Расчет времени пребывания сточной воды в окситенке (t) выполняют по формуле, учитывающей снижение удельной скорости окисления при повышении концентрации ила:

t = (La - Lt)/с a kн (1 - S), (93)

где La и Lt - БПК соответственно поступающей и очищенной сточной воды;

а - количество возвратного ила, выраженное в долях единицы от расхода воды;

с - скорость окисления загрязнений, мг БПК на 1 г беззольного вещества или в 1 ч;

S - зольность или, доля единицы;

kн - коэффициент, зависящий от количества возвратного ила (при а = 1 г/л

kн = 1,8, при а = 5 г/л kн = 0,7, при а = 10, kн = 0,4, при а = 15 г/л kн = 0,3).

Погружные биофильтры состоят из вращающегося вала с насажденными на нем дисками и резервуара со сточной водой, в которую диски погружаются на 1/3-1/2 своего диаметра. Диски изготовляются их легкого материала и располагаются на расстоянии 10-20 см друг от друга. Число пластин на валу от 20 до 200. Диаметр дисков 0,5-3 м. Частота вращения вала около 1 оборота в минуту. Сточная вода протекает по резервуару с различной скоростью в зависимости от требуемой степени очистки. На дисках нарастает биопленка толщиной до 4 мм. Попеременно погружаясь в воду и выходя из нее, биопленка извлекает загрязнения и окисляет их с помощью кислорода, который она получает непосредственно из атмосферы. Отмершая часть биопленки попадает в воду, выносится ею во вторичный отстойник. Кроме биопленки в очистке принимает участие и активный ил, развивающийся в резервуаре из-за продолжительного нахождения жидкости в нем. Схема погружного биофильтра приведена на рис. 67, а на рис. 68 приведена схема биотенка-биофильтра.

Рис. 67. Схема установки дисков в погружном биофильтре:

1 - камера впуска сточных вод; 2 - лоток; 3 - биодиски; 4 - илопровод; 5 - отстойник; 6 - камера выпуска обработанных сточных вод; 7 - двигатель-редуктор биодиска; 8 - трубопровод к иловой насосной станции.



Рис. 68. Схема биотенка:

1 - корпус; 2 - элементы загрузки.

Доочистка сточных вод

В большинстве случаев производственные сточные воды после очистки могут быть использованы для технического водоснабжения. Иногда допускается выпуск в водоемы воды после биологической очистки с БПК = 15-20 мг/л и примерно с таким же количеством взвешенных веществ. Эти показатели являются практически предельно достижимыми на современных очистных сооружениях биологической очистки. Содержащиеся в биологически очищенных сточных водах суспензированные частицы активного ила, остаточные органические соединения, ПАВ, биогенные элементы и бактериальные загрязнения оказывают вредное влияние на водоемы, вызывают их эфтрофикацию и создают трудности при повторном использовании воды. В связи с этим необходима глубокая очистка (доочистка) производственных сточных вод, предусматривающая:

- уменьшение количества взвешенных веществ в очищенных сточных водах;

- снижение величин БПК, ХПК и содержания ПАВ, фосфора и азота;

- обеззараживание сточных вод;

- насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного назначения.

В результате глубокой очистки достигается возможность:

- полного повторного использования очищенных сточных вод в технологических процессах на промышленных предприятиях, что позволит сэкономить значительное количество свежей природной воды и особенно воды питьевого качества;

- полной очистки сточных вод с удалением всех вредных веществ перед сбросом их в водоемы.

Для доочистки сточных вод применяются все те же методы очистки, которые приведены выше. Более подробно о глубокой очистке сточных вод можно прочитать в книге Яковлева С.В. Карелина Я.А. и др. «Очистка производственных сточных вод [11].

Глава 5. УТИЛИЗАЦИЯ И ЛИКВИДАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Лекция 17. Опасность отходов для окружающей природной среды

Урбанизация городов, приведшая к образованию крупнейших мегаполисов, и постепенно возрастающая хозяйственная деятельность человека создают одну из острейших проблем ХХ1 века - проблему защиты окружающей среды от негативного воздействия отходов производства и потребления. Практически во все времена своего существования человек стремился как можно быстрее и дешевле избавиться от отходов, ссыпая их в ближайшие овраги или в понижения рельефа, не задумываясь при этом о последствиях.

Большинство городов мира практически построены на свалках. Дальнейший рост городов, развитие промышленности и сельского хозяйства нередко приводят к нарушению экологической обстановки, особенно в крупных городах, где хозяйственная деятельность наиболее сконцентрирована на ограниченной территории и где сосредоточена значительная часть населения. Как показывает практика, в таких городах происходит наиболее интенсивное накопление отходов, а неправильное и несвоевременное удаление их и обезвреживание нередко приводят к экологическому кризису. Повсеместно возникающие вокруг городов плохо организованные, а порой и просто «стихийные» свалки являются наиболее серьезными источниками загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод.

Известно, что за всю историю существования человечество научилось использовать в среднем 2-5% исходного сырья. Остальная масса вещества превращается в отходы. В России ежегодно образуется 5-7 млрд т отходов производства и потребления. Под их складирование выведено из оборота более 1 млн га плодородных земель. Ежегодная прибавка токсичных отходов составляет 50 млн.т. Таких отходов накоплено свыше 1000 млн.т. Так, различными отвалами в Свердловской области занято до 5% территории, что привело к необходимости в разработке губернаторской и федеральной программ по переработке техногенных отходов, которые содержат значительное количество полезных компонентов. Бытовыми отходами по данным различных источников занято до 20% территории Московской области.

С целью охраны окружающей среды, а также утилизации содержащихся в отходах ценных компонентов разрабатывают и внедряют различные промышленные технологии обезвреживания и переработки отходов, включая методы термического и биологического обезвреживания и другие технологические приемы их переработки.

Учитывая все возрастающие требования к защите окружающей среды необходим поиск новых рациональных путей снижения экологического ущерба, наносимого природной среде повседневной жизнедеятельностью человека.

Вначале остановимся на понятии «отходы» и на их классификации.

Отходы - продукты производства, быта, транспорта и др., не используемые непосредственно в местах их образования, которые могут быть реально или потенциально использованы как исходное сырье в других отраслях народного хозяйства или в ходе регенерации. Вредные отходы должны подвергаться нейтрализации и захоронению, а неиспользуемые - считаться отбросами. Отходы могут быть бытовыми, промышленными, сельскохозяйственными, строительными и производственного потребления.

По данным международной организации «ВейстТэк» к отходам производства и потребления относятся: промышленные, муниципальные, медицинские, биологические, сельскохозяйственные, органические, техногенные образования, отходы строительства и сноса, транспортного комплекса, топливно-энергетического комплекса, отходы с низким уровнем радиоактивности, лом черных и цветных металлов, электронный и электротехнический лом, шламы, сточные воды, иловые осадки, воздушные выбросы и др.

Бытовые (коммунальные) отходы - твердые (в том числе твердая составляющая сточных вод - их осадок) отбросы, не утилизированные в быту, образовавшиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей вещества.

Отходы производства (промышленные) - остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или продукция, выполнившая и утратившая полностью или частично исходные потребительские свойства. В странах ЕЭС 60% бытовых отходов подвергаются захоронению, 33% сжиганию, а 7% компостированию, свыше 60% промышленных отходов и 95% отходов сельскохозяйственного производства подвергаются интенсивной переработке.

Отходы производственного потребления - не пригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты и пр.

Источниками образования отходов на предприятиях по производству продуктов питания может быть переработка, упаковка и перевозка. При этом в отходы попадают мясо, жир, масло, кости, овощи, фрукты, упаковка и т.д. Подобные цепочки образования отходов можно проследить на любом производстве. Значительное количество отходов может возникать и на стадии перевозки продукции, в первую очередь на железнодорожном транспорте. Большинство отходов содержится в твердом состоянии. Твердые отходы промышленных предприятий весьма разнообразны как по своему составу и свойствам, так и по характеру воздействия на окружающую среду. Они содержат, как правило, активные вещества, которые, попадая в почву, подземные воды и в атмосферу, вызывают негативные в экологическом отношении последствия. В настоящее время накоплено и накапливается огромное количество отходов. Конечно, их можно было бы перевезти на предприятия и переработать там, но транспортировка их очень дорогое удовольствие (на уровне 10-50 руб/т). Поэтому разрабатываются технологии по их переработке на месте складирования.

Отходы производства и потребления классифицируются по агрегатному состоянию и опасности воздействия на окружающую среду (рис. 69).

ОТХОДЫ

ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТХОДЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ

Газообразные Жидкие Твердые

Уровень токсичности и опасности отходов

Чрезвычайно Высоко- Умеренно Мало- Инфицированные

опасные опасные опасные опасные

(1 класс) (П класс) (Ш класс) (IV класс)

Изменение элементов природной среды

Нарушение Изменение Загрязнение Загрязнение Загрязнение Истощение

ландшафта геологи- воздуха и истощение и деградация ресурсов

ческой водных почв флоры и

среды ресурсов фауны

Рис. 69. Классификация отходов по их агрегатному состоянию и опасности воздействия на природную среду

Как видно из приведенного выше рис. 69, все отходы в той или иной степени воздействуют на окружающую среду, вызывая в ней ряд изменений, которые в ряде случаев приводят к состоянию экологического бедствия или чрезвычайной экологической ситуации (экологический кризис). В таблице 16 приведены признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия.

Таблица 16

Признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия

Показатель	Экологическое бедствие	Экологический кризис
Окружающая природная среда	Глубокое необратимое изменение	Устойчивые отрицательные изменения
Здоровье населения	Существенное ухудшение здоровья	Угроза здоровью населения
Естественные экосистемы	Разрушение естественных экосистем	Устойчивое отрицательное изменение состояния естественных экосистем

По степени воздействия на окружающую среду промышленные отходы различаются по классам токсичности и степени опасности. Класс токсичности определяется на основе ПДК химических веществ, содержащихся в отходах. Индекс токсичности данного компонента рассчитывается по формуле:

Кi = ПДКi /(S + Cв)i , (94)

где: ПДКi - предельно допустимая концентрация токсичного вещества, содержащегося в отходе;

S - коэффициент, отражающий растворимость его в воде (величина безразмерная);

Св - содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т;

i - порядковый номер данного компонента.

Суммарный же индекс токсичности рассчитывается по формуле:

 n

Кz = 1 / n2 Ki . (95)

i=1

С помощью суммарного индекса токсичности по таблице 17 пределяется класс опасности отходов производства.

Таблица 17

Классификация опасности отходов производства

Расчетное значение Кz	Класс токсичности	Степень опасности отходов
Менее 2	1	Чрезвычайно опасные
От 2 до 16	П	Высокоопасные
От 16 до 30	Ш	Умеренно опасные
Более 30	1У	Малоопасные

Лекция 18. Основные технологические принципы утилизации, обезвреживания и захоронения отходов, в том числе радиоактивных

Размещение отходов

В настоящее время основная часть твердых отходов промышленности подвергается тем или иным видам захоронения. В соответствии с «Правилами охраны окружающей среды от отходов производства и потребления» использование, обезвреживание и захоронение отходов первых трех классов, а при необходимости и 1У класса токсичности осуществляют на специализированных предприятиях или на полигонах по обезвреживанию и захоронению, обустроенных в соответствии со СНиП. При этом следует отметить, что границы территорий, отведенных для размещения опасных отходов, должны находиться на расстоянии не менее 3 км от границ городов и населенных пунктов, лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных зон и зон санитарной охраны источников питьевого водоснабжения, а также от районов развития геотектонических структур, образований и процессов. Кроме того, часть промышленных отходов может быть использована в других производствах.

На рис. 70 показан план полигона «Красный бор» в Санкт-Петербурге. В составе полигона имеются участки приемки и обезвреживания отходов гальванических производств, приемки и захоронения органических отходов, захоронения особо вредных отходов, приема и сжигания жидких горючих и других отходов.

Рис. 70. Полигон «Красный бор» для переработки и захоронения промышленных отходов.

Кроме полигонов для захоронения применяют различные накопители отходов (рис. 71). Среди них различают пруды-испарители («белое море»), накопители суспензий и шламов (шламохранилища), хвостов обогащения (хвостохранилища), накопители твердых отходов (свалки, отвалы), золоотвалы и др. Любые накопители должны, в первую очередь, иметь противофильтрационный экран, который готовят из глины, асфальта, полиэтиленовой пленки. Кроме этого, должны разрабатываться мероприятия по подавлению пыления таких отвалов, по локализации стока дождевых и талых вод с них, а также предусматриваться лесополосы и ограждения от попадания на территорию животных и людей.

Площадь земельного участка, занимаемого накопителем, изображенным на рис. 71, составляет 5 га и более, его глубина - до 10 м. Во избежание попадания ливневых и талых вод с площади водосбора устраивают ограждающую насыпь шириной до 4 м. Чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод, предусматривается противофильтрационный экран. Такой экран устраивают из двух слоев: нижнего (два слоя полимерной пленки толщиной по 2 мм) и верхнего (грунтополимерный слой толщиной до 0,5 м). Грунтополимерный слой получают разбрызгиванием по подготовленному слою грунта разогретого до 80оС раствора синтетических жирных кислот.

В экологических целях для контроля за работой противофильтрационного экрана и качеством грунтовых вод в районе накопителя бурят и оборудуют гидрогеологические наблюдательные скважины для отбора проб воды.

Рис. 71. Схема накопителя твердых отходов:

1 - чаша; 2 - эстакада; 3 - откосы накопителя; 4 - лесопосадка; 5 - водоотводная канава.

Переработка отходов на месте складирования

Обработку инфицированных отходов и отходов четвертого класса опасности целесообразно проводить в местах образования, что сокращает затраты на погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транспортировке и высвобождает транспортные средства.

Эффективность использования лома и отходов металлов зависит от их качества. Загрязнение и засорение металлоотходов приводит к большим потерям при переработке, поэтому сбор, хранение и сдача их регламентируется специальными стандартами (ГОСТ 2787-75 «Лом и отходы черных металлов», ГОСТ 1639-71 «Лом и отходы цветных металлов и сплавов» и др.). Однако эти стандарты в последнее время практически не выполняются.

Отходы древесины широко используются для производства древесно-стружечных плит, корпусов различных приборов и т.п.

В настоящее время, например, разработано достаточно много технологий по переработке и рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии, являющихся отходами Ш и 1У классов опасности. При этом показано, что из многих отвалов возможно экономически выгодно доизвлечь полезные компоненты, что позволит очистить отвалы от металлов-загрязнителей, а последующая биологическая рекультивация приведет к восстановлению ландшафтов, но, естественно, не в первозданном виде. Но водные объекты этими техногенными образованиями уже загрязняться не будут. Конечно, такие технологии не единственные, разработанные для переработки техногенных образований. Однако в настоящее время главными проблемами являются внедрение их в жизнь. Так, в Свердловской области в рамках программы по переработке техногенных образований внедряется только 2: в Нижнем Тагиле по переработке шлаков НТМК и Первоуральске по переработке шламов хромпикового завода.

Переработка отходов пластических масс

При термической обработке отходов пластических масс расходуется большое количество кислорода и выделяется много высокотоксичных продуктов ((углеводороды, хлористый водород, диоксины, фураны и др.). Наиболее радикальным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха (пиролиз), в результате которого из отходов пластмасс в смеси с другими отходами (дерево, резина и др.) получаются ценные продукты: пирокарбон, горючий газ и жидкая смола. Пирокарбон применяется для производства разнообразных полимерных и строительных материалов.

Схема высокотемпературного пиролизного реактора приведена на рис. 72. Отходы подаются в бункер 1 и под действием массовых сил поступают в зону сушки 2, где испаряется влага. В зоне пиролиза 4 высушенные отходы разлагаются при температуре 1640оС с образованием смеси горючих газов и водяных паров, которая поднимается в зону сушки, проходит кольцеобразный отвод 3 и выбрасывается в атмосферу. Окончательная обработка пластмасс происходит в зоне сгорания 5, куда подается кислород через коллектор 7. Продукты пиролиза выгружаются через патрубок 6.

Рис. 72. Схема высокотемпературного пиролиза:

1 - бункер; 2 - зона сушки; 3 - кольцеобразный отвод; 4 - зона пиролиза; 5 - зона сгорания; 6 - патрубок для выгрузки продуктов пиролиза; 7 - коллектор для подачи кислорода.

Высокая температура в зоне пиролиза обеспечивает разрушение практически всех сложных ядовитых и канцерогенных соединений и превращение их в простые горючие или инертные соединения. Пиролиз широко применяется и для переработки производственного мусора органического происхождения (древесины, резины, бумаги, ветоши и т.д.).

Сжигание отходов

Для утилизации и обезвреживания твердых отходов широко используется их биологическая или термическая обработка. Эти методы особенно эффективны для борьбы с отходами или токсичными примесями органической природы. Термическая обработка осуществляется в реакторах-печах. Применяются преимущественно барабанные, камерные и циклонные печи, в которых можно отходы обрабатывать при температурах выше 1000оС. Этот метод начал широко использоваться для переработки бытовых отходов больших городов (Москвы, Санкт-Петербурга, Уфы). Использование высоких температур обусловлено тем, что сжигание отходов при более низких температурах может привести к образованию большого спектра химических соединений, таких диоксины, фураны и др. и попадание их в атмосферу.

Но все мероприятия, описанные выше, не гарантируют надежную защиту окружающей среды от загрязнения. Поэтому считается наиболее надежным средством охраны окружающей среды это создание безотходных, или, в крайнем случае, малоотходных технологий.

Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов

Сбор радиоактивных отходов должен производиться раздельно в зависимости от физического состояния, взрыво- и огнебезопасности и периода полураспада. Радиоактивные отходы собираются в местах их образования отдельно от других отходов. Сбор радиоактивных отходов на рабочих местах и удаление их в места для выдерживания или захоронения проводят лица, непосредственно занятые на работах с радиоактивными веществами или специально выделенные для этой цели.

Для сбора и транспортировки твердых и жидких радиоактивных отходов на предприятиях применяют специальные однотипные сборники, размер и конструкции которых определяются количеством отходов, видом и энергией излучений. Сборники разового пользования должны иметь достаточную прочность для транспортировки в них радиоактивных отходов. Сборники для твердых и жидких радиоактивных отходов устанавливаются в нижней части вытяжных шкафов и камер или в специально отведенных местах в рабочих помещениях на поддонах с бортиком. Внутренние поверхности сборников для многократного использования изготавливаются из гладкого малосорбирующего материала, обеспечивающего обработку кислотами и специальными растворами. Конструкция сборников должна обеспечивать механизированную загрузку и разгрузку их с транспортного средства. Мощность дозы излучения на расстоянии 1 м от сборника с радиоактивными отходами не должна превышать 10 мбэр/год.

Транспортировка радиоактивных отходов к местам захоронения осуществляется на специально оборудованных автомашинах с крытым кузовом или цистерной (для жидких отходов). Мощность дозы с наружной стороны автомашины должна быть не более 200 мбэр/год, а в кабине водителя - не более 2,8 мбэр/год. Автомашины и сменные сборники после каждого рейса должны дезактивироваться.

Проблема безопасного удаления и захоронения радиоактивных отходов еще не решена окончательно и требует дальнейшего развития. Наиболее перспективным и более разработанным считается метод подземного захоронения жидких радиоактивных отходов между слоями водоупоров (Россия) и цементной пульпы в расслаивающиеся горные породы (США).

Лекция 19. Утилизация и ликвидация осадков сточных вод

Осадки сточных вод, скапливающиеся на очистных сооружениях, представляют собой водные суспензии с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы от 0,5 до 10%. Поэтому прежде чем направить их на ликвидацию или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его или ликвидации с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды. Технологический цикл обработки осадков сточных вод, представленный на рис. 73, включает в себя все виды обработки, ликвидации и утилизации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 73. Схема технологического цикла обработки осадков сточных вод

Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки. Наиболее распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения. Гравитационное уплотнение осуществляется в отстойниках-уплотнителях; флотационное - в установках напорной флотации. Применяются также центробежное уплотнение осадков в циклонах и центрифугах. Перспективно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка через фильтрующие перегородки или с помощью погруженных в осадок вибраторов.

Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т.п.). Для стабилизации осадков промышленных сточных вод применяют в основном аэробную стабилизацию - длительное аэрирование осадков в сооружениях типа аэротенков, в результате чего происходит распад основной части биологически разлагаемых веществ, подверженных гниению.

Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличения их водоотдачи при обезвоживании. В промышленности применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки составляет до 40% стоимости всех затрат при обработке осадка, поэтому разрабатываются более экономичные методы: тепловая обработка, замораживание и электрокоагуляция.

Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлама с объемной концентрацией твердой фазы до 80%. Эту операцию осуществляют в основном путем сушки на иловых площадках. Однако из-за дефицита земельных участков применяют и другие методы сушки: фильтрованием на нутч- и фильтр-прессах, термической сушкой и др.

Ликвидация осадков сточных вод применяется в тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной. Сжигание - один из наиболее распространенных методов ликвидации таких осадков. Предварительно обезвоженные осадки органического происхождения имеют теплотворную способность 167800 - 21000 кДж/кг, что позволяет поддерживать процесс горения без использования дополнительных источников теплоты. Осадки сжигают на станциях очистки сточных вод в многоподовых, циклонных печах, а также печах кипящего слоя.

На рис. 74. представлена схема установки с использованием теплоты, полученной от сжигания осадков. Дымовые газы, образующиеся при сжигании твердых отходов в печи 1 с температурой 900-1000оС, поступают в камеру 3 для сжигания осадка сточных вод, в которой навстречу потоку дымовых газов с помощью насоса-дозатора 12, компрессора 13 и распределителя 2 подается осадок в распыленном состоянии. В камере 3 капли осадка подогреваются, подхватываются потоком дымовых газов, сгорают и поднимаются в верхнюю зону камеры. Температура дымовых газов в верхней зоне камеры за счет испарения влаги, содержащейся в осадках, снижается до 750-800оС. В этой же зоне происходит дезодорация паров воды. Дымовые газы, содержащие минеральные частицы осадка, золу и пары воды, поступают в теплообменник. Одновременно из бака 4 в канал теплообменника 5 подается уплотненный осадок с влажностью 93-95%, который подсушивается до 84-89% и поступает в бак 10, оборудованный шнеком 11 для размельчения и подачи осадка к насосу-дозатору 12. Дымовые газы, охлажденные в теплообменнике до температуры 300-350оС, поступают в фильтр 6, откуда отсасываются вентилятором 8 через трубу 7 в окружающую среду. Твердые частицы, осаждающиеся на фильтре, поступают в сборник 9, откуда периодически удаляются.

Установки такого типа не вызывают загрязнение окружающей среды, просты в эксплуатации. Они позволяют обезвреживать органические отходы с влажностью до 60% и объемным содержанием механических примесей до 10%.

К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс жидких осадков в накопители и закачка в земляные пустоты. Регенерация методов - один из способов утилизации осадков сточных вод на многих предприятиях. Основными методами регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация.

Рис. 74. Схема установки для сжигания осадков сточных вод и твердых отходов:

1 - печь; 2 - распылитель осадка; 3 - камера для сжигания осадков; 4 - бак для уплотненного осадка; 5 - теплообменник; 6 - воздушный фильтр; 7 - труба дымовых газов; 8 - вентилятор; 9 - сборник шлама; 10 - промежуточный бак; 11 - шнек для измельчения и подачи осадка; 12 - насос-дозатор; 13 - компрессор.

Глава 6. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Лекция 20. Защита окружающей среды от шума и вибраций

К основным физическим факторам окружающей среды, негативно воздействующим на здоровье человека, относятся шум и вибрации. Источники шума чрезвычайно разнообразны, так же как и их уровни. Ориентировочные уровни шума приведены на рис. 75.



Рис. 75. Ориентировочные уровни шума

Шумом, по Н.Реймерсу, принято называть звуковые колебания, выходящие за рамки звукового комфорта. Чаще всего это неупорядоченные звуковые колебания, но бывают и упорядоченные, мешающие восприятию нужных звуков либо вызывающие неприятное ощущение и повреждающие органы слуха. Как и все акустические колебания, шум может восприниматься ухом человека в пределах частот от 16 до 20000 Гц (ниже - инфразвук, выше - ультразвук). Шумы принято делить на низкочастотные (до 350 Гц), среднечастоные (350-800 Гц), высокочастотные (выше 800 Гц). Высокочастотный шум оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на организм и субъективно более неприятен. Но человек реагирует не на абсолютный прирост частоты и громкости, а на относительный. Так, физиологически прирост частоты вдвое на низких или высоких частотах воспринимается одинаково. В этом суть биофизического закона Вебера-Фихтнера. Именно поэтому все звуковое частотное поле делят на 9 октав. Причем конечная частота fк данной октавы в 2 раза больше начальной fн, а основная октавная частота - их средняя геометрическая:

Fокт = fк . fн (96)

Ряд среднегеометрических частот октавных полос частот выглядит так: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Кроме частоты, к основным характеристикам шума относят акустическое (звуковое) давление Р, интенсивность I и уровень L шума (звука), а также мощность источника.

Звуковое давление Р является избыточным над давлением воздушной среды. Минимальное звуковое давление, воспринимаемое ухом человека, называется пороговым и оно равняется Ро = 2.10-5 Па.

Интенсивность звука I характеризует удельную энергию звуковых волн на единицу площади:

I = P2 / . , Вт/м2, (97)

где - плотность среды, кг/м3, - скорость звука , м/с.

Пороговая интенсивность звука Iо, соответствующая Ро для распространения звука в воздухе, равна 10-12 Вт/м2. Следует иметь в виду, что давление и интенсивность характеризуют звуковое поле в данном месте, т.е. на расстоянии r от источника.

Мощность источника по измерениям в любой точке сферы радиусом r определяется выражением:

W = I . 2 . r2, Вт. (98)

Все эти величины имеют абсолютный характер и не вполне удобны для оценки шума. Поэтому введена величина называемая уровнем шума, которая характеризуется отношением интенсивности в данном месте к пороговой:

L = lg I/Iо, Б (99)

L = 10. lg I/Iо, дБ (100)

L = 120 + 10. lg I, дБ. (101)

Единица измерения - белл (Б). Характеризует рост интенсивности в 10 раз. Это очень большая величина, поэтому применяют десятую долю белла, т.е. децибелл (дБ). Через давление уровень звука выражается с зависимостью:

L = 20 lg Р/Ро, дБА. (102)

Обычно суммарный уровень шума определяется с помощью шумометра по шкале А, поэтому величина обозначается дБА.

Различают тональный шум, в котором выражены дискретные тона, и широкополосный. Кроме того, если уровень шума изменяется по времени не более, чем на 5 дБ, он считается постоянным, а в противном случае - непостоянным.

По физической природе шумы могут иметь следующее происхождение:

- механическое, связанное с работой машин и оборудования, вследствие ударов в сочленениях, выбрации роторов и т.п.;

аэродинамическое, вызванное колебаниями в газах;

гидравлическое, связанное с колебаниями давления и гидроударами в жидкостях;

электромагнитное, вызванное колебаниями электромеханических устройств под действием переменного электромагнитного поля или электрических разрядов.

Основными источниками шума являются все виды транспорта (прежде всего авто- и железнодорожный), промышленные предприятия и бытовое оборудование (включая звуковую аппаратуру).

В древнем Китае существовала смертная казнь шумом. Шум порядка 90-100 дБ вызывает постепенное ослабление слуха, нервно-психический стресс, язвенную болезнь, сердечно-сосудистые заболевания (в крови существенно повышается уровень холестерина), заболевания щитовидной железы. Длительное воздействие очень сильного шума (более 110 дБ) приводит к агрессивному состоянию (так называемому «шумовому опьянению»), разрушению тканей тела, обострению хронических заболеваний и снижению продолжительности жизни. Жители г.Осака (Япония), проживающие вблизи аэропорта, с помощью медиков доказали, что рост нервно-психических расстройств у них - следствие шума от ночных полетов самолетов, и через суд добились компенсации и снижения интенсивности полетов. В России доказано снижение работоспособности человека при занятии умственным трудом от одного источника широкополосного шума - в 3-4 раза, а для двух - 10-12 раз.

Нижний порог слышимости для человека 1 дБ, при 115-129 дБ появляется боль в ушах, а при 150 дБ возможна потеря слуха. Причем с возрастом порог болевого восприятия снижается. Обычно не рекомендуется достаточно длительное воздействие шума с уровнем выше 80 дБ. Для справки. Уровень шума электропилы до 120 дБ, рок-группы - 80-120, электробритвы - 75-80, дыхания - 25-30, шепота - 8-10 дБ.

Нормирование шума

Санитарные нормы устанавливают, как говорилось ранее, предельно допустимые уровни воздействия (ПДУ) звука для различных зон и в разное время суток. При этом для тонального постоянного шума используются допустимые уровни в конкретной октаве. Для непостоянного шума введены эквивалентный и максимальный уровни. Эквивалентный уровень определяется из условия равенства энергии условного постоянного широкополосного шума, имеющего то же среднеквадратичное звуковое давление, что и реальный непостоянный шум:

n

Lэкв = 10lg( ti .10 0,1Li /100), дБА, (103)

i=1

где ti - относительное время действия шума, %; Li - уровень интенсивности звука, дБА; i - номер поддиапазона октавной полосы; n - число поддиапазонов.

Максимальный уровень определяется по показателям шумомера за время, не менее 1% от общей продолжительности измерения. Общее измерение во всем диапазоне октав должно быть не менее 30 мин. Результаты измерений сравниваются с допустимыми. Допустимые уровни воздействия сведены в санитарные нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 и другие нормативы. Нормирование уровня шумов, создаваемых городским транспортом, устанавливает значения уровней звука в соответствии с ГОСТ 27436-87. Некоторые данные по ПДУ приведены в таблице 18.

Таблица 18

Предельно допустимые уровни воздействия

Зона действия звука	Допустимые уровни звука в разное время суток, дБА
	7 - 23 ч	23 - 7 ч
	Эквивалентный	Максимальный	Эквивалент ный	Максимальный
Учебные помещения	40	55	-	-
Жилые комнаты	40	55	30	45
Палаты больниц и санаториев	35	50	25	40
Номера гостиниц, общежитий, территории больниц и санаториев	45	60	35	50
Залы столовых кафе	55	70	-	-
Залы ожидания вокзалов, аэропортов	60	75	-	-
Территории, прилегающие к жилым домам, пансионатам, детсадам и т.п.	55	70	45	60
Площадки отдыха жилых домов, школ, институтов и т.п.	45	60	-	-

Эти уровни вблизи магистральных улиц (на расстоянии 2 км от них) допускается принимать на 10 дБА выше, приведенных в табл. 6. Шум от конкретных единиц, согласно стандарту, измеряется на расстоянии 7,5 м от осевой линии движения. На этом расстоянии уровни шума от легковых автомобилей должны быть не более 77 дБА, автобусов - 83, грузовых - 84, самых тяжелых мотоциклов - 85 дБА.

Сравнение действительных эквивалентных уровней звука заканчивается определением уровня шумового дискомфорта как разности эквивалентного и допустимого уровней воздействия. Некоторые данные по этим величинам приведены в таблице 19. Следует учесть, что при закрытой форточке шум уменьшается примерно на 5дБА.

Таблица 19

Сравнительные данные уровней воздействия

Тип магистрали	Интенсивность движения, час	Действие шума, дБА
		На расстоянии 7,5 м	В помещении (при открытой форточке)
			Расстояние до помещения, м	Эквивалентный уровень звука	Уровень шумового дискомфорта
Железнодорожная: двухколейная	40	89	70	65	20
Одноколейная	20	87	70	63	18
Скоростная магистраль или улица городского значения	2000-6000	82-85	50	56-59	11-14
Улица районного значения	500-2000	76-81	30	61-68	18-23
Жилая улица	50-500	60-74	10	52-66	7-21
Открытая линия метро	40	69	50	53	8

Расчет шумовых характеристик некоторых источников

Для правильного выбора методов защиты от шумов различных промышленных установок необходимо знать их шумовые характеристики, определяемые в соответствии с ГОСТ 12.1.024-81, ГОСТ 12.1.025-81 и другими нормативными документами. Наиболее часто встречающимися шумящими установками в промышленности являются вентиляторы, компрессоры и турбореактивные двигатели. Из-за интенсивного шума последних некоторые типы российских самолетов не принимаются зарубежными аэропортами.

Уровень звуковой мощности Lp в октавной полосе шума, создаваемого вентиляторной установкой в воздуховоде вычисляется по формуле:

Lp = Кш + 25 lg pв + 10 lg V - ? L1 + ? L2 + д + 25, (104)

где Кш - критерий шумности, определяемый в зависимости от типа установки, определяемый по данным работы [3];

pв - полное давление, Па;

V - объемный расход воздуха в вентиляторе, м3/с;

? L1 - поправка для учета распределения звуковой мощности вентилятора по октавным полосам частот [3];

? L2 - поправка для учета акустического влияния присоединения воздуховода к вентилятору [3];

д - поправка, учитывающая режим работы вентилятора, величина которой равна 0 при работе вентилятора в режиме максимума КПД или с отклонением от него не более чем на 10%, а при отклонении на 20% и более д = 2-4 дБ.

Компрессорные и вентиляционные установки являются самым распространенным источником шума на производстве и часто в быту. В случае работы стационарных установок распространение шума происходит через всасывающие и выхлопные отверстия воздуховодов.

При сбросе сжатого воздуха турбореактивными двигателями возникает интенсивный шум, источником которого является высокоскоростная струя воздуха. Общий уровень звуковой мощности в широком диапазоне частот можно определить по приближенной формуле:

Lp = 80 lg vc + 20 lg pc + 10 lg S - К, (105)

где vc - скорость истечения газа из сопла;

pc - плотность струи в выходном сечении сопла;

S - площадь поперечного сечения сопла;

К - величина, зависящая от температуры струи (для холодных струй она равна 57 дБ, для турбореактивных двигателей - 44 дБ).

Меры борьбы с шумовым загрязнением

При разработке или выборе методов защиты окружающей среды от шумов принимается целый комплекс мероприятий, включающий:

- проведение необходимых акустических расчетов и измерений, их сравнение с нормированными и реальными шумовыми характеристиками;

- определение опасных и безопасных зон; разработка и применение звукопоглощающих, звукоизолирующих устройств и конструкций;

- выбор соответствующего оборудования и оптимальных режимов работы;

- снижение коэффициента направленности шумового излучения относительно интересующей территории;

- выбор оптимальной зоны ориентации и оптимального расстояния от источника шума;

- проведение архитектурно-планировочных работ;

- организационно-технические мероприятия по профилактике в части своевременного ремонта и смазки оборудования;

- запрещение работы на устаревшем оборудовании, производящем повышенный уровень шума и т.п.

Перечисленные мероприятия, сведенные в схему на рис. 76, относятся к коллективным средствам защиты от шума, широко применяемым на промышленных предприятиях. Использование в той или иной степени этого комплекса мероприятий зависит от каждого конкретного случая.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 76. Схема коллективной защиты от шума

Основным методом борьбы с шумом на железнодорожном транспорте является улучшение конструкции машин, более жесткие технологические требования, особенно:

- уменьшение дисбалансов роторов;

- установка глушителей;

- переход на электротягу;

- улучшение стыковки рельсов (для рельсового транспорта), установка амортизирующих прокладок, гребнесмазывателей и др.

Очень важно уменьшить мощность шумовых источников за счет оптимального размещения предприятий, создания объездов, развязок на основе шумовых карт.

Не менее важны градостроительные мероприятия: вдоль транспортных магистралей необходимо улучшить остекление домов, применять разделительные оконные переплеты, увеличить плотность естественных и искусственных экранов. В последнее время в домах, расположенных вблизи шумовых источников, при невозможности отселения жителей, применяют тройное остекление окон с раздельными переплетами, стеклопакет. Шум при этом уменьшается в 2,5 раза при закрытых окнах.

Таким образом, исходя из данных рис. 76 и сказанного выше, для защиты от шума основными техническими мероприятиями, направленными на снижение уровня шума, являются звокоизоляция, звокопоглощение и установление глушителей.

Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук. Как отмечалось выше, звукопоглощение в непрерывных средах характеризуется уменьшением амплитуды распространяющихся звуковых волн в зависимости от расстояния. Кроме удаления источника звука на определенное расстояние, на котором достигается нормативный уровень звука, для звукопоглощения применяются различные поглощающие материалы. Звукопоглощение в этих материалах зависит от частоты и угла падения волны на звукопоглощающий материал. Зависимость звукопоглощения некоторых материалов от частоты приведены в таблице 20.

Таблица 20

Зависимость коэффициента звукопоглощения некоторых материалов от частоты

Материал	Частота, Гц
	125	250	500	1000	2000	4000
Минеральная вата	-	0,3	0,66	0,76	-	-
Шторы (у стены)	0,03	0,04	0,11	0,17	0,24	0,35
Шторы (от стены 20 см)	0,08	0,29	0,44	0,50	0,40	0,35
Ковер (плюш из войлока)	0,11	0,14	0,37	0,43	0,27	0,25
Штукатурка на деревянной решетке	0,012	0.013	0,018	0,045	0.028	0.055
Стул с бархатной спинкой	-	0,17	0,16	0,17	0,21	-

К звукопоглощающим относятся материалы, у которых коэффициент поглощения выше 0,3. В зависимости от механизма эти материалы делятся на три вида:

- волокнистые пористые материалы типа ультратонкого стеклянного или базальтового волокна, в которых звукопоглощение осуществляется за счет вязкого трения воздуха в порах;

- войлоки, древесноволокнистые материалы, минеральная вата, в которых помимо вязкого трения происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого скелета;

- панельные мтериалы, звукопоглощение в которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых ее участков (фанерные щиты, плотные шторы и т.п.).

Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабевает за счет ее частичного проникновения через ограждения, щели, окна и т.д.

Звукоизоляция - процесс снижения уровня шума, проникающего через ограждение в помещение. Для звукоизоляции применяют акустические экраны, звукоизоляционные ограждения и кожухи. Звукоизолирующая способность Sи ограждения с учетом звукопоглощения может быть рассчитана для изолируемого помещения по формуле:

Sи = 10lg(1/Кпр) + 10lg(S/?Кп Si) , (106)

где S - площадь ограждения, м2;

?Кп Si - сумма общих звуковых поглощений всех тел, находящихся в помещении, включая стены, пол, потолок и т.д.;

Кп - коэффициент поглощения;

Кпр - коэффициент прохождения звука.

Глушители шума по принципу действия делятся на абсорбционные, реактивные и комбинированные.

Принцип действия абсорбционных глушителей основан на поглощении звуковой волны в звукопоглощающих материалах. Снижение шума ?Lгл в этом глушителе определяется по формуле:

?Lгл = l КпS/?s, (107)

где l - длина глушителя;

Кп - коэффициент звукопоглощения;

S -периметр облицовки поперечного сечения глушителя;

?s - площадь поперечного сечения.

В реактивных глушителях используется явление отражения звуковой волны обратно к источнику шума с использованием отражателей и объемных резонаторов. Этот вид глушителей применяется в том случае, когда в спектре источника шума наблюдаются ярко выраженные дискретные составляющие (поршневые компрессоры, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Глушители этого вида устанавливают непосредственно в трубопроводах, поперечные размеры которых меньше длины волны заглушаемого звукового колебания. Глушители имеют резонансную частоту, определяемую по формуле:

fp = (щ/2р) [vSo(l + 0,8d)/V], (108)

где щ - угловая скорость;

l - длина горловины;

d - диаметр отверстия;

So - площадь поперечного сечения горловины;

V - объем резонатора.

При наличии в спектре источника шума с несколькими резонансными частотами применяют многокамерные концентричные системы.

В комбинированных глушителях используются явления, как поглощения, так и отражения звука.

Более подробные сведения о защите окружающей среды от шума приведены в работах [3, 9].

Лекция 21. Защита от электромагнитного загрязнения

Электромагнитное загрязнение среды и его источники

Электромагниное загрязнение по Н.Реймерсу возникает в результате изменений электромагнитных свойств среды, приводящих к нарушениям работы электронных систем и изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах. Естественные изменения в электромагнитном фоне называют электромагнитными аномалиями. В последнее время в связи с широчайшим развитием электронных систем управления, передач, связи, электроэнергетических объектов на первый план вышло антропогенное электромагнитное загрязнение - создание искусственных электромагнитных полей (ЭМП). Их влияние на нашу жизнь многообразно, но недостаточно изучено. Известны случаи полного нарушения движения поездов в Японии под влиянием внешних ЭМП. Другой пример - остановка сердца у человека с электростимулятором. У людей, постоянно проживающих под ЛЭП, фиксируется аномально высокая смертность от рака, туберкулеза и сердечно-сосудистых заболеваний. Установлены факты влияния высоковольтных линий на геомагнитные процессы и даже на грозовую активность в атмосфере. Недостаточное внимание к высоковольтным линиям привело к тому, что в 70-е годы исследователи установили связь между лейкозом у детей и воздействием магнитного поля этих линий.

В результате антропогенной деятельности увеличивается общий электромагнитный фон окружающей среды не только в количественном, но и в качественном отношении. Появились источники техногенного происхождения, отличающиеся по своим характеристикам от традиционных источников, к которым живые организму биосферы адаптировались в процессе длительной эволюции. Например, миллиметровые волны, некоторые участки радиодиапазонов, ультрафиолетовые, рентгеновские, г-излучения, инфразвуковые и ультразвуковые колебания, сильные электростатические и магнитные поля и т.д. в существенной степени изменяют естественный фон. При этом возможно не простое наложение техногенных физических полей на естественный фон, а происходит их более сложное взаимодействие друг с другом, что существенно может влиять на устойчивость экосистем.

Современная концепция действия миллиметровых волн на биологический объект заключается в следующем:

- взаимодействие излучения с поверхностными клеточными мембранами;

- взаимодействие СВЧ поля с зарядами белковых молекул, совершающими колебания на собственных резонансных частотах;

- возникновение в мембране СВЧ поля акустического происхождения;

- мембраны создают синхронизирующие, фазирующие СВЧ поля, воздействующие на белковые молекулы;

- синхронизация и когерентное сложение колебаний белков передается колебаниям мембраны с последующим излучением энергии в межклеточное пространство.

Статическое электрическое поле также существенно влияет на живые организмы. Разряды, возникающие при стечении электрических зарядов, вызывают испуг, раздражение, могут быть причиной пожара, взрыва, травмы, порчи микроэлектронных устройств и т.п. Длительное воздействие статических электрических полей с напряженностью поля более 1000 В/м вызывает у человека головную боль, утомленность, нарушения обмена веществ, раздражительность.

Известно, что любое ЭМП характеризуется частотой и векторами напряженности электрического и магнитного полей.

Шкала электромагнитных волн для различных диапазонов частот ЭМП представлена на рис. 77, а некоторые техногенные источники электромагнитного загрязнения - таблице 21.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 77. Шкала электромагнитных волн:

Звездочкой помечены номера поддиапазонов, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР)

Таблица 21

Техногенные источники электромагнитного загрязнения

Название	Диапазон частот (длин волн)
Радиотехнические объекты	30 кГц - 30 МГц
Радиопередающие станции	30 кГц - 300 МГц
Радиолокационные и радионавигационные станции	СВЧ диапазон (300 МГЦ - 300 ГГц
Телевизионные станции	30 МГц - 3 ГГц
Плазменные установки	Видимый, ИК-, УФ-диапазоны
Термические установки	Видимый, ИК-диапазон
Высоковольтные линии электропередач	Промышленные частоты, статическое электричество
Рентгеновские установки	Жесткий УФ, рентгеновский диапазон, видимое свечение
Лазеры	Оптический диапазон
Мазеры	СВЧ диапазон
Ядерные реакторы	Рентгеновское и г-излучение, ИК, видимое и т.п.
Технологические установки	ВЧ, СВЧ, ИК, УФ, видимый, рентгеновский диапазоны
Источники ЭМП специального назначения (наземные, водные, подводные, воздушные), применяемые в радиоэлектронном противодействии	Радиоволны, оптический диапазон, акустические волны (комбинированного действия)

Однако для различных вариантов степень воздействия на биологические объекты может быть разной. Если ЭМП обусловлено неподвижными зарядами, то оно является электростатическим. Определяющей является напряженность электрического поля. Наоборот, для катушек с большим числом витков при постоянном токе относительное проявление магнитной составляющей выше электрической. Для ЭМП от источников, работающих на переменных токах частотой до 300 МГц, учитываются электрическая и магнитная составляющая. Этот диапазон охватывает установки промышленной частоты (50 Гц), а также радиопередающие и телевизионные устройства различных диапазонов: низкой частоты (30-300 кГц), средней (300 кГц - 30 МГц), очень высокой (30-300 МГц). Существуют и более высокие диапазоны излучения УВЧ (300-3000МГц), СВЧ (3-30 ГГц) и КВЧ (30-300 ГГц).

Предельно допустимые уровни электромагнитных полей

В нашей стране разработаны и приняты санитарные нормы, являющиеся по ряду параметров самыми жесткими в мире. В качестве предельно допустимого уровня облучения населения принимаются такие значения электромагнитных полей, которые при ежедневном воздействии в свойственных для данного источника излучения режимах не вызывают у людей заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования. Основной критерий безопасности для населения установлен Минздравом РФ и составляет не боле6е 500 В/м при частоте 50 Гц в местах постоянного пребывания людей. Магнитные поля для населения России не нормируются.

...