Экология и инженерная охрана природы

Второй вариант центробежного пылеуловителя - это так называемый ротационный пылеуловитель. Он более компактен чем циклон, т.к. вентилятор и пылеуловитель объединены в одном корпусе.

Вентиляторное колесо 1. Загрязнённый газ подаётся перпендикулярно плоскости рисунка. При работе вентиляторного колеса пылевые частицы за счёт центробежных сил отбрасываются к стенкам спиралеобразного корпуса 2 и движутся вдоль них к выходному отверстию 3, откуда попадают в специальный бункер. Очищенный газ выходит через трубу 4.

Мокрые аппараты для пылеочистки

Как мокрые, так и сухие аппараты имеют свои достоинства и свои недостатки.

Достоинства сухих аппаратов:

1) Получение конечного продукта без дополнительной очистки

2) Отсутствие коррозии

3) Малый объём хранилища конечного продукта

4) Длительный срок службы

Недостатки сухих аппаратов:

1) Большие размеры

2) Ремонт аппарата и удаление сухой пыли опасно для персонала

3) Сухая пыль очень гигроскопична, легко впитывает воду и слёживается

Достоинства мокрых аппаратов:

1) Одновременное улавливание пыли и вредных газов

2) Охлаждение и промывка горячих газов

3) Отсутствие опасности пожара или взрыва

4) Малые габариты

Недостатки мокрых аппаратов:

1) Возможность кристаллизации растворённых веществ

2) Необходимость отстаивания или фильтрования нерастворённых частиц

3) Коррозия

4) Возможность замерзания жидкости на холоде

Мокрые пылеулавливающие аппараты называют скрубберы.

Очистка газов от газообразных загрязнений

Все методы очистки газов от газообразных загрязненийделятся на три группы:

1) Абсорбция - это поглощение газа в объёме твёрдого или жидкого поглотителя, чаще всего - жидкости.

2) Адсорбция - это поглощение газа на поверхности твёрдого или жидкого поглотителя.

3) Термические методы.

Чистая абсорбция чаще всего проводится жидкими поглотителями и может осуществляться противоточно, когда газ и жидкость движутся в разных направлениях, и прямоточно, когда газ и жидкость движутся в одном направлении.

Движущей силой процесса является разность концентраций загрязняющего вещества в газе и жидкости.

Скорость переноса поглощаемого газа определяется:

1) Свободной поверхностью абсорбента

2) Движущей силой процесса

3) Коэффициентом «масса переноса»

Площадь абсорбирующей поверхности зависит:

1) От количества орошающей жидкости на единицу объёма газа

2) От размеров капель

3) От конструкции абсорбера

Коэффициент «масса переноса» зависит:

1) От скорости диффузии газовых молекул

2) Толщины переходного слоя на поверхности

3) Разности концентраций загрязняющего вещества в газе и жидкости

4) От температуры и давления в системе

Хемосорбция отличается от чистой абсорбции тем, что после поглощения вредное вещество вступает в химическую реакцию с каким-либо реагентом и переводится в безвредное состояние.

Хемосорбция применяется для очистки газов от:

1) Угарного газа

2) Углекислого газа

3) Оксидов серы

4) Оксидов азота

5) Сероводорода

6) Хлористого водорода

Биохимические методы основаны на способности микроорганизмов разрушать и перерабатывать различные соединения. Эти методы более всего применимы для очистки газов постоянного состава. При изменении состава газа микроорганизмы не успевают приспособиться и эффективность очистки падает. Высокая эффективность газоочистки достигается при условии, что скорость биохимического окисления вредных веществ превышает скорость их поступления с газом.

Различают две группы аппаратов биохимической очистки:

1) Биоскрубберы

2) Биофильтры

Биоскрубберы - это абсорбционные аппараты, в которых газ орошается водным раствором активного ила и вредные вещества разрушаются микроорганизмами присутствующими в активном иле. В биофильтрах очищаемый газ пропускается через фильтрующий слой, который орошается водой для создания необходимой влажности. Фильтрующим слоем служат природные или искусственные материалы, на которые наносится плёнка активного ила.

Адсорбция - это поглощение газов на поверхности твёрдого или жидкого поглотителя, чаще всего используются твёрдые пористые вещества.

Площадь поверхности адсорбента может быть очень велика и для некоторых веществ составляет несколько квадратных метров на грамм вещества. Поглощаемые вещества удерживаются в порах либо химическими силами (это химическая адсорбция) либо силами Ван-дер-Ваальса - это физическая адсорбция.

Газ адсорбируется в несколько стадий:

1) Перенос молекулы газа к поверхности твёрдого тела

2) Проникновение молекулы газа в поры твердого тела

3) Собственно адсорбция, т.е. удержание молекулы газа.

Лимитирующей для процесса является самая медленная из этих трёх стадий.

Движущей силой процесса является градиент концентрации загрязняющего вещества в газе и на поверхности твёрдого тела. С ростом концентрации этого вещества на поверхности, градиент концентрации уменьшается и преобладающим процессом становится равновесный обмен молекулами.

Адсорбция рекомендуется для газа с невысокими концентрациями загрязняющих компонентов. Поглощённые вещества удаляются из спор продувкой инертным газом, паром или термической десорбцией при нагревании.

Достоинствами этого метода являются:

1) Высокая степень очистки

2) Отсутствие жидкостей

а) Газы не охлаждаются

б) Нет необходимости в насосах и энергии на перекачку

Недостатками этого метода являются:

1) Очищаются только сухие и незапылённые газы

2) Скорость движения газа через аппарат очень мала

Термические методы

Основаны на способности горючих токсичных компонентов окисляться до менее токсичных при высокой температуре.

Преимущества этой группы методов:

1) Небольшие габариты установок

2) Простота обслуживания

3) Высокая эффективность обезвреживания

4) Низкая стоимость очистки

Область применения метода ограничивается характером веществ, получающихся при окислении. Так, если газовая смесь содержит фосфор, серу или галогены, то после окисления получаются вещества более токсичные, чем исходные.

Различают три схемы термических методов:

1) Прямое сжигание в пламени

2) Термическое окисление

3) Каталитическое окисление

Первая и вторая схемы осуществляются при температуре 600С⁰-800С⁰, а третья схема при температуре 250С⁰-400С⁰.

Выбор схемы определяется:

1) Химическим составом загрязняющих веществ

2) Концентрацией загрязняющих веществ

3) Начальной температурой выброса

4) Объёмным расходом газовой смеси

5) Предельно допустимыми выбросами загрязняющих веществ.

I-ая схема: прямое сжигание в пламени.

Проводится в тех случаях, когда выбрасываемые газы достаточно нагреты и приносят с собой не менее 50% общей теплоты сгорания. Одной из проблем этого метода является то, что температура пламени в факеле может достигать 1300С⁰. При наличии избытка кислорода и достаточном времени при такой температуре начинают образовываться окислы азота, которые чрезвычайно токсичны. Примером прямого сжигания является сжигание хвостовых газов на нефтеперерабатывающих заводах. Эти газы сжигаются в открытом факеле. Существует ряд конструктивных решений, которые позволяют осуществлять прямое сжигание в замкнутой камере. Так, существуют камерные дожигатели с открытым пламенем для нейтрализации отходов лакокрасочного производства.

II-ая схема: термическое окисление.

Применяется, когда выбрасываемые газы имеют достаточно высокую температуру, однако концентрация кислорода или горючих компонентов низка для поддержания открытого пламени. Эта схема проводится, в основном, в закрытых аппаратах с хорошим перемешиванием газового потока. При такой схеме отсутствует пламя, и, следовательно, можно снизить расходы на изготовление аппарата, а также отсутствуют выделения окислов азота.

III-я схема: каталитическое окисление.

Используется для превращения токсичных компонентов в менее токсичные за счёт введения в систему дополнительных веществ катализаторов. Катализатор, взаимодействуя с одним из компонентов газовой смеси, образует промежуточное соединение, которое затем распадается с образованием менее токсичного вещества и катализатора. Скорость каталитического окисления выше, чем термического, что позволяет сократить размеры аппарата. Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса оказывает температура газовой смеси. Для каждой каталитической реакции существуют минимальные температуры начала реакции, ниже которой катализатор не проявляет активность. С повышением температуры в заданном интервале эффективность каталитического процесса возрастает. Для осуществления процесса требуется незначительное количество катализатора, расположенного так, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. В большинстве случаев катализаторами являются металлы: серебро, платина, палладий или оксиды металлов: оксид меди, оксид ванадия. Катализаторы обычно наносят на огнеупорные материалы. Каталитическим процессам мешает пыль и каталитические яды. Такие методы, например, используются в каталитических коробках для очистки выхлопных газов автомобиля.

Очистка сточных вод

В зависимости от условий образования, сточные воды делятся на атмосферные, бытовые и промышленные.

Таблица: классификация примесей в сточных водах по фазово-дисперсному составу.

Группа	Размер частиц, см	Краткая характеристика
Г е т е р о г е н н ы е (м н о г о ф а з н ы е) с и с т е м ы
I) Взвеси	10-5см	Твёрдые нерастворимые примеси суспензии и эмульсии, обуславливающие мутность воды, а также микроорганизмы и планктон.
II)Ккалоидные растворы	10-5см, 10-6см	Ккалоидные и высокомолекулярные соединения, обуславливающие окисляемость и цвет воды
Г о м о г е н н ы е (о д н о ф а з н ы е) с и с т е м ы
III)Моле кулярные растворы	10-6см, 10-7см	Это газы и расворимые в воде органические соединения, придающие воде запахи и привкусы.
IV) Ионные растворы	Меньше, чем 10-7 см	Соли, основания и кислоты, обуславливающие минерализованность, жёсткость, кислотность или щёлочность воды.

Все сточные воды очищаются от примесей механическими, химическими, физико-химическими, биохимическими и термическими методами. Все методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. При рекуперации из сточных вод извлекаются и перерабатываются ценные вещества. При деструктивных методах загрязняющие вещества разрушаются, и продукты разрушения чаще всего удаляются из раствора в виде газа или осадка.

Механические методы очистки сточных вод

Делятся на три группы:

1) Процеживание

2) Отстаивание

3) Фильтрование

Используется для удаления из растворов твёрдых нерастворимых примесей.

Выбор метода зависит:

1) От размера твёрдых частиц

2) От физико-химических свойств частиц

3) От концентрации загрязняющих частиц

4) От требуемой степени очистки

Процеживание

Используется для удаления из раствора нерастворимых примесей крупных размеров. Осуществляется через решетки и сетки. Чаще всего используются неподвижные решётки, расположенные на пути следования раствора под углом 60⁰-75⁰. Размер поперечного сечения стержня решетки выбирается из условия минимальных потерь давления на решетке. Решетка очищается специальными механическими устройствами.

Отстаивание

Под действием силы тяжести. Для этого используются отстойники и безголовки.

Схема горизонтального отстойника совпадает со схемой горизонтальной пылеулавливающей камеры.

Рисунок вертикального отстойника:

Вода подаётся в отстойник через трубу 1, затем движется по кольцевому каналу, который образован цилиндрическим корпусом 2 и цилиндрической перегородкой 3. В процессе вертикально движения сточная вода встречает на своём пути отражающее кольцо 4, которое направляет воду во внутреннюю полость перегородки 3, а более тяжёлые частицы примеси продолжают своё движение вниз и накапливаются в сборнике 5. Накопившийся осадок периодически удаляют через трубу 7.

Отделение твёрдых примесей под действием центробежных сил происходит в гидроциклонах и центрифугах. Схема гидроциклона совпадает со схемой циклона для очистки газа от пыли. А схема центрифуги совпадает со схемой ротационного аппарата.

Фильтрование

Применяется для отделения от раствора нерастворимых примесей малых размеров и калоидных соединений. Разделение производится с помощью перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих дисперсную фазу.

Выбор перегородки зависит:

1) От свойств сточной воды

2) От температуры сточной воды

3) От давления фильтрования

4) От конструкции аппарата

В качестве перегородок используются металлические перфорированные *** и сетки, тканевые и зернистые перегородки.

Фильтры подразделяются по следующим признакам:

1) По характеру протекания процесса (периодические или непрерывные)

2) По виду процесса (Для разделения, для сгущения или для очистки)

3) По давлении при фильтровании (Под действием гидростатического давления столба жидкости, под повышенным давлением перед перегородкой, под вакуумом за перегородкой, по нправлению фильтрования, по конструктивным особенностям)

Химические методы очистки сточных вод

Существует три метода:

1) Нейтрализация

2) Окисление

3) Восстановление

Чаще всего, все эти методы связаны с расходом реагентов и поэтому достаточно дороги.

Нейтрализация

Сточные воды, содержащие кислоты и щелочи перед сбросом нейтрализуют.

Существуют следующие схемы нейтрализации:

1) Смешение кислых и щелочных сточных вод

2) Добавление регентов

3) Фильтрование сточных вод через нейтрализующие материалы

4) Абсорбция кислых газов щелочными сточными водами

5) Абсорбция аммиака кислыми водами

Выбор метода зависит:

1) От объёма сточных вод

2) От концентрации сточных вод

3) От режима поступления сточных вод

4) От наличия и стоимости реагентов

Нейтрализацию смешения применяют, когда на одном или близких предприятиях образуются и кислые и щелочные сточные воды.

При нейтрализации реагентами в случае кислых вод используются щёлочи, карбонаты или водный раствор аммиака.

Для нейтрализации щелочных вод используются минеральные кислоты и кислые газы.

Окисление

Здесь за счёт реакции окисления загрязняющие вещества разрушаются и переводятся в безвредное состояние. В качестве окислителя чаще всего используется газообразный или сжимаемый хлор, кислород воздуха или озон.

Очистка окислением связана с большим расходом реагентов и поэтому применяется в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно использовать другие методы, например, при очистке соединений мышьяка и циановых соединений.

Восстановление

Применяется, когда в растворе содержатся легко восстанавливающиеся вещества. Прежде всего, ионы тяжёлых металлов, таких как хром, ртуть и другие. Так, например, соединения ртути восстанавливаются до металлической ртути, которая затем отстаивается или отфильтровывается.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Электрохимическая очистка

Схема электролизёра:

Состоит из корпуса 1, положительного электрода-анода 2, и отрицательного электрода-катода 3.

Электролизёры могут быть проточные и непроточные. На аноде ионы отдают электроны, т.е. происходит реакция электрохимического восстановления.

Коагуляция - это слипание частиц калоидной системы при их столкновения в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.

В результате коагуляции образуются агрегаты, т.е. более крупные вторичные частицы, состоящие из более мелких первичных частиц. Первичные частицы соединены в таких агрегатах силами межмолекулярного взаимодействия или через прослойку растворителя. Коагуляция сопровождается прогрессирующим *** частиц и уменьшением их общего числа в объёме раствора.

Существует несколько видов коагуляции:

1) Термокоагуляция - когда за счёт повышения температуры увеличивается скорость движения молекул и, следовательно, количество их столкновений, и мелкие частицы быстро слипаются

2) Электрокоагуляция во внешнем электрическом поле

3) Реагентная коагуляция при добавлении реагентов

Флотация

Это процесс молекулярного прилипания загрязняющего вещества к поверхности раздела двух фаз - газ-жидкость. Этот процесс обусловлен избытком свободной энергии поверхностных слоёв, а также поверхностными явления ми смачивания.

С помощью этих методов сточные воды очищаются от нефти, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, масла и волокнистых материалов. Процесс флотации заключается в образовании комплекса частица-пузырёк газа, во всплывании этого комплекса на поверхность и удаления образующейся пены различными способами.

Существуют следующие конструктивные схемы флотации:

1) С выделением газа из раствора механическими методами

2) С механическим добавлением газа

3) Электрохимическая флотация, когда газ выделяется на одном или обоих электродах электролизера

4) Химическая флотация, когда газ выделяется в результате химических реакций

5) Биохимическая флотация, когда газ выделяется в результате деятельности микроорганизмов

Сорбция

Сорбция делится на адсорбцию и абсорбцию.

Всё, что сказано для газов, справедливо и для жидкостей.

Ионный обмен

Применяется для извлечения из сточных вод ионов металла, а также соединений мышьяка, фосфора, цианосоединений, а также радиоактивных веществ. Метод позволяет извлекать ценные вещества при высокой степени очистки. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твёрдой фазой, причём эта твёрдая фаза обладает свойством обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твёрдую фазу практически нерастворимы в воде, и называются ионитами. Если они поглощают положительно заряженные ионы - это катиониты, а если отрицательно заряженные ионы - это аниониты.

Биохимические методы очистки сточных вод

Применяются для очистки сточных вод от органических соединений, а также соединений азота и серы. В процессе образования своего органического вещества микроорганизмы разрушают загрязнителей, превращая воду, углекислый газ в сульфат и нитрат иона.

Биохимические методы подразделяются на две группы:

1) Аэробные (присутствие кислорода воздуха), которые могут проводиться в естественных условиях, например, на биологических прудах или в искусственных условиях, например, в биоскрупперах и биофильтрах

2) Анаэробные (без кислорода воздуха), которые используются для очистки высококонцентрированных осадков и стоков

Если сточные воды не могут быть очищены вышеперечисленными методами, то они подвергаются термической нейтрализации, сжиганию или закачиваются в глубинные скважины.

Захоронение и утилизация твёрдых отходов

Твёрдые бытовые отходы подвергаются захоронению, в основном, на городских свалках, где они разлагаются в течение десятков лет, с образованием ядовитых газов и сточных вод. Альтернативой городским свалкам являются мусороперерабатывающие заводы.

В нашей стране существует две основные причины, препятствующие строительству таких заводов:

1) Первые 2-3 года работы такие предприятия должны получать дотации от государства

2) Отсутствие сортировки отходов

Промышленные твёрдые отходы утилизируются на специальных полигонах. Под полигон выбирается территория, площадью не менее 50 Га, удалённая от ближайшего крупного населённого пункта не менее чем на 100 километров. Под полигон выбирается территория, которая подстилается водонепроницаемыми породами (гранит, базальт). Полигон окружается кольцевым валом из глины и кольцевым каналом для перехвата сточных вод с поверхности.

Полигон разделяется на несколько секторов:

1) Сектор для захоронения малотоксичных и нетоксичных отходов

2) Сектор для захоронения гальванических отходов

3) Сектор для захоронения органических отходов

4) Сектор для захоронения особо токсичных отходов, которые подлежат захоронению в герметических бетонных и металлических контейнерах

5) Сектор для сжигания горючих отходов и рекуперации тепла.