Защита окружающей среды

Применение низкотемпературной плазмы – одно из перспективных  направлений в области утилизации опасных отходов. Посредством плазмы достигается высокая степень  обезвреживания отходов химической промышленности, в том числе галлоидосодержащих органических соединений, медицинских  учреждений; ведется переработка  твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слаборадиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.

Плазменный метод  может использоваться для обезвреживания отходов двумя путями [16]:

• Плазмохимическая ликвидация особо опасных высокотоксичных отходов;
• Плазмохимическая переработка отходов с целью получения товарной продукции.

Наиболее эффективен плазменный метод при деструкции углеводородов с образованием CO, CO₂, H₂, CH₄. Безрасходный плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката в основном водорода и оксида углерода – синтез-газ – и расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю, а синтез-газ можно использовать в качестве источника пара на ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, хлористых и фтористых УВ, этанола, ацетилена [17]. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ как полихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, полиароматические красители достигает 99.9998 % [16] с образованием CO₂, H₂O, HCl, HF, P₄O₁₀.

Разложение отходов  происходит по следующим технологическим  схемам:

• Конверсия отходов в воздушной среде;
• Конверсия отходов в водной среде;
• Конверсия отходов в паро-воздушной среде;
• Пиролиз отходов при малых концентрациях.

Выбор того или иного  способа переработки, возможность  вариаций по количественному соотношению реагентов позволяют оптимизировать работу установки для широкого спектра отходов по их химическому составу.

Существуют самые  разнообразные модификации плазмотронных  установок, принцип их конструкции и порядка работы заключается в следующем:  основной технологический процесс происходит в камере, внутри которой находятся два электрода (катод и анод), обычно из меди, иногда полые. В камеру под определенным давлением, в заранее установленных количествах поступают отходы, кислород и топливо, может добавляться водяной пар. В камере поддерживается постоянное давление и температура. Возможно применение катализаторов. Существует анаэробный вариант работы установки [17]. При переработке отходов плазменным методом в восстановительной среде возможно получение ценных товарных продуктов: например, из жидких хлорорганических отходов можно получать ацетилен, этилен, HCl и продуктов на их основе [4]. В водородном плазмотроне, обрабатывая фторхлорорганические  отходы, можно получить газы, содержащие 95 – 98 % по массе HCl и HF [12].

 Для удобства  возможно брикетирование твердых  отходов и нагрев пастообразных  до жидкого состояния [17].

Для переработки горючих радиоактивных отходов была разработана технология с использованием  энергии плазменных  струй воздуха с введенным активированным углеводородным сырьем, чистые, или  содержащим галениды. Такой способ получил широкое применение при сжигании органических отходов низкой и средней активности, что позволяет перевести опасные отходы в инертную форму и уменьшить их объем в несколько раз; образуется коксовый остаток и негорючие материалы – шлак, относящийся к категории кислых и улавливающий до 98 % радионуклидов (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ³⁷Fe, ⁶⁰Co)  [15].

Высокая энергоемкость  и сложность процесса предопределяет его применение для переработки  только отходов, огневое обезвреживание которых не удовлетворяет экологическим требованиям.

 

5. Утилизация  жидких отходов

Промышленные  отходы, находящиеся в жидком агрегатном состоянии, обычно являются трудноутилизируемы, а зачастую представляют серьезную угрозу окружающей среде ввиду высокой токсичности. Жидкие отходы, по сравнению я твердыми отходами, технологически значительно более сложно изымать из производства, транспортировать.

5.1. Механическая  очистка сточных вод

Механическая  очистка сточных вод, как правило, является предварительным этапом для  очистки промышленных сточных вод. При этом обеспечиваются выделение  незначительной доли взвешенных веществ и снижение загрязнения.

Высокая эффективность  процесса достигается интенсификацией  гравитационного отстаивания, затем пропуском сточных вод через слой различных зернистых материалов или через сетчатые барабанные, напорные фильтры или фильтры с плавающей нагрузкой и без добавления химических реагентов и с использованием фильтровальных материалов.

Метод целесообразно  использовать при создании замкнутых  систем водоснабжения промышленных предприятий.

Существуют  различные варианты конструкций  и модификаций аппаратов тонкослойного отстаивания.

На практике применяются две принципиально  отличающиеся конструкции: с перекрестным движением потока воды и выделенного осадка и с противоточно-прямоточным. У конструкций блоков с перекрестной схемой существует некоторый перерасход фильтрующего материала. Блоки в противоточно-прямоточных схемах лишены данного недостатка. Поэтому могут изготавливаться практически из любого тонкого и пленчатого материала: листов алюминия, оцинкованного железа, дюраля, поливинилхлорида, стеклопластика, листового или пленчатого полиэтилена, лавсановой пленки. Особый интерес представляют пленочные материалы из-за их невысокой стоимости и небольшой массы, что облегчает их монтаж [25]. Несмотря на давность разработки данных устройств и простоту их изготовления и эксплуатации они пока не получили должного применения и распространения.

За рубежом  давно применяется отстойник  оригинальной конструкции финской  фирмы «Larox». Данное очистное оборудование имеет высокую производительность: скорость восходящего потока составляет 5 – 8 м/ч. Вследствие подачи суспензии в фильтрующий слой мельчайшие частицы взвешенного вещества, направляющиеся вместе с восходящим потоком, остаются в этом слое. В итоге слив содержит (20 – 50) · 10^-6 твердой фазы. Конструкция аппарата может быть модифицирована по степени концентрации осадка. [23]

Значительное  распространение в отечественной  и мировой практике получили фильтры  с насыпной (зернистой) загрузкой, в  качестве которой может использоваться кварцевый песок, мраморная крошка, антрацит, керамзит, кокс, древесные  или полиэтиленовые опилки и другие материалы. Основным критерием, характеризующим эффективность данных конструкций, является их грязеемкость, которая увеличивается при смягчении фильтрующего материала [24, 43].

Таблица 2.

Грязеемкость  различных материалов [43]

Материал	Грязеемкость, кг/м3
Кварцевый песок	1,1
Синтетическое волокно	4,0 – 5,2
Плавающая загрузка	8 – 14
Отходы производства стройматериалов	10,2 – 12,4

 

Значительный  интерес представляют фильтрующие  материалы, которые не требуют регенерации  и могут быть утилизированы после  выгрузки их из фильтра, например в  качестве топлива: антрацит, бурый уголь, коксовая крошка, торф [25].

В недавнем времени  были разработаны фильтры непрерывного действия, в которых процессы фильтрации и промывки загрузки протекают непрерывно в разных оптимизированных по форме, конструкции и габаритам аппаратах. Широкое применение нашли фильтры непрерывного действия с насыпным слоем фильтрующего материала Дина-Сэнд (Швеция). Использование непрерывности процесса позволяет в 3 – 4 раза увеличить грязеемкость загрузки, в 1,5 – 3 раза сократить расход сбросных вод, фильтровать сильнозагрязненные и нефтесодержащие стоки [8].

В ЦНИИЭП инженерного  оборудования разработаны типовые  проекты установок глубокой очистки сточных вод посредством фильтров с песчаной загрузкой и пропускной способностью 10, 17 и 25 тыс. м³/сут [43]. Особый интерес представляют конструкции каркасно-засыпных фильтров (КЗФ), обеспечивающих высокую эффективность процесса.

Челябинским ВНИИВОДГЕО разработана конструкция каркасно-засыпных фильтров с засыпкой из гравия с крупностью зерен 40 – 60 мм и песка, 0,8 – 1,0 мм. Скорость фильтрации – 10 м/ч, продолжительность фильтроцикла – 20 ч при средней концентрации веществ до 20 мг/л [43].

Фильтры с плавающей  загрузкой из вспененного полистирола  можно применять для очистки  сточных вод предприятий металлургии, химической и легкой промышленности. Преимуществами данного способа очистки экономичность, простота конструкции, долговечность, надежность очистки [23].

Фильтры с пенополиуретановой загрузкой могут применяться  для очистки стоков от нефтепродуктов и масел в не эмульсионном состоянии. Скорость фильтрования 10 м/ч, продолжительность  фильтроцикла при оптимальном режиме 50 – 60 ч., при форсированном 27 – 36 ч. Грязеемкость при оптимальном режиме 8,8 – 17,0 кг/м³, при форсированном 6,8 – 9,6. [38]

Напорные  сверхскоростные  фильтры  позволяют  получить  эффективность  очистки 70 – 80 %. Значительными преимуществами обладают автоматические напорные сверхскоростные фильтровальные [24, 25, 43].

5.2. Физико-химические  методы очистки сточных вод

Физико-химические методы очистки сточных вод пригодны для использования на предприятиях различных отраслей и могут применяться  как самостоятельно, так и в  комплексе с другими способами очистки и переработки сточных вод.

Методы коагуляции и флокуляции могут применяться  на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, легкой промышленности. Сорбционные методы, с использованием в качестве сорбентов золу, торф, коксовую мелочь, селигатели, активированные угли различных марок, наиболее эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей переработкой и использованием, а очищенные воды пригодны для оборотного водоснабжения промышленных предприятий. 

В качестве одного из перспективных методов выделения  из сточных вод взвешенных веществ  могут быть использованы конструкции  и методы флотации. Флотация применима для удаления ПАУ, нефтепродуктов и масел, волокнистых компонентов. Наиболее широкий диапазон в технологических схемах очистки сточных вод имеет принцип напорной флотации. Для очистки вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнителей и содержащих нефть и нефтепродукты целесообразно внедрение в эксплуатацию импеллерных установок, которые обеспечивают высокую эффективность очистки.

Очистка стоков методом  ионного  обмена позволяет  извлекать и утилизировать ценные  компоненты сточных вод: цветные  металлы, ПАУ, радиоактивные вещества – очищать сточные воды до ПДК с последующим использованием вод в замкнутых технологических процессах предприятий [23].

Одним из перспективных  направлений очистки сточных  вод является применение мембранных технологий: обратный осмос, ультра- и  микрофильтрация – наиболее универсальные, экономически целесообразный и экологически безопасные методы обработки сточных вод [43, 42]. Самым производительным из этих методов является способ ультрафильтрации, пригодный для очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, металлургической, пищевой, пищевой, микробиологической отраслей промышленности и при гальванопроизводстве. Методы ультра- и микрофильтрации  обладают высокой эффективностью очистки, невысокими энергозатратами, простотой и компактностью установок, автоматизацией и экологичностью процесса [42].

Существуют  различные типы гиперфильтрационных  и ультрафильтрационных аппаратов, отличающихся способами размещения мембран: с плоскокамерными, трубчатыми, рулонными или спиральными фильтрующими элементами и с мембранами из полых волокон малого диаметра.

Таблица 3.

Характеристика  некоторых ультрафильтрационных мембран  [42]

Области применения	Характеристика  мембран
	Диаметр пор, нм	Удельная  произв-ть, л/м2
Жирная вода пищевых предприятий	20 ±  2,5	33,5 – 57
Маслосодержащие воды автотранспортных предприятий	30 ±  5	66 – 132
Сточные воды масложирной промышленности, эмульсии нефтепродуктов	50	100 – 200
Малоэмульсионные воды металлургических предприятий, моющие растворители, промывные воды автомоек	50	100 – 600
Малоэмульсионные воды металлургических предприятий	4,3	—
Маслосодержащие стоки автотранспортных и металлургических предприятий	45 ± 5	186 - 294

 

Институтом  эколого-технологических проблем  на протяжении нескольких лет проводились исследования и опытные работы по очистке различных технологических растворов, в том числе гальваностоков и жидких радиоактивных отходов, с помощью мембранной технологии и сорбентов.

Новизна метода заключается и возможности использования любых твердых сорбентов и электроосмотического концентратора с замкнутыми рассольными камерами с отечественными ионообменными мембранами марок МК-40 и МА-40.