Решетько М.В. Рациональное природопользование. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

На 1 т уловленного растворителя при его концентрации во входя-

щих газах 10 г/м

затрачивается 2–3,5 т пара при давлении 0,3–0,5 МПа,

30–50 м

воды для охлаждения, 100–250 кВт'ч электроэнергии. Посколь-

ку эти расходные коэффициенты достаточно велики, то адсорберы оп-

равданы только при улавливании дорогих или сильнотоксичных раство-

рителей. Производительность аппаратов составляет 10–150 тыс. м

/ч га-

за, входная концентрация растворителя изменяется от 0,5 до 20 г/ м

, вы-

ходная его концентрация не превышает 0,5 г/м , степень улавливания

достигает 95–99 %.

Абсорбционные методы

Абсорбция представляет собой процесс поглощения газообразной

примеси жидкостью. Она подчиняется закону Генри, т. е. растворимость

газа в жидкости пропорциональна его давлению над нею, обычно сни-

жаясь с повышением температуры. Поскольку растворение газа являет-

ся диффузионным процессом, то

скорость его пропорциональна по-

верхности соприкосновения газа с жидкостью, интенсивности их пере-

мешивания, коэффициенту диффузии и градиенту концентрации диф-

фундирующего компонента в газовой и жидкой средах. Поэтому при

проектировании абсорберов особое внимание уделяют организации

контакта газового потока с жидким растворителем и выбору погло-

щающей жидкости (абсорбента).

Решающим условием выбора абсорбента является

растворимость в

нем извлекаемого компонента и ее зависимость от температуры и дав-

ления. В частности, газ считают хорошо растворимым, если при 20 °С и

парциальном давлении, равном 101,3 кПа, его растворимость составляет

сотни граммов на 1 кг растворителя. В качестве поглощающих жидко-

стей используют водные растворы щелочей, кислот, растворы с добав-

ками восстановителей

или окислителей. В воде хорошо растворимы ам-

миак, хлористый и фтористый водород. В ряде случаев применяют вод-

ные растворы, например серной кислоты (для улавливания водяных па-

ров, ртути – если 20 % раствор плюс 1,6 г/л KMnO

), вязкие масла (для

извлечения ароматических углеводородов из коксового газа). Особо

следует отметить высокую эффективность использования абсорбцион-

ных методов для очистки ртутьсодержащих газов.

В качестве газоулавливающей аппаратуры используют устройства,

в которых контакт жидкости с газом реализуют пропусканием послед-

него через скрубберы (Вентури, насадочные, безнасадочные), мокрые

циклоны, барботажные аппараты и т. п.,

аналогичные применяемым при

мокрых методах пылеулавливания, иногда несколько измененные в де-

талях. Абсорбционные методы очистки наряду с узлами абсорбции, как

правило, включают также узлы десорбции. Десорбцию растворенного

газа или регенерацию растворителя проводят, либо снижая парциальное

давление примеси в газе, либо повышая температуру, либо используя

оба фактора одновременно. Сочетание абсорбции с десорбцией позво-

ляет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный

компонент в чистом виде [11].

Абсорбционные методы являются одними из наиболее доступных.

Они не зависят от колебаний концентрации примесей на

входе, не требуют

высоких температур. Степень извлечения примесей составляет 95–98 %.

Радиационно-химические методы

Эти методы очистки относятся к числу новых физико-химических

процессов, разрабатываемых в нашей стране и за рубежом. В их основе

лежит воздействие на выбросы потоком ускоренных электронов. Под их

воздействием в газах происходит радиолиз токсичных элементов, т. е.

их химические превращения. Продукты радиолиза нетоксичны. Для ра-

диационно-химических процессов характерно проведение очистки при

относительно низких температурах, при которых обычные реакции не

протекают. Другим важным преимуществом радиационной технологии

является универсальность воздействия ионизирующего излучения прак-

тически на любые загрязняющие компоненты реальных выбросов.

Например: Перспективная область применения радиационно-

химического метода – очистка газов

от оксидов азота и серы. В частно-

сти, при облучении топочных газов ТЭС резко возрастает скорость

окисления этих оксидов до N0

и серного ангидрида с последующим

образованием азотной и серной кислот. Оптимальная температура газов,

поступающих на очистку, составляет 70–100°С, т. е. значительно ниже,

чем в термических методах. Если одновременно к газам добавить экви-

молярные количества аммиака, то в качестве конечных продуктов поя-

вятся не кислоты, а сульфат и нитрат аммония.

Образующиеся

аммонийные соли улавливаются в электрофильтрах

и могут быть использованы как удобрения. Подсчитано, что в случае

реализации радиационно-химического способа очистки топочных газов

США, например, потенциально способны производить около 100 млн т

продуктов, содержащих до 25 % азота и пригодных в качестве удобре-

ний [11].

Схема радиационно-химического удаления оксидов азота и серы

включает:

• предварительную

очистку отходящих газов в электрофильтрах

для удаления большей части золы;

• их увлажнение в башне и снижение температуры до 70–100°С;

• впрыскивание в поток эквимолярного кол-ва по серному ангид-

риду и оксидам азота аммиака;

• радиационно-химическую обработку газов в облучательной ка-

мере,

После нее мелкие фракции твердых частиц сульфата и нитрата ам-

мония осаждают в электрофильтрах, а более крупные улавливают в ру-

кавных фильтрах.

Облучательная камера находится в специальном здании с необхо-

димой бетонной радиационной защитой (толщина стен 700–1000 мм).

Облучение проводят встречным горизонтальным пучком

электронов, ис-

пользуя электронные ускорители мощностью до 800 кВт и напряжением

до 200 кВ. Необходимо отметить, что системы радиационной безопасно-

сти достаточно хорошо отработаны и позволяют эксплуатировать радиа-

ционные установки без вреда для обслуживающего персонала.

Экономическая оценка показывает, что стоимость радиационно-

химической очистки в 1,5 раза ниже, чем комбинированная очистка от

оксидов серы

и азота с использованием химических способов. Вместе с

тем ее практическое воплощение требует создания промышленной базы

для сооружения ускорителей большой единичной мощности. Например,

для теплоэлектростанции на 500 МВт требуется 14 ускорителей общей

мощностью 0,9 МВт. Радиационные методы очистки в последние годы

осваиваются в ряде стран (Япония, США, Германия и др.). Применение

ими ускорителей электронов

мощностью порядка 0,8 МВт позволяет

получить степень совместной очистки газов от сернистого ангидрида и

NOх, составляющую соответственно 90–95 и 80 % [11].

3.4.3. Химические методы

Удаление газовых примесей химическими методами осуществляет-

ся обычно в жидкой или газообразной фазах.

Жидкофазные

В этой группе методов в качестве активной среды часто использу-

ют водные или другие растворы веществ, химически взаимодействую-

щих с поглощаемым компонентом. Как правило, это растворы электро-

литов (кислот, щелочей, солей), образующих с газовой примесью мало-

летучие

или малорастворимые химические соединения. Поглотительная

способность применяемой жидкости почти не зависит от парциального

давления газообразной примеси, поэтому методы химической очистки

предпочтительны обычно при небольшой концентрации газообразной

примеси в отходящих газах. Процессы химического улавливания при-

месей используют для нейтрализации наиболее крупномасштабных за-

грязнителей окружающей среды: оксидов азота, сернистого ангидрида,

сероводорода, галогенов

и др. Конкретные реакции нейтрализации каж-

дого из этих веществ индивидуальны.

Например: Оксиды азота: для их улавливания применяют щелоч-

ные растворы калия, натрия, кальция, кислоты и другие вещества. Они

окисляют или восстанавливают оксиды азота, превращая их в нетоксич-

ные соединения.

Основная аппаратура для реализации химических методов очистки

газов аналогична используемой в адсорбционных методах [11].

Газофазные

Газофазные методы, основаны на нейтрализации вредных приме-

сей

с переводом их в менее опасные соединения. Большая часть этих

методов относится к термическим, т. е. проводится при высокой темпе-

ратуре. Они применяются в тех случаях, когда объемы выбросов вели-

ки. Методы термической нейтрализации во многих случаях обладают

преимуществом перед твердофазным или жидкофазным поглощением

газовых примесей. Они не требуют шламового

хозяйства, имеют ком-

пактное, простое в обслуживании оборудование, низкую стоимость очи-

стки. Однако области их применения ограничиваются свойствами обра-

зующихся при окислении продуктов реакции.

Они не используются, как правило, для газов, содержащих фосфор,

галогены, серу, так как продукты реакции в этом случае по токсичности

во много раз превосходят исходные газовые

выбросы. Поэтому методы

термического обезвреживания обычно пригодны для токсичных выбро-

сов органического происхождения, не содержащих упомянутых галоге-

нов, серы и фосфора. Продуктами нейтрализации этих выбросов явля-

ются простые углеводороды типа метана или пары воды и диоксид уг-

лерода.

Можно выделить три основных варианта термической нейтрализа-

ции газовых выбросов: сжигание (сжигание в

пламени и термическое

окисление), термическое окисление (осуществляют при температурах

600–800 °С), термокатализ (термокаталитическое сжигание – при

250–450 °С).

Выбор схемы нейтрализации определяется: химическим составом

загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой га-

зов, объемным расходом и предельно допустимыми нормами выброса

этих соединений.

Сжигание – окислительный термический процесс автогенного ха-

рактера. Автогенность означает, что теплоты,

выделяемой при окисле-

нии отхода, достаточно для поддержания горения и что дополнительно-

го топлива для этого не требуется. Сжигание обеспечивает эффектив-

ность нейтрализации выбросов на 90–99 %. Его используют главным

образом для отходов, трудно поддающихся другим видам обработки.

Температура обезвреживания углеводородных газов составляет не ме-

нее 600–650 °С, а содержащих оксид углерода – 680–800 °С. Сжигание

проводят или в специально сконструированных топочных устройствах

(камерах, циклонах и т. п.), или непосредственно в факеле, т. е. в откры-

той горелке, направленной обычно вертикально вверх (например, в

устье трубы).

Основной недостаток сжигания заключается в том, что температура

пламени может достигать 1300°С.

При избытке воздуха и достаточном

времени его пребывания в зоне горения это приводит к образованию

NOx. Таким образом, устраняя загрязнения одного типа, процесс сжига-

ния может инициировать выбросы других вредных веществ. Количество

оксидов азота может быть снижено усовершенствованием режима сжи-

гания. Хорошо известен способ уменьшения эмиссии NOx при двухсту-

пенчатом режиме сжигания

природного газа в горелках, предусматри-

вающем организацию первичной и вторичной зоны горения топлива.

Снижения концентраций NOx и других загрязнителей атмосферы,

образующихся в процессе горения, можно также добиться введением в

состав горючего вещества специальных добавок. Так, в Японии фирма

Okura Industrial Co при переработке отходов пластмасс сжиганием до-

бавляет к ним 1 % активированных нетоксичных ферроксидных приса-

док, способствующих подавлению выбросов NOx диоксинов и оксида

углерода благодаря полному сгоранию пластмасс при минимальном из-

бытке кислорода. В частности, при температуре горения 800 °С содер-

жание NOx в отходящих газах снижается в два раза, а оксида углерода –

на 30 %. При введении присадки в смесь поливинилхлорида с известня-

ком происходит также уменьшение выбросов хлористого водорода

, об-

разующегося при обычных режимах сжигания отходов. Следует отме-

тить, что затраты, связанные с уменьшением выбросов оксида азота за

счет усовершенствования процесса сжигания топлива, значительно ни-

же, чем при строительстве установок по очистке газов [11].

Термическое окисление, в отличие от сжигания, не носит автоген-

ного характера и требует дополнительных источников тепла (

топлива).

Причиной этого являются недостаточные концентрации горючих при-

месей и кислорода в отходящих газах.

Для реализации термического окисления обычно используют один

или несколько факторов:

• подмешивание свежего воздуха, эффективно в тех случаях, когда

газы имеют высокую температуру и достаточную концентрацию горю-

чих примесей;

• нагрев отходящих газов;

• добавление топлива.

В случаях, когда температура отходящих газов и содержание в них

горючих компонентов недостаточны, их подогревают, а затем пропус-

кают через рабочую зону, в которой дополнительно сжигают топливо,

обычно газообразное, добавляя при необходимости воздух.

Основное преимущество термического окисления – возможность

регулирования температуры сжигания, поддержания ее на уровне, ис-

ключающем образование заметных количеств оксидов

азота.

Термокаталитические реакции являются частным случаем сжига-

ния или термического окисления, отличаясь лишь применением катали-

заторов. Их использование позволяет за счет резкого ускорения процес-

са нейтрализации существенно сократить габариты реакторов и снизить

температуру реализации термических методов до 300°С и менее. Обыч-

но проводят гетерогенный катализ на твердых катализаторах. К наибо-

лее эффективным из них относятся композиции на базе благородных

металлов (платины, рутения, палладия и др.). Они действуют в широком

диапазоне составов газовых смесей, имеют низкую температуру начала

эффективной работы и ее достаточно высокий верхний уровень, долго-

вечны, устойчиво функционируют при повышенной скорости газового

потока. Эти катализаторы, несмотря на увеличенную стоимость, ис

пользуют чаще других.

В ряде случаев применяют катализаторы на основе Сu, Cr, Co, Ni,

их оксидов, сплавов и т. д. Эффективность их ниже, чем платиновых и

палладиевых, поскольку они менее долговечны, имеют повышенный

нижний температурный предел эффективной работы и меньшую сте-

пень улавливания при высокой скорости газового потока.

Присутствие в обрабатываемом газе железа,

свинца, кремния, фос-

фора и соединений серы отравляет катализаторы, сокращает срок служ-

бы многих из них. Различают два конструктивных варианта газоочист-

ных каталитических устройств: каталитические реакторы, в которых ка-

тализаторы размещены в отдельных корпусах; термокаталитические ре-

акторы, более распространенные, в которых в общем корпусе размеще-

ны контактный узел и подогреватель. Промышленные

установки ката-

литической очистки газов с рекуперацией тепла рассчитаны на произво-

дительность 900–14000 м

/ч. Термокатализ как метод очистки распро-

странен в ряде стран. Так, в Японии, США, Западной Европе, Напри-

мер: Современные технологии очистки газов от оксида углерода вклю-

чают каталитические способы с применением металлов платиновой

группы, золота и серебра (рабочие температуры 100–160°С), неблаго-

родных металлов и их оксидов (0–100°С), оксидно-металлических и

ме-

таллокомплексных систем, других композиций [11].

В Швейцарии разработан способ Plasmacat удаления паров различ-

ных примесей, например растворителей лаков и красок, галогенирован-

ных углеводородов, из газовой фазы без ее нагревания. Способ основан

на возбуждении молекул в переменном электрическом поле с напряже-

нием несколько тысяч вольт. Полученная энергия возбуждения эквива-

лентна тепловой, достигаемой нагревом на несколько тысяч градусов,

хотя

при этом температура газа практически не меняется. Возбужден-

ные молекулы в присутствии простейших катализаторов превращаются

в безвредные вещества без образования токсичных побочных продук-

тов. Достигаемая в этом способе плотность энергии столь велика, что

превращениям (окислению) подвергаются не только молекулярно-

дисперсные системы, но и гетерогенные, включающие споры, бактерии,

вирусы. Производительность установок,

предназначенных для реализа-

ции процесса Plasmacat, может варьировать в очень широких пределах:

10–100 тыс. м

/ч очищаемого газа.

Подготовлена технология удаления из дымовых газов оксида серы

за счет вдувания в отходящий поток бикарбоната натрия NаНСОз (су-

хой способ очистки). При повышенной температуре потока бикарбонат

натрия разлагается и окисляется с выделением паров воды, оксида угле-

рода и свежеобразованного активного оксида натрия. Последний взаи-

модействует с SOy образуя

нейтральный по химическому действию

сульфат натрия Na

. Его отделяют от газового потока на тканевых

фильтрах или электрофильтрах вместе с частицами золы. Степень очи-

стки от SOx достигает 90 % [11].

3.4.4. Биохимические

Биохимические методы в ряде стран (ФРГ, Швейцария, Нидерлан-

ды) начали применять для удаления неприятных запахов биологическо-

го происхождения в литейном производстве и в автомобильной про-

мышленности при нанесении лаковых покрытий. Биохимические мето-

ды наиболее приемлемы для очистки отходящих газов постоянного со-

става. При частом его изменении микроорганизмы не успевают адапти-

роваться

к новым веществам и выработать достаточное количество

ферментов для их разложения. Используют два типа аппаратов биохи-

мической очистки: биоскрубберы и биофильтры [11].

Биоскрубберами называют абсорбционные аппараты, в которых аб-

сорбентом служит водная суспензия микроорганизмов активного ила.

Содержащиеся в очищаемых газах вредные вещества улавливаются и

расщепляются ею. Так как биохимические реакции протекают

с относи-

тельно небольшой скоростью, то для обеспечения высокой эффективно-

сти работы газоочистной установки требуется промежуточная емкость,

которая может быть выполнена в виде отдельного реактора или встрое-

на в основание абсорбера. Способность активного ила к расщеплению

уловленных веществ устанавливается по соотношению БПК и ХПК.

При соотношении БПКполн : ХПК ≥ 0,5 вещества поддаются биохими-

ческому окислению.

В биофильтрах очищаемый газ пропускают через слой насадки,

орошаемый водой до влажности, достаточной для

поддержания жизне-

деятельности микроорганизмов. Насадкой служат природные (почва,

торф, компост и др.) или искусственные материалы. При использовании

последних на них предварительно выращивают биологически активную

пленку путем орошения водой или суспензией активного ила. Эффек-

тивная работа биофильтров обеспечивается за счет распределения очи-

щаемого воздуха по всей фильтрующей поверхности, равномерных

влажности и

плотности фильтрующего слоя, поддержания оптимальных

температур (25–35°С) и значений рН, равных 6,5–8,5.

Заканчивая рассмотрение общих принципов улавливания и обезвре-

живания газовых примесей, отметим, что выбор метода газоочистки и его

аппаратурного оформления определяется технико-экономическими рас-

четами и зависит от ряда факторов:

• концентрации загрязнителя в очищаемом газе и

• требуемой степени очистки

, зависящей от фонового загрязнения

атмосферы в данном регионе;

• объемов газов и их температуры;

• массы сопутствующих газообразных примесей и пыли;

• потребности в тех или иных продуктах утилизации, сорбентах и

катализаторах;

• размеров площадей, необходимых для строительства газоочист-

ной установки;

• наличия теплоносителей и т. д.

Главный принцип, который

необходимо выдерживать при проек-

тировании очистных сооружений, – это максимально возможное удер-

жание вредных веществ и тепловых выбросов, возврат их в основной

технологический процесс или утилизация.

4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

4.1. Классификация методов очистки

Выбор способа очистки зависит от ряда факторов и должен учиты-

вать количество и степень загрязнения сточных вод, их физические, фи-

зико-химические, химические характеристики, возможность извлечения

ценных и наиболее вредных продуктов, а также обеспечивать макси-

мальное использование воды, до и после очистки, в технологическом

процессе и системах

водооборота.

Методы очистки сточных вод обычно классифицируют по характе-

ру основных процессов, на которых они основаны. По этому признаку

их подразделяют на физические (в т. ч. механические) химические, фи-

зико-химические и биохимические [11]. (Существует принципиальная

разница между биохимическими и биологическими процессами, в био-

процессах воспроизводятся сами субъекты живой природы, а биохими

ческие технологии – это химические превращения, протекающие с уча-

стием субъектов живой природы, в которых конечным продуктом явля-

ется неживая материя.)

Решающими факторами, влияющими на выбор способа очистки,

являются вид и концентрация преобладающих примесей стоков: взве-

шенные или растворенные, органические или неорганические и т. д.

Именно они определяют основные характеристики сточных

вод. Однако

ни один из методов очистки самостоятельно не обеспечивает выполне-

ния современных требований: очистка до ПДК (зачастую на уровне

0,1–0,01 мг/л), возврат 90–95 % воды в оборотный цикл, невысокая

стоимость, малогабаритность установки, утилизация ценных компонен-

тов. Задача очистки стоков обычно решается совокупностью методов,

дополняющих друг друга. При этом примеси выделяются в

газообраз-

ную, твердую или жидкую фазу или разрушаются.

4.2. Физические методы

4.2.1. Общие сведения

Использование физических методов приводит лишь к изменению

формы, размеров, агрегатного состояния, количественного соотношения

и других физических свойств фаз, составляющих очищаемые системы.

При этом в сточных водах не исчезают прежние и не возникают какие-

либо новые вещества.

В системах, подвергаемых физическим методам очистки, наиболее

распространены загрязнители производственных и бытовых сточных

вод в виде нерастворимых примесей (взвешенных веществ). Их концен-

трация изменяется в широких пределах – от 0,005 до 0,5 %. Выделенные

из воды в виде осадка, они представляют сильно обводненную массу с

плотностью в десятки раз меньшей, чем первоначальная. По степени

дисперсности

взвешенные вещества, как отмечалось, подразделяют на

грубодисперсные (10

–3

см и более), микрогетерогенные (10

–3

–4

см),

коллоидные (10

–5

–7

см). Частицы коллоидных размеров могут нахо-

диться во взвешенном состоянии продолжительное время, а более круп-

ные под действием гравитационных сил оседают или всплывают. Это их

свойство лежит в основе многих методов физической очистки сточных

вод.

Физические методы выделения из сточных вод взвешенных мине-

ральных и органических примесей обычно применяют с

целью их под-

готовки к более глубокой очистке другими способами. Гораздо реже

они используются на окончательном этапе очистки. В совокупности фи-

зические методы обеспечивают выделение из сточных вод до 95–99 %

взвешенных веществ и снижают органические загрязнения (по БПК

полн

)

на 20–25 %. Их разделяют на методы процеживания, отстаивания, цен-

трифугирования, фильтрации, прилагая для улавливания частиц с раз-

личным диапазоном крупности. В качестве основного оборудования в

них применяют различные модификации решеток, сит, отстойников,

центрифуг, гидроциклонов и фильтров [11].

4.2.2. Процеживание

Процеживание – первичная стадия очистки сточных вод, предна-

значенная для выделения наиболее крупных (до 150 мм) нерастворимых

примесей, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в

процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной ра-

боте очистного оборудования. Процеживание осуществляют, используя

решетки и волокноуловители. Стоки подводят к механическим решет-

кам по прямоугольным каналам (коллекторам) с

ВхН до 2000 х 5000 мм.

Не задерживаемые решетками грубодисперсные загрязняющие вещест-

ва удаляют, процеживая сточные воды через сетчатые барабанные

фильтры. Барабанные сетки задерживают примеси в отсутствие в воде

вязких веществ, снижают концентрацию взвесей на 25–40 % при их ис-

ходном содержании не более 250 мг/л. Часто их устанавливают перед

зернистыми фильтрами для глубокой

очистки сточной воды. Произво-

дительность аппаратов составляет 10–100 тыс. м

/сут.