Курсовая работа: Основні способи утилізації та рекуперації відходів хімічної промисловості
Зміст
Розділ 1 Основні відходи, які утворюються в процесі хімічних виробництв
Розділ 2 Основні способи утилізації хімічних відходів
2.1 Утилізація газових відходів
2.2 Утилізація рідких відходів
2.3 Утилізація твердих відходів
Розділ 3 Технологічна схема рекуперації відходів
Вступ
Хімічні процеси і реактори, об'єднані в хіміко-технологічні системи, складають основу виробництва в багатьох галузях промисловості: нафтохімічній, металургії чорних і кольорових металів, целюлозній і лісохімічній, харчовій, хіміко-фармацевтичній, виробництві мінеральних добрив та будівельних матеріалів, фото- і кіноматеріалів. Продукти хімічної промисловості забезпечують хімізацію всього народного господарства, у тому числі й агропромислового комплексу.
Розвиток хімічної промисловості вимагає усе більше робити акцент па розробку і упровадження високоефективних энерго- і ресурсосберегающих, а також екологічно чистих технологій.
Всупереч перевагам та матеріалам, які дає людині хімічна промисловість існує проблема досить значного масштабу – забруднення довкілля відходами. Відходи викидаються у всі частини біосфери, і спричинюють значні небажані наслідки.
Мета нашої роботи проаналізувати основні способи утилізації та рекуперації відходів хімічної промисловості.
Для досягнення поставленої мети ми повинні вирішити такі завдання:
перерахувати основні відходи хімічної промисловості;
розглянути основні способи утилізації хімічних відходів;
проаналізувати технологічну схему рекуперації відходів.
Розділ 1 Основні відходи, які утворюються в процесі хімічних виробництв
Всі відомі технологічні процеси хімічного виробництва супроводжуються утворенням великої кількості відходів у вигляді шкідливих газів та пилу, шлаків, шламів, стічних вод, що містять різні хімічні компоненти, які забруднюють атмосферу, воду та поверхню землі.
Хімічна промисловість спричиняє значні забруднення метаном, аміаком, пилом. Загальні обсяги промислових викидів у повітряний простір колосальні. Найбільш небезпечними забруднювачами атмосфери є кислотоутворюючі оксиди - азоту, сірки, а також вуглекислий газ, чадний газ, аміак, фтор, хлор та промисловий пил. Їх надходження в повітря помітно змінило склад сучасної атмосфери порівняно з доіндустріальним періодом [8].
Основним джерелом забруднення атмосфери викидами металургійних заводів є коксохімічне, агломераційне, сталеплавильне та інші виробництва.
Коксохімічне виробництво забруднює атмосферу оксидом та діоксидом вуглецю, оксидом сірки. На 1 т перероблюваного вугілля виділяється близько 0,75 кг діоксиду сірки та по 0,03 кг різних вуглеводнів та аміаку. Поблизу коксохімічних заводів середні рівні вмісту в повітрі діоксиду сірки (сірчаного газу) складають від 0,05 до 0,2 мг/м3.
Цехи сіркоочистки коксохімічних заводів звичайно обладнані електрофільтрами, через які в атмосферу потрапляють сірчаний газ, сірководень, діоксид азоту, аерозоль сірчаної кислоти. За даними, вміст сірководню у вихідних газах складає 0,14 мг/м3, а діоксид азоту - 0,9 мг/м3. Розрахунки показують, що на відстані 1 км від цеху сіркоочистки в повітрі може міститися до 0,2 мг/м3 сірчаного газу. Окрім газів, коксохімічне виробництво викидає в атмосферу велику кількість пилу. Наприклад, при виробництві коксу на 1 тонну переробленого вугілля виділяється близько 3 кг вугільного пилу. Велика кількість пилу виділяється при розвантаженні вугілля, в середньому 0,005% від маси розвантаженого вугілля.
Джерелами забруднення повітряного басейну на аглофабриках є агломераційні стрічки, барабанні та чашеві охолоджувачі агломерату, випалювальні печі, вузли пересилки, транспортування, сортування агломерату та інших компонентів, що входять до складу шихти. Кількість агломераційних газів - 2,5-4,0 тис. м3 на 1 тонну отримуваного агломерату з вмістом в них пилу від 5 до 10 г/м3. До складу газів входять оксиди сірки та вуглецю, а пил містить залізо і його оксиди, а також оксиди марганцю, магнію, фосфору, кальцію, іноді частинки титану, міді, свинцю [4].
Сірчистий газ SО2 утворюється як побічний продукт при металургійному виробництві та спалюванні кам'яного вугілля або нафти, що вміщують домішки сірки. Обсяги викидів сірчистого газу залишаються великими в промислово розвинених країнах, незважаючи на введення жорсткого державногоконтролю та економічних санкцій на наднормативні викиди окислів сірки.
Виробництво сталі супроводжується виділенням в атмосферу значної кількості газів та пилу. Виплавка однієї тонни сталі пов'язана з викидами в атмосферу 0,04 т твердих часток, 0,03 т діоксиду сірки, близько 0,05 т оксиду вуглецю. Пил містить сполуки марганцю, заліза, міді, цинку, кадмію, свинцю та інших сполук. При виплавці високо- та складнолегованих сталей в пил, крім оксидів заліза, потрапляють і діоксиди кремнію, сполуки сірки, фосфору, оксиди ванадію, сполуки хрому, нікелю, молібдену, селену, телуру та ін. Кількість газів, що утворюються, і вміст в них твердих часток залежить від способу виробництва сталі, використання кисневого дуття та інших факторів.
Забруднення навколишнього середовища навколо підприємств чорної металургії в залежності від переважного напряму вітрів відчувається в радіусі 20-50 км. На 1 км2 цієї території на добу випадає 5-15 кг пилу.
Навколо металургійних заводів формуються своєрідні техногенні області, в усіх поверхневих утвореннях яких (ґрунті, снігу, воді, рослинності) міститься широкий набір шкідливих речовин, включаючи такі надзвичайно небезпечні, як свинець та ртуть.
Чорна металургія є одним з найбільших споживачів води. Сучасний завод на виробництво 1 т сталі витрачає 180-200 м3 води. Незважаючи на те, що на металургійних заводах широко використовується оборотне водопостачання, кількість стічних вод дуже велика. Вони містять механічні домішки органічного походження, а також гідрооксиди металів, стійкі та легкі нафтопродукти, розчинені токсичні сполуки органічного та неорганічного походження. Стічні води мають приблизно однаковий якісний склад забруднення, однак концентрація забруднюючих речовин, як правило, змінюється в широкому діапазоні залежно від видів та особливостей технологічних процесів [4].
Стічні води аглофабрик містять залізо, оксид кальцію, вуглець. На коксохімічних заводах стічні води утворюються від хімічних цехів (фенольні стічні води) і від процесу гасіння коксу. Витрати свіжої води на одну тонну коксу складають 1,2-1,6 м3 (при використанні фенольної води для гасіння коксу). В процесі очистки коксового газу від сірководню миш'якосодовим методом утворюється за годину 4-6 м3 стічних вод, в яких містяться феноли, аміак, сірководень, ціаніди, бензольні вуглеводи, що є канцерогенними речовинами.
Стічні води в процесі виробництва сталі утворюються при очистці газів мартенівських печей, конверторів, охолодженні та гідроочистці виливниць, пристроїв безперервного розливання сталі та обмивання котлів-утилізаторів. При киснево-конверторій виплавці сталі вміст завислих часток в стічній воді систем очистки газу досягає 7000 мг/л.
При скидах забруднених стічних вод металургійних підприємств у водоймищі збільшується кількість завислих часток, значна кількість яких опадає поблизу місця скиду, підвищується температура води, погіршується кисневий режим, від виносу з водою мастильних продуктів з прокатних цехів утворюється масляна плівка на поверхні водоймища. Потрапляння шкідливих речовин може призвести до загибелі водних організмів та порушення природних процесів самоочищення водоймищ. Шкідливий вплив на людей, тварин, макро- та мікроорганізми, рослинний світ мають багато металів, їх сполуки та інші неорганічні речовини, що містяться в стічних водах металургійних підприємств.
При технологічних процесах хімічної промисловості утворюється велика кількість твердих відходів, які складуються на великих площах та в більшості випадків шкідливо впливають на грунт, рослинність, водні джерела та повітряний басейн. Звалища твердих відходів займають зараз тисячі гектарів корисного ґрунту. В них накопичено близько 500 млн. т шлаків [4].
Шламопилові відходи утворюються практично на всіх стадіях виробництва. Зараз в нашій країні щорічно утворюється близько 80 млн. т доменних, сталеплавильних та феросплавних шлаків, а також 1 млн. т шламів, 110 тис. т пилу. Шлам містить велику кількість заліза (майже 50%).
При виробництві сталі шлаків утворюється в два рази менше, ніж в доменному виробництві. їх вихід на рік складає 25 млн. т, з них 66,5% мартенівські шлаки, 30% - конверторні та 3,1% - електросталеплавильні. До 1975 р. основна маса шлаків (близько 87,6%) направлялася на звалища.
Доменні, феросплавні, мартенівські шлаки містять значні кількості сполук фосфору та оксиду кальцію, а також інші елементи, що використовуються як добрива в сільському господарстві.
Найбільшу небезпеку для грунтів становлять антропогенні забруднювачі. Найбільш токсичними для ґрунту (1 клас небезпечності) є свинець, ртуть, уран, торій, кадмій, берилій, хром, нікель та кобальт. Токсичні також германій, олово, вольфрам, молібден, літій, вісмут, марганець, мідь, миш'як, селен, алюміній. Більшість цих речовин концентрується в трофічних ланцюгах. Хоча самі по собі важкі метали не є ксенобіотиками, але в підвищених концентраціях вони завдають біологічної шкоди всім живим організмам.
Розділ 2 Основні способи утилізації хімічних відходів
2.1 Утилізація газових відходів
Однією з особливостей атмосфери є її здатність до самоочищення. Самоочищення атмосферного повітря відбувається внаслідок сухого та мокрого випадання домішок, абсорбції їх земною поверхнею, поглинання рослинами, переробки бактеріями, мікроорганізмами та іншими шляхами. Садіння дерев та кущів сприяє очищенню повітря від пилу, оксидів вуглецю, діоксидів сірки та інших речовин. Найкращі поглинальні властивості стосовно діоксиду сірки має тополя, липа, ясен. Одне доросле дерево липи може акумулювати протягом доби десятки кілограмів діоксиду сірки, перетворюючи його в нешкідливу речовину. Велика роль в очищенні атмосферного повітря належить ґрунтовим бактеріям та мікроорганізмам. При температурі 15-35 °С мікроорганізми переробляють на 1 м2 до 81 т на добу оксидів та діоксидів вуглецю. Однак можливості природи щодо самоочищення мають обмеження, що слід враховувати при розробці нормативів ГДВ.
За несприятливих метеорологічних умов, коли викиди із забрудненнями можуть бути шкідливими для здоров'я населення, підприємства повинні знизити викиди шкідливих речовин за рахунок технічних засобів або повної (часткової) зупинки джерел забруднення [9].
Сучасні вимоги до якості та ступеня очищення викидів досить високі. Для їх дотримання необхідно використовувати технологічні процеси та обладнання, які знижують або повністю виключають викид шкідливих речовин в атмосферу, а також забезпечують нейтралізацію утворених шкідливих речовин; експлуатувати виробниче та енергетичне обладнання, котре виділяє мінімальну кількість шкідливих речовин; закрити невеликі котельні та підключити споживачів до ТЕЦ; застосовувати антитоксичні присадки, перевести теплоенергетичні установки з твердого палива на газ.
Способи очищення викидів в атмосферу від шкідливих речовин можна об'єднати в такі групи:
— очищення викидів від пилу та аерозолів шкідливих речовин;
— очищення викидів від газоподібних шкідливих речовин;
— зниження забруднення атмосфери вихлопними газами від двигунів внутрішнього згоряння транспортних засобів та стаціонарних установок;
— зниження забруднення атмосфери при транспортуванні, навантаженні і вивантаженні сипких вантажів.
Для очищення викидів від шкідливих речовин використовуються механічні, фізичні, хімічні, фізико-хімічні та комбіновані методи.
Механічні методи базуються на використанні сил ваги (гравітації), сил інерції, відцентрових сил, принципів сепарації, дифузії, захоплювання тощо.
Фізичні методи базуються на використанні електричних та електростатичних полів, охолодження, конденсації, кристалізації, поглинання.
У хімічних методах використовуються реакції окислення, нейтралізації, відновлення, каталізації, термоокислення [9].
Фізико-хімічні методи базуються на принципах сорбції (абсорбції, адсорбції, хемосорбції), коагуляції та флотації.
Гравітаційні пилоочисні камери працюють за принципом зниження швидкості руху газів до рівня, коли пил та частинки рідини осідають під впливом сил ваги.
Гравітаційні пилоосаджувальні камери - це порожнинна або з полицями коробка з листової сталі з бункером для збирання пилу.
При зниженні висоти камери процес очищення поліпшується, тому порожнину камери розділяють полицями, котрі проектуються під кутом або з можливістю регулювання. Гравітаційні пилоосаджувальні камери придатні для осадження частинок пилу діаметром понад 50 мкм. Гідравлічний опір гравітаційних камер лежить в межах 50-150 Па. Швидкість газу - 0,2-1,5 м/с. Камери забезпечують ступінь очищення не більше 50 %, тому їх використовують як попередній ступінь пиловловлювання.
Інерційні сепаратори працюють на принципі різкої зміни напрямку потоку газів. У місцях зміни напрямку відбувається осідання твердих частинок забруднюючих речовин. Сепаратори дозволяють осаджувати частинки діаметром 25—30 мкм. Інерційні газоочисники мають продуктивність від 45 до 582 м3/год.. До цього типу можна віднести і жалюзійні пиловловлювачі, котрі мають гідравлічний опір 100-400 Па, допускають температуру газу, що очищається, до 450 °С, швидкість на підході до решітки — 15—25 м/с.
Циклонні сепаратори працюють за принципом використання відцентрового ефекту.
Практично використовуються такі типи циклонних сепараторів:
— горизонтальні пиловловлювачі, котрі працюють за принципом надання газам вихороподібного кругового руху за допомогою вертушки з системою невідхилюваних лопатей;
— вертикальні сепаратори, що працюють за принципом подавання газу зверху через горизонтально встановлену кільцеву крильчатку, котра надає газові обертового руху; тверді частинки осідають на дні, а очищений газ відводиться через центральну трубу;
— вертикальні сепаратори з тангенціальне розташованою вхідною частиною. У цьому сепараторі затриманий газ надходить збоку або знизу і набуває тангенціального руху, котрий виносить тверді частинки до стінок, а потім в пилозбирачі;
— ротаційні струменеві пиловловлювачі є різновидом відцентрового циклонного сепаратора, в котрому вихороподібність руху газу посилена тангенціальним повітряним потоком. У них пил накопичується в середині повітряного середовища і під дією гравітаційних сил падає на дно пилозбирача [8].
Апарати мокрого очищення газів від пилу працюють за принципом промивання газів. Ці види очисних пристроїв застосовуються на дільницях фарбування виробів, нанесення полімерних покриттів, в замкнених системах повітрокористування. Такі пристрої дозволяють очищати гази від дрібних механічних забруднень. Існує велика кількість апаратів мокрого очищення газів. Застосовуються і прості водяні завіси, через котрі пропускаються забруднені потоки повітря.
За принципом роботи апарати мокрого очищення газів поділяються на порожнинні і насадкові; барботажні та пінні; ударно-інерційні; відцентрові; динамічні та турбулентні промивачі.
Порожнинні та насадкові апарати-скрубери працюють за принципом пропускання газів через потік розпиленої розбризканої або стікаючої по насадках води. Швидкість потоку газів не перевищує 1—1,2 м/с, гідравлічний опір апаратів не перевищує 250 Па. Витрата води складає до 10 м3 на 1 м апарата. Найбільш повно скрубери видаляють частки розміром більше 10 мкм. Недоліком скруберів є часте забивання отворів розпилювачів.
При роботі барботажних та пінних апаратів забруднені гази проходять через шар рідини або піни. Апарати мають великий гідравлічний опір (до 2000 Па). Вони дозволяють вловлювати частки розміром до 2 мкм. Продуктивність апаратів конструкції ЛТІ - від 2 до 45 тис. м3/год, швидкість проходження газів - до 2 м/с, ступінь очищення - до 99 %.
Апарати ударно-інерційного типу працюють за принципом інерційного осаджування механічних забруднень під час зміни напрямку газового потоку над поверхнею рідини. Найбільшого застосування набули статичні пиловловлювачі типу ПВМ, ротоклони та скрубери ударної дії. Продуктивність ударно-інерційних апаратів - 2500-90 000 м3/год. Швидкість потоку газу — до 56 м/с, ступінь очищення - до 98 %. Витрата води - 0,8-4 м3/год на 1000 м3 газу [9].
Відцентрові апарати мокрого очищення газів працюють за принципом завихрення газів спеціальними лопатками або за рахунок тангентального підведення газу з одночасним зрошенням з форсунок, їх використовують для очищення димових газів з великим вмістом сірчаних газів, забезпечуючи ступінь очищення до 90 %. Використовуються також динамічні та турбулентні промивачі.
При роботі електростатичних установок очищувані гази пропускають через електростатичне поле високої напруги (до 50 кВ), створюване спеціальними електродами. При проходженні через електричне поле частинки набувають негативного заряду і притягуються до електродів, котрі з'єднані із землею, тому мають позитивний заряд відносно частинок. Для очищення електродів передбачена спеціальна механічна система. Електростатичний метод очищення газів дозволяє вловлювати частинки розміром до 0,1 мкм. Початкові видатки на створення електростатичних фільтрів вищі, ніж для апаратів інших типів, однак експлуатаційні видатки нижчі. Споживання енергії цими пристроями складає 0,3—0,6 кВт на 10 000 м3 газу.
У пористих фільтрах забруднені гази пропускають через тканину, сукно, повсть, синтетичні матеріали (нітрон, лавсан, хлорин), металеві сітки, гравій тощо. Ці фільтри забезпечують високу якість очищення. Основний їхній недолік - зниження тиску газу після фільтрації, висока вартість експлуатації, часта заміна фільтрувальних елементів [8].
Найбільш поширеними апаратами для очищення газів від механічних частинок с рукавні фільтри, основним елементом котрих є рукавоподібний мішок, натягнений на трубчасту раму. При проходженні газів через мішок пилові частинки залишаються на тканині. Видалення пилу з мішків здійснюється механічним витрушуванням, продуванням його в зворотному напрямку, очищенням - струменями повітря, використанням низькочастотних акустичних генераторів для відокремлення твердих частинок від мішка.
Використовуються також зернисті фільтри, в тому числі з металокераміки, а також тканинні рулонні фільтри, котрі забезпечують високу якість очищення. Однак їхнім недоліком с невисока пилоємність та швидке засмічування.
У технологічних вентиляційних та енергетичних викидах на підприємствах найбільш часто зустрічаються діоксид сірки, оксиди азоту, оксиди та діоксиди вуглецю, мінеральні речовини від виробництва будівельних матеріалів, сполуки металів, феноли, синтетичні матеріали, лакофарбові матеріали тощо.
Методи очищення викидів від газоподібних речовин за характером фізико-хімічних процесів з очищуваними середовищами поділяються таким чином:
— промивання викидів розчинниками, що не сполучаються із забруднювачами (метод абсорбції);
— промивання викидів розчинами, що вступають в хімічне з'єднання з забруднювачами (метод хемосорбції);
— поглинання газоподібних забруднювачів твердими активними речовинами (метод адсорбції);
— поглинання та використання каталізаторів;
— термічна обробка викидів;
— осаджування в електричних та магнітних полях;
— виморожування.
Метод абсорбції базується на розділенні газоповітряної суміші на складові частини шляхом поглинання шкідливих компонентів абсорбентом. В якості абсорбентів вибирають рідини, здатні поглинати шкідливі домішки. Для видалення з викидів аміаку, хлористого та фтористого водню використовується вода. Один кілограм води здатен розчинити сотні грамів хлористого водню та аміаку. Сірчисті гази у воді розчиняються погано, тому витрата води у цьому випадку дуже велика. Для видалення з викидів ароматичних вуглеводнів, водяної пари та інших речовин застосовується сірчана кислота. Для здійснення процесу очищення газових викидів методом абсорбції застосовуються плівкові, форсункові, трубчасті апарати – абсорбери [9].
Метод хемосорбції базується на поглинанні газів та пари твердими поглиначами з утворенням хімічних сполук. Цей метод використовується при очищенні викидів через вентиляції гальванічних дільниць. При цьому розчинником для очищення викидів від хлористого водню є розчин їдкого натру. Цей метод використовується також для очищення викидів від окисів азоту.
Метод адсорбції базується на селективному вилученні з газових сумішей шкідливих домішок за допомогою твердих адсорбентів. Найбільш широко як адсорбент застосовується активоване вугілля, іонообмінні смоли та ін.
Геометричні параметри адсорбента вибираються та розраховуються номограмами або за аналітичними залежностями.
Каталітичний метод базується на перетворенні токсичних компонентів викидів у менш токсичні або нешкідливі за рахунок використає каталізаторів.
В якості каталізаторів використовують платину, метали платинового ряду, окиси міді, двоокис марганцю, п'ятиокис ванадію тощо. Каталітичний метол використовується для очищення викидів від окису вуглецю за рахунок його окислення до двоокису вуглецю [7].
Термічний метод базується на допалюванні та термічній нейтралізації шкідливих речовин у викидах.
Цей метод використовується тоді, коли шкідливі домішки у викидах піддаються спаленню. Термічний метод ефективний у випадку очищення викидів від лакофарбових та просочувальних дільниць. Системи термічного та вогневого знешкодження забезпечують ефективність очищення до 99 %.
Загалом послідовність вибору типу очисних пристроїв та фільтрів така:
— виявлення характеристик викидів (температура, вологість, вид та концентрація домішок, токсичність, дисперсність тощо);
— визначення типу очисного пристрою або фільтра за витратою газу, необхідним ступенем очищення, можливостями виробництва та іншими факторами;
— знаходження робочої швидкості газів;
— техніко-економічний аналіз можливих варіантів очищення;
— розрахунок параметрів очисного пристрою;
— проектування та вибір очисного пристрою або фільтра.
При виборі засобів очищення викидів в атмосферу слід керуватися такими рекомендаціями:
— сухі механічні способи та пристрої не ефективні при видаленні дрібнодисперсного та липкого пилу;
— мокрі методи не ефективні при очищенні викидів, в котрих містяться речовини, що погано злипаються і утворюють грудки;
— електроосаджувачі не ефективні у випадку видалення забруднень з малим питомим опором і котрі погано заряджаються електрикою;
— рукавні фільтри не ефективні для очищення викидів з липкими та зволоженими забрудненнями;
— мокрі скрубери не можна застосовувати для роботи поза приміщеннями в зимових умовах.
2.2 Утилізація рідких відходів
Організаційні заходи зводяться до попередження скидання стічних вод у водойми без їх очищення. Технічні заходи передбачають очищення стічних вод різними методами, повторне використання стічних вод для технічних потреб та поливу, створення обортних та замкнених систем водокористування, вдосконалення технологічних процесів на підприємствах у напрямку зменшення надходження забруднень у стоки, перехід на безвідходні технології, змешення забруднення територій нафтопродуктами, котрі зі зливовими стоками можуть потрапляти до водойм [11].
Очищення стічних вод на підприємствах може здійснюватися за однією з таких схем:
— очищення стічних вод на заводських очисних спорудах;
— очищення стічних вод після їхнього забруднення на заводських, а потім на міських очисних спорудах з подальшим спуском у водойми;
— безперервне очищення промислових вод та розчинів на локальних очисних спорудах протягом певного часу, після чого вони передаються на регенерацію, після регенерації повертаються в оборот та лише після з'ясування неможливості регенерації усереднюються і передаються на заводські очисні споруди та утилізуються. Способи очищення забруднених промислових вод можна об'єднати в такі групи: механічні, фізичні, фізико-механічні, хімічні, фізико-хімічні, біологічні, комплексні (рис. 1).
Рис. 1. Основні способи очистки води
Механічні способи очищення застосовуються для очищення стоків від твердих та масляних забруднень. Механічне очищення здійснюється одним з таких методів:
- подрібнення великих за розміром забруднень у менші за допомогою механічних пристроїв;
- відстоювання забруднень зі стоків за допомогою нафтовловлювачів, пісковловлювачів та інших відстійників;
— розділення води та забруднювачів за допомогою центрифуг та гідроциклонів;
— усереднення стоків чистою водою з метою зниження концентрації шкідливих речовин та домішок до рівня, при котрому стоки можна скидати у водойми або в каналізацію;
— вилучення механічних домішок за допомогою елеваторів, решіток, скребків та інших пристроїв;
— фільтрування стоків через сітки, сита, спеціальні фільтри, а найчастіше — шляхом пропускання їх через пісок;
— освітлення води шляхом пропускання її через пісок або спеціальні пристрої, наповнені композиціями або мінералами, здатними поглинати завислі частки.
Вибір схеми очищення води від завислих часток та нафтопродуктів залежить від виду та кількості забруднень, необхідного ступеня очищення.
Фізико-механічні способи очищення стоків та води базуються на флотації, мембранних методах очищення, азотропній відгонці [11].
Флотація — процес молекулярного прилипання частинок забруднень до поверхні розподілу двох фаз (вода — повітря, вода — тверда речовина). Процес очищення СПАР, нафтопродуктів, волокнистих матеріалів флотацією полягає в утворенні системи "частинки забруднень - бульбашки повітря", що спливає на поверхню та утилізується. За принципом дії флотаційні установки класифікуються таким чином:
— флотація з механічним диспергуванням повітря;
— флотація з подачею повітря через пористі матеріали;
— електрофлотація;
— біологічна флотація.
Зворотний осмос (гіперфільтрація) — процес фільтрування стічних вод через напівпроникні мембрани під тиском. При концентрації солей 2—5 г/л повинен бути тиск до 1 МПа, а при концентрації солей 10-30 г/л — близько 10 МПа.
Ультрафільтрація — мембранний процес розподілу розчинів, осмотичний тиск котрих малий. Застосовується для очищення стічних вод від високомолекулярних речовин, завислих частинок та колоїдів.
Електродіаліз — процес сепарації іонів солей в мембранному апараті, котрий здійснюється під впливом постійного електричного струму. Електродіаліз застосовується для демінералізації стічних вод. Основним обладнанням є електродіалізатори, що складаються з катіонітових та аніонітових мембран.
Хімічне очищення використовується як самостійний метод або як попередній перед фізико-хімічним та біологічним очищенням. Його використовують для зниження корозійної активності стічних вод, видалення з них важких металів, очищення стоків гальванічних дільниць, для окислення сірководню та органічних речовин, для дезинфекції води та її знебарвлення [8].
Нейтралізація застосовується для очищення стоків гальванічних, травильних та інших виробництв, де застосовуються кислоти та луги. Нейтралізація здійснюється шляхом змішування кислих стічних вод з лугами, додаванням до стічних вод реагентів (вапно, карбонати кальцію та магнію, аміак тощо) або фільтруванням через нейтралізуючі матеріали (вапно, доломіт, магнезит, крейда, вапняк тощо).
Окислення застосовується для знезараження стічних вод від токсичних домішок (мідь, цинк, сірководень, сульфіди), а також від органічних сполук. Окислювачами с хлор, озон, кисень, хлорне вапно, гіпохлорид кальцію тощо.
Розглянемо фізико-хімічні методи.
Коагуляція — процес з'єднання дрібних частинок забруднювачів в більші за допомогою коагулянтів. Для позитивно заряджених частинок коагулюючими іонами є аніони, а для негативно заряджених — катіони. Коагулянтами є вапняне молоко, солі алюмінію, заліза, магнію, цинку, сірчанокислого кальцію, вуглекислого газу тощо. Коагулююча здатність солей тривалентних металів в десятки разів вища, ніж двовалентних і в тисячу разів більша, ніж одновалентних.
Флокуляція — процес агрегації дрібних частинок забруднювачів у воді за рахунок утворення містків між ними та молекулами флокулянтів. Флокулянтами є активна кремнієва кислота, ефіри, крохмаль, целюлоза, синтетичні органічні полімери (поліакриламід, поліоксиетилен, поліакрилати, поліетиленаміни тощо) [8].
Для освітлення води одночасно використовуються коагулянти та флокулянти, наприклад, сірчанокислий алюміній та поліакриламід ППА. Коагуляція та флокуляція здійснюються у спеціальних ємностях та камерах.
При очищенні води використовується і електрокоагуляція — процес укрупнення частинок забруднювачів під дією постійного електричного струму.
Сорбція — процес поглинання забруднень твердими та рідкими сорбентами (активованим вугіллям, золою, дрібним коксом, торфом, селікагелем, активною глиною тощо). Адсорбційні властивості сорбентів залежать від структури пор, їхньої величини, розподілу за розмірами, природи утворення. Активність сорбентів характеризується кількістю забруднень, що поглинаються на одиницю їхнього об'єму або маси (кг/м3).
Пристрої для вилучення зі стічних вод або розчинів за цим методом виготовляють у вигляді фільтрів.
При адсорбції поглинання забруднювачів відбувається тільки поверхнею адсорбента за рахунок молекулярних сил двох тіл, що взаємодіють.
При хемосорбції поглинання забруднювачів сорбентом відбувається з утворенням на поверхні розподілу нового компонента або фази.
Вибір сорбента визначається характером та властивостями забруднень. Процес очищення стоків різними видами сорбентів здійснюється в спеціальних колонах, заповнених сорбентами [11].
Екстракція - вилучення зі стічних вод цінних речовин за допомогою екстрагентів, котрі повинні мати такі властивості: високу екстрагуючу здатність, селективність, малу розчинність у воді, мати густину, що відрізняється від густини води, невелику питому теплоту випаровування, малу теплоємність, бути вибухобезпечними та нетоксичними, мати невелику вартість.
Екстрагування речовин зі стічних вод здійснюється одним з методів: перехресно потоковим, ступінчасто протипотоковим, неперервно протипотоковим.
Цей спосіб використовується для вилучення зі стічних вод фенолу.
Іонний обмін базується на вилученні зі стічних вод цінних домішок хрому, цинку, міді, ПАР за рахунок обміну іонами між домішками та іонітами (іонообмінними смолами) на поверхні розподілу фаз "розчин - смола". За знаком заряду іоніти поділяються на катіоніти та аніоніти, котрі мають відповідно кислі та лужні властивості. Іоніти можуть бути природними та синтетичними. Практично застосовуються природні іоніти типу алюмосилікатів, гідроокислів та солей багатовалентних металів, іоніти з вугілля та целюлози та різноманітні синтетичні іонообмінні смоли.
Основною властивістю іонітів є їхня поминальна здатність - обмінна ємність (кількість грам-еквівалентів у стічній воді, що поглинається їм5 іоніту до повного насичення) [7].
Після механічних, хімічних та фізико-хімічних методів очищення у стічних водах можуть знаходитись різноманітні віруси та бактерії (дизентерійні бактерії, холерний вібріон, збудники черевного тифу, вірус поліомієліту, вірус гепатиту, цитпатогенний вірус, аденовірус, віруси, що викликають захворювання очей). Тому з метою запобігання захворюванням стічні води перед повторним використанням для побутових потреб підлягають біологічному очищенню.
Стерилізація води здійснюється шляхом нагрівання, хлорування, озонування, обробки ультрафіолетовими променями, біообробки, електролізу срібла, коли анодом с срібний електрод, а катодом - вугілля. Іони срібла мають бактерицидну дію. Для стерилізації 20 м3 потрібно виділити з анода 1 г срібла.
2.3 Утилізація твердих відходів
У хімічній промисловості і суміжних галузях утвориться велика кількість твердих відходів, що скорочують земельний фонд і отруюють ґрунт. Важливою умовою охорони ґрунту є суворе дотримання наукове обґрунтованих методик внесення добрив і обробки рослин ядохимикатами.
Одним із самих багатотоннажних відходів хімічної промисловості є піритний недогарок, що утвориться у виробництві сірчаної кислоти. На заводах накопичено близько 40 млн. т піритних недогарків, причому щорічно додається 7 млн. т. Недогарок складається з оксидів заліза, сульфатів і оксидів інших металів, кварцу, алюмосилікатів і неокисленого FeS2. У недогарку утримується близько 58% Fe, до 2% Сu, невеликі кількості срібла, золота й інших цінних компонентів. Піритні недогарки можуть бути використані в цементній і скляній промисловості. Найбільш перспективна комплексна переробка недогарків з високим змістом Сu, Zn, Pb, Ag і S шляхом випалу, що хлорує, що дозволяє витягти і використовувати цінні компоненти цього відходу. Після витягу цінних металів хлорним випалюванням, недогарок являє собою сировину для одержання заліза. Як хлоруючий агента можна застосувати відходи виробництва соди - розчин хлориду кальцію. Недогарок змішують і гранулюють з цим розчином, і отримані гранули обпалюють при 1500 К. При цьому відбувається сублімація кольорових металів і утворення міцних гранул - сировина для доменного виробництва чавуна [9].
Значна кількість твердих відходів утвориться у виробництві калійних добрив із сильвініту (KCl+NaCl). На 1 т хлориду калію утвориться 1,8-2,6 т так званих галітових відходів - хлориду натрію з домішками КС1 і інших солей. Складування галітових відходів займає великі площі сільськогосподарських угідь і веде до засолення ґрунту, підвищенню вмісту мінеральних солей у підземних водах. Галітові відходи можна переробляти на поварену сіль.
У виробництві фосфорних добрив при збагаченні фосфорної сировини флотацією утворюється велика кількість хвостів збагачення - 1,7-2 т на 1 т фосфору. Комплексна переробка цих відходів необхідна з екологічної точки зору і з метою одержання кольорових і рідких металів (Al, Tі, V, Ga), а також цінних неметалічних продуктів - соди, поташу, цементу і т.д.
Інший із самих крупнотонажних відходів хімічної промисловості - це фосфогіпс, що скидається підприємствами, які виробляють фосфорну кислоту і фосфорні добрива.
Великі кількості твердих відходів скидають підприємства азотної промисловості, виробництва високополимерних матеріалів і багато інших хімічних виробництв. Відходи хімічної промисловості все в більшій ступені утилізують як вторинну сировину. Однак цілий ряд хімічних заводів, побудованих без обліку вимог екології, до переводу їх на замкнутий виробничий цикл ще тривалий час будуть нарощувати потужності і скидати вся зростаючу кількість твердих відходів. Необхідно в короткий термін цілком утилізувати відходи, доводячи їх до товарної продукції, або застосовуючи як вторинну сировину. Неутилізовані тверді відходи необхідно знешкоджувати і піддавати похованню. Орні і лісові ділянки ґрунту, зайняті раніше твердими промисловими відходами, варто піддавати рекультивації, тобто відновленню природних ландшафтів. Для збереження літосфери необхідно постійно робити рекультивацію земель навколо промислових підприємств, а також при розкритті земної поверхні з метою видобутку корисних копалин, при прокладці газо- і нафтопроводів і ін.
Існують такі методи знешкодження і поховання твердих промислових відходів: 1) біологічне окислення в умовах, що моделюють природні; 2) термічна обробка; 3) складування відходів на поверхні землі і 4) поховання особливо шкідливих відходів на ділянках, що не мають господарського значення - яри, кар'єри, шурфи, траншеї, шпари [9].
Біологічне окислення застосовується для знешкодження твердих відходів, у тому числі осадів, що утворяться в системах біологічного очищення.
Термічна обробка - найбільш надійний спосіб знешкодження й утилізації твердих відходів. Спалювання здійснюють у високотемпературних хімічних реакторах - печах, що забезпечують: 1) ретельне перемішування для розвитку поверхні контакту фаз і для прискорення зовнішньої і внутрішньої дифузії кисню з метою максимального окислювання органічної частини відходів; 2) високу температуру, достатню для повного знешкодження токсичної частини відходів. Застосовуються найчастіше барабанні і камерні печі, але також циклонні і зі зваженим (киплячим) шаром твердого металу. У барабанних печах відходи проходять кілька температурних зон - підсушування, підготовку до спалювання, запалення, горіння, догорання. У зоні підсушування застосовують димові гази з температурою 800 – 10000 С. У зоні підготовки твердого матеріалу відбувається частковий відгін летучих органічних продуктів; температура смоли, що утворюється, досягає 300 С - температури запалення окремих складових відходів. Горіння твердої маси (у всіх типах печей) починається при 600оС. Температуру в зоні горіння підтримують у межах 1100 - 1500 °С. Найбільше повно й інтенсивно відбувається спалювання в циклонних печах і печах зваженого шару завдяки енергійному перемішуванню твердого матеріалу з повітрям [9].
Досить перспективна термічна обробка твердих відходів методом піролізу; продукти піролізу можуть служити енергетичним паливом, а також сировиною для органічного синтезу. Піроліз проводять у вертикальних циліндричних печах (ретортних). Нагрівання забезпечують за допомогою електричної дуги, струмів високої частоти або застосуванням твердих теплоносіїв - розплавів солей, продуктів піролізу твердого палива (напівкокс) і ін. Піроліз ведуть при 300-900 °С в залежності від необхідного складу газоподібних продуктів. Склад газів залежить від складу відходів, що переробляються, і від вмісту кисню в зоні піролізу. Для попередження утворення сажі і токсичних продуктів у реакційну зону вводять водяну пару. Твердий залишок піролізу може бути утилізований, як наповнювач для пластичних мас і гум, як сорбент.
Тверді відходи переробляють також під високим тиском, під дією якого утворяться спресовані спечені матеріали, що може використовувати промисловість будівельних матеріалів; таким методом обробляють відходи деревини, відвали золи, відходи збагачення мінеральної сировини.
Поховання твердих промислових відходів у поверхневих сховищах - найбільш розповсюджений спосіб їх знешкодження. Такий спосіб приводить до відчуження великих ділянок землі, що могли б якісно використовуватися, і до забруднення поверхневих і підземних вод. Основний тип поверхневих сховищ - шламонакопичувачі, що будують за каскадним принципом. Шламохранилища включають чашу, береги, греблю і дренажну систему, що захищає ґрунти під спорудженням від фільтраційних деформацій і, що відводить зі сховища забруднені стоки для знешкодження [9].
Поховання промислових токсичних відходів на ділянках, що не мають господарського значення, проводять після їх стабілізації обробкою сполучними або цементуючими речовинами - рідким склом, цементними розчинами, бітумами. Отримані блоки закладають у кар'єри, шпари, шурфи й інші природні або штучні поглиблення в поверхневих шарах землі. Такий прийом застосовують для відходів, що містять сполуки ртуті, миш'яку, ціанідів, а також для слабко радіоактивних відходів.
Усі способи консервації і поховання твердих відходів аж ніяк не безпечні, ведуть до відчуження родючих земель і зв'язані зі значними витратами. Такі прийоми надалі недоцільні і повинні замінятися повною утилізацією твердих відходів, у першу чергу як вторинну сировину.
Одна з важливих екологічних проблем - видалення і використання твердих відходів великих промислових міст.
Розділ 3 Технологічна схема рекуперації відходів
Вибір шляхів удосконалювання процесів охорони навколишнього середовища в кожній виробничій системі залежить від економічної обґрунтованості технічних рішень, а також від природних особливостей конкретного регіону. Наприклад, у південних регіонах нашої країни, у яких розташоване велике число хімічних підприємств, існує гострий дефіцит водних ресурсів. У таких умовах першочерговою задачею є впровадження водооборотних циклів. Ряд старих хімічних підприємств, розташованих часто в чорті міської забудови, гостро має потребу в скороченні викидів летучих компонентів, зокрема пар розчинників. При впровадженні адсорбційної рекуперації розчинників не тільки запобігається викид в атмосферу токсичних компонентів, але і повертається значна їхня частина в основне виробництво. Таким чином, шляхи і методи поступового створення маловідхідних, а потім і безвідхідних виробництв на діючих підприємствах насамперед ґрунтуються на специфіці цих виробництв [10].
Для знову споруджуваних підприємств організація безвідхідних технологічних процесів повинна бути закладена на пошуковій і передпроектної стадії, потім конкретизована при проектуванні і реалізована в ході будівельно-монтажних робіт.
Принципова технологічна схема комбінату безвідхідного виробництва приведена на мал.2. Агресивні пило-газові, рідкі і тверді відходи промислових підприємств за допомогою спеціальних засобів їхнього забору, перемішування і переміщення нейтралізуються в підземному реакторі, сполученому із системою промислової каналізації.
Пило-газові викиди направляються в реактор за рахунок розрядження, створюваного могутньою вентиляційною установкою. У скруберах і самому реакторі гарячі пило-газові викиди проходять через що розприскується, за допомогою системи розпилення (зрошувачів), слабколужний оборотний розчин, що розчиняє в собі хімічно активні газові компоненти, а також насичує гази водяною парою й осаджує пил. Багатокомпонентна газова суміш, що виходить у реакторі, містить (у порівнянні з повітрям) знижена кількість О2, і підвищене СО2. Ця суміш охолоджується розчином і по плоскому наземному газоводу надходить на біологічну обробку, по шляху обігріваючи тепличне господарство. Біологічна обробка газів може бути сполучена з виробництвом біомас.
Рис. 1. Технологічна схема комбінату безвідхідного виробництва
Агресивні промислові стоки надходять у реактор і змішуються зі стікаючим потоком оборотного розчину, заповнюючи його збиток через упарювання і втрати з осадом. Основна маса твердих відходів (різні шлаки) транспортуються до наземних пристроїв реактора - нейтралізаторові, де лужні шлаки промиваються поданим наверх і проясненим у відстійнику оборотним розчином. Після промивання шлаків розчин відстоюється і знову подається на зрошення [4].
Визначена частина твердих відходів (пил, шлам) подається на знешкодження в реактор, минаючи нейтралізатор.
Промислові стоки, забруднені нерозчинними речовинами, минаючи реактор, подаються в загальний відстійник, де звільняються від суспензій і заново направляються в систему водообороту.
Горючі відходи йдуть на спалювання в піч, недогарки - на комплексну переробку твердих продуктів, газ - у реактор, тепло - утилізується.
Побутові стічні води піддаються попередньому знешкодженню, а потім природній обробці в ставках, де доводяться до стану, близького до природного. Вода використовується для технічного водопостачання і йде на зрошення.
У результаті всі промислові і побутові стічні води замикаються в загальній системі водокористування. Їхнє скидання в природні водойми ліквідується.
Тверді речовини - осад з реактора, виробниче та побутове сміття, шлаки, недогарки, органічні залишки від біологічного очищення побутових і промислових стічних вод надходять у блок цехів для комплексної переробки - у добриво, будматеріали і різні види сировини. Такий комбінат безвідхідного виробництва у визначеній мері моделює, з погляду використання природних ресурсів, біогеохімічні системи, що розвилися на Землі.
Висновки
Всі відомі технологічні процеси хімічного виробництва супроводжуються утворенням великої кількості відходів у вигляді шкідливих газів та пилу, шлаків, шламів, стічних вод, що містять різні хімічні компоненти, які забруднюють атмосферу, воду та поверхню землі.
Для знешкодження відходів хімічної промисловості використовуються механічні, фізичні, хімічні, фізико-хімічні та комбіновані методи. Механічні методи використовують переважно для знешкодження газоподібних та парових відходів, вони базуються на використанні сил гравітації, сил інерції, відцентрових сил, принципів сепарації, дифузії, захоплювання. Ці методи використовуються для вилучення пилу з газових відходів у коксохімічному виробництві, виробництві будматеріалів. Фізичні та хімічні методи використовуються для утилізації в більшості випадків рідких відходів базуються на використанні електричних та електростатичних полів, охолодження, конденсації, кристалізації, поглинання. У хімічних методах використовуються реакції окислення, нейтралізації, відновлення, каталізації, термоокислення. Ці методи використовуються для утилізації відходів при виробництві мінеральних солей та добрив, неорганічних кислот.
Для більш повної та рентабильної утилізації та рекуперації відходів хімічної промисловості доцільно використовувати схеми безвідходного технологічного виробництва.
Список літератури
Антропогенные проблеми экологии / А.И.Коблева. - Днепропетровск: Проминь, 1997. - 144 с.
Борнацкий И.И. Теория металлургических процессов. - К.: Техника, 1978. - 430 с.
Брылов С. А., Штродка К., Грабчак Л. Г. и др. Охрана окружающей среды. — М.: Высш. шк., 1986. — 272 с.
Владимиров А, М., Ляхин Ю. И., Матвеев Л. Т. и др. Охрана окружающей среды.— Л.: Гидрометеоиздат, 1991.— 423 с.
Воскобейников В.Г., Кудрин В.А., Якушев В.А. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 1979. - 488 с.
Злобін Ю.А., Кочубей Н.В. Загальна екологія: Навч. посібник. – Суми: ВТД “Університетська книга”, 2003. – 416 с.
Клименко Л.П. Техноекологія. – Одеса – Сімферополь, 2000. – 542 с.
Мухленов И.М., Табоцева В.Д., Горштейн А.Е. Основы химических технологий. - М.: Просвещение, 1964. - 632 с.
Основы химической технологии. / Под ред. И.П.Мухленова. – М.: Высш школа, 1991. – 463 с.
Сытник К. М., Брайон А. В., Гордецкий А. В. Биосфера, экология, охрана природы. — К. Высш. шк., 1987. — 523 с.
Экология города: Учебник./ Под ред. Ф.В.Стольберга. – К.: Либра, 2000. – 464 с.