Загрязнение и очистка атмосферы и гидросферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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

Бурное развитие промышленности вызывает необходимость в предотвращении отрицательного воздействия производственных сточных вод на водоемы. Многие современные технологические процессы связаны со сбросом сточных вод в водные объекты.

В связи с чрезвычайным разнообразием состава, свойств и расходов сточных вод промышленных предприятий необходимо применение специфических методов, а также сооружений по их локальной, предварительной и полной очистке.

Одним из основных направлений научно-технического прогресса является создание малоотходных и безотходных технологических процессов. В области очистки сточных вод таким направлением является разработка канализационных систем с минимальным сбросом сточных вод в водоем или без сброса -- бессточных систем.

Наиболее рациональный способ сокращения объема сточных вод - это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения, исключающий сброс воды в водоемы. При таком водоснабжении предусматривается необходимая очистка сточной воды, охлаждение оборотной воды, обработка и повторное использование сточной воды.

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Обезвреживание выбросов предполагает либо удаление вредных примесей из инертного газа-носителя, либо превращение их в безвредные вещества. Оба принципа могут быть реализованы через различные физические и химические процессы, для осуществления которых требуются определенные условия. Расчеты процессов и аппаратов газоочистки при их проектировании должны быть направлены на создание условий, обеспечивающих максимально полное обезвреживание выбросов.

В настоящее время используются различные методы улавливания и обезвреживания пара и газообразных веществ из воздуха. На практике применяют следующие способы очистки газа: абсорбционный, адсорбционный, каталитический, термический и др.

Методики расчета аппаратов для физико-химической очистки газов базируются на закономерностях массо- и теплообмена. При этом используются элементы теории подобия диффузионных процессов.

Цель настоящего учебного пособия - систематизировать сведения по массообменным, физико-химическим и термическим процессам, методические подходы к расчету оборудования по абсорбции и адсорбции, каталитическому и термическому обезвреживанию вредных примесей из промышленных, вентиляционных и транспортных выбросов. Приводятся необходимые сведения по устройству, работе и расчету типового оборудования, а также справочные материалы. Изложение материала сопровождается примерами расчета, которые облегчают усвоение теоретических вопросов.



1. Источники загрязнения гидросферы

загрязнение вредный выброс гидросфера

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние:

- условия формирования поверхностного или подземного водного стока;

- разнообразные природные явления;

- индустрия;

- промышленное и коммунальное строительство;

- транспорт;

- хозяйственная и бытовая деятельность человека.

Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ -- загрязнителей, ухудшающих качество воды.

Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, биологическое и физическое загрязнения.

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

Биологическое загрязнение связано с присутствием в питьевой воде биологических примесей, то есть микроорганизмов, вызывающих заболевания.

Бытовые жидкие отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может понизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

Физическое загрязнение - это присутствующие в воде нерастворимые частицы различного происхождения.

Важное значение имеет загрязнение гидросферы нефтепродуктами. Благодаря своим физико-химическим свойствам, нефтепродукты быстро распространяются по поверхности воды, образуя тончайшие пленки толщиной до долей миллиметра, сохраняющие, особенно на спокойной поверхности, высокую устойчивость.

Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организме.

В зависимости от условий воздействия они могут приводить:

- к ингибированию роста;

- ускорению старения;

- нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.

К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся:

- хлорированные алифатические углеводороды;

- винилхлорид;

- полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Максимальное количество ПАУ в современных донных осадках Мирового океана (более 100 мкг/кг массы сухого вещества) обнаружено в активных зонах, подверженным глубинному термическому воздействию.

Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде - это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.



1.1 Свойства сточных вод

Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, по своему составу могут быть разделены на три вида:

1) производственные - использованные в технологическом процессе производства или получающиеся при добыче полезных ископаемых (угля, нефти, руд и т. п.);

2) бытовые - от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий;

3) атмосферные - дождевые и от таяния снега.

Производственные сточные воды делятся на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).

Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделяются на три группы: загрязненные преимущественно минеральными примесями

2) загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности; заводы по производству пластмасс, каучука и др.);

3) загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству консервов, сахара, продуктов органического синтеза, бумаги, витаминов и др.).

По концентрации загрязняющих веществ производственные сточные воды разделяются на четыре группы: 1…500, 500…5000, 5000…30000, более 30 000 мг/л.

Производственные сточные воды могут различаться по физическим свойствам загрязняющих их органических продуктов (например, по температуре кипения: менее 120, 120…250 и более 250 °С).

По степени агрессивности эти воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые с рН = 6…6,5 и слабощелочные с рН = 8…9), сильноагрессивные (сильнокислые с рН < 6 и сильнощелочные с рН > 9) и неагрессивные (с рН = 6,5…8).

Для разработки рациональной схемы водоотведения и оценки возможности повторного использования производственных сточных вод изучается их состав и режим водоотведения. При этом анализируются физико-химические показатели сточных вод и режим поступления в канализационную сеть не только общего стока промышленного предприятия, но и сточных вод от отдельных цехов, а при необходимости от отдельных аппаратов.

В анализируемых сточных водах должны определяться: содержание компонентов, специфичных для данного вида производства (фенолов, нефтепродуктов, поверхностно-активных, ядовитых, радиоактивных, взрывоопасных веществ); общее количество органических веществ; активная реакция; интенсивность окраски; степень минерализации. Необходимо установить такие параметры, как кинетика оседания или всплывания механических примесей и их объем, возможность коагулирования сточных вод и др. Эти данные позволяют выбрать наиболее целесообразный и экономически обоснованный метод очистки сточных вод для определенного предприятия.

Физико-химические показатели производственных сточных вод отдельных предприятий свидетельствуют о широком диапазоне колебаний состава этих вод, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора оптимального метода очистки для каждого вида этих вод.



1.2 Методы и способы очистки сточных вод от примесей

В соответствии с действующим законодательством все сточные воды должны перед сбросом в водоем подвергаться очистке от токсичных примесей. Для выполнения этих требований в зависимости от состава сточных вод применяются различные методы и способы.

Из известных способов обработки и утилизации производственных жидких отходов, включая и пастообразные, в мировой практике наибольшее распространение нашли следующие методы: биологическое окисление и физико-химическая очистка, складирование в поверхностных хранилищах, захоронение в глубинные горизонты и подземные пустоты естественного и искусственного происхождения, сброс в глубинные части морей и океанов, термическая обработка, захоронение отходов в наземных герметических резервуарах.

Сточные воды промышленных предприятий очищают механическими, физико-химическими и биологическими методами. Выбор схемы очистки определяется рядом факторов, включающих показатели очищаемого стока, возможность утилизации примесей и повторного использования воды для производственных нужд, состояние водоема, качество воды в нем и т.д. В качестве наиболее употребительных методов следует указать:

1. Для суспензированных и эмульгированных примесей - отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование (для грубодисперсных частиц); коагу-ляция, флокуляция, электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц).

2. Для очистки от неорганических соединений - дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы осаждения, электрические методы.

3. Для очистки от органических соединений - экстракция, абсорбция, флотация, ионообиен, реагентные методы (регенерационные методы); биологическое окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление (деструктивные методы).

4. Для очистки от газов и паров - отдушка, вакуумирование, нагрев, реагентные методы.

5. Для уничтожения вредных веществ - термическое разложение.

Сточные воды предприятий органического синтеза, содержащие бензол, толуол, пиридин, нейлон и другие, подвергаются механическим и физико-химическим методам очистки. При очистке сточных вод производства капролактама от нитроциклагексанона может быть применено мокрое сжигание. Сточные воды, содержащие трудноокисляемые примеси, проходят двух- и трехступенчатую биологическую очистку. Для очистки сточных вод от анилина, нитробензола, нитротолуола, нитрофенола, хлорбензола, альдегидов, кетонов применяются сорбционные методы очистки. При производстве этилена и пропилена содержащиеся в сточных водах смолы, сажа и ароматические углеводороды могут быть экстрагированы бензином, в результате чего концентрация эфирорастворимых веществ снижается в 30 раз.

В ряде случаев после полной биологической очистки для снижения цветности и разрушения трудноокисляемых компонентов применяются следующие методы глубокой очистки: коагулирование, фильтрование, ионный обмен, озонирование и др.

Таким образом, для удаления из сточных вод органических веществ наиболее универсальным методом является биологическая очистка в аэротенках или на биофильтрах как самостоятельный метод, а также в сочетании с другими методами предварительной очистки и доочистки. Для удаления трудноокисляемых биологическим путем органических веществ, а также неорганических применяются механические, химические и физико-химические методы очистки. Применение тех или иных методов осуществляется на основании экспериментальных исследований реальных сточных вод или при их отсутствии имитата, составленного на основании технологического регламента производства.

1.3 Процессы и аппараты механической очистки сточных вод

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки заключается в подготовке сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Механическая очистка на современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также от методов их дальнейшей обработки.

Как правило, механическая очистка является предварительным, реже -- окончательным этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ из этих вод до 90…95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПKпoлн) дo 20…25%.

Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами интенсификации гравитационного отстаивания -- преаэрацией, биокоагуляцией, осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое (тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов.

Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрованием -- пропуском воды через слой различного зернистого материала (кварцевого песка, гранитного щебня, дробленого антрацита и керамзита, горелых пород, чугунолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с плавающей загрузкой -- пенополиуретановой или пенополистирольной. Преимущество указанных процессов заключается в возможности применения их без добавления химических реагентов.

Выбор метода очистки сточных вод от взвешенных частиц осуществляется с учетом кинетики процесса. Размеры взвешенных частиц, содержащихся в производственных сточных водах могут колебаться в,очень широких пределах (возможные диаметры частиц составляют от 5.10-9 до 5.10-4 м), для частиц размером до 10 мкм конечная скорость осаждения составляет менее 10-2 см/с. Если частицы достаточно велики (диаметром более 30…50 мкм), то в соответствии с законом Стокса они могут легко выделаться отстаиванием (при большой концентрации), или процеживанием, например, через микрофильтры (при малой концентрации). Коллоидальные частицы (диаметром 0,1…1 мкм) могут быть удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя более подходящим методом при концентрациях взвешенных частиц более 50 мг/л является оптокинетическая коагуляция с последующим осаждением или осветлением в взвешенном слое.

Повышение технологической эффективности сооружений механической очистки очень важно при создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные новые конструкции многомолочных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и синтетических загрузок, гидроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных). Применение этих сооружений позволит сократить в 3…5 раз капитальные затраты и на 20...40 % эксплуатационные расходы, уменьшить в 3…7 раз необходимые площади для строительства по сравнению с применением обычных отстойников.

С целью обеспечения надежной работы сооружений механической очистки производственных сточных вод, как правило, рекомендуется применять не менее двух рабочих единиц основного технологического назначения -- решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или фильтров. При выборе максимального числа сооружений предусматривается их секционирование по унифицированным группам, состоящим из единиц с наиболее крупными габаритами.

В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным способом для извлечения из производственных сточных вод механических загрязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного водоснабжения.

Однако для некоторых производств требуется вода с меньшим содержанием взвешенных веществ, чем содержание, обеспечиваемое механической очисткой, поэтому необходима дополнительные физико-химическая и биологическая очистка, а также еще более глубокая очистка производственных сточных вод. При повторном использовании биологически очищенной сточной воды в соответствии с санитарными нормами требуется применять хлорирование.

1.4 Сооружения первичной обработки сточных вод (усреднители, решетки)

Усреднители.

При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что заданные эффективность и надежность работы любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентраций примесей и расходов сточной воды. Большинство цехов машиностроительных предприятий характеризуется постоянством расхода и состава сточных вод, однако в некоторых технологических процессах имею г место кратковременные изменения, что может существенно уменьшить эффективность работы очистных устройств или вывести их из строя.

Для обеспечения нормальной эксплуатации очистных сооружений в указанных случаях необходимо усреднение концентрации примесей или расхода сточной воды, а в некоторых случаях и по обоим показателям одновременно. С этой целью на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых определяются характеристиками залповых сбросов. Исключение пиковых расходов воды, поступающей на очистку, позволяет более экономично и надежно проводить процесс.

Усреднение проводят в контактных и проточных усреднителях. Контактные усреднители используют при небольших расходах сточной воды, в периодических процессах и для обеспечения высоких степеней выравнивания концентраций. В большинстве случаев применяют проточные усреднители, которые представляют собой многокоридорные (многоходовые) резервуары или емкости, снабженные перемешивающими устройствами.

Рис. 1 Прямоугольный усреднитель сточных вод: 1 -- распределительный лоток; 2 -- водоотводный канал 3 -- сборные лотки 4 -- глухая перегородка, 5 -- вертикальная перегородка, 6 -- подвод воды



Решетки.

Очистка сточных вод от твердых частиц в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения твердых частиц в поле действия центробежных сил и фильтрования.

Процеживание -- первичная стадия очистки сточных вод -- предназначено для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители.

Решетки применяют для улавливания из сточных вод крупных, нерастворенных, плавающих загрязнений. Попадание таких отходов в последующие очистные сооружения может привести к засорению труб и каналов, поломке движущихся частей оборудования, т.е. к нарушению нормальной работы. Решетки изготовляют из круглых и прямоугольных стержней. Зазоры между ними равны 16…19 мм.

Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи сточных вод насосами с установленными перед ними решетками с зазорами 16 мм или менее.

Решетки подразделяют на:

- подвижные и неподвижные;

- с механической или ручной очисткой;

- устанавливаемые вертикально или наклонно (как при самотечном, так и при напорном поступлении сточных вод).



Рис. 2 Схема решетки-дробилки типа РД: 1 - барабан; 2 - трепальный гребень; 3 - электродвигатель; 4 - режущая пластина; 5 - резец

1.5 Аппараты для осаждения примесей из сточных вод (Песколовки, отстойники, гидроциклоны)

Песколовки.

Песколовки предназначены для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей (главным образом песка) крупностью свыше 0,2…0,25 мм при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м3/сут.

Песколовки рассчитываются на максимальный расход сточных вод и проверяются на минимальный приток. Тип песколовки необходимо выбирать с учетом пропускной способности очистной станции, состава очищаемых производственных сточных вод и местных условий строительства. Число отделений песколовок надлежит принимать не менее двух, при этом все отделения должны быть рабочими.

В системах очистки наибольшее применение нашли песколовки с горизонтальным прямолинейным движением воды, горизонтальные с круговым движением воды, круглой формы с тангенциальным подводом воды и аэрируемые. Конструкцию сооружения выбирают в зависимости от количества сточных вод и концентрации твердых примесей.

Горизонтальные песколовки -- это удлиненные прямоугольные в плане сооружения с прямолинейным движением воды

Для ориентировочных расчетов принимают глубину песколовки H = 0,25…1 м, соотношение ширины и глубины В/Н = 1:2.

Рис. 3 Песколовки с круговым движением воды: 1 -- подача сточной воды; 2 -- удаление пульпы; 3 -- отвод воды



Тангенциальные песколовки (рис. 2.9) имеют удельную нагрузку 110…130 м3/(м2.ч), диаметр не более 6 м. Вода подводится по касательной.

Рис. 4 Тангенциальная песколовка: 1 -- осадочная часть, 2 -- подвижный водослив; 3 -- телескопическая труба; 4 -- рабочая часть; 5 -- шнек; 6 -- отвод песка: 7 -- подающий лоток; 8 -- отводящий лоток

Отстойники.

Отстойник является основным сооружением механической очистки сточных вод, используется для удаления оседающих или всплывающих грубодисперсных веществ. Различают первичные отстойники, которые устанавливают перед сооружениями биологической или физико-химической очистки, и вторичные отстойники -- для выделения активного ила или биотенки. В зависимости от направления движения потока воды отстойники подразделяют на горизонтальные, вертикальные и радиальные. К отстойникам относят и осветлители, в которых одновременно с отстаиванием сточная вода фильтруется через слой взвешенного осадка, а также осветлители-перегниватели и двухъярусные отстойники, где одновременно с осветлением воды происходит уплотнение выпавшего осадка.

Выбор типа и конструкции отстойников зависит от количества и состава производственных сточных вод, поступающих на очистку, характеристик образующегося осадка (уплотняемость, транспортируемость). В каждом конкретном случае выбор типа отстойников должен определяться в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Число отстойников следует принимать не менее двух, но и не более четырех, идя по пути увеличения габаритов отстойников, так как стоимость единицы объема крупногабаритных отстойников меньше, чем малогабаритных.

Вертикальные первичные отстойники предназначены для осветления бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод (а также их смеси), содержащих грубодисперсные примеси.

Вертикальные отстойники применяют на станциях производительностью до 20 тыс. м3/сут. Это круглые в плане резервуары диаметром 4…9 м с коническим днищем

Горизонтальные отстойники применяются в составе станций очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод и предназначены для выделения взвешенных веществ из вод, прошедших решетки и песколовки (рис. 2.12). Их применяют при расходах сточных вод более 15000 м3/сут. Глубина отстойников H достигает 1,5…4 м, отношение длины к глубине 8…12 (до 20). Ширина отстойника зависит от способа удаления осадка и обычно находится в пределах 6…9 м. Применяются также отстойники, оборудованные скребковыми механизмами тележечного или ленточного типа (рис. 6.14), сдвигающими выпавший осадок в приямок. Объем приямка равен двухсуточному (не более) количеству выпавшего осадка. Из приямка осадки удаляют насосами, гидроэлеваторами, грейферами или под гидростатическим давлением. Угол наклона стенок приямка принимают равным 50…60°.

Рис. 5 Горизонтальный отстойник: 1 -- водоподводящий лоток, 2 -- привод скребкового механизма, 3 -- скребковый механизм, 4 -- водоотводящий лоток, 5 -- отвод осадка

Отстойники-осветлители применяют при повышенном содержании в сточных водах труднооседающих веществ. В результате совмещения процессов осаждения, хлопьеобразования и фильтрации сточной воды через слой взвешенного осадка эффективность очистки достигает 70%.

Имеются конструкции осветлителей как с предварительной коагуляцией и агрегацией вод, так и без них, с совмещением этих процессов в одном аппарате. Широко применяют осветлитель с естественной аэрацией. Внутри отстойника имеется камера флокуляции, в которую через центральную трубу поступает сточная вода. В камере частичное окисление органических веществ, хлопьеобразование и сорбция загрязнений. Из камеры флокуляции сточная вода направляется в отстойную зону осветлителя, в которой при прохождении через слой взвешенного осадка задерживаются мелкодисперсные взвешенные частицы. Осветленная вода через кромку водослива переливается в периферийный лоток, а далее в отводящий. Выпавший осадок удалялся под действием гидростатического напора.

Нефтеловушки.

Применяются для очистки сточных вод, содержащих грубодиспергированные нефть и нефтепродукты при концентрации более 100 мг/л. Эти сооружения представляют собой прямоугольные вытянутые в длину резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей,

Нефтеловушки сооружают трех типов: горизонтальные, многоярусные и радиальные. Они предназначены для удаления нефти и твердых примесей из сточных вод.

Горизонтальные ловушки представляют собой отстойник, разделенный вертикальными стенками на секции. Сточная вода поступает в каждую секцию. Всплывающая нефть скребковым механизмом передвигается к щелевым поворотным трубам и отводится из нефтеловушек. Осадок твердых частиц сгребается о приямок, из которого удаляется гидроэлеватором. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде после нефтеловушки -- 100 мг/л.

Гидроциклоны

Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в центробежном поле гидроциклона может превышать скорость осаждения эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз.

К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести: 1) высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии; 2) сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок; 3) отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточной воды; 4) возможность создания компактных автоматизированных установок.

Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточных вод тяжелых примесей, характеризуемых гидравлической крупностью более 0,2 мм/с и с коагулированных взвешенных веществ. Часто их используют в качестве первой ступени в комплексе с другими аппаратами для механической очистки сточных вод. Значительным преимуществом открытых гидроциклонов является большая удельная производительность (2…20 м3/(м2.ч)) при небольших потерях напора (не более 0,5 м). Число впускных патрубков в гидроциклоне для более равномерного распределения потока должно быть не менее двух. Скорость впуска воды равна 0,1…0,5 м/с.

Открытые гидроциклоны применяются следующих типов:

- без внутренних устройств для выделения из сточных вод крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ;

- с конической диафрагмой и с внутренним цилиндром для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных взвешенных веществ;

- многоярусный с наклонными выпусками осветленной воды из каждого яруса для выделения крупных и мелкодисперсных взвешенных веществ;

- многоярусный с периферийным отбором осветленной воды для выделения оседающих крупно- и мелкодисперсных взвешенных веществ.

Рис. 6 Конструкция напорного гидроциклона со съёмными элементами рабочей камеры: 1 - цилиндрическая часть; 2 - сливной патрубок; 3 - питающий патрубок; 4 - корпус; 5 - шламовый патрубок; 6 - съёмная вставка



Сточная вода под давлением поступает по тангенциально расположенному вводу в верхнюю часть цилиндра и приобретает вращательное движение. Возникающие центробежные силы перемещают частицы примесей к стенкам аппарата по спиральной траектории вниз к выходному патрубку. Очищенная вода удаляется через верхний патрубок. Фактор разделения напорных гидроциклонов достигает 2000, что обусловливает их высокую эффективность. Гидроциклоны могут иметь диаметры от 15 до 1000 мм.

Напорные гидроциклоны могут быть единичными и батарейными (мультигидро-циклоны) и используются при осветлении сточных вод для сгущения осадка, обогащения известкового молока и твердой фазы сточных вод в процессе их утилизации.

2. Аппараты для осаждения примесей из сточных вод (центрифуги, жидкостные сепараторы)

Центрифуги.

Центрифугирование используется реже для очистки сточных вод, чем методы осаждения и фильтрования. Это связано с тем, что центрифугирование является процессом энергоемким.

Условия применения центрифуг следующие: 1) локальная очистка производственных сточных вод, когда осадок представляет собой ценный продукт, который может быть утилизирован; 2) мелкодисперсный состав загрязнений, когда для их выделения не могут быть применены реагенты.

Центрифуги бывают отстойные и фильтрующие. В процессах очистки сточных вод фильтрующие центрифуги используют для разделения грубодисперсных систем, отстойные -- для разделения труднофильтрующихся тонко и грубодисперсных суспензий, а также для классификации суспензий по размерам и плотности частиц. Для очистки производственных сточных вод наиболее перспективны отстойные центрифуги.

Центрифуги периодического действия целесообразно использовать при концентрации нерастворимых примесей в сточных водах не более 2…3 г/л и если образующиеся осадки цементируются или характеризуются высокими абразивными свойствами.

Центрифуги периодического действия применяются для очистки сточных вод, расход которых не превышает 20 м3/ч, при необходимости выделения частиц гидравлической крупностью 0,05…0,01 мм/с.



Рис. 7 Жидкостные сепараторы

Среди аппаратов для центробежного разделения различных жидких отходов широкое распространение получили жидкостные сепараторы, работающие по принципу тонкослойного центрифугирования (сепарирования). В нефтяной промышленности они применяются, например, для очистки водонефтяных эмульсий, отделения механических примесей из присадок к маслам, очистки глинистого раствора, применяемого при бурении нефтяных скважин, очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, отделения кислого гудрона от светлых дистиллятов.

Жидкостные сепараторы можно применять в некоторых отраслях промышленности, например для очистки сточных вод в медицинской промышленности, а также на мясокомбинатах.

Принцип действия жидкостных сепараторов состоит в следующем. На частицы, взвешенные в сепарируемой жидкости, действуют две силы: одна направлена радиально к периферии Рп, а другая -- к центру Рц. Равнодействующая этих сил Р осаждает частицы на внутренней поверхности пакета тарелок. Образующийся сдвигается центробежной силой к периферии ротора и сползает в сборники, откуда выгружается непрерывно или периодически. Осветленная жидкость (фугат) потоком направляется к оси вращения сепаратора и отводится через сливную трубу.

2.1 Фильтрационные установки (барабанные сетки и микрофильтры, зернистые фильтры, фильтры с полимерной загрузкой, электромагнитные фильтры)

Барабанные сетки и микрофильтры.

Сетчатые барабанные фильтры предназначены для задержания грубодисперсных примесей в процессах процеживания сточных вод, содержащих не более 300 мг/л взвешенных частиц. В зависимости от требуемой степени очистки и условий применения их можно оснащать сетчатым полотном с различной крупностью ячеек. В связи с этим сетчатые барабанные фильтры условно подразделяются на барабанные сетки и микро-фильтры.

Барабанные сетки (БС) задерживают грубодисперсные примеси при отсутствии в воде вязких веществ, снижают содержание взвешенных веществ (при концентрации их в производственной сточной воде не более 250 мг/л) на 25…45 %. Их чаще всего устанавливают перед зернистыми фильтрами для глубокой очистки сточной воды.

Эффективность очистки воды на БС и их пропускная способность зависят от состава загрязнений исходной воды, размера ячеек фильтрующей сетки, частоты вращения барабана, интенсивности промывки и других условий эксплуатации установок.

Зернистые фильтры.

Напорные фильтры с зернистой загрузкой применяются для механической очистки нефтесодержащих сточных вод после их гравитационного отстаивания. Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал. Для скорых фильтров используют открытые (самотечные) или закрытые (напорные) резервуары с восходящим (снизу вверх) или нисходящим (сверху вниз) потоком.

Рис. 8 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 воды; 7 -- отвод первого фильтрата; 8 -- отвод очищенной воды; 9 -- отвод промывной воды; 10 -- подвод сжатого воздуха; 11 -- штуцер для гидравлической выгрузки и загрузки фильтра

В фильтрах с восходящим потоком наблюдаются: заиливание дренажного устройства, коррозия труб и зарастание их карбонатами, поэтому чаще используются фильтры с нисходящим потоком.

Загрузка фильтров может быть однослойной и многослойной. Многослойные фильтры загружают однородным материалом с разной крупностью частиц либо разно-родными материалами.

В фильтрах с восходящим потоком наблюдаются: заиливание дренажного устройства, коррозия труб и зарастание их карбонатами, поэтому чаще используются фильтры с нисходящим потоком.

Загрузка фильтров может быть однослойной и многослойной. Многослойные фильтры загружают однородным материалом с разной крупностью частиц либо разно-родными материалами.

Фильтры с полимерной загрузкой.

Одним из путей интенсификации фильтрования сточных вод является применение новых фильтрующих материалов. Перспективным является использование плавающих загрузок из различных полимерных материалов, обладающих достаточной механической прочностью, химической стойкостью, высокими площадью активной свободной поверхности и пористостью. К числу таких материалов относятся полистирол различных марок (в том числе пенополистирол), пенополиуретан, а также гранулы керамзита, котельные и металлургические шлаки.

В зависимости от содержания и характера взвешенных веществ в сточной воде, подаваемой на очистные сооружения, а также от их пропускной способности принимаются следующие основные схемы фильтрования: через многоярусные или многослойные фильтры с загрузкой по убывающей крупности гранул по ходу осветляемой воды снизу вверх; через фильтры большой грязеемкости при фильтровании воды сверху вниз, с горизонтальным направлением фильтрования; с непрерывной регенерацией загрузки.

Фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой применяются для очистки сточных вод от взвешенных веществ, в которых в качестве плавающей фильтрующей загрузки использовались вспененные гранулы пенополистирол. Этот материал износоустойчив, водонепроницаем, нетоксичен, имеет достаточную механическую прочность и высокую адгезионную способность (плотность 0,01…0,03 г/см3).

Электромагнитные фильтры.

Электромагнитные фильтры предназначены для очистки или глубокой очистки сточных вод от механических загрязнений, содержащих более 25 % ферромагнитных примесей, с исходной концентрацией твердых частиц до 200 мг/л и масел до 50 мг/л. Они могут применяться в системах производственного водоснабжения металлургических, горно-обогатительных, металлообрабатывающих предприятий, на электростанциях для очистки охлаждающей и многократно используемой воды, а также конденсата от продуктов коррозии.

Фильтры рекомендуется изготовлять из немагнитного материала диаметром 1…2 м и высотой 2…2,5 м. Фильтр состоит из корпуса, магнитной системы, представляющей собой катушки индуктивности с магнитопроводами, между которыми расположена фильтрующая зернистая загрузка из ферромагнитного материала, а также устройств для подвода и отвода сточной воды.

2.2 Расчет фильтров

Процесс фильтрования зависит от многих технологических параметров, и в первую очередь от свойств зернистого слоя, свойств фильтрационной среды и примесей, от гидродинамического режима фильтрования.

Важнейшими характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность, которые определяются по зависимостям:

где ео -- порозность слоя; V -- общий объем зернистого слоя, м3; -- объем частиц,Vо; - удельная поверхность слоя, м2/м3; -эквивалентный диаметр частицы, м; d -- коэффициент формы.

Частицы задерживаются поверхностью зерен под действием молекулярных сил, электростатических сил, сил химического сродства и адсорбции. Величина сил прили-пания зависит от крупности и формы зерен, скорости потока, температуры воды и свойств примесей.

Кинетика фильтрования и материальный баланс описываются уравнениями:

-(?С/?x)=bC-ap; (?p/?ф)=-u(?C/?x)

где С -- концентрация примесей в сточной воде; х -- толщина слоя загрузки; b, а -- константы скорости прилипания и отрыва частиц; с -- плотность насыщения фильтрующего слоя задержанным осадком; u -- скорость фильтрования.

При решении этих уравнений получается общее уравнение процесса:

(?2C/(?x?ф) +au(?C/?x)+b(?C/?ф)=0

Уравнение имеет решение в виде бесконечного ряда, и его трудно использовать в расчетах.

В процессе фильтрования происходит накопление загрязнений в слое загрузки. В какой-то момент наблюдается вынос частиц в фильтрат с ухудшением его качества. Продолжительность работы фильтра до проскока частиц в фильтрат называют временем защитного действия загрузки фз. По мере загрязнения фильтрующего слоя уменьшается его порозность и увеличивается сопротивление при прохождении через него сточной воды, т.е. растет потерянный напор. Время работы фильтра до достижения потерянного напора предельной величины (Hп) обозначают через фн. Оптимальным условием работы фильтра является фн?фз. Значения фз и фн находят по формулам:

Где k и xo -- константы, зависят от эффекта осветления, определяются по справочникам; Ho -- потеря напора в чистой загрузке; F(A) -- параметр, зависящий от величины предельной насыщенности порового пространства отложениями А.

H=? idx=io? (е/ (е0- е)) dx;

Сопротивление фильтрующего слоя в любой момент времени равно

Где io -- сопротивление единицы толщины фильтрующего слоя при прохождении через него чистой жидкости; i -- сопротивление единицы фильтрующего слоя с задержанными частицами в любой промежуточный момент времени; Де -- удельный объем осадка, накопившегося в фильтрующем слое.

Площадь скоростных фильтров F (в м2) находят по формуле

,

где ф -- продолжительность работы фильтра, ч; up -- расчетная скорость фильтрации, м/ч; n-- число промывок фильтра в сутки; w -- интенсивность промывки, л/(мpun2.с); ф1 -- продолжительность промывки, ч; ф2 -- продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой, ч; ф2= 0,33 ч.

Длительность фильтрации для фильтров «Полимер» определяют по формуле:

,

количество регенератора (в м3/ч)

,

где k = 0,85 -- коэффициент, учитывающий нестабильность процесса; Е - удельная маслоемкость пенополиуретановой загрузки, кг/м3; w3 -- объем фильтрующей загрузки, мз; mн, тк -- количество примесей до и после фильтрации, кг/ч; ст -- плотность извлекаемых примесей, кг/м3.

2.3 Источники загрязнения атмосферы вредными газовыми выбросами

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду.

Многие технологические процессы на предприятиях металлургической, химической, нефтехимической промышленности, в ряде цехов машиностроительных заводов, на многих других производствах сопровождаются поступлением вредных газов и паров в атмосферный воздух. Активным загрязнителем атмосферного воздуха является транспорт, в первую очередь, автомобильный.

К загрязнениям относятся вещества, содержащиеся в атмосфере в концентрациях, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека, животных и растения, здания и сооружения, материалы и оборудование. Некоторые газы (диоксид серы, оксиды азота и др.) обычно присутствуют в атмосфере в низких (фоновых) концентрациях, не опасных для объектов биосферы.

В табл. 1.1 приведены фоновые концентрации газов в естественных, не загрязненных антропогенной деятельностью условиях, в приземном слое атмосферы (нижняя тропосфера).

Под периодом выведения понимают среднее время, в течение которого вещество находится в атмосфере до полного обезвреживания, либо до адсорбции земной поверхностью, либо до взаимодействия в атмосфере. Все газы, находящиеся в атмосфере в количествах, превышающих приведенные в таблице 1.1, или газы, не приведенные в этой таблице, от носят, таким образом, к загрязнениям.

Загрязнение воздуха в результате поступления в него различного рода вредных веществ имеет ряд неблагоприятных последствий. Газовые загрязнения, как и аэрозольные, загрязняя атмосферный воздух, значительно ухудшают его качество, а в ряде случаев делают его не пригодным для нахождения в нем людей.

Вредные вещества поступают в воздух помещений также в результате жизнедеятельности людей и животных.

Причинами значительных выбросов в атмосферу являются: отсутствие или неэффективная локализация источников выделения газов и пыли; недостаточная герметичность, конструктивные недостатки производственного оборудования, его техническая неисправность; неправильное ведение технологических процессов и др.

По мере развития техники и совершенствования технологических процессов появляются новые виды веществ, выбрасываемых в атмосферу. В то же время происходит модернизация существующего и разработка новых видов технологического оборудования, в котором осуществлена полная герметизация, автоматизация, дистанционное управление. Внедряется безотходная технология, при которой исключаются выбросы в атмосферу, возникают новые методы очистки воздуха от вредных газов и паров, разрабатывается и применяется новое технологическое оборудование, в состав которого входят встроенные агрегаты для удаления и обезвреживания вредных веществ.

2.4 Классификация процессов и аппаратов для очистки газовых выбросов

Очистка выбросов в атмосферу складывается из двух принципиально различных процессов:

- очистка от аэрозолей - извлечение содержащихся в выбросах взвешенных твердых и жидких примесей (пыли, дыма, капелек тумана или брызг);

- физико-химическая очистка - извлечение или обезвреживание тех или иных газо- и парообразующих примесей.

Классификация средств обезвреживания газообразных загрязнителей заключается в разделении по применяемым процессам. В основном для газоочистки используются средства химической технологии. Поэтому классификация средств обезвреживания выбросов практически совпадает с классификацией процессов и аппаратов химической промышленности, вырабатывающих вредные выбросы как отходы основного производства.

Известно четыре основных метода очистки воздуха от газообразных примесей:

- метод абсорбции;

- метод хемосорбции;

- метод адсорбции;

- метод термической нейтрализации.

Удаление из технологических и дымовых выбросов содержащихся в них газообразных компонентов (сернистого ангидрида, сероводорода, хлора, хлористого водорода и др.) проводится химической очисткой газов методами абсорбции, адсорбции и хемосорбции.

Метод абсорбции заключается в поглощении отдельных компонентов газовой смеси абсорбентом (поглотителем), в качестве которого выступает жидкость. Абсорбент выбирают из условия растворимости в нем газа, подлежащего удалению из газовой, смеси. Например, для очистки газов от аммиака, хлористого и фтористого водорода в качестве абсорбента применяют воду, для улавливания водяных паров -- серную кислоту, для улавливания ароматических углеводородов -- масла. При абсорбции происходит конвективная диффузия паро- и газообразных компонентов очищаемого газа в жидкие поглотители. Для высокоэффективного изъятия загрязняющего вещества необходимо хорошее перемешивание очищаемого газа с абсорбентом. Это реализуется при очистке вентиляционного воздуха, отсасываемого из травильных и гальванических ванн, в колоннах с насадками, в форсуночных и барботажно-пенных аппаратах.

Регенерацию (восстановление) растворителя осуществляют снижением общего (или парциального) давления примеси, повышением температуры либо тем и другим одновременно.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями, в результате чего образуются малолетучие и малорастворимые соединения. Хемосорбцию рационально применять при низких концентрациях загрязнителей, содержащихся в очищаемых газовых смесях. Хемосорбция заключается в промывке очищаемого газа растворами, вступающими в химические реакции с содержащимися в газе отдельными газообразными компонентами, что позволяет извлечь их или обезвредить. Например, очистка газов от оксидов азота проводится с помощью известкового раствора. Для очистки газов от сероводорода применяют мышьяково-щелочной раствор. Очистку высокосернистых газообразных продуктов сгорания энергетического топлива проводят путем пропуски дыма через морскую воду. Степень очистки газа достигает при этом 95%.

Метод адсорбции основан на улавливании вредных газовых примесей поверхностью твердых тел. Адсорбция применяются при незначительном содержании паро- и газообразных загрязняющих компонентов в очищаемом газе (пары растворителей, эфира, ацетона, различных углеводородов).

Наиболее широко известен и распространен в качестве адсорбента активи рованный уголь. Его применяют для очистки газов от органических паров и некоторых других примесей. Применяют также активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия и др. Очистку газов осуществляют через неподвижные слои адсорбента и движущиеся слои.

Для превращения загрязнителей в безвредные вещества необходимо сочетание химических и физических процессов. С этой целью чаще всего используются процессы термического окисления и термической деструкции. При способности горючих газов и паров, входящих в состав вентиляционных и технологических выбросов, сгорать с образованием менее токсичных веществ используется термическая нейтрализация. Она проводится по трем схемам - каталитическое дожигание, термическое окисление, прямое сжигание.

Каталитическое дожигание (термокатализ) используется для превращения токсичных компонентов, содержащихся в отходящих газах в нетоксичные или менее токсичные путем их контакта с катализатором. Действие катализаторов проявляется в промежуточном химическом взаимодействии катализатора с реагирующими веществами, в результате чего образуются промежуточные соединения. В качестве катализаторов используют металлы или их соединения Pt, Pd, Cu и др. Катализаторы имеют вид шаров, колец или другую форму. Для каталитического дожигания необходима достаточная температура и скорость движения газов. Например, оксид углерода дожигается при температуре 316…343 Со, пропан - 293…332Со, толуол - 200…250 Со, ацетилен - 207…241 оС, альдегиды - 173…234 Со и т.д.

Каталитические нейтрализаторы применяются для обезвреживания СО, летучих углеводородов, растворителей, отработавших автомобильных газов. Эти способы применимы для загрязнителей всех агрегатных состояний, но ограничены составом обрабатываемого вещества. Термической обработке с целью обезвреживания могут быть подвергнуты лишь вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. В противном случае установки термообезвреживания переходят в разряд источников загрязнения атмосферы, и нередко - крайне опасных.

Термическое окисление используется в случае, когда сжигаемые газы имеют высокую температуру, но не содержат достаточно кислорода или когда концентрация горючих веществ незначительна и недостаточна для поддержания пламени. В первом случае процесс термического окисления проводят в камере с подачей свежего воздуха (дожигание СО, СmHn), а во втором - при подаче дополнительного природного газа. При этом происходит доокисление соединений при высокой температуре и достаточном количестве кислорода (например, доокисление оксида углерода в диоксид углерода, оксида серы в диоксид серы и т. д.).

Прямое сжигание используется в тех случаях, когда очищаемые газы обладают энергией горения, факельного сжигания горючих отходов. Так нейтрализуются HCN в факелах нефтехимических заводов.

Соответствующие аппараты для обезвреживания газовых выбросов называются абсорберами, адсорберами, установками (печами) термодеструкции (пиролиза, крекинга, риформинга), термоокисления (дожигания), термокаталитическими установками (печами, реакторами), химическими реакторами. В пределах групп аппараты различают по конструкциям, типоразмерам и частным отличительным признакам.

Методы очистки выбирают в зависимости от физико-химических свойств загрязняющего вещества, его агрегатного состояния, концентрации в очищаемой среде и др.

2.5 Абсорбционная очистка газов

Некоторые жидкости и твердые вещества при контакте с многокомпонентной газовой средой способны избирательно извлекать из нее отдельные ингредиенты и поглощать (сорбировать) их.

Абсорбция - поглощение газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Возможность осуществления процесса абсорбции основывается на растворимости газов в жидкостях. Процесс абсорбции является избирательным и обратимым, что дает возможность применять его не только с целью получения растворов газов в жидкостях, но также и для разделения газовых или паровых смесей.

В последнем случае после избирательной абсорбции одного или нескольких компонентов из газовой или паровой смеси проводят десорбцию - выделение этих компонентов из жидкости - и таким образом осуществляют разделение. Регенерированный абсорбент вновь возвращается на абсорбцию (круговой процесс).

Поглощение газа может происходить либо за счет его растворения в абсорбенте, либо в результате его химического взаимодействия с абсорбентом. В первом случае процесс называют физической абсорбцией, а во втором случае - хемосорбцией. Возможно также сочетание обоих механизмов процесса. Абсорбируемые компоненты газовой смеси называют абсорбтивом, а не абсорбируемые - инертом.

...