Основные направления инженерной защиты ОПС от загрязнения и других видов антропогенного воздействий — внедрение ресурсосберегающей, безотходной и малоотходной технологии, биотехнологии, утилизация и детоксикация отходов и, главное, — экологизация всего производства, при котором обеспечивалось бы включение всех видов взаимодействия с ОС в естественные циклы круговорота веществ.
Эти принципиальные направления основаны на цикличности материальных ресурсов и заимствованы в природе, где, как известно, действуют замкнутые циклические процессы.
Технологические процессы, в которых в полной мере учитываются все взаимодействия с окружающей средой и приняты меры к предотвращению отрицательных последствий, называют экологизированными.
Производственный экологизированный процесс, управляемый человеком, подобно естественной экологической системе, должен следовать биосферным законам и в первую очередь закону круговорота веществ.
Другой путь, например, создание всевозможных, даже самых совершенных очистных сооружений, не решает проблемы, так как это борьба со следствием, а не с ее причиной. Основная причина загрязнения биосферы — это ресурсоемкие и загрязняющие технологии переработки и использования сырья. Эти, так называемые, традиционные, технологии и приводят к огромному накоплению отходов и к необходимости очистки сточных вод и утилизации твердых отходов.
Принципиально новый подход к развитию всего промышленного и сельскохозяйственного производства — создание малоотходной и безотходной технологий.
В соответствии с Декларацией Европейской экономической комиссии ООН (1984) под безотходной технологией понимают такой способ производства продукции (процесс, предприятие, территориально-производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле: сырьевые ресурсы — производство — потребитель — вторичные отходы, таким образом, что любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования.
Другими словами, под безотходной технологией понимают такой способ производства, который обеспечивает максимально полное использование перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов.
Достижения полной безотходности нереально, поскольку противоречит второму началу термодинамики, поэтому термин “безотходная технология” условен. Технологию, позволяющую получить минимум твердых, жидких и газообразных отходов, называют малоотходной технологией, и на современном этапе развития научно-технического прогресса она является наиболее реальной.
Огромное значение для снижения уровня загрязнения ОС, экономии сырья и энергии имеет повторное использование материальных ресурсов, т.е. рециркуляция. Так, производство алюминия из металлолома требует всего 5% энергозатрат от выплавки из бокситов, причем переплав 1 т вторичного сырья экономит 4 т бокситов и 700 кг кокса, снижая одновременно на 35 кг выбросы фтористых соединений в атмосферу.
В комплекс мероприятий по сокращению до минимума количества вредных отходов и уменьшения их воздействия на ОПС входят:
· разработка различных типов бессточных технологических систем и водооборотных циклов на основе очистки сточных вод;
· разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы;
· создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;
· создание принципиально новых производственных процессов, позволяющих исключить или сократить технологические стадии, на которых происходит образование отходов.
Одним из важнейших направлений в области создания безотходных и малоотходных производств является переход на новую экологическую технологию с заменой водоемких процессов безводными или маловодными.
Разработка безотходных и безводных технологических процессов — наиболее рациональный способ защиты ОПС от загрязнения, позволяющий значительно уменьшить антропогенную нагрузку. Однако исследования в этом направлении еще только начинаются, поэтому в различных областях промышленности и сельского хозяйства уровень экологизации производства далеко неодинаков. Имеются отдельные положительные примеры достигнутого в отдельных отраслях черной и цветной металлургии, теплотехники, машиностроения, химической промышленности, однако подобные достижения сопряжены с огромными проблемами различного характера — организационными, научно-техническими, финансовыми и др., и поэтому современное производство еще долгое время будет потреблять для своих нужд огромное количество воды, иметь отходы и вредные выбросы.
В последние годы в кругах экологов все больший интерес проявляется к биотехнологическим процессам, основанным на создании необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов.
Применительно к охране ОПС биотехнологию можно рассматривать как разработку и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации.
Биотехнология нашла широкое применение в охране ОПС, в частности, при решении следующих прикладных вопросов:
· утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания;
· биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений;
· микробном восстановлении загрязненных почв, получении микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках сточных вод;
· компостировании (биологическом окислении) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.);
· создании биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха.
Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения его вредными веществами используют следующие меры:
· рассеивание газовых выбросов в атмосфере;
· очистку газовых выбросов от вредных веществ;
· экологизацию технологических процессов.
Наиболее радикальная мера охраны воздушного бассейна — это третий из перечисленных метод, т.е. создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ.
Учитывая значительную роль автотранспорта в загрязнении атмосферы, первоочередной проблемой является создание экологически чистых видов транспорта. Данная проблема решается разными путями: и поиск более безвредного, чем бензин, топлива, и замена карбюраторного двигателя другими двигателями. К сожалению, нынешней уровень развития экологизации технологических процессов недостаточен для полного предотвращения выбросов токсичных веществ в атмосферу. Поэтому на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, сажи, золы) и токсичных газо- и парообразных примесей.
Очистка воздуха от пыли и капельных примесей. Для этих целей применяют различные пыле- и туманоулавливающие аппараты и системы, которые по принципиальным особенностям процесса очистки можно разделить на четыре группы: 1) сухие механические пылеуловители, в которых пыль и капли жидкости отделяются под действием сил тяжести, инерции или центробежной силы; 2) мокрые или гидравлические устройства, в которых взвешенные частицы улавливаются жидкостью;3) фильтрующие устройства, в которых частицы задерживаются пористым фильтрующим материалом; 4) электрические пылеуловители, в которых взвешенные частицы заряжаются и притягиваются к электродам противоположного знака.
В сухих пылеуловителях взвешенные частицы отделяются от воздушного потока за счёт сил тяжести, инерции или центробежных сил. По конструкции это пылеосадочные камеры, циклоны, ротационные, вихревые, радиальные и жалюзийные пылеуловители.
Наиболее простыми устройствами этого типа являются пылеосадочные камеры, в которых за счёт увеличения сечения воздуховода скорость пылевого потока резко падает, вследствие чего частицы пыли выпадают под действием сил тяжести. Эти устройства используются для очистки от крупных пылей, применяются в основном для предварительной очистки воздуха.
Более эффективными сухими пылеуловителями являются различные инерционные аппараты, в которых пылевой поток резко меняет направление своего движения, что способствует выпадению частиц пыли. Наибольшее распространение среди этих аппаратов получили циклоны различной конструкции. Принципиальная схема одного из них, а, именно, цилиндрического циклона выглядит следующим образом (рисунок). Состоит он из двух цилиндров: наружного 1, к которому в верхней части по касательной подсоединён патрубок 2, а в нижней части – конус 4 и пылесборник (бункер) 5, и внутреннего 3, к которому в верхней части подсоединяется труба, отводящая очищенный воздух. Запылённый воздух поступает в циклон через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности корпуса, где совершает нисходящее спиралеобразное движение вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежной силы частицы пыли прижимаются к внутренним стенкам наружного цилиндра и скатываются в пылесборник. В бункере поток воздуха меняет направление на 180°, теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение частиц пыли из потока. Освободившись от пыли, газовый поток образует вихрь, выходит из бункера и выбрасывается через выхлопную трубу.
Циклоны предназначены для улавливания сухой пыли, золы дымовых газов котельных, работающих на твёрдом топливе, пыли из сушилок и тому подобное при начальной запылённости 0,3-4000 г/м3, имеют производительность 100-68000 м3/ч, обеспечивают эффективность очистки от 0,83 до 0,975 для пыли с размером частиц более 20 мкм.
Достоинством циклонов является их высокая эффективность, относительно малые габариты и низкая металлоёмкость. Часто из циклонов формируют группы или создают целые батареи из параллельно включённых циклончиков.
К инерционным пылеуловителям относятся также ротационные аппараты, в которых сепарация пыли происходит вследствие вращения ротора. Ротационные пылеуловители в сравнении с циклонами имеют значительно меньшие габаритные размеры и меньшую металлоёмкость, однако они не получили широкого распространения из-за относительной сложности конструкции и процесса эксплуатации.
Мокрые пылеуловители обладают рядом преимуществ перед другими типами пылеуловителей. При мокром пылеулавливании достигается контакт запылённого потока с жидкостью в виде капель или плёнки, благодаря чему мокрые аппараты являются высокоэффективными пылеуловителями, способными улавливать частицы размером до 0,1 мкм и конкурировать с фильтрационными пылеуловителями и электрофильтрами; они успешно применяются для обеспылевания высокотемпературных газов, взрыво- и пожароопасных сред, когда использование пылеуловителей других типов невозможно или нецелесообразно. С помощью аппаратов мокрого действия можно одновременно решать задачи пылеулавливания и очистки газов от газообразных веществ, охлаждения и увлажнения газов.
Вместе с тем мокрым аппаратам присущ ряд недостатков, ограничивающих область их применения: использование их требует наличия систем шламоудаления и оборотного водоснабжения, что удорожает процесс пылеулавливания; работа этих аппаратов сопряжена с неизбежными потерями дефицитной воды; сами аппараты и отводящие газоходы в большой степени подвержены коррозии, особенно при очистке агрессивных газов, требуют дополнительных мероприятий по антикоррозийной защите.
По способу действия мокрые пылеуловители обычно подразделяются на скрубберы Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, барботажно-пенные аппараты и др.
Наибольшее распространение получили скрубберы Вентури, являющиеся самыми эффективными аппаратами мокрой очистки газов. Данный аппарат состоит из трубы-распылителя (трубы Вентури) и каплеуловителя.
Очищаемый газ проходит через завесу воды. Благодаря высокой скорости вода дробится на мелкие капли и смачивает пыль. В диффузоре скорость газа уменьшается и капли слипаются (укрупняются). Это облегчает их отделение от газа. Каплеуловитель выполняет функции циклона, в котором капли оседают на его внутренней поверхности и стекают в шламосборник.
Скоростные газопромыватели Вентури просты по устройству и в эксплуатации, компактны, обладают высокой эффективностью очистки газов (0,96-0,98) от аэрозолей со средним размером частиц 1-2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/ м3. Однако высокие энергозатраты на очистку, обусловленные сопротивлением аппаратов до 2 кПа, повышенные удельные расходы жидкости (0,6-0,8 л/ м3), ограничивают область их применения.
Фильтры. Для эффективной очистки газа от пыли широко применяются различного типа фильтры – аппараты, действие которых основано на фильтровании запылённых газов через пористые перегородки – ткани, волокнистые материалы, насыпные зернистые слои. Осаждение частиц из газового потока в этом случае происходит под влиянием броуновской диффузии, эффекта зацепления, инерционных и электростатических сил. Уловленные в процессе фильтрации частицы по мере накопления образуют в объёме фильтрующего материала пылевой слой и становятся для вновь поступающих частиц также фильтрующей средой. С одной стороны, это повышает эффективность пылеулавливания, с другой, - приводит к постепенному снижению газопроницаемости фильтра. Последнее обстоятельство вызывает необходимость периодической регенерации фильтрующего материала, которая возможна путём замены забитого пылью фильтра или переснаряжения его новым фильтрующим материалом, а также посредством периодического механического разрушения и частичного удаления осадка с поверхности фильтрующего слоя.
Из аппаратов фильтрующего типа для очистки промышленных газов от пыли наибольшее распространение получили тканевые фильтры. Высокая степень очистки тканевых фильтров, средние капитальные и эксплуатационные затраты делают их конкурентоспособными с электрофильтрами и мокрой очистки.
В настоящее время искусственные фильтрующие материалы вытесняют материалы из хлопка и шерсти. Наиболее распространёнными синтетическими тканями и материалами являются:
- лавсановые ткани с прочностью в 3-5 раз большей, чем у шерстяных тканей, используют для очистки газов с температурой до 130-150°С; они обладают высокой стойкостью по отношению к кислотам, растворителям, а также к истиранию;
- нитрон обладает хорошей стойкостью к указанным химическим веществам, к истиранию, термостойкостью до 130°С.
Кроме названных тканей и материалов применяют также капроновые, полипропиленовые, а также новые материалы: оксалон, фенилон, полиоксидиазолы и др.
Общим недостатком рукавных фильтров является ограничение их применения в зависимости от температуры, влажности, химического состава газов и опасности пожара. К недостаткам всех видов фильтров можно отнести повышение их гидравлического сопротивления в процессе работы. Регенерация фильтрующего слоя иногда представляет большую сложность.
Электрофильтры. Наиболее совершенными и универсальными аппаратами для очистки воздуха от взвешенных частиц являются электрические фильтры. В основе их работы лежит осаждение взвешенных частиц под действием электрических сил. Электрофильтр представляет собой аппарат, в котором размещены коронирующие и осадительные электроды. Последние заземлены, а к коронирующим подводится выпрямленный ток высокого напряжения от преобразовательной подстанции.
Принципиально установки для электрической очистки газов состоят из двух частей: агрегатов питания и собственно электрофильтра. Агрегаты питания включают повышающий трансформатор с регулятором напряжения и высоковольтный выпрямитель. Собственно электрофильтр состоит из корпуса с входным и выходным патрубками, бункером для сбора уловленной пыли, пылевыпускным патрубком. В корпусе расположены осадительные и коронирующие электроды. Осадительные электроды в виде труб или пластин подключаются к заземлению и положительному полюсу выпрямителя. Коронирующие электроды, выполняемые чаще всего в виде проволоки, изолированы от земли с помощью изоляторов, и к ним подводится по кабелю выпрямленный ток высокого напряжения (до 50-80 кВ) отрицательной полярности.
Процесс улавливания пыли в электрофильтре можно разбить на стадии: электрическая зарядка взвешенных в газе частиц; движение заряженных частиц к электродам; осаждение их на электродах и удаление осаждённых частиц с электродов.
По способу удаления осаждённой на электродах пыли электрофильтры делятся на сухие и мокрые. В сухих фильтрах пыль удаляется с электродов путём стряхивания. Нормальная работа сухих элктрофильтров обеспечивается при температуре очищаемых газов выше температуры точки росы, что необходимо для предотвращения конденсации влаги и увлажнения пыли. Появление влаги в сухих аппаратах может вызвать осложнение при удалении пыли с электродов и их коррозии.
В мокрых электрофильтрах удаление пыли производится путём смыва её с поверхности электродов орошающей жидкостью. Температура очищаемого газа при этом должна быть выше или близкой к температуре точки росы. Мокрые электрофильтры могут также применяться для улавливания из газовых потоков жидких частиц в виде тумана или капель. В этом случае применяются аппараты без устройства для промывки электродов, так как осаждаемая влага самостоятельно стекает с них.
Электрофильтры широко применяются в теплоэнергетике, на горнодобывающих, перерабатывающих, металлургических и других предприятиях для очистки газов от пыли любой крупности при начальной запылённости до 50 г/м3. Кроме того, они используются для тонкой очистки газов от масляных туманов и смолы в различных отраслях промышленности.
Эффективность пылеулавливания в электрофильтрах составляет 0,96-0,99. Их работа может быть полностью автоматизирована. При работе электрофильтров эксплуатационные затраты небольшие. Однако капитальные затраты на их сооружение весьма велики, так как обычно аппараты отличаются повышенной металлоёмкостью, требуют сложных специальных агрегатов для электропитания и занимают большие площади. К другим их недостаткам относятся высокая их чувствительность к отклонениям от заданных технологических режимов и к незначительным дефектам внутреннего оборудования, невозможность применения для улавливания пылей с большим электрическим сопротивлением и в условиях образования взрывоопасных сред.