Некоммерческое акционерное общество

 «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра охраны труда и окружающей среды

 

 

 

Экология и устойчивое развитие 

 Конспект лекций

для студентов - бакалавров всех специальностей и всех форм обучения

 

 

Алматы  2011 г.                                                                                    

СОСТАВИТЕЛИ: Ж.С. Абдимуратов,  М.К. Дюсебаев. Экология и устойчивое развитие.  Конспект лекций для студентов всех специальностей и всех форм обучения.  - Алматы: АУЭС, 2011 -  44 с.

 

Конспект лекций предназначен для ознакомления студентов с материалами по дисциплине «Экология и устойчивое развитие». Конспект лекций рекомендуется для студентов всех специальностей и всех форм обучения.

Ил. 10, библиогр. - 8 назв.

 

Рецензент: канд.тех.наук, проф. Борисов В.Н.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский  университет  энергетики и связи» на 2011 г.

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

                                                                          Сводный план на 2011 г., поз. 338

  

1 лекция.   Введение в экологию

 

Истоки экологии  как науки о живых существах, их взаимозависимости и условиях обитания, уходят в далекое прошлое и связаны с необходимостью на самых ранних этапах становления и развития человеческих обществ добывать себе в пищу растения и животных. Было необходимо знать, как выглядят, где и когда созревают съедобные плоды, корни и стебли растений, где лежат пути мигpации диких животных, когда и где они воспроизводят потомство.

 Первичные знания такого pода осмыслялись и находили отpажение во многих, ставших классическими, произведениях Гиппокpата, Аpистотеля, других ученых философов древности.

Термин экология (экос - дом, логос - учение, гр.) в науку ввел немецкий биолог Эрнест Геккель.   В последующем, содержание понятия экологии многократно расширялось. Под ней стали понимать науку, изучающую среду обитания всех живых существ, включая человека. Казалось бы, уместно ограничить содержание экологии лишь природной средой. Однако, воздействуя на природную среду и изменяя ее, человек тем самым меняет условия существования не только растений и животных, но и самого себя, того общества, которое попадает под воздействие этого производства и природы, и созданных им изменений. Потому правомерно рассматривать всю окружающую человека среду.

Поскольку взаимодействие организмов между собой и окружающей их средой всегда системно, то есть всегда реализуется в форме некоторых систем взаимосвязей, поддерживающихся обменом вещества, энергии и информации, основным объектом исследования экологии являются экосистемы. Самой крупной в иерархии экосистем является  биосфера.

Учение о биосфере  - это обширная область знания о функционировании и развитии биосферы, включающая в себя целый ряд научных направлений естественнонаучного и общественного профиля. Учение о биосфере, в том числе включает в себя общую экологию, которая состоит из четырех основных разделов:  биоэкологии, геоэкологии, экологии человека и прикладной экологии.

Биоэкология состоит из экологий естественных биологических систем: особей, видов (аутоэкология ), популяций и сообществ (синэкология ) и экологии биоценозов.  Еще одно подразделение биоэкологии составляет эволюционная экология, рассматривающая экологические аспекты эволюции.

Геоэкология  изучает биосферные оболочки Земли, в том числе подземную гидросферу, как компоненты окружающей среды, минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием природных и техногенных процессов. Геоэкологические исследования носят комплексный характер и включают в себя изучение ландшафтов, почв, поверхностных и подземных вод, горных пород, воздуха, растительного покрова.

Экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как биологической особи (биоэкология человека) и личности с окружающей его природной, социальной и культурной средами. Здоровье людей связано с экологической обстановкой и образом жизни (медицинская экология), на человека оказывает влияние среда морали, воззрений, традиций и трудно уловимой духовности (экология духа).

Прикладная экология  представлена комплексом дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеком и природой. Она исследует механизмы техногенных и антропогенных воздействий на экосистемы, формирует экологические критерии и нормативы в промышленности, транспорте и сельском хозяйстве.

Таким образом, в последние десятилетия экология фактически вышла за рамки только биологии и переживает колоссальное развитие в различных направлениях. Современная экология не только изучает законы функционирования природных и техногенных систем, но и ищет пути гармонического взаимоотношения природы и общества, от характера которого зависит не только здоровье людей и их экономическое процветание, но и сохранение человека как биологического вида. Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. Поэтому идеи и проблемы экологии всемерно проникают в другие научные дисциплины и внедряются в общественное развитие. Этот процесс называется экологизацией.

Современная экология, таким образом, представляет собой значительный цикл знаний, вобравшей в себя разделы биологии, географии, геологии, химии, физики, социологии, психологии, культурологии, экономики, педагогики и технических наук.

 

2 лекция.   Hаучное наследие В.И.Веpнадского

 

Биосфера - живая оболочка земли. Автором термина "биосфера" является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его "воскресил" профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре. Однако  учение В. И. Вернадского о биосфере было еще впереди. Его книга «Биосфера», переведенная затем на французский и английский языки, вышла в 1926 г. Статьи по этой тематике он публиковал до конца жизни. Изучение геохимической роли живого вещества В. И. Вернадский считал своей основной научной задачей. Но его главные мысли о биосфере, глубина и значение его идей только теперь начинают осознаваться обществом.

Естественно, что в своих построениях В. И. Вернадский опирался на эмпирические данные своего времени, которые во многом устарели с позиций современности. Но главные его мысли об уникальной роли «живого вещества», которое неразрывно связано с окружающей материей и космическим пространством, учение о биосфере как развивающейся и самоорганизующейся системе, еще долго будут служить науке. Многие затронутые им проблемы остаются до сих пор нерешенными или спорными: возникновение жизни, ноосфера и другие. Их актуальность в наши дни свидетельствует о могуществе и гениальности теоретических обобщений В. И. Вернадского, который во многом опередил свое время.

Взглянем на нашу планету глазами В. И. Вернадского. Он подчеркивал, что не строил никаких гипотез, а пытался описать картину планетного процесса на основе эмпирических обобщений: «Основные физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием» (В. И. Вернадский, 1926). Возможно выделить большие концентрические области и дробные внутри них, называемые земными оболочками, или геосферами. Можно предполагать, что в глубоких областях Земли имеются достаточно устойчивые равновесные системы: ядро и мантия, а над ними - земная кора.

Вещество ядра, мантии и земной коры, вероятно, отделено друг от друга, и если переходит из одной области в другую, то очень медленно.

Биосфера, согласно определению В.И.Вернадского - это среда нашей жизни, это та «природа», которая нас окружает, та «природа», о которой мы говорим в разговорном языке ? Определение биосферы и ее синонима - Лика Земли были введены австрийским геологом Э. Зюссом. В.И.Вернадский показал ходом дальнейшего исследования, что его представления были коренным образом изменены, что Лик Земли не является результатом «случайных явлений», а отвечает определенной резко ограниченной геологической земной оболочке - биосфере - одной из многих других, имеющих определенную структуру, характерную для земных планет. Он подчеркивал организованность идущих в ней геологических процессов" Пределы биосферы обусловлены «полем существования жизни», в котором по условиям температуры, химической активности и физического состояния вещества явления жизни могут иметь место.

Функцией биосферы в жизни планеты Земля являются характерные для нее и теснейшим образом материально и энергетически с ней связанные живые организмы, представляющие собой огромную геологическую силу.

Живое вещество биосферы, участвующее в геологических процессах Земной коры, есть совокупность всех живых организмов в данный момент существующих, численно выраженная в элементарном химическом составе, весе и энергии. Новым в науке являлась оценка роли живого вещества в геологических процессах. В частности, В.И.Вернадский отмечал, что: современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам; в современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи.

Два биогеохимических принципа В.И.Вернадского заключены в следующем: 

- геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению; 

- при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию. Действительно, продуценты, зеленые растения и микроорганизмы, использующие солнечную энергию для построения своих тканей не могут не стремится использовать ее максимально. Потому и создаваемая ими потенциальная энергия стремиться к максимально возможному значению и именно те организмы, которые это обеспечивают, оказываются самыми конкурентоспособными.

Вещество биосферы, по представлениям В.И.Вернадского, состоит из семи глубоко разнородных частей:

- из совокупности живых организмов, живого вещества;

- вещества, создаваемого и перерабатываемого жизнью, т.е. живыми организмами, источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д,);

- костного вещества;

- биокостного вещества, которое создается одновременно живыми организмами и костными процессами;

- вещества, находящегося в радиоактивном распаде;

- рассеянными атомами, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений;

- вещества космического происхождения.

Постоянство количества живого вещества биосферы определяется, по В.И.Вернадскому:

- предельно максимальной величиной биогеохимической энергии размножения;

- постоянством площади, доступной заселению организмами, включая как территории континентов, так и океанические пространства;

- постоянством, в многолетнем режиме, величины солнечной радиации - энергетической основы развития жизни и биогеохимической миграции на Земле.

Миграция химических элементов на земной повеpхности и в биосфеpе осуществляется, согласно представлениям В.И.Вернадского, или пpи непосpедственном участии живого вещества (биогенная мигpация), или же она пpотекает в сpеде, геохимические особенности котоpой обусловлены живым веществом, как тем, котоpое в настоящее вpемя населяет биосфеpу, так и тем, котоpое действовало на Земле в течение всей геологической истоpии.

  

            3 лекция.  Окружающая человека среда

 

         Средой жизнедеятельности человека является окружающая нас природа во всех ее проявлениях.

Географическая оболочка Земли состоит из атмосферы, гидросферы, литосферы, то есть биосферы (сфера жизни), где обитают живые организмы.

Атмосфера (от греческого «атмос» – воздух), защитная оболочка Земли, является основой жизни, определяет окислительные процессы живой и неживой материи, предохраняет от резких перепадов температуры (которые могли бы достигать 150 – 200 градусов по  Цельсии), защищает от вредных космических и солнечных лучей.      Гидросфера занимает 71 % поверхности Земли. Литосфера  (литос – камень)верхний, каменный, твердый слой Земли, состоящий из осадочных пород.

         Биосфера – исторически древняя, многокомпонентная, структурная саморегулирующаяся оболочка планеты. Она создана воздействием живого вещества (растений, животных, микроорганизмов) с неживой материей (природой) и определила состав атмосферы, осадочных пород, почвы и водной поверхности.

         Биосфера – это гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца. Единственный процесс, специфический  для биосферы – фотосинтез.

         Основное назначение биосферы – естественное поддержание планетарного равновесия на Земле, а также  снабжение человека пищей, водой, кислородом. Но в состав биосферы, кроме живого вещества        (растения, животные, микроорганизмы), входят продукты жизнедеятельности живых организмов, продукты распада, переработки пород живыми организмами, вода и радиоактивные вещества.

         На первом этапе развития биосферы – геологическом  (от возникновения жизни на земле – до начала ХIХ столетия) - биосфера сама перерабатывала отходы деятельности человечества.

         На втором этапе развития биосферы – биологическом (от начала 19 столетия – до настоящего времени) - образовалась совокупность технических сооружений, созданных человечеством (фабрики, заводы, крупные промышленные центры, города со сложной системой транспортных и инженерных коммуникаций) – возникла техносфера.

         Техносфера - это неотъемлемая часть биосферы, охваченная влиянием технических средств и технических сооружений, созданных человечеством. Создавая техносферу, человечество в первую очередь стремилось к повышению комфортности среды обитания; к обеспечению защищенности от негативных природных воздействий; к росту коммуникабельности.

         Все это благоприятно отразилось на условиях жизни человека.         Однако созданная руками и разумом человечества техносфера, призванная максимально удовлетворять его потребности в комфорте и безопасности, не оправдала надежды людей. Появление новых технологий, производственная и городская среда, научно-технический прогресс в целом, оказались далеки по уровню экологической безопасности от допустимых требований, к которым стремилось человечество.

         Среда обитания – это окружающая нас среда, обусловленная совокупностью множества опасных и вредных физических, химических, биологических, социальных факторов, способных оказать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на человека, его здоровье, потомство.

         Среда обитания подразделяется на природную, производственную, бытовую и социальную.

         Природная среда – это географическое положение, рельеф местности, климат, минеральные, энергетические и природные ресурсы, состав почвы, воздух, вода, флора, фауна.

         Производственная среда – это физико-химические и биологические условия в производственных помещениях. Она в свою очередь, складываются из:

- внешних условий (природный радиационный фон, влияние всей промышленной зоны, транспорт);

- цеховых условий (общий шум, освещенность, запыленность, микроклимат);

- условий создаваемых непосредственно рабочим местом (станки и оборудование, механизмы и приспособления, инструменты.)

         Бытовая среда – это уклад повседневной жизни вне производства, то есть сфера, включающая как удовлетворение материальных потребностей человека в пище, одежде, жилище, поддержании здоровья, так и потребностей в освоении духовных благ, культуре общения, отдыхе, развлечениях, сексе.

         Социальная среда – это окружающие человека общественные, материальные и духовные условия его существования и деятельности.

         Человечеству, чтобы существовать, необходимо вступать в определенные взаимоотношения с природой, обусловленные его трудовой деятельностью, то есть заниматься   природопользованием.

         В результате этого происходят изменения природных комплексов, нарушается равновесие экологической системы планеты Земля. Природа сама не успевает самоочищаться, в результате этого происходит ее загрязнение различными отходами производства. Человек не может прожить без пищи – около 30 дней, без воды – около 10 дней, без воздуха –  не более 5 минут.

Загрязнение природной среды может быть естественным и искусственным.

Естественные природные загрязнения вызываются природными процессами без влияния человека. К ним относятся: загрязнения внеземного происхождения (космическая пыль, космические излучения, космические пришельцы в виде метеоритов.); земное загрязнение (извержения вулканов, выветривание горных пород, лесные и другие пожары, оползни, сели, наводнения и т. д.).

Искусственное загрязнение вызвано деятельностью человека и называется  антропогенным загрязнением. Только антропогенное загрязнение приводит к коренным изменениям в природном балансе планеты Земля.

Все живое на планете Земля  существует за счет потребления веществ питания, получаемых от природы. Все живое перерабатывает продукты питания, образуя новые вещества, которые вновь возвращаются в почву, воздух, воду. Возникает  биологический круговорот. Под биологическим круговоротом понимается – поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их в воздух, почву, воду, в процессе жизнедеятельности с ежегодным спадом (уничтожением) части органического вещества или полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.  Биогеоценоз -  совокупность однородных (различных) элементов на определенном участке поверхности Земли.

Земля - единственная планета солнечной системы, атмосфера которой имеет значительное количество свободного кислорода за счет фотосинтеза. Кислород (О2) практически входит во все биологические соединения – белки, жиры, углеводы и составляет четвертую часть всех атомов живого вещества. Приблизительно на 65% человек состоит из кислорода. Кислород биосферы расходуется на поддержание озонового слоя планеты, который в свою очередь задерживает космические излучения, губительные для всего живого.

На круговорот кислорода в биосфере больше всего влияет деятельность человека. Ежегодно человечество потребляет более 10 миллиардов тонн молекулярного кислорода. Значительное количество потребления молекулярного кислорода приходится на автомобили, самолеты, теплоходы, ТЭС, другую технику и производства. Например, при сжигании 1 тонны угля расходуется количество кислорода  равное 10-ти годовым нормам одного человека. Не следует забывать, что человечество расходует (использует) кислород – как производственное сырье, нарушая установленное равновесие.

Это в первую очередь ведет к уменьшению образования озона. Техногенное выделение огромного количества углекислого газа и различных отходов производства (за счет сжигания углеводородов на транспорте, тепловых электростанциях, производствах черной металлургии и т.д.) способно изменить баланс углекислого газа в атмосфере и уменьшить теплоотдачу Земли в космическое пространство (проявится парниковый эффект, потепление). Из-за глобального потепления и увеличения средней температуры на Земле приведет к таянию ледников Антарктиды и Арктики с чрезмерным затоплением материковой части планеты Земля.

Во  вторых, выбрасывая в атмосферу различные отходы производства и, прежде всего, фреоны, хлорфторуглероды, которые в атмосфере под действием солнечных лучей разлагаются с образованием атомов фтора, разрушают озоновый слой.    

 

4  лекция.  Опасные и вредные факторы окружающей среды

 

Загрязнение – это все то, что приводит к нарушению природного равновесия. Источниками загрязнения называется  природный или хозяйственный объект, производящий загрязняющее вещество. Природное загрязнение вызывается естественными, обычно катастрофическими причинами (извержение вулканов, землетрясения, наводнения, селевые потоки и др.). Загрязнение, возникающее в результате хозяйственной деятельности человека, называется - антропогенным загрязнением.

В результате загрязнения возникают опасные и вредные факторы. Опасный  факторэто фактор, возникающий при определенных природных или производственных условиях, воздействие которого на человека приводит к травме или резкому ухудшению здоровья, смерти. Это факторы, которые при кратковременном или даже однократном воздействии на человека приводят к развитию болезни, травме или увечью, смертельному исходу.

 Вредный  фактор, как правило, приводит к заболеваниям или снижению работоспособности. И в зависимости от продолжительности действия (времени), а также уровня (доз или концентрации вредных веществ и соединений) вредных факторов, они могут стать опасными. Это факторы, которые при длительном воздействии на человека могут привести к нарушению состояния здоровья или даже развитию болезней (курение, алкоголь, наркотики, большая загазованность или запыленность рабочей зоны на производстве, а так же повышенный шум, вибрация, электромагнитные и ионизирующие излучения, повышенная или пониженная температура, влажность, давление, скорость движения воздуха).

Опасные и вредные факторы делятся на физические, химические, биологические и психофизиологические.

К опасным и вредным физическим факторам относят: шум, вибрацию, электромагнитное и ионизирующие излучения, а так же параметры, характеризующие климат  (температура, атмосферное давление, влажность, потоки ветра), запыленность и уровень освещенности. В свою очередь физические факторы подразделяются на механические, термические, радиационные, электромагнитные.

Химически опасные и вредные факторы имеют место в производственных условиях, при производстве СДЯВ и ОВ, при их транспортировке, применении их в хозяйственной деятельности, а также в случаях возникновения различных аварий и катастроф, связанных с утечкой СДЯВ на объектах экономики  или применения ОВ во время ведения боевых действий между конфликтующими сторонами (война, террористические акты).  Но особое место занимают химические загрязнения воздуха атмосферы. В последние 40 – 60 лет человечество все чаще сталкивается с вторичными химически опасными и вредными факторами, особенно проявляющие себя над крупными городами и промышленными центрами. 

В результате взаимодействия и трансформации различных видов загрязнений, образуются вторичные факторы загрязнения. Например:  смог, кислотные дожди, снижение плодородия почвы, ухудшение качества продуктов питания, разрушение технических сооружений, разрушение озонового слоя атмосферы  и т.д.

Смог  - сочетание пылевых частиц и капель влаги (туман), видимое загрязнение воздуха любого характера, вызываемое, как правило, промышленными выбросами и отходами. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции организма, раздражение слизистой оболочки глаз, повреждение зданий и сооружений (особенно сильно страдают от смога скульптурные элементы, всевозможные покрытия), пагубно влияет на растительный мир планеты. Огромное количество пыли выбрасывается в атмосферу стекольными, асбестовыми, цементными предприятиями. Смог большей частью образуется над городами и промышленными центрами в результате смеси дыма и тумана. Он может полностью обволакивать город и оставаться над ним в течение нескольких дней. Из космоса смог наблюдается в виде сплошного бурого пятна. Смог приводит к гибели людей.

Одним из источников образования смога служит  транспорт, особенно автомобильный. При сжигании горючих ископаемых (уголь, газ, нефть) на тепловых электростанциях и промышленных объектах в атмосферу выбрасываются диоксиды серы, оксиды азота, хлористый водород и другие вещества. Эти вещества, взаимодействуя с атмосферной влагой, образуют азотистую, азотную, сернистую и серную кислоту. В результате образуются кислотные дожди, оказывающие агрессивное воздействие на кирпичные и бетонные сооружения, повышают кислотность почвы, нарушая ее биологическое равновесие, повреждают растительный покров (особенно страдают леса), в водоемах гибнет фауна.

Одним из видов опасности являются биологические вещества, к ним относятся макроорганизмы (животные и растения) и болезнетворные микроорганизмы, возбудители инфекционных болезней (бактерии, вирусы, грибки, риккетсии, спирохеты, простейшие).

Биологическое оружие (БО) основано на использовании бактерий, микробов, вирусов, грибков, риккетсий и токсинов для поражения человека, животных или растений. Применение БО способно вызывать массовые эпидемии у населения, массовый падеж диких и домашних животных и птиц – эпизоотия, массовую гибель растений – эпифитотия, тем самым нарушить экологическое равновесие.

Психофизиологические факторы в первую очередь определяют:  эмоциональное, физическое, психическое состояние человека. Они зависят  от общеобразовательного уровня развития каждого человека.

В современных условиях и на данном отрезке времени, когда Республика Казахстан встала на путь рыночных преобразований, и устоявшийся уклад жизни всего населения страны резко поменялся, психофизиологические факторы приобрели качественно новые формы воздействия на психику человека.

Основными причинами психических расстройств  являются:

- процесс постоянной модернизации и рационализации производства;

- боязнь утраты работы (боязнь остаться без средств существования);

- всевозрастающий темп и нагрузка на человека без учета его способностей;

-                    низкая заработная плата не соответствующая прожиточному минимуму;

-                    психологический террор (сплетни, интриги, слухи, возникающие в свою очередь из-за зависти, жадности и т.д.).

Опасные и вредные факторы городской среды вызваны за счет загрязнения атмосферы и гидросферы,  поступающими от промышленных объектов, транспорта и коммунально-бытовых отходов.

  

5 лекция.  Методы газоочистки от аэрозолей

 

Для обезвреживания аэрозолей используют сухие и мокрые и электрические методы. Аппараты, с помощью которых эти методы реализуются, различаются как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц.

В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мокрых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капле, на поверхности газовых пузырей или на пленке жидкости. В электрофильтрах осаждение частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.

Термины «сухой метод» и «мокрый метод» возникли в первые годы развития газоочистки как профессионально-жаргонные, но затем закрепились и в настоящее время являются общепризнанными.

Сухими методами называются те, которые исключают использование воды, водных растворов и других жидкостей в качестве промывных или поглотительных средств. Сухие методы не исключают использование жидкостей, в основном, воды, для подготовки летучих выбросов перед их подачей в газоочистительные аппараты. Например, практикуется подача некоторого расчетного количества тонкораспыленной воды в пылегазовый поток с целью уменьшения его температуры и уменьшения удельного электрического сопротивления. Вода при этом полностью испаряется и никаких промывных или поглотительных функций не выполняет.

Достоинства сухих методов:

1) Температура остаточного выброса после сухой очистки определяется только конструктивными соображениями и может достигать 400-500 оС, а при наличии теплозащитной футуровки еще большего значения. Это позволяет утилизировать теплоту газа после очистки со значительным экономическим эффектом.

2) При выбросе в атмосферу сухих и относительно горячих газов значительно улучшаются условия их рассеивания.

3) Отсутствует потребление воды, которая является ценным, а в ряде регионов дефицитным природным ресурсом.

4) Нет вторичных стоков загрязненных жидкостей, которые необходимо подвергать  глубокой очистке перед сбросом в водоемы, либо специально обрабатывать для повторного использования в технологическом процессе.

5) Если температура смеси в тракте газоочистки устойчиво превышает температуру конденсации содержащихся в ней паров, коррозия оборудования не имеет места.

6) Если улавливается пыль, она выгружается из пылеуловителей в виде сухого порошкообразного продукта, который может быть утилизирован без сложных промежуточных операций.

Недостатки сухих методов:

1) В системе транспорта уловленного порошкообразного продукта существует опасность вторичного образования аэрозолей. Поэтому указанные системы подлежат тщательной герметизации, а в некоторых случаях снабжаются собственными аспирационными отсосами (очистка отсосов может быть самостоятельной, но часто практикуется их подача в основной газовый тракт перед основными газоочистительными аппаратами).

2) Сухие системы очистки резко отрицательно реагируют на конденсацию паров, особенно паров кислых жидкостей  как во всем объеме, так и в ограниченной части пылегазового потока (например, в местах подсосов холодного наружного воздуха, возле сравнительно холодных стенок пылесборных бункеров и т. д.). Конденсация вызывает общую или местную коррозию, а также способствует образованию трудноудаляемых отложений пыли.

Мокрыми называются методы, основанные на использовании воды или других жидкостей в качестве промывных или поглотительных агентов, а также методы, при которых жидкость, не промывая выбросов и не поглощая их компонентов, выполняет какую-либо важную технологическую функцию. Например, у мокрых электрофильтров удаление с электродов уловленной пыли производится не отряхиванием, а смывом. К мокрым относятся также электрофильтры, улавливающие не пыль, а тонко-дисперсные брызги жидкости, унесенные из предыдущее ступени очистки.

Области применения сухих и мокрых методов не разграничены абсолютно четко и однозначно, поскольку нередко оба метода технологически пригодны для решения одинаковых задач. Выбор метода диктуется технико-экономическими соображениями и спецификой предприятия, для которого проектируется газоочистка.

Достоинства мокрых методов:

1) Аппараты мокрой очистки, в общем конструктивно проще аппаратов сухой очистки; не имеют вовсе или имеют очень мало движущихся механических частей.

2) Транспорт уловленного продукта конструктивно прост (объект транспортировки – шлам, пульпа или растворы) и не требует предохранительных мер против вторичного образования  аэрозолей.

Недостатки мокрых методов:

1) Аппараты потребляют воду, которая является ценным и нередко дефицитным природным ресурсом. Даже при наличии замкнутого цикла орошения потери воды (за счет испарения, с уловленным продуктом) неизбежны и требуют возмещения.

2) Имеет место вторичный сток загрязненных жидкостей, которые без соответствующей (нередко довольно сложной ) обработки не могут быть ни сброшены в водоемы (канализацию), ни возвращены в цикл. В некоторых случаях требуются сложные системы регенерации растворов.

3) После мокрой очистки остаточный выброс, холодный и влажный, из-за чего ухудшаются условия его рассеивания. Если очистке подвергаются горячие выбросы, то основное количество содержащейся в них теплоты делается более сложной и менее эффективной (в некоторых случаях теплообменники типа жидкость – жидкость встраиваются в циркуляционную систему орошения).

4) В большинстве случаев в выбросах присутствуют коррозионно-активные вещества, агрессивные свойства которых усиливаются в присутствии влаги. Поэтому при использовании мокрых методов необходимо решать комплекс вопросов противокоррозионной защиты. Недостаточное внимание к ним приводит к катастрофически быстрому разрушению газоочистительных сооружений, что неоднократно наблюдалось на практике.

5)  Некоторые ядовитые газовые компоненты выбросов, поглощенные водой (без нейтрализации), могут в системе рециркуляции вторично выделяться, создавая опасность для персонала.

6)  Утилизация уловленного продукта (если только он не утилизируется в виде шлама, пульпы или растворов) требует создания сложных технологических систем, которые по насыщенности оборудованием и эксплуатационным расходам нередко превосходят основные газоочистительные сооружения.

В последние десятилетия в мировой практике преобладают тенденции развития сухих методов. Этому способствует совершенствование конструкций электрофильтров и рукавных фильтров.

6 лекция. Пылеосадительные  камеры  и  инерционные  пылеуловителы

 

Пылеосадительные камеры относятся к простейшим устройствам для улавливания крупных сырьевых частиц или пыли. Они действуют по принципу осаждения частиц при медленном движении пылегазового потока через рабочую камеру, поэтому основными размерами камеры являются ее высота и длина (см. рисунок 6.1). Геометрические размеры определяют время пребывания пылегазового потока в камере.

Даже самые совершенные по конструкции пылеосадительные каме­ры занимают много места, а поэтому в качестве самостоятельных элементов пылеулавливающей системы находят ограниченное применение. Однако упрощенные варианты пылевых камер применяются в каче­стве элементов основного технологического оборудования.  Пылевые камеры позволяют улавливать грубые частицы, что предотвращает осаждение этих частиц   в соединительных газоходах и разгружает высокоэффективные пылеуловители – рукавные фильтры, электрофильтры. Камеры изготавливают из кирпича, железобетона или стали.


 

1 – корпус; 2 –пылеотводящий бункер.

 

Рисунок 6.1 -  Пылеосадительная камера

 

Расчет пылевой камеры сводится к определению площади осаждения, т. е. площади днища камеры. При этом принимают ряд допущений: пыль равномерно распределяется по сечению камеры  как по концентрации, так и по дисперсности; она состоит из шаровых частиц и полностью подчиняется закону Стокса; скорость газа по сечению ка­меры принимается равномерной; результат действия конвекционных токов и турбулентности газового потока на частицы пыли равен нулю; осевшая пыль не уносится из камеры.

Эффективность работы пылеосадительной камеры в значительной степени зависит от того, насколько равномерна раздача потока. Для этой цели камеры оборудуют газораспределительными решетками или применяют диффузоры с рассечками.

В вертикальных пылеосадительных камерах улавливаются частицы со скоростью оседания выше скорости пылегазового потока. Эти аппараты применяются для улавливания крупных частиц из газов небольших вагранок. Более сложными являются камеры дефлекторного типа, в которых пыль собирается в кольцевом коллекторе, окружающем дымовую трубу.

Инерционные пылеуловители. Эффективность обеспыливания в простой пылеосадительной камере может быть увеличена, а габариты ее уменьшены, если к эффекту гравитационного осаждения частиц придать дополнительный момент движения вниз. Этот принцип положен в основу многих конструкций пылеуловителей.

Типичным представителем этого класса пылеуловителей являются «пылевые мешки», которые нашли применение в металлургии. Например, такой пылеуловитель, установленный за доменной печью, обеспечивает степень улавливания частиц >30 мкм до 65—80 %.

  В современных конструкциях инерционных пылеуловителей механизм осаждения частиц основан на изменении направления движения. Пылегазовый поток проходит вертикально вниз по цилиндрическому газоходу, затем изменяет направление движения на 180о  и проходит через кольцевой зазор; уловленная пыль ссыпается в бункер. Эффект пылеулавливания в значительной степени зависит от правильно подобранного кольцевого зазора.

Фракционная эффективность этих пылеуловителей позволяет применять их в качестве самостоятельных аппаратов вместо, например, циклонов.

  

6.1  Циклонные и жалюзийные пылеуловители

 

Циклоны конструкции НИИО газа (цилиндрические и конические) получили широкое распространение. К цилиндрическим циклонам (см. рисунок 6.2) относятся циклоны типа ЦН-11, ЦН-15: ЦН-15У и ЦН-24. Характерными особенностями аппаратов этой группы являются: наличие удлиненной цилиндрической части; угол наклона крышки и входного патрубка равен соответственно 11, 15 и 24о; отношение диаметра выхлопной трубы к диаметру циклона, равное 0,59. Циклон типа ЦН-15У имеет меньшую высоту.

К коническим  циклонам (см. рисунок 6.3) относятся циклоны типа СДК-ЦН-33, СК-ЦН-34 и СК-ЦН-22. Они характеризуются длинной конической частью, спиральным входным патрубком и малым отношением диаметров выхлопной трубы и корпуса циклонов.

Цилиндрические циклоны относятся к высокопроизводительным аппаратам, а конические циклоны - к высокоэффективным. Диаметр цилиндрических циклонов обычно не превышает 2000, а конических 3000 мм. С увеличением диаметра циклона при постоянной тангенциальной скорости потока центробежная сила, воздействующая на пылевые частицы, уменьшается, и эффективность пылеулавливания снижается.

Кроме того, установка одного высокопроизводительного циклона вызывает затруднения из-за его большой высоты. В связи с этим в технике пылеулав­ливания широкое применение нашли групповые и батарейные циклоны.

При определении гидравлического сопротивления групповых установок к коэффициенту сопротивления одиночного циклона, отнесенному к скорости воздушного потока в горизонтальном сечении корпуса, при круговой компоновке следует добавлять 60, при двухрядной с отводом очищенного газа через общую камеру 35, при двухрядной с отводом очищенного газа через улитки 28. Степень очистки в группе циклонов принимается равной степени очистки в одиночном циклоне, входящем в эту же группу, хотя экспериментально это не доказано. Есть некоторые основания полагать, что она несколько ниже, чем в одиночном циклоне.


 

  

Рисунок 6.2  - Цилиндрический циклон  конструкции НИИО газа

 

Конические циклоны при равных производительностях с цилиндрическими отличаются от последних большими габаритами и поэтому обычно не применяются в групповом исполнении. Для подвода газа к отдельным циклонам при установке их в группу рекомендуется применять коллекторы. Обходные патрубки циклонов присоединяют к коллектору посредством фланцев. Коллектор выполняется из одного или нескольких патрубков, которые с одной стороны подсоединяются к циклонам, а с другой – заканчиваются общей камерой.

Отвод очищенного газа в циклонах может осуществляться несколькими способами: с помощью улитки, служащей для преобразования вращательного движения газов в поступательное, колена, общего сборника для группы циклонов или через выхлопную трубу. Сечения выходного отверстия улитки и входного патрубка циклонов следует выполнять одинаковыми.

Группа циклонов снабжается общим бункером для сбора пыли. Диаметр пылевыпускного отверстия бункера подбирают таким, чтобы выпуск уловленной пыли происходил без задержки, а размер фланца соответствовал размеру устанавливаемого под ним пылевого затвора. Угол наклона стенок бункера принимается большим, чем угол естественного откоса пыли; обычно он составляет 55—60°.


 

Рисунок 6.3 - Спирально-конический циклон ЦН

 

В группах циклоны компонуются в два ряда или имеют круговую компоновку в соответствии с рекомендациями.  Для увеличения срока службы циклонов, подвергающихся абразивному износу, в местах наибольшего износа (в нижней части корпуса, во входной части улитки) рекомендуется приваривать дополнительные листы с наружной стороны стенок аппаратов. При необходимости обеспечить повышенную степень очистки (для более эффективного улавливания частиц размером 5—10 мкм) можно устанавливать аппараты типа ЦН-11 с углами наклона крышки и входного патрубка 11°.

Согласно ГОСТу для циклонов принят следующий ряд диаметров: 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм. Для всех одиночных циклонов бункера выполняются цилиндрической формы. Диаметры бункеров принимаются: Dбункера = 1,5D (для цилиндрического циклона); Dбункера = 1,1-1,2D (для конического циклона). Высота цилиндрической части бункера принимается равной 0,8D, днище бункера выполняется с углом стенок 60°. При отсутствии необходимой площади для размещения бункера разрешается уменьшение его до значения 0,8D при обязательном сохранении расчетного объема.

Циклонные аппараты бывают в следующем исполнении: с бункером и подогревателем; с бункером без подогревателя.

Условное обозначение типоразмера циклона:

-СК - спиральный конический;

- ЦН - циклон конструкции НИИОгаза;

- БП - с бункером и подогревателем;

- Б - с бункером без подогревателя (при отсутствии Б или БП — без бункера и подогревателя);

- последнее число — диаметр цилиндрической части циклона (мм);

- П или Л — «правое» или «левое» вращение пылегазового потока.

Практическое решение задач наилучшего распределения газов, уноса, отвода уловленной пыли и т. д. при необходимости установки большого числа циклонов привело к созданию батарейного циклона. Последний представляет собой   пылеулавливающий аппарат, составленный из большого числа параллельно включенных циклонных элементов, которые заключены в один корпус, и имеющий общий подвод и отвод газов, а также   сборный бункер (см. рисунок 6.4).  

В отличие от обычных циклонов сообщение газовому потоку вращательного движения, необходимого для выделения пыли, в элементах батарейного циклона достигается не подводом к ним газов по касательной, а установкой в каждом элементе направляющего аппарата в виде винта или розетки. В результате размеры батарейного циклона (в плане) меньше размеров обычных циклонов одинаковой производительности. Напри­мер, высота единичного высокоэффективного циклона типа ЦН-15 производительностью по газу 4600 м3/ч и диаметром 900 мм составляет 7600 мм (циклон, бункер и выхлопная труба); для тех же условий высота батарейного циклона 2400 мм.

Обеспыливаемый газ через входной патрубок 2 поступает в распределительную камеру 3, откуда он выходит в кольцевые зазоры между корпусами элементов 4 и выхлопными трубами 6. В зазорах установлены направляющие аппараты 5, закручивающие газовый поток таким образом, что создающаяся центробежная сила отбрасывает частицы пыли к стенкам корпусов элементов и пыль ссыпается через пылеотводящие отверстия 7 в сборный бункер 8. Очищенный газ через выхлопные трубы поступает в камеру 1. Для крепления корпусов элементов и выхлопных труб служат соответственно нижняя и верхняя трубные доски 10. Поступившая в бункер пыль отводится по течке 9, на которой установлены разгрузочные устройства, подающие пыль в систему пылетранспорта.

 

                        

 

Рисунок 6.4 - Батарейный циклон

 

При сопоставлении технико-экономических показателей батарейных и обычных циклонов следует учитывать следующее:

- степень очистки газов в батарейных циклонах несколько ниже той, которую можно достичь в равных по диаметру обычных циклонах. Принято считать, что примерно одинаковым КПД обладают обычные циклоны вдвое большего диаметра, чем батарейные;

- большое число циклонных элементов, объединенных общим бункером в одной секции батарейного циклона, требует равномерного распределе­ния очищаемых газов;

- в случае применения элементов малого диаметра соответственно увеличивается их необходимое число, что повышает опасность неравномерного распределения газов и возрастания вредных перетоков газов между элементами через общий бункер. Поэтому чаще всего для батарейных циклонов целесообразно применять элементы диаметром 250 мм.

         Жалюзийные пылеуловители относятся к простейшим типам инерционных сепараторов. В отличие от гравитационных, они работают при более высоких скоростях потоков и имеют меньшие габариты.

Поскольку улавливают только крупные частицы (D>60…70 мкм), в настоящее время используются в основном для предварительного осаждения  крупных частиц с целью уменьшения абразивного износа технологического оборудования или облегчения работы очистных устройств последующих ступеней. Для предварительного улавливания крупных частиц золы из дымовых газов разработаны жалюзийные золоуловители ВТИ, имеющие 6 вариантов исполнения для установки в горизонтальных и вертикальных (при движении газов снизу вверх) газоходах. Часто жалюзийные пылеуловители используются совместно с циклонами и служат концентраторами пыли для них (см. рисунок 6.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

1-входная камера; 2-отсосная щель; 3-диффузор; 4-подводящий к циклону; 5-отсосный циклон; 6-отходящий от циклона воздуховод;                 7-основной газоход по месту подсоединения отводящего воздуховода; 8-инжектор; 9-основной газоход после инжектора.

 

Рисунок 6.5 - Жалюзийный пылеуловитель в газоходе

Жалюзийная решетка, установленная в газоходе, разделяет поток аэрозоля на две части. Основная часть потока, проходя через лопасти решетки, в некоторой степени освобождается от крупных фракций пыли и уходит по газоходу, а меньшая часть, отбираемая циклоном (до 20%), насыщается пылью, что облегчают ее очистку. После циклона поток вновь возвращается в газоход. Отношение расхода газов через циклон к общему расходу принимается обычно равным 10 или 20 %. Движение концентрированного потока через отсосный циклон может происходить за счет разрежения, образующегося при прохождении основного потока через инжектор или вентилятор, если величина разрежения недостаточно для преодоления сопротивления циклона, подводящих и отводящих воздуховодов.

  

7 лекция.  Механизмы процесса электрической фильтрации газов  

 

Электрофильтры являются универсальными аппаратами для очистки промышленных газов от твердых и жидких частиц. К числу преимуществ электрофильтра относятся: высокая степень очистки (99%),  низкие энергетические затраты на улавливание частиц, обычно 0,3—1,8 МДж (0,1—0,5 кВтч) на 1000 м3 газа; возможность улавливания частиц размером 100—0,1 мкм и менее, при этом кон­центрация взвешенных частиц в газах может колебаться от долей до 50 г/м3 и более, а их температура может превышать 500 °С. Электрофильтры могут работать под давлением и разрежением, а также в условиях воздействия различных агрессивных сред.

К недостаткам электрофильтров относится высокая чувствительность процесса электрической фильтрации газов к отклонениям от заданных параметров технологического режима, а также к незначительным механическим дефектам в активной зоне аппарата.

Однако, несмотря на указанные недостатки, электрофильтры являются одним из распространенных, а иногда незаменимых аппаратов для очистки промышленных газов от твердых и жидких загрязняющих веществ, выделяющихся при различных технологических процессах, прежде всего больших объемов газа (порядка сотен тысяч и миллионов кубических метров газа в час).

Электрофильтры широко применяются почти во всех отраслях народного хозяйства: теплоэнергетике, черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, в строительной индустрии, при производстве удобрений и утилизации бытовых отходов, в атомной промышленности и др. Область применения электрофильтров непрерывно расширяется.

Техника электрической фильтрации газов непрерывно развивается в направлении интенсификации процесса с целью уменьшения габаритов электрофильтров, повышения степени очистки при улавливании пылей с низкой электропроводностью, создания новых источников для питания электрофильтров.

Электрофильтры не применяются, если очищаемый газ является взрывоопасной смесью или такая смесь может образоваться в ходе процесса в результате отклонения от нормального технологического режима, так как при работе электрофильтра неизбежно возникновение искровых разрядов. В исключительных случаях электрофильтры все же устанавливаются в условиях возможного образования взрывоопасных сред, однако при этом предпринимаются особые меры предосторожности, включающие специальные конструктивные решения, автоматическое отключение агрегата питания при возникновении взрывоопасных концентраций среды и т. п.

Установка для электрической очистки газов состоит из электрофильтра, агрегатов питания и систем транспорта уловленной пыли. Собственно электрофильтр состоит из металлического корпуса с размещенными внутри него осадительными и коронирующими электродами. На входе в электрофильтр обычно устанавливается газорас­пределительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение газов в активной зоне аппарата. Электрофильтр снабжается спе­циальными устройствами для удаления уловленной пыли. Осадительные электроды выполняются из металлических пластин различной конфигу­рации или из труб круглого или шестиугольного сечения. Коронирующие электроды выполняются из круглой проволоки или из узких полос с выступающими острыми углами и др.

Сущность процесса электрической фильтрации газов заключается в следующем. Газ, содержащий взвешенные частицы, проходит через си­стему, состоящую из заземленных осадительных электродов и разме­щенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным проме­жутком) коронирующих электродов, к которым подводится выпрямлен­ный электрический ток высокого напряжения (см. рисунок 7.1).       

             

1 – коронирующий электрод; 2 – электроны; 3 – ионы; 4 – частицы пыли; 5 – осадительный электрод.

 

Рисунок 7.1  - Механизм зарядки и осаждения частиц в электрофильтре

 

При достаточно большом напряжении, приложенном к межэлектродному проме­жутку, у поверхности коронирующего электрода происходит  ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны), который на весь межэлектродный промежуток не распространяется и затухает по мере уменьшения напряженности электрического поля в направлении осадительного электрода.

Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне коро­ны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в межэлектродном промежутке возникает электрический ток, называемый током короны. Улавливаемые частицы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектрод­ном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электриче­ского поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное коли­чество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных элек­тродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встря­хиванием или промывкой электродов.

Конструктивная схема электрофильтра представлена на рисунке 7.2. Между двумя осадительными плоскостями натянут ряд проводов. В пространство между каждой из плоскостей и проводами подается газопылевой поток. В поле коронного разряда, возникающего при подаче высокого напряжения на проводе, частицы заряжаются и под действием поля движутся к осадительным плоскостям, с которых они периодически удаляются.



а - электрофильтр с трубчатыми электродами; б - электрофильтр с пластинчатыми электродами; 1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды.

 

Рисунок  7.2 - Конструктивная схема электрофильтра

Таким образом, концентрация пыли в газе при прохождении его через активную зону электрофильтра значительно уменьшается. В трубчатых электрофильтрах удается получить более высокие значения рабочего напряжения, чем в пластинчатых. Вместе с тем в пластинчатых электрофильтрах проще решаются вопросы обеспыливания больших объемов газов в едином аппарате.

К числу наиболее важных параметров, влияющих на эффективность работы электрофильтров, относятся напряженность электрического поля.  Кроме этого, движение частиц в электрическом поле, время пребывания частиц в активной зоне, удельное электрическое сопротивление слоя пыли на электродах, эффективность встряхивающих устройств, явления вторичного уноса частиц пыли и др.

Процесс электрической фильтрации газов можно разделить на следующие стадии: зарядка взвешенных в газе частиц; движение заряженных частиц к электродам (подавляющая часть заряженных частиц движется к осадительным электродам); осаждение частиц на электродах; удаление осажденных частиц с электродов.

В настоящее время в промышленности применяются два вида электрофильтров: однозонные и двухзонные электрофильтры. Однозонные электрофильтры, в которых зарядка и осаждение частиц осуществляются в одной зоне, используемые для очистки промышленных газов. Двухзонные электрофильтры, в которых процессы зарядки и осаждения протекают в двух разных зонах – ионизаторе и осадителе, применяемые в основном для тонкой очистки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования. Современный однозонный электрофильтр для очистки промышленных газов представляет собой газоплотный корпус, в котором размещаются системы электродов, а также устройства, обеспечивающие равномерное распределение газа по сечению аппарата и вывод из него уловленных частиц.

 

 

         8 лекция.  Фильтровальные материалы

 

Независимо от конструкции фильтра, в котором устанавливается фильтровальный материал, от свойств очищаемой среды и улавливаемой пыли фильтровальные материалы должны иметь высокую пылеемкость в процессе фильтрации и способность удерживать после регенерации такое количество пыли, которого достаточно для обеспечения высокой эффективности очистки газов.

В процессе эксплуатации фильтровальный материал должен сохранять высокую воздухопроницаемость в запыленном состоянии. Для обеспечения длительной работы в условиях действия регенерирующих устройств материалы должны иметь высокую прочность на разрыв и перегибы и способность к легкому удалению пыли, накопленной внутри пор и на поверхности. В необходимых случаях они должны обладать термостойкостью, кислостойкостью, стойкостью к щелочам, невысокой стоимостью материала.

Все фильтровальные материалы можно подразделить на четыре основных типа:

1) изготовлены из естественных волокон животного и растительного происхождения (шерстяные, льняные, хлопчатобумажные, шелковые);

2) из искусственных органических волокон (лавсан, нитрон, капрон, хлорин, оксалон и др.);

3) из естественных минеральных волокон (асбест);

4) из искусственных неорганических волокон (стеклоткань, металлоткань).

Во всех волокнах растительного происхождения основным веществом, определяющим их свойства, является целлюлоза.

 Хлопковое волокно так же, как и целлюлоза, подвержено значительным изменениям под действием кислот, щелочей и окислителей. Однако растворы едкой щелочи концентрацией от 0,5 до 5 % при комнатной температуре не изменяют состава и свойств хлопкового волокна. Растворы уксусной кислоты слабой концентрации не оказывают заметного действия на хлопковые волокна при любой температуре. Аммиачные растворы гидроокисей меди, никеля, кобальта, цинка растворяют целлюлозу. Ткани из хлопковых волокон выдерживают температуру до 800С.

Льняные волокна относятся к наиболее прочным из группы естест­венных волокон растительного происхождения. Химическая стойкость их примерно одинакова с волокнами хлопка. Льняные ткани находят ограниченное применение для фильтрации.

Шерстяные волокна относятся к группе естественных волокон животного происхождения и состоят главным образом из белковых веществ. В отличие от целлюлозы белковые вещества относительно стойки к действию кислот; щелочи, как и газообразный аммиак, быстро разрушают белковые вещества волокон шерсти. Шерстяные тка­ни могут быть применены при фильтрации газа с температурой не более 90 °С.

Шелковые волокна также относятся к группе естественных волокон животного происхождения и в основном состоят из белковых веществ. Стойкость к щелочам у шелка несколько лучшая, чем у шерсти, но хуже, чем у хлопка. Шелк стоек в слабокислой среде, однако, шелковые ткани применяются очень редко.

Асбестовое волокно относится к группе естественных волокон минерального происхождения. Основными достоинствами волокон асбеста являются высокая термостойкость, неподверженность гнилостным процессам, стойкость в щелочных и кислых средах. Прочностные свойства асбестовых волокон невысокие.

Стеклянное волокно отличается высокой термостойкостью, выдерживает значительные разрывные нагрузки. В последнее время освоено производство стеклотканей из высокообъемной (текстурированной) пряжи. Недостатком всех стеклянных волокон является их низкая стойкость к перегибам и истиранию. Фильтровальные ткани из стеклянных волокон применяются для очистки газов с температурой до 250°С.

Лавсановое волокно эластично, устойчиво к истиранию, слипанию, изгибу. В кислых средах стойкость лавсановых волокон относительно высокая, в щелочных средах прочность лавсана значительно снижается. Лавсановые волокна устойчивы к воздействию микроорганизмов, ткани из них не плесневеют, устойчивы к действию света, но очень чувствительны к резким колебаниям влажности. Лавсановые фильтровальные ткани при длительной эксплуатации выдерживают температуру 130°С.

Нитроновое волокно — продукт полимеризации акрилонитрила, сырьем для которого служат ацетилен и синильная кислота. Отличительной особенностью нитроновых волокон является их сходство по внешнему виду с волокнами натуральной шерсти. Стойкость к кислым средам нитрона высокая, он удовлетворительно выдерживает воздействие щелочных сред. Нитрон нечувствителен к резким колебаниям влажности. Термостойкость фильтровальных тканей из нитрона определяется пределом 120-1300С.

Хлориновое волокно имеет высокую химическую стойкость, устойчиво к действию микроорганизмов и плесени. Выдерживает температуру до 70 °С. При повышении температуры более 70°С хлориновые волокна размягчаются, ткань теряет эластичность и быстро выходит из строя. При длительном воздействии света прочность хлориновых волокон значительно снижается. При колебаниях влажности хлориновые ткани не дают заметной усадки.

Капроновое волокно характеризуется высокой устойчивостью к ис­тиранию и воздействию знакопеременных нагрузок растяжение — сжатие, обладает хорошей устойчивостью к щелочным средам. В концентрированных кислотах капрон растворяется. Ткани из капрона длительно выдерживают температуру 90 °С.

Оксалоновые волокна имеют высокую термостойкость. Ткани из оксалоновых волокон способны длительно работать при температуре 180-2000С.

Тефлоновые волокна отличаются высокой химической стойкостью, превосходящей все известные материалы, устойчивы к изгибу и трению. Под действием больших механических нагрузок материал из тефлона вытягивается, «течет». Тефлоновые ткани могут выдерживать температуру до 2300С.

По структуре фильтровальные материалы подразделяются на тканные и нетканные. Тканные фильтровальные материалы в свою очередь подразделяются в зависимости от способа переплетения на полотняные, саржевые, сатиновые; в зависимости от вида волокна в нити - на штапельные, филаментные, текстурированные; в зависимости от обработки поверхности -  на ворсованные, гладкие. Нетканные фильтровальные материалы по способу закрепления волокон подразделяются на иглопробивные, холстопрошивные, клееные.

Основные свойства фильтровальных материалов. Эффективность пылеулавливания, гидравлическое сопротивление, срок службы фильтровальных тканей во многом зависят от их структуры, способа плетения, плотности, толщины и крутки нитей.

Основным показателем, определяющим применимость фильтровального материала для любого технологического передела, является его пылеотделяющая способность. Она зависит от свойств пыли и газа, текстильных показателей ткани, условий и режимов эксплуатации, конструктивных особенностей фильтра.

Другим важным свойством фильтровальных материалов является их способность к регенерации, которая осуществляется различными способами: обратной и импульсной продувкой, простым встряхиванием, вибрацией, покачиванием и перекручиванием рукавов, воздействием звуковых колебаний, ударной волной и др.

Выбор фильтровального материала для оснащения конкретного рукавного фильтра осуществляется, исходя из физико-химического состава пыли и газа, конструктивных особенностей фильтра, примененного способа регенерации, требований к степени очистки и допустимого гидравлического сопротивления.

Тканевый фильтр состоит из корпуса цилиндрической или прямоугольной формы, выполненного из листовой стали, в котором размещены все узлы фильтра. Существенным элементом корпуса является бункер, имеющий коническую или пирамидальную форму, угол наклона стенок которого должен быть больше угла естественного откоса улавливаемой пыли. В нижней части бункера устанавливаются шнековый или скребковый транспортер и шлюзовой затвор, предназначенные для выгрузки уловленной пыли. Бункер и корпус разделены горизонтальной решеткой, в которой сделаны отверстия с патрубками для крепления рукавов. Корпус вертикальными стенками разделяется на секции с целью уменьшения перегрузки фильтровального материала и более эффективной регенерации. В секциях прямыми рядами или в шахматном порядке размещаются рукава; отношение длины рукава к диаметру – от 15 до 40.

На корпусе находятся механизм управления регенерацией, клапанная коробка переключения секций на продувку с калорифером для подачи в фильтр (во избежание залипания фильтровального материала) подогретого продувочного воздуха, а также коллекторы, через которые запыленный газ и продувочный воздух подводятся к фильтру, а очищенный воздух отводится от него.

В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки (фетры), получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом.

Осаждение частиц пыли в начальный период работы фильтра за счет механизмов касания, инерции, диффузии и электростатического взаимодействия происходит на волокнах, расположенных на поверхности нитей, а также в ворсе. Волокна, находящиеся внутри крученых нитей, в осаждении частиц практически не участвуют, так как поток газа проходит в основном через отверстия между нитями. В последующем наблюдается процесс соосаждения частиц и формирования «мостов» над порами и в самих порах, в результате чего образуется сплошной слой пыли, который сам становится «вторичной» фильтрующей средой, и эффективность очистки резко возрастает. Осаждение частиц в поверхностном пылевом слое и внутри запыленной ткани основано в значительной степени на ситовом эффекте, так как поры в слое, обтекаемые элементы (осажденные пылинки) и улавливаемые частицы имеют близкие размеры.

Применение зернистых фильтров оказывается целесообразным для очистки газов при температурах, чрезмерно высоких для рукавных фильтров. Кроме того, экономически выгодной является сухая комплексная очистка газов от пыли и газообразных вредных веществ, особенно при условии применения шихтовых материалов в качестве сорбента или катализатора.

Высокотемпературная очистка газов. Целесообразность применения зернистых фильтров в этом случае обусловлена возможностью очистки уменьшенных объемов газа без их предварительного охлаждения (в том числе разбавлением воздухом). Кроме того, высокотемпературная очистка газов значительно облегчает утилизацию их тепла.

Сухая комплексная очистка газов от пыли и газообразных вредных веществ с использованием в качестве насыпного слоя соответствующего адсорбента или катализатора. Этот метод позволяет отказаться от дополнительной гидрохимической схемы нейтрализации уловленных продуктов, необходимой при применении абсорбционной схемы улавливания. Этот метод легко осуществляется, когда в качестве адсорбента, катализатора или фильтрующего материала может быть использован материал основного технологического процесса, например, шихтовый материал. Поэтому в качестве насадки используют песок, гальку, шлак, дробленые горные породы, древесные опилки, кокс, крошку резины, пластмасс, графита и другие материалы.

Конструкция аппарата зернистого фильтра, предназначенного для очистки газов от мелкодисперсной пыли при высоких температурах, должна обеспечивать:

- высокую надежность при непрерывной многолетней работе в условиях как обычных, так и агрессивных газовых сред;

- эффективное улавливание мелкодисперсной пыли;

- сохранение высокой эффективности улавливания в течение всего периода работы;

- работу при высоких температурах (400 оС и более);

- заданную эффективность при резком увеличении запыленности, скорости и давления на входе в случае нарушения технологических параметров установки.

Зернистые фильтры нашли широкое применение при обеспыливании горячих газов в цементной промышленности, при получении редких и драгоценных металлов и др. Кроме фильтрования, гранулы могут выполнять функции теплоносителя и сорбента или катализатора при сочетании процесса фильтрования с адсорбционным или каталитическим процессом.

Благодаря непрерывному совершенствованию способов регенерации зернистые фильтры находят все более широкое применение на цементных, известковых, гипсовых заводах, на предприятиях химической промышленности и в новых отраслях промышленности. Конструктивно эти аппараты достаточно просты, имеют низкие эксплуатационные расходы, надежны в работе и обеспечивают достаточно высокую степень очистки газов.

Разработано большое число аппаратов с зернистым слоем, различающихся как конструкцией фильтрующих элементов, так и способом регенерации. Перспективными можно считать конструкции с импульсной продувкой без применения механических устройств регенерации. В зависимости от вида улавливаемых пылей и режима работы зернистые фильтры обеспечивают степень очистки газов 95—99,5 % при скорости фильтрации 15—35 м/мин. Гидравлическое сопротивление фильтра составляет 1300—3000 Па. Как правило, зернистые фильтры ис­пользуются для обеспыливания небольших объемов газа.

 

 

9 лекция.  Механическая и химическая очистка сточных вод

 

9.1  Механическая  очистка  сточных  вод

 

Для улавливания из сточных вод крупных нерастворенных загрязнений применяют решетки, выполняемые из круглых, прямоугольных или иной формы металлических стержней. Прозоры между решетками b=16-19 мм. Решетки, устанавливаемые на насосных станциях, могут иметь и большие прозоры, поскольку это зависит от размеров насосов.

Решетки подразделяют на неподвижные и подвижные. Наиболее широкое распространение получили неподвижные. Для удобства съема загрязнений часто решетки устанавливают под углом к горизонту α = 60-70°. Если количество улавливаемых загрязнений составляет 0,1 м3 в 1 сутки и более, то очистка решеток должна быть механизирована.

В последние годы все более широкое распространение получают комбинированные аппараты — решетки-дробилки (комминуторы), в которых уловленные решетками загрязнения дробятся под водой, без извлечения их на поверхность.

Для улавливания из сточных вод песка и других минеральных нерастворенных загрязнений применяют песколовки, подразделяемые на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением жидкости; последние бывают тангенциальные и аэрируемые.

Горизонтальные и аэрируемые песколовки используют при расходах более 10000 м3/сут. Конструктивной разновидностью горизонтальных песколовок являются горизонтальные с круговым движением воды. Они имеют круглую форму в плане. Их рекомендуется применять при сравнительно небольших расходах — до 70 000 м3/сут. Тангенциальные песколовки также имеют круглую форму в плане и рекомендуются для применения при расходах до 50000м3/сут. Вертикальные песколовки велики по размеру и работают неэффективно, поэтому их используют в исключительных случаях и при соответствующем обосновании.

Для улавливания из сточных вод нерастворенных загрязнений применяют отстойники периодического (контактные) и непрерывного (проточные) действия, В практике очистки сточных вод в основном используются отстойники непрерывного действия.

По направлению движения жидкости в сооружении отстойники подразделяют на два основных типа: горизонтальные и вертикальные. Для очистки сточных вод широко используют также радиальные отстойники, которые являются разновидностью горизонтальных. Отстойники с вращающимися сборно-распределительными устройствами имеют круглую форму в плане, а движение воды в них практически отсутствует (кроме возмущений, создаваемых сборно-распределительным устройством).

В последние годы получили распространение так называемые тонкослойные отстойники. Особенность их заключается в том, что отстойная зона разделяется полочными секциями и трубчатыми элементами на неглубокие слои, где обеспечивается ламинарное движение осветленной воды.

В зависимости от назначения в технологической схеме очистной станции отстойники подразделяются на первичные и вторичные. Первичные отстойники служат для предварительного осветления сточных вод, поступающих на биологическую или физико-химическую очистку, а вторичные — для осветления сточных вод, прошедших биологическую или физико-химическую очистку. Для предварительного осветления сточных вод и осветления сточных вод, прошедших биологическую и физико-химическую очистку, в ряде случаев возможно применение осветлителей со взвешенным слоем осадка.

Для глубокой очистки вод от мелкодиспергированных частиц, а также для доочистки сточных вод после биологической (или другого метода) очистки применяют зернистые фильтры. Они бывают с нисходящим (сверху вниз) и с восходящим (снизу вверх) потоком. Фильтры с нисходящим потоком поды могут иметь однослойную и многослойную загрузку. Можно применить также аэрируемые и каркасно-засыпные фильтры.

 Для выделения из сточных вод мелкодиспергированных примесей могут применяться микрофильтры. Основным рабочим элементом их является вращающийся цилиндрический барабан, обтянутый фильтрующим полотном с размерами ячеек 40-70мкм и погруженный в камеру примерно на 0,7 диаметра.

Для очистки сточных вод некоторых отраслей промышленности применяют сетки, размер их ячеек зависит от вида загрязнений и необходимой степени очистки воды.

 

9.2  Химическая очистка сточных вод

 

Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация и окисление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка.

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод.

С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации. Реакция нейтрализации — это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений.

При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

б) нейтрализация реагентами;

в) фильтрование через нейтрализующие материалы.

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов: виды и концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов; местных условий и т.п.

Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий), горнодобывающей (обогатительные фабрики  свинцово-цинковых  и медных руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы), в целлюлозно-бумажной (цехи варки целлюлозы) и в других отраслях промышленности.

В узком смысле окисление - реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком - всякая химическая реакция, сущность которой состоит, в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания производственных сточных вод в качестве окислителей используют хлор, гипохлорит кальция и натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород.

Озон является сильным окислителем и обладает способностью разрушать в водных растворах при нормальной температуре многие органические вещества и примеси. По сравнению с другими окислителями, например, хлором, озон имеет ряд преимуществ. Его можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух. Перспективность применения озонирования как окислительного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, не загрязняет воду продуктами реакции, а сам процесс легко поддается полной автоматизации.

Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных сточных вод. Химические превращения при электролизе могут быть различными в зависимости от вида электролита, а также материала электродов и присутствия различных веществ в растворе.

Основу электролиза составляют два процесса: анодное окисление и катодное восстановление. На аноде, выполненном из материалов, не подвергающихся электролитическому растворению (платина, графит), в зависимости от солевого состава обрабатываемых сточных вод и условий электролиза выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые присутствующие в сточных водах органические вещества. На катоде происходит выделение газообразного водорода и восстановление некоторых присутствующих в сточных водах органических веществ.

Электрохимическую обработку целесообразно применять при очистке концентрированных органических и неорганических загрязнений и небольших расходах производственных сточных вод. Основными недостатками электрохимического метода очистки сточных вод являются значительные энергетические затраты и расход металла, необходимость очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей.

  

10 лекция.  Физико-химическая и биологическая очистка сточных вод

 

10.1  Физико-химическая очистка сточных вод

 

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка а также методы, связанные с наложением электрического поля -электрокоагуляция, электрофлотация.

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных).

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов; вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов других примесей и других факторов. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.

При коагуляции хлопья образуются сначала за счет части взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья последнего сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.

         Сорбция - это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое — сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод. Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Адсорб­ционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые и смешанного типа.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы - пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности, обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу можно выделить следующие способы флотационной обработки производственных сточных вод:

1) флотация с выделением воздуха из раствора;

2) флотация с механическим диспергированием воздуха;

3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

4) электрофлотация;

5) биологическая и химическая флотация.

При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями - экстрагентами. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимо нерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения.

Коэффициент распределения (Кp) зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте.

Ионный обмен.  Гетерогенный ионный обмен, или ионнообменная сорбция — процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита.

Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), ПАВ и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты, и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства, подразделяются на природные и искусственные, или синтетические. Практическое значение имеют неорганические природные и искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина. Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам - ионообменным смолам.

Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации.

 

10.2  Биологическая  очистка сточных вод

 

Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим, множество различных бактерий, водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главную роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов - нескольких десятков и даже сотен.

Такое разнообразие видов бактерий обусловлено  наличием в очищаемой воде органических веществ различных классов. Если же в составе сточных вод присутствует лишь один или несколько близких по составу источников органического углерода, т. е. один или несколько близких гомологов органического соединения, то возможно развитие монокультуры бактерий.

Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствии растворенного в воде кислорода) или при слишком неблагоприятном уровне питания, который представляет собой отношение количества органических веществ к числу микроорганизмов.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Все реакции осуществляются внутри клетки, для чего необходимые элементы питания должны попадать в ее тело сквозь оболочку. Многие же исходные органические примеси, могут иметь слишком большие размеры частиц по сравнению с размерами клетки. В связи с этим значительная роль в общем процессе окисления отводится протекающему вне клетки ферментативному гидролитическому расщеплению крупных молекул и частиц на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки.

Если в сообществе микроорганизмов имеются простейшие, то их роль весьма многопланова и заключается прежде всего в регулировании числа бактерий в сообществе микроорганизмов и в непосредственном изъятии из сточной воды крупных частиц исходных примесей.

  

11 лекция.   Складирование отходов на полигонах

 

Складирование мусора - это упорядочен­ное и контролируемое хранилище (свалка, полигон) отходов на пригодных для этого территориях (см. рисунок 11.1). Свалки могут быть предназначены для: загрязненной почвы, минеральных ве­ществ, бытового мусора, отходов про­мышленности и ремесел, специальных отходов и подземные хранилища для специальных от­ходов. Современные полигоны - это комплексы природоохранных со­оружений, предназначенные для складирования, изоляции и обезвре­живания твердых отходов, обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующие распростра­нению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов. Полигон захоронения отходов необходим также для размещения от­ходов, оставшихся от рециркуляции, компостирования, сжигания или других способов переработки, и может быть использован, если альтернативные способы переработки отходов осуществить невоз­можно. Полигон захоронения твердо-бытовых отходов (ТБО), запроектированный в соответствии с экологическими требованиями, включает сооружения для отвода и сбора фильтрата и биогаза с учетом потенциальной возможности использования его как источника получения энергии.


 

                   Рисунок 11.1 - Свалка мусора в разрезе и важные потоки веществ

 

Правильная разработка проектной документации позволяет адекватно использовать территорию рекультивируемого полигона захоронения ТБО после того, как он будет закрыт. В заполненном полигоне захоронения ТБО отходы должны быть закрыты перекрывающим материалом и слоями грунта, укладывае­мыми по верху, и изолированы в основании.

Спецотходы - это отходы, подлежащие постоянному контролю. В связи с повышенной опасностью для окружающей среды их не разрешается складировать на обычных свалках и сжи­гать. К ним относятся: цианиды из гальванических цехов; высокохлорированные углеводороды; соеди­нения мышьяка, образующиеся при выплавке цветных металлов; остатки ртути из электрических батарей; органические соединения рту­ти из установок подготовки природного газа; сливы некоторых гальванических производств; химические осадки при дистилляции воды; осадки испарительных и очистных фильтров; пигменты и отходы при производстве средств защиты растений; накипь из кон­денсаторов; остатки из мусоросжигающих установок и другие.

         Старый принцип рассредоточения выбро­сов путем распределения в экосистеме (к примеру, рассеивание выбросов в атмосфере с помощью дымовых труб) бо­лее не может быть приемлемым, сегодня речь должна  идти только об изъятии непригодных к дальней­шему использованию веществ из экологических ма­териальных циклов. Необходимо по возможности нейтрали­зовать или обезвредить спецотходы пе­ред промежуточным или постоянным их складированием.

        Вредные минерализованные химически нейтральные остатки складируются на по­лигонах для спецмусора. Уплотнение этих полигонов должно иметь систему многобарьерной защиты, постоян­но контролироваться, быть ремонтнопригодным, а складируемые вещества должны оставаться в таком состоянии, чтобы их можно было легко изъять из хранилища. Уплотнение сверху должно исключать по­падание осадков, а базисное уплотнение снизу  - просачивание инфильтрата вниз.

Обсуждаются новые системы хранения в емкостях повышенной надежности из ар­мированного бетона (танки, камеры, шах­ты), оборудованные системами уплотнения и контролируемого дренажа. Они менее привязаны к месту, позволя­ют хранить рядом и в то же время раз­дельно разнообразные отходы, которые можно повторно изымать. Их можно ис­пользовать как временные хранилища спецмусора. Постоянное захоронение в них пока сомнительно, поскольку еще не разработано достаточно надежное техническое оборудование.

Для длительного исключения высокотоксич­ных   веществ из экосистем, по-видимому, наиболее подходят подземные хранилища в подземных выработках и соляных пустотах. Соляные пустоты можно вымыть водой через скважину, заполнить твердыми, жидкими или газообразными спецотходами  и  закрыть (замуровать).

  

12 лекция.  Переработка твердых отходов

 

Различают компостирование полевое и на специальных заводах. Переработанные таким образом отходы вступают в естественный круговорот веществ в природе за счет их обезвреживания и превращения в компост - ценное органоминеральное удобрение, используемое, например, для целей городского озеленения или в качестве биотоплива. Наиболее совершенным считают непрерывный процесс компос­тирования с аэробным принудительным окислением органических отходов во вращающемся биотермическом барабане.

Метод механизированного биотермического компостирования в мировой практике начали применять в двадцатые годы, когда была доказана возможность обезвреживания ТБО за 20 - 30 суток в аэроб­ных условиях. Разработанные в тридцатые годы биотермические барабаны превратили аэробное биотермическое компостирование в широко применяемую промышленную технологию обезврежива­ния и переработки ТБО. Используя комплекс технологических мероприятий, можно норма­лизовать содержание в компосте микроэлементов, в том числе со­лей тяжелых металлов. Из ТБО извлекается лом черных и цветных металлов.

На рисунке 12.1 показана технологическая схема непрерывного компостирования с аэробным окисле­нием органических отходов во вращающемся биотермическом барабане, где 1- кран-балка с грейферным ковшом; 2 - мусоровоз; 3 -  приемный бункер отходов; 4 - дози­рующий бункер; 5 - пластинчатый питатель; 6 - подъемный кран с магнитной шайбой для по­грузки пакетов металлолома; 7- рольганг; 8 - магнитный сепаратор; 9- бункер металлолома; 10 - пакетирующий пресс; 11 - вращающийся биотермический барабан; 12 - вентилятор-на­ездник; 13 - котельная или пиролизная установка; 14 - вытяжной вентилятор; 15 - штабеля компоста на площадках дозревания и готовой продукции; 16 - измельчитель компоста; 17- грохот; 18 - прицеп для сбора отсева с грохота.

 


Рисунок 12.1 - Принципиальная технологическая схема производства компоста

 

Переработка твердых отходов на компост - достаточно совер­шенный прием их обезвреживания и последующего использования.

Биотермический процесс обезвреживания отходов происходит благодаря активному росту термофильных микроорганизмов в аэробных условиях. Масса отходов сама разогревается до темпера­туры 60 °С, при которой болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов, личинки и куколки мух погибают и масса отходов обез­вреживается. Под действием развивающейся микрофлоры сложные, быст­ро гниющие органические вещества разлагаются, образуя ком­пост.

В мировой практике применяют две принципиальные схемы по­левого компостирования: с предварительным дроблением ТБО и без него. В первом случае ТБО измельчают специальными дробил­ками; во втором - измельчение (менее эффективное) происходит за счет естественного разрушения при многократном «перелопачивании» компостируемого материала. Установки полевого компостирования, оснащенные дробильно-сортировочным оборудованием для предварительного измельчения ТБО, обеспечивают больший выход компоста и дают меньше отхо­дов производства. ТБО измельчают в молотковых дробилках или в небольших био­термических барабанах.

Из 1 т бытовых отходов можно получить в среднем 170 кг  (140 м3)  биогаза, содержащего 65 % метана; 410 кг органических удобрений влажностью 30 %;  50 кг металлолома и балластных фракций; 250 кг крупного отсева; 170 кг составляют газовые потери и фильтрат. При сжигании биогаза без предварительной очистки выделяется 23 400 кДж/м3 тепла, или после его очистки от примесей диоксида углерода и сероводорода - 35 600 кДж/м3.

На переработку анаэробным компостированием вместе с ТБО могут принимать и некоторые виды отходов сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности.

Принципиальная схема пе­реработки ТБО методом анаэробного компостиро­вания  показана на рисунке 12.2, где 1 - приемный бункер; 2 -мостовой грейферный кран; 3 - дробилка; 4 - магнитный сепара­тор; 5 - насос-смеситель; 6 - метантенк; 7 - шнековый пресс; 8 - рыхлитель; 9 - емкость для сбора отжима; 10 - цилиндрический грохот; 11 - упаковочная машина; 12 - крупный отсев; 13 - склад удобрений; 14 - газгольдер; 15 - компрессор; 16 - уравнительная камера; I - на­правление движения отходов; I I - направление движения газа.


Рисунок 12.2 - Принципиальная схема переработки ТБО

 

ТБО разгружают в приемный бункер, откуда грейферным кра­ном их подают на питатель, а затем в коническую дробилку с вер­тикальным валом. Из дробилки измельченные ТБО перегружают на ленточный конвейер, проходящий под электромагнитным се­паратором, предназначенным для извлечения черного металлоло­ма.

Очищенные от черного металлолома отходы подают в метантенк вместимостью 500 м3, где их выдерживают в анаэробных ус­ловиях 10 - 16 суток при температуре 25 °С с целью его сбраживания. Часть биогаза из метантенка поступает в газгольдер, а другую часть компрессором через уравнительную камеру подают под давлением под слой перерабатываемых отходов с целью пере­мешивания сбраживаемой массы.

Отработанную твердую фракцию выгружают и затем подают в шнековый пресс для частичного обезвоживания. Затем обезвожен­ная твердая фракция поступает в разрыхлитель и оттуда в цилинд­рический грохот, в котором материал разделяют на массу, исполь­зуемую в качестве органических удобрений, и крупный отсев.

Термические методы переработки и утилизации ТБО разделяют на три разновидности:

- слоевое сжигание неподготовленных отходов в мусоросжига­тельных установках;

- слоевое и камерное сжигание специально подготовленных отхо­дов в виде гранулированного топлива (освобожденного от балласт­ных составляющих и имеющего постоянный фракционный состав) в топках энергетических котлов или цементных печах;

- пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.

Все термические методы переработки и утилизации отходов, по­мимо их обезвреживания, направлены на получение энергии, а так­же твердого, жидкого или газообразного топлива при их пиролизе.

При сжи­гании отходов можно получать тепло, электроэнергию, а также металл для вторичного использования. Мусоросжигающие установки уменьшают объем отходов до 10—20% от первоначального, а их массу - до 30 – 50 %  исходной загрузки.

Загрязняющие вещества воздуха образуются в результате непол­ного сгорания части отходов и из новых продуктов в процессе их го­рения. Выбросы часто подразделяют на две категории: первая вклю­чает оксиды азота, соединения и оксиды серы; вторая — тяжелые металлы, соединения хлора: полихлордибензодиоксины и полихлордибензофураны, пары кислот. Загрязняющие вещества, относящиеся ко второй категории, наиболее токсичны и опасны даже в малых количествах по сравне­нию с загрязнителями, относящимися к первой категории.

Сжигание неподготовленных отходов наносит опреде­ленный вред здоровью человека и природной среде, несмотря на постоянное совершенствование. По прогнозам специалистов слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов в топках котлов или цемент­ных печах в ближайшее десятилетие получит широкое применение.

 

Список литературы

 

1. Муравьева Е.В., Романовский В.Л. Прикладная техносферная рискология. Экологические  аспекты .- Казань, 2007- 354 с.

2. Очистка воздуха. Учебное пособие / Е. А. Штокман/ - М.: изд-во АСВ, 1998. – 320 с.: ил.

3. Зиганшин М. Г., Колесник А. А., Посохин В.Н. Проектирование аппаратов пылегазоочистки. – М.:  «Экопресс-ЗМ», 1998. – 505 с.

4. Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т. Медве­дева. -М.: Гардарики, 2002.- 687 с.

5. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов: Справ, изд. Алиев Г. М. - М.: Металлургия, 1986.- 544 с.

6. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод. Стройиздат, 1985.

7. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Справочное пособие. Стройиздат, 1985.

8. Сметанин В И.  Защита окружающей среды от отходов производства и по­требления. – М.:  Колос, 2003. - 230 с: ил.  

 

Содержание 

1 лекция.   Введение в экологию                                                                     3

2 лекция.   Научное наследие В.И. Вернадского                                                4

3 лекция.  Окружающего человека среда                                                                7

4 лекция.  Опасные и вредные факторы окружающей среды                          10

5 лекция.  Методы газоочистки от аэрозолей                                                    12

6 лекция.  Пылеосадительные камеры и инерционные пылеуловителы        14

7 лекция.  Механизмы процесса электрической фильтрации газов                22

8 лекция.  Фильтровальные материалы                                                              25

9 лекция.  Механическая и химическая очистка сточных вод                         30

10 лекция.  Физико-химическая и биологическая очистка сточных вод        34

11 лекция. Складирование отходов на полигонах                                             37

12 лекция.  Переработка твердых отходов                                                         39