Основы промышленной экологии

Интенсивность работы мембран определяют по формуле,

,

а их селективность выражают в процентах и рассчитывают по формуле

где V_ф - объем фильтрата; F - рабочая поверхность мембраны; ф - время фильтрации; с_исх и c_ф - концентрация компонента в исходном растворе и фильтрате.

Для очистки стоков химических, целлюлозно-бумажных, нефтехимических заводов методы гипер- и ультрафильтрации конкурентоспособны с традиционными способами и перспективны, так как энергозатраты сравнительно невелики (причем энергия может быть регенерирована), установки просты и компактны; высока селективность мембран, достигающая 99 % и обеспечивающая получение чистой воды, которую можно возвратить в оборотную систему водоснабжения.

Сконцентрированные в мембранных фильтрах примеси - соли, индивидуальные органические соединения могут быть утилизированы.

Электродиализ применяется для опреснения воды, т. е. для удаления растворенных минеральных солей, кислот, щелочей, а также радиоактивных веществ из сточных вод. Это процесс разделения ионов неорганических соединений, проводимый в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе) под действием постоянного электрического тока. Электродиализатор (рис. 12.3) разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими чередующиеся концентрирующие и обессоливающие камеры. Под действием постоянного тока катионы в движении к катоду проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь к аноду, проходят анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате, как это показано на рис. 12.3, ионы обоих знаков выводятся из одного ряда камер в смежный ряд камер, т. е. из одного ряда камер выводится концентрированный рассол, а из другого - обессоленная вода.

Рисунок 12.3 - Схема процесса электродиализа: 1 - катод; 2 - подача промывочной воды в катодную камеру; 3, 4 - подача очищаемой воды в рассольные и опреснительные камеры; 5 - подача промывной воды в анодную камеру; 6 - анод; 7 - отвод обессоленной воды; 8 - отвод концентрированного рассола

При очистке сточных вод, содержащих соли кислот и оснований, можно получить в чистом виде и утилизировать эти кислоты и основания. Ионитовые мембраны изготовляют в виде композиций из термопластичного полимерного связующего (полиэтилен, полипропилен) и порошка ионообменных смол, а электроды - из платинированного титана. При производительности электродиализатора 15-20 м³/ч очищаемой сточной воды съем соли за один проход составляет 25-30 % (т. е. степень обессоливания з = 25-30 %). Удельный расход энергии на сепарацию электролита можно рассчитать по формуле

,

где с_н и с_к - солесодержание исходной и очищенной воды; з_э - выход по току; Е - напряжение на электродах; n- число парных камер в аппарате.

В формуле удельного расхода энергии не учтены дополнительный расход энергии на преодоление сопротивлений, обратный перенос ионов и др. Недостаток электродиализа - значительный расход электроэнергии. Физико-химические методы обессоливания сильноминерализованных сточных вод наряду с очищенной водой дают значительные количества концентрированных растворов солей - рассолов и рапы, которые накапливаются в системе замкнутого водооборота. Безотходная технология и экономика производства требуют утилизации этих рассолов с получением твердых солей, кислот или щелочей. В некоторых странах (Япония, США) имеются установки электродиализа для переработки рассолов, полученных при очистке стоков, в твердые соли в виде товарного продукта. С помощью биполярных мембран в установках электродиализа возможно получение из рассолов кислот и щелочей. Другим временным приемом избавления от рассолов, накапливающихся в водооборотных системах, является закачивание их в пласты и скважины на нефтепромыслах для поддержания пластового давления.

Ионообменный способ очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси минерального и органического происхождения, получает все большее распространение, так как он позволяет регенерировать ценные вещества и глубоко очищать воду перед ее повторным использованием в оборотных системах водоснабжения. Ионообмен целесообразен как завершающая стадия доочистки и корректировки оборотной воды, а также для полного извлечения и утилизации таких токсичных веществ, как анилин, формальдегид, ртуть и др.

Адсорбционный метод - один из наиболее доступных и эффективных способов глубокой очистки (доочистки) сточных вод от растворенных органических веществ. Применяя активные сорбенты, можно полностью очистить воду от органических примесей даже при весьма малых их концентрациях, когда другие приемы очистки неэффективны.

Сорбентами могут служить мелкодисперсные вещества с развитой поверхностью - опилки, зола, торф, глины, коксовая мелочь. Наиболее эффективные сорбенты - активные угли различных марок. Адсорбцию осуществляют перемешиванием очищаемой воды с сорбентами. Наиболее экономичны многоступенчатые установки с противоточным введением сорбента. Такие установки представляют собой каскад реакторов смешения.

Химические (реагентные) методы применяют главным образом для обезвреживания и удаления неорганических примесей. К реагентным методам относятся нейтрализация кислот и щелочей, переведение ионов в малорастворимые соединения, соосаждение неорганических веществ. Чаще всего применяется нейтрализация кислых стоков основаниями - едкими щелочами, известью, известняком, магнезитом, щелочными отходами. Наиболее широко применяется гидроксид кальция (гашеная известь). Одновременно с нейтрализацией происходит осаждение гидроксидов основных солей и карбонатов соответствующих металлов. Поэтому нейтрализация сопровождается отстаиванием, уплотнением и обезвоживанием полученных осадков. Химические методы очистки стоков характеризуются высокими расходными коэффициентами по реагентам и громоздкой аппаратурой, особенно отстойной. Помимо небольших экономических показателей недостатком реагентного метода является образование новых соединений - осадков, которые приходится направлять в накопители осадков и на шламовые площадки, т. е. дополнительно загрязнять почву и занимать земельные участки отвалами.

Радиационно-химический метод очистки сточных вод находится в стадии разработки и внедрения. Исследована радиационно-химическая очистка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности, ряда предприятий химической промышленности (производство пластических масс, синтетических волокон), а также городских сточных вод, прошедших биологическую очистку. Метод основан на радиолизе воды при ее облучении с помощью мощных и эффективных источников облучения - ускоренных электронов. Продукты радиолиза воды - ионы, пероксиды, водород, свободные электроны обладают высокой реакционной способностью по отношению ко многим органическим соединениям - вредным примесям. При определенном уровне поглощенной энергии возможна либо полная деструкция органических соединений до диоксида углерода и воды, либо трансформация в нетоксичные или менее токсичные вещества.

В особую группу химических методов следует выделить хлорирование и озонирование сточных вод, содержащих органические примеси, а также цианиды и дурно пахнущие неорганические вещества. Хлорирование и озонирование наиболее часто применяют для доочистки и обеззараживания питьевой воды на городских водопроводных станциях.

Биологическая очистка - крупномасштабный и наиболее распространенный способ очистки промышленных и хозяйственно-бытовых стоков. Метод основан на биологическом окислении органических и некоторых неорганических веществ в результате деятельности микроорганизмов, использующих примеси сточных вод как питательный субстрат, образуя при этом безвредные продукты окисления - воду, диоксид углерода, нитрат- и сульфат-ионы, а также биологическую массу (активный ил), включающую различные группы бактерий. Характеристикой глубины распада органических соединений при биологической очистке служит соотношение БПК/ХПК. Чем глубже происходит биологическое окисление данной примеси, тем выше этот показатель. Удовлетворительно окисляются те вещества, для которых БПК/ХПК ? 0,6, например альдегиды, органические спирты, кислоты, анилины, этилацетат и др.

Биологическая очистка требует строгого соблюдения технологического режима, так как жизнедеятельность и достаточно высокий КПД микроорганизмов возможны только в определенных условиях - при температуре 30-40 °С и рН 5,5-8,5; при нормальной концентрации веществ, оказывающих вредное действие на микроорганизмы. Предельно допустимые концентрации (ПДК) отдельных веществ в смеси бытовых и сточных вод перед биологической очисткой (мг/дм³) следующие: фенол - 1000; формальдегид - 25; синтетические ПАВ (биологически разлагаемые) - 20-50; метанол - 5000; цианиды - 1,5; сульфиды - 1; ионы тяжелых металлов (Zn, Ni, Co) - 0,5-1; ртуть - 0,005; минеральные соли - не более 10 г/дм³.

Некоторые органические вещества, например «биологически жесткие» ПАВ, не подвержены биологическому окислению и их следует удалять перед биологической очисткой другими приемами, например адсорбцией. При концентрации примесей, превышающей ПДК биологической очистки, сточные воды соответственно разбавляют перед направлением их в очистную аппаратуру.

Существуют два основных приема биологической очистки сточных вод: аэробный - при непрерывном притоке кислорода воздуха и анаэробный - при отсутствии кислорода. Универсален и повсеместно распространен аэробный метод, позволяющий достигнуть максимальной скорости биологических очистительных процессов и максимальной эффективности обезвреживания примесей. Анаэробный метод используется как предварительная ступень перед аэробной очисткой для понижения концентрации органических примесей до ПДК. На анаэробную очистку направляют сточные воды с высокой концентрацией неорганических примесей; снижение их концентрации на этой ступени в 10-20 раз создает благоприятные условия для последующей аэробной очистки.

При аэробном методе показатели очистки (скорость окисления w, эффективность очистки з) зависят от температуры, рН, интенсивности перемешивания, концентрации кислорода в воде, содержания токсичных примесей и биогенных элементов (азот и фосфор), степени рециркуляции активного ила и др. Все эти факторы влияют на биологическую деятельность микроорганизмов, населяющих активный ил или биопленку. Активный ил или биопленка образуются в аэробных биологических процессах; эти образования включают различные группы микроорганизмов - аэробов, анаэробов, мезофилов, термофилов и др. Оптимальные условия, отвечающие высокой биологической активности микроорганизмов (аэробных и термофильных) и, следовательно, максимальной мощности очистных сооружений, - достаточное снабжение кислородом (аэрация) до содержания его в воде не менее 1 мг в 1 дм³ и температура около 40 °С.

Перемешивание сточной воды с активным илом, обеспечивающее поддержание ила во взвешенном состоянии, и турбулизация смеси увеличивают скорость биохимического окисления; при перемешивании возрастает скорость лимитирующей стадии массообмена - доставки питательных веществ и кислорода к поверхности микробных клеток. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов при аэробной очистке необходимо достаточное количество биогенных элементов клеточного материала - азота и фосфора. Поэтому в сточные воды вводят биогенные добавки - сульфат и нитрат аммония, карбамид, суперфосфат. При совместной очистке промышленных и бытовых вод потребность в азоте и фосфоре частично или полностью покрывается за счет наличия этих элементов в бытовых водах.

Аэробную биологическую очистку проводят на земледельческих полях орошения, в биологических прудах, биофильтрах, аэротенках и других сооружениях.

Земледельческие поля орошения (ЗПО) - вид очистных сооружений, основанных на очищающих свойствах почвы и почвенной микрофлоры, воздействии воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Сточные воды после механической очистки поступают в накопители и биологические пруды, а затем - на орошение земледельческих полей.

Биологические пруды часто используют для очистки и доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Благодаря небольшой стоимости строительства и эксплуатации, биологические пруды позволяют повысить эффективность и надежность всего комплекса очистки сточных вод. Пруды представляют собой каскад неглубоких (до 1 м) искусственных водоемов с естественной или принудительной аэрацией, через которые с очень малой скоростью протекает очищаемая вода. Органические примеси окисляются с помощью бактерий, а продукты распада усваиваются водными организмами - микроводорослями, водными растениями. Водоросли и планктон улучшают кислородный режим, интенсифицируют процесс окисления и нитрификации. Из-за малой скорости окисления органических примесей время пребывания сточных вод в прудах с естественной аэрацией составляет более 60 сут. В прудах с искусственной аэрацией (механической или пневматической) требуемая степень очистки стоков достигается за 1-3 сут. Однако время полного окисления примесей составляет 10-20 сут. Скорость движения сточных вод в прудах с искусственной аэрацией около 0,1 м/с, и такие пруды имеют значительно меньший объем, чем естественные.

Биологические фильтры (рис. 12.4) представляют собой резервуары, загруженные фильтрующим материалом (насадка), на поверхности которого образуется биопленка, состоящая из микроорганизмов, простейших водорослей и др. Насадкой биофильтров служат прочные пористые материалы - шлаки, щебень, кокс, керамзит, блоки из пластмасс.

Рисунок 12.4 - Схема биофильтров с естественной (а) и принудительной (б) аэрацией: 1 - опорная решетка; 2 - загрузка фильтра; 3 - трубы для подачи сточной воды; 4 - водораспределительные устройства; 5 - воздухопроницаемые стенки фильтра; 6 - лоток для отвода очищенной воды; 7 - гидрозатвор; 8 - трубы для подвода воздуха

Биологическая пленка адсорбирует, а затем окисляет растворенные и взвешенные органические вещества сточной воды, непрерывно протекающей через загрузку фильтра. Биофильтры работают при режиме идеального вытеснения по очищаемой воде. В высокозагруженных биофильтрах и в аэрофильтрах очищаемая вода многократно циркулирует через реактор, и применяется искусственная аэрация с помощью вентиляторов. На рисунке 12.5 приведена схема установки биофильтра с различными направлениями рециркуляции сточной воды. Рециркуляция необходима не только для повышения степени очистки воды, но и для интенсивного вымывания отработанной биопленки (продуктов разложения) с поверхности насадки фильтра.

Рисунок 12.5 - Схема установки биофильтра с рециркуляцией сточных вод: 1 - первичный отстойник; 2 - насос; 3 - биофильтр; 4 - вторичный отстойник; I, II, III - рециркуляция сточной воды; IV - сточная вода на очистку; V - очищенная сточная вода

Эффективность биофильтров зависит от нагрузки по БПК, параметров насадки, скорости протекания воды, равномерности распределения сточных вод по загрузке фильтра, температуры стоков и окружающего воздуха, интенсивности аэрации и др. Обычно остаточное БПК после биофильтров составляет 10-25 мг/дм³ (при БПК перед очисткой 150-1500 мг/дм³). Интенсивность работы аэрофильтров ~ 10 м³/(сут•м²), а удельная нагрузка по БПК составляет 2200-2500 мг/дм³. Производительность биофильтров диаметром 6-30 м составляет соответственно 1000-40 000 м³/сут очищаемых сточных вод. Биофильтры принадлежат к труднорегулируемым реакторам и чаще всего используются как вспомогательная ступень очистки в комплексе с другими биологическими сооружениями - биологическими прудами и аэротенками.

Аэротенки - высокопроизводительные и сравнительно легко управляемые реакторы для биологической очистки сточных вод, обладающие сравнительно высокой интенсивностью и окислительной мощностью. Это железобетонные резервуары с непрерывно протекающей сточной водой, во всем объеме которой развиваются микроорганизмы (активный ил). В аэротенк непрерывно подается и равномерно распределяется воздух, для диспергирования которого применяются различные устройства - перфорированные (фильтровальные) пластины, дырчатые трубки, форсунки, аэраторы со съемными диффузорами из пористого пластика.

Системы аэрации предназначены для снабжения реакционной смеси воздухом, а также для поддержания активного ила во взвешенном состоянии. Концентрация кислорода, растворенного в реакционной среде, должна быть не менее 2 г/м³. Применяют аэротенки с пневматической, пневмомеханической, механической и эжекционной системой аэрации и перемешивания.

Аэротенки, работающие при режиме идеального вытеснения по очищаемой воде (рис. 12.6), представляют собой соединенные между собой коридоры, оборудованные системой аэрации. Как в любом реакторе вытеснения, в аэротенке-вытеснителе все параметры процесса меняются по длине реактора, потребление кислорода неравномерно и для наилучшего развития и КПД микроорганизмов требуется создавать различные условия (например, различную интенсивность аэрации) на каждой ступени. Длина коридоров 20-100 м, а их рабочая глубина - 3,5 м.

Рисунок 12.6 - Схема коридорного аэротенка идеального вытеснения: I - циркуляционный активный ил; II - очищенная сточная вода; III - воздух; IV - иловая смесь в отстойник

Аэротенки-смесители (рис. 12.7), работающие при режиме, близком к полному смешению, - сооружения с пневматической или механической аэрацией; поступающая в реактор сточная вода мгновенно перемешивается со всей массой жидкости и активного ила. В аэротенке-смесителе концентрация органических примесей и растворенного кислорода одинакова во всем объеме реактора, и потребление субстрата бактериями также происходит равномерно. Таким образом, аэротенк-смеситель работает при постоянных условиях и высоких нагрузках, но остаточная концентрация примесей в очищаемой воде выше, чем в аэротенках-вытеснителях.

В условиях биологической очистки, как правило, комбинируют аэротенки разных типов - вытеснители, смесители и отстойную аппаратуру. Очистку обычно проводят в несколько ступеней. Аэротенки-смесители целесообразны на первой ступени очистки для быстрого окисления основной массы примесей и облегчения работы последующих очистных реакторов.

Рисунок 12.7 - Схема аэротенков-смесителей с пневматической аэрацией (а) и с механической аэрацией (б): 1 - отделение дегазации; 2 - трубопровод для подачи сжатого воздуха; 3 - пневматический аэратор; 4 - зона аэрации; 5 - механический центробежный аэратор; 6 - стабилизатор потока; 7 - зона отстаивания; I - выход очищенной воды; II - сточные воды на очистку; III - отвод избыточного ила

Скорость биологических окислительных процессов и, следовательно, интенсивность реакторов невелики; одна из наиболее медленных стадий очистки в аэротенках - растворение кислорода воздуха в воде. Для интенсификации биологической очистки начали применять аэрирование сточных вод кислородом в герметически закрытых аэротенках (окситенках). Этот прием позволяет повысить окислительную мощность аэротенков до 5 кг/(м³сут).

При биологической очистке происходит непрерывный прирост биологической массы, в частности, активного ила аэротенков. Избыточный активный ил, а также осадки из отстойников подают в уплотнители и затем на обезвоживание и сушку. Подсушенные осадки либо сжигают, либо используют как удобрение в сельском хозяйстве. При использовании в качестве удобрения осадки и активный ил проходят санитарно-гигиеническое обеззараживание химическими реагентами, термическими или радиационными методами (на установках с ускорителями электронов). Разрабатываются новые методы обеззараживания отходов очистных сооружений с применением низкотемпературной плазмы или лазерных лучей. После обезвоживания и обеззараживания осадки из отстойников представляют собой высокоценные органоминеральные удобрения. Обезвреженный активный ил также можно использовать как кормовой концентрат для сельскохозяйственных животных. Биологический метод очистки сточных вод получил широкое распространение благодаря возможности полного окисления и обезвреживания многих примесей, в том числе токсичных, простому аппаратурному оформлению, сравнительно небольшим эксплуатационным расходам. Недостаток метода - малая скорость биологических окислительных процессов, для завершения которых необходимы большие объемы очистных сооружений.

Термический способ обезвреживания сточных вод заключается в полном окислении (сжигании) органических примесей с образованием СO₂, Н₂O, N₂ и зольного остатка. К этим методам относятся: пламенный («огневой»), жидкофазное окисление, парофазное каталитическое окисление. Выбор метода обезвреживания зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и требований к очищенным стокам. По теплотворной способности загрязненные стоки делятся на сточные воды, способные гореть самостоятельно за счет содержащихся в них органических веществ, и воды, термоокислительное обезвреживание которых возможно только с вводом топлива (при теплотворной способности стоков ниже 8400 кДж/кг).

«Огневой метод» обезвреживания сточных вод является универсальным и характеризуется высокой степенью очистки сточных вод (98-99,9 %). В этом методе сточная вода вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные продукты сгорания топлива (900-1000 °С). Вода испаряется, а органические примеси сгорают, образуя продукты полного сгорания (СО₂, Н₂О). Минеральные примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые удаляются из камеры печи.

Недостатком метода является высокий расход топлива на испарение воды и перегрев пара до 900-1000 °С. В связи с этим огневой метод рекомендуется использовать в следующих случаях:

при большом количестве сточных вод, содержащих высокотоксичные органические примеси, обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически невыгодно;

при наличии горючих вторичных энергоресурсов, которые могут быть использованы вместо топлива.

В «огневом методе» используются печи различных типов: камерные, шахтные, циклонные, с псевдоожиженным слоем. Наиболее эффективны циклонные печи (рис. 12.8), в которых благодаря вихревому характеру газового потока интенсифицируется тепло- и массообмен между каплями сточной воды и горячими продуктами сгорания топлива. В этих печах сравнительно просто решается вопрос о выгрузке плава солей. Недостатком циклонных печей является большой унос солевой массы потоком газа.

Рисунок 12.8 -Схема установки для сжигания горючих жидких отходов: 1 - воздуходувка; 2 - питающее устройство; 3 - печь

Рисунок 12.9 -Схема установки огневого обезвреживания сточных вод: 1 - нагнетательный насос; 2 - циклонный реактор; 3 - парогенератор (котел-утилизатор); 4 - струйный аппарат; 5 - циркуляционный насос; 6 - емкость; 7 - каплеотделитель; 8 - дымовая труба

На рисунке 12.9 представлена схема установки огневого обезвреживания сточных вод, включающая циклонный реактор 2,парогенератор (котел-утилизатор) 3 и струйный аппарат 4. Продукты сгорания из реактора поступают в камеру охлаждения парогенератора. Наличие эжектора позволяет исключить дымосос. Циркуляционный насос 5 используется для подачи раствора минеральных веществ из емкости 6 в реактор 2 и в струйный аппарат 4. Пройдя каплеотделитель 7, очищенные газы поступают в дымовую трубу 8 и из нее - в атмосферу. На некоторых установках используют для утилизации тепла водогрейные котлы, водоаммиачные абсорбционные холодильные машины и циклоны для сухой очистки газа от каплеуноса.

Температура продуктов сгорания на выходе из циклона составляет 900-1000 °С.

В процессе обезвреживания сточных вод, содержащих органические соединения серы, хлора, нитросоединения, образуются SO₂, SO_3, Р₂О₅, НCl, Cl₂, (NO)_x. Вещества эти могут взаимодействовать с образованием новых, более токсичных соединений, что необходимо иметь в виду при удалении отходящих газов в окружающую среду.

Метод жидкофазного окисления (мокрого сжигания) состоит в окислении органических примесей сточных вод кислородом воздуха под давлением 15 МПа и при температуре 350 °С. При этих условиях увеличиваются растворимость кислорода в воде и скорость окислительных процессов. При достаточно высоком содержании органических загрязнений (более 6 %) теплоты, выделяющейся при их окислении, достаточно для поддержания температуры на заданном уровне. В таких условиях сточная вода служит топливом, т. е. возможно не только самообеспечение установки энергией, но и использование избыточной энергии на других объектах.

На рисунке 12.10 показана энерготехнологическая схема мокрого сжигания отработанных сульфитных щелоков целлюлозно-бумажного производства, содержащих 6-8 % органических веществ. Сточные воды, нагретые до 150 °С в теплообменнике, вводятся в реактор типа автоклава, куда компрессором подается сжатый воздух. В реакторе происходит полное окисление органических веществ СО₂ и Н₂О.

Парогазовая смесь высокого давления проходит циклоны и паропреобразователи. В циклонах отделяется зола; в паропреобразователях образуется вторичный пар, используемый в паровых турбинах, и конденсат, отделяемый в сепараторах жидкости и вновь направляемый в парообразователи. Теплота парогазовой смеси превращается с помощью паровых турбин в работу, которая передается компрессорам и другим машинам.

Рисунок 12.10 - Энерготехнологическая система мокрого сжигания сульфитных щелоков: 1 - теплообменник; 2 - насос; 3 - реактор мокрого сжигания; 4 - сепаратор; 5 - сгуститель; 6 - перегреватель; 7 - турбина; 8 - компрессор; 9 - генератор; I - сульфитные щелока; II - парогазовая смесь; III - воздух; IV- сжатый воздух; V- отходящий газ; VI- сточные воды без органических примесей; VII- конденсат

Жидкофазное окисление осуществляется как на катализаторах, так и без них. В качестве катализаторов используются металлы (Pt, Pd, Cu, Zn, Mn), нанесенные на оксид алюминия или активированный уголь.

Принципиальная схема установки жидкофазного окисления органических соединений, содержащихся в сточной воде, показана на рис. 12.11.

Загрязненная вода из сборника 1 насосом 2 подается в систему обезвреживания горючих соединений. Вода нагревается в теплообменнике 3 и в печи 4, в которой сжигается природный газ. После отделения воды в сепараторе 6 газы выбрасываются, а очищенная вода охлаждается в теплообменнике 3, нагревая загрязненный поток.

В методе парофазного каталитического окисления используется гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха летучих органических соединений, находящихся в сточных водах. Процесс окисления интенсивно протекает при наличии медно-хромовых, медно-цинковых, медно-марганцевых катализаторов. При высокой температуре (350-400 °С) большинство органических веществ подвергается полному окислению (98,5-99,9 %).

Рисунок 12.11 - Схема установки жидкофазного окисления: 1 - сборник; 2 - насос; 3 - теплообменник; 4 - печь; 5 - реактор; 6 - сепаратор

Применение парофазного окисления наиболее целесообразно в случае вывода технологического потока в виде пара, направляемого в конденсаторы (из выпарных аппаратов, ректификационных колонн, сушильных камер и т. д.). В данном процессе могут быть использованы конструкции реакторов, характерные для гетерогенно-каталитических процессов.

Термические методы неэкономичны, особенно при больших объемах стоков; их применение лимитируется составом стоков и целесообразно лишь при содержании более 6 % токсичных органических примесей, удаление которых другими методами затруднительно, например при наличии биологически неразлагаемых органических веществ.

4. Очистка промышленных газовых выбросов

В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы: а) взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ - пыль, дым; жидкостей - туман; б) газообразные и парообразные вещества.

К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (тумана). Пыль - это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Счетная концентрация (число частиц в 1 см³) мала по сравнению с дымами и туманами. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ.

Промышленная пыль органического происхождения - это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая пыль, сажа и др. К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его деструктивной переработке, а также в результате химических реакций, например при взаимодействии аммиака и хлороводорода, при окислении паров металлов в электрической дуге и т. д. Размеры частиц в дымах намного меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 5 мкм до субмикронных размеров, т. е. менее 0,1 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др. Вторая группа - газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных газовых выхлопах, - гораздо более многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов.

В настоящее время, когда безотходная технология находитсяв периоде становления и полностью безотходных предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами.

При содержании в воздухе нескольких токсичных соединений их суммарная концентрация не должна превышать 1, т. е.

,

где с₁, с₂, ..., с_n - фактическая концентрация загрязнителей в воздухе, мг/м³; ПДК₁, ПДК₂, ...., ПДК_n - предельно допустимая концентрация, мг/м³.

При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда применяют многократное разбавление токсичных веществ или выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания примесей в верхних слоях атмосферы. Теоретическое определение концентрации примесей в нижних слоях атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов связано с законами турбулентной диффузии в атмосфере и пока не полностью разработано. Высоту трубы, необходимую, чтобы обеспечить ПДК токсичных веществ в нижних слоях атмосферы, на уровне дыхания, определяют по приближенным формулам, например:

,

где ПДВ - предельно допустимый выброс вредных примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, г/с; H - высота трубы, м; V - объем газового выброса, м³/с; Дt - разность между температурами газового выброса и окружающего воздуха, °С; А - коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе, с^2/3 - (°С)^1/3; F - безразмерный коэффициент, учитывающий соединение вредных веществ в атмосфере воздуха (для Cl₂, HCl, HF F=1); m - коэффициент, учитывающий уcловия выхода газа из устья трубы, его определяют графически или приближенно по формуле

,

где w_г - средняя скорость на выходе из трубы, м/с; D_т - диаметр трубы, м.

Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб» служит лишь паллиативом, так как не предохраняет атмосферу, а лишь переносит загрязнения из одного района в другие.

В соответствии с характером вредных примесей различают методы очистки газов от аэрозолей и от газообразных и парообразных примесей. Все способы очистки газов определяются в первую очередь физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом и др.

Разнообразие вредных примесей в промышленных газовых выбросах приводит к большому разнообразию методов очистки применяемых реакторов и химических реагентов.

Очистка газов от аэрозолей. Методы очистки по их основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции.

Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся:

1) гравитационное осаждение;

2) инерционное и центробежное пылеулавливание;

3) фильтрация.

В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько приемов очистки от аэрозолей, причем конструкции очистных аппаратов весьма многочисленны.

Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока.

Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Производительность осадительных камер П = Sw₀, где S - площадь горизонтального сечения камеры, или общая площадь полок, м²; w₀ - скорость осаждения частиц, м/с.

Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц диаметром более 50-100 мкм, причем степень очистки составляет не выше 40-50 %. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой очистки газов.

Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей (жалюзи). Газы обеспыливаются выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10- 15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100-400 Па (10-40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70 %.Инерционный метод можно применять лишь для грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода - быстрое истирание или забивание щелей.

Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны) и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает спираль по направлению ко дну конической части и затем устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона на выход. Циклоны характеризуются высокой производительностью по газу, простотой устройства, надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более 20 000 м³/ч), степень очистки составляет около 90 % при диаметре частиц d>30мкм. Для частиц с d = 5-30 мкм степень очистки, снижается до 80 %, а при d = 2-5 мкм она составляет менее 40 %. Диаметр частиц, улавливаемых циклоном на 50 %, можно определить по эмпирической формуле:

,

где µ - вязкость газа, Па с; D_ц - диаметр выходного патрубка циклонов, м; N_об - эффективное число оборотов газа в циклоне; w_г - средняя входная скорость газа, м/с; с_ч, с_г - плотность частиц и газа, кг/м³.

Гидравлическое сопротивление высокопроизводительных циклонов составляет около 1080 Па. Циклоны широко применяют при грубой и средней очистках газа от аэрозолей. Другим типом центробежного пылеуловителя служит ротоклон, состоящий из ротора и вентилятора, помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентилятора, вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник пыли.

Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика, металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др.). Наиболее часто для фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые материалы - стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом, асбоцеллюлозу. В зависимости от фильтрующего материала различают тканевые фильтры (в том числе рукавные), волокнистые, из зернистых материалов (керамика, металлокерамика, пористые пластмассы). Тканевые фильтры, чаще всего рукавные, применяются при температуре очищаемого газа не выше 60-65 °С. В зависимости от гранулометрического состава пылей и начальной запыленности степень очистки составляет 85-99 %. Гидравлическое сопротивление фильтра ДР около 1000 Па; расход энергии ~ 1 кВт ч на 1000 м³ очищаемого газа. Для непрерывной очистки ткани продувают воздушными струями, которые создаются различными устройствами - соплами, расположенными против каждого рукава, движущимися наружными продувочными кольцами, и др. Сейчас применяют автоматическое управление рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого воздуха.

Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой эффективностью; степень очистки 99,5-99,9 % при скорости фильтруемого газа 0,15-1 м/с и ДР = 500-1000 Па.

На фильтрах из стекловолокнистых материалов возможна очистка агрессивных газов при температуре до 275 °С. Для тонкой очистки газов при повышенных температурах применяют фильтры из керамики, тонковолокнистой ваты из нержавеющей стали, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузкам, однако их гидравлическое сопротивление велико - 1000 Па.

Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее преимущества - сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации - высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.

Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров является наиболее распространённым приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. В аппаратах мокрой очистки применяют различные приемы развития поверхности соприкосновения жидкости и газа.

Башни с насадкой (насадочные скрубберы) отличаютсяпростотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в работе, малым гидравлическим сопротивлением (ДР = 300-800 Па) и сравнительно малым расходом энергии. В насадочном скруббере, возможна очистка газов с начальной запыленностью до 5-6 г/м³. Эффективность одной ступени очистки для пылей d > 5 мкм не превышает 70-80 %. Насадка быстро забивается пылью, особенно при высокой начальной запыленности.

Орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) применяют для очистки больших объемов газа. Они имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление - 400-850 Па. Для частиц размером 2-5 мкм степень очистки составляет ~ 50 %. Центробежные скрубберы высокопроизводительны благодаря большой скорости газа; во входном патрубке w_г = 18-20 м/с, а в сечений скруббера w_г = 4-5 м/с.

Пенные аппараты применяют для очистки газа от аэрозолей полидисперсного состава. Интенсивный пенный режим создается на полках аппарата при линейной скорости газа в его полном сечении 1-4 м/с. Пенные газоочистители обладают высокой производительностью по газу и сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением (ДР одной полки около 600 Па). Для частиц с диаметром d > 5 мкм эффективность их улавливания на одной полке аппарата 90 - 99 %; при d < 5 мкм з = 75-90 %. Для повышения з устанавливают двух- и трехполочные аппараты.

Скрубберы Вентури - высокоинтенсивные газоочистные аппараты, но работающие с большим расходом энергии. Скорость газа в сужении трубы (горловине скруббера) составляет 100-200 м/с, а в некоторых установках - до 1200 м/с. При такой скорости очищаемый газ разбивает на мельчайшие капли завесу жидкости, впрыскиваемой по периметру трубы. Это приводит к интенсивному столкновению частиц аэрозоля с каплями и улавливанию частиц под действием сил инерции. Скруббер Вентури - универсальный малогабаритный аппарат, обеспечивающий улавливание тумана на 99-100 %, частиц пыли с d = 0,01-0,35 мкм - на 50-85 % и частиц пыли с d =0,5-2 мкм - на 97 %. Для аэрозолей с d = 0,3-10 мкм эффективность улавливания определяется в основном силами инерции иможет быть оценена по формуле

,

где К - константа; L - объем жидкости, подаваемой в газ, дм³/м³; ш - инерционный параметр, отнесенный к скорости газа в горловине; при з = 90 % ш является однозначной функцией перепада давления в скруббере.

Главный дефект скруббера Вентури - большой расход энергии по преодолению высокого гидравлического сопротивления, которое в зависимости от скорости газа в горловине может составлять 0,002-0,013 МПа. Помимо того аппарат не отличается надежностью в эксплуатации, управление им сложное.

Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей - это образование больших объемов жидких отходов (шлама). Таким образом, если не предусмотрены замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т. е. из атмосферы в водоемы.

Электростатическая очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных электродах. Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускается очищаемый газ. Между осадительнымиэлектродами подвешены проволочные коронирующие электроды, к которым подводится напряжение 25-100 кВ. Теоретическое выражение для степени улавливания аэрозолей в трубчатых электрофильтрах имеет вид

,

,

где и - скорость дрейфа частиц к электроду; l - длина электрода; r - радиус осадительного электрода; w_г - скорость очищаемого газа.

На рисунке 12.12 приведены идеальные кривые зависимости степени улавливания аэрозолей в электрофильтре от размеров частиц. Кривые на рис. 12.12 отвечают разным значениям произведения рЕЕ₀,где р - коэффициент, который для непроводящих частиц принимается в диапазоне р = 1,5-2, для проводящих частиц р = 3; Е - напряженность электрического поля; E₀ - критическое значение напряженности поля. Фактическая зависимость степени улавливания аэрозолей з от диаметра частиц d для промышленных электрофильтров определяется экспериментально. Очистка осложнена прилипанием частиц к электроду, аномальным (пониженным) сопротивлением слоя пыли на электродах.

Рисунок 12.12 - Кривые зависимости степени улавливания пыли в электрофильтре от размеров частиц

При очистке от пыли сухих газов электрофильтры могут работать в широком диапазоне температур (от 20 до 500 °С) и давлений. Их гидравлическое сопротивление невелико - 100-150 Па. Степень очистки от аэрозолей выше 90 %, достигая 99,9 % на многопольных электрофильтрах при d >1 мкм. Недостатки этого метода - большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный расход энергии на создание электрического поля. Расход электроэнергии на электростатическую очистку - 0,1-0,5 кВт на 1000 м³ очищаемого газа.

Звуковая и ультразвуковая коагуляция, а также предварительная электризация пока мало применяются в промышленности и находятся в основном в стадии разработки. Они основаны на укрупнении аэрозольных частиц, облегчающем их улавливание традиционными методами. Аппаратура звуковой коагуляции состоит из генератора звука, коагуляционной камеры и осадителя. Звуковые и ультразвуковые методы применимы для агрегирования мелкодисперсных аэрозольных частиц (тумана серной кислоты, сажи) перед их улавливанием другими методами. Начальная концентрация частиц аэрозоля для звуковой коагуляции должна быть не менее 2 г/м³ (для частиц d = l-10 мкм).

Коагуляцию аэрозолей методом предварительной электризации производят, например, пропусканием газа через электризационную камеру с коронирующими электродами, где происходят зарядка и коагуляция частиц, а затем через мокрый газоочиститель, в котором газожидкостный слой служит осадительным электродом (рис. 12.13). Осадительным электродом может служить пенный слой в пенных аппаратах, слой газожидкостной эмульсии в насадочных скрубберах и других мокрых газопромывателях, в которых решетки или другие соответствующие детали должны быть заземлены.

Рисунок 12.13 - Схема мокрого пылеулавливания с предварительной электризацией: 1 - камера электризации; 2 - коронирующий электрод; 3 - пенный аппарат; 4 - газожидкостный (пенный) слой; 5 - заземленная решетка; І - очищаемый газ; ІІ - вода; ІІІ - очищенный газ; ІV - слив шлама

Очистка газов от парообразных и газообразных примесей

Газы в химической промышленности обычно загрязнены вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на химических заводах для технологических и санитарных (экологических) целей. Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы:

1) адсорбция жидкостями;

2) адсорбция твердыми поглотителями;

3) каталитическая очистка.

В меньших масштабах применяются термические методы сжигания (или дожигания) горючих загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с сухими поглотителями и окисление примесей озоном.

Абсорбция жидкостями применяется в промышленности для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НСl, HF, H₂SO₄), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.).

Абсорбционные методы служат для технологической и санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости (физическая абсорбция) или на избирательном извлечении примесей химическими реакциями с активным компонентом поглотителя (хемосорбция).

Абсорбционная очистка - непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла очистки.

При физической абсорбции (и в некоторых хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят нагреванием и снижением давления, в результате чего происходят десорбция поглощенной газовой примеси и ее концентрирование (рис. 12.14).

Показатели абсорбционной очистки: степень очистки (КПД) и коэффициент массопередачи kзависят от растворимости газа в абсорбенте, технологического режима в реакторе (w, T, р)и от других факторов, например от равновесия и скорости химических реакций при хемосорбции.

В хемосорбционных процессах, где в жидкой фазе происходят химические реакции, коэффициент массопередачи увеличивается по сравнению с физической абсорбцией. Большинство хемосорбционных процессов газоочистки обратимы, т. е. при повышении температуры поглотительного раствора химические соединения, образовавшиеся при хемосорбции, разлагаются с регенерацией активных компонентов поглотительного раствора и с десорбцией поглощенной из газа примеси.

Рисунок 12.14 - Схема установки для абсорбционно-десорбционного метода разделения газов: 1 - абсорбер; 2 - десорбер; 3 - теплообменник; 4 - холодильник

Этот прием положен в основу регенерации хемосорбентов в циклических системах газоочистки. Хемосорбция в особенности применима для тонкой очистки газов при сравнительно небольшой начальной концентрации примесей. Абсорбенты, применяемые в промышленности, оцениваются по следующим показателям:

1) абсорбционная емкость, т. е. растворимость извлекаемого компонента в поглотителе в зависимости от температуры и давления;

2) селективность, характеризуемая соотношением растворимостей разделяемых газов и скоростей их абсорбции;

3) минимальное давление паров во избежание загрязнения очищаемого газа парами абсорбента;

4) дешевизна;

5) отсутствие коррозирующего действия на аппаратуру.

В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, оксидов марганца и магния, сульфат магния и др. Очистная аппаратура аналогична уже рассмотренной аппаратуре мокрого улавливания аэрозолей. Наиболее распространен насадочный скруббер, применяемый для очистки газов от диоксида серы, сероводорода, хлороводорода, хлора, оксида и диоксида углерода, фенолов и т. д. В насадочных скрубберах скорость массообменных процессов мала из-за малоинтенсивного гидродинамического режима этих реакторов, работающих при скорости газа w_г = 0,02-0,7 м/с. Объемы аппаратов, поэтому велики и установки громоздки.