§7. Вредные выбросы и сбросы, твердые и жидкие отходы

Промышленные предприятия преобразуют почти все компоненты природы (воздух, воду, почву, растительный и животный мир). В биосферу (атмосфера, водоемы и почва) выбрасываются твердые промышленные отходы, опасные сточные воды, газы, аэрозоли.

Атмосферные загрязнения ускоряют разрушение строительных материалов, резиновых, металлических, тканевых и других изделий. При соответствующем составе и концентрации они могут явиться причиной гибели растений и животных. Самый же большой ущерб эти сложные по химическому составу вещества наносят здоровью населения.

Взвешенная в воздухе пыль адсорбирует ядовитые газы, образует плотный, токсичный туман (смог), который увеличивает количество осадков. Насыщенные сернистыми, азотистыми и другими веществами, эти осадки образуют агрессивные кислоты. По этой причине скорость коррозионного разрушения машин и оборудования во много раз увеличивается.

Цель защиты атмосферы от вредных выбросов достигается применением следующих методов и средств: рациональным размещением источников вредных выбросов по отношению к населенным зонам; рассеиванием вредных веществ в атмосфере для снижения концентраций в ее приземном слое, удалением вредных выделений от источника образования посредством местной или общеобменной вытяжной вентиляции; применением средств очистки воздуха от вредных веществ.

Рациональное размещение предусматривает максимально возможное удаление промышленных объектов – загрязнителей воздуха от населенных зон, создание вокруг них санитарно-защитных зон; учет рельефа местности и преобладающего направления ветра при размещении источников загрязнений и жилых зон по отношению друг к другу.

Для удаления из отходящих газов вредных газовых примесей используются пылеуловители сухого и мокрого типа.

К пылеуловителям сухого типа относятся циклоны различных видов: одиночные, групповые, батарейные (рис. 102). Циклоны применяют при концентрациях пыли на входе до 400 г/м³, при температурах газов до 500⁰ С.

Широкое применение в технике пылеулавливания нашли фильтры, которые обеспечивают высокую эффективность улавливания крупных и мелких частиц. По типу фильтровального материала фильтры разделяются на тканевые, волокнистые и зернистые. Для очистки больших объемов газа с высокой эффективностью применяют электрофильтры.

Пылеуловители мокрого типа применяют для очистки высокотемпературных газов, улавливания пожаровзрывоопасных пылей и в тех случаях, когда наряду с улавливанием пыли требуется улавливать токсичные газовые примеси и пары. Аппараты мокрого типа называют скрубберами (рис. 103). Номенклатура типов аппаратов разнообразна.

Для удаления из отходящих газов вредных газовых примесей применяют следующие методы: абсорбции, хемосорбции, адсорбции, термического дожигания, каталитической нейтрализации.

Абсорбция – это явление растворения вредной газовой примеси сорбентом, как правило, водой. Метод хемосорбции заключается в том, что очищаемый газ орошают растворами реагентов, вступающих в химическую реакцию с вредными примесями с образованием нетоксичных, малолетучих или нерастворимых химических соединений. Адсорбция заключается в улавливании поверхностью микропористого адсорбента (активированный уголь, силикагель, цеолиты) молекул вредных веществ. Термическое дожигание – это процесс окисления вредных веществ кислородом воздуха при высоких температурах (900-1200⁰ С). Каталитическая нейтрализация достигается применением катализаторов – материалов, которые ускоряют протекание реакций или делают их возможными при значительно более низких температурах (250-400⁰ С).

При сильном и многокомпонентном загрязнении отходящих газов применяют сложные многоступенчатые системы очистки, состоящие из последовательно установленных аппаратов различного типа.

Задача очистки гидросферы от вредных сбросов более сложна и масштабна, чем очистка атмосферы от вредных выбросов. В отличие от рассеивания выбросов в атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происходит хуже, водная среда более чувствительна к загрязнениям.

Защита гидросферы от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств: рациональным размещением источников сбросов и организацией водозабора и водоотвода; разбавлением вредных веществ в водоемах до допустимых концентраций с применением специально организованных и рассредоточенных выпусков; использованием средств очистки стоков.

Методы очистки сточных вод подразделяются на механические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка сточных вод от взвешенных частиц осуществляется процеживанием, отстаиванием, обработкой в поле центробежных сил, фильтрованием, флотацией.

Процеживание применяют для удаления из сточной воды крупных и волокнистых включений. Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей с плотностью большей (меньшей) плотности воды. Очистка сточных вод в поле центробежных сил реализуется в гидроциклонах, где под действием центробежной силы, возникающей во вращающемся потоке, происходит более интенсивное отделение взвешенных частиц от потока воды. Фильтрование используют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей как на начальной, так и на конечной стадиях очистки. Флотация заключается в обволакивании частиц примесей мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены.

Физико-химические методы очистки применяют для удаления из сточной воды растворимых примесей (солей тяжелых металлов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления взвесей. Как правило, физико-химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ. Из физико-химических методов наиболее распространены электрофлотационные, коагуляционные, реагентные, ионообменные и др.

Электрофлотация осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, возникающего между парами электродов. В результате электролиза воды образуются пузырьки газа, прежде всего легкого водорода, а также кислорода, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность.

Коагуляция – это физико-химический процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирования устраняется мутность воды. Коагуляция осуществляется посредством перемешивания воды с коагулянтами (в качестве коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, хлорид железа, сульфат железа и др.) в камерах, откуда вода направляется в отстойники, где хлопья отделяются отстаиванием.

Сущность реагентного метода заключается в обработке сточных вод химическими веществами-реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения. Разновидностью реагентного метода является процесс нейтрализации сточных вод. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых в воде щелочных реагентов (оксида кальция, гидроксидов натрия, кальция, магния и др.). Нейтрализация щелочных стоков – добавлением минеральных кислот – серной, соляной и др. Реагентная очистка осуществляется в емкостях, снабженных устройствами для перемешивания.

Ионообменная очистка сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы. При прохождении сточной воды через смолы подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Происходит сорбирование токсичных ионов смолой, токсичные примеси выделяются в концентрированном виде как щелочные или кислые стоки, которые взаимно нейтрализуются и подвергаются реагентной очистке или утилизации.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические соединения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа.

Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), или в специальных сооружениях: аэротенках, биофильтрах. Аэротенки представляют собой открытые резервуары с системой коридоров, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэрации аэротенка. Активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк. Биологический фильтр – это сооружение, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка, состоящая из прикрепленных форм микроорганизмов.

Крупные промышленные предприятия имеют различные производства, которые дают различный состав загрязнения сточных вод. Водоочистительные сооружения таких предприятий выполнены следующим образом: отдельные производства имеют свои локальные очистные сооружения, аппаратное обеспечение которых учитывает специфику загрязнения и полностью или частично удаляет их, затем все локальные стоки направляются в емкости-усреднители, а из них на централизованную систему очистки. Возможны и иные варианты системы водоочистки в зависимости от конкретных условий.

По агрегатному состоянию отходы разделяются на твердые и жидкие. По состоянию образования на промышленные, образующиеся в процессе производства, биологические, образующиеся в сельском хозяйстве, бытовые, радиоактивные. Кроме того, отходы разделяются на горючие и негорючие, прессуемые и непрессуемые. По токсичности отходы подразделяются на чрезвычайно опасные, высоко опасные, умеренно опасные, малоопасные, нетоксичные.

Отходы, которые в дальнейшем могут быть использованы в производстве, относятся к вторичным материальным ресурсам. Для полного использования отходов в качестве вторичного сырья разработана их промышленная классификация, которая позволяет существенно упростить и удешевить их дальнейшую переработку за счет исключения или сокращения расходов на их разделение.

Первым этапом обращения с отходами является их сбор. После сбора отходы подвергаются переработке, складированию или захоронению.

Переработка отходов – важный этап в обеспечении экологической безопасности, способствующий защите окружающей среды от загрязнения и сохраняющий природные ресурсы. Перерабатываются такие отходы, которые могут быть полезны.

Отходы, не подлежащие переработке и дальнейшему использованию в качестве вторичных ресурсов (переработка которых сложна и экономически не выгодна или которые имеются в избытке), подвергаются складированию или захоронению на свалках и полигонах.

Полигоны бывают различного уровня и класса: полигоны предприятий, городские, региональные. Полигоны оборудуются для защиты окружающей среды. В местах складирования выполняется гидроизоляция для исключения загрязнения грунтовых вод. Характер оборудования полигона зависит от типа и класса токсичности складируемых отходов.

Перед захоронением на полигоне отходы с высокой степенью влажности обезвоживаются. Прессуемые отходы целесообразно спрессовывать, а горючие – сжигать с целью снижения их объема и массы. При прессовании объем отходов уменьшается в 2-10 раз, а при сжигании – до 50 раз. Недостатком сжигания являются большие издержки, а также серьезные проблемы, связанные с образованием газообразных токсичных выбросов. Мусоросжигающие заводы должны оборудоваться высокоэффективными системами пыле-, газоочистки.

Одной из наиболее сложных проблем является сбор, переработка и захоронение радиоактивных отходов.

Твердые радиоактивные отходы подвергают прессованию и сжиганию на специальных установках, оборудованных радиационной защитой и высокоэффективной системой очистки вентиляционного воздуха и отходящих газов. При сжигании 85-90% радионуклидов локализуется в золе, остальные улавливаются системой газоочистки.

Жидкие радиоактивные отходы для уменьшения их объема подвергают упариванию, при котором основная масса радионуклидов локализуется в осадке. Временно жидкие радиоактивные отходы хранят в специально оборудованных емкостях, а затем отправляют на специальные полигоны. С целью исключения или снижения опасности загрязнения грунтовых вод при окончательном захоронении жидких радиоактивных отходов применяют методы их отверждения. Отходы цементируют с образованием цементного камня, битумируют, остекловывают, включают остеклованные отходы в металлическую матрицу.

Цементирование – самый простой метод, однако закрепление радионуклидов в цементном камне недостаточно надежно, радионуклиды вымываются, камень со временем может разрушиться. Битумирование обеспечивает надежное закрепление радионуклидов, но при высокой активности отходов выделяется большое количество теплоты радиоактивного распада, и битумный блок может расплавиться (температура плавления битума 130⁰ С). Остеклование – надежный, но и самый дорогой метод. Для высокоактивных отходов применяют метод включения остеклованных отходов в металлическую матрицу. Для этого из стеклянной массы, полученной на основе жидких радиоактивных отходов, получают стеклянные шарики с закрепленными в них радионуклидами, засыпают их в матрицу вместе с легкоплавким сплавом на основе свинца, затем емкость нагревают, металл расплавляется и стеклянные шарики закрепляются в металлической матрице.

Захоронение радиоактивных отходов осуществляют в могильниках в геологических формациях. Могильники могут оборудоваться в поверхностных слоях почвы, в массивах каменной соли, кристаллических горных породах. Они должны располагаться в местах не подверженным селям, оползням, в сейсмически безопасных районах, где нет близко грунтовых вод.

Следует заметить, что до настоящего времени вопросы утилизации и захоронения радиоактивных отходов полностью не решены.

Радикальное решение проблем защиты от промышленных отходов возможно при широком внедрении малоотходных технологий. Под малоотходной технологией понимается такая технология, при которой рационально используются все компоненты сырья и энергии в замкнутом цикле, т.е. минимизируются использование природных ресурсов и образующиеся отходы. Малоотходные технологии предусматривают снижение материалоемкости изделий; использование замкнутых циклов водоснабжения предприятий, при которых очищенные сточные воды вновь направляются в производство; применение образующихся отходов или уловленных газоочисткой веществ для получения других изделий и товаров.