Основы промышленной экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы промышленной экологии

Природа планеты Земля представляет собой комплекс живой и неживой материи. Неживые составляющие природы - это атмосфера, гидросфера (водная среда планеты) и литосфера (твердая оболочка Земли). Живые составляющие земной природы - растения, животные организмы и микроорганизмы. Область обитания живых организмов, точнее оболочку Земли, структура и энергетика которой определена прошлой или современной деятельностью живых организмов, называют биосферой. Биосфера занимает сравнительно тонкую оболочку Земли - нижнюю часть атмосферы, примерно 10-15 км, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы до глубины 2-3 км. Область биосферы искусственно расширяется с развитием науки и техники, например с использованием высотных самолетов и космических кораблей, с проникновением человека в земные недра путем бурения нефтяных и других разведочных скважин на все большую глубину вплоть до мантии Земли.

Науку, изучающую взаимосвязь между живой и неживой природой, закономерности круговорота веществ в природе и изменения этих закономерностей из-за воздействия деятельности человека, называют экологией. Глобальные задачи экологии - охрана биосферы от диспропорций, связанных с деятельностью человека, охрана воздушного и водного бассейнов, защита пахотных земель, сохранение и воспроизводство флоры и фауны.

1. Экологические проблемы химической технологии

До определенного этапа развития человеческого общества, в частности, индустрии, в природе существовало экологическое равновесие, т. е. деятельность человека не нарушала природных процессов или очень незначительно влияла на них. Экологическое равновесие в природе с сохранением естественных экологических систем существовало миллионы лет и после появления человека на Земле. Так продолжалось до конца XIX в. Двадцатый век вошел в историю как век небывалого технического прогресса, бурного развития науки, промышленности, энергетики, сельского хозяйства. Одновременно как сопровождающий фактор росло и продолжает расти вредное воздействие индустриальной деятельности человека на окружающую среду. В результате происходит непредсказуемое изменение экосистем и всего облика планеты Земля.

Отходы производства - остатки сырья, материалов и полупродуктов, образующиеся при получении заданной продукции, которые частично или полностью утратили свои качества и не соответствуют стандартам (техническим условиям). Эти остатки после соответствующей обработки могут быть использованы в сфере производства или потребления.

Отходы потребления - это непригодные для дальнейшего использования (по прямому назначению) изделия производственно-технического и бытового назначений (например, изношенные изделия из пластмасс и резины, вышедший из строя шамотный кирпич теплоизоляции печей и др.).

Побочные продукты образуются при физико-химической переработке сырья наряду с основными продуктами производства, но не являются целью производственного процесса. Они в большинстве случаев бывают товарными, на них имеются государственные стандарты (ГОСТ), технические условия (ТУ) и утвержденные цены, их выпуск планируется. Чаще всего это содержащиеся в сырье компоненты, не используемые в данном производстве, или продукты, которые получают при добыче или обогащении основного сырья; их принято называть попутными продуктами (например, попутный газ при добыче нефти).

Вторичные материальные ресурсы (BMP) - совокупность отходов производства и потребления, которые могут быть использованы в качестве основного или вспомогательного материала для выпуска целевой продукции.

Между производством и окружающей средой до сих пор доминирует открытый тип связи. Производственный процесс начинается с использования природных ресурсов и завершается превращением их в средства производства, предметы потребления. За процессом производства следует процесс потребления, после чего использованные продукты выбрасываются.

Таким образом, открытая система базируется на принципе одноразового использования исходного материала природы.

Каждый раз производство начинается с использования некоторых новых природных ресурсов, и каждый раз потребление заканчивается выбросами отходов в окружающую среду. Как было показано выше, весьма небольшая часть природных ресурсов превращается в целевые продукты, большая часть их попадает в отходы.

Биосфера функционирует по принципу встроенных систем: каждая форма конструируется за счет деструкции других форм, составляя звено всеобщего кругооборота вещества в природе. Производственная деятельность вплоть до самого последнего времени строилась по другому принципу - максимальной эксплуатации природных ресурсов и игнорирования проблемы деструкции отходов производства и потребления. Этот путь был возможен лишь до тех пор, пока масштабы отходов не превышали границ способности экологических систем к самовосстановлению.

Основные источники загрязнений и вредных воздействий на окружающую среду - это энергетические устройства, сжигающие твердое, жидкое и газообразное топлива, транспорт, предприятия черной и цветной металлургии, химическая, целлюлозно-бумажная и нефтеперерабатывающая промышленность, сельское хозяйство.

Состав промышленных выбросов в атмосферу чрезвычайно разнообразен; в них содержатся сотни химических соединений в виде газов, аэрозолей или паров. Сжигание топлива и многие промышленные процессы поглощают из атмосферы содержащийся в ней кислород. Выбросы в атмосферу и извлечение из нее кислорода приводят к глобальным и локальным изменениям воздушной среды. Изменение основных компонентов атмосферы - азота, кислорода и диоксида углерода - пока незначительны, но они уже существуют и свидетельствуют о нарушении природного равновесия в атмосфере Земли.

Уже сейчас расход кислорода на сжигание топлива превышает естественное поступление О₂ в атмосферу, что ведет к нарушению природного углекислотно-кислородного баланса. Всевозрастающее загрязнение атмосферы оксидами углерода и азота, фреонами и другими галогенметанами (CF₂Cl₂, CF₂Cl₃, ССl₂) ведет к глобальным изменениям в природе; разрушается слой озона, находящийся в стратосфере и защищающий все живое на Земле от жестких излучений коротковолновой части солнечного спектра.

Выделение аэрозолей от предприятий и транспортных машин создает над современными промышленными городами и районами шапки мглы, препятствующие проникновению солнечных лучей. Высокая концентрация загрязнителей в воздухе над многими крупными городами опасна для здоровья людей, зеленых насаждений, а также служит причиной разрушения зданий. Около 85 % от общего количества вредных веществ в выбросах в атмосферу приходится на долю диоксида серы, оксидов углерода и азота, углеводородов, а также пыли.

Во второй половине XX в. появился новый вид токсичных загрязнителей - радиоактивные вещества.

Газопылевые промышленные выбросы часто мигрируют, распространяясь на большие расстояния; общеизвестен факт выпадения кислотных дождей от выбросов SО₂ и тумана H₂SO₄ предприятиями одной страны на территории другой.

Загрязнение и отравление водных бассейнов земного шара - Мирового океана - вызывает не меньшую тревогу, чем загрязнение атмосферы. Мировой океан представляет собой бессточный пруд, скорость загрязнения которого быстро возрастает. Он играет первостепенную роль во всеобщем круговороте элементов - углерода, азота, кислорода, серы, фосфора, водорода и др., составляя, как уже отмечалось, основу жизни на Земле.

Центральным звеном в круговороте углерода следует считать автоматическое поддержание концентрации СO₂ в атмосфере на определенном уровне за счет буферной системы: СаСО₃ - Са(НСO₃)₂ - СO₂. Диоксид углерода извлекается из атмосферы в результате фотосинтеза, который за счет водорослей, водных растений, фитопланктона в 8 раз производительнее, чем фотосинтез с участием наземной растительности. Таким образом, отравление Мирового океана приводит к снижению содержания кислорода в атмосфере.

Промышленные предприятия сбрасывают в водоемы огромные количества сточных вод, содержащих разнообразные токсичные вещества. Опасно загрязнение водоемов металлами - ртутью, свинцом, кадмием, цинком, хромом. Из промышленных отходов в воду попадает свыше 1 миллиона наименований химических соединений, причем ежегодно появляются десятки тысяч новых веществ.

Химическая промышленность, а также целлюлозно-бумажная промышленность и металлургия наиболее водоемки. На 1 т готовой продукции расходуется вода (м³): синтетического волокна - 2500-5000; пластмассы - 50-100; бумаги - 400-800; никеля - 4000.

Другой причиной загрязнения водоемов является сельское хозяйство, при нерациональном ведении которого в реки и озера попадают удобрения и ядохимикаты. В результате широкого применения трудноразлагаемых ядохимикатов, содержащих ртуть и свинец, и попадания этих веществ в водоемы происходит накопление токсичных соединений в растениях и организмах, в то время как вредители сельского хозяйства успевают адаптироваться к ядам. Применение пестицидов допустимо только при строгом контроле и под руководством высококвалифицированных специалистов.

Среди особотоксичных и трудноразлагаемых загрязнителей вод следует назвать нефть и отходы, содержащие радиоактивные вещества. Нефть попадает в Мировой океан при ее добыче и транспортировке танкерами. Она образует на поверхности воды тонкую пленку, изолирующую воду от воздуха, что изменяет режим кислородно-углеродного обмена, затрудняет испарение воды, т. е. нарушает экологическое равновесие в этом районе.

Радиоактивные вещества попадают в Мировой океан с осадками из атмосферы, со сточными водами при авариях на атомных электростанциях, но больше всего в результате захоронения в океане контейнеров с радиоактивными отходами промышленных предприятий. Бетонные контейнеры со временем разрушаются и вызывают локальное загрязнение вод радиоактивными веществами, губительно действующими на все живое.

Твердые отходы производства, сельского хозяйства и быта все в большей степени засоряют поверхность Земли. Промышленные отходы - различного рода шлаки, зола, пески, огарки, порода, фосфогипс - отчуждают и отравляют огромные площади Земли, в том числе пахотные. Особо большие количества твердых отходов дают предприятия черной и цветной металлургии, начиная со стадии горных и обогатительных работ, химические производства, добыча и переработка твердого топлива. Производство синтетических материалов засоряет поверхность Земли, а также водоемы биологически неразлагаемыми отходами, в частности, упаковочными материалами. Стоки и вредные выбросы в атмосферу также попадают в почву, отравляя ее гумусовый слой.

Защита воздуха, воды, почвы, всей окружающей нас природной среды является глобальной политической задачей первоочередной важности. Негативные последствия научно-технической революции XX в. очевидны для всех, причем особенно опасны генетические последствия загрязнения окружающей среды. Благодаря усилиям ученых, общественных и политических деятелей, правительства ряда стран принимают меры по защите окружающей среды, разрабатывают специальные программы.

Сброс сточных вод допускается лишь с выполнением требований, установленных законодательством, с соблюдением утвержденных предельно допустимых концентраций токсичных веществ.

Ученые-гигиенисты разработали и утвердили нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) химических веществ в воздухе, воде и в почве. Под предельно допустимой концентрацией химических веществ понимают такую концентрацию, которая не оказывает на человека прямого или косвенного влияния, не снижает его работоспособности, не сказывается отрицательно на самочувствии и настроении.

Развернутые таблицы ПДК химических веществ в атмосферном воздухе, в воздухе производственных помещений и в воде различного рода водоемов приведены в монографиях и справочниках. Отечественные нормативы на ПДК химических соединений в воздухе и воде являются одними из самых жестких.

В нашей и других странах введена помимо ПДК величина предельно допустимых выбросов (ПДВ), представляющая собой контролируемый технический показатель деятельности предприятий. Предельно допустимые выбросы устанавливаются санитарно-гигиеническими органами для каждого источника загрязнения.

Основной путь для защиты природы от вредных воздействий промышленных производств - это создание экологически безвредных технологических процессов и безотходных, на первых порах малоотходных, химических производств.

2. Основные принципы создания безотходных производств

Термин «безотходная технология» впервые предложен акад. Н. Н. Семеновым. Под безотходным производством понимается создание оптимальных технологических систем с замкнутыми материальными и энергетическими потоками. Такое производство не должно иметь сточных вод, вредных выбросов в атмосферу и твердых отходов и не должно потреблять воду из природных водоемов.

Понятие «безотходное производство» имеет несколько условный характер; это идеальная модель производства, так как в реальных условиях нельзя полностью ликвидировать отходы и избавиться от влияния производства на окружающую среду. Точнее, следует назвать такие системы малоотходными, дающими минимальные выбросы, при которых в результате самоочищающей способности природы сохраняется экологическое равновесие. Только создание безотходных производств служит радикальной мерой охраны природы, и оно оптимально с точки зрения экономики химического производства, т. е. позволяет решить проблему охраны окружающей среды не только технически, но и с экономически разумными затратами.

Сложившееся сегодня положение в области ресурсопотребления и масштабы промышленных выбросов позволяют сделать вывод о том, что имеется только один путь решения проблемы оптимального потребления природных ресурсов и охраны окружающей среды - создание экологически безвредных технологических процессов, или безотходных, а на первое время - малоотходных. Это единственный способ, подсказанный самой природой.

Конечно, концепция безотходной технологии в некоторой степени носит условный характер. Под безотходной технологией понимаются теоретический предел, идеальная модель производства, которая в большинстве случаев может быть реализована не в полной мере, а лишь частично (отсюда и малоотходная технология), но с развитием технического прогресса - со все большим приближением. Технологические процессы с минимальными выбросами, при которых способность природы к самоочищению в достаточной степени может предотвратить возникновение необратимых экологических изменений, называют иногда "экологической технологией", "малоотходными процессами", "безвредной технологией". Однако название "безотходная технология" получило наибольшее распространение.

В схеме химико-технологического процесса сырье - химические реакции - готовый продукт отходы образуются:

а) за счет примесей в сырье;

б) за счет побочных химических реакций;

в) за счет неполноты протекания химических реакций.

Все пути уменьшения отходов на каждой стадии технологического процесса ведут, как правило, к его интенсификации.

Промышленные выбросы не являются неизбежностью, они лишь следствие несовершенства всего производства или его отдельных звеньев. Заводы будущего должны работать практически без внешних выбросов благодаря комплексному использованию всех компонентов сырья, комбинированию предприятий, коренному изменению технологии с созданием новых технологических методов и систем (в частности, замкнутых систем) и применению оптимальных технологических режимов, отвечающих максимальному выходу целевых продуктов.

Сейчас определилось несколько основных направлений охраны биосферы, которые в конечном счете ведут к созданию безотходной технологии:

1) разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов;

2) создание бессточных технологических систем и водооборотных циклов на базе наиболее эффективных методов очистки сточных вод;

3) переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья;

4) создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса.

Разработка и внедрение принципиально новых технологическихпроцессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов, является основным направлением технического прогресса.

Назрела необходимость перехода к принципиально новой форме связи между производством и окружающей средой - к замкнутым системам производства, предполагающим возможно большую встроенность производственных процессов во всеобщий круговорот вещества в природе.

При замкнутой системе производство строится, опираясь на следующие фундаментальные принципы:

1) возможно более полное использование исходного природного вещества;

2) возможно более полное использование отходов производства и потребления (регенерация отходов и превращение их в исходное сырье для последующих ступеней производства);

3) создание конечных продуктов производства с такими свойствами, чтобы используемые отходы производства и потребления могли быть ассимилированы экологическими системами.

Стратегия безотходной технологии исходит из того, что неиспользуемые отходы производства являются одновременно не полностью использованными природными ресурсами и источником загрязнения окружающей среды. Снижение удельного выхода неиспользуемых отходов в расчете на товарный продукт технологии позволит произвести больше продукции из того же количества сырья и явится вместе с тем действенной мерой по охране окружающей среды.



Рисунок 12.1 - Связь биосферы и техногенной деятельности человека

Биосфера дает нам природные ресурсы, из которых в сфере производства получаются конечные продукты, при этом образуются отходы. Продукты используются либо в сфере производства, либо в сфере потребления, и вновь образуются отходы. Под отходами понимаются вещества, не обладающие на первых порах потребительской ценностью.

Во многих случаях при необходимости после соответствующей обработки они могут быть использованы как вторичное сырье (вторичные материальные ресурсы) или как вторичные носители энергии (вторичные энергоресурсы). Если по техническим или технологическим причинам невозможно или экономически невыгодно перерабатывать отходы, то их необходимо выводить в биосферу таким образом, чтобы по возможности не наносить вреда естественной окружающей среде.

Можно составить следующий баланс по сферам производства и потребления, исходя из закона сохранения материи:

,

где R - расход природных ресурсов, кг/с; А - масса образующихся отходов в сферах производства и потребления, кг/с; ц_m - средний коэффициент использования отходов, кг/кг; S - масса веществ, накапливающихся в сферах производства и потребления вследствие постоянного роста производства, кг/с.

Анализ балансового уравнения показывает, что снижение удельного количества неиспользуемых отходов производства А(1 - ц_т) и тем самым удельного расхода природных ресурсов Rвозможно:

- за счет уменьшения удельного выхода отходов производства А;

- за счет повышения коэффициента использования отходов ц_т.

Выбор одного из путей зависит как от технологических возможностей, так и от экономических условий. Первичная цель безотходной технологии - настолько уменьшить выводимый в единицу времени в биосферу поток массы неиспользованных отходов, чтобы сохранялось естественное равновесие биосферы и обеспечивалось сохранение основных природных ресурсов.

Анализ существующей ситуации, расчеты и прогнозы на будущее убедительно показывают, что реализация безотходных производств во всех отраслях промышленности возможна при условии активного использования достижений науки и техники, и в первую очередь химической технологии.

Особенность химической технологии состоит в том, что она способна превратить в ресурсы не только свои собственные отходы, но и отходы других производств. В связи с этим химия и химическая технология способствуют решению таких коренных проблем охраны природы, как комплексное использование сырья и утилизация отходов, обезвреживание производственных выбросов. В качестве примера можно указать на межотраслевую роль методов химической технологии в решении экологических проблем теплоэнергетики. Для очистки дымовых газов от этих вредных компонентов применяют различные физико-химические способы, в том числе сухие с использованием сорбентов и мокрые с применением водных растворов щелочей и аммиака. Разработаны способы очистки с одновременным получением минеральных удобрений - нитратов и сульфатов аммония.

В промышленности широкое распространение получили каталитические генераторы тепла (КГТ), в которых сжигание органического топлива (газ, мазут) осуществляют на катализаторах. Использование этого приема химической технологии в теплоэнергетике позволяет интенсифицировать процесс горения топлива, снизить металлоемкость оборудования, приблизить избыток воздуха к стехиометрическому и в сотни раз сократить выбросы оксидов азота с продуктами сгорания.

Методы химической технологии положены в основу многих безотходных технологий, разрабатываемых в металлургической промышленности, в производстве строительных материалов и других материалоемких отраслях народного хозяйства.

Значительные успехи в этом направлении достигнуты в черной и цветной металлургии, при переработке материалов для ядерной техники, в химической промышленности. В черной металлургии, например, внедряется бескоксовый, бездоменный метод получения железа прямым восстановлением концентратов железной руды водородом или синтезгазом; таким путем устраняются стадии металлургического процесса, наиболее загрязняющие биосферу, - производство кокса и доменный процесс. В новом способе полностью исключены вредные выбросы в атмосферу и твердые отходы, резко (почти втрое) уменьшается потребление свежей воды.

Примером создания новых малоотходных процессов в цветной металлургии может служить кислородная плавка концентратов цветных металлов (свинцово-цинковых руд). Мелкодисперсный концентрат окисляют во взвешенном слое техническим кислородом. При этом от сплава сульфидов отделяются шлаки, которые восстанавливают коксом в электротермической части системы; при высокотемпературном восстановлении происходит возгонка паров металла (Zn) с последующим его улавливанием. В результате проведения процессов в относительно малом объеме реакторов и применения кислорода общее количество отходящих газов уменьшается и повышается содержание в них SO₂, это позволяет эффективно и рентабельно перерабатывать отходящие газы на серную кислоту. Выброс вредных газов исключен, количество стоков и твердых отходов минимально.

Экологически безвредны металлургические (и другие) процессы, осуществляемые при высоких температурах с помощью плазмы (инертный газ, который нагрет до 30000 К в высокотемпературной электрической дуге). Применение плазменного нагрева в металлургических плавильных агрегатах позволит получать высококачественные металлы практически без отходов.

В химической промышленности давно применяют малоотходные рециркуляционные химико-технологические системы с практически полным использованием исходных реагентов. Это прежде всего каталитические процессы в газовой фазе с небольшим выходом продукта за один цикл - синтез аммиака. Например, при синтезе аммиака по обратимой экзотермической реакции фактическая степень превращения не выше 14-20 %. Полное использование исходных реагентов и приближение к безотходности достигаются многократным возвращением непрореагировавшей азотоводородной смеси в каталитический реактор, т. е. применением замкнутой (рециркуляционной) системы:

N₂+3H₂ NH₃.

Рисунок 12.2 - Рециркуляционная энерготехнологическая система производства серной кислоты: 1 - испаритель серы; 2 - печь для сжигания паров серы; 3 - сепаратор-пароотделитель; 4 - инжектор; 5 - теплообменник; 6 - контактный аппарат; 7 - абсорбер триоксида серы; 8 - сборник серной кислоты; 9 - кислотный насос; 10 - холодильник; I - водный конденсат; II - жидкая сера от насоса; III - технический кислород; IV - перегретый пар потребителю; V - циркуляционный газ; VI - газ на вторую санитарную ступень контактирования и абсорбции; VII - продукционная серная кислота

Принцип безотходности стремятся осуществить и в производствах, издавна осуществляемых по последовательной технологической связи, например в производстве серной кислоты. В новых технологических системах производства серной кислоты использован метод двойного контактирования, двойной абсорбции, что дало возможность сократить вредные выбросы в атмосферу в 5-6 раз. Еще безопаснее экологически рециркуляционная система производства серной кислоты, практически исключающая выбросы в атмосферу (рис. 12.2). В рециркуляционной системе серную кислоту получают из серы под давлением при высокой концентрации SO₂ в исходном газе. Пары серы окисляют в SO₂ частично в испарителе и полностью в камерной печи. Диоксид серы из печи подается в контактный аппарат совместно с циркуляционным газом при помощи инжектора. В контактном аппарате во взвешенном слое ванадиевого катализатора происходит окисление SO₂ в SO₃; газовая смесь проходит теплообменник и абсорбер, где триоксид серы поглощается концентрированной серной кислотой с образованием продукционной серной кислоты,а газ, содержащий непрореагировавший SO₂, вновь подается в контактный аппарат для окисления. Основные аппараты схемы - печь для сжигания серы и контактный аппарат - совмещают функции химического реактора и котла-утилизатора. В результате за счет тепловой энергии химических реакций вырабатывается товарный перегретый пар, и одновременно из зоны реакции отводится излишняя теплота.

Создание бессточных технологических систем и водооборотных циклов на базе наиболее эффективных методов очистки сточных вод - важнейшее направление охраны гидросферы и снижения потребления природной воды промышленностью.

Эта задача решается широким внедрением систем водооборота в промышленности. Потребление воды в промышленности сокращается путем совершенствования технологии и замены водяного охлаждения воздушным.

Основные решения, принятые в вариантах комплексных очистки и повторного использования сточных вод, примерно одинаковы и отличаются лишь набором и последовательностью очистных установок в соответствии с составом сточных вод.

Эти решения следующие:

1) во всех системах предусмотрены рециклы сточных вод в основных водоемких производствах с наличием локальных очистных установок на определенной ступени рецикла;

2) в общезаводскую канализацию разрешен сброс только тех сточных вод, которые невозможно или невыгодно повторно использовать в данном производстве, но которые можно очистить на общезаводских очистных установках;

3) все сточные воды разделены на самостоятельные потоки: хозяйственно-бытовые, органозагрязненные, сильноминерализованные, слабо-минерализованные и ливневые.

Хозяйственно-бытовые и органозагрязненные стоки проходят совместную очистку на биологических очистных сооружениях; слабоминерализованные стоки подвергаются физико-химической очистке; сильно минерализованные - физико-химической очистке, а затем термическому опреснению. Дистиллят установок опреснения используется на ТЭЦ, а рассол - как сырье для электролиза или подлежит захоронению. Для стоков, загрязненных особотоксичными веществами, содержащих биологически неразлагаемые соединения, например «жесткие» ПАВ, или при необходимости строгой корректировки состава оборотной воды (флотация, электрохимические производства), применяют локальные приемы тонкой очистки данного стока. Для этого разработаны новые методы очистки сточных вод - радиационные, фотохимические, обратный осмос, озонирование и др. Однако наиболее целесообразный прием обезвреживания локальных стоков, содержащих особотоксичные, трудноразлагаемые соединения, - это изыскание путей исключения такого стока или его сокращения до минимума чисто технологическими приемами.

Водооборотные циклы одновременно с очисткой воды используют и для ее охлаждения в тех производствах, где вода нагревается. Для этого сточные воды после очистки охлаждают в градирнях, теплообменниках воздушного охлаждения или других теплообменных устройствах, после чего вновь возвращаются в циклы.

В последние годы водооборотные системы предприятий химической промышленности и смежных отраслей составляют около 90 % от их общего водопотребления. Ряд заводов, например некоторые нефтеперерабатывающие предприятия в маловодных районах, работают без сброса сточных вод в водоемы, сточные воды после биологической и физико-химической очистки полностью используются в замкнутом цикле.

Переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья - самый распространенный способ уменьшения промышленных выбросов.

Разработкой отдельных мероприятий по сокращению отходов и очистке выбросов занимаются многие научно-исследовательские и проектные организации, а также практически все предприятия, имеющие вредные выбросы. Для уменьшения количества отходов на действующих предприятиях часто осуществляют полную или частичную утилизацию отходов путем химической переработки; иногда отбросы производства уничтожают, а в некоторых случаях подвергают биологической переработке в условиях, моделирующих естественные.

Существует много способов утилизации отходов различных предприятий.

Наибольшее количество отходов использует в качестве сырья промышленность строительных материалов - цемента, кирпича, плит, блоков, труб, строительных растворов. Сырьем для производства строительных материалов в первую очередь служат отходы добычи полезных ископаемых - углей, сланцев и руд (скальные породы, песок), а также зола и шлаки переработки твердого топлива и металлургических предприятий. Гранулированные металлургические шлаки служат традиционным сырьем производства портландцемента, бетона, труб, плит, кирпича. Цементные заводы строят вблизи металлургических, в одном территориально-промышленном комплексе, вырабатывая на основе отходов высококачественные строительные материалы.

Для производства цемента и других строительных материалов используют многие отходы химической промышленности - нефелиновый шлам, колчеданные огарки, фосфогипс и др. Фосфогипс, т. Е. гипс (CaSO₄2H₂O), содержащий некоторое количество фосфорной кислоты, является отходом предприятий, производящих фосфорную кислоту и фосфорные удобрения. Фосфогипс образуется в больших количествах (4,5-8,4 на 1 т фосфорной кислоты), занимая огромные поверхности земли (в том числе и плодородные площади). На складирование фосфогипса тратятся большие средства. Фосфогипс частично используют для химической мелиорации солонцовых почв взамен природного гипса, в производстве гипсовых вяжущих средств. Фосфогипс перерабатывают на цемент и серную кислоту, на сульфат аммония и мел. Рациональное использование фосфогипса - задача большого народнохозяйственного значения. Аммиачный способ, доминирующий в мировом производстве соды, дает огромное количество жидких отходов - дистиллерную жидкость, содержащую хлорид кальция, натриевые и аммонийные соли. Дальнейшая судьба аммиачного способа зависит от утилизации этой отбросной жидкости, скапливающейся вокруг содовых заводов в виде мертвых пространств (так называемых белых морей) и проникающей в естественные водоемы. Экологические недостатки аммиачного способа производства соды совмещены смалым коэффициентом использования основного сырья - хлорида натрия: натрий используется всего на 70 %, а хлор полностью попадает в отвал. Определено несколько направлений частичной утилизации дистиллерной жидкости. Наиболее эффективна ее комплексная переработка в хлорид кальция, хлорид аммония и поваренную соль. На некоторых заводах имеются цехи, выпускающие вещества в качестве товарных продуктов.

Помимо технологических мероприятий по утилизации и сокращению выбросов применяют и другие приемы - захоронение отходов под землей, уничтожение их сжиганием, термохимическую обработку и, наконец, биологический метод переработки отходов; он основан на доведении отходов до такой формы, которая либо доступна действию микроорганизмов, либо самостоятельно быстро распадается или полностью окисляется, т. Е. включается в общий круговорот природы. Захоронение, т. Е. длительная изоляция твердых и жидких производственных отходов в полостях литосферы (скважинах, отработанных шахтах и др.) помимо загрязнения почвы связано с возможностью проникновения токсичных веществ в подземные воды. К сожалению, этот прием еще довольно широко используется на действующих предприятиях.

Часто твердые и жидкие промышленные и бытовые отходы сжигают и подвергают их термохимической переработке. Эти приемы применяют в масштабах городов и крупных промышленных комплексов, причем образующаяся при сжигании тепловая энергия используется для отопительных целей или для выработки электроэнергии.

Создание территориально-промышленных комплексов (ТПК) с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса основано на комплексном использовании сырья.

Такие ТПК позволяют получать из каждой составной части добываемого сырья ценные продукты и поэтому в значительной степени обеспечивают охрану окружающей среды. Объединение ряда производств в единый комплекс облегчает переработку отходящих газов и сточных вод, позволяет создать замкнутые системы с полным использованием отходов и теплоты. Территориально-промышленные комплексы создают на базе природных ресурсов, специфичных для данного региона. Различные производства региона кооперируются в ТПК с использованием отходов одних предприятий в качестве сырья для других. Классический пример комбинирования предприятий в ТПК - это комплексная переработка апатито-нефелиновой руды.

Комплексное энерготехнологическое использование низкосортного твердого топлива (угли, сланцы) может резко снизить загрязнение окружающей среды выбросами ТЭС и другими отходами. Использование золы ТЭС для производства строительных материалов способствует созданию безотходных электростанций. Примером комплексной малоотходной переработки топлива в территориально-промышленном комплексе может служить энерготехнологический метод использования прибалтийских (эстонских) сланцев с твердым теплоносителем. По этой схеме до 90 % S связывается зольным остатком, содержащим MgO и СаО, в MgSО₄ и CaSО₄. Электростанции снабжаются высококалорийным газообразным и жидким топливом, практически не содержащим серы. Зольный остаток переработки сланцев используют в производстве строительных материалов и в сельском хозяйстве для раскисления почвы. Химической переработкой сланцевого газа и сланцевой смолы получают многие ценные продукты - серу, тиосульфат, бензол, толуол, ксилолы, фенолы, флотореагенты, пропиточные масла, электродный кокс и др. Территориально-промышленные комплексы формируются также для малоотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов в крупных городах.

Все сказанное приводит к выводу, что единственное радикальное решение проблемы дальнейшей производственной деятельности человечества без нарушения равновесия в природе - это создание безотходных или малоотходных производств, работающих по замкнутому циклу, без расхода свежей воды. Все остальные направления могут рассматриваться либо как временные, переходные, меры, либо как элемент безотходной технологии в пределах данного предприятия или комбинированного территориального промышленного комплекса. Безотходная технология не только единственное надежное средство охраны биосферы - она обеспечивает большие экономические выгоды, в частности, от повышения эффективности капиталовложений, снижения затрат на очистные сооружения, уменьшения или полного снятия вторичного экономического ущерба в результате действия загрязнителей.

Экономическая эффективность безотходных производств

При проектировании химического производства практический интерес представляет сравнение безотходной технологической схемы с традиционной схемой получения данного продукта. Для проведения такого анализа составляются эталонные проекты, предназначенные для выработки и планирования технической политики в области создания безотходной технологии. Понятие «эталонный проект» подразумевает такую совокупность технологических стадий в цикле «ресурсы - производство - потребление - ресурсы", при которой обеспечивается замкнутое движение материальных и энергетических потоков.

В качестве показателей выбирают критерии, имеющие экономическую значимость: общее или удельное количество отходов; взаимодействие соединений, входящих в состав отходов, с элементами биосферы; распространение и трансформирование отходов.

Эталонный проект создается не для отдельных предприятий и отраслей, а для наиболее важных видов продукции: минеральных удобрений, кальцинированной соды, пластмасс, мономеров и т. д. В этом состоит его особенность по сравнению с обычным проектированием.

При составлении эталонного проекта используют наиболее совершенные технологические схемы получения той или иной продукции. Переработка отходов как вновь образующихся, так и накопленных должна осуществляться также с помощью наиболее совершенных технологических процессов, не дающих вторичных локальных циклов, усложняющих структуру общего цикла "ресурсы - производство - потребление - ресурсы".

При экономической оценке цикла имеет значение определение стоимости отходов, так как от этого зависит стоимость продукции, получаемой при их переработке.

При оценке экономической эффективности безотходных производств используют сложный критерий, каждый составной элемент которого характеризует определенную сторону воздействия производства на народное хозяйство в целом.

Абсолютная экономическая эффективность збезотходного производства определяется по уравнению

,

где У_iЭ_i = Э₁ + Э₂ + Э₃ + Э₄ + Э₅ - сумма всех эффектов безотходного производства (Э₁ - эффект производства конечной продукции, полученной при внедрении безотходного производства, а также более полного использования исходного сырья; Э₂ - эффект потребления конечной продукции, полученной при внедрении безотходного сырья; Э₃ - экономия затрат на разведку, добычу и транспортирование отдельных ресурсов; Э₄ - эффект комплексного развития региона; Э₅ - внешнеторговый эффект, учитываемый при сокращении импорта или росте экспорта сырья, продуктов его переработки, конечного продукта); У - размер ущерба от загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления; З_п - полные затраты на безотходное производство.

Таблица 12.1 - Эффективность капитальных вложений в безотходное производство

Показатель	Вариант
	1	2	3	4
Коэффициент использования сырья КИ. Затраты на получение товарной продукции, усл. ед./год:	0,80	0,85	0,90	0,95
текущие (С)	0,80	0,82	0,84	0,87
капитальные (К)	0,75	0,90	1,10	1,30
Выход готовой продукции Т, %	100	105	110	117
Выброс токсичных веществ в окружающую среду В, %	100	70	40	25
Ущерб от загрязнения окружающей среды отходами производства У*, усл. ед./год	0,15	0,09	0,06	0,03
Эффект потребления дополнительно товарной продукции Э*пот		0,05	0,07	0,08
Эффект сокращения затрат на добычу сырья Э*д	-	0,01	0,02	0,03
Коэффициент эффективности капитальных вложений, рассчитанный:
по реализации производства Экп	0,27	0,21	0,16	0,10
по народнохозяйственной эффективности Энх	0,066	0,105	0,109	0,104
*В грн/грн товарного продукта

При наличии нескольких вариантов безотходного производства должен быть выработан вариант с максимальным коэффициентом абсолютной экономической эффективности при равных затратах.

Рассмотрим эффективность капитальных вложений в безотходное производство одного из химических продуктов. Расход исходного сырья во всех вариантах принят одинаковым. Из сравнения показателей видно, что коэффициент использования сырья и исходных продуктов возрастает от 0,80 в первом варианте до 0,95 в четвертом. В качестве коэффициента использования здесь принято отношение массы готового продукта к массе сырья и исходных продуктов. Текущие затраты на получение продукции возрастают незначительно, однако капитальные затраты увеличиваются на 75 %.

Внедрение малоотходного производства увеличивает выход готовой продукции во втором варианте на 5 %, в четвертом - на 17 %. Выброс токсичных веществ значительно сокращается, соответственно снижается и экономический ущерб от выбросов в окружающую среду. Дополнительная продукция, произведенная в результате более полного использования исходного сырья, создает эффекты от ее потребления и сокращения затрат на добычу сырья.

Эффективность капитальных вложений в безотходные производства Э определялась по уравнению

,

где Ц - цена продукции; С - себестоимость продукции (текущие затраты); К - капитальные затраты по одному из вариантов.

Из сравнения вариантов видно, что по мере повышения степени извлечения ценных компонентов из исходного сырья, уменьшения выбросов в окружающую среду, снижения ущерба абсолютная экономическая эффективность рассматриваемых производств с позиций отрасли предприятия снижается. Согласно существующей методике расчета из рассматриваемых вариантов для отрасли наилучшим будет первый, так как у него наивысший коэффициент эффективности Э_кл = 0,27. С позиций народного хозяйства наиболее предпочтителен третий вариант (Э_нх = 0,109).

3. Сточные воды промышленных предприятий и методы их очистки

Промышленные сточные воды можно классифицировать по происхождению, т. е. по отраслям промышленности, по характеру технологических процессов, по фазово-дисперсному признаку и по составу. В таблице 12.2 показаны отрасли промышленности, сточные воды которых содержат наибольшее количество примесей, опасных для живой природы.

Таблица 12.2 - Основные токсические примеси в промышленных стоках

Происхождение сточных вод	Основные токсические примеси
Нефтеперерабатывающая промышленость	Нафтеновые кислоты, нефтепродукты, фенолы, сульфиды (H2S), хлориды, сульфаты, ПАВ, органические взвеси
Коксохимическая промышленность	Фенолы, сероводород, смолы, углеводороды, тиоцианиды, аммиак, цианиды, органические взвеси
Целлюлозно-бумажная промышленность	Меркаптаны, сульфиды, спирты, альдегиды, кетоны, органические взвеси
Производство синтетических полимеров и пластмасс	Стирол, акрилонитрил, акрилаты, сульфаты, фенолы, ароматические углеводороды, альдегиды, спирты, циклогексан, органические кислоты, взвеси и др.
Производство синтетического каучука	Бутилен, бутадиен, ацетон, органические кислоты и их соли, ацетонитрил, аммиак, альдегиды, спирты, углеводороды и др.
Производство экстракционной фосфорной кислоты и фосфорных удобрений	Серная, фосфорная, кремнефтористоводородная кислоты, соединения фтора, хлороводород
Хлорная промышленность	Ртуть, хлор, хлориды

Из таблицы 12.2, в которой приведены лишь выборочные данные, видно, что в промышленных сточных водах может содержаться большое количество неорганических и органических соединений. Однако и в тех количествах, которые допускаются санитарными нормами (ПДК), токсичные вещества отравляют и засоряют гидросферу.

Из таблицы 12.3 видно, что по составу сточные воды делят на две группы:

1) содержащие неорганические примеси, в том числе токсичные;

2) содержащие органические примеси, в том числе токсичные.

Таблица 12.3 - Предельно допустимые концентрации некоторых соединений в водоемах

Соединение	ПДК, мг/м3	Соединение	ПДК мг/м3
Неорганические вещества
1	2	3	4
Кислоты (H2SО4, HNO3, НСl)	30	Сульфиды	0,1
Мышьяк и его соединения	0,05	Фтор и его соединения	1,5 Мышьяк и
Соединения ртути (II)	0,005	Хлор свободный	Отсутствие
Цианиды	0,1
Органические вещества
Бензол	0,5	Стирол	0,1
Ксилолы	0,05	Толуол	0,5
Меркаптаны	0,01	Фенол	0,002
Нефть и нефтепродукты	0,05	Хлорбензол	0,1
Смолы	20-50	Формальдегид	0,5

Сточные воды, содержащие органические примеси, оказывают особо вредное влияние на биосферу. Вредное воздействие органических примесей промышленных стоков на водоемы и прилегающие к ним районы весьма разнообразно и оценивается, в частности, химическим и биохимическим потреблением кислорода. Органические примеси, попадая в водоемы, связывают растворенный в воде кислород на различные окислительные процессы и в первую очередь на аэробное биологическое разложениепримесей.

Таким образом, сброс стоков, содержащих органические вещества, приводит к дефициту кислорода, необходимого для существования живых организмов и растений в водоемах.

Косвенными показателями загрязненности сточных вод (и водоемов) органическими веществами служат окисляемость или химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кислорода (БПК).

Под ХПК понимают массу кислорода (мг), необходимую для окисления 1 мг вещества в СO₂, Н₂O, NO₃ или для окисления органических примесей, содержащихся в 1 дм³ воды.

Для определения ХПК применяется стандартная методика, по которой в качестве окислителя используется дихромат калия К₂Сr₂О₇ при наличии катализатора - сульфата серебра. БПК - главный показатель загрязненности воды органическими примесями, а также эффективности очистки воды.

Под БПК понимают содержание кислорода (мг/дм³), израсходованного за определенный промежуток времени на аэробное биохимическое окисление (разложение) нестойких органических веществ, содержащихся в воде.

В зависимости от периода времени, за которое определяют БПК, различают БПК₅ (за пять суток), БПК₁₀ (за десять суток) и т. д. вплоть до БПК_полн (полное), когда все биологически окисляемые вещества разложились микроорганизмами.

Выбор метода очистки сточных вод зависит прежде всего от характера примесей. Наиболее часто употребляемые приемы очистки сточных вод можно объединить в такие группы:

1) для очистки от суспензированных и эмульгированных примесей - отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование (для грубодисперсных частиц); коагуляция, флотация, электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц);

2) для очистки от неорганических соединений - дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы;

3) для очистки от органических соединений - экстракция, абсорбция, флотация, ионообмен, реагентные методы (регенерационные методы); биохимическое окисление, жидкофазное окисление, парофазное окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление (деструктивные методы);

4) для очистки от газов и паров - отдувка, нагрев, реагентные методы;

5) для уничтожения вредных веществ - термическое разложение.

Существующие методы очистки сточных вод по ихосновному принципу разделяют на механические, физико-химические, биологические и термические. Ввиду многочисленности примесей и их сложного состава методы очистки сточных вод, как правило, применяются комплексно.

В таблице 12.4 приведена сравнительная эффективность методов очистки сточных вод.

Таблица 12.4 - Эффективность методов очистки сточных вод

Метод очистки	Удаляемая примесь	Степень очистки, %
Биохимическая очистка:	Органические соединения, нефтепродукты
- одноступенчатая		55-90
- двухступенчатая		93-99
Отгонка	Аммиак	85-95
Ионообмен	Азот - и фосфорсодержащие соединения	80-92
Электродиализ	Растворенные вещества	10-40
Адсорбция углем	Органические соединения	90-98
Фильтрация	Взвешенные вещества	60-90
Обратный осмос	Растворенные вещества	65-95
Дистилляция	То же	90-98

Как видно из таблицы 12.4, для очистки сточных вод в большинстве случаев используются типовые процессы химической технологии (или их сочетание).

Механические методы очистки включают в основном отстаивание, осветление и фильтрацию. Эти наиболее доступные приемы очистки от крупнодисперсных взвесей применяются как первая стадия в общей схеме очистки сточных вод. Для этих операций применяют типовое оборудование - отстойники, решетки, фильтры. Центробежную очистку от грубых взвесей проводят главным образом в гидроциклонах различных типов.

Физико-химические методы применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных веществ. Это флотация, коагуляция и флокуляция, экстракция растворителями, дистилляция и ректификация, адсорбция, обратный осмос и др.

Флотация применяется для очистки от грубо- и мелкодисперсных взвесей. Принцип флотационной очистки так же, как и при обогащении твердого сырья, заключается в образовании комплексов частица - пузырек воздуха, всплывании пузырьков и удалении образовавшегося слоя насыщенной примесями пены с поверхности воды.

Для очистки стоков от мелкодисперсных и коллоидных примесей используют их удаление с помощью коагулянтов и флокулянтов, а также другие приемы, например электрокоагуляцию, т. е. электролиз с растворимыми катодами, выполненными из металлов (алюминия и железа), служащих коагулянтами. Коагуляцию осуществляют непосредственно после удаления крупных взвесей.

Для очистки от растворенных примесей применяют обратный осмос, ультрафильтрацию, электродиализ, ионный обмен, абсорбцию, экстракцию, радиационно-химический метод.

Обратный осмос (гиперфильтрация) - это процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны, поры которых диаметром около 1 нм пропускают молекулы воды, но непроницаемы (или полупроницаемы) для гидратированных ионов солей или недиссоциированных молекул.

Ультрафильтрация - разделение растворов, содержащих высокомолекулярные соединения, мембранами, поры которых имеют диаметр 5-200 нм.

Гиперфильтрацию производят с помощью полимерных мембран - ацетилцеллюлозных, полиамидных и др. При фильтрации через мембрану должно быть приложено давление, превышающее осмотическое; наиболее высокое рабочее давление применяется при гиперфильтрации солевых растворов, обладающих высоким осмотическим давлением, и составляет 5-10 МПа при концентрации солей 20-30 г/дм³.

...