Твердые бытовые отходы и их утилизация
Отходы – непригодные для производства данной продукции виды сырья, его не употребимые остатки или возникающие в ходе технологических процессов вещества (твердые, жидкие и газообразные) и энергия, не подвергающиеся утилизации в рассматриваемом производстве (в том числе с/х. и в строительстве).
Отходы одного производства могут служить сырьем для другого. Как правило, в категорию Отходы не включают природное вещество, неявно используемое в технологических циклах, - воздух, его кислород, проходящую «транзитом» воду и т.п. Нередко не учитываются и энергетические Отходы. При учете всех видов Отходов количество полезного общественного продукта составляет не более 2% от вовлекаемых природных веществ и энергии (остальные 98% составляют Отходы) Получение лучшего соотношения, видимо, принципиально не возможно, так как реутилизация ведет к значительным затратам энергии. Как правило, энергетический коэффициент полезного действия всех производственных процессов общества суммарно близок к 0,2% - степени утилизации солнечной энергии растительностью.
Отходы бытовые (коммунальные) - твердые (в том числе твердая составляющая сточных вод – их осадок) отбросы – 1 и др., не утилизуемые в быту, образуются в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей вещества (включая бани, прачечные, столовые, больницы, бытовые помещения предприятий и т.п.). Утилизация бытовых отходов – извлечение из них ценных (в основном металлов) и негорючих (стекло) компонентов с последующим сжиганием или сбраживанием органических веществ для получения энергии (непосредственно или через получение биогаза) и сырья. Выбросы до 250 кг/год. Разложение – стекло: 1000 лет; Полиэтилен – 200 лет.
Утилизация ТБО: захоронение; мусоросжигание; вторичная переработка; компостирование; полное сбраживание. Переработка: стекло à стекловолокно, вторичное использование; резиновые отходы à бензин. Компостирование (органические отходы). Сбраживание (бактериями) à спирт. Производство стройматериалов, компостов и т.п.
58.Гравитационные методы отделения твердой фазы. Достоинства и недостатки. Седиментация. Роль коагулянтов и флокулянтов. Фильтрация.
Гравитационные методы основаны на процессе осаждения грубодисперсных примесей под действием силы тяжести. Простое механическое осаждение (седиментация) производят в песколовках, отстойниках и осадителях различных конструкций.
Седиментация – разделение суспензий вследствие большей плотности дисперсной фазы относительно дисперсной среды, при котором частицы осаждаются, а жидкость осветляется. Эффективность осаждения зависит от размера, формы и плотности частиц, времени, температуры, и др. параметров. Для улучшения отделения твердой фазы седиментацией необходимо применение специальных веществ – коагулянтов и флокулянтов, способствующих агрегации частиц увеличению скорости осаждения взвесей. Коагуляция – слипание частиц друг с другом в результате сил притяжения и образование из них более сложных агрегатов. В качестве коагулянтов используют соли алюминия, железа и их смеси в разных пропорциях. Реже применяют соли магния, цинка и титана. При обработке коагулянтами образуются взвеси, имеющие чрезвычайно малый объемный вес, что ведет к медленному отстаиванию, а следовательно, к большим объемам аппаратов. Еще одним недостатком использования коагулянтов является то, что фильтрование необходимо вести при низких скоростях вследствие небольшой прочности хлопьев гидроксидов алюминия и железа и их слабой адгезионной способности. Наиболее эффективным методом ускорения и улучшения протекания процессов хлопьеобразования и седиментации является флокуляция. Флокуляция– такой вид агрегации частиц дисперсных систем, при которой в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их взаимодействие через молекулы адсорбированного флокулянта. В результате образуются хлопья, флоккулы, которые всплывают или опускаются на дно в виде рыхлого осадка. К качестве флокулянтов используют водорастворимые полимеры с полярными концевыми функциональными группами. Их действие основано на том, что концы цепе образных. полимерных макромолекул сорбируют взвешенные частицы и связывают их в рыхлые сетчатые трехмерные агрегаты. Для отделения из сточных вод взвешенных частиц седиментацией или методом отстаивания используют аппараты периодического и непрерывного действия. Отстойники периодического действия применяются при небольших объемах сточных вод или при их периодическом поступлении. Они представляют собой металлические или железобетонные резервуары до 100 м в длину с коническим днищем, из которых вода отбирается через сифон или специальные желоба. По мере накопления осадок периодически или непрерывно отводят из отстойников. Отстойники непрерывного действия, применяющиеся при больших расходах сточных вод, подразделяются на: горизонтальные, вертикальные и тонкослойные отстойники. Горизонтальный отстойникпредставляет собой прямоугольный резервуар, состоящий из нескольких отделений. Высота составляет 3-5 м, причем отношение длины к высоте должно быть не менее 10. Дно располагается под уклоном в сторону противоположную направлению движения воды, поскольку осадок неравномерно распределяется по дну отстойника и скапливается в первой половине. Вертикальный отстойникпредставляет собой железобетонный цилиндр с коническим дном. Вода подается в центральную трубу через сопла, закрепленные в виде неподвижного колеса. Выходя из сопла, вода приобретает вращательное движение и направляется сверху вниз. Для прекращения вращения воды в нижней части центральной трубы установлен гаситель. После выхода из центральной трубы осветляемая вода поднимается вверх, переливается в кольцевой желоб и отводится из сооружения по выпускной трубе. Образующийся на дне осадок удаляется из отстойника по отводной трубе. Скорость движения воды в отстойнике должна быть меньше скорости оседания хлопьев. Радиальный отстойникпредставляет собой круглый резервуар, в который суспензия подается через входную трубу снизу вверх, попадая в круговой желоб. В желобе вода движется от центра к периферии и скорость ее движения изменяется от максимального значения в центре до минимального у периферии. В очищенном растворе остаются частицы твердой фазы, то радиальные отстойники используются в качестве первичных, а также илоуплотнителей.
Тонкослойный отстойник представляет собой резервуар глубиной 0,2-0,3 м с полочными или трубчатыми вставками, расположенных под углом, обеспечивающие естественное сползание осадка к шламосборнику. Методы осаждения конструктивно просты, бесшумны и обладают малой энергоемкостью. Хотя из-за большой влажности отделенного осадка данные методы не применяют непосредственно для очистки от твердых примесей, но они получили распространение для сгущения очищаемой среды и первичного выделения осадков. Фильтрация – отделение твердой фазы с помощью пористой перегородки, пропускающей дисперсионную среду, но задерживающей дисперсную фазу. Фильтрующая перегородка задерживает твердые частицы либо своей поверхностью с образованием осадка, либо внутренней извилистой поверхностью микроканалов. Движущей силой является разность значений давления по обе стороны фильтрующей перегородки. Существуют сетчатые, волокнистые и зернистые фильтры. Сетчатые фильтрыслужат для задержания сравнительно грубых частиц. Их изготовляют из одного или нескольких слоев ткани или металлической сетки. Действие этих фильтров основано на механическом задерживании больших частиц, не проходящих через ячейки сетки, а также на инерционном осаждении частиц. Эффективность сетчатых фильтров заметно увеличивается по мере забивания их от фильтрованной дисперсной фазой, поскольку в результате образования на поверхности фильтра так называемого намывного слоя уменьшается диаметр отверстий. Поэтому иногда на тканевые фильтры перед их использованием наносят асбестовую пыль, особенно эффективную при фильтрации. Волокнистые фильтрыделают из фильтровальной бумаги, специального картона и некоторых других волокнистых материалов. Вследствие значительного гидравлического сопротивления эти фильтры применяют лишь при небольших скоростях течения фильтрующегося раствора (суспензии). С целью повышения производительности волокнистых фильтров часто изготавливают с «развернутой» (увеличенной) поверхностью. В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтр материалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и многослойными. Регенерация зернистых фильтров предусматривает промывку обратным потоком чистой воды или сжатым воздухом. Фильтрование под вакуумом применяется для очистки маловязких жидкостей. Степень очистки в вакуум-фильтрах не превышает, как правило, 80 %, но удельная производительность очистки наиболее высокая. Тонкость очистки в вакуум-фильтре определяется фильтрующими свойствами пористого элемента (ткани, бумаги и др.). Конструктивных разновидностей вакуум-фильтров много, однако наиболее распространенными являются барабанные, дисковые и ленточные фильтры.
59.Центробежные методы отделения твердой фазы. Особенности процесса. Напорные, открытые, многоярусные гидроциклоны. Принцип работы и схема гидроциклона.
Центробежные методы. Разделение твердой и жидкой фаз суспензий в поле ценробежных сил проводится в аппаратах двух типов: центрифугах и гидроциклонах. Следует отметить, что скорость разделения суспензий в гидроциклонах в 10-20 раз, а в центрифугах более чем в 1000 раз больше, чем при гравитационных методах.
Центрифугирование – разделение твердой и жидкой фаз под действием центробежной силы в аппаратах, вращающихся с большой скоростью. При вращении жидкости в центрифуге под действием центробежных сил поток жидкости устремляется к стенкам аппарата. Степень очистки сточной воды определяется центробежным эффектом, который зависит от радиуса центрифуги, угловой скорости и диаметра частиц. После центрифугирования для выделения конечного продукта необходимы процессы промывки и сушки осадка.
В циклонах отделение твердой фазы происходит под действием не только центробежных, но и центростремительных сил инерции.
Напорный гидроциклон состоит из цилиндрической и конической частей. Вращение жидкости в г/циклоне вызывается её впуском под давлением в тангенсальный потрубок, расположенный в верхней части цилиндра, где вращается жидкость , постоянно вращающийся поток жидкости движется через коническую часть циклона. Через насадку отводится выделенный осадок. очищаемая жидкость вытекает через сливной потрубок. в напорных гидроциклонах фактор разделения достигает 200. однако циклонам присущ низкий КПД, вследствие несовершенства гидродинамического режима работы аппаратов.
Многоярусные гидроциклоны. По принципу выделения твердых частиц из жидкости аналогичны напорным г/ц. Устройство в камере нескольких секций, через которые последовательно проходит очищаемый поток, позволяет более полно использовать объём г/циклона и уменьшить время пребывания жидкости в циклоне.
Открытые гидроциклоны применяют для отделения крупных механических частиц со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Преимущества открытых г/циклонов перед напорными большая производительность и малые потери напора.
60. Мембранные методы отделения твердой фазы - обратный осмос и ультрафильтрация.
Методы мембранного разделения условно делятся на микро-ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ. Наибольшие успехи, с точки зрения эффективности и технологичности разделения (отделения твердых примесей), достигнута помощью обратного осмоса и ультрафильтрации. Разделение частиц дисперсной системы под действием электрического поля можно отнести к электрохимическим методам.
Осмос - процесс, широко распространенный в природе. Суть его сводится к односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку между растворами равной концентрации. Осмос служит для отделения твердых частиц при незначительных объемах жидкости из отходов гальванических, химических, фармацевтических производств, содержащих пригодные к повторному использованию металлы, мономеры, димеры, лекарственные препараты и пр.
Устройства для обратного осмоса и ультрафильтрации делятся способу укладки мембран в объеме.
Аппараты типа "фильтр-пресс" с плоскими мембранами наиба распространены в настоящее время, отличаются сравнительной простотой изготовления деталей и сборки, но также и невысокой удельной производительностью вследствие малой плотности укладки, мембран. Такие аппараты состоят из плотно сжатых между двумя фланцами плоских фильтрующих элементов прямоугольной или круглой формы, разделенных тонкими (например, паронитовыми) прокладками. Последние образуют периферийные стенки каналов для прохода концентрируемой жидкости вдоль мембран. Фильтрующий элемент составлен из опорно-дренажной пластины, воспринимающей высокое давление и обеспечивающей отвод фильтрата. Опорно-дренажные пластины выполняются пористыми (из прессованных порошков полимеров, металлов, керамики), а также из сочетания различных материалов или сплошными (например, из винипласта), но с фрезерованными или сверлеными каналами для отвода фильтрата. Полупроницаемые мембраны в таких аппаратах - обычно полимерные пленки: ацетатцеллюлозные, нитроцеллюлозные, поливинилхлоридные, поликарбонатные, нейлоновые и т.д. Материал мембран вообще не является специфичным для каждой конструкции существующих аппаратов.
61 .Электрохимические методы отделения твердой фазы. Сущность метода электрофлотации. Особенности процесса электрофореза. Образование ДЭС в мицелле. Схема процесса электроосмоса.
Электрохимические методы отделения твердой. фазы основаны на комбинировании классических методов, таких как флотация, коагуляция, диализ, осмос и т.д. с методом электролиза. Такое комбинирование повышает эффективность отделения твердой фазы. Метод характеризуется высокой энергоемкостью, сложностью оборудования и обеспечивает разделение суспензии малых объемов. Флотация – разделение смеси твердых мелкозернистых веществ на основании различной смачиваемости компонентов водой.
Сущность метода электрофлотации состоит в том, что удаление твердых частиц дисперсной фазы осуществляется путем флотации их тонкодиспергированными пузырьками водорода и кислорода, образующимися в результате электролиза водной части осветляемой жидкости. При этом на катоде происходит реакция:
2 Н20 + 2е -> Н2 + 2 ОН-.
Образовавшиеся ОН" - ионы движутся в направлении анода, где отдают свой заряд с выделением кислорода:
4 ОН- -4ё -> 2 Н20 + 02.
Использование газов, выделяющихся при электролизе воды, приводитк изменению флотационных свойств в большей степени, чем использование обычных молекулярных газов, так как в момент образования эти газы более активны и выделяются в тонко диспергированном виде. Процесс электрофлотации существенно зависит от рН среды, материала электродов, температуры электролита, плотности тока и ряда других физико - хим-х факторов.
Электрофорез и электроосмос
Электрофорез – движение частиц дисперсной фазы в покоящейся дисперсионной среде под действием электрического поля.
Электроосмос – процесс переноса жидкости через пористую перегородку при наложении разности потенциалов. Причем установлено, что количество жидкости, прошедшей через пористую перегородку пропорционально силе тока, и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины перегородки.
Причина обоих явлений одна и та же - наличие разноименных зарядов у твердой и жидкой фазы. В зависимости от того, что является неподвижным жидкость или твердая поверхность, - наблюдается передвижение твердой фазы (электрофорез) или жидкости (электроосмос).
При электрофорезе в результате возникновения электрического поля между электродами, благодаря малому размеру частиц дисперсной фазы, происходит перенос отрицательно заряженной дисперсной фазы к положительному электроду. При электроосмосе под влиянием электрического поля по капиллярам перегородки к отрицательному электроду передвигается положительно заряженная жидкость.
Заряд на частицах, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, либо за счет ионизации поверхностных молекул вещества. При действии электрического поля на частицы, несущие двойной электрический слой, происходит явление, напоминающее электролиз. Если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них отрицательными потенциал определяющими ионами движутся к аноду, а положительно заряженные противоионы - к катоду. Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц и ионов меняется на обратное.
Аналогичное объяснение имеет явление электроосмоса. ДЭС в этом случае образуется на внутренней поверхности капилляров перегородки либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, присутствующего в жидкости, заполняющей капилляр, либо ионизации молекул вещества, из которого состоит капилляр, либо в - результате адсорбции на поверхности капилляра ионов ОН- и Н+. При наложении на капилляр электрического поля слой противоионов в капилляре будет смещаться параллельно неподвижному слою потенциал определяющих ионов к катоду, что вызовет и перемещение к катоду всей жидкости, заполняющей капилляр, под действием сил трения и молекулярного сцепления.