Інженерний захист природного довкілля

1.1. Інженерний захист довкілля

Інженерний захист довкілля - галузь науки і техніки, що охоплює розробку, проектування, експлуатацію і вдосконалення екобіозахисної техніки і технології, організацію і управління природоохоронною роботою на підприємствах, експертизу проектів, технологій і виробництв і сертифікацію продукції з метою досягнення екологічної безпеки господарської діяльності людини, зниження риски антропогенної дії на довкілля.

Поглиблення екологічної кризи спонукало світову спільноту шукати вирішення проблеми в рамках концепції стійкого розвитку. Наше майбутнє безпосередньо залежить від того, якою мірою забезпечення екологічної безпеки знайде віддзеркалення в стратегії, що реалізовується.

Саме тому на сучасному етапі розвитку промислового виробництва, на етапі його дії, що посилюється, на довкілля, роль держави в забезпеченні захисту довкілля, у вживанні заходів по збереженню екологічного балансу стає такою, що визначає. Так, в Екологічній доктрині Російської Федерації встановлені основні економічні механізми забезпечення екологічної безпеки нашої держави.

Основним завданням в цій області є економічне регулювання ринкових стосунків в цілях раціонального природокористування, що не виснажило, зниження навантаження на природне середовище, її охорону, залучення бюджетних і позабюджетних коштів на природоохоронну діяльність. І одним з основних напрямів державної політики в цій області стає економічне стимулювання суб'єктів до проведення заходів щодо охорони довкілля, до вживання екологічно чистих технологій у виробництві.

Проте впровадження нових екологічних технологій повинне стати не тимчасовою хаотичною мірою, а частиною цілісної екологічної стратегії кожного підприємства - джерела забруднення. Проте, проблемами підприємств металургії є забруднення ґрунтів важкими металами, а також викид води, обтяженої солями цих металів і іншими шкідливими речовинами, у водне середовище. Подібним підприємствам необхідно вибудовувати багаторівневу систему екологічного захисту, що передбачає постійний моніторинг викидів в атмосферу, водних стоків і іншої шкідливої дії. З цією метою необхідно створювати відділи, лабораторії екологічного моніторингу на підприємстві, подібно до тієї, що створена, наприклад, на Челябінському цинковому заводі.

Для підприємств целюлозно-паперової промисловості характерні не лише екологічні проблеми, супутні самому процесу виробництва (викиди в атмосферу, водні скидання і так далі), але і інша проблема. Це проблема вирубки лісу, темпи втрати якого у всьому світі стають критичними.

Відомо, що в даний час США втратило більш за третину своїх лісів, а в Європі невинних лісів взагалі не залишилося. На мій погляд, настав час розробки кардинально нових технологій виготовлення целюлози.

Розробка екологічно чистих технологій особливо актуальна у сфері паливно-енергетичного комплексу країни, оскільки саме ПЕК є одним з основних джерел забруднення природного довкілля.

Одній з найбільших екологічних проблем в ПЕК, особливо гострою для традиційних нафтовидобувних регіонів, є забруднення природного середовища нафтою і нафтопродуктами. Темпи утилізації відходів залишаються низькими, плани великомасштабного використання відходів не реалізуються.

Слід мати на увазі також недостатній рівень екологічної безпеки технологічних процесів, високий моральний і фізичний знос основного устаткування, недостатню розвиненість природоохоронної структури (систем запобігання і зниження негативних дій на природне середовище).

Здійснення програми освоєння нових родовищ північних і східних територій (Тімано-печорський регіон, півострів Ямал, Східний Сибір, Далекий Схід) вимагає вирішення проблеми збереження надзвичайно уразливих екосистем цих видалених регіонів з суворими природно-кліматичними умовами.

Однією з найважливіших проблем є забезпечення екологічної безпеки при реалізації великомасштабних проектів освоєння нафтогазових родовищ шельфу арктичного Морея і острова Сахалін, родовищ Каспійського і Балтійського Морея. Ці проекти реалізуються в районах, багатих біоресурсами, у тому числі коштовними видами риб і іншими об'єктами водного промислу.

Метою державної політики в області забезпечення екологічної безпеки є послідовне обмеження навантаження ПЕК на довкілля, наближення до відповідних європейських екологічних норм.

На державному рівні одним з основних науково-виробничих напрямів в даний час є модернізація існуючого устаткування по захисту довкілля.

Розглядаючи в цілій дорозі вирішення цієї проблеми, можна виділити наступні основні напрями розвитку техніки захисту довкілля:

1. Модернізація існуючого устаткування по захисту довкілля.

2. Створення на наявній науково-виробничій базі нового устаткування по захисту довкілля.

3. Розробка теоретичних і практичних основ для створення принципово нових технологій і нового устаткування.

Сьогодні, на кожних 100 тис. жителів, в землю закопується приблизно 2000 тонн металу, 10000 тонн паперу і картону, 3000 тонн пластика, 1500 тонн скла, 1500 тонн текстилю, близько 400 вагонів вагою по 50 тонн. Вартість за цінами вторсировини складає 2 млн. $ або 20 млн. $ для міста з мільйонним населенням.

При переробці отриманої сировини ефект зростає у декілька разів. Спалювання органічних відходів є найбільш поширеним в світі методом їх знешкодження. Швейцарія спалює до 80% відходів, Японія - 68-72%, Данія - 65%, Швеція - 55%, Франція і Німеччина 32-35%, Італія - 10%. У Парижі 60% споживаній тепловій і електричній енергії виробляється за рахунок спалювання побутових відходів міста.

У Германії, наприклад, з 2006 р. діє закон про обов'язкову переробку 80% відходів побутових термопластів. Найчастіше з цього вигляду сировини виготовляють вироби нехарчового призначення, наприклад, лавки, прищіпки і так далі.

Модернізація серійних технологічних установок і систем бачиться в реалізації наступних напрямів:

* Вживання сучасних комплектуючих системи автоматики, вживання спеціальних покриттів, що дозволяють створювати ефективні і конкурентоздатні пристрої.

* Розробка виробничих процесів за скороченими технологічними схемами, що дозволяють виключити ряд технологічних операцій і переходів.

* Розробка технологічних процесів з малими матеріальними потоками.

* Переклад технологічних процесів на вторинну сировину.

У теж час необхідна розробка і створення на наявній науково-виробничій базі нового устаткування по захисту довкілля:

* Технологічні установки на основі фізики електричного розряду.

* Технологічні установки на основі наноматеріалів.

* Установки на основі механохімії.

* Технологічні комплекси переробки відходів термопластів в товарну продукцію.

* Технологічні комплекси по виробництву будівельних матеріалів з відходів.

Даний комплекс завдань може бути успішно вирішений на основі розробки теоретичних і практичних основ для створення принципово нових технологій і нового устаткування.

Теоретичні основи, що розробляються в нашій країні, в області: електрофізики, механохімії, хімії полімерів, фотохімії, гідрогазодинаміки, виробництво будівельних матеріалів, нанотехнологій, біотехнології і ін. говорять про те, що ми маємо всі можливості для здійснення прориву в області розвитку техніки захисту довкілля.

1.2. Очищення повітря від аерозольних домішок

У основу дії пиловловлюючих і сепарацій пристроїв покладений певний фізичний механізм. У пиловловлювачах і пристроях сепарацій знаходять вживання наступні способи відділення зважених часток від середовища, що зважує, тобто повітря (газу): осадження в гравітаційному полі, осадження під дією сил інерції, осадження у відцентровому полі, фільтрування, осадження в електричному полі, мокра газоочистка і ін.

Гравітаційне осадження. Частки аерозоля осідають з потоку забрудненого газу (повітря) під дією сили тяжіння. Для цього необхідно створити відповідний режим руху забрудненого газу в апараті з врахуванням розміру часток, їх щільність і так далі

Інерційне осадження. Інерційне осадження засноване на тому, що частки аерозоля і середовище, що зважує, зважаючи на значну різницю щільності володіють різною інерцією. Частки аерозоля, рухаючись за інерцією, відділяються від газового середовища.

Осадження під дією відцентрової сили. Відбувається при криволінійному русі пилогазового потоку. Під дією виникаючих відцентрових сил частки аерозоля відкидаються на периферію апарату і осідають.

Ефект зачеплення при фільтруванні. Частки аерозоля, зважені в повітряному (газовою) середовищі, затримуються у вузьких звивистих каналах і порах при проходженні аерозольного потоку через фільтрувальні матеріали.

Осадження в електричному полі. Проходячи електричне поле, частки аерозоля отримують заряд. Рухаючись до електродів протилежного знаку, вони осідають на них.

Мокра газоочистка. Змочування поверхні елементів апаратів водою або іншою рідиною сприяє затриманню часток на даній поверхні.

У практиці пиловловлювання і сепарації аерозольних часток знаходять вживання і інші методи: термофорез, фотофорез, укрупнення часток в акустичному полі, дія магнітного поля, біологічне очищення і ін.

У пиловловлюючих і сепараціях пристроях, разом з основним механізмом уловлювання, зазвичай використовуються і інші закономірності.

Завдяки цьому загальна і фракційна ефективність апарату досягає більш високого рівня.

1.3. Абсорбція газових домішок

Деякі рідини і тверді речовини при контакті з багатокомпонентним газовим середовищем здатні вибірково витягувати з неї окремі інгредієнти і поглинати їх.

Абсорбцією називається перенесення компонентів газової суміші в об'єм дотичної з нею фази, що конденсує. При абсорбції відбувається вибіркове поглинання одного або декількох компонентів з газової суміші рідкими поглиначами.

Зворотний процес, тобто видалення з об'єму речовини поглинених молекул газу, що конденсує, називається дегазацією або абсорбцією.

Речовину, яка міститься в газовій фазі і при абсорбції не переходить в рідку фазу, називають газом-носієм, речовину, в якій відбувається розчинення компонентів, що абсорбуються, називають розчинником (поглиначем або абсорбентом), речовина, яка міститься в газовій фазі і при абсорбції переходить в рідку фазу, тобто компонент, що поглинається, називають абсорбтивом, речовина, що поглинається, в об'ємі поглинача - абсорбатом.

Абсорбат стримуються в абсорбенті, рівномірно розподіляючись серед його молекул, унаслідок розчинення або хімічної реакції.

1.4. Термохімічне знешкодження газоподібних викидів

Очищення промислових газоподібних викидів, що містять токсичні речовини, в даний час є неодмінною вимогою у всіх виробництвах.

Окрім механічних, фізико-хімічних і хімічних методів очищення газів широко застосовують термічні методи.

Методи спалювання шкідливих домішок, здатних окислюватися, знаходять все більше вживання для очищення дренажних і вентиляційних викидів.

Ці методи вигідно відрізняються від інших (наприклад, мокрого очищення в скруберах) вищою мірою очищення, відсутністю в більшості випадків корозійних середовищ і виключенням стічних вод. Як правило, домішки спалюють в камерних топках з використанням газоподібного або рідкого палива. Інколи на практиці представляється можливим окислювати органічні речовини, що знаходяться в газових викидах, на поверхні каталізатора, що дає можливість знизити температуру процесу.

Велике поширення для знищення токсичних речовин в газах, що відходять, отримали установки факельного спалювання. До факельних установок пред'являються високі вимоги відносно забезпечення безпечної і надійної роботи в умовах пожаро- і вибухонебезпеки хімічних виробництв.

Хімічні реакції між інгредієнтами газових викидів, які в звичайних умовах практично непомітні, значно прискорюються з підвищенням температури. Система, що містить токсичні речовини, може бути знешкоджувана за допомогою термообробки, якщо реакції, що відбуваються в ній, приведуть до утворення менш токсичних компонентів.

За типом реакцій, що відбуваються, методи термознешкодження можна розділити на відновних і окислювальних. Термовідновлювальні методи специфічні і розробляються індивідуально для кожного конкретного забрудника. З них до теперішнього часу в техніці газоочистки знайшли вживання способи термохімічного (з використанням аміаку) і термокаталітичного відновлення NOх до N2, термокаталитичного відновлення SO2 до S2 деякі інші.

1.5. Конденсація газоподібних домішок

Конденсаційну обробку газів покидьків зазвичай включають в технологічний цикл, якщо процес супроводжується відчутними втратами проміжних або кінцевих продуктів. Часто за допомогою конденсації уловлюють і повертають в технологічний процес пари розчинників, що видаляються з поверхні виробів після нанесення функціональних, захисних і забарвлюючих шарів. Інколи конденсацію застосовують для витягання з газового потоку коштовних (дорогих) або особливо небезпечних речовин.

При економічно і технічно прийнятних параметрах робочого середовища можна перевести в стан, що конденсує, пари легкокиплячих з'єднань (зазвичай використовуваних як розчинники) з концентраціями не нижче 5-10 г/м3. Конденсація більш розбавлених забрудників представляє технічно складне завдання і вимагає значних витрат.

Міра уловлювання (глибина витягання) забрудника залежить від міри охолоджування і стискування газових викидів. У виробничих умовах температуру і тиск приймають такими, аби енерговитрати на конденсацію складали незначну долю загальних витрат на технологію. Тому міру витягання навіть дорогих продуктів призначають невисокою, як правило, в межах 70-80%. З цієї ж причини використовувати конденсацію як самостійний засіб санітарного очищення (тобто з глибиною витягання до санітарних норм) неприйнятний.

В той же час конденсаційна обробка може успішно застосовуватися в багатоступінчастих схемах очищення викидів. Існують три напрями в області газоочистки, де конденсація не лише корисна, але і необхідна:

- попереднє осадження основної маси пари забрудників перед адсорберами при високій мірі забруднення викидів;

- парціальне витягання пари, що містить з'єднання фосфору, миш'яку, важких металів, галогенів перед термознешкодженням суміші забрудників;

- конденсація забрудників після хімічної обробки з метою перекладу в легкоконденсуємі з'єднання, наприклад, після хімосорбційних апаратів.

1.6. Розсіювання викидів в атмосфері

Промислові джерела викидів підрозділяються на організованих і неорганізованих. До організованих промислових джерел відносять труби, шахти, аераційні ліхтарі, фрамуги і тому подібне До неорганізованих промислових викидів відносять відкриті склади мінеральної сировини, кар'єри, сховища твердих і рідких відходів, місця завантаження і вивантаження залізничних вагонів, автомашин, негерметичне устаткування, транспортні естакади і тому подібне У ряді випадків неорганізовані джерела є наземними.

Організовані промислові джерела викидів можна підрозділити на трьох типів: високі, низькі і проміжні.

Через високі джерела здійснюється скидання в атмосферу технологічних газів і забрудненого вентиляційного повітря. До них відносяться труби, викиди з яких виробляються у верхні шари атмосфери, вище за кордон проміжної зони, що забезпечує їх хороше розсіювання.

Низькі джерела є найбільш поширеними для скидання вентиляційного повітря і технологічних сдувок в атмосферу.

Викиди з таких джерел виробляються безпосередньо в зону аеродинамічної тіні, що створюється будівлями і спорудами, і забруднюють в основному територію біля цих будівель і споруд.

До проміжних джерел можна віднести труби, верхня відмітка яких знаходиться нижче за кордон проміжною, зони, але не менше чим на 20% вище за кордон зони аеродинамічної тіні.

Гранично допустимий викид (ПДВ) відповідно до ГОСТ 17.2.1.04-77 є технічним нормативом, що встановлюється з умови, аби вміст забруднюючих речовин в приземному шарі повітря від джерела або їх сукупності не перевищував нормативів якості повітря для населення, тваринного і рослинного світу. Розрахункові значення ПДВ слід вважати верхньою межею.

Рис 1. Схема газоповітряного факела в зносячому потоці:

1 - крива розподілу концентрації забрудника в приземному шарі;

2 - профілі концентрацій забрудника в перетинах факела.

1.7. Гідромеханічні способи очищення стічних вод

Для видалення зважених часток із стічних вод використовують періодичні і безперервні гідромеханічні процеси проціджування, гравітаційного і відцентрового відстоювання і фільтрування. Вибір методу залежить від розміру часток домішок, фізико-хімічних властивостей і концентрації зважених часток, витрати стічних вод і необхідної міри очищення.

Перед тоншим очищенням стічні води направляють на проціджування через грати і сита, які встановлюють перед відстійниками з метою витягання з них крупних домішок.

Осадженням називається розділення рідких неоднорідних систем шляхом виділення з рідкої фази твердих або рідких зважених часток під дією сили тяжіння, відцентрової сили. Відповідно розрізняють гравітаційне відстоювання і центрифугування.

Осадження відстоюванням відбувається під дією сили тяжіння.

Для проведення процесу використовують пісколовки, відстійники і освітлювачів. У освітлювачах одночасно з відстоюванням відбувається фільтрація стічних вод через шар зважених часток.

1.7.1 Фільтрування стічних вод

В процесі очищення стічних вод доводиться мати справу з великою кількістю води, тому застосовують фільтри, для роботи яких не вимагається високих тисків. Виходячи з цього, використовують фільтри з сітчастими елементами (мікрофільтри і барабанні сітки) і фільтри із зернистим шаром, що фільтрує.

Механізм витягання часток з води на фільтрах із зернистою перегородкою:

1) проціджування з механічним витяганням часток;

2) гравітаційне осадження;

3) інерційне захоплення;

4) хімічна адсорбція;

5) фізична адсорбція;

6) адгезія;

7) коагуляційне осадження;

8) біологічне вирощування.

У загальному випадку ці механізми можуть діяти спільно і процес фільтрування складається з 3-х стадій:

1) перенесення часток на поверхню речовини, створюючої шар;

2) прикріплення до поверхні;

3) відривши від поверхні.

По характеру механізму затримання зважених часток розрізняють 2 види фільтрування:

1) фільтрування через плівку (осад) забруднень, що утворюються на поверхні зерен завантаження;

2) фільтрування без утворення плівки забруднень.

1.7.2 Фізико-хімічні методи очищення стічних вод

До фізико-хімічних методів очищення стічних вод відносять коагуляцію, флотацію, адсорбцію, іонний обмін, екстракцію, ректифікацію, випаровування, дистиляцію, зворотний осмос і ультрафільтрацію, кристалізацію, десорбцію і ін. Ці методи використовують для видалення із стічних вод тонкодисперсних зважених твердих і рідких часток, розчинних газів, мінеральних і органічних речовин.

Використання фізико-хімічних методів для очищення стічних вод в порівнянні з біохімічним має ряд переваг:

1) можливість видалення із стічних вод токсичних, біохімічно неокислюваних органічних забруднень;

2) досягнення глибшої і стабільнішої міри очищення;

3) менші розміри споруд;

4) менша чутливість до змін навантажень;

5) можливість повної автоматизації; 6) глибша вивчена кінетики деяких процесів, а також питань моделювання, математичного опису і оптимізації, що важливе для правильного вибору і розрахунку апаратури;

7) методи не пов'язані з контролем за діяльністю живих організмів;

8) можливість рекуперації різних речовин.

1.7.4 Хімічні методи очищення стічних вод

До хімічних методів очищення стічних вод відносять нейтралізацію, окислення і відновлення. Їх застосовують для видалення розчинних речовин і в замкнутих системах водопостачання. Хімічне очищення проводять інколи як попередню перед біологічним очищенням або після неї як метод доочистки стічних вод.

1.7.5. Процеси біохімічного очищення стічних вод

Біохімічні методи застосовують для очищення господарчо-побутових і промислових стічних вод від багатьох розчинених органічних і деяких неорганічних (сірководню, сульфідів, аміаку, нітриту) речовин. Процес очищення заснований на здатності мікроорганізмів використовувати ці речовини для живлення в процесі життєдіяльності, оскільки органічні речовини для мікроорганізмів є джерелом вуглецю.

1.7.6. Термічні методи очищення стічних вод

Термічними методами знешкоджуються стічні води, що містять мінеральні солі кальцію, магнію, натрію і ін., а також органічні речовини. Такі стічні води можуть бути знешкоджувані:

- концентрацією стічних вод з подальшому виділенням розчинених речовин;

- окисленням органічних речовин у присутності каталізатора; - рідиннофазним окисленням органічних речовин;

- вогневим знешкодженням.

1.8. Гідромеханічні методи обробки рідких відходів