Малоотходные и безотходные технологии производства

Экобиозащитная техника – оборудование, используемое для техноло-гической и санитарной очистки газовых выбросов промышленных предприятий и сточных вод.

Очистка газа – отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязняющего вещества, выбрасываемого промышленным источником.

Очистка воздуха от примеси представляет собой процесс получения этой примеси в чистом или хотя бы в концентрированном виде. При обезвреживании токсичных выбросов вредные для человека и природной среды примеси отделяют от относительно безвредного основного газового потока. Существует также метод обезвреживания выбросов путем перевода токсичных примесей, содержащихся в газовом потоке, в менее вредные или даже в практически безвредные.

Выделение, т. е. собирание, разрозненных частиц примеси, является процессом, обратным самопроизвольно протекающему процессу распределения этих примесей в воздухе. Следовательно, энтропия системы понижается. Как известно, всякий процесс, сопровождающийся такого рода понижением энтропии (без охлаждения, только за счет упорядочения системы), требует затраты энергии. Поэтому все процессы очистки энергоемки. Кроме того, мало затратить энергию, необходимо затратить ее целесообразно. Для каждого вида загрязнений существует своя целесообразность, свой метод, специальный аппарат, который позволяет с минимальными затратами энергии получить высокую степень “упорядочения”, т. е. очистки. Выбор метода для очистки газообразных примесей определяется в первую очередь химическими и физико-химическими свойствами этой примеси. Большое влияние на выбор метода оказывает характер производства: свойства имеющихся в производстве веществ, их пригодность в качестве поглотителей для газа, возможность регенерации поглотителей, целесообразность утилизации уловленных продуктов,

Для очистки газов от незначительных концентраций примесей (не более 1% по объему) применяются прямоточные компактные абсорбционные аппараты. Наряду с жидкими поглотителями – абсорбентами для очистки, а также для осушения (обезвоживания) газов могут быть применены твердые поглотители. К ним относятся различные марки активных углей, силикагель, алюмогель, цеолиты.

Широко применяются электрофильтры – электростатические осадители. Они используются на тепловых угольных электростанциях в качестве золоуловителей, на цементных заводах – для улавливания пыли из дымовых газов вращающихся печей, на алюминиевых заводах – в качестве первых ступеней газоочистительных установок электролизных цехов для обеспыливания аспирационного воздуха.

Для тонкой очистки газа в цементном и электроплавильном производствах, цветной металлургии используются унифицированные тканевые фильтры ФРГИ. Для очистки аспирационного воздуха от пыли сухим способом предназначен зернистый фильтр ЗФ – 4. Фильтр повышенной надежности типа ФРПН – 60 предназначен для улавливания высокодисперсных, токсичных и дорогостоящих пылей.

Для технологической и санитарной очистки кислотных и других туманов, содержащих твердые примеси, используется двухступенчатый сернокислотный волокнистый туманоуловитель.

Очистка сточных вод – это разрушение или удаление из них определенных веществ. Обеззараживание сточных вод предусматривает удаление из них патогенных микроорганизмов.

Комплекс санитарных мероприятий и инженерных сооружений, обеспечивающих сбор и удаление за пределы населенных мест и промышленных предприятий загрязненных сточных вод, их очистку, обезвреживание и обеззараживание, получил название канализования.

Методы очистки бытовых сточных вод подразделяются на механические и биологические. При механической очистке разделяют сточные воды на жидкую и твердую фазы. Жидкая часть сточных вод подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка сточных вод осуществляется на полях фильтрации, полях орошения, биологических прудах и т. д. Для искусственной биологической очистки применяют специальные сооружения – биофильтры, аэротенки. Ил обрабатывается на иловых площадках или в метантенках.

Сооружения для механической очистки сточных вод включают решетки, песколовки, отстойники. Решетки служат для задерживания крупных загрязнений, песколовки для задерживания минеральных примесей, содержащихся в сточной воде. Предварительное выделение минеральных примесей облегчает условия эксплуатации сооружений, служащих для дальнейшей очистки отстойников, метантенков и др.

В песколовках под влиянием сил тяжести минеральные частицы, плотность которых больше, чем плотность воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре выпадают на дно. Отстойники применяют как для предварительной очистки сточных вод перед биологической очисткой, так и как самостоятельные сооружения, если по санитарным условиям вполне достаточно выделить из сточных вод только механические примеси. В зависимости от назначения отстойники подразделяются на отстойники первичные и вторичные. Первичные отстойники устанавливают до сооружений биологической обработки сточных вод, вторичные – после этих сооружений. По конструктивным признакам отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

К сооружениям для обработки осадка сточных вод относятся септики, двухъярусные отстойники и осветлители – перегниватели, метантенки, иловые площадки. Септиками называют сооружения, в которых одновременно происходит осветление сточной жидкости, хранение и перегнивание выпавшего осадка. Осадок хранится от 6 до 12 месяцев. Под влиянием анаэробных микроорганизмов он разрушается, нерастворимые органические вещества превращаются частью в газообразные продукты, частью в растворимые минеральные соединения.

Двухъярусные отстойники применяют для небольших и средних очистных станций производительностью до 10 тыс. м³/ сут. Осадок, выпавший в иловую камеру, сбраживается под влиянием анаэробных бактерий, которые расщепляют сложные органические вещества (белки, жиры, углеводы), первоначально до кислот жирного ряда, а в дальнейшем до конечных, более простых продуктов: газов метана, углекислоты и частично сероводорода.

Метантенк представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенным для сбраживания осадка. Газ, образующийся в метантенках в результате брожения, собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия. Из колпака он отводится для дальнейшего использования.

Сброженный осадок имеет высокую влажность, поэтому подвергают сушке. Самый распространенный прием сушки осадка – сушка на иловых площадках. Иловые площадки состоят из спланированных участков земли (карт), окруженных со всех сторон земляными валиками. Осадок подсушивают в среднем до влажности 75%, вследствие чего объем его уменьшается в три - восемь раз.

Для круглосуточного и круглогодичного обезвреживания сточных вод, которые предназначаются для орошения и удобрения сельскохозяйственных культур, используются поля орошения. Устройство полей орошения не разрешается на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зон санитарной охраны, источников централизованного водоснабжения и минеральных источников. При организации полей орошения необходимо предусмотреть устройство резервных полей фильтрации (до 25 – 30% площади орошаемой территории) для приема сточных вод в неблагоприятные периоды года, во время уборки урожая и в других случаях, когда сточные воды не могут быть использованы для орошения.

На земледельческих полях орошения разрешается выращивание технических, зерновых, кормовых и силосных культур, однолетних и многолетних трав, овощей, употребляемых в пищу после термической обработки (свекла, тыква, кабачки, баклажаны и т. д.), капусты (не применяемой для салата в свежем виде), картофеля, плодово-ягодных и декоративных насаждений и других культур. Запрещается выращивание овощных культур, употребляемых в пищу без термической обработки (морковь, петрушка, брюква, репа, редис, лук, сельдерей, огурцы, помидоры, салат и др.), а также бахчевых культур (арбузы, дыни) и ягод (земляника и клубника). При сборе урожая с орошаемых участков нельзя складывать овощи на землю. Их следует укладывать непосредственно в тару или на специальную подстилку.

Осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком, или под напором поступает в распределительные устройства, которые периодически выпускают воду на поверхность биофильтра. Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней, вследствие адсорбции взвешенные органические вещества, не осевшие в первичных отстойниках. Они образуют биопленку, густо заселенную микроорганизмами, которые окисляют имеющиеся в ней органические вещества. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса активной биологической пленки. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Профильтрованная через толщу биофильтра вода проходит через отверстия и дырчатом дне (дренаж) и поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Далее вода поступает во вторичные отстойники, которые задерживают выносимую пленку, отделяют ее от очищенной сточной воды.

Эффект очистки нормально работающих биофильтров подобно типа очень высок и может достигать 90% и более. Для очистки сточных вод используются также аэрофильтры, в отличие от биофильтров, они интенсивно продуваются снизу вверх воздухом. Поэтому процессы окисления в них идут значительно интенсивнее и, следовательно, количество очищаемой сточной жидкости значительно выше.

Биологические, или очистные, пруды применяют как самостоятельные биологические очистные устройства или в качестве конечного пункта очистки сточных вод, предварительно обработанных на биофильтрах. Если пруды являются самостоятельными очистными сооружениями, сточные воды после отстойников разбавляются до поступления в пруды трех- или пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды.

Из всего объема сбрасываемых в водоемы сточных вод почти 70% составляют промышленные стоки. Для сточных вод промышленных предприятий характерно высокое содержание растворенных веществ, которые указанными выше методами не извлекаются. Для их удаления применяют специальные методы очистки. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии находится вещество в сточной воде – в молекулярном или диссоциированном на ионы. Для веществ, находящихся в воде в молекулярном состоянии, рекомендуют сорбцию с помощью различных сорбентов, десорбцию аэрацией, обработку воды окислителями (до органических веществ) и др. От веществ, диссоциированных на ионы, сточные воды очищают с помощью перевода растворимых соединений в малорастворимые (карбонаты, сулъфаты и др.), токсичного иона в малотоксичный комплекс (цианидов в ферроцианиды) и др., образования малодиссоциированных молекул при взаимодействии водородных и гидроксильных ионов, извлечения из воды ионов при электродиализе, замены токсичных ионов безвредными при ионировании и т. д.

В настоящее время широкое распространение получает доочистка сточных вод с последующим использованием их в производственном водоснабжении. Доочистка вод перед повторным использованием их бывает вызвана повышенным содержанием солей, биологически неокисляемых органических веществ, канцерогенных веществ и др. Метод доочистки выбирается в зависимости от характера остаточного загрязнения. При выборе метода учитывается также необходимость обезвреживания и утилизации осадков, получаемых при доочистке стоков. Так, для очистки сильноминерализованных стоков широко применяется метод термического опреснения. Полученный дистиллят используется там, где необходима обессоленная вода.

В процессе производства образуется также большое количество твердых отходов – отходы металлов, дерева, пластмасс и других материалов, пыли минерального и органического происхождения от очистных сооружении в системах очистки газовых выбросов промышленных предприятий, а также промышленный мусор, состоящий из различных органических и минеральных веществ (резина, бумага, ткань, песок, шлак и т. и.). Критерием определения целесообразности переработки отходов в местах их образования является количество и степень использования отходов в производстве. Большая доля в общем объеме твердых отходов принадлежит металлическим отходам. Вторичные ресурсы металлов складываются из лома (43%) и отходов (57%). Ломом называют изношенные и вышедшие из употребления детали и изделия из металлов и сплавов, отходами – промышленные отходы всех стадий передела, содержащие металлы или состоящие из них, получаемые при плавке и механической обработке, а также не поддающийся исправлению брак деталей и изделий, возникающий в процесс производства. Так, в черной металлургии образование лома и отходов металлов на 1 т выплавляемой стали достигает 650 кг, поэтому вопрос о рациональном использовании металлических отходов приобретает важное значение.

Основными направлениями ликвидации и переработки твердых промышленных отходов (кроме металлоотходов) являются вывоз и захоронение па полигонах, сжигание, складирование и храпение на территории промышленного предприятия до появления новой технологии переработки их в полезные продукты (сырье).

Радикальное решение проблем охраны окружающей среды от негативного воздействия промышленных объектов возможно при широком применении безотходных и малоотходных технологий. Использование очистных устройств и сооружений не позволяет полностью локализовать токсичные выбросы, а применение более совершенных систем очистки всегда сопровождается экспоненциальным ростом затрат на осуществление процесса даже в тех случаях, когда это технически возможно. Так например, очистка сточных вод крупного машиностроительного предприятия с эффективностью до 90% обеспечивается сравнительно легко, па каждый последующий процент дает рост затрат, взмывающий вверх по экспоненциальной кривой. Стопроцентная очистка теоретически возможна, но практически неосуществима из-за громоздкости очистных сооружений и их колоссальной стоимости. Следовательно, нужно искать альтернативное решение, а именно: внедрять малоотходную и ресурсосберегающую технологию.

В настоящее время в соответствии с решением ООН и Декларацией о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов принята следующая формулировка безотходной технологии: “Безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств, с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду”. Под безотходной технологией, безотходным производством, безотходной системой понимают не просто технологию или производство того или иного продукта (или продуктов), а принцип организации и функционирования производств, региональных промышленно-производственных объединений, территориально-производственных комплексов, народного хозяйства в целом. При этом рационально используются все компоненты сырья и энергия в замкнутом цикле, т. е. не нарушается сложившееся экологическое равновесие в биосфере.

Малоотходная технология является промежуточной ступенью при создании безотходного производства. При малоотходном производстве вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарными органами, но по техническим, экономическим организационным или другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы и направляется на длительное храпением и захоронение.

Основой безотходных производств является комплексная переработка сырья с использованием всех его компонентов, поскольку отходы производства – это по тем или иным причинам неиспользованная или недоиспользованная часть сырья. Большое значение при этом приобретает разработка ресурсосберегающих технологий.

Таким образом, малоотходная и безотходная технология должны обеспечить:

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

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

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

– использование замкнутых систем промышленного водоснабжения;

– создание безотходных территориально-производственных комплексов и экономических регионов.

В машиностроении разработка малоотходных техпроцессов связана прежде всего с необходимостью увеличения коэффициента использования металла (КИМ). Естественно, что увеличение КИМ дает не только технико-экономические выгоды, но и позволяет уменьшить отходы и вредные выбросы в окружающую среду.

Сравнительно новым технологическим процессом в литейном производстве является использование быстротвердеющих формовочных смесей. Этот процесс, при котором происходит химическое затвердевание форм и стержней, прогрессивен не только в технологическом, но и в санитарно-гигиеническом отношении вследствие значительного сокращения пылевыделения. КИМ увеличивается при таком литье до 95–98%.

При термической обработке металлов большой практический интерес представляют новые производственные методы, основанные па проведении процессов в замкнутых объемах с экономичным расходом исходных составляющих и без выделения продуктов реакции в окружающую среду.

Уменьшению загрязнения воздушного бассейна способствует совершенствование методов окраски машин. При обычном способе окраски распылением пневматическими краскораспылителями потери краски, загрязняющей воздух, составляют 40–60%. Получивший широкое распространение способ окраски в электростатическом поле позволил свести производительные потери лакокрасочных материалов к минимуму, одновременно существенно повысив санитарно-гигиенические показатели процесса. Сущность метода заключается в том, что распыленная краска подается в электростатическое поле высокого напряжения с отрицательным потенциалом на электродных сетках и положительным на изделии. Частицы краски, несущие отрицательный заряд, притягиваются к изделию. Способ окраски в электростатическом поле легко поддается автоматизации. Другим направлением снижения вредного влияния процесса, окраски на атмосферу является уменьшение токсичности применяемых материалов. Лакокрасочные материалы, содержащие органические растворители, заменяются водорастворимыми материалами.