Экология и безопасность жизнедеятельности / Egorov - Posobiye po bezopasnosti zhiznedeyatelnosti 2003

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в испарительных установках (рис.3.43), в которых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из колец Рашига навстречу потоку нагретого пара сточная вода нагревается до температуры 100° С.

При этом содержащиеся в сточной воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением cn / cв = γ , где сn и cв - концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м3; γ - коэффициент

распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

Рис.3.43. Технологическая схема эвапорационной установки [1]:

1- трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 - теплообменник; 3 - эвапорационная колонна; 4 - трубопровод загрязненного пара; 5 - трубопровод подачи растворителя; 6 - колонна с насадками из колец Рашига для очистки отработанного пара; 7 - вентилятор; 8 - трубопровод повторно используемого очищенного пара; 9 - трубопровод отвода загрязненного летучими примесями растворителя; 10 -трубопровод отвода очищенной сточной воды; 11-трубопровод подачи свежего пара

Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапорационной колонны

cв = c0 (qγ −1) /(qγex −1) ,

где c0 - концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м3; q - удельный расход пара, кг/кг; x = [ρσH (qγ −1)]/(bqγ ) , здесь bqγ - эмпирическая постоянная насадки; b - плотность орошения колонны водой, м3/м2; ρ - эмпирическая постоянная, м/с; σ - удельная площадь

поверхности насадки, м3/м2; Н - высота слоя насадки, м.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.

3.4.3 Биологическая очистка

Ее применяют для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и

221

т. п.). Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окислении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и искусственных условиях [2].

Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, полях орошения и в биологических прудах [26]. Биологические пруды - это неглубокие земляные резервуары, обычно 0,5 - 1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов. Они работают при температуре не менее 6°С. Обычно их устраивают в виде 4 - 5 серий на местности, имеющей уклон. Располагают ступенями так, что вода из верхнего пруда самотеком направляется в нижерасположенный. Поля фильтрации предназначены только для биологической доочистки (очистки) сточных вод. На полях орошения одновременно с очисткой вод производится выращивание кормовых сельскохозяйственных культур или трав

(рис.3.44) [2].

Рис.3.44. Биологическая очистка сточных вод на полях орошения [2] (по Б. Небелу, 1993)

Очистку и бытовых, и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6000 м3. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Биологические фильтры широко используют для очистки и бытовых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т. п. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод

222

суточным расходом не более 1000 м3. Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис.3.45).

Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптировались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2...4 недели, хотя в отдельных случаях он может достигать нескольких месяцев.

Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (БПК) - количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.

Рис.3.45. Схема биофильтра с принудительной подачей воздуха [1]:

1 - трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 - водораспределительные устройства; 3 - фильтровальная загрузка; 4 - трубопровод отвода очищенной сточной воды; 5 - гидравлический затвор; 6 - трубопровод подвода сжатого воздуха; 7 - корпус фильтра

Объем загрузочного материала V = (La − Lt ) / M , где La и Lt , - БПК исходной и

очищенной сточной воды, кг/м3; М - окислительная мощность биофильтра - масса кислорода, которая может быть получена в сутки с единицы объема загрузочного материала биофильтра, кг/(м3 сут).

Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод, позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в них биохимических процессов, что особенно важно для очистки промышленных сточных вод нестабильного состава. Аэротенки - это железобетонные резервуары, обычно больших размеров, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом. Очищающее начало аэротенков - активный ил из бактерий микроскопических животных. Источниками питания и бурного развития организмов активного ила служат загрязнения сточных вод органическими веществами и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Мельчайшие животные (инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и др.), пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Следует отметить, что уже через несколько минут после контакта ила со сточной водой обычно концентрация в ней органических веществ снижается более чем наполовину. В целом содержание органического вещества в стоках в результате прохождения через

223

аэротенки сокращается на 90%. Окислительная мощность аэротенков составляет 0,5...1,5 кг/м3 в сутки. В зависимости от состава примесей сточных вод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.

При БПК > 0,5 кг/м3 используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила в начале сооружения (рис.3.46). Воздух, интенсифицирующий процесс окисления органических примесей, распределяется равномерно по всей длине аэротенка.

Диспергирование воздуха в очищаемой сточной воде осуществляют механическими или пневматическими аэраторами. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде. При очистке производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2...3 кг/м3 по сухому веществу.

Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических примесей по сравнению с аэротенками за счет подачи в них технического кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в объем сточной воды кислорода реактор окситенка герметизируют. Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в илоотделитель, в котором происходит выделение из нее отработанного ила.

Рис.3.46. Технологическая схема аэротенка [1]:

1 - трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 - первичный отстойник; 3 - трубопровод подачи активного ила для повторного использования; 4 - аэротенк; 5 - трубопровод отвода отработанного ила; 6 - трубопровод отвода очищенной сточной воды; 7 - вторичный отстойник; 8 - трубопровод подвода сжатого воздуха

При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаровзрывобезопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с использованием газообразного кислорода.

Выбор схемы очистки в конкретных условиях определяется показателями очищаемых вод, возможностью утилизации примесей и повторного использования очищенной воды для нужд производства. Отдельные виды промышленных сточных вод нуждаются в захоронении. Предоставление недр для захоронения вредных веществ, отходов производства и сброса сточных вод допускается в исключительных случаях и при соблюдении специальных требований.

224

3.5 Обезвреживание и утилизация промышленных и бытовых отходов

3.5.1 Обезвреживание и утилизация твердых и жидких промышленных отходов

Твердые отходы машиностроительного производства содержат амортизационный лом (отходы при модернизации оборудования, оснастки, инструмента), стружки и опилки металлов, древесины, пластмасс, ищаки, золы, шламы, осадки и пыли (отходы систем очистки воздуха и др.) [1]. Твердые отходы предприятия и бытовые составляют:

Для защиты почв, лесных угодий, поверхностных и грунтовых вод от неорганизованного выброса твердых и жидких отходов в настоящее время широко используют сбор промышленных и бытовых отходов на свалках и полигонах. На полигонах производят также переработку промышленных отходов.

Полигоны создают в соответствии с требованиям СНиП 2.01.28 - 85 и используют для обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленных предприятий, НИИ и учреждений. Приему на полигоны подлежат: мышьяксодержащие неорганические твердые отходы и шламы; отходы, содержащие свинец, цинк, олово, кадмий, никель, сурьму, висмут, кобальт и их соединения; отходы гальванического производства; использованные органические растворители; органические горючие (обтирочные материалы, ветошь, твердые смолы, обрезки пластмасс, оргстекла, остатки лакокрасочных материалов, загрязненные опилки, деревянная тара, промасленная бумага и упаковка, жидкие нефтепродукты, не подлежащие регенерации, масла, загрязненные бензин, керосин, нефть, мазут, растворители, эмали, краски, лаки, смолы); неисправные ртутные дуговые и люминесцентные лампы; формовочная смесь; песок, загрязненный нефтепродуктами; испорченные баллоны с остатками веществ и др. Жидкие токсичные отходы перед вывозом на полигон должны быть обезвожены на предприятиях.

Приему на полигон не подлежат: отходы, для которых разработаны эффективные методы извлечения металлов и других веществ; нефтепродукты, подлежащие регенерации; радиоактивные отходы.

Переработка отходов на полигонах предусматривает использование физикохимических методов, сжигание с утилизацией теплоты, демер-куризацию ламп с

225

утилизацией ртути и других ценных металлов, прокаливание песка и формовочной смеси, подрыв баллонов в специальной камере, затаривание отходов в герметичные контейнеры и их захоронение.

Полигоны должны иметь санитарно-защитные зоны: завод по обезвреживанию токсичных отходов мощностью 100 тыс. т и более отходов в год - 1000 м; менее 100 тыс. т - 500 м; участок захоронения токсичных отходов - не менее 300 м.

Получила развитие термическая переработка отходов их сжиганием в печах на мусоросжигающих заводах. Такие заводы работают во многих странах мира, в Москве, Санкт-Петербурге и некоторых других городах нашей страны.

Существующие в настоящее время системы сжигания опасных отходов не только позволяют достичь высокой степени деструкции отходов, но и дают возможность рекуперировать отходящую теплоту. Недостатком сжигания являются значительно большие издержки по сравнению с традиционными методами удаления опасных отходов: вывозом на свалку, сбросом в море и захоронением в отработанные шахты. Затраты, связанные с вывозом опасных отходов на свалки в 1980 г., изменились от 50 до 400 долл./т, издержки на сжигание 1 т отходов варьировались в пределах 75...2000 долл. (данные США). Кроме того, мусоросжигательные установки выбрасывают в атмосферу соединения тяжелых металлов и имеют значительные (до 35 % начальной массы мусора) золошлаковые отходы.

Среди токсичных металлов особое внимание привлекает ртуть: в связи с повышенной летучестью она легко переходит в парообразное состояние в процессе сжигания отходов и выделяется в атмосферу в виде паров металлической ртути. При непрерывной работе мусоросжигательной установки среднегодовой выброс ртути может достигать 160 кг.

Чтобы избежать высокого загрязнения земной поверхности и поверхностных вод в зоне мусоросжигательных заводов, используют передвижные мусоросжигающие установки, смонтированные на автоприцепах или морских судах.

Термический способ переработки отходов экологичнее складирования их на свалках и полигонах, однако, наличие газообразных токсичных выбросов печей и отходов в виде золы и шлаков не позволяет считать этот способ пригодным для решения стратегических задач.

Осадки сточных вод, скапливающиеся на очистных сооружениях, представляют собой водные суспензии с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы 0,5...10 %. Прежде чем направить осадки сточных вод на ликвидацию или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его утилизации или ликвидации с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды. Технологический цикл обработки осадков сточных вод состоит из уплотнения осадков, их стабилизации, кондиционирования, обезвоживания и ликвидации. Первичная стадия обработки осадков сточных вод - уплотнение. Распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения, осуществляемые в отстойниках-уплотнителях, в установках напорной флотации. Применяют также центробежное уплотнение путем фильтрования осадка через фильтрующие перегородки или с помощью вибраторов, погруженных в осадок.

Для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества используется стабилизация осадков. Это предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушке на иловых площадках, использовании в качестве сельскохозяйственных удобрений при отсутствии в осадках токсичных веществ и т. п.). Для стабилизации осадков промышленных сточных вод применяют в основном аэробную стабилизацию - длительное аэрирование осадков в сооружениях типа аэротенков. В результате происходит распад основной части биологически разлагаемых веществ,

226

подверженных гниению. Период аэробной стабилизации при температуре 20 °С составляет 8... 11 суток, расход кислорода для стабилизации 1 кг органического вещества, активного ила

- 0,7 кг.

Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличения их водоотдачи или обезвоживания. В промышленности применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки достигает 40 % стоимости всех затрат при обработке осадка. Поэтому ведется разработка и внедрение более экономичных методов кондиционирования: тепловой обработки, замораживания и электрокоагуляции.

Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлака с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы до 80 %. До недавнего времени обезвоживание осуществлялось в основном сушкой осадков на иловых площадках. Однако низкая эффективность такого процесса, дефицит земельных участков в промышленных районах и загрязнение воздушной среды обусловили разработку и применение более эффективных методов обезвоживания. Так, осадки промышленных сточных вод обезвоживают вакуум-фильтрованием на фильтр-прессах, центрифугированием и вибрационным фильтрованием. Обезвоживание термической сушкой применяют для осадков, содержащих сильнотоксичные вещества, которые перед ликвидацией и утилизацией необходимо обеззараживать. Широкое внедрение процессов термической сушки ограничивается высокой стоимостью процесса очистки.

В тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной, осадки ликвидируют. Выбор метода ликвидации определяют с учетом состава осадков, размещения и планировки промышленного предприятия.

Сжигание - один из наиболее распространенных методов ликвидации. Предварительно обезвоженные осадки органического происхождения имеют теплотворную способность 16 800...21 000 кДж/кг, что позволяет поддерживать процесс горения без использования дополнительных источников теплоты. Осадки сжигают на станциях очистки сточных вод в многоподовых, циклонных печах, а также в печах кипящего слоя.

К временным мероприятиям по ликвидации осадков относят сброс жидких осадков в накопители и закачку в земляные пустоты.

Более рациональным способом защиты литосферы от производственных и отходов является, бесспорно, освоение специальных технологий по сбору и переработке отходов.

При сборе отходов необходимо одновременно их сортировать, разделяя на отдельные вещества или группы веществ. Рассортированные отходы легко подвергаются вторичной переработке.

Примером такого подхода является сбор и переработка отходов металлов. Эффективность использования лома и отходов металла зависит от их качества. Загрязнение и засорение металлоотходов приводят к большим потерям при переработке, поэтому сбор, хранение и сдача их регламентируются специальными стандартами: ГОСТ 2787 - 75* «Лом и отходы черных металлов. Шихтовые. Классификация и технические требования»; ГОСТ 1639 - 78* «Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Общие требования» и др.

Отходы древесины широко используют для изготовления товаров культурнобытового назначения и хозяйственного обихода главным образом методом прессования. Переработанные древесные отходы применяют в производстве древесно-стружечных плит, корпусов различных приборов и т. п.

Во многих странах промышленные отходы используют в качестве топлива на так называемых контейнерных теплоцентралях. Передвижная теплоэлектростанция монтируется

227

на автомобиле с автоприцепом, она может работать, используя в качестве топлива опилки, щепу и другие отходы, отапливая небольшие помещения: школы, больницы, фермы и т. п.

Радикальное решение проблем защиты от промышленных отходов возможно при широком применении безотходных и малоотходных технологий и производств.

Под безотходной технологией, безотходным производством, безотходной системой понимают не просто технологию или производство того или иного продукта (или продуктов), а принцип организации функционирования производства. При этом рационально используются все компоненты сырья и энергия в замкнутом цикле (первичные сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные сырьевые ресурсы), т. е. не нарушается сложившееся экологическое равновесие в биосфере.

Малоотходная технология является промежуточной ступенью при создании безотходного производства. При малоотходном производстве вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарными органами, но по техническим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное хранение или захоронение. Основой безотходных производств является комплексная переработка сырья с использованием всех компонентов, поскольку отходы производства - это по тем или иным причинам неиспользованная часть сырья. Большое значение при этом приобретает разработка ресурсосберегающих технологий.

Малоотходная и безотходная технология должны обеспечить:

-комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов на базе создания новых безотходных процессов;

-создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;

-переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия;

-использование замкнутых систем промышленного водоснабжения;

-создание безотходных комплексов.

Более подробно материал по утилизации и обезвреживанию твердых и жидких промышленных отходов изложен в [1].

3.5.2 Методы обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов

Направление мотивированных исследований и выбора оптимального метода обезвреживания переработки твердых бытовых отходов (ТБО) для конкретного региона (или населенного пункта) определяется необходимостью решения проблемы охраны окружающей среды, здоровья населения, а также экономической эффективности и рационального использования земельных ресурсов. Учет климатических, географических, градостроительных условий и численности обслуживаемого населения играет существенную роль при решении проблемы обезвреживания и утилизации ТБО для конкретных условий [3].

Известно более 20 методов обезвреживания и утилизации ТБО (классификация методов представлена на рис.3.47). По каждому методу имеется 5 - 10 (по отдельным до 50) разновидностей технологий, технологических схем, типов сооружений.

Методы обезвреживания и переработки ТБО по конечной цели делятся на: - ликвидационные (решают в основном санитарно-гигиенические задачи);

228

- утилизационные (решают, кроме того, задачи экономики - использования вторичных ресурсов).

По технологическому принципу бывают биологические, термические, химические, механические, смешанные.

Наибольшее распространение у нас и за рубежом получили такие методы: складирование на полигонах (ликвидационный биолого-механический), сжигание (ликвидационный термический) и компостирование (утилизационный биологический).

Анализ прогнозируемого состава ТБО крупных городов до 2010 г. показывает, что для их обезвреживания и утилизации могут быть применены все рассмотренные методы.

ТБО будут содержать достаточное количество биогенных веществ для того, чтобы из них вырабатывать компост. Прогнозируется рост теплоты сгорания ТБО, что повысит их ценность как топлива.

Содержание полимерных материалов не достигнет к 2010 г. уровня, который препятствовал бы компостированию или сжиганию.

В связи с этим для сооружений мощностью менее 30 тыс. т/год ТБО применяют упрощенные схемы. Все рассмотренные направления - складирование на полигонах, сжигание, компостирование, механизированная сортировка - позволяют обезвреживать и утилизировать ТБО, соблюдая нормативы требований охраны окружающей среды.

Размеры удельных капитальных затрат для заводов по однотипной технологической схеме с использованием оборудования, работающего по одному принципу, зависят от мощности (производительности по приему ТБО) сооружений.

Оптимальными условиями строительства завода по механизированной переработке ТБО в компост являются наличие гарантированных потребителей компоста (органического удобрения или топлива) в радиусе до 20 км; размещение завода у границы города на расстоянии до 15 км от центра сбора ТБО; численность обслуживаемого населения более 350 тыс. человек.

Оптимальными условиями строительства завода по сжиганию ТБО с утилизацией тепловой энергии могут быть: обеспечение гарантированными круглосуточными и круглогодичными потребителями тепловой энергии в комплексе с подстраховывающей ТЭЦ или котельной (если потребитель не допускает временных перебоев подачи тепловой энергии); размещение завода в пределах городской застройки (в промзоне) и радиусе до 7 км (при одноэтапном вывозе ТБО без применения перегрузочных станций) от центра сбора ТБО и до 0,5 км от врезки в существующий теплопровод; наличие шлакоотвала или потребителя шлака в качестве вторичного сырья не далее 10 км от завода; численность обслуживаемого населения более 350 тыс. человек.

Оптимальными условиями строительства полигонов складирования ТБО являются: наличие свободного участка с основанием на водоупорных грунтах; расположение уровня грунтовых вод ниже 3 м от поверхности площадки (участки с выходами ключей исключаются); обеспечение грунтом или инертными отходами для изоляции ТБО; конфигурация участка, близкая к квадрату; получение разрешения на высоту складирования ТБО свыше 20 м; размещение на расстоянии до 15 км от центра сбора ТБО (при одноэтапном вывозе ТБО без применения перегрузочных станций).

Важное значение при обустройстве неосвоенных территорий имеет вопрос об экологической опасности (в токсикологическом отношении) сооружаемых объектов обезвреживания и утилизации ТБО.

229

Значительный эколого-экономический эффект может быть получен вследствие блокирования или хозяйственной кооперации сооружений по обезвреживанию и утилизации ТБО с другими городскими объектами.

Методы обезвреживания и утилизации ТБО В районах основных объектов НГК

Рис.3.47. Классификация методов обезвреживания и утилизации ТБО [3]

При разработке технико-экономического обоснования выбора метода обезвреживания и утилизации ТБО для каждого варианта подбирают земельный участок, устанавливают расстояние и транспортные затраты по вывозу отходов. При необходимости закладывают двухэтапный вывоз ТБО. Для каждого объекта в качестве обязательного планируют вариант складирования ТБО на полигонах, как наиболее простой.

Если существующий участок полигона не отвечает требованиям охраны окружающей среды или если его размер не обеспечивает прием ТБО на предстоящие 20 - 25 лет, то в качестве расчетного варианта рассматривают полигон на новом участке, отвечающем всем санитарно-гигиеническим и технологическим требованиям.

230