Экологическая защита и экологическая безопасность

Экологическая (инженерная) защита - совокупность научных и инженерных принципов по улучшению природной среды, обеспечивающих чистую воду, воздух и землю для обитания человека и других организмов, а также по очистке загрязненных участков. С целью достижения максимальной экологической безопасности хозяйственной деятельности человека и снижения риска антропогенного воздействия на окружающую среду, необходимо осуществлять разработку, проектирование, наладку, эксплуатацию и совершенствование природоохранной техники и технологии, организуют природоохранную работу на предприятиях и территориально-промышленных комплексах, проводить экспертизу проектов, технологий и производств, осуществлять сертификацию продукции. Природоохранные мероприятия классифицировать по двум основным направлениям: 1) мероприятия, проводимые с целью предотвращения негативных воздействий на окружающую среду; 2) мероприятия, направленные на ликвидацию последствий вредных воздействий.

Инженерные природоохранные мероприятия делят на две группы.

Мероприятия, снижающие выброс загрязняющих веществ и уровень вредных воздействий:

- совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных и безотходных технологий;

- изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов (удаление серы из топлива, переход с угля на нефть или газ, с бензинового топлива на водородное и др.);

- установка очистных сооружений с последующей утилизацией улавливаемых отходов;

- комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением среды;

- научно-исследовательские и научно-технические разработки, результаты которых делают возможным и стимулируют внедрение перечисленных выше мер - разработка стандартов на качество окружающей природной среды, оценка экологической емкости экосистем, проектирование новых технологий, создание системы эколого-экономических показателей хозяйственной деятельности и др.

Мероприятия, позволяющие снижать степень распространения загрязняющих веществ и других вредных воздействий:

- строительство высоких и сверхвысоких труб, выпусков сточных вод различных конструкций для оптимизации условий их разбавления и др.;

- нейтрализация выбросов, их захоронение и консервация;

- доочистка используемых ресурсов перед поступлением потребителю (установка кондиционеров и воздуховодов для очистки воздуха в помещениях, метро, очистка водопроводной воды и др.);

- устройство санитарных охранных зон вокруг промышленных предприятий и на водных объектах, озеленение городов и поселков;

- оптимальное расположение промышленных предприятий и автотранспортных магистралей (с учетом гидрометеорологических факторов) для минимизации их отрицательных воздействий;

- рациональная планировка городской застройки с учетом розы ветров и шумовых нагрузок и др.

Большое значение имеет рациональное распределение средств между двумя рассмотренными направлениями. Если десять - двадцать лет назад во многих отраслях предпочтение часто отдавалось более дешевым и эффективным с позиций отдельного района мероприятиям второй группы, то теперь чаще применяются мероприятия первой группы.

Стратегические мероприятия - это разработка ресурсосберегающих, мало- и безотходных технологий. Инженерным идеалом должна стать безотходная технология.

Однако трудно представить, например, оборотное водоснабжение в коммунальном хозяйстве, особенно при сбросе огромных объемов бытовых сточных вод. Поэтому совершенствование технологий очистки вредных выбросов в атмосферу и сточных вод еще долгое время будет оставаться проблемой первостепенной важности. Технология, требующая значительных затрат на очистные сооружения, в конечном счете должна смениться технологией, более эффективной экономически и более совершенной в экологическом отношении.

Рассмотрим некоторые принципиальные схемы очистки выбросов в атмосферу и сточных вод, а также размещения, детоксикации и утилизации твердых отходов.

Очистка газовых выбросов в атмосферу. Для очистки газовых выбросов обычно используют осаждение пыли в гравитационном, центробежном, электрическом или акустическом полях, методы абсорбции, хемосорбции и реагентные, Очистка газовых выбросов от чаще всего осуществляется в аппаратах – циклонах (рис. 8.1).

Газовый поток вводится через входной патрубок внутрь корпуса и совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежной силы на стенке циклона образуется пылевой слой.

Рисунок 8.1- Цилиндрический циклон

 

Отделение пыли от газа происходит за счет поворота газового потока в бункере на 180°. Очищенный от пыли газовый поток образует вихрь и покидает циклон через выходную трубу.

Для расчета циклонов необходимы следующие исходные данные: количество очищаемого газа при рабочих условиях V _г, м³*с ¹; плотность газа при рабочих условиях р, кг*м ^-3; динамическая вязкость газа при рабочей температуре μ, Па*с ^-1; дисперсный состав пыли, задаваемый параметрами запыленности газа (С_вх, г*м ^-3), плотностью частиц (р_г, кг*м ^-3); требуемый эффект очистки газа η.

Для фильтрования газов от пыли используют различные тканевые, с набивкой или с насыпным фильтрующим слоем. Основную группу составляют разнообразные тканевые фильтры (табл. 8.1).

Таблица 8.1- Свойства фильтрующих тканей

Основное волокно	Средний диаметр частиц, мм	Термостойкость, °С	Устойчивость к воздействию		Удлинение при разрыве %	Пористость %
			кислот	щелочей
Хлопок	20	65 - 80	Низкая	Высокая	7-8	60
Шерсть	27	80 - 100	Невысокая	Низкая	30-40	86
Капрон	-	65	—//—	Высокая	20-25
Нитрон	24	130	Высокая	Невысокая	16-22	83
Лавсан	20	140	—//—	—//—	20-25	75
Стекло	8	250 -300	—//—	—//—	2-3	55

 

Электрофильтры - наиболее совершенные аппараты для очистки газов от частиц пыли и тумана. Процесс очистки основан на так называемой ударной ионизации газа в зоне разряда. Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, частично ионизированы за счет внешних воздействий. При достаточно большом напряжении, подаваемом на электроды, в электрическом поле движение ионов и электронов настолько ускоряется, что, сталкиваясь с молекулами газа, они ионизируют их, расщепляя на положительные ионы и электроны. Образовавшийся поток ионов ускоряется электрическим полем, и реакция повторяется (наступает лавинообразный процесс). Этот процесс называется ударной ионизацией. Электрофильтры обычно делают с отрицательными электродами, при этом положительно заряженные частицы под действием электростатических, аэродинамических сил и силы тяжести осаждаются. Периодическая очистка фильтра достигается встряхиванием электродов. В промышленности используют несколько типов конструкций сухих и мокрых электрофильтров. В зависимости от формы электродов различают трубчатые и пластинчатые электрофильтры (рис. 8.2).

Очистка выбросов от газообразных токсичных примесей осуществляется с использованием: 1) абсорбции (лат. absorptio - всасывание, растворение)

промывки выбросов жидкими растворителями; 2) хемосорбции - промывки растворами реагентов, химически связывающими примеси; 3) адсорбции (лат. adsorbere - поглощение) - поглощения примесей твердыми активными веществами; 4) химических превращений примесей в присутствии катализаторов (каталитических методов).

Рисунок 8.2- Пластинчатый электрофильтр

При абсорбции поглощающую жидкость (абсорбент) выбирают в зависимости от растворимости в ней удаляемого газа, температуры и его парциального давления. Например, для удаления из технологических выбросов аммиака NH₃, хлорводорода НCl или фторводорода HF целесообразно в качестве абсорбента применять воду, так как растворимость этих газов в воде велика - сотые доли грамма на 1 кг воды. В других случаях можно применять раствор серной кислоты (для улавливания водяных паров) или вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов) и др. гегенерация растворителя, т. е. десорбция из него газов, проводится путем повышения температуры или понижения давления в термических или вакуумных десорберах.

Хемосорбция основана на поглощении газов реагентами с образованием малолетучих или малорастворимых соединений.

Адсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси твердыми веществами. При физической адсорбции молекулы адсорбента не вступают в химическое взаимодействие с молекулами газовой смеси. Требования к адсорбентам: большая адсорбционная способность, селективность (лат. selectio - выбор, отбор), химическая инертность, механическая прочность, способность к регенерации, низкая стоимость. Наиболее распространенные адсорбенты - активные угли, силикагели, алюмосиликаты. С увеличением температуры адсорбционная способность снижается. На этом свойстве основан процесс регенерации, которую осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры выше рабочей, либо продувкой его горячим паром или воздухом.

Каталитические методы очистки газов основаны на использовании катализаторов, ускоряющих химические реакции. В последние годы каталитические методы применяются для нейтрализации выхлопных газов автомобилей, т. е. превращения токсичных оксидов азота NO и углерода СО в нетоксичные: газообразный азот N₂ и диоксид углерода СО₂. При этом используют различные катализаторы: медно-никелевый сплав, платину на глиноземе, медь, никель, хром и др.:

Очистка сточных вод. В зависимости от типа процессов, протекающих в очистных сооружениях, различают механическую, физико-химическую и биологическую очистку сточных вод. На очистных сооружениях образуются большие массы осадков, которые подготавливают к дальнейшему использованию: обезвоживают, сушат, обезвреживают и обеззараживают. При необходимости сточные воды, прошедшие сооружения полной биологической очистки, подвергают доочистке. После очистки, перед сбросом в водоемы, сточные воды должны обеззараживаться с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.

Механическая очистка предназначена для задержания нерастворенных примесей. К сооружениям для механической очистки относятся: решетки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей, песка), отстойники (для медленно оседающих и плавающих примесей) и фильтры (для мелких нерастворенных примесей). Специфические загрязнения производственных сточных вод удаляются с помощью жироловок, нефтеловушек, масло- и смолоуловителей и др. Очистные сооружения располагаются по высоте обычно таким образом, чтобы вода из одного в другое поступала самотеком. Механическая очистка - это, как правило, предварительная ступень перед биологической очисткой. В некоторых случаях можно ограничиться механической очисткой: например, если небольшое количество сточных вод сбрасывается в очень мощный водоем, или, если вода после механической очистки повторно используется на предприятии. При механической очистке удается задерживать до 60 % нерастворенных примесей.

Физико-химические методы очисти применяются, в основном, для производственных сточных вод (в случае бытовых стоков их применение ограничено по экономическим соображениям). К этим методам относятся: реагентная очистка (нейтрализация, коагуляция, озонирование, хлорирование и др.), сорбция, экстракция (лат. extrahere - извлекать), эвапорация (лат. evaporatio - выпаривание), флотация, электродиализ и др.

Наибольшее распространение находят методы реагентной очистки с применением коагулянтов, в качестве которых используют сернокислый алюминий AI₂(S0₄)₃, хлорное железо FeCl₃, сернокислое железо Fe₂(S0₄)₃, известь СаСО_э и др. Соли-коагулянты способствуют укрупнению частиц, образуя хлопья, что делает возможным дальнейшее осаждение и фильтрование мелких нерастворенных, коллоидных и частично растворенных примесей. В ряде случаев физико-химическая очистка обеспечивает такое глубокое удаление загрязнений, что последующая биологическая очистка не требуется (рис. 8.3).

Рисунок - 8.3. Технологическая схема очистной станции с физико-химической очисткой сточных вод

Биологическая очистка сточных вод основана на использовании микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности разрушают органические соединения, т.е. минерализуют их. Микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии. Сооружения биологической очистки условно делят на два типа: сооружения, в которых процессы протекают в условиях, близких к естественным, и те, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях. К первым относятся поля фильтрации и биологические пруды, ко вторым - биофильтры и аэротенки.

Поля фильтрации - это земельные участки, искусственно разделенные на секции, по которым равномерно распределяется сточная вода, фильтрующаяся через поры грунта. Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы. На поверхности почвы образуется биологическая пленка из аэробных микроорганизмов, способных минерализовать органические вещества. Кислород может проникать в грунт на глубину до 30 см; глубже минерализация осуществляется в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.

Биологические пруды - это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные биохимические процессы самоочищения воды в аэробных и анаэробных условиях. Пруды сооружаются как для первичной биологической очистки, так и для доочистки сточных вод после биофильтров и аэротенков. Насыщение воды кислородом происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза, но может применяться и искусственная аэрация.

Биофильтры - сооружения, в которых создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов. Это резервуары с фильтрующим материалом, дренажем и устройством для распределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности загрузки, профильтровывается и отводится во вторичный отстойник. На поверхности фильтра постепенно созревает биопленка из различных микроорганизмов, которые выполняют ту же функцию, что и на полях фильтрации, т. е. минерализуют органические вещества. Отмершая биопленка смывается водой и задерживается во вторичном отстойнике.

Аэротенк - это резервуар, в который поступают сточная вода после механической очистки, активный ил и непрерывно воздух. Хлопья активного ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов-минерализаторов (бактерий, простейших, червей и др.). Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов необходима постоянная аэрация воды. Из аэротенка сточная вода в смеси с активным илом поступает во вторичные отстойники, где ил осаждается. Основная масса его возвращается в аэротенк, а вода подается в контактные резервуары для хлорирования – обеззараживания.

Обработка осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод, производится с целью снижения их влажности и объема, обеззараживания и подготовки к утилизации. На решетках задерживаются грубые отбросы (тряпки, бумага, остатки продуктов и пр.), которые вывозят на свалки или после дробления направляют в специальные сооружения. Песок из песколовок поступает на песковые площадки для обезвоживания, а затем вывозится и используется по назначению.