Решетько М.В. Рациональное природопользование. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Методы осаждения основаны на обменных ионных реакциях с об-

разованием малорастворимых в воде веществ, выпадающих в виде осад-

ков. Они особенно эффективны при нейтрализации нерадиоактивных тя-

желых металлов (Cr, Pb, Hg, Cd) и радионуклидов в грунте. В почве по-

сле ее обработки фиксируется более 90 % указанных элементов.

Технологии комплексообразования используют для связывания

(Иммобилизации) тяжелых металлов,

полициклических и ароматиче-

ских углеводородов, хлорорганики, нефте- и радиоактивных отходов.

Комплексообразователями служат неорганические вяжущие типа порт-

ландцемента, зольных, силикатов калия и натрия (жидкое стекло), из-

вести, бентонита и др. Недостаток метода – невысокая стойкость неко-

торых комплексообразователей к воздействию атмосферной и грунто-

вой влаги, изменению температурного режима, приводящая к разруше-

нию композиционного

материала [11].

Эти и другие способы химической переработки твердых отходов

нашли широкое применение при стабилизации, очистке и восстановле-

нии почв.

Физико-химические процессы и основанные на них методы явля-

ются пограничными между физическими и химическими, образуя сово-

купность взаимосвязанных физических и химических превращений,

протекающих в вещественной субстанции. Однако, в отличие от

хими-

ческих методов, значительное влияние на изменение свойств системы

при протекании физико-химических процессов оказывают внешние ус-

ловия (давление, объем, температура и др.), в которых они реализуются.

При этом могут существенно изменяться поверхностные, межфазные

свойства, развиваются другие явления смешанного (физического и хи-

мического) характера. Физико-химические процессы переработки отхо-

дов широко

применяются в индустриальных технологиях металлургии,

основных химических производств, органического синтеза, энергетики

и особенно в природоохранных технологиях (пыле- и газоулавливание,

очистка сточных вод и т. п.). В утилизационных способах они образуют

наиболее представительную группу методов, используемых в основном

не столько для переработки и утилизации, сколько для обезвреживания

промышленных и бытовых отходов.

В этом плане можно назвать мето-

ды коагуляции и флокуляции, экстракции, сорбции, ионного обмена,

флотации, ультрафиолетового излучения, радиационного воздействия и

другие.

Биохимические процессы представляют собой химические пре-

вращения, протекающие с участием субъектов живой природы, выпол-

няющих роль биологического катализатора. Они основаны на способно-

сти различных штаммов микроорганизмов разлагать и/или усваивать

многие органические соединения. Биохимические превращения состав-

ляют основу жизнедеятельности живых организмов растительного и

животного мира. Продуктом этих превращений являются вещества не-

живой природы. На использовании биохимических превращений по-

строены многие технологии, например методы переработки сельскохо-

зяйственной продукции, а также отходов с получением биогаза, биоме-

таллургии, очистки сточных вод и др.

Реальные

технологии редко могут быть сведены только к какому-

либо одному виду превращений. Как правило, имеют место комбиниро-

ванные процессы, являющиеся сочетанием двух и более типов превра-

щений, один из которых может быть преобладающим [11].

2.4.3. Обращение с твердыми коммунально-бытовыми отходами

Количество образующихся твердых коммунально-бытовых отходов

(ТБО) в России на

сегодняшний день составляет 35-40 млрд.т/год (или

175-200 млрд.м

). Удельное образование коммунальных отходов в

крупных городах составляет от 300 до 500 кг на каждого жителя еже-

годно. Типичная схема обращения с отходами в наших населенных

пунктах – это сбор неразделенных отходов и захоронение на полигонах

или на несанкционированных свалках. Так, в Санкт-Петербурге – ог-

ромном мегаполисе с широкими возможностями – перерабатывается

лишь 1/6 часть

всех образующихся ТБО.

Захоронение ТБО на полигонах потому является самым распро-

страненным способом их переработки, что кажется самым дешевым.

Однако полигон является мощнейшим источником загрязнения окру-

жающей среды. Воздействие полигона сопровождается смещением эко-

логического равновесия, размножением синантропных животных, обсе-

мененностью патогенными микроорганизмами. Даже построенный по

всем правилам полигон представляет санитарно-эпидемиологическую

опасность. При этом следует помнить, что контроль за соблюдением

требований природоохранного законодательства ужесточается, а «пра-

вильное» захоронение отходов требует значительных затрат.

Полигон должен иметь качественную гидроизоляцию, а также сис-

тему сбора и обезвреживания выделяющегося из отходов фильтрата,

основные химические и органолептические показатели которого пре-

вышают предельно допустимые от десятков до

тысяч раз. Попадание в

природные воды такого фильтрата может обернуться экологической

катастрофой.

Основные затраты на содержание полигона начинаются тогда, ко-

гда складирование отходов завершено. Свалка «живет» долгие годы.

Выделение газов из толщи отходов начинается вскоре после ее создания

и достигает максимума спустя 25–30 лет, после чего газ идет еще около

полувека, т. е. разложение отходов с выделением газов длится не менее

75 лет. Среди выделяющихся газов многие имеют сильный неприятный

запах (сероводород, меркаптаны, аммиак, летучие амины). Наиболее

значительно выделение не имеющего запаха метана, концентрация ко-

торого достигает промышленных значений, а «

парниковое» влияние в

30 раз выше, чем углекислого газа. Например, образующиеся в Санкт-

Петербурге за год бытовые отходы, если их полностью захоранивать на

полигонах, дадут со временем 30–40 тыс. тонн метана. В некоторых ев-

ропейских странах на полигонах монтируют системы сбора метана, ко-

торый затем сжигают в факеле или на энергетической установке

в каче-

стве топлива, в зависимости от концентрации метана. Однако подобные

системы стоят недешево как при сооружении, так и при эксплуатации.

В связи с выделением метана и других горючих газов свалки представ-

ляют значительную пожарную опасность.

Выведенный из эксплуатации полигон ТБО продолжает представ-

лять не меньшую опасность для природы и человека

, чем действующий.

Его водосборные и водоотводные системы должны поддерживаться в

рабочем состоянии. Территорию полигона рекультивируют. Однако

строить на этой территории массивные сооружения, в т. ч. жилые дома,

нельзя. Таким образом, земельные угодья, занятые под полигоны ТБО,

выпадают из хозяйственного оборота как минимум на полвека.

Итак, стоимость земель, отведенных под свалки

и таким образом

надолго выведенных из хозяйственного использования, стоимость про-

тивопожарных мероприятий, стоимость обустройства свалок после их

закрытия, стоимость контроля за состоянием этих объектов, негативное

влияние свалочных масс на природу и человека – все это должно учи-

тываться при определении стоимости захоронения ТБО на свалках.

С учетом упомянутых факторов использование свалок оказывается

да-

леко не самым дешевым способом избавляться от отходов. Например, в

Германии стоимость захоронения равна стоимости сжигания и состав-

ляет 110–130 евро/т.

В странах Европейского союза с 1 июля 2005 г. законодательно за-

прещено депонировать на полигонах биоразлагаемые отходы (в т. ч.,

ТБО), не подвергнутые предварительной механо-биологической или

термической обработке. В

этой связи в Германии, например, идет нара-

щивание мощностей мусороперерабатывающих предприятий. За по-

следние 10 лет в Германии были построены мусоросжигательные заво-

ды на 3 млн т/год и заводы с механобиологической технологией на

6 млн т/год, что позволило довести мощность мусоросжигательных за-

водов до 18 млн т/год и механо-биологических до 12

млн т/год.

2.4.3.1. Особенности переработки ТБО в России

Таким образом, с одной стороны, очевидно, что увеличение объе-

мов переработки коммунальных отходов является насущной необходи-

мостью и для наших населенных пунктов. С другой стороны, организа-

ция переработки отходов в РФ осложняется целым рядом особенностей.

Особо значимы здесь отсутствие раздельного сбора и наличие свобод-

ных территорий для захоронения отходов. Плотность ТБО

(в контейне-

рах) составляет 0,18–0,22 т/м

. Средняя влажность ТБО составляет

40–55 % (до 60 % в осенний период). Перечислим следующие особенно-

сти российских ТБО:

• коммунальные отходы крайне неоднородны по составу. В том

числе, сезонность состава: в осеннее-зимний период максимальное со-

держание органики, максимальные влажность и плотность. В осеннее-

летний – увеличение содержания пластиков и смета;

• структурная механическая связанность

за счет волокнистых и

влажных фракций;

• слеживаемость (при хранении и транспортировке) с возможным

выделением фильтрата;

• абразивность (фарфор, стекло, камень);

• коррозионное воздействие на металл при длительном контакте

(высокая влажность и содержание различных солей);

• эпизодическое попадание тяжелых, трудно дробимых предметов,

выводящих из строя дробильно-измельчительное оборудование;

• повышенная

влажность (на 15–20 % выше, чем в Европе).

С точки зрения любой переработки отходы – это сырье, которому

необходимо придать свойства, делающие переработку удобной. К ним

следует применять стандартные операции, отработанные в обогащении.

Это сочетание дезинтеграции (дробления) и сепарации (разделения по

различным свойствам – крупности, плотности, форме, магнитным свой-

ствам и т. п.).

Сепарация

может иметь своей целью извлечение ряда ценных ком-

понентов, удаление балластных и опасных компонентов, выделения

фракций, оптимальных для переработки тем или иным методом.

Для различных способов переработки сепарация отходов преследу-

ет разные цели, и соответственно, осуществляется разными способами.

Например, с помощью ручной сортировки можно извлекать значитель-

ный процент ценных компонентов, представленных

крупными фрак-

циями. При сжигании используется механизированная сортировка, ко-

торая преследует цель повышения теплотворной способности, и удале-

ния нежелательных к сжиганию компонентов: металлов, аккумуляторов,

некоторых синтетических материалов. По опубликованным данным,

сортировка перед сжиганием позволяет снизить выбросы ртути и

мышьяка на 70–75 %, свинца – на 40 %.

Способы переработки твердых коммунально-бытовых отходов

классифицируются по нескольким признакам.

1. По типу основного процесса переработки:

• механическая переработка (физические процессы);

• термическая переработка (химические процессы);

• механобиологическая переработка (биохимические процессы);

• прочие (

например, физико-химические: автоклавирование, про-

изводство бетонных изделий из инертной части ТКО и т. п.);

• комплексная переработка.

2. По приоритетной задаче:

• направленные на уничтожение или обезвреживание отходов;

• направленные на утилизацию сырьевого потенциала отходов;

• направленные на утилизацию энергетического потенциала.

Как правило, решается комплексная задача. Соответственно, при

переработке отходов

на выходе процесса получают: обезвреженные от-

ходы для захоронения; вторичное сырье; биологически активный фер-

ментированный материал (компост, грунты); строительные и компози-

ционные материалы; тепло и электроэнергия; вторичное топливо (твер-

дое, жидкое, газообразное).

3. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ

3.1. Общие сведения

Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей,

поступающих от естественных и антропогенных источников. К естест-

венным изменениям загрязнения атмосферы организмы успевают адап-

тироваться. Но на сегодняшний день наблюдается качественно новый

этап – загрязнение атмосферы соединениями, весьма редко встречаю-

щимися или не существующими в природе, в частности аэрозолями тя-

желых, редких

и радиоактивных металлов, синтетическими, канцеро-

генными и бактериологическими веществами.

Основные антропогенные загрязнения атмосферы создает сфера

материального производства. К самым распространенным веществам –

загрязнителям атмосферы относятся оксид углерода, диоксид серы

(29 %), оксиды азота (8 %) и аэрозоли. Среди других техногенных за-

грязнителей следует отметить триоксид серы, сероводород и сероугле-

род, аммиак, галогенсодержащие газы (в том

числе фтористый и хлори-

стый водород), ряд углеводородов, например бензол, толуол,

бенз(а)пирен – всего более 500 соединений, и их количество продолжает

увеличиваться.

Анализ вклада неканцерогенных и канцерогенных веществ в загряз-

нение воздуха показал, что, вопреки ожиданиям, определяющим является

воздействие загрязнителей первой группы. Оно обусловливает до 90 %

смертей, вызванных ухудшением состояния атмосферы. Вклад

канцеро-

генов (бензол, ПВХ, бенз(а)пирен, кадмий, никель и др.) в развитие зло-

качественных новообразований составляет только 1–3 % и не превышает

10 % в общей смертности, определяемой загрязнением воздуха.

Защита атмосферы требует существенных финансовых средств.

В 2000 г. мировые затраты на очистку воздуха составили 197 млрд дол.

Более 50 % из них приходится на химические и

смежные производства.

На угольных ТЭС затраты на очистку достигли 63 млрд дол/год, в том

числе от выбросов N0

~ 5 млрд дол.

Вред, наносимый поступающими в атмосферу промышленными за-

грязнителями, известен: гибель флоры и фауны, снижение урожайности и

качества продукции сельского хозяйства, преждевременное разрушение

жилищ, металлоконструкций промышленных и гражданских сооруже-

ний, изменение климата отдельных регионов и т. д. Наиболее надежным

средством защиты от этого вреда являются способы и аппаратура пыле-

газоулавливания. Так, их использование в США позволило в период с

1990 по 1997 г. снизить выбросы основных загрязнителей воздушного

бассейна на 31 %. За тот же период рост ВВП составил 114 %, народона-

селения – 31, общего километража автомобилей – 127 %, что свидетель-

ствует о возможности совмещения экономического роста государства с

политикой чистой окружающей среды, далее по [11].

3.2. Пылеочистка отходящих газов

3.2.1. Основные свойства пыли

Для процессов пылеулавливания весьма важны дисперсность

(фракционный состав), плотность, смачиваемость, адгезионные, элек-

трические и другие свойства частиц. Для правильного выбора пыле-

улавливающей аппаратуры необходимо прежде всего знать их диспер-

сионный состав.

По степени дисперсности пыли обычно разделяют на группы, диа-

пазон линейных размеров которых в различных классификациях не сов-

падает.

В целом можно выделить пять фракций пыли: I – очень грубая

(более 200 мкм), II – грубая (70–200 мкм), III – средняя (10–70 мкм), IV –

тонкая (1–10 мкм), V – очень тонкая (менее 1 мкм).

Фракцией называют массовую долю частиц, размеры которых на-

ходятся в интервале значений, взятых в качестве нижнего и верхнего

пределов.

Важная технологическая характеристика частиц пыли – плотность

(истинная, кажущаяся, насыпная). Истинная

плотность частицы – это от-

ношение ее массы к объему за вычетом объема открытых пор. Кажущая-

ся плотность – отношение массы частицы к объему. Насыпная плотность

– отношение массы пыли в слое к ее объему. Отметим, что в значитель-

ной степени она определяется дисперсностью частиц. С увеличением по-

следней насыпная масса пыли уменьшается

. Для грубой пыли она со-

ставляет обычно 0,4-0,6 от истинной плотности. Цинковые и свинцовые

возгоны цветной металлургии с размерами частиц 0,3–0,5 мкм могут

иметь насыпную массу, составляющую только 0,1–0,05 от истинной плот-

ности. Насыпная плотность слежавшихся пылей примерно в 1,2–1,5 раза

выше, чем свежеобразованных. Последние содержат большее количест-

во адсорбированных примесей, сообщающих частицам одноименный

электрический заряд, мешающий их сближению.

Знание величин насыпной плотности необходимо для инженерных

расчетов объемов бункеров и других емкостей, в которых улавливают

или складируют пыли.

Электрический заряд того или иного знака частицы приобретают в

зависимости от способа получения и химической природы. Положи-

тельный заряд имеют, например, крахмал, мелкие частицы почвы, песок,

туманы крепких кислот, уголь, хлористый натрий, отрицательный – му-

ка, оксиды железа, магния, свинца, цинка.

Адгезионные свойства пыли определяют ее слипаемость, которая

увеличивается с возрастанием степени

дисперсности частиц. Практиче-

ски все пыли IV и V группы дисперсности относятся к слипающимся, II

и III групп – к среднеслипающимся, I группы – к малослипающимся.

Слипание пылей существенно возрастает при их увлажнении.

Смачиваемость частиц в значительной степени определяет эффек-

тивность работы мокрых пылеуловителей, которая возрастает при ее

увеличении [11].

3.2.2. Физические принципы и параметры пылеулавливания

Многочисленные конструкции аппаратов пылеулавливания, при-

меняемых в настоящее время, покоятся на нескольких основных физи-

ческих принципах, излагаемых далее.

Осаждение под влиянием силы тяжести. По этому принципу ра-

ботают пылевые камеры, газоходы, инерционные пылеуловители. Уст-

ройства такого типа обычно эффективны при улавливании грубых час-

тиц размером 50 мкм и более.

Осаждение под действием

центробежной силы. Эта сила может

быть значительно больше силы тяжести. В пылеуловителях, основан-

ных на данном принципе, газу обычно сообщают вращательное движе-

ние при тангенциальном вводе его в аппараты круглого сечения (в пла-

не), называемые циклонами. Они эффективны при улавливании частиц

размером 5–10 мкм и более.

Фильтрация запыленного газа через ткань –

надежный способ

улавливания очень тонких пылей.

Электростатическое осаждение используют в электрофильтрах.

Подобная очистка основана на свойстве частиц пыли заряжаться в ин-

тенсивном электрическом поле, создаваемом вокруг электрода подве-

денным к нему постоянным током высокого напряжения (50–90 кВ).

Электрофильтры используют для улавливания более мелких, чем в ци-

клонах, пылей, включая ультратонкие (порядка 0,1

мкм).

Промыватели. Частицы задерживают на каплях и пленках промы-

вающих жидкостей. Как и фильтры, они эффективны при улавливании

очень тонких пылей.

Перечисленные принципы позволяют разделить способы пыле-

улавливания на сухие и мокрые (сухие и мокрые пылеулавливатели).

Процесс очистки газов от аэрозолей, независимо от способа улав-

ливания, характеризуется несколькими основными параметрами: сте-

пень очистки, гидравлическое сопротивление аппарата, расход электро-

энергии, стоимость аппарата и стоимость очистки.

Степень очистки (

) в единичном аппарате:

= (Свх – Свых) / Свх,

где Свх и Свых – массовые концентрации примесей в газе соответствен-

но до и после пылеуловителя.

Если очистку ведут в системе последовательно соединенных аппа-

ратов, то общая степень очистки

=1 – (1 –

)(1 –

)...(1 –

где

, …

степень очистки первого, второго,... , n-го аппаратов.

Различают общую и фракционную степени очистки газов, которые

относят соответственно ко всей массе частиц и к каждой фракции от-

дельно.

Гидравлическое сопротивление аппарата – разность давлений га-

зового потока на входе и выходе из пылеуловителя.

Расход электроэнергии, стоимость аппарата (капитальные затра-

ты) и очистки

относят обычно на 1000 м

очищенного газа [11].

3.2.3. Пылеочистительная аппаратура

Как уже отмечалось, все способы пылеулавливания можно разде-

лить на сухие и мокрые. Все пылеуловители делят на пять классов

(табл. 3.1) в зависимости от крупности пыли, для очистки от которой

они предназначены (по нижнему пределу ее крупности):

Таблица 3.1

Размер улавливаемых частиц различных классов пылеуловителей [11]

Класс пылеуловителей I II III IV V

Размер улавливаемых частиц,

мкм

0,3 2 4 8 20

Оборудование для сухого улавливания включает пылеосадитель-

ные устройства, пылеуловители центробежного действия, фильтры,

электрофильтры. К оборудованию для мокрого улавливания пыли отно-

сят скрубберы различных типов, барботажные аппараты, скоростные

пылеуловители и др.

3.2.3.1. Пылеосадительные устройства

К пылеосадительным устройствам относят аппараты, в которых

улавливание твердых частиц происходит под влиянием силы тяжести,

т. е. пылеосадительные камеры и инерционные пылеуловители

(рис. 3.1–3.3).

Пылеосадителъные камеры представляют собой металлическую

или железобетонную емкость прямоугольного сечения, площадь кото-

рой в несколько раз больше площади газоподводящего трубопровода.

Из-за резкого уменьшения скорости потока в камере взвешенные части-

цы в значительной степени успевают осесть на ее дно. Степень очистки

в камерах в зависимости от дисперсности пыли достигает 40–90 %. Для

ее

повышения камеры оборудуют специальными приспособлениями

(перегородки, подвешенные цепи, проволока и т. п.), разбивающими

поток входящего газа, улучшающими распределение его струй и при-

жимающими их к низу камеры (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Пылевая камера с горизонтальными полками [11]:

1 – полки, 2 – колокольные затворы, 3 – люки для удаления пыли

Применение камер целесообразно при: горизонтальных или на-

клонных газоотводах большого сечения, когда подсоединение более

эффективной аппаратуры пылеулавливания затруднено; повышенной

запыленности газов (несколько сотен граммов на 1 м

) как предвари-

тельной ступени очистки; повышенной температуре отходящих газов

(600–1300°С), содержащих размягченные и слипающиеся крупные час-

тицы, которые на пути движения по камере охлаждаются и становятся

сыпучими.

Во многих случаях пылевые камеры, устанавливаемые за техноло-

гическими агрегатами, например металлургическими, из которых выхо-

дят газы с температурой свыше 600 °С, заменяют котлами

-утилизаторами

или камерами испарительного охлаждения. Те и другие с точки зрения

пылеулавливания также являются пылевыми камерами.

Во многих случаях в качестве камер используют просто расширен-

ные газоходы, степень очистки в которых составляет 10–20 %, иногда

до 35 %.

Инерционные пылеуловители, основываясь на принципе пылеоса-

ждения под влиянием силы тяжести, включают дополнительный эле-

мент, увеличивающий

степень пылеулавливания, – изменение направ-

ления газового потока. К этому типу устройств относятся радиальные

пылеуловители (пылевые мешки) и жалюзийные пылеуловители раз-