Теоретический материал. Атмосферный воздух — один из главных источников жизни на земле

Атмосферный воздух — один из главных источников жизни на земле. Потребность человека в воздухе зависит от его состояния, условий работы и колеблется от 15 до 150 тыс. л в сутки. Воздух используется и во многих производствах, поскольку служит окислителем в процессах горения.

При охране атмосферного воздуха устанавливают: нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых уровней (ПДУ) воздействия физических излучений; порядок разработки и утверждения предельно допустимых выбросов (ПДВ, ВСВ); единую систему учета вредных воздействий на атмосферный воздух; государственный контроль за охраной атмосферного воздуха и порядок его осуществления.

Атмосфера состоит из смеси газов и всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относятся: пыль (растительного, вулканического, космического происхождения, возникающая- при эрозии почвы, частицы морской соли); туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и пр. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

По распространению в пространстве загрязнения подразделяются на глобальные, региональные и локальные. Загрязнения могут быть от стационарных и подвижных источников.

Более устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Если в начале XX в.в промышленности применялись 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать около 50 элементов, а в 70-х годах — практически все элементы таблицы Менделеева. Это существенно сказалось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности, аэрозолями тяжелых и редких металлов; синтетическими соединениями, не существующими и не образующимися в природе; радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими веществами.

В России основное загрязнение атмосферы создают ряд отраслей промышленности, автотранспорт и теплоэнергетика. Их участие в загрязнении атмосферы составляет (%): черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, предприятия стройматериалов, химическая промышленность — 30; автотранспорт — 40; теплоэнергетика—30.

Самые распространенные токсичные вещества, загрязняющие атмосферу, — оксид углерода СО, диоксид серы SО₂, оксиды азота NOx, углеводороды СnHm, пыль. Основные примеси атмосферы и их источники приведены в табл. 4.1.

Примерный относительный состав вредных веществ в атмосфере больших городов (%): СО — 45, SОx—18, СnНm—15, пыль -12, NОx— 10.

Превышение концентраций токсичных веществ в загрязненном атмосферном воздухе над фоновым в среднем составляет: по СО —80—1250 и более; по SО₂—50—300; по NО₂ — до 25; по озону — до 7 раз.

Кроме СО, SОx, NОx, СnНm и пыли в атмосферу выбрасываются и другие более токсичные вещества. Так, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других минеральных кислот, органические растворители и т.п. В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, их количество все увеличивается, что требует действенных мер по очистке атмосферного воздуха.

Таблица 4.1

Примеси в атмосфере и их антропогенные источники

Примеси	Основные источники примесей	Среднегодовая концентрация в воздухе, мг/м3
антропогенные
Твердые частицы (зола, пыль и др.)	Сжигание топлива в промышленных и бытовых установках	В городах 0,04—0,4
SО2	Тоже	В городах до 1,0
N0 2	Промышленность, автотранспорт, теплоэлектростанции	В районах с развитой промышленностью до 0,2
СО	Автотранспорт, промышленные энергоустановки, черная металлургия, парфюмерия, производство лекарств	В городах от 1 до 50
Летучие углеводороды	Автотранспорт, дожигание отходов, испарение нефтепродуктов	В районах с развитой промышленностью до 3,0
Полициклические, ароматические углеводороды	Автотранспорт, химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы	В районах с развитой промышленностью до 0,01

Под выбросами понимается кратковременное или за определенное время (сутки, год) поступление в окружающую природную среду загрязняющих веществ и физических излучений. Величина выбросов нормируется. В качестве нормируемых показателей приняты предельно допустимый выброс (ПДВ) и временно согласованный с организациями охраны природы выброс (ВСВ).

Предельно допустимый выброс — это норматив, устанавливаемый для каждого конкретного источника исходя из условия, что от источника и всей совокупности окружающих его источников в городе или промышленном комплексе приземная концентрация вредных веществ с учетом их рассеивания и фона не превышает нормативов качества воздуха. Кроме нормируемых выбросов существуют аварийные и залповые выбросы.

Выбросы характеризуются количеством загрязняющих веществ, их химическим составом, концентрацией, агрегатным состоянием.

Промышленные выбросы подразделяют на организованные и неорганизованные. Под организованными выбросами понимаются выбросы, поступающие в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.

Неорганизованные выбросы поступают в атмосферу в виде ненаправленных потоков в результате нарушения герметизации, невыполнения требований охраны атмосферы при погрузке и выгрузке грузов, нарушения технологии производства или неисправности оборудования.

По агрегатному состоянию выбросы подразделяют на четыре класса: I:— газообразные и парообразные; II — жидкие; III — твердые, IV — смешанные.

Газообразные выбросы — сернистый ангидрид, диоксид углерода, оксид и диоксид азота, фтористые соединения, сероуглерод, сероводород, хлор, синильная кислота, аммиак, фенол и др.

Жидкие выбросы — кислоты, щелочи, растворы солей, растворы жидких металлов, органические соединения, синтетические материалы.

Твердые выбросы — канцерогенные вещества, соединения свинца, органическая пыль, неорганическая пыль, сажа, смолы, синтетические и другие вещества.

По величине массы выбросы объединены в шесть групп (т/сут): первая группа — масса менее 0,01 включительно; вторая — от 0,01 до 0,1; третья — от 0,1 до 1; четвертая — от 1 до 10; пятая — от 10 до 100; шестая — свыше 100.

Для условного обозначения выбросов по составу принята следующая схема: класс (I, II, III, IV), группа (1, 2,..., 19), подгруппа (1, 2, 3, 4), индекс группы массового выброса (ГОСТ 17.2.1.01—76).

Выбросы подлежат периодической инвентаризации, под которой понимается систематизация сведений о распределении источников выбросов по территории объекта, их количество и состав.

Защита атмосферного воздухаот выбросов

Средства защиты атмосферного воздуха от выбросов объектов экономики, средств транспорта и т.п. включают:

— очистку выбросов от примесей в специальных аппаратах и устройствах перед поступлением газов в атмосферу;

— рассеивание очищенных выбросов в атмосферном воздухе.

Для очистки отходящих газов от примесей нашли свое применение следующие аппараты и устройства:

— сухие пылеуловители (циклоны, фильтры, электро­фильтры, рукавные фильтры, адсорберы);

— аппараты мокрой очистки (скрубберы Вентури, барботажно-пенные пылеуловители, туманоуловители, абсорберы, хемосорберы);

— аппараты термической и каталитической нейтрализации газовых выбросов.

Широкое применение получили циклоны (рис. 4.1), в которых газовый поток вводится через патрубок 2 по касательной и внутренней поверхности корпуса 1. Далее поток совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса по бункеру 4. Отделение частиц пыли от газа происходит под действием центробежных сил, возникающих при вращении газа и его повороте к входу выходной трубы 3.

Многие задачи по очистке газов от пыли с успехом решаются с помощью цилиндрических (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническимх (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СДК-ЦН-33) циклонов НИИОГАЗа. Цилиндрические циклоны предназначены для улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.

Конические циклоны серии СК, предназначенные для очистки газа от сажи, обладают повышенной эффективностью по сравнению с циклонами типа ЦН, что достигается за счет большего гидравлического сопротивления циклонов серии СК.

Рис. 4.1 Схема циклона

Для очистки больших масс газов применяют батарейные циклоны, состоящие из большого числа параллельно установленных циклонных элементов. Конструктивно они объединяются в один корпус и имеют общий подвод и отвод газа. Опыт эксплуатации батарейных циклонов показал, что эффективность очистки у таких циклонов несколько ниже эффективности отдельных элементов из-за перетока газов между циклонными элементами.

Электрическая очистка (электрофильтры) — один из наиболее совершенных видов очистки газов от взвешенных в них частиц пыли и тумана. Этот процесс основан на ударной ионизации газа, передаче заряда ионов частицам примесей и осаждении последних на осадительных и коронирующих электродах. Для этого применяют электрофильтры.

Аэрозольные частицы, поступающие в зону между коронирующим 1 и осадительным 2 электродами (рис. 4.2), адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд, и получают тем самым ускорение, направленное в сторону электрода с зарядом противоположного знака. Процесс зарядки частиц зависит от подвижности ионов, траектории их движения и времени пребывания частиц в зоне коронирующего заряда. Учитывая, что в воздухе и дымовых газах подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных, электрофильтры обычно делают с короной отрицательной полярности. Время зарядки аэрозольных частиц невелико и измеряется долями секунды. Движение заряженных частиц к осадительному электроду происходит под действием аэродинамических сил и силы взаимодействия электрического поля и заряда частицы.

Рис. 4.2 Схема

электрофильтра

Большое значение для процесса осаждения пыли на электродах имеет электрическое сопротивление слоев пыли. По величине электрического сопротивления различают:

1. пыли с малым удельным электрическим сопротивлением (< 10⁴ Ом•см), которые при соприкосновении с электродом мгновенно теряют свой заряд и приобретают заряд, соответствующий знаку электрода, после чего между электродом и частицей возникает сила отталкивания, стремящаяся вернуть частицу в газовый поток; противодействует этой силе только сила адгезии; если она оказывается недостаточной, то резко снижается эффективность процесса очистки;

2. пыли с удельным электрическим сопротивлением от 10⁴ до 10¹⁰ Ом•см; они хорошо осаждаются на электродах и легко удаляются с них при встряхивании;

3. пыли с удельным электрическим сопротивлением более 10¹⁰ Ом•см; они труднее всего улавливаются в электрофильтрах, так как на электродах частицы разряжаются медленно, что в значительной степени препятствует осаждению новых частиц.

В реальных условиях снижение удельного электрического сопротивления пыли можно осуществить увлажнением запыленного газа.

Рис. 4.3 Схема фильтра

Для тонкой очистки газов от частиц и капельной жидкости применяют различные фильтры. Процесс фильтрования состоит в задержании частиц примесей на пористых перегородках при движении через них дисперсных сред. Принципиальная схема процесса фильтрования в пористой перегородке показана на рис. 4.3. Фильтр представляет собой корпус 1, разделенный пористой перегородкой (фильтроэлементом) 2 на две полости. В фильтр поступают загрязненные газы, которые очищаются при прохождении фильтроэлемента. Частицы примесей оседают на входной части пористой перегородки, образуя на поверхности перегородки слой 3, и задерживаются в порах. Для вновь поступающих частиц этот слой становится частью фильтровой перегородки, что увеличивает эффективность очистки фильтра и

перепад давления на фильтроэлементе.

Рис. 4.4 Рукавный фильтр: 1 — рукав; 2 — корпус; 3 — выходной патрубок; 4 — блок регенерации; 5 — входной патрубок

Классификация фильтров основана на типе фильтровой перегородки, конструкции фильтра и его назначении, тонкости очистки и др.

По типу перегородки фильтры бывают следующих разновидностей: с зернистыми слоями (неподвижные, свободно насыпанные зернистые материалы, псевдоожиженные слои); гибкими пористыми перегородками (ткани, войлоки, волок­нистые маты, губчатая резина, пенополиуретан и др.); полужесткими пористыми перегородками (вязаные и тканые сетки, прессованные спирали и др.); жесткими пористыми перего­родками (пористая керамика, пористые металлы и др.).

Наибольшее распространение в промышленности для сухой очистки газовых выбросов получили рукавные фильтры (рис. 4.4).

Аппараты мокрой очистки газов — мокрые пылеуловители — имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсных пылей с d_ч> 0,3 мкм, а также возможностью очистки от пыли нагретых и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до температуры точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель.

Рис. 4.5 Схема скруббера Вентури

Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность либо капель, либо пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения.Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель на практике более применимы скрубберы Вентури (рис. 4.5). Основная часть скруббера — сопло Вентури 2. В него подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости (W_T= 15—20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 80—200 м/с и более.

Процесс осаждения пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла поток тормозится до скорости 15—20 м/с и подается в каплеуловитель 3. Каплеуловитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона.

Скрубберы Вентури широко используют в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц более 0,3 мкм достигает 0,999.

Рис. 4.6 Барботажно-пенные пылеуловители с провальной (а) и переливной решетками (б)

К мокрым пылеуловителям относятся барботажно-пенные пылеуловители с провальной (рис. 4.6, а) и переливной решетками (рис. 4.6, б).

В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от пыли путем осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим работы аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе 1 аппарата до 2—2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкстью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из аппарата. Рис. 4.6. Схема барботажно-пениого пылеуловителя с провальной (а) и переливной (б) решетками

Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли - 0,95—0,96 при удельных расходах воды 0,4—0,5 л/м³. Практика эксплуатации этих аппаратов показывает, что они весьма чувствительны к неравномерности подачи газа под провальные решетки. Неравномерная подача газа приводит к местному сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов склонны к засорению.

Метод абсорбции — очистка газовых выбросов от газов и паров основан на поглощении последних жидкостью. Для этого используют абсорберы. Решающим условием для применения метода абсорбции является растворимость паров или газов в абсорбенте. Так, для удаления из технологических выбросов аммиака, хлоро- или фтороводорода целесообразно применять в качестве абсорбента воду. Для высокоэффективного протекания процесса абсорбции необходимы специальные конструктивные решения. Они реализуются в виде насадочных башен (рис. 4.7), форсуночных барботажно-пенных и других скрубберов.

Работа хемосорберов основана на поглощении газов и паров жидкими или твердыми поглотителями с образованием малорастворимых или малолетучих химических соединений. Основными аппаратами для реализации процесса являются насадочные башни, барботажно-пенные аппараты, скрубберы Вентури и т.п. Хемосорбция — один из распространенных методов очистки отходящих газов от оксидов азота и паров кислот. Эффективность очистки от оксидов азота составляет 0,17—0,86 и от паров кислот — 0,95.

Рис. 4.7 Схема насадочной башни: 1 — насадка; 2 — разбрызгиватель

Термическая нейтрализация основана на способности горючих газов и паров, входящих в состав вентиляционных или технологических выбросов, сгорать с образованием менее токсичных веществ. Для этого метода используют нейтрализаторы. Различают три схемы термической нейтрализации: прямое сжигание; термическое окисление; каталитическое дожигание.

Прямое сжигание используют в тех случаях, когда очищаемые газы обладают значительной энергией, достаточной для поддержания горения. Примером такого процесса является факельное сжигание горючих отходов. Так нейтрализуют циановодород в вертикально направленных факелах на нефтехимических заводах. Разработаны схемы камерного сжигания отходов. Такие дожигатели можно использовать для нейтрализации паров токсичных горючих или окислителей при их сдувах из емкостей.

Термическое окисление находит применение в тех случаях, когда очищаемые газы имеют высокую температуру, но не содержат достаточно кислорода, или когда концентрация горючих веществ незначительна и недостаточна для поддержания пламени.

В первом случае процесс термического окисления проводят в камере с подачей свежего воздуха (дожигание оксида углерода и углеводородов), а во втором — при подаче дополнительно природного газа.

Каталитическое дожигание используют для превращения токсичных компонентов, содержащихся в отходящих газах, в нетоксичные или менее токсичные путем их контакта с катализаторами. Для реализации процесса необходимо, кроме наличия катализаторов, поддержание таких параметров газового потока, как температура и скорость газов.

В качестве катализаторов используют платину, палладий, медь и др. Температуры начала каталитических реакций газов и паров изменяются в широких пределах — 200—400 °С. Объемные скорости процесса каталитического дожигания обычно устанавливают в пределах 2000—6000 ч (объемная скорость — это отношение скорости движения газов к объему каталитической массы).

Каталитические нейтрализаторы применяют для обезвреживания оксида углерода, летучих углеводородов, растворителей, отработавших газов и т.п

Термокаталитические реакторы с электроподогревом типа ТКРВ разработаны Дзержинским филиалом НИИОГАЗа. Они предназначены для очистки газовых выбросов сушильных камер окрасочных линий от органических веществ и других технологических производств.

Каталитическая нейтрализация отработавших газов ДВС на поверхности твердого катализатора происходит за счет химических превращений (реакции окисления или восстановления), в результате которых образуются безвредные или менее вредные для окружающей среды и здоровья человека соединения.

Для высокоэффективной очистки выбросов необходимо применять аппараты многоступенчатой очистки. В этом случае очищаемые газы последовательно проходят несколько автономных аппаратов очистки или один агрегат, включающий несколько ступеней очистки. В системе последовательно соединенных аппаратов общая эффективность очистки равна:

,

где , , эффективность очистки 1-,2-…n-го аппаратов.

Такие решения находят применение при высокоэффективной очистке газов от твердых примесей; при одновременной очистке от твердых и газообразных примесей; при очистке от твердых примесей и капельной жидкости и т.п. Многосту­пенчатую очистку широко применяют в системах очистки воздуха с его последующим возвратом в помещение.

Перечень пыле-, газо- и туманоочистного оборудования, разработанного НИИОГАЗом, приведен ниже.

Электрофильтр ЭГВ — для очистки от пыли невзрывоопасных технологических газов и аспирационного воздуха с температурой до 330 °С.

Электрофильтр ЭГАВ СРК — для эффективной очистки от пыли невзрывоопасных и непожароопасных дымовых газов при температуре от 130 до 250 °С после котлоагрегатов СРК целлюлозно-бумажной промышленности.

Электрофильтр ЭВЦТ — для очистки от пыли фосфорсодержащих газов с температурой от 230 до 600 °С, отходящих от электротермических печей.

Электрофильтр ЭТМ — для очистки газов, содержащих до 40% тумана и капель серной кислоты со следами окислов мышьяка, селена, серы и возможных примесей фтора и его соединений.

Электрофильтр ЭГАЛТ— для очистки высокозапыленных (до 1000 г/м3) высокотемпературных (до 500 °С) агрессивных газов автогенных процессов цветной металлургии.

Электрофильтровентиляционный агрегат ЭФВА —для отсоса и высокоэффективной очистки невзрывоопасной и непожароопасной смеси воздуха с аэрозолем, образующимся при сварке и холодной штамповке металлов при температуре очищаемой смеси до 60 °С, разрежении не более 0,6 кПа

Рукавный фильтр ФРОС - для очистки от пыли высокотемпературных газов в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Рукавный фильтр ФРИД-Б — для очистки запыленных газов, не являющихся токсичными, агрессивными, пожаро- и взрывоопасными в линиях высоконапорного пнев­мотранспорта химической, цементной и других отраслей про­мышленности.

Рукавный фильтр ФРИ-ЗО— для очистки высокозапыленных газов, не являющихся токсичными, агрессивными, пожаро- и взрывоопасными, в системах аспирации и линиях пневмотранспорта химической, цементной, машиностроительной и других отраслей промышленности.

Рукавные фильтры ФРИ-Б, ФРИ-72 — для очистки запыленного воздуха на предприятиях мукомольной, комбикормовой, пищевой промышленности.

Рукавный фильтр ФРБИ — для улавливания мелкодисперсных взрывоопасных красителей, пигментов и других пылей из воздуха и негорючих газов.

Рукавный фильтр ФРМ — для очистки от пыли аспирационного воздуха технологического оборудования и дымовых газов сушильных печей на предприятиях асбестовой промышленности.

Фильтры бумажные патронные ФБПИ— для улавливания свинецсодержащих аэрозолей из вентиляционных выбросов, а также для очистки неагрессивных, нетоксичных, невзрывоопасных газов от химически неактивных, сухих нецементирующих пылей.

Скруббер с шаровой насадкой СДК— для очистки газов от фтористого водорода, тетрафторида кремния, фосфорного ангидрида на предприятиях по производству минеральных удобрений. Для очистки газов в цветной металлургии, энергетике, в химической и других отраслях промышленности.

Скруббер центробежный вертикальный полый СЦВП—для очистки воздуха, удаляемого вытяжными вентиляционными системами, от пыли средней дисперсности.

Скруббер полый СП — для очистки технологических и вентиляционных выбросов от пыли и газообразных соединений фтора, хлора, сернистого ангидрида.

Скруббер полый СПК-Б — для очистки технологических и вентиляционных выбросов производств по переработке сырья биологического происхождения от дурнопахнущих веществ, а также для улавливания пыли, газообразных соединений хлора, серы различных производств.

Центробежный скруббер батарейного типа СЦВБ-20—для мокрой очистки нетоксичных и невзрывоопасных газов от пыли в различных отраслях машиностроения, например в литейных производствах.

Скруббер Вентури СВ-Кк— для охлаждения и тонкой очистки нетоксичных и невзрывоопасных газов от частиц пыли, не склонных к образованию отложений.

Труба Вентури ГВПВ—для установки в системах охлаждения и тонкой очистки запыленных технологических газов в черной и цветной металлургии, химической и нефтяной промышленности, промышленности строительных материа­лов, энергетике и др.

Каплеуловитель КЦТ — для улавливания капель жидкости с осевшими на них частицами пыли. Устанавливаются в технологической линии за трубами Вентури.

Защита гидросферы от стоков

Для реализации защиты гидросферы необходимо знать прежде всего источники загрязнения и их характеристики.

Основными источниками загрязнения водоемов являются производственные, бытовые и поверхностные сточные воды.

Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Сточные воды сварочных, монтажных, сборочных, испытательных цехов содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты и тому подобные вещества в значительно меньших концентрациях, чем в рассмотренных видах цехов и участков.

Состав загрязнений сточных вод других производств определяется в основном исходными материалами и видами технологических процессов, в которых используется вода. Например, сточные воды целлюлозно-бумажных предприятий содержат в основном органические вещества, кислоты, щелочи и их соли. Сточные воды нефтеперерабатывающих предприятий характеризуются большим содержанием нефтепродуктов и других видов органических веществ, включая трудноразлагаемые органические составляющие и т.п.

Бытовые сточные воды содержат крупные примеси (остатки пищи, тряпки, песок, фекалии и т.п.), примеси органического и минерального происхождения в нерастворенном, коллоидном и растворенном состояниях, а также различные, в том числе болезнетворные, бактерии. Концентрация указанных примесей в бытовых сточных водах зависит от степени их разбавления водопроводной водой.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смывания дождевыми и поливочными водами загрязнений, имеющихся на поверхности грунтов, крышах и стенах зданий и т.п. Основными примесями поверхностных сточных вод являются механические частицы (земля, песок, камень, древесные и металлические стружки, пыль, сажа) и нефтепродукты (масла, бензин, керосин, используемые в двигателях транспортных средств).

При выборе схемы очистки и технологического оборудования станций очистки необходимо знать расход сточных вод и концентрацию содержащихся в них примесей, а также допустимый состав сточных вод, сбрасываемых в водоемы, который определяют с учетом Правил охраны поверхностных вод. Правила устанавливают нормы на ПДК веществ, состав и свойства воды водоемов. Расчет допустимой концентрации примесей с₀ в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, проводят в зависимости от преобладающего вида примесей в сточных водах и характеристик водоема.

Способы и методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод применяют механические, химические, физикохимические и биологические методы. Выбор метода зависит от множества факторов, в частности, от требований к качеству очищенных сточных вод, от места расположения предприятия и т.д.

Механическая очистка. В сооружениях для механической очистки сточных вод (рис. 4.8) сначала отделяются наиболее крупные загрязнения на решетках и ситах, устанавливаемых в голове очистных сооружений, а затем в песколовках из сточных вод выпадают взвеси с размером фракции, как правило, более 0,15—0,2 мм. Основное количество взвешенных веществ удаляется в отстойниках.

Рис. 4.8 Схема механической очистки воды

Решетки устанавливают на очистных сооружениях обычно с прозорами 16—20 мм, хотя в последнее время появились решетки с меньшими прозорами, вплоть до 4 мм. Площадь прозоров рабочей части решетки должна быть не менее удвоенной площади живого сечения подводящего канала при ручной очистке и не менее 1,2 живого сечения при механической очистке. Обычно решетки устанавливают под углом к горизонту 60°.

Для удаления из сточных вод песка и других взвешенных частиц используют песколовки. Они подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением жидкости. Горизонтальные песколовки и песколовки с вращательным движением (тангенциальные и аэрируемые) используются при расходах сточных вод более 10000 м³/сут. Вертикальные песколовки применяются реже из-за менее устойчивого режима их работы.

Для удаления из сточных вод оседающих или плавающих веществ размером менее 0,1 мм применяют чаще всего отстойники. По направлению движения основного потока различают вертикальные, горизонтальные и радиальные отстойники, которые устанавливают в голове биологических очистных сооружений и называют первичными. Вертикальные отстойники применяют на очистных сооружениях производительностью до 10000 м³/сут. Горизонтальные отстойники устанавливают на очистных сооружениях с расходом сточных вод 10000—15000 м³/сут. Радиальные отстойники чаще всего используют при расходах сточных вод более 20 000 м³/сут.

Химические методы очистки. К химическим методам очистки сточных вод чаще всего относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Эти методы применяют для удаления растворенных веществ перед подачей воды на биологическую очистку.

Сточные воды, содержащие кислоты или щелочи, нейтрализуются путем смешивания кислых и щелочных стоков, добавлением реагентов, подаваемых в различных агрегатных состояниях. При этом количество добавляемого реагента определяется доведением pH сточных вод до значения 6,5—8,5.

Для проведения процесса окисления используют различные окислители, в том числе хлор, гипохлориты натрия и кальция, кислород, озон и т.п. Окисление озоном позволяет в ряде случаев успешно очищать сточные воды от фенола, нефтепродуктов, мышьяка и других токсичных веществ.

Достаточно эффективно для очистки сточных вод от сероводорода, гидросульфида, цианидов использование хлора и веществ, содержащих «активный хлор». Следует отметить, что применение химических реагентов в процессах сточных вод дает практически всегда высокий эффект. Однако высокая стоимость химических реагентов препятствует более широкому их внедрению в процесс очистки сточных вод.

Физико-химические методы очистки. Методы физико-химической обработки сточных вод обычно включают флотацию, адсорбцию, ионный обмен и др. Схема процесса пневматической флотации показана на рис. 4.9.

Рис. 4.9 Схема пневматической флотационной очистки сточных вод:

1 — сточная вода; 2 - пенный продукт; 3 - очищенная вода;

4 — воздух

В последние годы флотация широко используется для очистки вод от ПАВ. Применение пневматических флотомашин наиболее распространено при флотации тонкозернистых пульп и оборотных жидкостей. Аэрация жидкостей в этом случае осуществляется путем пропускания воздуха или какого-либо газа через различные пористые элементы, например керамику, пористую резину.

Наряду с флотацией для очистки сточных вод используют адсорбционную технологию с использованием в качестве адсорбента чаще всего активированных углей. Это позволяет получать остаточные концентрации основных ингредиентов ниже нормативных значений. Например, концентрация нефтепродуктов в очищенной воде после адсорбционной очистки не превышает в большинстве случаев 0,05 мг/л, что соответствует ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.

Биологическая очистка. Наиболее широко распространенным способом очистки сточных вод является биологический, который известен уже более 100 лет. В современных способах биологической очистки использованы все известные особенности микроорганизмов. При такой очистке сточные воды после механической и, возможно, физико-химической очистки смешивают с активным илом. Смешение осуществляют в специальных сооружениях — аэротенках, представляющих собой открытые емкости достаточно большого объема с расположенными в них аэраторами барботажного, механического, струйного или другого типа. В результате достаточно длительного контактирования (в течение 10—36 ч) микроорганизмов с водой в условиях аэрации воздухом происходит биоразложение органических примесей, не удаленных на предыдущих стадиях очистки.

Сооружения биологической очистки в естественных условиях подразделяют на поля фильтрации и биологические пруды. На полях фильтрации сточная вода проходит через СЛОЙ почвы, содержащий в большом количестве аэробные бактерии, получающие кислород из воздуха. В процессе фильтрации через слой почвы органические загрязнения сточных вод задерживаются в нем. При этом образуется биологическая пленка с большим количеством микроорганизмов различных видов. Задержанные на биопленке органические вещества аэробными микроорганизмами разлагаются до минеральных соединений. Эти процессы наиболее интенсивно происходят в почве на глубине приблизительно 0,1—0,4 м. В результате биохимических процессов углерод органических веществ превращается в углекислоту, а азот аммонийных солей превращается в нитраты и нитриты.

В искусственных условиях применяют аэротенки, а также биофильтры. Аэротенк — это большой резервуар прямоугольного сечения, по которому медленно протекает сточная вода вместе с активным илом. С помощью пневматических или механических устройств смесь воды и активного ила барботируют воздухом, насыщая ее при этом кислородом. Все это обеспечивает интенсивное окисление органических веществ.