхностных и

межфазных свойств. К этим процессам можно отнести процессы катализа,

нейтрализации, окисления и восстановления. Движущей силой химических

процессов является разность химических (термодинамических) потенциа-

лов.

Физико-химические процессы характеризуются взаимосвязанной со-

вокупностью химических и физических процессов. К физико-химическим

процессам разделения, основой которых являются физико-химические

превращения веществ, можно отнести коагуляцию и флокуляцию, флота-

цию, ионный обмен, обратный осмос и ультрафильтрацию, дезодорацию и

дегазацию, электрохимические методы, в частности, электрическую очист-

ку газов. Движущей силой этих процессов является разность физических и

термодинамических потенциалов разделяемых компонентов на границах

фаз.

К тепловым процессам

, основой которых является изменение тепло-

вого состояния взаимодействующих сред, относят нагревание, охлаждение,

выпаривание и конденсацию. Движущей силой этих процессов является

106

разность температур (термических потенциалов) взаимодействующих

сред.

Биохимические процессы, в основе которых лежат каталитические

ферментативные реакции биохимического превращения веществ в процес-

се жизнедеятельности микроорганизмов, характеризуются протеканием

биохимических реакций и синтезом веществ на уровне живой клетки.

Движущей силой этих процессов является энергетический уровень (потен-

циал) живых организмов.

Указанная классификация не является жесткой и

неизменной. В ре-

альной действительности многие процессы осложнены протеканием смеж-

но-параллельных процессов. Например, массообменные и химические

процессы часто сопровождаются тепловыми процессами. Так, ректифика-

цию, сушку и кристаллизацию можно отнести к комбинированным тепло-

массообменным процессам. Процессы абсорбции, адсорбции часто сопро-

вождаются химическими превращениями. Химические процессы нейтра-

лизации и окисления можно

одновременно рассматривать как массообмен-

ные процессы. Биохимические процессы сопровождаются одновременно

тепло- и массообменом, а физико-химические процессы - массообменными

процессами.

2.10. Методы очистки пылевоздушных выбросов

Под обезвреживанием газовых выбросов понимают отделение от га-

за или превращение в безвредное состояние загрязняющих примесей.

Дисперсные загрязнители в отличие от газообразных фиксируются в ат-

мосфере визуально уже при небольших концентрациях. Поэтому отсутствие

шлейфа взвешенных частиц и прозрачность выброса являются простейшими

критериями его чистоты. Вероятно, по той же причине представление об очи-

стке выбросов как исключительно о пыле- или золоулавливании, бытует иногда

даже в кругах специалистов, занимающихся проблемами экологии.

Полвека назад подобное решение проблемы защиты воздушного бассейна

казалось вполне состоятельным. Трагический опыт катастроф последних деся-

тилетий на химических и радионуклидных производствах показал, что в самом

прозрачном выбросе может таиться смертельная угроза. Однако этот опыт пока

не нашел должного отражения в технической литературе и практике проектиро-

вания.

Обезвреживание выбросов предполагает либо удаление вредных приме-

сей из инертного газа-носителя, либо превращение их в безвредные вещест-

ва. Оба принципа могут быть реализованы через различные физические и

химические процессы, для осуществления которых требуются определенные

условия. Расчеты процессов и аппаратов пылегазоочистки при их проекти-

ровании должны быть направлены на создание условий, обеспечивающих

максимально полное обезвреживание выбросов.

107

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) используют сухие,

мокрые и электрические методы. В основе сухих методов лежат гравита-

ционные, инерционные, центробежные механизмы осаждения или фильт-

рационные механизмы. При использовании мокрых методов очистка газо-

вых выбросов осуществляется путем тесного взаимодействия между жид-

костью и запыленным газом на поверхности газовых пузырей, капель или

жидкой пленки. Электрическая очистка газов основана на ионизации мо-

лекул газа электрическим разрядом и электризации взвешенных в газе час-

тиц.

При обработке выбросов, содержащих твердые аэрозольные загрязни-

тели, низких величин проскока (1...2% и менее) можно достичь, как правило,

только двухступенчатой очисткой. Для предварительной очистки могут быть

применены жалюзийные решетки и циклонные аппараты (иногда для неболь-

ших выбросов - пылеосадительные камеры), а для окончательной - пористые

фильтры, электрофильтры или мокрые пылеосадители.

Жидкие аэрозоли (туманы) могут быть скоагулированы посредством изме-

нения параметров состояния (охлаждения и повышения давления) с целью оса-

ждения в последующем с использованием как правило мокрых способов улав-

ливания в мокрых скрубберах, пористых и электрических фильтрах, в абсор-

берах.

Мокрые способы очистки твердых и жидких аэрозолей имеют сущест-

венный недостаток - необходимость отделения уловленного загрязнителя от

улавливающей жидкости. По этой причине мокрые способы следует приме-

нять только при отсутствии других методов очистки, отдавая предпочтение

способам с минимальным расходом жидкости.

Невозможно указать точные границы применимости тех или иных

физических и химических процессов к какому-либо из принципов обезвре-

живания выбросов или строго соотнести их с определенными агрегатными

состояниями загрязнителей. Так, процессы гравитационного и инерционного

осаждения дисперсной части выбросов могут быть использованы и для отде-

ления газов с высокой плотностью, например, галогенидов тяжелых метал-

лов. В то же время процессы охлаждения и конденсации, широко исполь-

зуемые для газоразделения, применяются и для укрупнения субмикронных

конденсационных аэрозолей ("вымораживание" полициклических аромати-

ческих углеводородов, коагуляция туманов).

Проблемы, возникающие при разработке и проектировании очистных сис-

тем, тесно связаны и со всеобщими законами (цикличность, безотходность и

др.), и с конкретными закономерностями природных технологий. Так, например,

взвешенные частицы могут оседать под влиянием гравитационных, инерцион-

ных, когезионных, электростатических и других сил. Вклад каждой из них в ре-

зультирующее действие зависит от большого числа факторов, связанных с пара-

108

метрами частиц, среды, конструктивными особенностями аппаратов. Возможно-

сти математического аппарата недостаточны для всестороннего количествен-

ного учета характеристик реальных процессов. Многие из факторов взаимосвя-

заны, а результирующие зависимости имеют настолько сложный характер, что

не всегда удается найти логическое объяснение полученным результатам. По-

этому даже в расчетах простейших очистных устройств - пылеосадительных

камер и жалюзийных решеток, приходится основываться на эксперименталь-

ные данные и производственный опыт.

Наиболее сложны для очистки выбросы, загрязнители которых представ-

ляют многофазную систему. Поскольку большинство современных очистных

аппаратов не приспособлено для одновременного обезвреживания дисперсных

и гомогенных загрязнителей, то в общем случае подобные выбросы должны

пройти последовательно 4 стадии обработки: предварительную и тонкую очи-

стку от аэрозоля и затем предварительное и окончательное обезвреживание га-

зообразного загрязнителя. В частности, если газообразный загрязнитель хорошо

растворяется в воде, может быть организована предварительная обработка вы-

бросов мокрыми способами, которая позволит понизить концентрации как дис-

персных, так и гомогенных загрязнителей.

Если твердые или жидкие аэрозоли по элементному составу не содержат

других элементов, кроме углерода, водорода и кислорода (пыль растительного

происхождения, шерстяные волокна, туманы минеральных масел и др.), то они

могут быть обезврежены в одну стадию - непосредственным сжиганием в топ-

ках котлов и печей.

109

2.11. Способы очистки газовых выбросов

Дисперсные и газовые загрязнители нередко являются следствием одних

производственных процессов, вместе перемещаются в коммуникациях, тесно

взаимодействуют в очистных аппаратах и атмосфере, совместно наносят ущерб

окружающей среде и человеку. Поэтому необходимо учитывать весь комплекс

присутствующих в технологическом выбросе загрязнителей. Нельзя принимать

за средство очистки запыленных газов пылеосадительное устройство, выбра-

сывающее в атмосферу вредные газообразные вещества. Недопустимы и такие

средства, в которых обезвреживание исходных газовых загрязнителей сопро-

вождается образованием и выбросом ядовитых туманов и дымов других ве-

ществ.

Судя по составам реальных отбросных газов и масштабам загрязнения ок-

ружающей среды, разрабатывать устройства пылеочистки без учета газообраз-

ных загрязнителей возможно только для вентиляционных выбросов механиче-

ских цехов. Выбросы практически всех других производств требуют удаления и

дисперсных и газовых загрязнителей, причем иногда это можно сделать в одном

очистном устройстве.

Для обезвреживания выбросов по принципу удаления токсичных приме-

сей наряду с физическими удачно используются и химические процессы.

Посредством последних можно изменять в широких пределах физические

свойства примесей (например, превращая исходные газообразные загрязни-

тели в соединения с высокой температурой кипения) с целью облегчения их

дальнейшего улавливания.

Для реализации второго принципа обезвреживания - превращения

загрязнителей в безвредные вещества необходимо сочетание химических и

физических процессов. С этой целью чаще всего используются процессы

термической деструкции и термического окисления. Они применимы для

загрязнителей всех агрегатных состояний, но ограничены составом обраба-

тываемого вещества. Термической обработке с целью обезвреживания мо-

гут быть подвергнуты лишь вещества, молекулы которых состоят из атомов

углерода, водорода и кислорода. В противном случае установки термообез-

вреживания переходят в разряд источников загрязнения атмосферы, и неред-

ко - крайне опасных.

Классификация средств обезвреживания газообразных загрязнителей

заключается в разделении по применяемым процессам. В основном для газо-

очистки используются средства химической технологии. Поэтому классифи-

кация средств обезвреживания выбросов практически совпадает с классифика-

цией процессов и аппаратов химической промышленности, вырабатывающих

вредные выбросы как отходы основного производства.

Для обезвреживания отходящих газов от газо- и парообразных ток-

сичных веществ применяют абсорбционные, адсорбционные, каталитиче-

110

ские, термические и конденсационные методы. Абсорбционные методы

основаны на поглощении газов или паров жидкими поглотителями. Ад-

сорбционные методы основаны на поглощении примесей твердыми порис-

тыми телами. Каталитические методы очистки основаны на химических

превращениях токсичных примесей в нетоксичные на поверхности твер-

дых катализаторов. Термические методы основаны на сжигании горючих

вредных примесей. В

основе конденсационных методов лежит явление

уменьшения давления насыщенного пара растворителя при понижении

температуры.

С целью улавливания газообразных примесей применяют процессы кон-

денсации, сорбции (абсорбции и адсорбции), хемосорбции, а превращают загрязни-

тели в безвредные соединения посредством термохимических (термическая де-

струкция, термическое и термокаталитическое окисление) и химических процес-

сов. Соответствующие аппараты называются конденсаторами, абсорберами, ад-

сорберами, установками (печами) термодеструкции (пиролиза, крекинга, рифор-

минга), термоокисления (дожигания), термокаталитическими установками (печа-

ми, реакторами), химическими реакторами.

Для очистки выбросов от газообразных загрязнителей чаще всего при-

меняют методы конденсации, абсорбции, адсорбции и термообезвреживания.

Если температура кипения загрязнителей при атмосферном давлении невысо-

ка (ориентировочно ниже 100°С), то глубокая очистка посредством охлажде-

ния и повышения давления потребует чрезмерно высоких расходов энергии,

и конденсационную очистку можно использовать только как предваритель-

ную. Абсорбционной обработке могут быть подвергнуты выбросы, загрязни-

тели которых хорошо растворяются в абсорбенте. Если при этом концентра-

ция загрязнителя в выбросах превышает (1...2)

-3

кг/м

, то технически воз-

можно достичь степени очистки более 90%.

В качестве абсорбента чаще всего используются вода или органические

жидкости, кипящие при высокой температуре. В аппаратах с органическими аб-

сорбентами можно обрабатывать выбросы, не содержащие твердых приме-

сей, которые практически не поддаются отделению от поглотительной жидко-

сти. Для некоторых газовых загрязнителей можно успешно применить химиче-

скую абсорбцию (хемосорбцию) - процесс, в котором подлежащий удалению

загрязнитель вступает в химическую реакцию с поглотителем и образует ней-

тральное или легко удаляемое из процесса соединение. Такие процессы спе-

цифичны и разрабатываются конкретно для каждого вида выбросов и набора

загрязнителей.

Самым универсальным средством очистки выбросов от газообразных

загрязнителей на настоящее время остается адсорбция, а наиболее универ-

сальным адсорбентом - активированный уголь. Посредством адсорбции прин-

ципиально возможно извлечь из выбросов любой загрязнитель в широком диа-