Основы промышленной экологии

Основные источники загрязнений и вредных воздействий на окружающую среду — это энергетические устройства, сжигающие твердое, жидкое и газообразное топлива, транспорт, предприятия черной и цветной металлургии, химическая, целлюлозно-бумажная и нефтеперерабатывающая промышленность, сельское хозяйство. Состав промышленных выбросов в атмосферу чрезвычайно раз­нообразен; в них содержатся сотни химических соединений в виде газов, аэрозолей или паров. Сжигание топлива и многие промыш­ленные процессы поглощают из атмосферы содержащийся в ней кислород. Выбросы в атмосферу и извлечение из нее кислорода приводят к глобальным и локальным изменениям воздушной сре­ды. Изменение основных компонентов атмосферы — азота, кисло­рода и диоксида углерода — пока незначительны, но они уже существуют и свидетельствуют о нарушении природного равновесия в атмосфере Земли. Повышение концентрации СО₂ может в бли­жайшем будущем вызвать изменение климата Земли. Всевозрастающее загрязнение атмосферы оксидами углерода и азота, фреонами и другими галогенметанами (CF₂C1₂, CF₂C1₃, ССl₄) ведет к глобальным изменениям в природе; разрушается слой озона, на­ходящийся в стратосфере и защищающий все живое на Земле от жестких излучений коротковолновой части солнечного спектра.

Выделение аэрозолей от предприятий и транспортных машин создает над современными промышленными городами и районами шапки мглы, препятствующие проникновению солнечных лучей. Высокая концентрация загрязнителей в воздухе над многими круп­ными городами опасна для здоровья людей, зеленых насаждении, а также служит причиной разрушения зданий. Около 85% от об­щего количества вредных веществ в выбросах в атмосферу при­ходится на долю диоксида серы, оксидов углерода и азота, углево­дородов, а также пыли. Во второй половине XX в. появился новым вид токсичных загрязнителей — радиоактивные вещества.

Загрязнение и отравление водных бассейнов земного шара — Мирового океана — вызывает не меньшую тревогу, чем загрязне­ние атмосферы.

Промышленные предприятия сбрасывают в водоемы огромные количества сточных вод, содержащих разнообразные токсичные вещества. Опасно загрязнение водоемов металлами — ртутью, свинцом, кадмием, цинком, хромом. Из промышленных отходов в воду попадает свыше миллиона наименований химических соединений, причем ежегодно появляются десятки тысяч новых веществ.

Другой причиной загрязнения водоемов является сельское хозяйство, при нерациональном ведении которого в реки и озера попадают удобрения и ядохимикаты. В результате широкого применения трудноразлагаемых ядохимикатов, содержащих ртуть и свинец, и попадания этих веществ в водоемы происходит накопле­ние токсичных соединений в растениях и организмах, в то время как вредители сельского хозяйства успевают адаптироваться к ядам.

Нефть попадает в Мировой океан при ее добыче и транспор­тировке танкерами. Она образует на поверхности воды тонкую пленку, изолирующую воду от воздуха, что изменяет режим кис­лородно-углеродного обмена, затрудняет испарение воды, т. е. на­рушает экологическое равновесие в этом районе.

Радиоактивные вещества попадают в Мировой океан с осадками из атмосферы, со сточными водами при авариях на атомных электростанциях, но больше всего в результате захоронения в океане контейнеров с радиоактивными отходами промышленных предприятий.

Ученые-гигиенисты разработали и утвердили нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) химических веществ в воздухе, воде и в почве.

Под предельно допустимой концентрацией химических веществ понимают такую концентрацию, которая не оказывает на человека прямого или косвен­ного влияния, не снижает его работоспособности, не сказывается отрицательно на самочувствии и настроении.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время определилось несколько основных направлений охраны биосферы, которые в конечном счете ведут к созданию безотходной технологии: 1) разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволяющих исключить образование основного количества отходов; 2) создание бессточных технологических систем и водооборотных циклов на базе наиболее эффективных методов чистки сточных вод; 3) переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья; 4) создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса.

Разработка и внедрение принципиально новых технологических процессов и систем, работающих по замкнутому циклу, позволя­ющих исключить образование основного количества отходов, явля­ется основным направлением технического прогресса.

Значительные успехи в этом направлении достигнуты в черной и цветной металлургии, при переработке материалов для ядер­ной техники, в химической промышленности. В черной металлур­гии, например, внедряется бескоксовый, бездоменный метод полу­чения железа прямым восстановлением концентратов железной руды водородом или синтез-газом; таким путем устраняются стадии металлургического процесса, наиболее загрязняющие биосфе­ру, — производство кокса и доменный процесс.

Экологически безвредны металлургические (и другие) процессы, осуществляемые при высоких температурах с помощью плазмы (инертный газ, нагретый до 30 000 К в высокотемпературной электрической дуге).

В химической промышленности давно применяют малоотходные рециркуляционные химико-технологические системы с практи­чески полным использованием исходных реагентов. Это, прежде всего каталитические процессы в газовой фазе с небольшим выходом продукта за один цикл — синтез аммиака, синтез метилового и этилового спиртов и др.

Создание бессточных технологических систем и водооборотных циклов на базе наиболее эффективных методов очистки сточных вод — важнейшее направление охраны гидросферы и снижения потребления природной воды промышленностью.

Переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья — самый распространенный способ уменьшения промышленных выбросов. Существует много способов утилизации отходов различных предприятий.

Наибольшее количество отходов использует в качестве сырья промышленность строительных материалов — цемента, кирпича, плит, блоков, труб, строительных растворов. Сырьем для произ­водства строительных материалов в первую очередь служат отходы добычи полезных ископаемых — углей, сланцев и руд (скаль­ные породы, песок), а также зола и шлаки переработки твердого топлива и металлургических предприятий. Гранулированные ме­таллургические шлаки служат традиционным сырьем производ­ства портландцемента, бетона, труб, плит, кирпича. Цементные заводы строят вблизи металлургических, в одном территориаль­но-промышленном комплексе, вырабатывая на основе отходов высококачественные строительные материалы.

Аммиачный способ, доминирующий в мировом производстве соды, дает огромное количество жидких отходов — дистиллерную жидкость, содержащую хлорид кальция, натриевые и аммонийные соли. Экологические недостатки аммиачного способа производства соды совмещены с малым коэффициентом использования основного сырья — хлори­да натрия: натрий используется всего на 70%, а хлор полностью попадает в отвал.

Помимо технологических мероприятий по утилизации и сокра­щению выбросов применяют и другие приемы — захоронение от­ходов под землей, уничтожение их сжиганием, термохимическую обработку и, наконец, биологический метод переработки отходов. Он основан на доведении отходов до такой формы, которая либо доступна действию микроорганизмов, либо самостоятельно быстро распадается или полностью окисляется, т. е. включается в общий круговорот природы.

Часто твердые и жидкие промышленные и бытовые отходы сжигают и подвергают их термохимической переработке. Эти при­емы применяют в масштабах городов и крупных промышленных комплексов, причем образующаяся при сжигании тепловая энер­гия используется для отопительных целей или для выработки электроэнергии.

Создание территориально-промышленных комплексов (ТПК с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри комплекса основано на комплексном использовании сырья.

СТОЧНЫЕ ВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И МЕТОДЫ ИХ ОЧИСТКИ

Промышленные сточные воды можно классифицировать по происхождению, т. е. по отраслям промышленности, по характеру технологических процессов, по фазово-дисперсному признаку и по составу. В табл. 1 показаны отрасли промышленности, сточные воды которых содержат наибольшее количество примесей, опас­ных для живой природы.

Таблица 1

Сточные воды, содержащие органические примеси, оказывают особо вредное влияние на биосферу. Вредное воздействие органи­ческих примесей промышленных стоков на водоемы и прилегаю­щие к ним районы весьма разнообразно и оценивается, в частно­сти, химическим и биохимическим потреблением кислорода. Косвенными показателями загрязненности сточных вод (и водоемов) органическими веществами служат окисляемость или химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое по­требление кислорода (БПК).

Под ХПК принимают массу кислорода (мг), необходимую для окислении 1 мг вещества в СО₂, Н₂О, NO₃^– или для окисления органических примесей, со­держащихся в 1 дм³ воды.

Под БПК принимают содержание кислорода (мг/дм³), израсходованного за определенный промежуток времени на аэробное биохимическое окисление (раз­ложение) нестойких органических веществ, содержащихся в воде.

Существующие методы очистки сточных вод (рис. 1) по их основному принципу разделяют на механические, физико-химиче­ские, биологические и термические.

Механические методы очистки включают в основ­ном отстаивание, осветление и фильтрацию. Эти наиболее доступ­ные приемы очистки от крупнодисперсных взвесей применяются как первая стадия в общей схеме очистки сточных вод. Для этих операций применяют типовое оборудование — отстойники, решет­ки, фильтры. Центробежную очистку от грубых взвесей проводят главным образом в гидроциклонах различных типов.

Физико-химические методы применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных ве­ществ. Это флотация, коагуляция и флокуляция, экстракция рас­творителями, дистилляция и ректификация, адсорбция, обратный осмос и др.

Флотация применяется для очистки от грубо- и мелкодис­персных взвесей. Принцип флотационной очистки, так же как и при обогащении твердого сырья, заключается в обра­зовании комплексов частица — пузырек воздуха, всплывании пу­зырьков и удалении образовавшегося слоя насыщенной примеся­ми пены с поверхности воды.

Для очистки стоков от мелкодисперсных и коллоидных приме­сей используют их удаление с помощью коагулянтов и флокулянтов, а также другие приемы, например электрокоагу­ляцию, т. е. электролиз с растворимыми катодами, выполненными из металлов (алюминия и железа), служащих коагулянтами. Коагуляцию осуществляют непосредственно после удаления круп­ных взвесей.

Для очистки от растворенных примесей применяют обратный осмос, ультрафильтрацию, электродиализ, ионный обмен, абсорб­цию, экстракцию, радиационно-химический метод.

Обратный осмос (гиперфильтрация) — это процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны, поры ко­торых диаметром около 1 нм пропускают молекулы воды, но не­проницаемы (или полупроницаемы) для гидратированных ионов солей или недиссоциированных молекул. Ультрафильтра­ция — разделение растворов, содержащих высокомолекулярные соединения, мембранами, поры которых имеют диаметр 5—200 нм.

Электродиализ применяется для опреснения воды. Это процесс раз­деления ионов неорганических соединений, проводимый в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе) под дейст­вием постоянного электрического тока. Электродиализатор 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.

Адсорбционный метод — один из наиболее доступных и эффективных способов глубокой очистки (доочистки) сточных вод от растворенных органических веществ. Сорбентами могут служить мелкодисперсные вещества с развитой поверхностью — опилки, зола, торф, глины, коксовая мелочь. Наиболее эффективные сорбенты — активные угли различных марок.

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.

Радиационно-химический 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 основана на биологическом окис­лении органических и некоторых неорганических веществ в резуль­тате деятельности микроорганизмов.

Земледельческие поля орошения— вид очи­стных сооружений, основанных на очищающих свойствах почвы и почвенной микрофлоры, воздействии воздуха, солнца и жизнедеятельности растений.

Биологические пруды часто используют для очистки и доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными соору­жениями.

Биологические фильтры 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.

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.

Термический способобезвреживания сточных вод за­ключается в полном окислении (сжигании) органических приме­сей с образованием СО₂, Н₂О, N₂ и зольного остатка. «Огневой метод» применяется для небольших объемов сточных вод, со­держащих особо токсичные примеси, при извлечении ценных раст­воренных минеральных примесей или для горючих отходов, которые могут быть использованы как топливо.

Метод жидкофазного окисления(мокрого сжигания) состоит в окислении органических примесей сточных вод кислородом воздуха под давлением 15 МПа и при 350°С.

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.

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 и б) газооб­разные и парообразные вещества.

Таблица 2

В настоящее время основной задачей газоочистки служит доведение содержания токсичных примесей в газовых примесях до предельно допусти­мых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами (табл. 2).

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 газоввключает 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 осаждениеосновано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа смалой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и пылеосадительных камерах. 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 осаждениеосновано на стремлении взве­шенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители сбольшим числом щелей (жалюзи). 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.

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).

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 распро­страненным приемом заключительной стадии механической очист­ки, в особенности для газов, подлежащих охлаждению. Применяются башни с насадкой (насадочные скрубберы), орошаемые циклоны (центробежные скрубберы), пенные аппараты, скрубберы Вентури

— высокоинтенсив­ные газоочистительные 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.

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.

Коагуляцию аэрозолей методом предварительной электриза­ции производят, например, пропусканием газа через электризационную камеру с коронирующими электродами, где происходит зарядка и коагуляция частиц, а затем через мокрый газоочисти­тель, в котором газожидкостный слой служит осадительным элек­тродом (рис. 4).

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.

Очистка газов от парообразных и газообразных примесей.

Промышленные способы очистки газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей можно разделить на три основные группы: 1) абсорбция жидкостями; 2) адсорбция твердыми поглотителями и 3) каталитическая очистка.

Абсорбция жидкостямиприменяется в промышленно­сти для извлечения из газов диоксида серы, сероводорода и дру­гих сернистых соединений, оксидов азота, паров кислот (НС1, HF, H₂SO₄), диоксида и оксида углерода, разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид, летучие растворители и др.)-

Адсорбционные методы основаны на избирательном извлече­нии из парогазовой смеси определенных компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью. Промышленные адсорбенты, чаще всего приме­няемые в газоочистке, — это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита).

Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых катализаторов, т. е. на зако­номерностях гетерогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в газе, превраща­ются в другие соединения, т. е. в отличие от рассмотренных мето­дов примеси не извлекаются из газа, а трансформируются вбез­вредные соединения, присутствие которых допустимо в выхлоп­ном газе, либо в соединения, легко удаляемые из газового пото­ка.

Термические методы обезвреживания газовых выбросов применимы при высокой концентрации горючих органических за­грязнителей или оксида углерода. Простейший метод — факельное сжигание — возможен, когда концентрация горючих загрязните­лей близка к нижнему пределу воспламенения.

УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Существуют следующие методы обезвреживания и захороне­ния твердых промышленных отходов: 1) биологическое окисление в условиях, моделирующих естественные; 2) термическая обработ­ка; 3) складирование отходов на поверхности земли и 4) захоро­нение особо вредных отходов на участках, не имеющих хозяйст­венного значения — овраги, карьеры, шурфы, траншеи, скважины.

Термическая обработка— наиболее надежный способ обезвреживания и утилизации твердых отходов. Сжигание осуще­ствляют в высокотемпературных химических реакторах — печах, обеспечивающих: 1) хорошее перемешивание для развития поверх­ности контакта фаз и для ускорения внешней и внутренней диф­фузии кислорода с целью максимального окисления органической части отходов; 2) высокую температуру, достаточную для полного обезвреживания токсичной части отходов.

Весьма перспективна термическая обработка твердых отходов методом пиролиза; продукты пиролиза могут служить энергетиче­ским топливом, а также сырьем для органического синтеза.

Захоронение твердых промышленных отходов в поверхностных хранилищах — наиболее распространенный пока способ их обезвреживания. Основной тип поверхностных хранилищ — шламонакопители, которые строят по каскадному принципу. Шламохранилища включают чашу, берега, плотину и дренажную систему, защищающую грунты под сооружением от фильтрационных дефор­маций и отводящую из хранилища загрязненные стоки для обезвре­живания.

Захоронение промышленных токсичных отходов на участках, не имеющих хозяйственного значения, производят после их стабили­зации обработкой связующими или цементирующими веществами— жидким стеклом, цементными растворами, битумами. Полученные блоки закладывают в карьеры, скважины, шурфы и другие естест­венные или искусственные углубления в поверхностных слоях зем­ли. Такой прием применяют для отходов, содержащих соединения ртути, мышьяка, цианидов, а также для слабо радиоактивных от­ходов.