Курс лекций по дисциплине "Промышленная экология" для СПО

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московской области «Пушкинский лесо-технический техникум»

Курс лекций по дисциплине

ПРОМЫШЛЕННАЯ  ЭКОЛОГИЯ

Конспект лекций

для  специальности

35.02.01  Лесное и лесопарковое хозяйство (по отраслям)

базовая подготовка

среднего профессионального образования

Разработчик: преподаватель ГПБОУ «Пушкинский лесо-технический техникум»

к.г.н. Д.В.Савенков

Пушкино

 

В данном учебно-методическом материале изложены основные принципы промышленной экологии, безотходных или чистых производств, примеры реализации безотходной технологии в различных отраслях промышленности. Большое внимание уделено проблемам защиты биосферы (атмосферы, гидросферы, литосферы) от выбросов промышленных предприятий.

Оглавление

Глава 1. Безотходные или чистые производства – основа промышленной экологии …………………………………………………………………………….   3

1.1. Интенсификация хозяйственной деятельности общества и масштабы негативного воздействия промышленного производства на окружающую природную среду ……………………………………………………………………. 3

1.2. Промышленная экология — научная основа рационального природопользования ……………………………………………………………………… 6

1.3. Безотходное производство …………………………………………………. 7

1.4. Территориально-производственные комплексы и эколого-промышленные парки ………………………………………………………………………..…   13

Глава 2. Защита атмосферы …………………………………………………… 15

2.1 Основные направления работ по снижению загрязнений воздушного бассейна …………………………………………………………………………….. 15

2.2. Методы очистки и обезвреживания отходящих газов ………………….. 16

2.3. Очистка топочных газов от диоксида серы ……………………………... 18

2.4. Очистка отходящих газов от оксидов азота …………………………….. 21

2.5. Очистка отходящих газов от оксида углерода и углеводородов ………. 24

2.6. Рециркуляция газов ……………………………………………………….. 24

Глава 3. Защита гидросферы ………………………………………………….. 25

3.1. Оборотное водоснабжение ……………………………………………….. 25

3.2. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий .. 27

3.3. Методы очистки сточных вод ……………………………………………. 28

3.4. Обработка осадков сточных вод …………………………………………. 29

3.5. Утилизация осадков сточных вод и активного ила ……………………..  32

Глава 4. Защита литосферы …………………………………………………… 35

4.1. Классификация твёрдых отходов ………………………………………… 35

4.2. Использование и переработка крупнотоннажных промышленных отходов……………………………………………………………………………….. 37

4.3. Обезвреживание и захоронение токсичных отходов …………………… 38

4.4. Установки для обезвреживания твёрдых отходов ………………….…... 40

4.5. Проблема твёрдых бытовых  и промышленных отходов в Омской области ………………………………………………………………………………..  42

Глава 5. Экологическая характеристика производств ………………………. 46

5.1. Экологическая характеристика нефтеперерабытывающих и нефтехимических производств ……………………………………………………………. 46

5.2. Обработка и утилизация отходов пластмасс ……………………………. 53

5.3. Производство сажи ………………………………………………………... 60

5.4. Экологическая характеристика производства эластомеров ……………. 62

5.5. Экологическая характеристика производства химических волокон ….. 66

5.6. Переработка отходов сернокислотного производства ………………….. 69

5.7. Производство искусственных минеральных красок ……………………. 79

5.8. Производство аммиака, азотной кислоты, азотных удобрений …….….. 81

5.9. Производство кальцинированной соды …………………………………. 84

5.10. Производство каустической соды и ацетальдегида …………………… 87

5.11. Экологическая характеристика производства калийных удобрений … 89

5.12. Переработка отходов производства фосфорных удобрений …………. 91

5.13. Комплексное использование фосфатного сырья ………………………. 93

5.14. Производство каменного угля и продуктов на его основе ……………. 96

5.15. Переработка и использование сопутствующих пород ……………….. 100

5.16. Рекультивация земель ………………………………………………….. 101

5.17. Закладка выработанных пространств …………………..…………….. 101

5.18. Геотехнология ………………………………………………………….. 102

5.19. Экологическая характеристика предприятий чёрной металлургии … 105

5.20. Экологическая характеристика предприятий цветной металлургии .. 111

5.21. Экологические проблемы в энергетике ………………………………. 117

5.22. Экологические проблемы в стройиндустрии ………………………… 127

5.23. Охрана окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности ………………………………………………………………………………….. 132

5.24. Экологическая характеристика производств по переработке продуктов животного происхождения …………………………………………………... 137

5.24.1. Предприятия мясной промышленности …………………………….. 137

5.24.2. Предприятия молочной промышленности ………………………….. 139

Заключение …………………………………………………………………. 141

Литература …………………………………………………………………. 142

Глава 1. Безотходные или чистые производства – основа промышленной экологии

«В химии нет отходов, а есть неиспользованное сырьё».

Д. И. Менделеев

1.1. Интенсификация хозяйственной деятельности общества и масштабы негативного воздействия промышленного производства на окружающую природную среду

Анализ развития производств и динамики потребления сырья и образования отходов привели к выводу о том, что дальнейшее развитие производств (и общества в целом) не может осуществляться без учёта экологических ограничений и требует принципиально нового подхода. Так, объём мирового промышленного производства увеличивается по экспоненциальному закону. Количество перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов тоже возрастает экспоненциально. А это означает, что человечество всё больше работает на производство отходов. Только около 1-2 % сырьевых материалов переходит в конечную продукцию, а остальные 98-99 % превращаются в отходы. Расходы на обезвреживание и переработку отходов стали тоже возрастать экспоненциально и сейчас составляют 8-10 % стоимости производимой продукции.

Идея многократного, цикличного, экономного использования материальных ресурсов уже не только широко обсуждается во всём мире, но и в большинстве стран нашла широкое практическое применение. Так, в развитых странах степень повторного использования свинца составляет не менее 65 %, железа — 60, меди — более 40, никеля - 40, алюминия — 33, цинка 32 % и т.д. В нашей стране эти цифры значительно скромнее. За счёт использования вторичного сырья производится 30 % стали и 20 % цветных металлов. Энергоёмкость производства алюминия из вторичного сырья в 20 раз, а стали в 10 раз ниже, чем энергоёмкость их производства из первичного сырья. Анализ использования сырьевых материалов по шести важнейшим отраслям промышленности (чёрная и цветная металлургия, добыча и переработка угля, производство удобрений, химических продуктов и строительных материалов) показал, что в нашей стране 30 лет назад в готовую продукцию переходило всего 1-2 % используемых сырьевых материалов, 20 лет назад от 5-10 %, 5 лет назад — 28,6 %. В конечном итоге основным для промышленного производства должно стать вторичное сырьё.

Кроме ресурсной проблемы современного общества более серьёзной является проблема загрязнения окружающей среды. Всё неиспользованное сырьё (до 90 %) проступает в окружающую среду в виде различных отходов. Эти вещества в природе были в наименее растворимой, следовательно, менее токсичной форме. Например, металлы - в виде малорастворимых оксидов или сульфидов, фтор - в виде фторида кальция или фосфатов, содержащих фтор. При получении металлов, фосфорных удобрений и ряда других продуктов образуется большое количество твёрдых, жидких и газообразных отходов, в которых тяжелые металлы и фтор находятся в активной форме, губительно воздействующей на все живое. В результате промышленной деятельности от всех антропогенных источников в биосферу в общей сложности поступило около 20 млн. т. свинца, 14 млн. т. цинка, более 2 млн. т. меди и т.п. Масштабы выбросов соединений кадмия, цинка, меди и др. тяжёлых металлов всеми вулканами нашей планеты далеко уступает их количеству, поступающему только от мусоросжигающих печей. Антропогенные источники выделения тяжёлых металлов распределены очень неравномерно и сконцентрированы преимущественно в густонаселённых промышленных районах. Повышенное внимание к тяжёлым металлам уделяется потому, что по общетоксическому воздействию на живые организмы они уже вышли на первое место, далеко опередив радиоактивные вещества и пестициды и вызывают целый букет заболеваний: сердечно-сосудистые заболевания, умственная неполноценность, паралич, рак, наследственные болезни.

В последнее десятилетие ежегодно в атмосферу поступает 25 млр. т. СО₂ (около 10 % от общего природного поступления), 190 млн. т. СО (около 10 % от природного поступления), около 110 млн. т. SO₂ (75-90 % в зависимости от полушария), около 70 млн. т. NO_x , свыше 50 млн. т. различных углеводородов, около 50 млн. т. первичных аэрозолей (4%). Кроме того, образуется ещё порядка 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей сульфатов. нитратов, углеводородов (20%) и т.д.

Воздушными массами загрязнения могут переноситься на большие расстояния и существенно влиять на состояние атмосферы и здоровье человека. В частности, происходящее с интенсивностью 0,4 % в год накопление в атмосфере СО₂ вследствие поглощения им ИК-излучения солнца может вызвать глобальное повышение температуры (“парниковый эффект”). Трансформация в атмосфере SO₂, NO_х и других аналогичной природы выбросов может завершаться образованием кислотных туманов и выпадением кислотных дождей (снегов), вызывающих коррозию многих неорганических материалов (объектов), а также угнетение и уничтожение различных объектов флоры и фауны. Находящиеся в атмосферном воздухе аэрозоли (пыли, дымы, туманы) задерживают падающую на поверхность Земли солнечную радиацию, способствуя похолоданию на планете. Оседающая на поверхности ледников пыль ускоряет их таяние вследствие более интенсивного поглощения солнечной энергии. Атмосферные аэрозоли вследствие их более или менее длительной седиментации обусловливают загрязнение токсичными веществами поверхностных и подземных вод, а также почвы.

В XXI веке, в условиях растущего в мире дефицита природных ресурсов, увеличения количества и масштабов техногенных аварий и катастроф, дальнейшие развитие мирового сообщества должно основываться на новых принципах.

Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) поставила перед всеми государствами мира задачу обеспечения устойчивого экономического, социального и экологического развития, предполагающего разумное использование ресурсов природы, для того чтобы поколения не оказались перед лицом глобальной экологической катастрофы. В соответствии с этой задачей была разработана программа ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП), в которой были сформулированы глобальные экологические проблемы, сгруппированные в следующие экологические разделы:

- изменение атмосферы и климата;

- изменение гидросферы;

- изменение литосферы; проблемы, связанные с добычей и использованием полезных ископаемых, а также с использованием земной поверхности;

- изменение биоты (животного и растительного мира);

- изменения в сельском и лесном хозяйстве;

- демографические проблемы, в том числе проблема производства продуктов питания;

- урбанизация, проблемы населенных пунктов;

- влияние окружающей среды и её изменения на здоровье населения;

- проблемы развития промышленного производства;

- проблемы, связанные с производством и потреблением энергии;

- проблемы, связанные с развитием транспорта;

- развитие природоохранного образования и понимания общественностью проблем окружающей среды;

- проблемы, связанные с воздействием войн на окружающую среду, а также возможные экологические последствия войн.

Два последних десятилетия уже прошли под уже принятым мировым сообществом пониманием решающей роли экологической составляющей нашего бытия - сохранения, очистки и реабилитации окружающей среды в рамках концепции устойчивого развития. Эта проблема будет одной из определяющих и в ХХI веке.

Анализируя программу ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП), нельзя не видеть, что рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды - важные и актуальные проблемы современности, от правильного решения которых зависит будущее человечества, его устойчивое, бескризисное развитие.

Под устойчивым развитием понимается такое экономическое развитие, при котором удовлетворение потребностей людей происходит без ухудшения среды обитания (климата, состояния атмосферы, гидросферы и почвы, других природных ресурсов, в том числе растительного и животного мира) для них самих и для последующих поколений.

Сейчас все очевиднее взаимосвязь производственных и экологических процессов. Происходит слияние объектов хозяйственной деятельности человека, среды его обитания и окружающей природной среды в единые системы, развивающиеся по своеобразным, еще недостаточно изученным законам. Для изучения состояния и прогнозирования изменений, а также управления развитием таких систем возникло новое научное направление - промышленная экология.

1.2. Промышленная экология — научная основа рационального природопользования

Грандиозные масштабы производственной деятельности человека привели к большим позитивным преобразованиям в мире - созданию мощного промышленного и сельскохозяйственного потенциала, широкому развитию всех видов транспорта, мелиорации больших земельных площадей, созданию систем искусственного климата. Вместе с тем резко ухудшилось состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы, водоёмов и почвы твердыми, жидкими и газообразными отходами достигает угрожающих размеров, происходит истощение невозобновляемых природных ресурсов, в первую очередь, полезных ископаемых и пресной воды. Дальнейшее ухудшение состояния экосферы может привести к далеко идущим отрицательным последствиям для человечества (рост заболеваемости и детской смертности, сокращение продолжительности жизни и т.д.). Поэтому охрана природы, защита её от загрязнений стала одной из важнейших глобальных проблем.

Современная промышленная экология - это самостоятельная наука, изучающая влияние промышленной деятельности на биосферу и её эволюцию в техносферу, а также определяющая пути достаточно безболезненного для человеческой цивилизации перехода техносферы в ноосферу.

Методической основой курса промышленной экологии является научный анализ экологической характеристики производства (технологического процесса, аппаратурного оформления, сырьевых и вспомогательных материалов, их возможного воздействия на окружающую среду). На основе детального анализа проводится оценка реального воздействия производства (производственных комплексов) на биосферу, даётся прогноз состояния окружающей среды и намечаются мероприятия по минимизации влияния объектов хозяйственной деятельности на природу.

Целями промышленной экологии являются: решение проблем рационального использования природных ресурсов, предотвращение (на первом этапе - ограничение) загрязнения окружающей среды, совмещение техногенного и биогеохимического кругооборотов веществ, т. е. промышленная экология является средством для устойчивого функционирования эколого-экономических систем.

Важнейшими задачами, стоящими перед промышленной экологией, являются: контроль загрязнения окружающей среды (и как высшая форма контроля - мониторинг); анализ экологической ситуации (в широком понимании контроль включает в себя инвентаризацию материальных и энергетических ресурсов, качественную и количественную оценку влияния человека на окружающую среду и поиск путей снижения отрицательного воздействия промышленности на окружающую среду); определение отраслей-загрязнителей и источников загрязнения; нахождение путей снижения вредных выбросов источниками загрязнения с учетом снижения материальных затрат на природоохранную деятельность; прогнозирование последствий хозяйственной деятельности; экологизация промышленных технологий; очистка воздуха и воды; решение проблем использования или захоронения твердых промышленных и бытовых отходов; эколого-экономическая экспертиза технических решений.

Средства для решения задач, стоящих перед промышленной экологией, включают в себя современные достижения науки и техники, а также экономические рычаги (налогообложение, стимулирование) и природоохранное законодательство.

Для комплексного решения экологических проблем создаются территориально-промышленные комплексы и эколого-промышленные парки, в которых реализуются следующие актуальные задачи:

- предупреждение отрицательного влияния производства на окружающую среду;

- эффективное использование сырьевых и энергетических ресурсов, в том числе вторичных материальных и энергетических ресурсов;

- учет последствий принятых решений;

- планирование с учетом экологических ограничений;

- управление качеством окружающей среды;

- наблюдение за всеми технологическими процессами (от переработки сырья до захоронения отходов);

- применение малоотходных процессов;

- рециркуляция ресурсов.

С точки зрения экологии материальные потоки в природе являются замкнутыми, в то время как в промышленности они разомкнуты и характеризуются малыми концентрациями полезных веществ в отходах, что мешает их эффективному использованию.

В настоящее время основными направлениями промышленной экологии являются: экологизация технологий; создание малоотходных процессов; очистка атмосферы и водных ресурсов от вредных примесей; переработка твёрдых отходов (или их захоронение); использование экономических и правовых рычагов для охраны окружающей среды.

1.3. Безотходное производство

По мере развития современного производства с его масштабностью и темпами роста все большую актуальность приобретают проблемы разработки и внедрения мало- и безотходных технологий. Скорейшее их решение в ряде стран рассматривается как стратегическое направление рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

«Безотходная технология представляет собой такой метод производства продукции, при котором все сырьё и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные ресурсы, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают её нормального функционирования». Эта формулировка не должна восприниматься абсолютно, т. е. не надо думать, что производство возможно без отходов. Представить себе абсолютно безотходное производство просто невозможно, такого и  в природе нет. Однако отходы не должны нарушать нормальное функционирование природных систем. Другими словами, мы должны выработать критерии ненарушенного состояния природы. Создание безотходных производств относится к весьма сложному и длительному процессу, промежуточным этапом которого является малоотходное производство. Под малоотходным производством следует понимать такое производство, результаты которого при воздействии их на окружающую среду не превышают уровня, допустимого санитарно гигиеническими нормами, т. е. ПДК. При этом по техническим, экономическим, организационным или другим причинам часть сырья и материалов может переходить в отходы и направляться на длительное хранение или захоронение.

Критерии безотходности

В соответствии с действующим в России законодательством предприятия, нарушающие санитарные и экологические нормы, не имеют права на существование и должны быть реконструированы или закрыты, т. е. все современные предприятия должны быть малоотходными и безотходными.

Безотходная технология - это идеальная модель производства, которая в большинстве случаев в настоящее время реализуется не в полной мере, а  лишь частично (отсюда становится ясным и термин «малоотходная технология»).

Однако уже сейчас имеются примеры полностью безотходных производств. Так, в течение многих лет Волховский и Пикалевский глиноземные заводы перерабатывают нефелин на глинозем, соду, поташ и цемент по практически безотходным технологическим схемам. Причем эксплуатационные затраты на производство глинозема, соды, поташа и цемента, получаемых из нефелинового сырья, на 10-15 % ниже затрат при получении этих продуктов другими промышленными способами.

Принципы безотходных технологий

При создании безотходных производств приходится решать ряд сложнейших организационных, технических, технологических, экономических, психологических и других задач. Для разработки и внедрения безотходных производств можно выделить ряд взаимосвязанных принципов.

Основным является принцип системности. В соответствии с ним каждый отдельный процесс или производство рассматривается как элемент динамичной системы - всего промышленного производства в регионе (ТПК) и как элемент эколого-экономической системы в целом, включающей кроме материального производства и другой хозяйственно-экономической деятельности человека, природную среду (популяции живых организмов, атмосферу, гидросферу, литосферу, биогеоценозы, ландшафты), а также человека и среду его обитания. Таким образом, принцип системности, лежащий в основе создания безотходных производств, должен учитывать существующую и усиливающуюся взаимосвязь и взаимозависимость производственных, социальных и природных процессов.

Другим важнейшим принципом создания безотходного производства является комплексность использования ресурсов. Этот принцип требует максимального использования всех компонентов сырья и потенциала энергоресурсов. Как известно, практически всё сырье является комплексным, и в среднем более трети его количества составляют сопутствующие элементы, которые могут быть извлечены только при комплексной его переработке. Так, уже в настоящее время почти всё серебро, висмут, платина и платиноиды, а также более 20 % золота получают попутно при переработке комплексных руд.

Принцип комплексного экономного использования сырья в России возведен в ранг государственной задачи и четко сформулирован в ряде постановлений правительства. Одним из общих принципов создания безотходного производства является цикличность материальных  потоков. К простейшим примерам цикличных материальных потоков можно отнести замкнутые водо- и газооборотные циклы. В конечном итоге последовательное применение этого принципа должно привести к формированию сначала в отдельных регионах, а впоследствии и во всей техносфере сознательно организованного и регулируемого техногенного круговорота вещества и связанных с ним превращений энергии. В качестве эффективных путей формирования цикличных материальных потоков и рационального использования энергии можно указать на комбинирование и кооперацию производств, создание ТПК, а также разработку и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного её использования.

К не менее важным принципам создания безотходного производства необходимо отнести требование ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с учетом планомерного и целенаправленного роста его объёмов и экологического совершенства. Этот принцип в первую очередь связан с сохранением таких природных и социальных ресурсов, как атмосферный воздух, вода, поверхность земли, рекреационные ресурсы, здоровье населения.

Общим принципом создания безотходного производства является также рациональность его организации. Определяющими здесь являются требование разумного использования всех компонентов сырья, максимального уменьшения энерго-, материало- и трудоемкости производства и поиск новых экологически обоснованных сырьевых и энергетических технологий. Конечной целью в данном случае следует считать оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам. Основным путём достижения этой цели являются разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов и производств. Одним из примеров такого подхода к организации безотходного производства является утилизация пиритных огарков - отхода производства серной кислоты. В настоящее  время пиритные огарки полностью идут на производство цемента. Однако ценнейшие компоненты пиритных огарков - медь, серебро, золото, не говоря уже о железе, не используются. В то же время уже предложена экономически выгодная технология переработки пиритных огарков (например, хлоридная) с получением меди, благородных металлов и последующим использованием железа.

Во всей совокупности работ, связанных с охраной окружающей среды и рациональным освоением природных ресурсов, необходимо выделить главные направления создания мало- и безотходных производств. К ним относятся комплексное использование сырьевых и энергетических ресурсов; усовершенствование существующих и разработки принципиально новых технологических процессов и производств и соответствующего оборудования; внедрение водо- и газооборотных циклов (на базе эффективных газо- и водоочистных методов); кооперация производства с использованием отходов одних производств в качестве сырья для других и создания безотходных ТПК.

Требования к безотходному производству

На пути совершенствования существующих и разработки принципиально новых технологических процессов необходимо соблюдение ряда общих требований:

- осуществление производственных процессов при минимально возможном числе технологических стадий (аппаратов), поскольку на каждой из них образуются отходы, и теряется сырье;

- применение непрерывных процессов, позволяющих наиболее эффективно использовать сырье и энергию;

- увеличение (до оптимума) единичной мощности агрегатов;

- интенсификация производственных процессов, их оптимизация и автоматизация;

- создание энерготехнологических процессов. Сочетание энергетики с технологией позволяет полнее использовать энергию химических превращений, экономить энергоресурсы, сырьё и материалы и увеличивать производительность агрегатов. Примером такого производства служит крупнотоннажное производство аммиака по энерготехнологической схеме.

Основные направления безотходной и малоотходной технологии

При современном уровне развития науки и техники без потерь практически обойтись невозможно. По мере того как будет совершенствоваться технология селективного разделения и взаимопревращения различных веществ, потери будут постоянно уменьшаться.

Промышленное производство без материальных, бесполезно накапливаемых потерь и отходов уже существует в целых отраслях, однако доля его пока мала. О каких новых технологиях можно вести разговор, если с 1985 г. - начала перестройки и до нынешнего времени экономическое развитие при переходе к рынку идет на ощупь; доля износа основных производственных фондов все больше увеличивается, в отдельных производствах составляет 80-85 %. Техническое перевооружение производств приостановилось.

Вместе с тем, мы обязаны заниматься проблемой безотходного и малоотходного производства, ибо при нарастающих темпах накопления отходов население может оказаться завалено свалками промышленных и бытовых отходов и остаться без питьевой воды, достаточно чистого воздуха и плодородных земель. Топливно-промышленные комплексы Норильска, Североникеля, Нижнего Тагила и многих других городов могут расшириться дальше и превратить Россию в малоприспособленную к жизни территорию.

Всётаки, современная технология достаточно развита, чтобы в целом ряде производств и отраслей промышленности приостановить рост отходов. И в этом процессе государство должно взять на себя роль руководителя и в плановом порядке разработать и  реализовать комплексную государственную программу внедрения безотходных производств и переработки скопившихся в Российской Федерации отходов.

Назовем основные имеющиеся направления разработки безотходной и малоотходной технологии в отдельных отраслях промышленности.

Энергетика

В энергетике необходимо шире использовать новые способы сжигания топлива, например, такие, как сжигание в кипящем слое, которое способствует снижению содержания загрязняющих веществ в отходящих газах, внедрение разработок по очистке от оксидов серы и азота газовых выбросов; добиваться эксплуатации пылеочистного оборудования с максимально возможным КПД, при этом образующуюся золу эффективно использовать в качестве сырья при производстве строительных материалов и в других производствах.

Горная промышленность

В горной промышленности необходимо: внедрять разработанные технологии по полной утилизации отходов, как при открытом, так и при подземном способе добычи полезных ископаемых; шире применять геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых, стремясь при этом к извлечению на земную поверхность только целевых компонентов; использовать безотходные методы обогащения и переработки природного сырья на месте его добычи; шире применять гидрометаллургические методы переработки руд.

Металлургия

В черной и цветной металлургии при создании новых предприятий и реконструкции действующих производств необходимо внедрение безотходных и малоотходных технологических процессов,  обеспечивающих  экономное, рациональное использование рудного сырья:

- вовлечение в переработку газообразных, жидких и твердых отходов производства, снижение выбросов и сбросов вредных веществ с отходящими газами и сточными водами; - при добыче и переработке руд черных и цветных металлов - широкое внедрение использования многотоннажных отвальных твердых отходов горного и обогатительного производства в качестве строительных материалов, закладки выработанного пространства шахт, дорожных покрытий, стеновых блоков и т. д. вместо специально добываемых минеральных ресурсов;

- переработка в полном объёме всех доменных и ферросплавных шлаков, а также существенное увеличение масштабов переработки сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии;

- резкое сокращение расходов свежей воды и уменьшение сточных вод путем дальнейшего развития и внедрения безводных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения;

- повышение эффективности существующих и вновь создаваемых процессов улавливания побочных компонентов из отходящих газов и сточных вод;

- широкое внедрение сухих способов очистки газов от пыли для всех видов металлургических производств и изыскание более совершенных способов очистки отходящих газов;

- утилизация слабых (менее 3,5 % серы) серосодержащих газов переменного состава  путем внедрения на предприятиях цветной металлургии эффективного способа - окисления сернистого ангидрида в нестационарном режиме двойного контактирования;

- на предприятиях цветной металлургии ускорение внедрения ресурсосберегающих автогенных процессов и в том числе плавки в жидкой ванне, что позволит не только интенсифицировать процесс переработки сырья, уменьшить расход энергоресурсов, но и значительно оздоровить воздушный бассейн в районе действия предприятий за счет резкого сокращения объема отходящих газов и получить высококонцентрированные серосодержащие газы, используемые в производстве серной кислоты и элементарной серы;

- разработка и широкое внедрение на металлургических предприятиях высокоэффективного очистного оборудования, а также аппаратов контроля разных параметров загрязненности окружающей среды; быстрейшая разработка и внедрение новых прогрессивных малоотходных и безотходных процессов, имея в виду бездоменный и бескоксовый процессы получения стали, порошковую металлургию, автогенные процессы в цветной металлургии и другие перспективные технологические процессы, направленные на уменьшение выбросов в окружающую среду;

- расширение применения микроэлектроники, АСУ, АСУ технологическими процессами в металлургии в целях экономии энергии и материалов, а также контроля образования отходов и их сокращения.

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность

В химической и нефтеперерабатывающей промышленности в более крупных масштабах необходимо использовать в технологических процессах: окисление и восстановление с применением кислорода, азота и воздуха; электрохимические методы, мембранную технологию разделения газовых и жидкостных смесей; биотехнологию, включая производство биогаза из остатков органических продуктов, а также методы радиационной, ультрафиолетовой, электроимпульсной и плазменной интенсификации химических реакций.

Машиностроение

В машиностроении в области гальванического производства следует направлять научно-исследовательскую деятельность и разработки на водоочистку, переходить к замкнутым процессам рециркуляции воды и извлечению металлов из сточных вод; в области обработки металлов шире внедрять получение деталей из пресс-порошков.

Бумажная промышленность

В бумажной промышленности необходимо в первую очередь внедрять разработки по сокращению на единицу продукции расхода свежей воды, отдавая предпочтение созданию замкнутых и бессточных систем промышленного водоснабжения; максимально использовать экстрагирующие соединения: содержащиеся в древесном сырье для получения целевых продуктов; совершенствовать процессы по отбеливанию целлюлозы с помощью кислорода и озона; улучшать переработку отходов лесозаготовок биотехнологическими методами в целевые продукты; обеспечивать создание мощностей по переработке бумажных отходов, в том числе макулатуры.

1.4. Территориально-производственные комплексы и эколого-промышленные парки

Территориально-производственным комплексом (ТПК) называется такое экономическое (взаимообусловленное) сочетание предприятий в одной промышленной точке или в целом районе, при котором достигается определённый экономический эффект за счёт удачного (планового) подбора предприятий в соответствии с природными и экономическими условиями района, с его транспортным и экономико- географическим положением.

Экономическое развитие ТПК предусматривает создание эффективной структуры производства основных видов продукции, инфраструктуры для обеспечения выпуска этой продукции, охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. При размещении производительных сил необходимо:

- максимально сохранять природные условия на заповедных территориях;

- внедрять малоотходные и безотходные или чистые процессы и производства, потребляющие минимальное количество сырья и материалов;

- экономно использовать имеющиеся земли и, в первую очередь, плодородные;

- перераспределять природные ресурсы и промышленное сырье с целью создания условий для сохранения благоприятной природной среды;

- ограничивать или даже прекращать отдельные производства в некоторых районах (курортных или туристских зонах, заповедниках, зонах интенсивной жилой застройки и др.), а в ряде случаев, наоборот, создавать новые (например, предприятия по производству стройматериалов, на которых можно использовать большинство отходов).

Большое значение в деле охраны окружающей среды имеют разработка и строительство в населенных пунктах и на предприятиях очистных сооружений, переработка промышленных и коммунальных отходов, озеленение, создание санитарно-защитных зон и проведение некоторых других санитарно-гигиенических мероприятий.

Особое внимание следует уделять предприятиям, производящим строительные материалы, поскольку они могут использовать большое количество отходов, что дает возможность не только улучшить экономические показатели предприятий и региона в целом, но и весьма ощутимо уменьшить вредное воздействие промышленности на окружающую среду. Переработка многотоннажных отходов химических металлургических, энергетических и других производств в ценные строительные материалы и изделия позволяет высвободить дефицитные земельные угодья, отводимые под отвалы, весьма существенно уменьшить загрязнение окружающей среды и повысить степень обеспеченности народного хозяйства страны строительными материалами при минимальных издержках производства. Использование отходов способствует повышению рентабельности как предприятий, их производящих, так и предприятий, перерабатывающих отходы, снижению затрат на геологоразведочные работы и экономии природного сырья в целом, т. е. повышению эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.

Особое значение для экономики страны имеет интенсификация развития таких территориально-производственных комплексов РФ, как Курская магнитная аномалия, Оренбургский и Ангаро-Енисейский ТПК, Саянский, Братский, Усть-Илимский и Канско-Ачинский (КАТЭК) топливно-энергетические комплексы и др.

Основой для создания КАТЭК послужили огромные запасы каменного угля, залегающего вблизи поверхности земли и добываемого открытым способом. Благодаря высокой производительности труда и низким удельным капитальным затратам развитие КАТЭК может оказать значительное положительное влияние на общий топливно-энергетический баланс страны. Уголь невыгодно возить на большие расстояния из-за высоких транспортных издержек. Поэтому новые энергоёмкие производства необходимо размешать вблизи мест его добычи, где вводятся в действие мощные тепловые электростанции. Часть энергии этих станций будет передаваться также на европейскую территорию страны.

Сосредоточение ТЭС в районе КАТЭК осложняет экологическую обстановку, так как связано с выбросами в воздушный бассейн больших количеств пыли, диоксида серы и оксидов азота, поэтому должны быть внедрены эффективные системы предотвращения их образования или очистки. На Красноярской ТЭЦ-2 пущена первая установка по энерготехнологической переработке углей, при эксплуатации которой полностью исключаются выбросы в воздушный бассейн.

Эко-промышленный парк (ЭПП) — объединение производителей товаров и услуг, желающих улучшить экономическое и экологическое состояние путём совместного управления природными ресурсами (энергией, водой и материалами) и окружающей средой. Работая вместе, производители надеются получить коллективный эффект больше, чем они имели бы по отдельности.

Цель ЭПП — улучшить экономическое состояние участвующих производителей и уменьшить загрязнение окружающей среды. Данный подход включают планирование (или перепланирование) инфраструктуры парка, предотвращение загрязнения окружающей среды, повышение эффективности использования сырьевых и энергетических ресурсов и партнёрство между производителями товаров и услуг. Через взаимную кооперацию эти предприятия становятся промышленной экосистемой.

Контрольные вопросы

1. Какова динамика использования вторичного сырья в развитых странах?

2. Каковы масштабы негативного воздействия промышленного производства на окружающую среду?

3. Что изучает промышленная экология?

4. Каковы цели и задачи промышленной экологии?

5. Что такое “безотходная технология”?

6. Каковы принципы безотходных технологий?

7. Назовите требования, предъявляемые к безотходному производству?

8. Приведите примеры реализации безотходной технологии в различных отраслях промышленности?

9. Что такое ТПК?

10. Что такое эко-промышленный парк?

Глава 2. Защита атмосферы

2.1 Основные направления работ по снижению загрязнений воздушного бассейна

Среди многочисленных направлений работ по снижению загрязнения воздушного бассейна важнейшими являются следующие:

- внедрение эффективных экономических и моральных методов стимулирования деятельности по охране атмосферы, включая различные поощрения и плату за выбросы и т. д;

- сокращение выбросов от автомобильного транспорта за счет совершенствования двигателей и топливной аппаратуры, внедрение нейтрализаторов выхлопных газов, увеличение доли дизельных и работающих на газообразном топливе двигателей, прекращение выпуска этилированных бензинов, а также лучшей организации дорожного движения;

- внедрение малоотходных и безотходных или чистых технологических процессов и производств, прежде всего в теплоэнергетике, чёрной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов и в других отраслях;

- оптимизация энергетического баланса страны (закрытие мелких и устаревших агрегатов, котельных и других установок, использование альтернативных ископаемым источников энергии и т.д.);

- внедрение экономически оправданных процессов сжигания топлива, а также предварительного обессеривания угля, нефти и газа, глубокой переработки угля и сланцев перед сжиганием (газификация, пиролиз);

- внедрение современных методов пылегазоочистки дымовых и других отходящих газов с высоким КПД и максимальным использованием продуктов очистки. Особое внимание следует уделить комплексной очистке отходящих газов от оксидов серы и азота, выделению и использованию углеводородов, сероводорода, соединений фтора, хлора, тяжелых металлов, обезвреживанию канцерогенных веществ;

- развитие эффективных систем контроля за загрязнением атмосферы, в том числе автоматизированных дистанционных систем.

2.2. Методы очистки и обезвреживания отходящих газов

Для обезвреживания азрозолей (пылей и туманов) используют сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппараты отличаются друг от друга 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 запылённых газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных частиц азрозоля происходит на осадительных электродах.

Выбор метода и аппарата для улавливания аэрозолей в первую очередь зависит от их дисперсного состава (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость эффективности улавливания от фракционного состава твёрдых частиц и аэрозолей в газовом потоке для различных типов оборудования

Тип оборудования	Общая эффективность, %	Эффективность улавливания, %
		<5 мкм	5-10 мкм	10-20 мкм	20-40 мкм	>40 мкм
Пылеосадительная камера	58,6	7,5	22	43	80	90
Цилиндрический циклон	65,3	12	33	57	82	91
Конический циклон	84,2	40	79	92	95	97
Электрофильтр	97,0	72	94,5	97	99,5	100
Форсуночный (полый) скруббер	98,5	90	96	98	100	100
Скруббер Вентури	99,5	99	99,5	100	100	100
Рукавный фильтр	99,7	99,5	100	100	100	100

В процессе выбора оборудования необходимо учитывать степень неравномерности газового потока, так как 10%-ное отклонение от номинальных регламентированных значений является обычной нормой работы предприятий.

На выбор оборудования и материалов для его изготовления влияют химические и физические свойства загрязнителей. Еще одним важным критерием является концентрация загрязнителей в очищаемом газе, поскольку при высоких её значениях (выше 230 г/м³) обычно вводится стадия предварительной очистки. Необходимо принимать во внимание также температуру, давление, влажность газового потока, возможность остановки газоочистного оборудования для текущего ремонта и ряд других факторов.

С развитием техники происходит постоянное изменено отдельных характеристик газоочистного оборудования, поэтому детальное сравнение различных устройств следует проводить по данным соответствующих каталогов. Но общие, основные принципы подбора наиболее широко используемого оборудования неизменны.

Так, циклоны обычно используются в тех случаях, когда пыль крупнодисперсная, её концентрация превышает 2 г/м³ и не требуется высокой эффективности улавливания.

Скрубберы мокрого типа целесообразно использовать, если мелкие частицы должны улавливаться с относительно высокой эффективностью, желательно охлаждение газа, а повышение его влажности не служит препятствием, если газы представляют опасность в пожарном отношении и необходимо улавливать как твёрдые, так и газообразные вещества.

Тканевые фильтры (рукавные) используются в тех случаях, когда необходима очень высокая эффективность улавливания, пыль представляет собой ценный продукт, который необходимо собрать в сухом виде, температура газа всегда выше его точки росы, объёмы относительно невелики (хотя имеются рукавные фильтры  на большую производительность), температура относительно низка (лимитирует термостабильность материала ткани).

Электрофильтры применяют, если для улавливания мелких частиц необходима высокая эффективность, обработке подлежат большие объёмы газа и необходимо утилизировать ценные продукты.

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют методы абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические.

Для физической абсорбции на практике применяют воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии различных веществ. Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в отходящих газах, объёма и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производят на основании результатов технико-экономических расчётов.

Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей. Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами - адсорбентами. Процессы очистки проводят в периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком — невозможность очистки запылённых газов.

Каталитические методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Их проводят в реакторах различной конструкции.

Термические методы (прямого сжигания) применяют для обезвреживания газов от легкоокисляемых токсичных, а также дурнопахнующих примесей. Методы основаны на сжигании горючих примесей в топках печей или факельных горелках. Преимуществом метода является простота аппаратуры, универсальность использования. Недостатки: дополнительны расход топлива при сжигании низкоконцентрированных газов, а также необходимость дополнительной абсорбционной или адсорбционной очистки газов после сжигания.

2.3. Очистка топочных газов от диоксида серы

Уменьшение содержания серы в топочных газах может достигаться разными методами: использованием малосернистых углей, предварительным удалением серы из угля, снижением количества серы, выделяющейся в газовую фазу (при связывании серы, например, в сульфат кальция), удалением серы из топочных газов, предварительной переработкой нефти, сланца в жидкое или газообразное горючее (с удалением серы).

Основными промышленными методами очистки газов от диоксида серы являются абсорбция и добавление сорбентов в зону горения. С помощью этих методов из топочных газов можно удалять более 90 % SO₂. Для абсорбции могут быть использованы вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочноземельных металлов.

Известковый и известняковый методы

Основные химические реакции, протекающие при взаимодействии SO₂ с пульпой гидроксида кальция или известняка, описываются следующими уравнениями:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Ca(HCO₃)₂ + H₂O + SO₂ → CaSO₃∙2H₂O  + 2CO₂

CaSO₃∙2H₂O + 0,5O₂  → CaSO₄∙2H₂O

Образующийся в процессе улавливания SO₂ сулъфит кальция плохо растворим в воде (0,136 г/л) и образует мелкокристаллический осадок СаSO₃∙2H₂O. Под действием кислорода воздуха он частично переходит в сульфат кальция. При абсорбционном выделении SO₂ происходит также очистка газа от частиц летучей золы и других веществ. Поэтому образующаяся пульпа имеет сложный переменный состав и содержит смесь сульфита и сульфата кальция, непрореагировавшего СаСОз или Са(ОН)₂, частиц летучей золы и других веществ. Это в значительной мере затрудняет дальнейшее использование образующегося шлама. В большинстве случаев его сбрасывают в отвал, где он является источником вторичного загрязнения окружающей среды.

Наметились некоторые пути переработки шлама. В США разработан процесс смешивания шлама с золой и спецдобавками. Смесь сушат, образующийся продукт является стабильным и инертным, находит применение в дорожном строительстве. Реакции в процессе сушки смеси аналогичны тем, которые протекают при схватывании цемента.

Разработаны и освоены в промышленности методы очистки дымовых газов от SO₂ с получением строительного гипса. Окисление сульфита кальция и кристаллизация гипса протекают при подкислении, поэтому предусмотрены подача серной кислоты и продувка воздухом.

Значительный интерес представляет активно разрабатываемый в последние годы так называемый мокро-сухой метод очистки дымовых газов от диоксида серы. В этом случае в газовый поток впрыскивается пульпа извести или известняка. Диоксид серы реагирует с Са(ОН)₂ или СаСОз, как было описано выше, вода испаряется, а образовавшиеся твёрдые частицы СаSO₃∙2Н₂O и СаSO₄∙2Н₂O улавливаются вместе с летучей золой в электрофильтрах на стадии пылеочистки. Основными достоинствами метода являются сравнительная простота, возможность внедрения на действующем оборудовании, низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Однако в этом случае, как и в рассмотренных ранее, использование золы и её захоронение сопряжены с серьёзными затруднениями.

Магнезитовый метод

Сущность метода состоит во взаимодействии SO₂ с суспензией Mg(OH)₂ по реакции:

Mg(OH)₂ + SO₂ + 5H₂O → MgSO₃∙6H₂O.

Кристаллический сульфит магния подвергают сушке и обжигу, получая при этом концентрированный поток SO₂ и МgO. Окись магния возвращается в цикл, а SO₂ направляется на переработку (например, на получение серной кислоты по стандартной технологии). Часть сульфита магния под действием кислорода воздуха окисляется до сульфата:

MgSO₃ + 0,5О₂ → MgSO₄.

Разложение сульфита магния проводят при температуре 800-900 ^oC, однако при этих температурах образующийся сульфат магния не разлагается и накапливается. Для его разложения необходимы специальные условия и добавление кокса.

Достоинствами метода являются его цикличность, высокая эффективность (степень очистки 90-92 %), возможность утилизации SO₂. Основной недостаток процесса - большое количество твердофазных стадий, что приводит к сильному абразивному износу аппаратуры и загрязнению среды твердыми частицами. Весьма значительными являются и энергетические расходы на разложение сульфита и сульфата магния.

Аммиачные методы

 В основе этих методов лежит процесс абсорбции SO₂ раствором сульфита аммония:

SO₂ + (NH₄)₂SO₃ + H₂O ↔ 2NH₄HSO₃.

В дальнейшем в результате химических превращений из образующегося гидросульфита аммония выделяют оборотный раствор (NH₄)₂SO₃ и концентрированный поток SO₂. По способу регенерации абсорбционного раствора методы выделения SO₂ из дымовых газов подразделяют на кислотный, циклический и автоклавный.

Аммиачно-кислотные методы заключаются в обработке гидросульфита аммония серной (азотной, фосфорной) кислотой:

2NH₄HSO₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O + 2SO₂

NH₄HSO₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ + H₂O + SO₂

3NH₄HSO₃ + H₃PO₄ → (NH₄)₃PO₄ + 3H₂O + 3SO₂.

В основе аммиачно-циклического метода выделения SO₂ из отходящих газов лежит процесс поглощения SO₂ раствором сульфита аммония:

SO₂ + (NH₄)₂SO₃ + H₂O ↔ 2NH₄HSO₃.

При нагревании полученного раствора бисульфит аммония разлагается с образованием сульфита аммония и диоксида серы. Выделившийся SO₂ после сушки является товарным продуктом, а раствор сульфита аммония возвращается на стадию абсорбции.

Недостатками метода являются большие энергетические затраты, коррозионная активность абсорбционного раствора высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

При аммиачно-автоклавном методе очистка отходящих газов от SO₂ проводится раствором сульфит-бисульфита аммония. По достижении определенной концентрации солей в растворе последний направляется на стадию разложения. В отличие от аммиачно-кислотного метода в этом случае проводится нагревание в автоклаве до 140-150 ^оС, при этом происходит разложение солей аммония с образованием серы:

2NH₄HSO₃ + (NH₄)₂SO₃ + H₂O → 2(NH₄)₂SO₄ + S + H₂O.

Получаемые сульфат аммония и сера являются товарными продуктами.

Недостатком всех аммиачных методов очистки отходящих газов ТЭС и ряда других производств является необходимость глубокого охлаждения газов перед стадией абсорбции.

Общий недостаток всех абсорбционных методов - необходимость дополнительного нагрева очищенных газов перед их выбросом в атмосферу. Это связано с тем, что несмотря высокую эффективность методов (до 98 %), концентрация SO₂ в очищенных газах превышает ПДК. Для её снижения в приземном слое до необходимых норм требуется выброс через высокие трубы, а для создания подъёмной силы и интенсивного рассеивания в атмосфере температура газового потока должна быть не ниже 110-150 ^оС. В ходе абсорбционной очистки температура снижается до 30-50 ^оС, поэтому необходим дополнительный нагрев очищенных газов, на что тратится до 3 % топлива.

Очистка дымовых газов с получением серы

В Финляндии и в ряде других стран разработан регенерационно-циклический способ очистки дымовых газов ТЭЦ от оксидов серы с получением серы. Эффективность очистки превышает 90 %, с увеличением содержания серы в угле экономичность процесса за счет получения серы возрастает.

Топочные газы предварительно очищаются от пыли в электрофильтрах и доочищаются водой, при этом происходит очистка от тяжелых металлов. Далее SO₂ взаимодействует в адсорбере с раствором сульфида натрия:

2SO₂ + Na₂S → Na₂SO₄ + 2S.

Образовавшаяся пульпа (раствор  Na₂SO₄ и S) подкисляется и нагревается в автоклаве до 150-170 ^оС, сера при этом плавится и отделяется, а раствор сульфата натрия взаимодействует далее с оборотным сульфидом бария:

Na₂SO₄ + BaS → BaSO₄ + Na₂S.

Раствор сульфида натрия направляется на начальную стадию процесса на улавливание диоксида серы, а осадок сульфата бария - в печь для восстановления коксом:

BaSO₄ + 2C → BaS + 2СО₂.

2.4. Очистка отходящих газов от оксидов азота

Основными источниками оксидов азота NO, NO₂ и продуктов их взаимодействия (N₂O₄ и N₂O₃) являются газы, образующиеся при сжигании топлива на стационарных установках, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, отходящие газы производства азотной кислоты, газы, образующиеся при получении катализаторов и различных солей, травлении металлов азотной кислотой и в ряде других процессов. Однако основным антропогенным источником выбросов оксидов азота в атмосферу в настоящее время являются процессы сжигания органического топлива на стационарных установках и в двигателях внутреннего сгорания. На их долю приходится более 95% всех выбросов. Одна из основных трудностей улавливания оксидов азота из отходящих газов, как и оксидов серы, связана со сравнительно малой их концентрацией (в основном 0,1-1 г/м³) при огромных объёмах выбрасываемых газов.

Абсорбционные методы

Для абсорбции оксидов азота используют воду, растворы щелочей, селективные сорбенты, кислоты и окислители.

При абсорбции NO₂ водой в газовую фазу выделяется часть оксида азота, скорость его окисления при низких температурах мала:

3NO₂ + H₂O ↔ 2HNO₃ + NO.

Для утилизации оксидов можно использовать разбавленные растворы H₂O₂ с получением азотной кислоты:

NO + H₂O₂ → NO₂ + H₂O;

 3NO₂ + H₂O ↔ 2HNO₃ + NO.

При этом расходуется 6 кг H₂O₂ на 1 т кислоты в сутки.

Хемосорбция NO₂ раствором соды протекает по уравнению:

2NO₂ + Na₂CO₃ → 2NaNO₃ + CO₂.

При абсорбции растворами аммиака образуются соединения с низкой температурой разложения. Например, нитрат аммония NH₄NO₂ при 56 ^оС полностью распадается:

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂O.

 Для очистки газов от NO при отсутствии в газовой фазе кислорода, могут быть использованы растворы FeSO₄, FeCl₂, Na₂S₂O₃, NaHCO₃. При этом для первых двух растворов протекают реакции с образованием комплексов:

FeSO₄ + NO ↔ Fe(NO)SO₄;

FeCl₂ + NO ↔ Fe(NO)Cl₂.

При нагреве до 95-100 ^оС комплекс Fe(NO)SO₄ распадается и NO выделяется в чистом виде, а восстановленный раствор вновь возвращается в производство. Аналогично разлагается комплекс Fe(NO)Cl₂.

Использование растворов Na₂S₂O₃, NaHSO₄, (NH₂)₂CO приводит к дефиксации азота:

2 Na₂S₂O₃ + 6NO → 3N₂ + 2Na₂SO₄ + 2SO₂ ;

2NaHSO₃ + 2NO → N₂ + 2NaHSO₄ ;

2(NH₂ )₂CO + 6NO → 5N₂ + 4H₂O + 2CO₂.

При температуре выше 200 ^оС NO взаимодействует с аммиаком:

4NH₃ + 6NO → 5N₂ + 6H₂O.

Серная кислота используется для поглощения NO₂ и N₂O₃ с образованием нитрозилсерной кислоты:

H₂SO₄ + 2NO₂ ↔ NOHSO₄ + HNO₃ ;

2H₂SO₄ + N₂O₃ ↔ 2NOHSO₄ + H₂O.

При нагревании нитрозилсерной кислоты или при разбавлении её водой происходит выделение оксидов азота:

2NOHSO₄ + H₂O → 2H₂SO₄ + NO + NO₂ .

Взаимодействие оксидов азота с жидкими сорбентами наиболее эффективно при 20-40 ^оС.

Адсорбционные методы

В случае небольших объемов газов нашли применение адсорбционные методы. Хорошим сорбентом оксидов азота служит активированный уголь, но его применение затрудняется из-за легкой окисляемости, что может привести к сильному разогреву и даже к возгоранию угля (при значительных концентрациях оксидов азота). Силикагель по адсорбционным свойствам несколько уступает углю, но он более прочен и не окисляется кислородом, а окисление NO в NO₂ в его присутствии протекает даже быстрее. Однако широкому распространению этих методов препятствует то, что одновременно сорбируются и другие примеси, в результате снижается адсорбционная ёмкость сорбентов и осложняются процесс десорбции и использование ценных компонентов.

Каталитическое восстановление

 Одним из основных, хорошо освоенных промышленных методов очистки отходящих газов от оксидов азота является их восстановление на катализаторе до молекулярного азота. При использовании неселективного катализатора восстановитель расходуется не только на восстановление азота, но и вступает во взаимодействие с кислородом, обычно содержащимся в газовом потоке. В качестве восстановителя применяются водород, природный газ, оксид углерода и др. Катализаторами обычно служат элементы платиновой группы. Температура процесса колеблется от 400 до 800 ^оС.

Наиболее широкое распространение получило селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком:

6NO + 4NH₃ → 5N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O.

В нашей стране для этих целей разработан специальный алюмо-ванадиевый катализатор (АВК-10). Процесс восстановления протекает при 200-360 ^оС, степень очистки составляет 96-98,5 %. Основным недостатком метода является необходимость точного дозирования аммиака, что при переменном составе отходящих газов (меняется концентрация оксидов азота) практически невозможно. При недостатке аммиака происходит проскок оксидов азота, а при избытке - проскок аммиака, и отходящие газы загрязняются токсичными соединениями. Со временем катализатор отравляется, что также сопряжено со значительными затруднениями.

Карбамидный метод

В Российском химико-технологическом университете (РХТУ) им. Д.И. Менделеева разработан карбамидный метод, позволяющий очищать дымовые газы от оксидов азота на 95% и практически полностью удалять оксиды серы из них. Процесс не требует предварительной подготовки газов, в результате обработки образуются нетоксичные продукты – N₂, CO₂, H₂O и (NH₂)₂SO₄. Величина рН адсорбционного раствора колеблется в пределах 5-9, поэтому коррозии аппаратуры не наблюдается. Эффективность метода практически не зависит от колебаний входных концентраций оксидов азота и серы.

В общем виде процесс описывается следующими уравнениями:

NO + NO₂ + (NH₂)₂CO → 2H₂O + CO₂ + 2N₂ ;

SO₂ + (NH₂ )₂CO + H₂O + 0,5O₂ → (NH₂)₂SO₄ + CO₂.

2.5. Очистка отходящих газов от оксида углерода и углеводородов

Основным методом очистки от углеводородов и оксида углерода в промышленности являются сжигание пламени, а также термическое и каталитическое окисление. Наиболее известным примером сжигания является применяемое в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности сжигание в факеле, т.е. в открытой горелке, направленной вверх. К недостаткам процесса, помимо потерь углеводородов при горении следует отнести образование оксидов азота, а следовательно, вторичное загряз атмосферы.

В условиях термического и каталитического окисления обезвреживание углеводородов и оксида углерода протекает при более низких температурах и образования значительных количеств оксидов азота не происходит.

К общим недостаткам процессов обезвреживания выбросов путём сжигания относится необходимость организации дополнительной очистки газов при наличии в органических соединениях, кроме углерода и водорода, окисляемых до диоксида углерода и воды, фтора, хлора, серы и т.д. В этом случае в продуктах сгорания могут оказаться соединения более токсичные, чем первоначальные, например фосген, бифинилы и бифураны (при сжигании полициклических углеводородов) и др.

Для очистки газов от СО используют абсорбцию или промывку газа жидким азотом, вводно-аммиачными растворами закисных солей ацетата, формиата или карбоната меди.

Для каталитического окисления СО используют марганцевые, медно-хромовые катализаторы и металлы платиновой группы (палладий, рутений, платина, родий).

2.6. Рециркуляция газов

Существующие системы локальной очистки промышленных газовых выбросов часто не обеспечивают снижения концентрации загрязнителей до ПДК и требуется рассеивание газов через высокие трубы. В этом случае представляется целесообразным организация замкнутых газооборотных систем, использующих технологические и вентиляционные газы в замкнутом цикле. В настоящее время в нашей стране уже имеется промышленный опыт таких систем. Так, например, в НПО «Тулачермет» еще в 1978 г. проводилась проверка системы рециркуляции колошникового газа, в которой была предусмотрена его очистка от диоксида углерода. На Алчевском металлургическом комбинате были проведены эксперименты по спеканию шихты магнезитового концентрата с применением рециркуляции агломерационных газов. Рециркуляция осуществлялась путем отбора отходящих газов из двух последних вакуум-камер и подачи их специальным дымососом по трубопроводу в теплоизолированный колпак, расположенный непосредственно за зажигательным горном. При прохождении через зону охлаждения спёка оксид углерода (СО), содержащийся в рециркулируемом газе, горит до СО₂. При степени рециркуляции r = 30 % оксид углерода (СО) полностью догорает до СО₂ на поверхности двухвалентного железа, а окислы азота в атмосфере СО восстанавливаются до нейтрального азота по реакции

NO + CO = 0,5N₂ + CO₂.

Рециркуляция газов способствует снижению вредных выбросов пыли на 20%,  SO₂ - до 0,8 %. Поскольку при рециркуляции осуществляется дополнительный обогрев спекаемого слоя, то возможно также увеличение степени обессеривания шихты без добавляя в неё топлива.

Заслуживает внимания используемый в промышленном масштабе способ организации замкнутого газооборотного цикла в корпусах обогащения асбестовых горнообогатительньих комбинатов. Вентиляционный воздух, собранный в различных точках цехов, проходит глубокую очистку от асбестовой пыли, в случае необходимости разбавляется атмосферным воздухом, а затем с помощью нагнетательных вентиляторов вновь подается в помещения цехов.

Разработана схема организации рециркуляции технологических газов и для производства фосфорных удобрений, в частности, при получении экстракционной фосфорной кислоты дигидратным методом, в производствах гранулированного двойного и простого сулерфосфата, а также сложных удобрений.

Вероятно, в будущем газооборотные циклы будут играть такую же решающую роль в защите воздушного и водного бассейнов от промышленных выбросов, какую играют сейчас водооборотные циклы в деле защиты водных бассейнов.

Контрольные вопросы

1. Какие меры нужно применять для снижения загрязнения воздушного бассейна?

2. По каким принципам нужно подбирать пылеулавливающее оборудование?

3. Какие методы применяют для обезвреживания отходящих газов от токсичных веществ?

4. Назовите методы очистки топочных газов от диоксида серы.

5. В чём сущность регенерационно-циклического способа очистки дымовых газов ТЭЦ от оксидов серы с получением серы?

6. Назовите техногенные источники образования оксидов азота.

7. Какие существуют методы обезвреживания отходящих газов от оксидов азота?

8. Назовите недостатки процессов обезвреживания газовых выбросов, содержащих монооксид углерода и углеводороды, путём сжигания.

9. Приведите примеры организации замкнутых газооборотных циклов.

Глава 3. Защита гидросферы

3.1. Оборотное водоснабжение

Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды - это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Схемы оборотного водоснабжения показаны на рис. 1. При оборотном водоснабжении следует предусмотреть необходимую очистку сточной воды, охлаждение оборотной воды, обработку и повторное использование сточной воды.

Рис. 1. Схемы оборотного водоснабжения: а - с охлаждением воды; б - с очисткой воды; в - с очисткой и охлаждением воды; П - производство; НС - насосная станция; ОХ - охлаждение воды; ОС - очистка сточной воды

В схеме (а) вода является теплоносителем и в процессе использования не загрязняется, а нагревается; перед повторным использованием её охлаждают в градирнях, прудах. В схеме (б) воду перед повторным использованием очищают изложенными ниже методами. В схеме (в) воду очищают и охлаждают. Во всех случаях свежая вода добавляется лишь на восполнение потерь.

Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление природной воды. Например, для выработки 1 т каучука при прямоточном водоснабжении в старых производствах требуется 2100 м³ свежей воды, а при оборотном водоснабжении - лишь 165 м³. При оборотном водоснабжении значительно уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты. Во всех отраслях промышленности доля оборотной воды непрерывно возрастает. Так, в химической промышленности она возросла до 82,5%.

Оборотная вода должна соответствовать определенным значениям показателей: карбонатной жесткости, рН, содержанию взвешенных веществ и биогенных элементов, значению ХПК (химическая потребность в кислороде), определяющих термостабильность и интенсивность биообрастаний в оборотной системе и др.

Оборотную воду в основном используют в теплообменной аппаратуре для отведения избыточного тепла. Она многократно нагревается до 40-45 °С и охлаждается в вентилируемых градирнях или брызгальных бассейнах. Значительная часть её теряется в результате брызгоуноса и испарения. Кроме того, из-за неисправностей и неплотностей теплообменной аппаратуры она загрязняется до определённого предела.

Для предотвращения коррозии, биологического обрастания часть оборотной воды выводят из системы (продувочная вода), добавляя свежую воду из источника или очищенные сточные воды.

При движении воды на поверхностях труб и теплообменников откладывается карбонат кальция по реакции:

Ca⁺² + 2HCO₃^- ↔ CaCO₃ + CO₂ + H₂O.

Растворимость карбоната кальция с ростом температуры уменьшается. Скорость отложения карбоната кальция и других солей не должна превышать 0,25 г/(м²∙ч). Основным требованием к воде, расходуемой на подпитку оборотных систем, является ограничение карбонатной и сульфатной жесткости. Ограничивается также содержание взвешенных веществ, которые тоже отлагаются на отдельных участках трубопроводов и теплообменной аппаратуры.

При содержании в воде растворимых солей щелочных металлов и магния происходит коррозия материалов теплообменных систем, которая растёт с температурой. В отсутствии ингибиторов содержание солей в оборотной воде не должно превышать 2 кг/м³.

Для предотвращения биологического обрастания аппаратов и сооружений в оборотной воде должно быть ограничено содержание органических веществ и соединений биогенных элементов (азота, фосфора), являющихся питательной средой для микроорганизмов. Скорость биологических обрастаний теплообменников не должна превышать 0,07 г/(м²∙ч), рост толщины слоя не должен быть выше 0,05 мм в месяц.

Необходимое количество воды для подпитки определяется из материального баланса оборотной системы:

Q_ун + Q_сб + Q_ф + Q_пр.п + Q_исп = Q_п ,

где Q_ун – количество воды, уносимой в виде капель ветром на градирнях; Q_сб – количество оборотной воды, сбрасываемой для “продувки”; Q_ф – потери воды с осадками при фильтровании; Q_пр.п – производственные потери воды; Q_исп – количество воды, испаряющейся на градирне; Q_п – расход подпитывающей воды на компенсацию всех потерь оборотной воды в системе.

Средние потери воды от испарения составляют около 2,5 %; от капельного уноса на градирнях – 0,3-0,5 %; продувочный сброс принимается 6-10 %, в среднем 8 %; сумма всех остальных потерь принимается 1% от объёма оборотной воды.

3.2. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий

Основным направлением уменьшения сброса сточных вод и загрязнения ими водоёмов является создание замкнутых систем водного хозяйства.

Под замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия понимается система, в которой вода используется в производстве многократно без очистки или после соответствующей обработки, исключающей образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоем.

Под замкнутой системой водного хозяйства территориально-промышленного комплекса, района или центра понимается система, включающая использование поверхностных вод, очищенных промышленных и городских сточных вод на промышленных предприятиях, на земледельческих полях для орошения при выращивании сельскохозяйственных культур, для полива лесных угодий, для поддержания объёма (уровня) воды водоёмов, исключающих образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоём.

Подпитка замкнутых систем свежей водой допускается в случае, если недостаточно очищенных сточных вод для восполнения потерь воды в этих системах, допускается также расход ее в технологических операциях, в которых очищенные сточные воды не могут быть использованы по условиям технологии или гигиены. Свежая вода расходуется только для питьевых и хозяйственно-бытовых целей.

Необходимость создания замкнутой системы производственного водоснабжения обусловлена: дефицитом воды; исчерпанием разбавляющей и самоочищающей способности водного объекта, принимающего сточные воды; экономическими преимуществами перед очисткой сточных вод до требований, предъявляемых водоохранным контролем.

Замкнутая система должна обеспечить рациональное использование воды во всех технологических процессах, максимальную рекуперацию компонентов сточных вод, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат, исключение загрязнения окружающей среды. Замкнутые системы водного хозяйства следует вводить на вновь строящихся предприятиях и на действующих, подлежащих реконструкции.

3.3. Методы очистки сточных вод

Для создания замкнутых систем водоснабжения промышленные сточные воды подвергаются очистке механическими, физико-химическими, биологическими, химическими и термическими методами до необходимого качества, зависящего от вида производства.

Очистка от суспендированных и эмульгированных примесей включает:     1) методы очистки от грубодисперсных примесей (отстаивание, процеживание и фильтрация, флотация, осветление во взвешенном осадке, центробежное фильтрование и отстаивание); 2) методы очистки от мелкодисперсных примесей (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, электрофлотация);  3) методы устранения и уничтожения нерастворённых и растворённых примесей (устранение, закачка в скважины, захоронение, закачка в глубины морей, термическое уничтожение).

Очистка от растворённых примесей включает: пункт 3); 4) методы очистки от минеральных примесей (дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ, замораживание, реагентные); 5) методы очистки от органических примесей (регенеративные: экстракция, ректификация, адсорбция, обратный осмос и ультрофильтрация; деструктивные: биохимические, жидкофазного окисления, парофазного окисления, радиационного окисления, электрохимического окисления); 6) методы очистки от газов (отдувка, нагрев, реагентные методы).

Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. В деструктивных методах вещества, загрязняющие воду, подвергаются разрушению путём окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Выбор метода очистки и подбор оборудования производятся с учётом:      1) санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учётом дальнейшего их использования; 2) количества сточных вод; 3) наличия у предприятия необходимых для процесса обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты, сорбенты), а также необходимой площади для сооружения очистных установок; 4) эффективности процесса обезвреживания.

Эффективность обезвреживания сточной воды для всех методов определяется по соотношению:

,

где С_Н и С_К – концентрация загрязнения в сточной воде до и после очистки, кг/м³.

Если очистка сточных вод от загрязнения производится последовательно несколькими методами, то суммарная степень очистки равна:

,

где , , - степень очистки сточных вод первым, вторым и n методами.

3.4. Обработка осадков сточных вод

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, объём которых составляет от 0,5 до 1 % объёма сточных вод для станций совместной очистки бытовых и производственных сточных вод и от 10 до 30 % для локальных очистных сооружений. Условно осадки можно разделить на три основные категории – минеральные осадки, органические осадки и избыточные активные илы. Основные задачи современной технологии состоят в уменьшении их объёма и в последующем превращении в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей среды.

В осадках содержаться соединения кремния, алюминия, железа, оксидов кальция, магния, калия, натрия, никеля, хрома и др. Химический состав осадков оказывает большое влияние на их водоотдачу. Соединения железа, алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щёлочи и некоторые другие вещества, содержащиеся в производственных сточных водах, способствуют интенсификации процесса обезвоживания осадков и снижают расход химических реагентов на их коагуляцию перед обезвоживанием. Масла, жиры, азотные соединения, волокнистые вещества, наоборот, являются неблагоприятными компонентами. Окружая частицы осадка, они нарушают процессы уплотнения и коагуляции, а также увеличивают содержание органических веществ в осадке, что сказывается на ухудшении его водоотдачи.

Для обработки и обезвреживания осадков используются различные технологические процессы: уплотнение, стабилизация, кондиционирование, обезвоживание, термическая обработка, утилизация ценных продуктов, ликвидация.

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги. При уплотнении в среднем удаляется 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза.

Для уплотнения активного ила, который имеет влажность 99,2 – 99,5 % используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Стабилизация осадков проводится для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на двуокись углерода, метан и воду. Стабилизацию осуществляют при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях она проводится в метантенках, а в аэробных – в сооружениях с продолжительной аэрацией.

Кондиционирование осадков – это процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией путём снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структур и форм связи воды.

Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами. При реагентной обработке осадки обрабатывают 10 % раствором коагулянтов (FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃, Al₂(SO₄)₃ и др.). Вместо коагулянтов можно использовать и флокулянты. К безреагентным методам обработки относятся: тепловая обработка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение. В отечественной практике тепловая обработка осадка находится в стадии освоения и внедрения.

Сущность метода тепловой обработки состоит в нагревании осадков до температуры 150-200 ^оС и выдерживании при этой температуре в закрытой ёмкости в течение 0,5-2 ч. В результате такой обработки происходит резкое изменение структуры осадка, около 40 % сухого вещества переходит в раствор, а оставшаяся часть приобретает водоотдающие свойства. Осадок после тепловой обработки быстро уплотняется до влажности 92-94 %, а его объём составляет 20-30 % исходного.

Уплотнённый осадок легко обезвоживается на иловых площадках или вакуум-фильтрах, пресс-фильтрах, виброфильтрах и центрифугах. Отделённая на стадии уплотнения вода, вследствие распада органического вещества осадка, содержит большое количество растворённых веществ с химической потребностью кислорода (ХПК) около 10 кг на 1 м³. Эта вода обычно возвращается на аэрационные очистные сооружения, что вызывает необходимость увеличения их мощности на 10-15 %.

Существуют различные схемы процессов тепловой обработки (тепловая обработка с догревом осадка острым паром, схема с догревом осадка промежуточным теплоносителем и т.д.). Принципиальная схема тепловой обработки по методу Портеуса представлена на рис. 2.

Осадок из резервуара-накопителя под давлением подают в теплообменник, где он нагревается осадком, прошедшим тепловую обработку в реакторе. После охлаждения в теплообменнике и снижения давления осадок поступает в илоуплотнитель, а затем на обезвоживание. Нагревание осадка производят “острым” паром. Удельный расход пара составляет 120-140 кг на 1 м³ осадка. Уплотняют осадок в радиальных уплотнителях в течение 2-4 ч. Влажность уплотнённых осадков 93-94 %. Обезвоживание производят на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах.

Рис. 2. Технологическая схема тепловой обработки по методу Портеуса

1 – резервуар-накопитель; 2, 7 – насосы; 3 – теплообменник; 4 – реактор; 5 - устройство для снижения давления; 6 – уплотнитель; 8, 9 – обезвоживающие аппараты

Достоинства метода: осуществление в реакторе кондиционирования, стерилизации; компактность установки. Недостаток – сложность эксплуатации установки.

Сущность метода жидкофазного окисления осадка (метод Циммермана) заключается в окислении органический части осадка кислородом воздуха при высокой температуре и высоком давлении. Схема установки жидкофазного окисления приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки жидкофазного окисления осадка: 1 – резервуар; 2 – насос; 3, 4 – теплообменники; 5 – реактор; 6 – сепаратор; 7 – компрессор.

В приёмном резервуаре смесь сырого осадка и активного ила нагревают до температуры 45-50 ^оС. Затем осадок через теплообменник поступает в реактор. В реакторе при 300 ^оС в течение 0,5-0,7 ч происходит интенсивное окисление органического вещества осадка кислородом воздуха. Из реактора смесь продуктов окисления, воздуха и золы направляют через теплообменник в сепаратор. В сепараторе происходит отделение от жидкой фазы осадка газов, которые выбрасываются в атмосферу или используются в турбогенераторе для приведения в действие компрессора, подающего воздух в систему. Охлаждённый осадок, поступая в уплотнитель, отстаивается в течение 4 ч. Сливная вода (ХПК 5-6 кг/ м³) сбрасывается в аэротенки, а уплотнённый осадок влажностью 95 % подаётся на иловые площадки или механическое обезвоживание. Производительность вакуум-фильтров по осадку составляет 40-50 кг/м²∙ч. Влажность обезвоженного осадка – около 60 %. Дополнительного тепла на нагрев осадка в процессе работы установки не требуется. Установка разогревается паром лишь в период запуска.

3.5. Утилизация осадков сточных вод и активного ила

Утилизация осадков сточных вод и избыточного активного ила часто связана с использованием их в качестве удобрения, что обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов. Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом. В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке, гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективными способами обезвреживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, являются обработка негашеной известью, аммиачной водой, тиазоном, термическая сушка. Перспективные технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Наряду с достоинствами, получаемого на основе осадков сточных вод и активного ила удобрения, следует учитывать и возможные отрицательные последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений веществ, в частности ядов, химикатов, солей тяжёлых металлов. Кроме того, осадки содержат яйца гельминтов и другую патогенную фауну, имеют неприятный специфический запах. В процессе хранения на иловых картах, и особенно при компостировании с опилками, корой, торфом санитарное состояние ила улучшается, а тяжёлые металлы переходят в связанное состояние, малодоступное для поступления в растения. Поэтому грамотное применение в сельском хозяйстве в условиях дефицита минеральных и органических удобрений, истощения и загрязнения почв является не только экологически приемлемым методом утилизации ила, но и экономически выгодным, позволяющим улучшать структуру почв и получать дополнительные урожаи.

Исследования химического состава отработанного активного ила ОАО «Омск Водоканал» были проведены преподавателями кафедры физической химии ОмГТУ (Федяевой О.А, Решетниковой Е.В., Чачиной С.Б.) и студентами (Гончаровой Е.В., Желтиковой Е.В.). Результаты  эмиссионного спектрального анализа и химического анализа представленные в табл. 2 показали, что содержание тяжёлых металлов (Сu, Zn, Mn, Ni, Cr, Pb, Cd) в отработанном активном иле не превышает норм ПДК, а наличие в нём биогенных элементов указывает на его высокую агрохимическую ценность. Даны рекомендации по использованию активного ила в качестве удобрения после соответствующей термической обработки в анаэробных условиях, для проведения рекультивации карьеров, проведения почвовосстановительных и почвоулучшающих работ.

Таблица 2

Химический состав отработанного активного ила

Содержание металлов, мг/кг	Cu	Zn	Mn	Ni	Cr	Pb	Cd
По ГОСТ 17.4.3.07-2001	750	1750	1000	200	500	56	15
В активном иле	76	218	794	29	38	39	5
В водной вытяжке, мг/л	PO4-3	NO2-	NO3-	Азот аммонийный	рН	Кислотность	Органическое вещество, %	Нефтепродукты
	0,7	0,71	0,08	3,1	5,9	1,4	50	0,338

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ. По санитарным соображениям в ФРГ допускается использование в качестве удобрения только незагнивающих, стабилизированных осадков сточных вод, термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация осадков заключается в их нагревании до 65 -70 ^оС в течение 20-30 мин, что приводит к уничтожению в них яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Более высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80-90 ^оС с последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших объёмов осадков сточных вод, содержащих соли тяжёлых металлов целесообразно сжигание осадков.

В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. тонн активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. тонн угля (1 баррель – 159 л). Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные с использованием его в качестве флокулянта для сгущения суспензий, получения стройматериалов и т.д.

Проведённые токсикологические исследования показали возможность переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве. Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет несколько миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения активного ила.

Считая на сухое вещество, активный ил содержит 37-52 % белков, 20-35 % аминокислот, а также витамины группы В. Он может быть использован для кормления животных, рыб и птиц. Разработаны различные технологические схемы получения белково-витаминного кормового продукта (белвитамина), производства смеси кормовых дрожжей с илом и получения технологического витамина В₁₂.

Получение технологического витамина В₁₂

Витамин В₁₂ имеет формулу С₆₃Н₈₈О₁₄РСо. Его молекулярная масса 1357. Ранее его извлекали из печёночных экстрактов, сейчас в основном из культуральной жидкости антибиотиков. Получение витамина В₁₂ состоит из нескольких стадий. Активный ил уплотняют до влажности 95-96 %, затем подкисляют серной кислотой до pH = 3 и направляют в реактор, где подогревают паром до 110 ^оС. После охлаждения из ила в центрифуге отделяют твёрдые частицы, которые сушат, дробят и затем используют как удобрения, а фильтрат направляют в коагулятор, где обрабатывают щёлочью до pH = 5. В коагуляторах массу отстаивают 1-6 ч, затем осадок отделяют на центрифуге и перерабатывают в удобрение, а фильтрат выпаривают, обрабатывают щёлочью, сушат и дробят. Готовый продукт расфасовывают.

Получение смеси кормовых дрожжей с активным илом

Смесь готовят смешением сухих компонентов дрожжей и ила в соотношении 10:1. При этом обеспечивается необходимое количество в смеси витамина В₁₂. Кормовая смесь может быть приготовлена смешением сгущённых компонентов дрожжей с илом.

Получение белка

Для получения белка экстракционным способом сгущённый активный ил обрабатывают соляной кислотой так, чтобы концентрация её после перемешивания равнялась 0,1 н.

В таких условиях смесь выдерживают 24 ч при периодическом перемешивании. После отделения воды ил обрабатывают 0,1 н раствором NaOH и выдерживают сутки. После этого щелочную жидкую фракцию, отделённую от ила, нагревают до 80-90 ^оС, затем охлаждают до 25 ^оС и осаждают белок, добавляя 10%-ную соляную кислоту до pH = 4,6-4,7. Белок высушивают и расфасовывают.

Получение активного угля

Высушенный активный ил подкисляют и смешивают с формальдегидом. Долее проводят карбонизацию, т.е. пиролиз в печах без доступа воздуха при 700-800 ^оС. Для получения гранулированного угля порошкообразный материал после карбонизации смешивают со связующим, формуют гранулы, а затем активируют.

Адсорбент можно получать без введения реагентов. Ил, обезвоженный на центрифуге, сушат в течение 16 ч при 105 ^оС, затем карбонируют 4 ч при 700 ^оС в инертной среде. Активацию угля проводят водяным паром при 800 ^оС до обгара 30 %. Полученный уголь имеет суммарную поверхность пор 200 м²/г и объём пор 0,31 см³/г. Сорбционная ёмкость достигает 150 мг ХПК/г. Уголь обладает недостаточной прочностью.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия и ТПК?

2. Какие существуют схемы оборотного водоснабжения предприятий?

3. Какие требования предъявляются к воде, расходуемой на подпитку оборотных систем.

4. Напишите уравнение материального баланса оборотной системы водоснабжения.

5. Назовите методы очистки воды от грубодисперсных примесей.

6. Назовите методы очистки воды от мелкодисперсных примесей.

7. Назовите методы устранения и уничтожения нерастворённых и растворённых примесей.

8. Назовите методы очистки воды от растворённых примесей.

9. Назовите методы очистки воды от органических примесей.

10. Назовите методы очистки воды от растворённых газов.

11. Какие операции предусматривают рекуперационные методы очистки сточных вод?

12. В чём сущность деструктивных методов очистки сточных вод?

13. Какие технологические процессы используют для обработки и обезвреживания осадков сточных вод?

14. Как можно утилизировать осадки сточных вод и активный ил?

Глава 4. Защита литосферы

4.1. Классификация твёрдых отходов

В нашей стране, как и во всём мире, образуется огромное количество твёрдых отходов (десятки миллиардов тонн). Отвалы, свалки и полигоны для твёрдых отходов занимают около 1 млн. га земли. Твёрдые отходы содержат много ценных веществ, которые зачастую легче добыть из отходов, чем из первичного сырья. Кроме того, при сжигании мусора отходы засоряют атмосферу, поверхностную и подземную воду и, конечно, почву.

В соответствии с принятой в нашей стране классификацией (ГОСТ 25916— 83) твердые отходы подразделяются на отходы производства и отходы потребления.

Основными отходами производства являются:

отходы черных и цветных металлов;

отходы добычи и обогащения полезных ископаемых; зола, шлаки и углесодержащие отходы;

отходы, содержащие пластмассы и полимеры;

отходы, содержащие хлопчатобумажные, шерстяные, шелковые и синтетические волокна;

отходы, содержащие резину; отходы, содержащие асбест;

отходы стекла и строительных материалов;

отходы, возникающие при переработке древесины; отходы кожи и меха;

отходы пищевых производств;

отходы сельскохозяйственного производства. К основным отходам потребления относятся:

изношенные текстильные материалы;

макулатура (отходы бумаги и картона, в том числе тара); бой стекла;

изношенные резино- и асбестосодержащие изделия; изношенные изделия из пластмасс (в том числе тара); изношенные изделия из кожи;

вышедшие из употребления изделия из древесины;

металлические амортизированные изделия (в том числе тара); отходы жилищно-коммунальные (в том числе пищевые);

твердые продукты, улавливаемые на очистных сооружениях и установках.

В зависимости от объёма отходы делятся на крупнотоннажные и малотоннажные. Например, ил после использования в аппаратах биологической очистки воды на нефтеперерабатывающем заводе является крупнотоннажным отходом.

Отходы могут быть дорогостоящими и дешевыми, в частности отходы после регенерации катализатора являются дорогостоящими, а шлак после металлургической печи — дешевым. По влиянию на окружающую среду различают вредные и безвредные отходы.

Помимо промышленных отходов в жилых массивах образуется много твердых бытовых отходов (ТБО). Так, на одного человека их приходится до 300 кг в год. Проблема ТБО особенно актуальна в больших городах. В состав ТБО: бумага и картон - 28,8 %; металлы - 5,7 %; пищевые отходы - 28,5 %; пластмасса - 5,1 %; текстиль - 3,1 %; стекло - 4,4 %; горючие материалы - 1,8 %; инертные материалы - 3,4 %; отсев (мелкие частицы менее 15 мм) - 19,2%.

Основными поставщиками твердых отходов (кроме ТБО) являются: энергетика (зола и шлаки, образующиеся при сжигании твердого топлива); черная и цветная металлургия (шлаки, формовочная земля, коксовые остатки); угледобывающая промышленность (отвалы); деревообрабатывающая отрасль хозяйства (опилки, стружки); химическая промышленность (химические вещества в широком ассортименте, в том числе фосфогипс и др.).

По физико-химическим свойствам состав твердых отходов весьма разнообразен: от очень активных, токсических (соединения мышьяка, фтора, фосфора, ртути) до инертных (мел, гипс, глинозем) веществ.

Отрицательное влияние твердых отходов на окружающую среду весьма значительно. В населенных пунктах твердые отходы накапливаются на санкционированных (убираемых) свалках, которые состоят на учёте санитарно-эпидемиологических служб и закреплены за конкретными предприятиями, организациями и службами. Гораздо более опасными являются несанкционированные (бесконтрольные) свалки, которые, несмотря на штрафные санкции, тем не менее повсеместно возникают. Именно поэтому специалисты-экологи должны уделять им особое внимание.

4.2. Использование и переработка крупнотоннажных промышленных отходов

Количество накопленных и ежегодно образующихся крупнотоннажных промышленных отходов исчисляется миллиардами тонн. Поэтому проблема их использования и переработки является чрезвычайно важной.

Крупнотоннажные промышленные отходы используются в настоящее время для рекультивации нарушенных земель, планировки территорий, отсыпки дорог, дамб, в производстве строительных материалов, в сельском хозяйстве, а также в качестве технологического и бытового топлива.

Кроме того, почти для всех видов отходов разрабатываются новые технологии переработки в целях получения того или иного вида продукции.

Применение крупнотоннажных отходов для рекультивации земель

Ежегодно в нашей стране образуется около 3 млрд тонн вскрышных пород - отходов угледобывающей промышленности и добычи руд для чёрной и цветной металлургии. В настоящее время использование этих отходов незначительно - около 10 % от их объёма. Однако в дальнейшем этот показатель будет значительно увеличиваться, так как использование вскрышных пород очень выгодно: эксплуатационные затраты на получение 1 м³ щебня из отходов в 2- 2,5 раза ниже, чем на добычу его из карьеров. Рекультивация нарушенных земель является обязанностью горнодобывающих предприятий и закреплена за ними законодательно.

Применение отходов в производстве строительных материалов

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, это единственная отрасль, которая уже сейчас способна использовать целый ряд многотоннажных отходов и побочных продуктов других отраслей (химической, производства минеральных удобрений, чёрной и цветной металлургии, гальванического производства и др.). Многие виды промышленных отходов по своим свойствам и химическому составу близки к природному сырью, используемому в данной отрасли, и могут служить его полноценной и недорогой заменой. Примером может служить использование отходов энергетики - золы и шлаков ТЭЦ.

Зола и шлаки ТЭЦ представляют собой источник сырьевых ресурсов для производства строительных материалов. Они содержат 53 % SiO₂, 24 % Аl₂O₃, 10 % Fe₂O₃ и FеО, 2 % СаО, 1 % МgО, 4% оксидов щелочных металлов и 6 % несгоревшего топлива.

Зола представляет собой тонкодисперсный материал, который без предварительного помола можно использовать в качестве добавки к цементу, газобетону, керамзитобетону, силикатному кирпичу, а также при производстве глиняною кирпича. Кусковой шлак используется в качестве заполнителя бетона в дорожном строительстве. Золошлаковые смеси могут применяться и как вяжущие вещества.

При использовании отходов энергетики для производства строительных материалов возникает ряд технических, экономических и организационных проблем. В первую очередь целесообразно принимать отходы углеобогащения, золу и шлаки ТЭЦ, доменные шлаки черной металлургии, бой керамического кирпича.

Отходы угледобывающей, лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также сельского хозяйства применяются в качестве топлива в промышленности и в быту. Например, представляют интерес горячие отходы деревообрабатывающей промышленности, а также биогаз, получаемый при захоронении мусора.

Применение отходов в сельском хозяйстве

Некоторые крупнотоннажные отходы (фосфогипс, пиритные огарки, отходы производства калийных удобрений) используются в сельском хозяйстве. Например, фосфогипс (отход производства фосфорной кислоты из фосфатного сырья) применяется для мелиорации солонцовых почв, а также как удобрение, содержащее многие ценные элементы (Ca, S, Р, Fe, Аl, Мg, органические вещества); пиритный огарок (отход процесса обжига колчедана) используется в качестве медьсодержащего удобрения; глинистые шламы и пыль, образующиеся при производстве хлорида калия, применяются как удобрения, содержащее калий и различные микроэлементы.

Использование отходов в сельском хозяйстве имеет свои сложности, поскольку наряду с полезными элементами они содержат и вредные примеси. Так, в фосфогипс переходит некоторое количество фтора из исходного апатита. В пиритных огарках в зависимости от состава исходного сырья могут присутствовать тяжелые металлы, мышьяк, селен.

4.3. Обезвреживание и захоронение токсичных отходов

Обезвреживание и захоронение токсичных промышленных отходов является экологической необходимостью. Это сложное дело, требующее больших капитальных и эксплуатационных затрат. В развитых странах количество токсичных отходов на одного человека в год составляет 70 кг, а стоимость обезвреживания одной тонны 500 долл. США. Обезвреживание и захоронение производятся на специальных полигонах, которые предусматриваются при разработке планов и проектов территорий, расположенных вблизи крупных городов.

Строительство полигонов должно производиться на основе долевого участия предприятий и организаций, где имеются отходы. Размеры долевого участия определяются пропорционально затратам на уничтожение и захоронение отходов.

Заказчиком полигона является предприятие, отходы которого требуют наибольших затрат на обезвреживание и захоронение. Построенные полигоны передаются для эксплуатации соответствующим коммунальным хозяйствам. К сожалению, проценты использования отходов, особенно их полного обезвреживания, в настоящее время крайне низки.

Строительство и эксплуатация полигонов осуществляются в соответствии с «Санитарными правилами проектирования, строительства и эксплуатации полигонов захоронения неутилизируемых отходов» и Санитарными нормами и правилами (СНиП 1.02.28-85) «Основные положения по составу проекта полигона по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов».

Полигоны для обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов являются природоохранными сооружениями. Они предназначены для регулярного централизованного сбора, удаления, обезвреживания и захоронения неиспользуемых токсичных отходов и некондиционных продуктов (веществ) промышленных предприятий и научно-исследовательских организаций и учреждений, расположенных в одной или нескольких промышленных зонах.

В состав полигона должны входить три основные группы объектов.

1. Завод (или ряд установок) по обезвреживанию токсичных промышленных отходов, предназначенных для сжигания или физико-химической переработки отходов с целью их полного обезвреживания или снижения токсичности (класса опасности), перевода в нерастворимые формы, обезвоживания или сокращения объёма отходов, подлежащих захоронению.

2. Участок для захоронения отходов, представляющий собой специально выбранную и подготовленную территорию, на которой располагаются оборудованные котлованы, где складируются группы токсичных твердых отходов.

3. Гараж специализированного парка автомашин, предназначенных для транспортировки токсичных отходов.

Полигон должен размещаться в обособленных, свободных от застройки, хорошо проветриваемых местах таким образом, чтобы можно было легко осуществить мероприятия, исключающие загрязнение окружающей среды населенных пунктов, зон массового отдыха людей и источников питьевого водоснабжения (открытых водоемов, водохранилищ и подземных вод).

При создании полигона особое внимание уделяется проектированию дождевой и хозяйственно-бытовой канализации, а также дренажа. Общая система канализации полигона должна быть бессточной. На полигон не принимаются вещества, которые можно обезвредить средствами предприятия, радиоактивные отходы (для них существуют специальные хранилища) и нефтепродукты, которые можно регенерировать.

Способ обезвреживания и захоронения отходов зависит от агрегатного состояния, водорастворимости и класса опасности веществ и их соединений. Класс опасности отходов, подлежащих захоронению, определяется в соответствии с методическими рекомендациями, разработанными Минздравом России.

Существует четыре класса опасности веществ и их соединений:

1-й класс - чрезвычайно опасные, 2-й - высокоопасные, 3-й - умеренно опасные, 4-й - малоопасные.

К 1-му классу относятся такие вещества, как сулема, ртуть, бенз-а-пирен, хром, оксид мышьяка, цианистый калий, треххлористая сурьма; ко 2-му - хлористая медь, азотнокислый свинец, трёхокись сурьмы и др. Оксид свинца, никель, сульфат меди, четырёххлористый углерод составляют 3-й класс; сульфат марганца, фосфаты, хлориды - 4-й класс.

На все отходы, ввозимые на полигон, должны быть представлены паспорт с указанием состава отходов и краткое описание требований безопасности при обращении с ними на полигоне (захоронении или сжигании). На полигоне отходы взвешивают и отбирают пробы для определения их состава. На контрольном талоне паспорта ставится штамп «Отходы приняты». Контрольный талон возвращается на предприятие, а паспорт остается на полигоне как документ для финансовых расчётов и статистический материал для определения количества и состава принятых отходов.

Схема работы полигона должна предусматривать следующие основные мероприятия, позволяющие регулярно и организованно, с соблюдением мер безопасности удалять неутилизируемые токсичные отходы, обезвреживать их и надежно захоранивать, обеспечивая защиту окружающей среды:

организацию сбора неутилизируемых токсичных отходов на предприятиях-поставщиках,

организацию транспортировки токсичных отходов на полигон;

организацию приема токсичных отходов на полигоне, их обезвреживание и захоронение.

В настоящее время наиболее распространенными методами обезвреживания токсичных отходов являются:

для отходов органического происхождения — сжигание при высоких температурах (при снижении температуры процесса возможно выделение суперэкотоксикантов);

для неорганических отходов — физико-химическая обработка в несколько стадий, которая способствует образованию безвредных, в большинстве случаев нейтральных и нерастворимых в воде соединений.

4.4. Установки для обезвреживания твёрдых отходов

Количество и состав твердых отходов зависят от вида производства, сырья, из которого получены готовые продукты, уровня технологии и т. д. Многие твердые отходы являются вторичными материальными ресурсами и подлежат переработке в готовую продукцию. В тех случаях, когда требуется удалять влагу из таких отходов, используют тепловую сушку.

Термическое обезвреживание производят прямым сжиганием или пиролизом (высокотемпературное разложение без доступа воздуха) твердых отходов. Сжиганию подвергают полимерные материалы (пластмассы, смолы, резину), органические вещества с температурой плавления более 30-40 °С, текстильные отходы и др.

Теплота сгорания горючих отходов составляет 11600-18 600 кДж/кг. Для сжигания требуется избыток воздуха от 40 до 100% по сравнению со стехиометрическим количеством. При сжигании органическая часть отходов превращается в газообразные вещества: СО₂, N₂, NO_X, H₂O, HF, HCl, SO₂ и др. Минеральные вещества остаются в золе. Целесообразно проводить сжигание отходов с получением новых продуктов, которые можно использовать в производственном цикле в качестве сырья или промежуточных продуктов. Выделяющееся тепло необходимо использовать для получения пара.

Некоторые отходы, например содержащие целлюлозу, резину, полимеры, подвергают пиролизу. Газообразные, жидкие и твёрдые продукты используют по-разному. Тепло для проведения процесса частично получается за счет тепла сгорания пиролизного газа. Например, получаемый при пиролизе резины (изношенных автомобильных покрышек) твердый углеродный остаток, подвергают карбонизации и активации для переработки в активный уголь. Газообразные отходы этого процесса используют для получения тепла, а жидкие - в качестве связующего при получении гранул угля. Процесс пиролиза проводят при 600-850 °С.

Для сжигания и пиролиза твёрдых отходов используют печи разных конструкций. Наиболее широкое применение нашли барабанные, камерные, многоподовые, циклонные печи и печи с псевдоожиженным слоем.

Барабанная печь представляет собой наклонный стальной цилиндр длиной 15-20 м, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Частота вращения барабана 0,8-2 мин^-1. Недостатки печей: громоздкость, большая металлоемкость, высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Многоподовая печь представляет собой цилиндрическую камеру диаметром 3-7 м и высотой 4-15 м с 5-12 огнеупорными подами. Осадок движется сверху вниз через отверстия в подах. Дымовые газы движутся навстречу. По оси печи расположен полый вал, вращающийся с частотой 0,5-0,35 мин^-1. К валу крепятся мешалки с зубьями для перемешивания осадка. Вал и отводы охлаждаются воздухом. Недостатки печей: необходимость применения дорогостоящих жаростойких чугунов, высокие эксплуатационные и капитальные затраты, наличие вращающихся элементов в зоне высоких температур, низкие удельные тепловые и весовые нагрузки топочного объёма.

В печах с псевдоожиженным слоем в качестве инертного материала используют песок или фторопласт. Высота псевдоожиженного слоя составляет 0,5-1,5 м. Газы очищаются от пыли в циклоне или мокром фильтре.

4.5. Проблема твёрдых бытовых  и промышленных отходов в Омской области

Омский регион является крупным промышленным центром, в котором расположены нефтеперерабатавающие предприятия, завод синтетического каучука, завод пластмасс и ионообменных смол, шинный завод, двадцать четыре машино- и приборостроительных предприятия, а также предприятия перерабатывающей и пищевой промышленности. Кроме того, в городе работают несколько ТЭЦ, использующих уголь Экибастузского бассейна, характеризующийся высокой зольностью. Вследствие высокой концентрации производства, несовершенства используемых технологий, недостаточной эффективности работы очистных сооружений, колоссального скопления твёрдых отходов как бытовых, так и промышленных, под хранение которых отчуждены огромные земельные площади, значительным уровнем вредного воздействия на здоровье населения Омский промышленный регион признан чрезвычайно неблагополучным в экологическом отношении. Улучшить экологическую обстановку в регионе можно при условии совершенствования используемых в промышленности технологий, минимизации отходов, организации межотраслевых и межрегиональных потоков отходов, разработки замкнутых экологически ориентированных технологических схем.

В соответствии с Классификатором отходов Омской области, разработанным областной Госкомэкологией, в Омске ежегодно образуется 286 видов промышленных и бытовых отходов, которые по физико-химическим свойствам и источнику образования расклассифицированы по 24 группам. Так, группа отходов жилищно-коммунального хозяйства представлена 18 видами отходов, отходы пластмасс - 37 видами отработанных пластиков различной химической природы, отходы строительных материалов - 20 позициями. Однако омские заготовительные организации собирают для дальнейшей переработки только восемь видов отходов. “Вторчермет” - отходы черного металла, “Цветмет” и Куломзинская нефтебаза - отходы нефтепродуктов, “Омсквторесурсы” - отходы текстиля и полиэтилена, стеклобой, кости и макулатуру (её принимает также “Омсккровля”).

В Омске действуют 42 установки по переработке различных видов отходов. Отходы гальванопроизводства перерабатываются: на ПО “Иртыш” - установка рекуперации меди, АО “Сатурн” - установка утилизации меди из отработанных травильных отходов, АО “Сибкриотехника” - установка для регенерации тяжелых металлов гальванических ванн. На биокомбинате из твердых отходов мясопереработки на утилизационной установке развернуто производство мясо-костной муки. Изготовление шлакоблоков из отходов литейного и кузнечного производства ведется на Омском заводе теплоизоляционных изделий - филиале АО “Термостепс”.

Отходы жилищно-коммунального хозяйства перерабатываются на четырех установках. На судоремонтно-судостроительном заводе работает инсинератор-печь по сжиганию сухого мусора. Производственно-ремонтное предприятие АК “Омскэнерго” наладило производство бумажно-волокнистых плит из макулатуры. АО “Омсккровля” из макулатуры производит картон, а из осадков очистных сооружений и отходов картона - волокнистые плиты.

Больше всего в городе установок по переработке отходов нефтепродуктов. Установки регенерации отработанных масел работают на АО “Завод молочный “Омский”, Омском хладокомбинате и заводе транспортного машиностроения. Сбор и первичную обработку жидких нефтепродуктов производит структурное подразделение “Омскнефтепродукта” Куломзинская нефтебаза. На ОМП им. Баранова есть электрокоагуляционные установки для очистки отработанных нефтепродуктов. На ОНПЗ - две установки по переработке нефтешламов “Альфа-Лаваль”, а НПФ “Экооптима” применяет для переработки замазученного грунта, ила от мойки автотранспорта и нефтешламов технологию реабилитации почв и водных объектов с применением биопрепарата “Деворойл”.

На нескольких предприятиях налажена переработка полимерных отходов. Два роторных измельчителя полиэтилена мощностью 2000 тонн в год и два измельчителя полистирола мощностью 3000 тонн работают на АО “Омпласт”, ещё два измельчителя полиэтилена мощностью 670 тонн в год - на заводе транспортного машиностроения. На “Омпласте” также есть две линии гранулирования пластмасс и агломератор. А в “Омскводпроме” налажено производство полиэтиленовых труб из отходов.

На “Омском беконе” организовано производство пеностекла из боя стекла, а “Омсктехуглерод” производит огнеупорный кирпич из лома огнеупорных изделий. АО “Омсккровля” из низкосортного тряпья выпускает рубероид. Комплексная переработка лома чёрных и цветных металлов налажена в АО “Втормет”, а на заводе “Металлист” работает сталеплавильная печь по переработке чёрного металлолома. В АО “Железобетон-5” действует цех по производству золобетонных изделий и тротуарной плитки из золы и золошлака ТЭЦ. Изготовлением шлакоблоков из золошлаков котельных  занимаются госпредприятие “Путевая машинная станция 22” и АО “Автоперевозки, ремонт, сервис”. Комплексную переработку лома цветных металлов осуществляет АО “Вторцветмет”.

На “Омскшине” работают электропрессовая установка по производству резино-тканевого шифера и подрельсовых прокладок, установка по изготовлению строительных блоков из отходов невулканизированных шин, а также установки по переработке вулканизированных резиновых изделий без металлокорда в резиновую крошку и по переработке автопокрышек диагональной конструкции в крошку и подрельсовые прокладки. Из изношенных покрышек на центральной базе производственного обслуживания ОАО “Транссибнефть” наладили изготовление нестандартной продукции, в частности манжет очистных устройств. А в ЗАО “ОмЭл” работает целый цех по переработке автошин с металлокордом в изоляционные изделия для защиты электрокабелей. Муниципальное предприятие “Омстранссервис” из отходов резины производит резиновые клапаны для сантехнической аппаратуры.

На ОМП им. Баранова не работает установка демеркуризации отработанных ртутных ламп из-за отключения электроэнергии. В эту установку было вложено немало средств из экологического фонда, но ее владельцы установили очень высокую цену за переработку, поэтому многие предприятия отказываются сдавать сюда ртутьсодержащие лампы, вынуждены складировать их до лучших времен, что совсем небезопасно. Сейчас рассматривается организация новых установок по демеркуризации через частных предпринимателей. В вышеприведенный перечень установок не включена разработанная и введенная в опытную эксплуатацию специалистами ПЭО “Аверс” установка по производству биогаза и органических удобрений из навоза крупного рогатого скота, потому что навоз относится к отходам сельского хозяйства.

Не зафиксирована в Госкомэкологии и установка по производству золоминеральной смеси для строительства автодорог из золошлаковых отходов ТЭЦ. В региональной программе “Отходы” проведен анализ потребностей в недостающих мощностях по переработке отходов города Омска. Несмотря на наличие 42 действующих производств и установок, степень вовлечения во вторичную переработку ряда отходов - энергетики, жилищно-коммунального хозяйства, пищевых, гальванических и неорганических соединений - совсем невелика и составляет от 3 до 10 %. В частности, 95 % отходов жилищно-коммунального хозяйства не вовлекаются в повторное использование, а использующиеся 5 % представляют собой макулатуру, сдаваемую промышленными предприятиями в АО “Омсккровля”.

В г. Омске ежегодно образуется 1,3 млн. куб. м твердых бытовых отходов, которые практически не вовлекаются в переработку, а размещаются на трёх муниципальных свалках, одна из них - в Советском округе - расположена в водоохранной зоне Иртыша и уже закрыта. Свалки Ленинского и Кировского округов построены без проекта, эксплуатируются с нарушениями санитарного и природоохранного законодательства, не оснащены инженерными сооружениями, обеспечивающими защиту окружающей среды от вторичного загрязнения атмосферы продуктами гниения - аммиаком и сероводородом, загрязнения почв и грунтовых вод фильтратом.

Система очистки города от ТБО характеризуется монопольностью предоставляемых услуг, охватывает не всю номенклатуру ТБО, подлежащих вывозу и уничтожению. Положение усугубляется хронической и последовательно нарастающей нехваткой финансирования, что может привести к прогрессивному нарастанию как общего объема ТБО, так и объемов ТБО, не охватываемых действием общегородской системы очистки и, как следствие, к росту числа несанкционированных свалок и отсутствию организаций, занимающихся их расчисткой и рекультивацией.

Серьезной проблемой является и чрезмерное накопление золошлаковых отходов ТЭЦ, общий объем которых достиг почти 45 млн. тонн. Особенно перегружен золоотвал возле деревни Ново-Александровка, с одной стороны ограниченный Иртышом, с другой - жилыми домами. Свободного места под новые золоотвалы в черте города просто нет, а завод золоаглопористого гравия, построенный на 60 %, вот уже несколько лет стоит без движения из-за отсутствия финансирования. На заводе разрушается то, что построено, а другой реальной альтернативы по переработке золошлаковых отходов нет. Поэтому нужно срочное подключение городских и региональных властей к решению этой проблемы.

Немало средств из экологического фонда вложено в строительство полигона по утилизации ТБО. И хотя работы по его обустройству далеки от завершения, принято решение задействовать полигон для утилизации и переработки отходов третьего и четвертого классов. Уже 90 предприятий получили разрешение на захоронение своих токсичных отходов на ЗАО «Полигон». На Кировской свалке планируется строительство мусороперерабатывающего завода, который сможет частично снять напряжение с переработкой ТБО.

В целях организации работы ЗАО «Полигон» с предприятиями - источниками образования токсичных отходов специалистами Главного управления природных ресурсов также разработана «Технология взаимодействия с ЗАО «Полигон» и его абонентами», которая позволила организовать систему контроля за выполнением разрешающих документов, реальным потоком отходов и процессом поэтапного закрытия ведомственных свалок.

Так, к настоящему времени закрыты и переведены в категорию недействующих (но контролируемых) свалки предприятий: ОАО «Сибнефть - ОНПЗ»;  ОАО «СМС»; ОАО «Омскшина».

Частично разрешена эксплуатация свалок АООТ «Омский каучук» и ОАО «Омсккровля» - в целях заполнения нетоксичными и малотоксичными отходами 4 класса карт, заполненных более чем 90 % для подготовки к последующей рекультивации.

Шламонакопитель и три золоотвала АК «Омскэнерго» являются объектами, принимающими более 80 % всех захораниваемых токсичных отходов г. Омска и электроэнергетика по-прежнему остается лидирующей по объёму захороненных отходов.

На протяжении всей истории человечества отходы жизнедеятельности были неотемлемой частью существования цивилизации. Можно сказать, что все мы живем на слое отходов предыдущих поколений. Однако в последние десятилетия резко изменились количество качество отходов. Если раньше все отходы разлагались с течением времени естественным путем, то многие современные отходы, те же пластмассовые бутылки, при обычной утилизации не разлагаются и через тысячу лет. А при низкотемпературном сжигании выделяют в атмосферу вредные вещества. К тому же лимит природных ресурсов ограничен, поэтому весь мир идёт к полному использованию отходов. В развитых странах при переработке отходов стремятся воспроизвести природный цикл, а мы, из-за своей бедности и относительного изобилия ресурсов, перекладываем проблему загрязнения окружающей среды на плечи следующих поколений.

Контрольные вопросы

1. Какие отходы относят к отходам производства и потребления?

2. Где используют крупнотоннажные промышленные отходы?

3. Каково назначение полигонов?

4. Какие установки применяют для обезвреживания твёрдых отходов?

Глава 5. Экологическая характеристика производств

5.1. Экологическая характеристика нефтеперерабытывающих и нефтехимических производств

Общие сведения

Методы переработки нефти делятся на первичные и вторичные. Первичные представляют собой физические методы разделения нефти, основанные на разных температурных интервалах кипения отдельных фракций нефти, т. е. это прямая перегонка нефти. Вторичные - это химические методы, предусматривающие полное преобразование нефтяного сырья в результате глубоких структурных превращений углеводородов под воздействием повышенных температур и давления с использованием катализаторов. Это различные виды крекинга и риформинга нефтепродуктов.

Современные нефтеперерабатывающие заводы отличаются большой единичной мощностью установок, углублением процессов отбора нефтепродуктов и их каталитической переработкой. Переработка нефти ведется по двум основным направлениям — на установках топливного и масляного блоков, где получают различные виды моторных топлив и масел, а также парафина, церезина, битумов. Кроме того, современные заводы включают производства химического блока, предназначенные для получения синтетических жирных кислот, синтетических масел, присадок, диэмульгаторов, серной кислоты, серы, различных углеводородов и др.

Существующие нефтеперерабатывающие заводы рассчитаны на переработку миллионов тонн нефти и поэтому являются интенсивными источниками загрязнения окружающей среды. Зона загрязнения воздуха мощных нефтеперерабатывающих заводов простирается на расстояние 20 и более километров. Количество выделяющихся вредных веществ определяется мощностью НПЗ и составляет (процент от мощности предприятия): углеводороды 1,5 —2,8; сероводород 0,0025 — 0,0035 на 1% серы в нефти; оксид углерода 30 — 40 % от массы сжигаемого топлива; сернистый ангидрид 200 % от массы серы в сжигаемом топливе. Большая часть потерь углеводородов поступает в атмосферу (75 %), в воду (20 %) и в почву (5%).

Источники выделения вредных веществ в нефтеперерабатывающей промышленности – это технологические установки, аппараты, агрегаты, трубы, вентиляционные шахты, дыхательные клапаны резервуаров, открытые поверхности очистных сооружений.

Основные направления охраны атмосферы от загрязнений выбросами нефтеперерабатывающих предприятий

Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности выбрасывают в атмосферу значительные количества газов и паров (оксиды серы, оксид углерода (II), оксиды азота, сероводород, аммиак, углеводороды, кислород- и азотсодержащие органические соединения, органическая и неорганическая пыль, смолистые вещества). Самыми крупными являются выбросы углеводородов в атмосферу. Борьба с такими выбросами затрудняется тем, что они происходят из громадного числа источников, рассредоточенных на большой территории, поэтому применение каких-либо очистных сооружений здесь исключается и задача сокращения выбросов должна решаться мерами технологического порядка. К ним относятся: замена резервуаров с шатровыми крышами на резервуары с плавающими крышами или понтонами; герметизация технологического оборудования и коммуникаций; применение автоматического регулирования технологических процессов, не допускающего нарушения параметров, регулирующих давление и поэтому предотвращающего срабатывание предохранительных клапанов; использование системы контроля предохранительных клапанов; применение развитой факельной системы с полным сбором и использованием отходящих газов; герметичный слив-налив в железнодорожные цистерны; замена открытых нефтеловушек герметизированными и другое.

Схожим является положение с выбросами в атмосферу продуктов сгорания от технологических установок и факельного хозяйства. И здесь для защиты атмосферы от оксида углерода (II) и диоксида серы должны предусматриваться технологические мероприятия. Выбросы оксида углерода (II) могут быть уменьшены упорядочением процесса сжигания топлива, а также каталитическим дожиганием до диоксида углерода. Уменьшение выбросов диоксида серы может осуществляться предварительным обессериванием сжигаемого топлива.

По принятой технологии переработки сернистых нефтей в процессе каталитической гидроочистки сероводород и другие сернистые соединения извлекаются в виде товарных продуктов – серы или серной кислоты и выброс сероводорода в атмосферу в значительной мере исключается. Выделение сероводорода из барометрических конденсаторов может быть устранено их заменой на поверхностные конденсаторы. Другие источники выброса сероводорода могут быть сокращены улучшением герметизации.

Пылевые выбросы более локальны, чем газовые и легче поддаются улавливанию. Пыль образуется при транспортировке катализаторов и адсорбентов, их регенерации, измельчении, сушке и т.д. При проведении процессов в реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора (каталитический крекинг, дегидрирование бутана) частицы катализатора при многократном использовании уменьшаются в размерах и выносятся с потоком газа. На нефтеперерабатывающих производствах для удаления пылевых частиц применяют пылеосадительные камеры, циклоны, ротационные аппараты.

Мероприятия по охране воздушного бассейна на нефтеперерабатывающих предприятиях должны быть направлены на повышение культуры производства, строгое соблюдение технологического режима, усовершенствование технологии с целью снижения газообразования, максимальное использование образующихся газов, уменьшение потерь углеводородов на объектах общезаводского хозяйства, сокращение выбросов вредных веществ в период неблагоприятных метеоусловий, разработку и усовершенствование методов контроля и очистки выбросов в атмосферу.

Очистка сточных вод

Химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленности относятся к наиболее водоемким отраслям народного хозяйства. Сложность в решении проблемы рационального использования водных ресурсов и предотвращения загрязнения водоемов сточными водами обусловлена особенностями этих отраслей:

-огромными количествами вовлекаемых в сферу производства материальных ресурсов и выпускаемой готовой продукции;

-разнообразием применяемых технологий, выпускаемой продукции и получающихся отходов;

-широким использованием воды для производственных целей и отсутствием технологических решений по ее замене.

Состав производственных сточных вод зависит от характера использования воды в технологическом процессе. В сточных водах, образующихся на современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), присутствуют примеси, которые не относятся к категории сильно токсичных: хлориды, сульфаты, нитраты и фосфаты натрия, калия, кальция, аммония, магния, железа, меди, органические продукты, взвешенные вещества, нефтепродукты, СПАВ, масла и т.д. Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств кроме растворённых органических и неорганических веществ могут содержать коллоидные примеси, а также взвешенные вещества, плотность которых может быть больше или меньше плотности воды. В ряде случаев сточные воды содержат растворенные газы.

Сточные воды могут содержать в своем составе пожаро- и взрывоопасные вещества, а также соединения, агрессивные по отношению к трубопроводам, коллекторам, очистному оборудованию. В некоторых случаях в сточных водах содержатся вещества, обладающие резким неприятным запахом, или поверхностно-активные вещества, приводящие к пенообразованию и т. д.

Рассмотрим очистку нефтьсодержащих сточных вод на примере ОАО «Сибнефть - Омский НПЗ». Промышленно-ливневая канализация завода делится на три независимые системы. В первую систему поступают стоки от основных технологических установок. Вторая система объединяет стоки ЭЛОУ, товарно-сырьевых парков и характеризуется повышенным содержанием нефтепродуктов и солей. В третью систему сбрасываются стоки с установки расщепления серной кислоты, катализаторной фабрики и химводоочисток. Промстоки всех систем независимыми потоками поступают на очистные сооружения и проходят раздельную механическую и физико-химическую очистку, перед биологической очисткой все потоки объединяются.

Очистные сооружения включают в себя сооружения механической очистки, установку импеллерной флотации, блок биологической очистки, буферный пруд. Механическую очистку применяют для удаления из производственных сточных вод нерастворимых примесей. Основными процессами механической очистки являются: процеживание сточной жидкости на решетках и сетках для выделения крупных примесей и посторонних предметов; улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки; отстаивание воды для удаления не растворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических примесей, не задерживаемых решетками и песколовками.

Стоки первой системы поступают по четырем коллекторам на песколовки, далее на нефтеловушки, на которых собирается нефтепродукт и закачивается в резервуарные парки. Производительность нефтеловушек 3300 м³/час. Эффективность работы - 87-92 %. После ловушек стоки поступают на радиальные отстойники общей производительностью 4400 м³/час. Нефтепродукт, собранный на отстойниках также закачивается в резервуарные парки. Эффективность отстойников - 35-45 %.

Стоки второй системы очищаются на аналогичных сооружениях механической очистки с максимальной производительностью 730 м³/час. Эффективность сооружений механической очистки стоков второй системы - 77-83 %.

После механической очистки стоки первой и второй систем совместно подаются на установки импеллерной флотации, где происходит очистка стоков от мелкодисперсных взвешенных частиц при помощи флокулянта. Для процесса флотации в качестве химического вспомогательного вещества используется катионный полиэлектролит «Праестол».

Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ, легкоокисляемых веществ и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки.

Производительность установки 3300 м³/час. Эффективность - 80-90 %. После установки флотации стоки подаются на блок биологической очистки. Биологическая очистка сточных вод осуществляется при помощи живых организмов разного уровня организации. Микроорганизмы, которые участвуют в процессе биологической очистки, формируются в виде активного ила или биоплёнки. Питательными веществами для микроорганизмов активного ила являются загрязняющие воду органические вещества, однако, избыточная их концентрация и отсутствие в стоках достаточного количества веществ для питания и построения новой биомассы в сточных водах может умертвить микроорганизмы. Производительность БОС 4800 м³/час. Эффективность 91-95 %.

Часть очищенных стоков возвращается на повторное использование, остальные осветленные стоки через буферный пруд откачиваются на очистные сооружения МУП «Водоканал» для дальнейшей доочистки.

Нефтепродукт, собранный на очистных сооружениях, подготавливается в резервуарных парках и передается для очистки на установку по переработке нефтешламов производительностью 45 м³/час. Полученная в результате очистки нефтяная фаза возвращается в производство.

Переработка отходов нефтепереработки и нефтехимии

К числу твёрдых отходов на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности относятся различные химические продукты, адсорбенты, не подлежащие регенерации, зола и твёрдые продукты, получающиеся при термической обработке сточных вод, различные осадки, смолы и уловленные пыли при очистке выбросов и др. Самая простая утилизация этих отходов, если это допустимо, - уничтожение сжиганием в печах различных типов. Образовавшуюся золу и шлак иногда можно использовать в качестве наполнителя в производстве стройматериалов, реже в качестве удобрения, ещё реже как сырьё для выделения определённых компонентов. При невозможности использования золу и шлак направляют на хранение в отвалы, туда же попадают негорючие неиспользуемые твёрдые отходы производства.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одним из основных твердофазных отходов являются кислые гудроны, образующиеся в процессах сернокислотной очистки ряда нефтепродуктов (масел, парафинов, керосино-газойлевых фракций и др.) и при производстве с присадок, синтетических моющих средств, флотореагентов. Кислые гудроны представляют собой смолообразные высоковязкие массы различной степени подвижности, содержащие в основном серную кислоту, воду и разнообразные органические вещества. Содержание органических веществ находится в пределах от 10 до 93%.

Объемы кислых гудронов весьма значительны. Их выход в масштабах СССР оценивался примерно в 300 тыс. т/год. Степень использования этих отходов не превышает 25%, что приводит к сосредоточению весьма значительных их масс в заводских прудах-накопителях (амбарах).

По содержанию основных веществ кислые гудроны обычно разделяют на два вида: с большим содержанием кислоты (≥ 50 % моногидрата) и с высоким содержанием органической массы (≥ 50 %). Состав кислых гудронов определяет возможные направления их использования. Они могут быть переработаны в сульфат аммония, использованы в виде топлива (непосредственно или после отмывки содержащейся в них кислоты) или в качестве реагента для очистки нефтепродуктов. Однако сложность технологии сульфата аммония на базе кислых гудронов и ограниченность его сбыта, а также необходимость больших затрат на очистку отходящих газов и жидких отходов при использовании кислых гудронов соответственно в качестве топлива и агента очистки нефтепродуктов являются существенными препятствиями для широкой промышленной реализации этих процессов.

Более перспективной является переработка кислых гудронов с целью получения диоксида серы, высокосернистых коксов, битумов и некоторых других продуктов. Так, при переработке кислых гудронов в диоксид серы с целью получения серной кислоты к ним обычно добавляют жидкие производственные отходы - растворы отработанной серной кислоты, выход которых в СССР составлял более 350 тыс. т/год. Получаемую смесь легче транспортировать и распылять форсунками. Термическое расщепление смеси кислых гудронов и отработанной серной кислоты проводят в печах сжигания при 800 1200 ⁰С. В этих условиях происходит образование диоксида серы и полное сжигание органических веществ. За рубежом по этому принципу функционирует ряд установок производительностью 700 - 850 т/сут 98-99 %-ной серной кислоты или олеума. Работают такие установки и в нашей стране.

Органическая часть кислых гудронов включает различные сернистые соединения, смолы, твердые асфальтообразные вещества - асфальтены, карбены, карбоиды и другие компоненты, что позволяет перерабатывать их в битумы, широко используемые в качестве дорожно-строительных материалов. При нагревании кислых гудронов присутствующие в их составе сульфосоединения и свободная серная кислота расщепляются и, окисляя органическую часть, вызывают уплотнение массы с образованием гетерогенной смеси с высоким содержанием карбоидов. С целью получения гомогенной битумной массы переработку кислых гудронов ведут в смеси с прямогонными гудронами (смолистые массы, получающиеся после отгона из нефтей топливных и масляных фракций); при этом реакции уплотнения (за счет уменьшения концентрации окислителя и свободных радикалов от разложения сернистых соединений) идут менее глубоко с образованием смол и асфальтенов.

Способность кислых гудронов легко разлагаться при температуре 160 - 350 ⁰С c образованием диоксида серы и высокосернистого кокса широко используют в промышленности для получения этих продуктов. Принципиально переработка кислых гудронов по этому направлению может осуществляться как с получением высокосернистого кокса и богатого по SО₂ газа (для предприятий, имеющих необходимые мощности по переработке последнего), так и с получением преимущественно высокосернистого кокса.

Наибольшее распространение в промышленности нашли установки низкотемпературного разложения кислых гудронов на коксовом теплоносителе. Наряду с кислыми гудронами на таких установках можно разлагать и растворы отработанной серной кислоты при условии их предварительного смешивания с богатыми по содержанию органических веществ кислыми гудронами или нефтяными остатками.

Высокосернистый нефтяной кокс может быть использован в ряде пирометаллургических процессов цветной металлургии в качестве сульфидирующего (вместо специально добываемых серосодержащих веществ - пирита, гипса и т. п.) и восстановительного агента, в некоторых производствах химической промышленности (для получения Na₂S, СS₂) и в других целях. Промышленная реализация процессов получения высокосернистых нефтяных коксов на базе кислых гудронов начинается и в нашей стране. Проводятся исследования по сепарации кислых гудронов (экстракцией, адсорбцией) с целью раздельного использования кислотной и органической частей этих многотоннажных отходов.

Трудности, связанные с утилизацией кислых гудронов, привели к реализации в нефтеперерабатывающей промышленности отдельных элементов и принципов безотходной технологии. Широко внедряются, в частности, более прогрессивные способы очистки нефтепродуктов - экстракция (очистка селективными растворителями), гидрообессеривание, адсорбция.

Твердые примеси, присутствующие в перерабатываемых и вспомогательных материалах на заводах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, и ряд других веществ приводят к образованию такого распространенного вида отходов, как нефтяные шламы. Выход их составляет около 7 кг на 1 т перерабатываемой нефти, что приводит к скоплению огромных масс этих отходов в земляных амбарах нефтеперерабатывающих заводов. Такие шламы представляют собой тяжелые нефтяные остатки, содержащие в сред нем 10-56 % нефтепродуктов, 30-85 % воды и 1,3-46 % твердых примесей. При хранении в шламонакопителях (амбарах) такие отходы расслаиваются с образованием верхнего слоя, в основном состоящего из водной эмульсии нефтепродуктов, среднего слоя, включающего загрязнённую нефтепродуктами и взвешенными частицами воду, и нижнего слоя, около 3/4 которого приходится на влажную твердую фазу, пропитанную нефтепродуктами.

Использование нефтяных шламов возможно по нескольким направлениям. В частности, при обезвоживании и сушке этих отходов возможен их возврат в производство с целью последующей переработки по существующим схемам в целевые продукты. Возможно также использование их как топлива, однако это связано с большими материальными затратами.

В случае использования нефтяных шламов для получения горючего газа вода, равномерно распределенная в нефтепродуктах и тесно с ними связанная, служит активной химической средой: при термической переработке шламов она взаимодействует с топливом более эффективно, чем пар, используемый в подобных процессах. Кроме того, в присутствии воды значительно снижается сажеобразование. Промышленная реализация процесса газификации также требует больших капитальных затрат, что сдерживает его широкое применение.

К нефтяным шламам можно добавлять негашеную известь (5-50 %) и после высушивания получаемой массы в течение 2-20 сут. в естественных условиях использовать ее как наполнитель и для подсыпки при нивелировке поверхности в строительстве, поскольку выщелачиваемость такого материала незначительна.

Самым распространенным способом утилизации и обезвреживания нефтяных шламов является их сжигание в печах различной конструкции (камерных, кипящего слоя, барабанных и др.). Для сжигания таких отходов, содержащих не более 20% твердых примесей, широко используются печи кипящего слоя. При сжигании нефтяных шламов, содержащих до 70% твердых примесей, большое распространение получили вращающиеся печи барабанного типа, позволяющие сжигать отходы различного гранулометрического состава.

Необходимость постоянного расширения ассортимента, качества и выхода нефтепродуктов привела к тому, что уже сегодня 70-75 % всех химических продуктов получают с применением катализаторов. Всё это неизбежно вызывает увеличение объёма отработанных катализаторов, содержащих, как правило, цветные и редкие металлы.

Широкое внедрение различных способов извлечения платиновых металлов сдерживается, в основном, низким выходом металлов и сложностью аппаратурного оформления процесса. Существуют три основные группы таких способов: растворение только носителя, перевод в раствор и металла и носителя и галогенирование с получением летучих соединений металла. Вместе с тем, в последние годы разрабатываются и электролитические способы выделения благородных металлов из отработанных катализаторов.

5.2. Обработка и утилизация отходов пластмасс

Рост добычи природного газа и нефти, а также большой спрос на них в сферах промышленности и бытовых услуг привели к резкому повышению производства изделий из пластмасс и, соответственно, к увеличению отходов.

Пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму.

В зависимости от технологического процесса производства, применяемого наполнителя и связующего (смолы) различают пластмассы композиционные, слоистые и литые, а по природе применяемой смолы - термореактивные и термопластичные. Последнее имеет большое значение для утилизации пластмассовых отходов.

Пластмассы ещё относительно мало используются как вторичное сырье. Это объясняется, прежде всего, многообразием типов пластмасс и выпускаемых из них изделий, а также сложностью состава, что затрудняет сортировку и переработку пластмассовых отходов, особенно бытовых. Между тем выпуск всевозможных изделий из пластмасс постоянно увеличивается. Пластмассы в первую очередь используются в промышленности для изготовления различного рода полуфабрикатов, изделий и деталей. В ряде случаев ими заменяют дорогостоящие и более тяжелые металлы. Из пластмасс изготовляют различные пленочные материалы для упаковки, а также поддоны, трубы, клеевые составы и т.д. В то же время пластмассовая упаковка вызывает значительное загрязнение окружающей среды, поскольку сразу после использования идёт в отходы. Другие пластмассовые изделия переходят в отходы по мере износа.

Основные направления утилизации и ликвидации пластмассовых отходов следующие: захоронение на полигонах и свалках; переработка пластмассовых отходов по заводской технологии; совместное сжигание отходов пластмасс с городским мусором; пиролиз и раздельное сжигание в специальных печах; использование отходов пластмасс как готового материала для других технологических процессов.

Захоронение отходов пластмасс на полигонах и свалках, которое пока наиболее широко распространено у нас в стране, может рассматриваться лишь как временная мера их утилизации, так как пластмассы подвергаются разложению чрезвычайно медленно. При этом методе из сферы возможного полезного использования изымаются тысячи тонн ценного вторичного сырья.

Переработка пластмассовых отходов по заводской технологии - наиболее оптимальный метод их использования. При всем разнообразии способов переработки общая схема процесса и применяемого при этом оборудования может быть представлена следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Схема переработки отходов пластмасс

Первая стадия обычно включает сортировку отходов по внешнему виду, отделение непластмассовых компонентов, таких как ветошь, остатки бумажной или деревянной тары, металлических предметов и т.д. Вторая стадия - одна из наиболее ответственных в процессе. В результате одно- или двустадийного измельчения материал приобретает размеры, достаточные для того, чтобы можно было осуществлять его дальнейшую переработку.

На третьем этапе дробленый материал подвергают отмывке от загрязнений органического и неорганического характера различными растворами, моющими средствами и водой, а также отделяют его от неметаллических примесей.

Четвертая стадия зависит от выбранного способа разделения отходов по видам пластмасс. В случае, если предпочтение отдается мокрому способу, сначала производят разделение отходов, а затем их сушку. При использовании сухих способов вначале дробленые отходы сушат, а затем классифицируют.

Пятая и шестая стадии состоят в том, что высушенные дробленые отходы смешивают при необходимости со стабилизаторами, красителями, наполнителями и другими ингредиентами и гранулируют. Часто на этой же стадии отходы смешивают с товарным продуктом. Седьмой, заключительной стадией процесса является переработка гранулянта в изделия. Эта стадия практически мало чем отличается от процессов переработки товарного продукта с точки зрения применяемого оборудования, но часто требует специфического подхода к выбору режимов переработки.

Полная реализация описанной схемы на практике является дорогостоящим и трудоемким процессом, поэтому внедрение её довольно ограничено. Тем не менее известны установки, работающие по данной схеме в г. Фунабаси (Япония) мощностью 1000 т/год и в Англии - мощностью 2000 т/год.

Если удается добиться достаточно высокой степени очистки и выделения индивидуальных отходов из смесей, а также если отходы предварительно рассортированы по видам пластмасс, их переработка во многом сходна с переработкой первичных пластмасс. Одним из существенных моментов при этом является способность полимеров сохранять или изменять свойства в процессе многократной переработки, поскольку от этого во многом зависит целесообразность самой переработки отходов. Изучение влияния кратности переработки большинства полимеров на их физико-механические свойства показало, что изменение последних связано, как правило, со снижением молекулярной массы пластмасс, разветвленностью их структуры и рядом других показателей. Снижение молекулярной массы пластмасс при многократной переработке приводит к определенным изменениям их прочностных показателей, хотя в качественном отношении они невелики.

Обычно содержание отходов в смеси с товарным продуктом не должно превышать 20 %, так как в противном случае резко ухудшается глянец изделий, получаемых при переработке гранулянта, появляется шероховатость на их поверхности. Гранулянт наиболее распространенного полимера - полиэтилена, как правило, перерабатывают в пленку, которая используется в сельском хозяйстве для неответственных целей, или идет на изготовление мешков для мусора.

Для переработки отходов методом литья под давлением, как правило, применяют машины, работающие по типу экструзии с постоянно вращающимся шнеком. Его конструкция такова, что обеспечивает самопроизвольный захват и гомогенизацию отходов.

Особенностью повторной переработки поливинилхлорида (ПВХ) является необходимость его дополнительной стабилизации. Отходы мягкого ПВХ используют главным образом для получения бытовых пленочных изделий (пленок, скатертей, накидок, фартуков и пр.). Для этого 20 % отходов измельчают на смесительных вальцах, смешивают с товарным ПВХ, стабилизаторами, красителями и смазками, после чего пропускают через систему подогревательных и отделочных вальцов.

Стабильность качества материалов из отходов позволяет систематически использовать их для получения определённых пластмассовых изделий. Так, из отходов полиэтилена высокого давления (ПЭВД) изготовляют мешки для мусора, трубы для защиты кабеля, хозяйственные ведра, прокладки и угольники, уплотнительные профили, пленки, применяемые в сельском хозяйстве и строительстве. Отходы литьевого полиэтилена низкого давления (ПЭНД) перерабатывают в элементы строительных опалубочных конструкций, прокладки, ведра, каркасы светильников, а полипропиленовые отходы - в текстильные шпули, детали сантехники, дверные ручки, ручки чемоданов, ящики для растений.

Другая тенденция утилизации сводится к разработке способов и соответствующего технологического оборудования для переработки смеси отходов без предварительного разделения. Это делает процесс утилизации более дешевым, однако физико-механические свойства изделий, полученных таким образом, гораздо ниже.

Все более широкое распространение для использования отходов пластмасс получает многокомпонентное литье, при котором изделие имеет наружный и внутренний слои из различных материалов. Наружный слой - это, как правило, товарные пластмассы высокого качества, стабилизированные, окрашенные, имеющие хороший внешний вид.

К внутреннему слою не предъявляют высоких требований ни по физико-механическим показателям, ни по внешнему виду. Материал может быть не стабилизировал и не окрашен. В состав этого слоя часто включают такие дешевые наполнители как тальк, сульфат бария, стеклянные и керамические шарики, вспенивающий агент.

Совместное сжигание отходов пластмасс с бытовым мусором. Одним из наиболее простых способов ликвидации пластмассовых отходов является их сжигание с бытовым мусором. Разработаны и продолжают совершенствоваться различные конструкции печей сжигания: подовых, ротационных, форсуночных, с кипящим слоем и др. Предварительное тонкое измельчение и распыление отходов обеспечивают при достаточно высокой температуре практически полное их превращение в СО₂ и Н₂О. Однако сжигание некоторых видов полимеров сопровождается образованием токсичных газов: хлорида водорода, оксидов азота, аммиака, цианистых соединений и др., что вызывает необходимость мероприятий по защите атмосферного воздуха. Кроме того, несмотря на значительную тепловую энергию сжигания пластмасс, экономическая эффективность этого процесса является наименьшей по сравнению с другими процессами утилизации пластмассовых отходов. Тем не менее, сравнительная простота организации сжигания определяет довольно широкое распространение этого процесса на практике.

Пиролиз. В последнее время при утилизации и обработке отходов пластмасс все большее применение находят термические методы. Они особенно распространены в тех случаях, когда отходы не находят практического использования и не могут быть утилизированы путем переработки в изделия или различные композиции. Помимо описанного выше способа сжигания пластмасс совместно с городским мусором, в промышленно развитых странах Западной Европы, Японии и США всё большее распространение получает пиролиз. С этой целью разрабатываются разные системы непосредственного нагревания пластмасс: например, в США исследуются вращающиеся печи, вертикальные реакторы шахтного типа, системы с псевдоожиженным слоем, подвижные топочные решётки и др.

Раздельное сжигание пластмассовых отходов. Пластмассовые отходы можно сжигать в промышленных печах различных конструкций: барабанных, многоподовых, с кипящим слоем и др.

С целью улучшения условий горения пластмассовых отходов и снижения теплоты сгорания иногда их предварительно обрабатывают. В США и Канаде перед сжиганием проводят брикетирование отходов пластмасс с текстильными и бумажными отходами. Эти брикеты с теплотой сгорания 14,3-1,7,8 МДж/кг сжигают на городских ТЭЦ вместе с углем (соотношение “уголь: брикеты” - 7:1), не внося никаких изменений в конструкции топок и технологический режим горения.

Термическое обезвреживание пластмасс методом сжигания целесообразно использовать только в тех случаях, когда не могут быть применены более рациональные методы регенерации - путем повторной переработки или в композициях и пиролизе.

Использование отходов пластмасс как готового материала для других технологических процессов. Отходы синтетических материалов легкой и др. отраслей промышленности, не находящие применения, могут использоваться как ценные исходные материалы для других технологических процессов, например для очистки промышленных сточных вод.

На многих предприятиях страны образуются отходы в виде синтетических волокон, пряжи, обрезков и т.п. Известно, что для тонкой очистки сточных вод от нефтепродуктов наиболее пригодны синтетические материалы и активированные угли. Однако последние дороги и дефицитны. При контакте синтетических волокон с нефтепродуктами происходит не только молекулярная адсорбция нефтепродуктов, но и ярко выраженная адгезия за счет электрических нескомпенсированных положительных зарядов, которые имеет синтетическое волокно. Частицы нефтепродуктов, обладающие в сточных водах отрицательным зарядом, хорошо притягиваются к полипропилену.

Специалистами Харьковского филиала Московского института ВНИИВОДГЕО были исследованы свойства, фильтрующая и сорбционная способности пенополиуретана и его от ходов для очистки нефтесодержащих сточных вод. Отходы пенополиуретана образуются во многих отраслях промышленности. Их широко используют для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Кроме утилизации и обезвреживания пластмассовых отходов, следует отметить их использование в строительстве. В большинстве асфальтовых дорожных покрытий основными связующими являются битумы различной природы. Обладая рядом достоинств в качестве связующего каменной основы и имея невысокую стоимость, битумы, в состав которых входят полярные соединения, отличаются недостаточной водостойкостью. Их прочностные показатели также сравнительно невысоки. Все это в значительной степени ухудшает свойства асфальтовых покрытий на основе битумов и сокращает сроки их эксплуатации. Использование отходов полиолефинов в композиции с битумом является одним из традиционных направлений, позволяющих модифицировать свойства покрытий.

В строительстве отходы пластмасс применяют в композициях с традиционными строительными материалами с целью модификации их свойств, для получения звукоизоляционных плит и панелей, а также герметиков, используемых при возведении зданий и гидротехнических сооружений и т.д.

Создание полимеров с регулируемым сроком службы. В странах с развитой промышленностью отходы полимерных материалов, чрезвычайно медленно разлагающиеся в естественных условиях, являются серьёзным источником загрязнения окружающей среды. Особую опасность представляет пластмассовая тара разового пользования, пленка и упаковочные материалы, которые, как правило, не попадают в общую систему сбора, составляя так называемый пластмассовый мусор.

Для сокращения времени утилизации отходов пластмасс в последнее время разрабатываются и выпускаются специальные типы полимеров с регулируемым сроком службы. Как правило, это фото- и (или) биоразрушаемые полимеры, которые под действием света, тепла, воздуха и микроорганизмов, содержащихся в почве, разлагаются до низкомолекулярных продуктов и ассимилируются в почве, включаясь таким образом в замкнутый биологический цикл. Отличительной особенностью этих полимеров является способность сохранять потребительские свойства в течение всего необходимого периода эксплуатации и лишь после истечения этого периода претерпевать физико-химические и биологические превращения, приводящие к деструкции и разрушению.

Фоторазрушаемые полимеры. Большая часть разработанных в настоящее время полимеров с регулируемым сроком службы представляет собой фоторазрушаемые полимеры, которые благодаря присутствию в них специальных групп или соединений способны разлагаться в естественных условиях до низкомолекулярных полимеров (молекулярная масса 1000 и меньше), поглощаемых в дальнейшем микроорганизмами атмосферы и почвы. Как правило, для придания полимерам способности разрушаться под действием света используют специальные добавки или вводят в состав полимера молекулярные светочувствительные группы. Для того чтобы такие полимеры нашли практическое применение, они должны удовлетворять определенным требованиям:

в результате модификации полимера не должны существенно изменяться его эксплуатационные характеристики;

добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными, поскольку полимеры предназначаются в первую очередь для изготовления тары и упаковки;

полимеры должны перерабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению;

необходимо, чтобы изделия, полученные из таких полимеров, могли храниться и эксплуатироваться длительное время при отсутствии прямых ультрафиолетовых лучей;

время от изготовления полимера до его разрушения должно быть известно; необходимо его варьирование в широких пределах;

продукты разложения полимеров не должны быть токсичными.

С точки зрения фотохимии возможность создания фоторазрушающихся полимеров обусловливается тем, что энергия диссоциации основной связи С - С большинства полимеров составляет 350 кДж/моль, в то время как энергия естественных ультрафиолетовых лучей находится в пределах 400-600 кДж/моль. Однако эта энергия будет направлена на разрушение полимера лишь в том случае, если, во-первых, полимер способен поглощать свет с длиной волны 400-100 нм и если, во-вторых, поглощенная энергия передается другим молекулам таким образом, чтобы они претерпели химические превращения, в результате которых происходит деструкция.

Упаковочные полимеры с регулируемыми сроками службы стабильны внутри помещения, так как оконное стекло абсорбирует ультрафиолетовое излучение, способное вызывать деструкцию. Стойкость материала к действию солнечного света за стеклом толщиной 7 мм в 10 раз выше, чем на открытом воздухе.

Одним из наиболее известных способов создания фоторазрушаемых полимеров является введение в полимерную цепь группировок, содержащих карбонильные группы.

Разработанные в Канаде фоторазрушаемые полимеры с торговым названием “Эколиты” предусматривают введение светочувствительных кетонных группировок в полимер в процессе сополимеризации. Это обеспечивает абсорбцию полимером ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 335 нм и последующую деструкцию по реакции Норриша.

Скорость фотодеструкции, как правило, пропорциональна концентрации кетонных групп в полимере. Таким образом, изменяя состав сополимера, можно направленно регулировать время разрушения полимеров (до достижения хрупкости) от 3 до 200 сут. Этот факт был использован голландской фирмой ”Ван Леер” при разработке товарных марок эколитов на основе полистирола (“Эколит ПС”), полиэтилена (“Эколит ПЭ”) и полипропилена (“Эколит ПП”). Определенным удобством эколитов является возможность использования их в качестве концентратов, которые смешивают в различных соотношениях с немодифицированным полимером, регулируя таким образом скорость фоторазрушения полученных материалов.

При практически одинаковых исходных физико-механических показателях фоторазрушаемых и немодифицированных полимеров скорость изменения прочностных свойств эколитов в процессе фотостарения значительно выше, что определяется резким снижением молекулярной массы этих материалов. Под действием ультрафиолетового облучения в искусственных или естественных условиях фоторазрушаемые материалы сначала растрескиваются, затем рассыпаются на кусочки различных размеров, в дальнейшем превращаясь в порошок.

Биоразрушаемые полимеры. Большинство полимерных материалов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, отличается исключительно высокой стойкостью к воздействию микроорганизмов. Это является одной из основных причин, обусловивших широкое применение таких материалов в народном хозяйстве. Однако, если рассматривать отработанные полимеры как источник загрязнения окружающей среды, то это их достоинство - биостойкость - превращается в серьезный недостаток. Полимерные отходы в естественных условиях разлагаются чрезвычайно медленно и практически не подвержены действию микроорганизмов воздуха и почвы.

Один из путей создания биоразлагаемых полимеров уже описан выше: фоторазрушаемые композиции после выдержки в атмосферных условиях настолько сильно деструктируют, что легко усваиваются микроорганизмами, содержащимися в почве. По этой причине фоторазрушаемые полимеры часто называют биоразрушаемыми.

Другой способ создания полимеров, разлагающихся под влиянием микроорганизмов, заключается в добавке в полимерную матрицу веществ, которые сами легко разрушаются и усваиваются микроорганизмами.

Биоразрушаемые материалы могут быть получены модификацией природных полимеров, которые по прочностным показателям часто приближаются к пластмассам. Так, в Японии практическое применение нашли привитые сополимеры крахмала и метилакрилата, пленки которых используются в сельском хозяйстве для мульчирования почвы. Пленки из сополимера определенное время обладают высокими физико-механическими показателями, однако в естественных условиях быстро подвергаются деструкции.

Существует и другой способ сделать полимеры биоразлагаемыми - с помощью специальных штамов микроорганизмов, способных разрушать полимеры. Так, японскими учеными выведены из почвы бактерии, которые вырабатывают фермент, расщепляющий поливиниловый спирт. После разложения фрагменты полимера полностью усваиваются бактериями. Используя это, японская фирма “Кураре” применила этот фермент в качестве добавок к активному илу на водоочистных сооружениях для более полной очистки сточных вод от поливинилового спирта.

5.3. Производство сажи

Сажей называется порошкообразный продукт неполного сгорания или термического разложения органических веществ, состоящий в основном из углерода. До двадцатого столетия сажу вырабатывали главным образом для производства чёрных красок и типографских чернил. В 1912 г. было установлено, что введение сажи в каучук резко влияет на свойства резины, получаемой из этой резиновой смеси, и с тех пор развитие производства сажи неразрывно связано с развитием резиновой промышленности.

Существуют три способа получения сажи: печной, канальный, при котором сажу получают извлечением из диффузного пламени и термический. В качестве сырья для получения сажи применяют жидкие масла нефтяного или каменноугольного происхождения и газы (природный, нефтяной пиролизный или коксовый).

В отходящих газах сажевых производств содержится до 0,1 объёмн. % сероводорода. Сероводород - ядовитое вещество, и выбрасывать его в атмосферу можно лишь на такой высоте, чтобы он не оказывал вредного влияния на население и природу местности, окружающей сажевый завод. Для сажевого завода, вырабатывающего 40000 - 50000 т сажи в год, необходимо сооружать дымовую трубу высотой 245 м, чтобы концентрация сероводорода в воздухе не превышала допустимой санитарными нормами. Возведение труб такой высоты требует значительных затрат.

Так как отходящие газы сажевых производств содержат горючие вещества (окись углерода, водород, метан, сероводород), более целесообразно вместо постройки высоких дымовых труб сжигать газы. При сжигании сероводорода получается значительно менее вредный газ — двуокись серы, которую можно выбрасывать в атмосферу через обычные дымовые трубы высотой 40-60 м. Отходящие газы сажевого производства сжигают в «свечах», специальных дожигательных установках и под паровыми котлами.

«Свеча» для сжигания газов. Наиболее простым сооружением для сжигания отходящих газов является так называемая свеча, представляющая собой металлическую трубу диаметром 1,2 м и высотой 40 м с расположенными в верхней части горелками для сжигания газов с низкой теплотворной способностью. Газы подводятся к нижней части свечи, проходят к горелкам и там сжигаются.

Устойчивое горение газов будет достигнуто, если они первоначально будут зажигаться в горелках с помощью газа, имеющего высокую теплотворную способность, например природного газа, который подводят к горелкам по отдельной трубе. Если к сажевому заводу не подведён природный газ, то при розжиге свечи к этому трубопроводу присоединяют баллон с сжиженным пропаном или бутаном.

Для устойчивого горения газов в свече необходимо, чтобы теплотворная способность их была не менее 650 ккал/м³ (при нормальных условиях). Поэтому до направления в свечу газы пропускают через скруббер или пенный уловитель, чтобы сконденсировать большую часть содержащихся в них паров воды.

Дожигательная установка. Вместо сжигания в свече отходящие газы можно сжигать в специальных горизонтальных топках, оборудованных горелками беспламенного сжигания газов. Необходимый для горения воздух подают дутьевым вентилятором, преимуществом такого способа сжигания является возможность использования для первоначального зажигания газов не только горючих газов с высокой теплотворной способностью, но и жидкого топлива. Для сжигания отходящих газов в дожигательных топках не требуется предварительного отделения их от паров воды, чтобы повысить теплотворную способность. При подаче в горелку небольшого количества газов с высокой теплотворной способностью или сжигании в топке некоторого количества жидкого топлива в дожигательных топках устойчиво горят отходящие газы с теплотворной способностью 400-450 ккал/м³, содержащие до 40 объемн. % водяного пара.

Продукты сгорания отходящих газов разбавляют для охлаждения воздухом и выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу дожигательной установки.

Сжигание отходящих газов под паровыми котлами. Отходящие газы сажевого производства имеют теплотворную способность 650-800 ккал/м³ (при малом содержании водяных паров) и 400-450 ккал/м³ (при содержании паров воды 40 объемн. %). Такие газы можно сжигать под паровыми котлами в качестве топлива и, следовательно, получать пар, используя химическое тепло отходящих газов производства. В сажевой промышленности используется несколько вариантов утилизации отходящих газов для выработки пара. Наиболее простой из них - сжигание газов в собственной котельной и в топках сушилок в установках мокрого гранулирования сажи.

Если вблизи сажевого производства (на расстоянии до 3 км) находятся другие потребители пара, то на сажевом заводе строят котельную, обеспечивающую паром этих потребителей.

Котельную следует располагать как можно ближе к установкам для производства сажи, так как передача отходящих газов на расстояние более 300 м связана со значительными затратами электроэнергии. Кроме того, в газопроводах возможна конденсация паров воды, что также вызывает трудности при эксплуатации газопровода.

Отходящие газы с теплотворной способностью 650-800 ккал/м³ сжигают в паровых котлах общего назначения в горелках беспламенного сжигания газов. Для сжигания влажных отходящих газов имеются специальные паровые котлы, которые помещают в непосредственной близости к установкам по получению сажи.

5.4. Экологическая характеристика производства эластомеров

Производство эластомеров (резинотехнических изделий) является одним из наиболее значительных источников вредных выбросов в атмосферу не по количественному, а по качественному составу. Выбросы предприятий по производству резинотехнических изделий отличаются разнообразием по составу и агрегатному состоянию - пары, газы, аэрозоли, твердые вещества. В состав газовоздушных выбросов производства резинотехнических изделий входят такие вредные вещества, как технический углерод (сажа), сера, оксид цинка, фенилнафтиламин (неозон Д), тетраметилтиурамдисульфит (тиурам), а-меркаптобензотиазол (каптакс), бисдисульфид (альтакс), тальк, бензин, ацетон, ацетофенол, акролеин, акрилонитрил, диметиламин, капролактам, сероводород, скипидар, толуол, метанол, бензол, фенол и многие другие соединения.

Сложный состав выделяющихся веществ объясняется большой номенклатурой выпускаемых изделий и соответственно используемых для их изготовления материалов и ингредиентов, а также разнообразием процессов получения резинотехнических изделий. При их изготовлении применяются около 30 видов каучуков, свыше 100 ингредиентов, растворителей и органических добавок.

Практически все технологические операции производства резинотехнических изделий являются источниками выделения вредных веществ. Сюда относятся хранение, растаривание, развешивание, транспортировка материалов, подготовка смесей, формование заготовок, сборка изделий, клеепромазка, пропитка тканей, вулканизация и другие операции.

Резинотехнические изделия изготавливают разными способами: сборкой из отдельных заранее подготовленных деталей или полуфабрикатов с последующей вулканизацией; формованием с одновременной или последующей вулканизацией; литьем резиновой смеси в форму методом инжектирования с последующей вулканизацией. Заготовка деталей осуществляется формованием методом шприцевания или каландрования резиновых смесей. Эти операции сопровождаются нагревом резиновой смеси, при котором из нее выделяются различные газы, а также пыль талька, мела и каолина.

Клеепромазка, пропитка тканей, а также процессы склеивания деталей при сборке резиновых изделий сопровождаются выделением в атмосферу различных растворителей, например бензина БР-1 или БР-2, этилацетата.

На предприятиях резинотехнических изделий, как правило, используется горячая вулканизация при температуре 140 - 170 °С и повышенном давлении. Если при проведении предыдущих технологических операций выделение вредных веществ в атмосферу происходит равномерно по времени, то при вулканизации они выделяются неравномерно. Максимальное выделение вредных веществ происходит в конце процесса вулканизации при открывании крышки вулканизационного котла или при раскрытии пресс-форм. По мере остывания резиновых изделий выделение вулканизационных газов в значительной мере уменьшается. Количество выделяющихся при остывании изделий вредных веществ и время их выделения прямо пропорциональны массе изделий и площади их поверхности.

Спектр углеводородов, загрязняющих атмосферу, достаточно разнообразен. Значительная доля летучих (свыше 50 %) соединений приходится на ароматические углеводороды (бензол, толуол, стирол и их производные); нормальные и изопарафины (2,5-диметилгексан, додекан, 2,3,5-триметилгексан) и олефины (октен-1, нонен- 1, детен-3 и др.), большинство из которых относится к летучим органическим соединениям (ЛОС).

Для предотвращения загрязнения воздушного бассейна технологическое оборудование производства резинотехнических изделий должно быть герметизировано, оснащено типовыми отсосами и укрытиями. Все источники выбросов оборудуются газопылеочистными установками с необходимой степенью очистки.

Сточные воды производства резинотехнических изделий характеризуются наличием в них взвешенных веществ, растворителей и углеводородов. Как правило, они подвергаются локальной очистке с последующей доочисткой на заводских или общегородских очистных сооружениях.

Резиновые отходы образуются в сфере производства - в процессах изготовления резинотехнических изделий (РТИ), товаров народного потребления, в шинной промышленности и сфере потребления (изношенные покрышки, резиновая обувь и т.п.). Захоронение и уничтожение отходов приводит к загрязнению почвы и атмосферы вторичными поллютантами. Поэтому на современных заводах РТИ предусматриваются участки или цехи по утилизации отходов.

Резиновые невулканизированные и вулканизированные, резинотканевые невулканизированные и вулканизированные, текстильные и резинометаллические отходы являются важнейшими при производстве РТИ.

Резиновые невулканизированные отходы (РНВО) включают в себя резиновые смеси, непригодные для использования по прямому назначению, а также остатки резиновых смесей. Наиболее ценным их компонентом является каучук, содержание которого достигает 90 % и более. По качеству этот вид отходов приближается к исходным резиновым смесям.

Технология переработки РНВО состоит из подготовки отходов к использованию: сортировки и очистки от посторонних включений, обработки очищенных отходов на смесительных вальцах с целью усреднения физико-механических показателей. Разогретая смесь срезается с вальцов калиброванными листами и поступает на заготовительный участок для производства готовой продукции.

Резиновые вулканизированные отходы (РВО) - это отходы производства резиновых смесей на стадиях вулканизации и отделки готовой продукции, а также бракованные изделия. Содержание каучука, химически связанного с другими ингредиентами, в этих отходах достигает почти 50 %.

РВО - ценное вторичное сырье, хотя по качеству отличается от первичного. Его используют при изготовлении товарной резиновой крошки, применяемой на предприятиях как добавка к первичному сырью.

Примерно 20-30 % резинотехнических отходов (среди которых 60% невулканизированных) используют на самих предприятиях для изготовления изделий широкого потребления  (листы кровельные волокнистые; рулонная кровля; плиты для полов в животноводческих помещениях; плиты «Рездор» для покрытия спортивных сооружений; амортизаторы для железнодорожных шпал; техническая пластина; упаковочные кольца;  детали сантехнического оборудования; запасные части к автомобилям: тормозной башмак, брызговики, фартук защитный, уплотнитель для передних крыльев, защитные кожухи, коврики; накладки для лыж; резиновые ведра; шинки для детских колясок, велосипедов, хозяйственных сумок и т. д.).

Утратившие свою потребительскую ценность изделия из вулканизированной упругой и эластичной резины обрабатывают с получение пластичного продукта – регенерата, пригодного для использования в сырьевых резиновых смесях производств резинотехнических изделий. При регенерации автомобильных покрышек среднего размера может быть возвращено около 10 кг каучукового вещества. В настоящее время объём переработки изношенных покрышек составляет около 50 % от возможного их сбора.

Следует отметить, что не все изношенные резиновые изделия могут быть использованы для производства регенерата. Так, непригодными для регенерации являются изделия, утратившие эластичность и ставшие хрупкими в результате старения резины, изделия с низким содержанием каучукового вещества, а также изделия, приготовленные из одного регенерата и др. Вместе с тем в последние десятилетия как в России, так и за рубежом производство и потребление регенерата по ряду причин (резкое повышение требований к качеству регенерата, увеличение затрат на его производство и др.) непрерывно сокращается.

Металлосодержащие отходы регенератных производств (например, бортовые кольца автопокрышек) могут быть использованы в чёрной металлургии. Из текстильных отходов можно делать плиты для тепловой и звуковой изоляции, набивку для мебели и т.д.

Другим направление переработки резиновых отходов является их размол в крошку. Для такой переработки используют, в частности, автопокрышки больших размеров без металлического корда. Получаемую резиновую крошку можно перерабатывать в различные строительные материалы (битумно-резиновые мастики для антикоррозионной защиты различных сооружений, гидроизоляционные и кровельные рулонные материалы, в которых может содержаться 10-40 % крошки), эффективно использовать в качестве компонента материалов для дорожных покрытий, применять для изготовления химически стойкой тары, некоторых технических материалов и для других целей.

В целом, несмотря на большие масштабы переработки резиновых отходов как в нашей стране, так и за рубежом, ресурсы их продолжают оставаться весьма значительными. Поэтому не прекращаются поиски новых путей их утилизации и переработки. В настоящее время разработано несколько способов переработки изношенных шин с кордом:

1. Низкотемпературная технология утилизации.

Результаты экспериментов показали, что дробление при низких температурах значительно улучшает отделение металла и текстиля от резины. Во всех известных установках для охлаждения резины используется жидкий азот. Но сложность его доставки, хранения, высокая стоимость и высокие энергозатраты на его производство являются основными причинами, сдерживающими внедрение низкотемпературной технологии. Для получения температур в диапазоне -80 ⁰С -120 ⁰С более эффективными являются турбохолодильные машины, позволяющие снизить себестоимость получения холода в 3-4 раза. Технология эта пока не внедрена. Разработчик и поставщик оборудования ЗАО “ALMAS ENGINEERIMG” (Москва).

2. Бародеструкционная технология.

В настоящее время реализованы и успешно работают 2 перерабатывающих завода: “Астор” (Пермь), ЛПЗ (Лениногорск, Татарстан). Разработчик и поставщик оборудования ГНПП «Корд-экс» (Пермь).

3. Озоновая переработка.

Золотая медаль 26-го Международного салона изобретений, прошедшего весной 2000 года в Женеве, присуждена способу озонной переработки изношенных шин, предложенному группой российских учёных и инженеров. Суть технологии - в “продувании” озоном автомобильных покрышек, что приводит к полному их рассыпанию в мелкую крошку с отделением от металлического и текстильного корда. В России созданы две опытные озонные установки, их суммарная производительность - около 4 тыс. тонн резиновой крошки в год.

В значительных масштабах старые автопокрышки используют для ограждения транспортных магистралей и портовых причалов, укрепления береговых откосов, при погрузочно-разгрузочных работах, в рыбоводстве и т.п. Резиновые отходы, не используемые для получения регенерата и размола в крошку, могут быть переработаны методом пиролиза с получением различных продуктов. Такой переработке следует подвергать, например, автомобильные покрышки с металлическим кордом. Так, путем термического разложения резиновых отходов без доступа воздуха при 400-450 °С может быть получено резиновое масло, которое можно использовать в качестве мягчителя в регенератном производстве и в резиновых смесях.

В результате пиролиза измельчённых автомобильных шин при 593-815 °С получают жидкие углеводороды, используемые в качестве топлива и твердый остаток, который можно использовать вместо сажи для производства резиновых технических изделий.

При двухстадийном высокотемпературном (900-1200 °С) пиролизе автомобильных покрышек можно получать сажу для нужд резиновой промышленности, шинный кокс с высокой адсорбционной способностью (в частности, по ионам тяжелых металлов при их извлечении из промышленных сточных вод), горючий газ и сырье для черной металлургии.

Процессу пиролиза отходов, содержащих органические материалы, в настоящее время уделяется большое внимание за рубежом, где работают полупромышленные и промышленные установки относительно небольшой мощности. Ведутся исследования этого процесса и в нашей стране.

5.5. Экологическая характеристика производства химических волокон

В настоящее время промышленность производит химические волокна в виде моноволокна (одиночное волокно большой длины), штапельного (короткие обрезки одиночных тонких волокон) и филаментных нитей (пучков, состоящих из большого количества одиночных тонких волокон, соединенных посредством крутки).

Химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают путем химической переработки природных полимеров (древесная и хлопковая целлюлоза, белки растительного и животного происхождения и пр.). К ним относятся вискозные, медно-аммиачные, ацетатные, белковые и альгинатные волокна. Синтетические волокна производят из синтетических высокомолекулярных соединений, получаемых на основе продуктов переработки каменного угля, нефти и природного газа в процессе полимеризации и поликонденсации. Для получения синтетических волокон используются полиамиды, полиолефины, поливинилхлорид, полиакрилонитрил, поливиниловый спирт, фторсодержащие полимеры. К этим волокнам относятся капрон, анид, лавсан, нитрон, винол, орлон, хлорин, полипропилен, полифен и др.

Процесс получения химических волокон складывается из следующих операций: 1) приготовления прядильных растворов или расплавов; 2) формования волокна; 3) отделки сформованного волокна.

Приготовление прядильных растворов (расплавов) начинают с перевода исходного полимера в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). Затем раствор (расплав) очищают от механических примесей и пузырьков воздуха и вводят в него различные добавки для термо- или светостабилизации волокон, их матировки и т. п. Подготовленный таким образом раствор или расплав подаётся на прядильную машину для формования волокон.

Формование волокон заключается в продавливании прядильного раствора (расплава) через мелкие отверстия колпачка-фильеры в среду, вызывающую затвердевание полимера в виде тонких волокон. В зависимости от назначения и толщины формируемого волокна количество отверстий в фильере и их диаметр могут быть различными. Формование нитей производится двумя способами. По сухому способу прядильный раствор продавливают через фильеру в шахту, где при испарении растворителя в горячем или холодном воздухе образуется филаментная нить. При мокром методе прядильный раствор продавливается через фильеры в осадительную ванну, заполненную смесью воды и растворителей, где и происходит затвердевание нитей. Скорость формования нитей из раствора по «сухому» способу достигает 300-600 м/мин, по «мокрому» способу - 30-130 м/мин. Прядильный раствор (расплав) в процессе превращения струек вязкой жидкости в тонкие волокна одновременно вытягивается (фильерная вытяжка). В некоторых случаях волокно дополнительно вытягивается непосредственно после выхода с прядильной машины, что приводит к увеличению прочности химических волокон и улучшению их текстильных свойств.

Отделка химических волокон заключается в обработке свежесформованных волокон различными реагентами. При этом из волокон удаляются низкомолекулярные соединения, растворители, отмываются кислоты, соли и другие вещества, увлекаемые волокнами из осадительной ванны. Для придания волокнам таких свойств, как мягкость, повышенное скольжение, поверхностная склеиваемость одиночных волокон и других, их после промывки и очистки подвергают замасливанию. Затем волокна сушат на сушильных роликах, цилиндрах или в сушильных камерах. После отделки и сушки некоторые химические волокна подвергают дополнительной тепловой обработке - термофиксации (обычно в натянутом состоянии при 100-180 ⁰С), в результате которой стабилизируется форма пряжи, а также снижается последующая усадка, как самих волокон, так и изделий из них во время сухих и мокрых обработок при повышенных температурах.

Промышленность химических волокон потребляет большое количество воды и различных химических продуктов, таких как серная кислота, едкий натр, сульфат цинка, сероуглерод и др. Например, потребление свежей воды при производстве вискозных волокон составляет 300-1000 м³ на 1 т выпускаемой продукции в зависимости от ассортимента и используемого технологического оборудования. Вода применяется для приготовления технологических и отделочных растворов, промывки волокон, нитей, плёнки, орошения прядильных гнезд, охлаждения оборудования, мойки фильтроматериалов, аппаратов, трубопроводов, ёмкостей. Существующие системы водоснабжения при производстве вискозных волокон являются, как правило, прямоточными и малоэффективными по использованию свежей воды. Коэффициент водооборота составляет 12-27 %.

Производство искусственных волокон связано с выбросом в атмосферу сероводорода и сероуглерода. В среднем по отрасли на 1 т вискозного волокна выбрасывается в атмосферу 0,7-1,0 млн. м³ воздуха с концентрацией сероуглерода 0,23-0,5 г/м³. При производстве вискозного волокна выбросы сероуглерода составляют около 27,5 кг/т, а сероводорода - 3 кг/т продукта.

Снижение выбросов вредных веществ может быть достигнуто в результате осуществления таких мероприятий, как максимальная герметизация прядильно-отделочного оборудования, локализация газовыделения из технологических растворов и из свежесформированного волокна, а также путём перевода побочных продуктов ксантогенирования в устойчивые сернистые соединения (ксантогенат – соединение сероуглерода и целлюлозы).

Очистка вентиляционных выбросов производится на газоочистных установках, где улавливается сероводород и окисляется до элементарной серы, а также регенерируется сероуглерод. Степень регенерации сероуглерода составляет примерно 95-96 %. При этом сероуглерод возвращается в производство вискозного волокна, а также используется для получения тетрахлорметана, оптического стекла и других продуктов. Воздух после газоочистных устройств и от местных отсосов прядильно-отделочного оборудования с небольшим содержанием вредных примесей поступает на установки термического и термокаталитического обезвреживания, после чего, проходя через высокие трубы, рассеивается в атмосфере.

Для улавливания сероводорода и рекуперации сероуглерода из вентиляционных выбросов используется двухступенчатая газоочистка. На первой ступени происходит улавливание сероводорода, например мокрым способом (щелочным раствором гидрохинона или дисульфофталоцианина кобальта) с получением коллоидной серы и тиосульфата натрия в виде товарных продуктов. Для этой цели используются форсуночные скрубберы вертикального и горизонтального типа. Степень извлечения сероводорода 95-100 %. На второй ступени осуществляется регенерация сероуглерода в адсорберах со стационарным слоем адсорбента. В качестве адсорбента применяются активные угли марок АРТ-2 и СКТ-3 с развитым объемом микропор, обеспечивающие высокую степень очистки. Одна типовая установка обеспечивает очистку 450-500 тыс. м³/ч воздуха до остаточного содержания сероуглерода не более 50 мг/м³ .В настоящее время для очистки вентиляционных выбросов внедряются фильтры на основе хемосорбционных и активированных углеволокнистых материалов.

При производстве химических волокон образуется более 10 видов сточных вод, например, кислые цинксодержащие, шламовые воды, целлюлозосодержащие сточные воды и др. Для их очистки применяются локальные установки с последующей доочисткой на общезаводских и городских очистных сооружениях.

В зависимости от принятой технологической схемы очистки сточных вод образуется три вида осадков (шламов): целлюлозные, содовые и известковые. Они сбрасываются и хранятся в шламонакопителях.

5.6. Переработка отходов сернокислотного производства

Серная кислота – один из основных многотоннажных продуктов химической промышленности. Предприятия по производству серной кислоты вносят в окружающую среду значительную часть выбросов соединений серы, в частности, оксида серы (IV) и аэрозолей серной кислоты, что уменьшает выход готовой продукции и загрязняет атмосферу. Загрязнение водоёмов происходит от спуска сточных вод. Поэтому совершенствованию технологии сернокислотного производства постоянно уделяется внимание. В частности, разрабатываются вопросы, связанные с комплексным использованием пиритных огарков, организацией безотходного производства в цветной металлургии, совершенствованием технологии, а также разрабатываются вопросы охраны окружающей среды, гигиенические аспекты организации производства, проведение медико-санитарных мероприятий, предотвращающих заболевание населения, и т.д.

Серная кислота производится двумя способами: нитрозным и контактным, отличающимися друг от друга условиями окисления диоксида серы до серной кислоты.

Сущность нитрозного способа заключается в окислении оксидов серы оксидами азота, растворёнными в серной кислоте. Нитрозный процесс включает стадии: получения диоксида серы; сухой очистки газа; получения серной кислоты (растворением диоксида серы в нитрозе и окисление его оксидами азота); динитрации кислоты; частичного окисления оксидов азота кислородом; поглощения оксидов азота серной кислотой.

Контактный способ основан на окислении диоксида серы кислородом в присутствии катализатора (контактная масса на основе V₂O₅) и включает следующие стадии: получение диоксида серы; сухая очистка газа; мокрая очистка газа; сушка газа; окисление диоксида серы; абсорбция диоксида серы серной кислотой. При улавливании водой или слабой серной кислотой оксида серы (VI) получается концентрированная серная кислота и олеум, содержащий избыток оксида серы (VI).

Основное количество серной кислоты производят контактным методом из SO₂, получаемого путём обжига серного колчедана, сжигания природной или газовой серы, а также при обжиге сульфидов цветных металлов.

При производстве серной кислоты в атмосферный воздух вследствие негерметичности оборудования и неполноты превращения диоксида серы в серный ангидрид выбрасываются значительные количества оксидов серы. Например, при одинарном контактировании степень превращения SO₂ в SO₃ достигает 98 % и содержание диоксида серы в отходящих газах превышает допустимые нормы выброса в атмосферу в 5 и более раз. Поэтому для таких систем предусматриваются специальные установки очистки от ходящих газов. Получение серной кислоты методом двойного контактирования обеспечивает конверсию до 99,8 %, при этом выбросы SO₂ в атмосферу снижаются в 2 - 3 раза по сравнению с одностадийным контактированием и никакой дополнительной очистки газа не требуется. Производительность системы увеличивается на 20-25 %, повышается коэффициент использования сырья.

Неорганизованные выбросы азрозолей серной кислоты от олеумных установок составляют от 0,5 до 5 кг/т готовой продукции.

Для очистки отходящих газов сернокислотного производства наиболее широко используются аммиачные способы: аммиачно-сульфатный с получением товарного сульфата аммония или его растворов и аммиачно-циклический с получением 100 %-ного диоксида серы и товарного бисульфита аммония. Указанные способы очистки газов позволяют утилизировать диоксид серы и одновременно получить ценные продукты. Таким образом, производство серной кислоты постепенно становится безотходным.

При получении диоксида серы из серного колчедана образуется пиритный огарок. Пиритные огарки состоят главным образом из железа (40-63 %) с небольшими примесями серы (1-2 %), меди (0,33-0,47 %), цинка (0,42-1,35 %), свинца (0,32-0,58 %), драгоценных (10-20 г/т) и других металлов.

Выходящий из обжиговой печи газ загрязнён огарковой пылью и другими примесями. Концентрация пыли в диоксиде серы в зависимости от конструкции печей, качества и степени помола сырья составляет от 1 до 200 г/м³. Объём обжиговых газов составляет сотни тысяч кубометров в сутки. Перед переработкой эти газы очищают в циклонах и сухих (агарковых) электрофильтрах до остаточного содержания пыли около 0,1 г/м³. Печные газы подвергают дополнительной очистке путём последовательной промывки охлаждённой 60-75 %-й (в полых башнях) и 25-40 %-й (в насадочных башнях) серной кислотой с улавливанием образующегося тумана в мокрых электрофильтрах. Процесс дополнительной очистки печных газов от пыли сопровождается образованием шламов, накапливающихся в аппаратуре промывного отделения и мокрых электрофильтрах.

Таким образом, твердыми отходами производства серной кислоты из серного колчедана являются пиритные огарки, пыль циклонов и сухих электрофильтров, шламы промывных башен, собирающиеся в отстойниках, сборниках и холодильниках кислоты, и шламы мокрых электрофильтров.

При обжиге серного колчедана отходы пиритных огарков составляют ~70 % от массы колчедана. На 1 т производимой кислоты выход огарка в лучшем случае составляет 0,55 т. Так как сырьем для получения серной кислоты наряду с серным колчеданом, добываемым специально для этой цели, являются отходы, образующиеся при обогащении сульфидных руд флотационным методом и отходы, образующиеся при обогащении каменных углей, то различают три вида пиритных огарков (огарки из колчеданов, огарки из флотационных хвостов обогащения сульфидных руд, углистые огарки), значительно отличающихся друг от друга как по химическому составу так и по физическим характеристикам. Огарки первых двух типов отличаются значительным содержанием меди, цинка, серебра, золота и других металлов.

Утилизация пиритных огарков возможна по нескольким направлениям: для извлечения цветных металлов и производства чугуна и стали, в цементной и стекольной промышленности, в сельском хозяйстве и др. В нашей стране около 75% массы образующихся пиритных огарков находит использование в основном в производстве строительных материалов и в сельском хозяйстве.

Извлечение цветных металлов из огарков. Для извлечения ценных компонентов из пиритных огарков используют различные методы обжига (хлорирующий, сульфатизирующий и др.). Так, если колчедан содержит даже около 0,5 % меди, то огарок целесообразно перерабатывать с целью её извлечения. Для этого наиболее широко используют метод хлорирующего обжига огарка, не только позволяющий извлечь из него 85-90 % всей меди и значительную долю благородных металлов, но и обеспечивающий почти полное обессеривание огарка. Стоимость получаемой меди покрывает все расходы на переработку огарка.

Перед хлорирующим обжигом к огарку примешивают до 20% размолотой NaCl. В процессе обжига протекает ряд реакций, в результате которых медь переходит в растворимое соединение CuCl₂. Сера образует с NaCl сульфат натрия. Оптимальная температура обжига находится в проделах 550-600 °С. При температуре ниже 530 °С в шихте образуется водорастворимый сульфат железа, который мешает качественному проведению процессов выщелачивания и восстановления меди. При температуре выше 600 °С снижается выход основных продуктов реакции.

Для обеспечения полноты химических превращений необходимо перемешивание шихты. Другим условием для нормального течения процесса является достаточное содержание серы в огарке - для перевода всего NaCl в Na₂SO₄. В случае недостатка серы к огарку  добавляют свежий колчедан. Для того чтобы хлорирующий обжиг начался и затем шёл автотермично, достаточно смесь подогреть до 200-300 °С. Обжиг сопровождается выделением оксидов серы и НСI. Кислые газы обжига поглощают водой с получением смеси кислот (НСl и H₂SO₄), которую используют для выщелачивания меди.

Химизм протекающих процессов является достаточно сложным. Вначале происходит окисление сульфидов и образование хлорида железа по следующим реакциям:

2MeS + 3O₂ → 2MeO + 2SO₂,

MeO + SO₂ + 0,5O₂ → MeSO₄,

SO₂ + 0,5O₂ → SO₃,

Fe₂(SO₄)₃ + 6NaCl → 3 Na₂SO₄ + 2FeCl_3.

Затем идет взаимодействие газовой фазы (O₂, SO₂, SO₃, H₂O) с шихтой, которое приводит к формированию газообразных хлорирующих агентов:

2NaCl + SO₂ + O₂ → Na₂SO₄ + Cl₂,

4NaCl + SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄ + 2Cl₂,

2NaCl + SO₃ + H₂O → Na₂SO₃ + 2HCl,

4FeCl₃ + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + 6Cl₂,

2FeCl₃ + 3H₂O → Fe₂O₃ + 6HCl.

Образовавшиеся С1₂ и НСI взаимодействуют с оксидными и сульфидными соединениями находящихся в огарке металлов:

МеS + Сl₂ + 1,5O₂ → МеСl₂ + SO₃,

MeS + Cl₂ + O₂ → MeCl₂ +SO₂,

МеS + 2НСl + 1,5O₂ → МеСl₂ + SO₂ + Н₂O

МеО + 2НСl → МеСl₂ + Н₂O,

2Ме + 3С1₂ → 2МеСl₃.

Суммарно и приближенно процесс хлорирующего обжига относительно меди может быть выражен следующим уравнением:

Cu + 2S + 4NaCl + 3,5O₂ + H₂O → CuCl₂ + 2Na₂SO₄ + 2HCl.

В результате обжига 85-90 % огарковой меди превращается в водорастворимую соль CuCl₂. Из обожженной массы медь выщелачивают теплой водой в несколько стадий: сначала раствором от предыдущих операций, а затем разбавленной кислотой, при помощи которой выщелачивается 6-10 % меди, оставшейся в кеке и не перешедшей в CuСl₂. Выщелачивание ускоряется с повышением температуры. Полученную вытяжку обрабатывают железным скрапом для выделения цементной меди. Эту операцию проводят без доступа воздуха, так как в присутствии кислорода происходят реакции, ведущие к образованию Fe(ОН)_3, который загрязняет получаемую цементную медь. Цементная медь содержит 70-90 % Cu и большое количество загрязнений. Она может быть отправлена на переплавку в черновую медь или использована для получения медного купороса. Отработанный раствор содержит до 100 г/л Na₂SO₄. Его выпаривают или вымораживают для получения Na₂SO₄∙10H₂O.

Степень извлечения меди из огарка составляет 95-96 %. Выщелоченный огарок просушивают в механических печах до влажности 8-10 %, а затем агломерируют или брикетируют с последующим обжигом в печах канального типа при температуре размягчения Fe₂O₃ (≥ 1200 °С). После такой обработки огарок идет на доменную плавку. Переработка 1 т огарка (~ 0,5 % Сu) может дать до 4,5 кг меди и 900 кг агломерата.

Разработан и ряд более прогрессивных процессов обработки пиритных огарков - путём хлоридовозгонки. В одном из таких процессов предусматривается обработка пиритных огарков хлоридом водорода в аппаратах кипящего слоя. При этом в паров фазу в свободном состоянии выделяются хлориды тяжелых металлов и может быть получен оксид железа, пригодный для доменной плавки.

В процессах хлоридовозгонки хлорид водорода можно подавать в газообразном виде, в виде водного раствора или в виде соли (например, NH₄Cl, FeCl₂), легко разлагающейся или гидролизующейся при соответствующей температуре процесса с образованием кислоты.

В процессе обработки пиритного огарка используют до трёх последовательных реакторов кипящего слоя. По одному из вариантов такого процесса в 1-м реакторе поддерживают температуру 600- 800 °С, при которой разлагаются любые сульфаты, оставшиеся в огарке после обжига. Затем огарок направляют во 2-й реактор, где он вступает в контакт с НСl, находящейся в любой из упомянутых выше форм. Обычно НСl подают в реактор при помощи газа-носителя, который может обладать нейтральными, окисляющими или восстановительными свойствами. Характеристику газа-носителя выбирают в зависимости от вида соединений тяжелых металлов, находящихся в огарке. В 3-м реакторе создают восстановительную, среду благодаря чему оксид железа (III) превращается в магнетит. При последующем магнитном обогащении содержание железа в огарке удаётся довести примерно до 70 %. Такой концентрат гранулируют и подогревают в восстановительной среде для превращения магнетита в гематит. Полученные путём описанной обработки гранулы обладают высокой прочностью при сжатии.

Газы, выходящие из реактора гидрохлорирования, содержат хлориды всех цветных металлов, находящихся в огарке, а также избыточные количества НСl и газа-носителя. Эту газовую смесь направляют в абсорбер, где основное количество хлоридов металлов и НСl превращают в концентрированный раствор. Выделение цветных металлов из такого раствора может быть проведено рядом способов в зависимости от того, в каком виде они должны поступать потребителям. Используемый в процессе НСl практически полностью регенерируется.

Несколько отличается от описанного процесс, согласно технологии которого исходный пиритный огарок сушат во вращающейся печи, размалывают и классифицируют с выделением фракции - 0,5 мм, а затем подвергают частичному восстановлению до магнетита.

Восстановление проводят топочными газами в псевдоожиженном слое при 700-850 °С с получением продукта, содержащего 52- 60 % Fе; 0,34-0,98 % Сu; 0,06-1,82 % Рb; 0,5-4,8 % Zn; 1,9-2,5 % S. Восстановленный продукт поступает в хлоратор, где при 900-980 °С в псевдоожиженном слое, создаваемом при подаче смеси хлора с воздухом со скоростью 0,3-0,5 м/с, происходит селективное хлорирование цветных металлов. Огарок после хлорирования содержит 62-65 % Fе; 0,03-0,04 % Cu; 0,04-0,07 % Zn; 0,01-0,06 % Рb; 0,02-0,05 % Аs и 0,03—0,4% S. Его дополнительно восстанавливают до магнетита, затем проводят магнитное обогащение и брикетирование. Получаемые брикеты содержат 63-66 % Fe и обладают высокой прочностью. Их направляют на доменную плавку.

Газы процесса окислительного хлорирования улавливают водой в скруббере Вентури с образованием суспензии, которую направляют на фильтрование. Из получаемого фильтрата извлекают медь и цинк, а из кека, оставшегося на фильтре, - Аg, Аu, Рb.

Использование огарков в доменном производстве. Описанные выше процессы обработки пиритных огарков путём хлорирующего обжига и хлоридовозгонки предусматривают помимо извлечения из них ценных составляющих подготовку огарков для получения на их основе чугуна и стали. В настоящее время эти процессы еще не получили широкого распространения в отечественной промышленности. Между тем, огарки, содержащие 40-63 % железа, представляют собой ценный вид сырья для чёрной металлургии и относятся к суррогатам железных руд.

Основными препятствиями для непосредственного использования пиритных огарков в доменных плавках являются степень их измельчения (что может вызвать забивание доменной печи), значительное содержание в некоторых видах огарков Рb, Сu, Zn, Аs (что осложняет процесс доменной плавки и загрязняет его продукты), а также повышенное содержание серы - даже в хорошо обожженных огарках оно остается в пределах от 1 до 3,5 %, а иногда и выше (что приводит к получению чугуна низкого качества). Тем не менее, некоторое количество пиритных огарков используют в качестве сырья для доменной плавки без предварительного извлечения цветных и драгоценных металлов.

Однако в этом случае перед доменной плавкой необходимо удалить из огарка серу и провести его окускование. Наиболее распространённым процессом для одновременного решения этих задач является агломерация - высокотемпературная обработка огарка, приводящая к выгоранию из него серы и получению кускового материала, пригодного для доменной плавки.

Агломерацию пиритных огарков можно вести в различных установках. Самый распространенный способ агломерации основан на просасывании воздуха через слой спекаемой шихты, находящейся на колосниковой решетке. Устройства для спекания могут быть периодического или непрерывного действия. Наибольшее распространение получили машины непрерывного действия, представляющие собой бесконечную цепь из отдельных тележек (палет), на которых происходит спекание при движения их над вакуум-камерами. На агломерацию поступает шихта из пиритных огарков и топлива (кокса или угля) или в шихту для доменной плавки перед агломерацией добавляют небольшие количества огарков. Подготовительные операции заключаются в подготовке компонентов шихты по крупности, их усреднении по химическому составу, смешивании и увлажнении шихты.

Подготовленную шихту подают в загрузочный бункер агломерационной машины (рис. 5), откуда она поступает на своеобразную ленту, состоящую из отдельных чугунных ящиков-тележек (палет), дно которых представляет собой колосниковую решетку. Шихту поджигают сверху в так называемой запальной камере. Под палетами с горящей шихтой имеются специальные камеры, в которых поддерживается разрежение. Поэтому процесс горения при медленном перемещении палет над вакуум-камерами развивается по направлению сверху вниз. Газообразные продукты горения отводят из машины через вакуум-камеры. Под действием развивающейся в процессе горения шихты высокой температуры огарковая мелочь спекается и одновременно выгорает сера. При опрокидывании палет спекшийся огарок сбрасывается с агломашины на грохот. Мелочь после грохочения возвращается на агломерацию. Крупные куски, являющиеся готовым продуктом, подают на охлаждение и затем подмешивают к агломерированной шихте для доменной плавки.

Рис. 5. Аппарат для агломерации колчеданных огарков:

1 - лента из чугунных ящиков-палет; 2 - запальная камера; 3 - бункер для загрузки смеси огарка с топливом; 4 - камера для отсасывания горячих газов

Наиболее выгодны с экономической точки зрения крупные агломерационные установки, строить которые целесообразно не на сернокислотных, а на металлургических заводах, где помимо пиритных огарков, поставляемых с сернокислотных заводов, можно агломерировать и железосодержащие отходы металлургических производств.

С целью получения качественного сырья для доменной плавки огарки, получаемые из бедных (35-39 % Fе) пиритов, можно подвергать предварительному многостадийному магнитному обогащению, а получаемый при этом концентрат брикетировать и обжигать с получением продукта, содержащего 66,5 % железа и до 0,01 % серы.

Производство пигментов из огарков и огарковой пыли. Небольшие количества огарка и пыли сухих электрофильтров используют для получения минеральных пигментов: железного сурика, мумии, охры. Технология их приготовления может быть различной.

Обычно для получения пигментов типа мумии и железного сурика огарок при нагревании обрабатывают концентрированной серной кислотой. Полученный сульфат железа смешивают с алебастром, мелом, глиной и обжигают в печах. В зависимости от температуры обжига и выбранных добавок в результате химических взаимодействий получают пигменты различных оттенков. Недостатком такой технологии является присутствие в получаемых пигментах серы и её соединений, вследствие чего краски на основе таких пигментов нельзя использовать для покрытия металлических поверхностей, поскольку сера способствует коррозии металла.

Разработана и технология минеральных пигментов, на основе которых получают краски, пригодные для покрытия всевозможных поверхностей, в том числе и металлических. Согласно этой технологии, исключающей использование серной кислоты, для приготовления пигмента типа железного сурика используют фракцию огарка 1,3-0,27 мм, наиболее богатую оксидом железа. Этот огарок измельчают, сушат и прокаливают перед смешением с наполнителями.

На рис. 6 приведена технологическая схема производства сухих минеральных пигментов типа железного сурика из огарка. Согласно приведенной схеме, огарок поступает на сита, откуда фракцию с размером зерен 0,5-2 мм подают в шаровую мельницу. Измельчённый огарок промывают водой. При этом удаляются водорастворимые соли железа, цинка, меди, вызывающие коррозию металлических поверхностей, и частично - элементная сера. Промывку проводят горячей (60-80 °С) водой при перемешивании, которое чередуют с получасовым отстаиванием, до исчезновения окраски, вызываемой растворимыми солями. Отмытый огарок подсушивают глухим паром и подают на обжиг при 850-900 °С во вращающуюся печь. Целью обжига является удаление из огарка влаги и серы (из сульфидов и оставшихся сульфатов). Сера и сернистые соединения, содержащиеся в огарке, влияют на свертываемость краски, на чём построен контроль за качеством. Полученный после обжига полуфабрикат (до 90% Fе₂О₃) размалывают и смешивают с наполнителями для получения готового продукта.

Огарковая пыль, осаждаемая в сухих электрофильтрах, отличается от огарка несколько большим содержанием водорастворимых солей железа. Её используют как сырьё для получения пигментов типа желтой охры. Нерастворимый остаток, состоящий в основном из оксида железа, служит в этом случае сырьём для приготовления пигментов типа мумии.

Технологический процесс получения желтой охры и мумии (рис. 7) заключается в следующем. Огарковую пыль подают в реактор-растворитель, где её перемешивают с водой и воздухом в течение 20-25 мин. Затем раствор отстаивают в течение 8 ч. Окрашенную жидкую фазу откачивают в смеситель, куда добавляют мел (или штыб) и глину. В смесителе протекает реакция:

Fе₂(SO₄)₃ + ЗСаСО₃ → Fе₂O₃ + 3СаSО₄ + 3СO₂,

в результате которой получают насыщенный влагой осадок гипса с глиной. Эту массу высушивают при 800 ^оС и подают в шаровую мельницу, из которой выходит готовый продукт - сухой минеральный пигмент типа желтой охры.

Рис. 6. Схема производства железного сурика из огарка:

1 - сито; 2, 6 - шаровые мельницы; 3 - промывной чан; 4 - сушилка; 5 - обжиговая печь; 7 - смеситель

Рис. 7. Схема производства жёлтой охры и мумии из огарковой пыли:

1 – реактор-растворитель; 2 - смеситель; 3, 5 — сушилки; 4, 7 - шаровые мельницы; 6 — обжиговая печь

Осадок из реактора-растворителя в виде влажной массы (91 % Fе₂O₃; 3,7 % FeS; 5,3 % балласта) сушат при температуре до 100 °С. Полученную массу передают в печь, где при 800-900 °С из оставшихся соединений выжигается сера. Полупродукт (95% Fе₂О₃) из печи поступает на измельчение в шаровую мельницу, куда одновременно подают глину (15 %). Выходящий из мельницы готовый продукт - минеральный пигмент типа мумии поступает на затаривание.

Получаемые согласно описанным процессам минеральные пигменты являются стабильными по цвету и неизменяемыми во времени. Масляная краска на их основе не сворачивается, а известковая хорошо схватывается.

Другие направления использования огарков. Как отмечалось выше, наибольшее количество пиритных огарков в нашей стране используется в промышленности строительных материалов, где они служат в качестве добавки к шихте для получения цемента. Другим значительным потребителем пиритных огарков является сельское хозяйство, где их применяют в качестве удобрений, содержащих медь.

В значительно меньших масштабах пиритные огарки используются в цветной металлургии - в качестве железосодержащих флюсов, в промышленности строительных материалов - в качестве железистого красителя, для получения инсектицидов, а также по ряду других направлений, где их потребление является крайне незначительным по сравнению с имеющимися ресурсами.

Извлечение селена из шламов. В колчеданах, применяемых для производства серной кислоты, содержится 0,002-0,02 % селена, являющегося химическим аналогом серы, поэтому при обжиге колчеданов наряду с SО₂ образуется SeO₂. Поскольку селен встречается в природе в очень малых концентрациях (от десятитысячных до тысячных, редко до сотых долей процента) в виде соединений, сопутствующих сульфидам металлов (Fе, Сu, Zn), то отходы переработки пирита в сернокислотном производстве являются одним из основных источников получения селена. Основная его часть выделяется со шламами в промывных башнях и мокрых электрофильтрах системы очистки обжиговых газов.

Механизм выделения селена из обжиговых газов достаточно сложен. При очистке обжигового газа SeO₂ поглощается туманом и каплями орошающей серной кислоты. Растворимость SeO₂ в серной кислоте высока и увеличивается с повышением температуры. Растворяющийся в серной кислоте SO₂ восстанавливает SeO₂:

SeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O → Se + 2H₂SO₄.

Одновременно происходят процессы образования политиоселеновых кислот (типа Н₂SeS₂O₆) и селенистой кислоты:

SeO₂ + 3SO₂ + 2H₂O →  Н₂SeS₂O₆ + Н₂SO₄,

SeO₂ + Н₂O → H₂SeO₃.

Селенистая кислота и селенополитионаты устойчивы при температурах ниже 70 °С. При более высоких температурах они разлагаются по реакциям:

H₂SeO₃ + 2SO₂ + H₂O → Se + 2H₂SO₄,

H₂SeS₂O₆ → Se + H₂So₄ + SO_2.

Восстановление SеО₂ наиболее полно проходит в разбавленных кислотах. Образующийся металлический селен осаждается вместе с частицами пыли из кислоты промывных башен в отстойниках, сборниках и холодильниках кислоты в виде шлама, называемого бедным. Такой шлам содержит обычно до 5% селена. На новых заводах для выделения селена со шламом предусмотрено фильтрование кислоты первой промывной башни.

Другая часть металлического селена осаждается вместе с сернокислотным туманом и остатками пыли в мокрых электрофильтрах. Из-за небольшого содержания пыли осадок здесь содержит много селена (до 50 %) и носит название богатого шлама. Весь селен, осаждающийся в процессе очистки газа, примерно поровну распределяется между бедным и богатым шламом.

Известно несколько способов переработки шламов газоочистки сернокислотного производства с целью выделения селена. Один из наиболее распространенных способов заключается в следующем. Собираемый при очистке холодильников, отстойников и сборников кислоты промывных башен бедный шлам разбавляют водой и прогревают острым паром для более полного выделения металлического селена. Образующуюся при этом пульпу фильтруют и полученный осадок промывают водой и 0,5 %-м раствором соды. Затем шлам сушат при 90-100 °С. Аналогичным образом обрабатывают и богатый шлам из мокрых электрофильтров.

Для последующего обжига с целью получения техническою селена на основе получаемых шламов приготовляют усреднённую шихту, содержащую 10-12 % селена. На 1 т сжигаемого колчедана получается 10-50 г селена и расходуется 10-20 г соды, 10-20 г Fе₂(SO₄)₃, который добавляют для ускорения осаждения селена при промывке электрофильтров, и 5-10 кг пара.

Степень извлечения селена из колчедана составляет 30-60 %.

5.7. Производство искусственных минеральных красок

Производство искусственных минеральных красок отрицательно влияет на состояние атмосферы, гидросферы, а также на состояние людей, проживающих рядом с центрами этого производства.

Воздух, выбрасываемый от окрасочно-сушильного оборудования, загрязнен парами растворителя и красочным аэрозолем. Наибольшее количество вредных выделений поступает в воздушную среду при окраске методами распыления. Для пневматического ручного распыления при производительности по лакокрасочному материалу 600 г/мин количество вредных выделений, поступающих в воздушную среду, по красочной пыли -180 г/мин, по парам доминирующего растворителя - 150 г/мин. Для электростатического метода нанесения с механическим распылением при производительности по лакокрасочному материалу (ЛКМ) 100 г/мин количество вредных выделений, поступающих в воздушную среду, по красочной пыли - 0,3 г/мин, по парам доминирующего растворителя - 50 г/мин.

Окраска окунанием может свести потери лакокрасочных материалов до минимума, однако, загрязнение окружающей среды при этом происходит за счет токсичных паров растворителей, выделяющихся в атмосферу. В этом случае можно достичь положительных результатов при применении окрасочных материалов, выделяющих пары менее токсичных растворителей. В последние годы создано много окрасочных материалов, обладающих менее вредным влиянием на окружающую среду и ее обитателей.

Разработаны новые технологические процессы окрашивания методом электроосаждения, которые при использовании мембранных методов очистки сточных вод позволяют создавать практически безотходные технологии. Использование фильтров на молекулярном уровне позволяет выделять из окрасочного состава фильтрат, который используется для смыва лишнего, не закрепленного на окрашиваемом изделии окрасочного состава. Ранее эта часть окрасочного состава смывалась промывными водами и загрязняла окружающую среду. При использовании мембранной технологии смываемая фильтратом краска возвращается в окрасочную ванну и полностью используется для окраски.

В настоящее время интенсивно внедряются в промышленность технологические процессы для окраски порошковыми материалами и ряд других прогрессивных способов.

К тяжелым последствиям приводит вредное воздействие промышленных отходов лакокрасочных производств на водные ресурсы. При производстве работ по нанесению ЛКМ используется большое количество воды в качестве растворителя для различных химикалиев, применяемых для предварительной обработки поверхности перед окраской, промывки и гидроочистки загрязненного аэрозолями ЛКМ воздуха и других технологических нужд.

В процессе эксплуатации окрасочного оборудования периодически образуются сточные воды, которые требуют специальной очистки перед сбросом в канализационные системы, так как в водоемах нашей страны содержание токсичных веществ лимитируется.

Методы очистки сточных вод зависят от состава загрязнений в них. В окрасочных цехах и отделениях сточные воды имеют различные примеси: вода от агрегата подготовки загрязнена составами для обезвреживания, фосфатирования; от камер и установок окрашивания - ЛКМ и растворителями.

Существуют три основных вида очистных сооружений для сточных вод - локальные, заводские, районные или городские.

Назначение локальных или цеховых очистных сооружений заключается, прежде всего, в обезвреживании сточных вод или извлечении ценных компонентов непосредственно после технологических установок и цехов. На локальных установках очищают сточные воды, которые нельзя направлять без предварительной очистки в систему повторного и оборотного водоснабжения, на общезаводские либо районные очистные сооружения. К ним можно отнести установки механической очистки воды от скоагулированной краски, коагуляции, фильтрования промывных вод установок электроосаждения, ультрафильтрации и др.

Многие крупные предприятия располагают общезаводскими очистными сооружениями. Наиболее современные из них включают установки для механической, физико-химической и биологической очистки.

Районные или городские очистные сооружения предназначены для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. В последних регламентируется содержание растворимых, взвешенных и всплывающих веществ, продуктов, способных разрушать или засорять коммуникации, взрывоопасных и горючих веществ, а также температура.

Выбор метода очистки зависит от концентрации загрязнений в сточных водах и количества твердых отходов, образующихся при нанесении лакокрасочных покрытий.

Вопросы утилизации различных отходов ЛКМ, получающихся в процессах окрашивания и подготовки поверхности перед окрашиванием, решаются в зависимости от технологии окраски, типа производства, его месторасположения и ряда других факторов.

Большую часть отходов ЛКМ составляют технологические потери, которые зависят от способа нанесения покрытий и группы сложности покрываемых деталей.

Все подлежащие утилизации и переработке отходы собирают и направляют на утилизацию в пастообразном или твердом состоянии.

В основном отходы ЛКМ сжигают в кострах или с помощью специальных установок, что нельзя признать рациональным и экономичным. Сжигание в кострах - трудоемкий процесс, требующий большого расхода топлива и небезвредный для окружающей среды, так при этом в атмосферу выделяется большое количество продуктов неполного сгорания веществ.

Наиболее безвредным является сжигание в установках бездымного сжигания обводнённых горючих отходов типа “Вихрь”. Эти установки предназначены для локального уничтожения горючих отходов, содержащих до 65 % воды.

В ряде случаев отходы ЛКМ с разрешения санитарно-эпидемиологических станций захоранивают на специальных полигонах или в отвалах. Однако главным направлением обезвреживания промышленных отходов является их использование, переработка и организация малоотходных производств. Наиболее рациональна переработка отходов ЛКМ в лакокрасочные материалы.

Нанесение ущерба земельным ресурсам происходит в основном за счет выбросов отходов ЛКМ, слива на почву составов химической обработки и обезвреживания. Отходы краски и химикалии, слитые на почву, делают её непригодной для хозяйственного использования на многие годы. Постепенно изо дня в день отчуждаются все новые и новые участки земли, куда сваливают промышленные отходы, в том числе и отходы ЛКМ.

5.8. Производство аммиака, азотной кислоты, азотных удобрений

В основе производства синтетического аммиака, из которого получают азотную кислоту, аммиачную селитру, карбамид и другие продукты, лежит фиксация азота из атмосферного воздуха. В качестве источника сырья водорода используются природный или коксовый газ. Реакция синтеза водорода и азота проходит при высоких температуре и давлении. Производство аммиака и получение водорода, на долю которого приходится до 80 % себестоимости продукции, довольно сложны. Только получение водорода конверсией природного газа водяным паром включает шесть стадий. Основные стадии процессов синтеза аммиака можно изобразить следующими уравнениями:

СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂ ; СО + Н₂О = СО₂ +Н₂ ; N₂ + 3Н₂ = 2NН₃.

Из системы продувки, регенерации и конверсии газов при операциях переливания готовой продукции выделяются в атмосферу оксиды углерода, аммиак и метан. Удельные выбросы от производства аммиака с метанатором составляют, кг/т продукции: аммиака - 100, метана - 45; а от производства с абсорбером оксидов углерода и системой регенерации выбросы составляют: оксида углерода (II) - 100, аммиака - 105, метана - 45.

Уменьшение этих выбросов достигается за счет внедрения новых мощных агрегатов синтеза (400—500 тыс. т/год), применения продувочных газов в производстве и сжигания на свече, использования оксида углерода (IV) для синтеза карбамида (мочевины). Мочевина применяется для нужд животноводства, в качестве удобрения, а также для синтеза других органических соединений. Применение двухступенчатых орошаемых скрубберов позволяет обеспечить эффективность очистки до 99 %.

При производстве карбамида атмосфера загрязняется аммиаком и пылью. Установка конденсаторов-промывателей, абсорберов, проведение кислотной промывки газов, изменение конструкции гранулировочных башен привели к снижению этих выбросов, исключили образование мелкой фракции пыли.

За последние десятилетия изменение технологии, наращивание единичных мощностей привели к глубоким изменениям в структуре азотной промышленности, что положительно отразилось и на окружающей среде.

Получение азотной кислоты из аммиака происходит путем его окисления до оксидов азота при высокой температуре в присутствии катализаторов (платина и её соединения) и поглощения их водой с образованием слабой азотной кислоты. Реакции происходят в такой последовательности:

4NН₃ + 5О₂ = 4NO + 6Н₂O; 2NO + О₂ = 2NO₂; 3NO₂ + Н₂O = 2HNO₃ +NO.

Анализ сложного технологического процесса получения аммиака, а из него оксидов азота и азотной кислоты показывает, что рабочие могут подвергаться воздействию врёдных газов (оксиды углерода, сероводород, аммиак, оксиды азота). В связи с тем, что некоторые процессы проходят при высоких давлениях и температуре, вероятность загрязнения воздушной среды увеличивается. Кроме того, существует опасность химических ожогов азотной и серной кислотами.

Многие газы, участвующие в химических процессах данного производства, способны образовывать с воздухом взрывчатую смесь. Так, для аммиака нижний предел взрываемости составляет 16, а верхний - 27 %, для оксида углерода (II) соответственно 12,5 и 75 %, водорода - 4 и 75 %, метана - 4,5 и 16 %, сероводорода - 4,5 и 46 %.

Концентрирование азотной кислоты осуществляется с помощью крепкой серной кислоты путем дегидратации в колонне. При этом воздух может загрязняться оксидами азота (нитрогазы), образующими непостоянную смесь оксида азота (II), оксида азота (IV) и других оксидов азота, а также туманом азотной кислоты.

Для снижения и ликвидации выбросов азота («хвостовых газов», «лисьих хвостов»), которые могут достигать 5-12 т в сутки, внедряется каталитическое восстановление на палладиевом или ванадиевом катализаторе. Созданы установки для селективного восстановления оксидов азота аммиаком на катализаторе из редкоземельных металлов. При исходной концентрации оксидов азота 1000 - 3000 мг/л, температуре 480 ⁰С и соотношении NH₃/NO₂ = 1 улавливается 95-99 % оксидов азота.

При получении концентрированной азотной кислоты выделяющиеся от конденсаторов оксиды азота улавливаются в абсорберах. Удельные выбросы оксида азота (IV) могут составлять 25-27,5 кг/т кислоты.

Выбросы оксидов азота в зависимости от способа производства азотной кислоты представлены в табл. 3.

Минимальными удельными выбросами, как видно из табл. 3, обладают системы, работающие под давлением 0,73 МПа. Эти системы снабжены узлами каталитической очистки газов на палладиевом катализаторе. Для восстановления используется метан:

4NO + СН₄ = 2N₂ + СО₂ + 2Н₂O.

После доочистки в отходящих газах может быть 0,005 об. % оксидов азота, что отвечает санитарным нормам.

Таблица 3.

Состав выбросов оксидов азота

Давление	Концентрация производимой азотной кислоты, %	Количество выбрасываемых оксидов азота, %
Атмосферное	22,0	20,4
0,3 МПа	65,0	79,0
0,73 МПа	13,0	0,6
Всего	100,0	100,0

В ближайшее время в азотнокислотном производстве так называемые «лисьи хвосты» будут ликвидированы, так как старые технологические схемы заменят на новые, работающие под давлением 0,73 МПа и имеющие мощность 120 тыс. тонн кислоты в год, а в недалеком будущем - 400 тыс. т/год слабой азотной кислоты.

В настоящее время производство аммиачной селитры, карбамида и комплексных удобрений развивается в направлении наращивания единичных мощностей агрегатов, совершенствования отдельных стадий и максимального снижения отходов, выбрасываемых в окружающую среду. При производстве аммиачной селитры, которую получают путем взаимодействия азотной кислоты с аммиаком (нейтрализация, концентрирование раствора, сушка и гранулирование), внедряются установки мощностью 450 тыс. т/год. На них осуществлен ряд новых технических решений, позволивших устранять загрязнение конденсата сокового пара аммиачной селитры, уменьшить потери готовой продукции после гранулирования. Сейчас выбросы пыли при производстве аммиачной селитры достигают 3,7, оксидов азота - 1,95, аммиака - 1,9 кг/т готовой продукции.

Для очистки выбросов применяют скрубберы и циклоны. Уменьшить указанные потери можно также с помощью различных фильтрующих материалов.

При производстве карбамида можно достичь подобного эффекта при гранулировании его в жидких, инертных по отношению к карбамиду растворителях с температурой кипения и кристаллизация выше и ниже температуры расплава и затвердевания карбамида (жирные спирты, сульфированный керосин, дизельное топливо и др.). Возможны и другие пути уменьшения потерь в производстве азотных удобрений.

В целях охраны окружающей среды перспективными представляются методы фиксации атмосферного азота с применением плазмохимических реакций. Совмещение плазменного процесса с разложением фосфорсодержащего сырья в атмосфере воздуха с одновременной фиксацией азота даст возможность получить из оксида фосфора (V) и оксидов азота смесь фосфорной и азотной кислот для производства комплексных удобрений с одновременным обесфториванием продуктов и отсутствием фосфогипса. Известен также способ фиксации азота из атмосферного воздуха с использованием естественных ферментов, в состав которых входит металлы. Он может быть в будущем использован также для синтеза углеводородов из оксида углерода (IV) и соды.

Анализ особенностей производства аммиака и продуктов на его основе показывает, что благодаря научно-техническому прогрессу появляются возможности получения необходимых продуктов с одновременным снижением отрицательного воздействия на окружающую среду и здоровье людей.

5.9. Производство кальцинированной соды

Кальцинированная сода Na₂CO₃ - важный химический продукт, широко применяемый в различных отраслях народного хозяйства и быту. В мире ежегодно производится её свыше 20 млн. тонн. Во всех странах, кроме США, где имеются ее природные залежи, соду получают в основном по аммиачно-содовому процессу (метод Сольвэ), используя аммиак, поваренную соль, известняк, известковое молоко. Аммиак получают из коксохимических заводов. При обжиге известняка получают углекислоту, а после гашения водой уже обожженного известняка - известковое молоко. В основе производства кальцинированной соды лежат такие химические реакции:

NaСI + 4NН₃ + СО₂ + Н₂O = NaНСО₃ + NH₄Cl ;

2NH₄Cl + Са(ОН)₂ = 2NН₃ + СаСI₂ + 2Н₂O;

2NaНСО₃ = Na₂CO₃ + СО₂ + Н₂O.

Однако производство соды служит источником загрязнения воздуха оксидами углерода и аммиаком. Энергетические установки, работающие на сернистом мазуте, выбрасывают в атмосферу также сернистый газ, а известково-обжиговые печи являются источником загрязнения оксидами кальция и углерода. На конечном этапе производства возможно выбрасывание пыли кальцинированной соды.

При получении 1 т кальцинированной соды на конечной стадии производства образуется около 1 т хлорида аммония, раствор которого обрабатывают известковым молоком для регенерации аммиака. В результате этого выделяется дистиллерная жидкость, представляющая собой суспензию нерастворенных соединений в растворе хлоридов кальция и натрия, которую направляют в отстойники-шламонакопители, так называемые «белые моря». Они представляют собой емкости, обвалованные земляными дамбами большой высоты, и занимают большие площади. Таким образам один содовый завод «захватывает» 3-4 га земли ежегодно. Общее количество отходов содовой промышленности определяется в количестве 200 млн. м³/год. Отчуждение земли от сельскохозяйственного пользования приносит большие убытки. Кроме того, легкорастворимые соединения содовых заводов интенсивно загрязняют подземные и поверхностные воды, усиливают минерализацию почвы в соседних с заводами районах, что отрицательно сказывается на их экономическом режиме и на здоровье населения.

Наносимый ущерб окружающей среде можно уменьшить, если вместо хлорида натрия использовать нитрат натрия. Тогда из отходов производства можно изготовлять содово-аммиачную селитру для нужд сельского хозяйства. Распространению такой технологии препятствует значительное удорожание производства за счет использования дорогостоящего коррозионно-стойкого оборудования.

Исследования химического состава твёрдого остатка дистиллерной жидкости показали присутствие в нём ряда оксидов, обладающих вяжущими свойствами. В СССР были разработаны различные варианты технологии вяжущих материалов на основе дистиллерных шламов содовых производств. В соответствии с наиболее простым из них дистиллерный шлам, влажность которого составляет 25-30 %, экскаватором отбирают из шламонакопителя, подсушивают и затем измельчают с кварцевым песком (82,2-86,3 % SiО₂) в шаровой мельнице. Получаемый при этом продукт представляет собой бесклинкерный вяжущий материал автоклавного твердения с достаточно сложным химическим составом. Однако из-за низкой активности исходного дистиллерного шлама, содержание активных СаО и МgО в котором составляет 12-14 %, получаемые на основе такого вяжущего изделия обладают невысокой прочностью, примерно соответствующей маркам 200-230. Обеспечение стабильных прочностных характеристик, кроме того, осложнено непостоянством состава дистиллерного шлама, затрудняющим оптимизацию состава получаемого вяжущего материала.

Включение в технологию стадии обжига сырьевых материалов при 800 -1050 °С позволяет устранить перечисленные недостатки: при оптимальном режиме обжига получаемый продукт характеризуется содержанием активных СаО и МgO ≥ 40 %, что обеспечивает возможность достижения прочности затвердевшего камня на его основе, соответствующей марке вяжущего 500. На основе получаемого вяжущего в СССР в промышленных масштабах было организовано производство блоков ячеистого бетона по литьевой технологии.

В опытно-промышленных масштабах на основе дистиллерного шлама содового производства на Стерлитамакском ПО «Сода» реализована технология автоклавного вяжущего известково-белитового типа, характеризующегося высокими физико-механическими свойствами, относительной простотой производства и высокой эффективностью применения. По существу, она мало отличается от традиционной технологии производства известково-белитовых вяжущих материалов и включает совместную сушку дозируемых дистиллерных шламов (кальциевый карбонатный компонент) и кварцевого песка (кремнеземистый компонент) с последующим обжигом высушенной смеси. Однако присутствие в перерабатываемых отходах содового производства таких эффективных минерализаторов, как СаСl₂, и гипс способствует значительной интенсификации процессов минералообразования во время обжига. Продуктом обжига является серый сыпучий материал с размерами зерен 1-2 мм. Его охлаждают в барабанном холодильнике до 90 °С и отправляют на склад готовой продукции. На основе получаемого вяжущего на Стерлитамакском заводе строительных материалов организовано производство силикатного кирпича по традиционной (как при использовании извести) технологии. Экономический эффект от внедрения такого вяжущего вместо извести на этом заводе оценен в 400 тыс. руб/год.

Таким образом, имеющийся производственный опыт указывает на эффективность утилизации дистиллерных шламов содовых производств в качестве сырья для производства бесцементных вяжущих материалов.

Наряду с перечисленными направлениями утилизации дистиллерных шламов содовых производств перспективным считают их использование (через бесцементное вяжущее) для замены цемента при приготовлении тампонажных материалов, для производства асфальтобетонов (в качестве активизатора гидратации и наполнителя) и по некоторым другим технологическим направлениям.

Более перспективным может быть метод комплексной, переработки нефелинов - отходов производства апатита. Сущность процесса заключается в спекании нефелина с известняком и последующем выщелачивании оксида алюминия. Раствор для выщелачивания сначала подвергают обескремниванию, а затем карбонизации, т. е. обработке оксидом углерода (IV), в результате чего выделяется оксид алюминия. При упаривании раствора выделяются карбонаты натрия и калия (сода и поташ). Тогда в технологическом процессе исчезнут «белые моря». Сода, получаемая таким методом, имеет в 1,5 раза большую насыпную массу, чем сода, полученная по методу Сольвэ. Глинозем может быть использован для получения алюминия. В целом, при получении 1 т глинозема во время комплексной переработки нефелина можно производить до 0,76 т «тяжелой соды», 0,28 т поташа и до 11 т портландцемента. Распространение этого метода в нашей стране поможет перейти на безотходную технологию производства кальцинированной соды.

5.10. Производство каустической соды и ацетальдегида

Каустическая сода NaОН используется для синтеза многих неорганических и органических соединений и материалов (различные соли, искусственные волокна, бумага и др.). Соду получают в основном электролизом раствора поваренной соли в электролизерах с ртутным катодом или диафрагмой. Этим методом в мире производят 15 млн. т каустической соды. Недостаток этого метода заключается в образовании сильно токсических отходов, содержащих ртуть, что опасно для людей, и способствует загрязнению окружающей среды. Этому не могут препятствовать даже современные методы очистки, улавливания и повторного использования. При электролизе, кроме паров ртутьсодержащих соединений, в воздух выделяется и значительное количество хлора, который получают для технических целей. Соединения ртути, переходящие в раствор, могут поступать со сточными водами в водоемы и отравлять их. К тому же при разложении амальгамы в полученном растворе едкого натра образуется определенное количество хлорида ртути. Он может загрязнять другую продукцию, при изготовлении которой применяется едкий натр. Большие потери ртути возможны также при чистке электролизеров и в случае различных неполадок в технологическом процессе.

По данным А.П. Цыганкова, если даже при производстве каустической соды на каждую тонну готового продукта теряется 10 г ртути, то количество потерь составит 30 тонн в год. Установка мощностью 100 т. хлора в сутки соответственно может дать 10 т. потерь.

Таким образом, опасность отрицательного влияния этих веществ на окружающую среду весьма велика, что и подтверждают результаты многих исследований. При этом учитывается, что ПДК для соединений ртути в атмосфере составляет 0,01 г/м³, а этилртути (при производстве ацетальдегида) в воде - 0,005 г/м³.

Соединения ртути используют при получении ацетальдегида по реакции Кучерова. Гидратацию ацетилена ведут в присутствии сульфата ртути (II) которая образуется непосредственно в гидрататоре при взаимодействии металлической ртути с сульфатом железа (III). Кроме указанных выше загрязнений, в этом процессе в качестве отходов образуются органические соединения ртути, которые очень опасны, так как являются протоплазменными ядами. При производстве, например, 100 тыс. т. ацетальдегида в окружающую среду может поступать до 15 т. ртути.

Сложность ликвидации паров ртути заключается в том, что при охлаждении она конденсируется в виде тонкодисперсных капелек, которые потоком воздуха могут уноситься на большие расстояния. Пары ртути могут поглощаться стенами помещений, а потом испаряться снова и загрязнять атмосферу производственных помещений, создавая опасность хронического заражения работающих, поскольку ртуть может накопляться в организме людей и отрицательно действовать на процессы жизнедеятельности.

Наиболее эффективной является мокрая очистка ртутьсодержащих газов с помощью растворов перманганата калия, но для этого следует вводить дополнительные технологические стадии выделения и регенерации ртути. Предотвратить уносы воздухом тонкодисперсных капелек ртути можно также с помощью сложных конденсаторов, в которых используются дорогостоящие компрессоры. Почти в 30-35 раз уменьшает потери ртути в указанных производствах использование молекулярных сит, в особенности серебросодержащих цеолитов типа Х.

Несмотря на определенные технологические успехи, обезвреживание и регенерация ртути на современном уровне развития науки и техники представляют собой очень сложную и серьезную задачу.

Пока недостатки ртутного и диафрагменного методов получения каустической соды могут быть устранены другим методом электролиза, в котором применяются ионообменные мембраны, обладающие способностью пропускать в катодное пространство только ионы натрия. В таком случае образуется щелочь высокой степени чистоты и концентрации. Смолы, используемые для изготовления таких мембран, должны быть стойкими к действию агрессивных продуктов, образующихся во время электролиза. Для этих целей предложены мембраны из катионообменного фторопласта - сополимера тетрафторэтилена и перфторалкилвинилового эфира с введёнными сульфогруппами. Такие мембраны могут быть изготовлены из синтетических смол, поры которых заполнены гидрооксидами титана, циркония и других металлов.

Загрязнение ртутью и её производными в производстве ацетальдегида можно предотвратить, заменив катализаторы. Так, вместо сульфата ртути используются оксиды кадмия и фосфора, а процесс гидратации ацетилена проводится над ними в паровой фазе. Тогда отходами являются только отработанные катализаторы, но они должны быть специально обработаны, поскольку соединения кадмия также опасны для человека и окружающей среды. По сравнению с существующим, этот способ получения ацетальдегида менее рентабелен.

Поэтому, учитывая высокую стоимость очистки сточных вод и газов от загрязнений ртутью и кадмием, целесообразно внести в будущем изменения в технологию этих производств с тем, чтобы полностью исключить токсические химические вещества. Это будет способствовать улучшению здоровья людей и оздоровлению окружающей среды в целом.

5.11. Экологическая характеристика производства калийных удобрений

Калийные минеральные удобрения представляют собой природные или синтетические соли и содержат питательный элемент в форме иона К⁺. В зависимости от природы аниона калийные удобрения подразделяются на хлоридные и бесхлоридные.

К калийным удобрениям хлоридного типа относят природные минералы (каинит, сильвинит), продукты промышленной переработки минералов (хлорид калия), смешанные калийные соли, полученные смешением природных минералов с хлоридом калия, электролитные растворы (побочный продукт электролиза карналита). К бесхлоридным калийным удобрениям относятся сульфат калия и калимагнезия (двойная соль сульфата калия и сульфата магния). Все калийные удобрения растворимы в воде. Их выпускают в кристаллическом и гранулированном виде.

В настоящее время основным калийным удобрением, обеспечивающим свыше 95% потребностей сельского хозяйства, является хлорид калия. Важнейшим калийным минералом является сильвинит - смесь сильвина КСl и галита NaCl, содержащая в качестве примесей нерастворимые вещества. Нерастворимые или труднорастворимые в воде минералы в настоящее время не используют для производства калийных удобрений, однако переработка их в глинозем (например, нефелина) сопровождается получением калийных солей как побочных продуктов. Потенциальным источником сырья для производства калийных удобрений может стать Мировой океан, в водах которого концентрация калия достигает 0,07 %.

Существуют два метода производства хлорида калия из сильвинита: флотационный и галургический. Флотационный метод выделения хлорида калия из сильвинита основан на флотогравитационном разделении водорастворимых минералов калийной руды в среде насыщенного ими соленого раствора. Это достигается селективной гидрофобизацией поверхности частиц калийных минералов с помощью флотореагентов-собирателей.

Флотационный метод эффективен при извлечении хлорида калия из высококачественных сильвинитовых руд, содержащих незначительное количество шлама. Степень извлечения хлорида калия достигает 90-92 %, а готовый продукт (концентрат) содержит 93-95 % соли.

Галургический способ выделения хлорида калия из сильвинита или метод избирательного растворения и раздельной кристаллизации основан на различии температурных коэффициентов растворимости хлоридов калия и натрия при их совместном присутствии. Этот метод позволяет комплексно перерабатывать полиметаллические руды, извлекая из них все полезные компоненты, в том числе хлориды магния, бромиды и пищевой хлорид натрия.

При проведении основных стадий технологического процесса получения калийных удобрений (дробление руды, сушка готового продукта и грануляция) в атмосферный воздух поступают пыль сильвинита, хлорид калия, хлорид водорода, амины и другие вещества. Кроме того, при сушке хлорида калия в атмосферу выделяются с дымовыми газами оксиды азота, серы, углерода, сажа и другие продукты неполного сгорания топлива. В связи с этим все источники газо- и пылевыделения оборудуются системами двух- или трехступенчатой очистки и обезвреживания выбросов.

При переработке и обогащении сырья в калийной промышленности ежегодно образуются миллионы тонн твердых галитовых отходов и сотни тысяч тонн глинисто-солевых шламов. Так, на 1 т КСl, производимого из сильвинитовых руд, в виде отвала образуется 3-4 т галитовых отходов и 0,6 м³ глинисто-солевых шламов. Некомплексная переработка сильвинита, непрерывный рост объёма складируемых отходов и глинисто-солевых шламов приводят к отчуждению больших территорий сельскохозяйственных площадей. Площадь, занимаемая солеотвалами, превышает 700 га, а шламохранилищами – 850 га. Кроме того, вместе с галитовыми отходами теряется около 950 тыс. тонн хлорида калия, а с глинисто-солевыми шламами потери продукта превышают 1,1 млн. тонн в год. Для обеспечения снижения потерь полезного компонента при переработке сильвинита необходимо организовать полную утилизацию глинисто-солевых шламов, что позволит не только увеличить объём выпускаемой продукции, но и значительно уменьшить площадь земель, занимаемых складируемыми отходами, снизить экологический ущерб.

За рубежом солевые отходы в небольшом объеме используют в качестве вторичного сырья для получения поваренной соли, практикуют их сброс в поверхностные водотоки и в море, часть твердых отходов направляют на закладку выработанного пространства рудников.

Галитовые отходы, содержащие до 90 % NaCl, могут быть использованы как сырьё для содового, хлорного и некоторых других производств. Однако это целесообразно только для предприятий, расположенных вблизи разрабатываемых калийных месторождений, так как перевозка такого дешевого сырья экономически не оправданна. Следует также отметить, что непосредственное использование этих отходов в хлорной промышленности осложнено повышенным содержанием в них сульфатов, нерастворимых веществ и присутствием КСl. В отходах, образующихся при флотационном обогащении КСI, нежелательной примесью являются также амины, используемые в качестве флотореагентов. Перечисленные обстоятельства и тот факт, что основное количество NaCl для производства соды и хлора получают путём подземного выщелачивания каменной соли, обусловливают сравнительно малое использование отходов переработки сильвинита.

В нашей стране ведутся работы, направленные на исключение хранения соленых отходов на земной поверхности. К ним относятся совершенствование технологии горных работ, связанное с сокращением выемки из шахт галита и пустой породы (селективная добыча калийных руд), а также разработка мероприятий по возвращению отходов флотации в выработанные пространства рудников. На калийных предприятиях осваиваются методы комплексного использования калийного сырья - получение методами галургии и механической обработки, наряду с калийными удобрениями, рассолов для содового производства, сырья для пищевой, кормовой и технической соли, сульфата натрия, сырья для производства магния и некоторых других продуктов. Наряду с этим проводятся промышленные испытания подземного сброса рассолов для заводнения нефтяных пластов, а также в отработанные газоносные пласты и подсолевые горизонты в районах калийных предприятий с использованием существующих скважин.

Рассматриваются и другие направления, связанные с проблемой утилизации глинисто-солевых шламов. Среди них следует отметить использование этих отходов в виде сырья для производства строительной керамики и аглопорита, для производства буровых растворов. Весьма незначительные массы галитовых отходов используют для нужд теплоэнергетических предприятий (для регенерации фильтров), дорожно-эксплуатационных управлений и по ряду других направлений.

5.12. Переработка отходов производства фосфорных удобрений

Основное количество добываемых фосфатных руд служит сырьём для производства фосфорсодержащих минеральных удобрений. Наиболее важны апатитовые и фосфоритные руды, содержащие минералы апатитовой группы с общей формулой 3М₃(РО₄)∙СаХ₂ (где М - ионы кальция, натрия, стронция и других элементов, а Х - ионы фтора, хлора и группа ОН^-).

В зависимости от состава руд и ряда других факторов применяют различные методы химической переработки природных фосфатов. В большинстве случаев руду предварительно размалывают и подвергают обогащению различными способами. Процессы обогащения руд сопровождаются образованием больших количеств твердых отходов в виде хвостов и пыли, уносимой с воздухом аспирационных систем и с газами сушильных установок.

Концентраты фосфатного сырья перерабатывают химическим путем двумя группами методов. К первой группе относится прямая кислотная или термическая переработка сырья с непосредственным получением готовых продуктов: суперфосфатов, обесфторенных фосфатов и др. Вторая группа - это разложение фосфатов с получением термической и экстракционной фосфорных кислот, которые служат для производства различных продуктов, в том числе и минеральных удобрений.

Экстракционную фосфорную кислоту (ЭФК) получают вытеснением её из природных фосфатов более сильными кислотами. Термическую фосфорную кислоту получают восстановлением природных фосфатов до элементарного фосфора с последующим его сжиганием и гидратацией образующегося оксида фосфора (V).

Основные отходы, образующиеся при изготовлении удобрений из фосфатного сырья – это соединения фтора и аммиака. Они выделяются из сушильных, выпарных аппаратов и реакторов, со стоками от промывки газов и оборудования, с твёрдыми отходами (фосфогипсом) и удобрениями. Наиболее токсичными являются фтороводород и фторид кремния. Используемая газоочистная аппаратура позволяет улавливать большую часть фтористых соединений. Они потом перерабатываются во фториды и кремне-фториды различных металлов и аммония для последующего применения в ядерной энергетике, цветной металлургии, стекольной промышленности, органическом синтезе.

Остаточные количества фтора улавливаются с помощью щелочной абсорбции, сорбции на ионообменных фильтрах, конденсации парогазовой смеси в сочетании с другими способами. Для ряда производств фосфорной кислоты и комплексных удобрений разработаны технологические схемы с циркуляцией газов в замкнутом контуре с попутным извлечением и использованием ценных компонентов и теплоты.

Сточные воды производства ЭФК кислые, их количество в зависимости от типа технологии колеблется от 2,9 до 28,4 м³ на тонну P₂O₅. Они содержат соединения фтора и фосфора в значительных концентрациях. При нейтрализации сточных вод образуется фторфосфатный шлам, содержащий в пересчёте на сухое вещество 25 % P₂O₅ и 5-10 % фтора.

С целью ликвидации возможных загрязнений окружающей среды на современном этапе ведутся работы по утилизации фтора уже во время подготовки сырья, по созданию процессов обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты с очисткой её от примесей перед переработкой на удобрение и кормовые фосфаты.

В производстве ЭФК одним из крупнотоннажных отходов является фосфогипс (сульфат кальция с примесями фосфатов). На 1т кислоты образуется до 5,8 т фосфогипса. Транспортировка фосфогипса в отвалы, устройство экранов, нейтрализация сточных вод, образующихся при его хранении, и предотвращение поступления фтора и фосфора в почву и подземные водные горизонты связаны со значительными капитальными затратами. Так, удаление и хранение фосфогипса в отвалах оценивается в 20 долларов США на 1 т производимого P₂O₅ с учётом эксплуатационных затрат.

Наличие в фосфогипсе таких элементов, как сера и кальций, присутствие в нём фосфора, фтора, редкоземельных элементов и других примесей позволяет вовлекать его в хозяйственный оборот с целью устранения загрязнения окружающей среды.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, фосфогипс может использоваться в сельском хозяйстве для гипсования солонцовых почв, промышленности строительных материалов и изделий (производство цемента, строительного гипса и других вяжущих материалов), в автодорожном строительстве, в качестве сырья для получения серной кислоты. После предварительной обработки фосфогипс может найти применение в качестве наполнителя вместо каолина и других материалов, используемых в производстве бумаги, пластмасс, резинотехнических изделий, лакокрасочной и другой продукции. В настоящее время на различные цели используется ежегодно около 4 % образующегося фосфогипса.

На основе ЭФК производится значительное количество минеральных удобрений, среди которых ведущее место занимают суперфосфаты, аммонийные фосфаты, сложносмешанные и комплексные удобрения. При их производстве в атмосферный воздух и сточные воды поступают фтор, сера, кремний, кальций, железо, оксиды азота, селена, мышьяка и т. д. При производстве 1 т удобрений в окружающую среду поступает 3-5 т твердых отходов, 20-25 кг вредных веществ с отходящими газами, 25-60 м³ сточных вод различной степени загрязненности. Так, например, основными источниками вредных выбросов в производстве двойного суперфосфата являются реакторы разложения, барабаны грануляторы-сушилки (БГС), сушильные барабаны, холодильники готового продукта (аппараты КС). Концентрация пыли в пылегазовых потоках этих аппаратов составляет 0,12-12,0 г/м³, а фтористых соединений 0,08-3,4 г/м³. При сушке суперфосфата в отходящих газах наряду с фтористыми соединениями содержатся оксиды фосфора.

В процессе производства аммофоса в окружающую среду выделяются газообразный аммиак, фтористые соединения, пыль. Основными источниками выбросов являются сатураторы-аммонизаторы-испарители (САИ), БГС, аппараты КС и распылительные сушилки.

При производстве нитрофоски источниками выбросов являются реакторы разложения фосфатов, сушилки барабаны для охлаждения нитрофоски, а также сепарационные выбросы (от киповального пресса, выгрузочных воронок, барабанных грохотов, конвейеров, силосов и т. д.). Основное количество токсичных соединений, таких как аммиак, оксиды азота, фтористые соли, выделяется на стадии разложения апатита и аммонизации. Так, газы реакторов разложения содержат (г/м³): оксидов азота 10-12, аммиака 0,3-6,5, фтористых соединений 0,45-4,1. Пыль основного продукта выделяется на стадии сушки и охлаждения в количестве 2,5-27 г/м³, из аспирационных систем — 6-80 г/м³ воздуха.

Все газовоздушные выбросы производства минеральных удобрений подвергаются очистке. Например, при производстве аммофоса отходящие газы проходят двухступенчатую очистку. На первой ступени используются кислые растворы фосфатов аммония при рН≤ 5 и в отношении аммиак / ортофосфорная кислота < 1,2. Для улавливания фтора на второй ступени рекомендуется известковое молоко с замкнутым циклом орошения через станцию нейтрализации.

5.13. Комплексное использование фосфатного сырья.

В процессе обогащения фосфатных руд, содержащих минералы апатитовой группы, образуется большая масса отходов. Например, на 1 т апатитового концентрата получают 0,6-0,7 т нефелинового концетрата. Одним из важнейших путей утилизации таких отходов является их комплексная переработка в соответствии с разработанной в СССР технологией, обеспечивающей получение ряда ценных и дефицитных продуктов: соды, поташа, цемента, глинозема.

В соответствии с этой технологией нефелиновый концентрат в порошкообразном виде спекают с известняком или мелом:

(Na, K)₂O∙Al₂O₃ ∙nSiO₂ + 2CaCO₃ → Na₂O∙K₂O∙Al₂O₃ + n(2CaO∙SiO₂) + CO₂.

При последующем выщелачивании спёка водой образовавшиеся алюминаты натрия и калия переходят в раствор. Затем водную пульпу подвергают фильтрованию от нерастворимых силикатов кальция, которые направляют в цементное производство, а фильтрат, содержащий Na₂SiO₃ - на автоклавное обескремнивание при давлении 0,6-0,7 МПа:

5Na₂SiO₃ + 3Na₂O∙Al₂O₃ → (3-4)Na₂O∙3Al₂O₃ + 5SiO₂∙nH₂O + (8-10)NaOH.

Образующийся осадок после дальнейшего отстаивания пульпы в сгустителе в виде шлама возвращают на спекание, а осветленный раствор подвергают карбонизации газами печей спекания:

Na₂O ∙ K₂O ∙ Al₂O₃ + 2CO₂ + 3H₂O → 2Al(OH)₃ ↓ + Na₂CO₃ + K₂CO₃.

Для получения глинозема осадок Аl(ОН)₃ отфильтровывают и подвергают кальцинации. В фильтрате (карбонатных щелоках) кроме Na₂CO₃ и K₂CO₃ содержится определенное количество K₂SO₄ и бикарбонатов натрия и калия, что обусловлено присутствием SO₂ в газах печей спекания и режимом процесса карбонизации. Для предотвращения коррозии аппаратуры кислые соли при помощи гидроксида натрия (каустической соды) переводят в углекислые:

NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O; KHCO₃ + KOH → K₂CO₃ + H₂O.

Для получения нужного количества щелочей часть карбонатных щелоков подвергают каустификации:

(Na, K)₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2 (Na, K)OH + CaCO₃.

Отфильтрованный и промытый шлам, полученный при каустификации, направляют на спекание. Содержащиеся в карбонатных щёлоках соли выделяют затем методом политермического разделения, основанным на их различной растворимости при разных температурах (рис. 8).

Карбонатный щелок, нейтрализованный щелочью (для перевода кислых солей в нейтральные), после карбонизации для освобождения от остатков Аl₂O₃ и выделения осаждённого Аl(ОН)₃ подают на I стадию упаривания, где из него выделяется 25-30 % соды. После отделения кристаллов соды маточник №1 смешивают с маточником №2, получаемым на II стадии упаривания, и этот раствор охлаждают до 35 ⁰С. В процессе охлаждения в осадок выпадает K₂SO₄, который затем отделяют от раствора, поступающего на II стадию упаривания, в результате которой выделяют остальные 70-75 % имеющейся в карбонатном щелоке соды. Отделённые на обеих стадиях упаривания осадки соды смешивают и обезвоживают.

Часть маточника №2, не пошедшую на смешение с маточником №1, подают на III стадию упаривания, в результате которой кристаллизуется смесь двойной соли Na₂CO₃ ∙ K₂CO₃, Na₂CO₃ и  K₂SO₄. Осадок отделяют от суспензии и передают на растворение в нейтрализованном карбонатном щелоке, а жидкую фазу охлаждают для выделения K₂CO₃ ∙ 1,5H₂O, который затем отфильтровывают и высушивают. Маточник №3 возвращают на III стадию упаривания и частично выводят из системы в виде поташного раствора (~50 % K₂CO₃).

Рис. 8. Схема переработки карбонатного щелока из нефелина

Эксплуатационные затраты на получение перечисленных продуктов по описанной технологии на 10-15 % меньше затрат при раздельном их производстве. Кроме того, при определенных условиях может быть исключен сброс производственных сточных вод.

Разработан и безупарочный способ переработки карбонатных щелоков, при котором путём их карбонизации и высаливания аммиаком можно выделить в осадок в виде NaHCO₃ до 97 % Na₂CO₃ и до 85 % K₂CO₃. Кроме того, по этому способу получается аммиачная вода, являющаяся жидким удобрением.

Значительный интерес представляет разработка процессов совместной переработки нефелина и фосфогипса. В этом случае наряду с получением глинозема, цемента, соды и поташа может быть выделен SO₂ с дальнейшим использованием его для получения серной кислоты или серы. Суть процесса может быть выражена уравнением:

(Na, K)₂O ∙ Al₂O₃ ∙ 2SiO₂ + 2CaSO₄ → (Na, K)₂O ∙ Al₂O₃ + 2CaSiO₃ + 2SO₂ + O₂.

Наряду с этим могут быть получены цемент и сульфаты калия и натрия. Таким образом, замена известняка на фосфогипс в процессе комплексной переработки нефелина может позволить не только комплексно использовать апатитовое сырье, но и способствовать утилизации твердых отходов производства экстракционной фосфорной кис лоты.

5.14. Производство каменного угля и продуктов на его основе

Угольная промышленность – важное звено топливно-энергетического комплекса (ТЭК). По данным генерального директора АО «Росуголь» Ю. Малышева, выступившего с докладом о социально-экономическом положении угольной промышленности, доля России в разведанных мировых запасах угля составляет 12 %, а прогнозные запасы оцениваются в 30 %. В мировой добыче угля на неё приходится 14 %.

Основные направления промышленного использования угля: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление углей для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов, высоко азотистых кислот для удобрений. Получаемый из каменного угля кокс, необходим в больших количествах металлургической промышленности. При переработке каменного угля из него извлекают в промышленных масштабах ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей).

Получение кокса осуществляется на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергается сухой перегонке (коксованию) путём нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха до температуры 1000 °С. При этом получается кокс - твердое пористое вещество. Кроме кокса при сухой перегонке каменного угля образуются также летучие продукты, при охлаждении которых до 25-75 ^оС образуется каменноугольная смола, аммиачная вода и газообразные продукты. Каменноугольная смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций:

- легкое масло (температура кипения до 170 ^оС); в нем содержатся ароматические углеводороды (бензол, толуол, кислоты) и др. вещества;

- среднее масло (температура кипения 170-230 ^оС). Это фенолы, нафталин;

- антраценовое масло — антрацен, фенатрен;

- тяжелое масло (температура кипения 230-270 ^оС). Это нафталин и его гомологи и др.

В состав газообразных продуктов (коксового газа) входят бензол, толуол, ксилолы, фенол, аммиак и другие вещества. Из коксового газа после очистки от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают сырой бензол, из которого выделяют отдельные углеводороды и ряд других ценных веществ.

Из коксового газа углеводороды извлекают промывкой в скрубберах жидкими поглотительными маслами. После отгонки от масла, разгонки из фракции, очистки и повторной ректификации получают чистые товарные продукты: бензол, толуол, ксилолы и др. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности.

Характерной особенностью выбросов коксохимического производства является большое разнообразие содержащихся в них вредных веществ (пыль, сернистый ангидрид, оксид углерода (II), сероводород, аммиак, фенолы, бензольные углеводороды и др.). Хотя количество отдельных компонентов невелико, они обладают значительной токсичностью.

К основным источникам загрязнения атмосферы пылью относятся: цех углеподготовки, отделение коксосортировки, коксовые печи в период загрузки шихты и выдачи кокса. Загрязнение атмосферы последними периодично и кратковременно (в 1 ч три операции по выдаче кокса продолжительностью 2-3 мин.). При тушении кокса в башнях вместе с парами воды поступают в атмосферу аммиак, сероводород, оксид серы, фенолы, смолистые вещества. Для предотвращения попадания в атмосферу этих веществ на новых коксовых батареях устанавливают установки сухого тушения. Кроме того, в цехах углеподготовки и отделениях коксосортировки оборудование оснащается аспирационными системами. От всех аспирационных систем завода выброс пыли составляет около 0,9 кг на тонну кокса. Примерно 0,4 кг пыли на тонну кокса выделяется при перегрузке углей, загрузке их в печи.

Среди загрязняющих окружающую среду веществ, образующихся в коксохимическом производстве, могут быть полицикличёские углеводороды (в том числе бенз-(а)-пирен), которые являются канцерогенными веществами. Они могут загрязнять атмосферный воздух, воду и почву.

В то же время на коксохимических заводах образуется большое количество сточных вод. Они содержат отходы производства и составляют в целом около 38 % массы коксуемой шихты. Около 30 % из них представляют собой надсмольные воды, содержащие до 3 г/л летучих и труднолетучих фенолов, что значительно превышает максимально допустимые концентрации фенолов в воде, которая направляется на биохимическую очистку. Поэтому такие сточные воды обессмоливаются на кварцевых фильтрах, после чего подаются на аммиачную колонну для удаления аммиака, а затем в скруббер для обесфеноливания. Только после этого они охлаждаются и смешиваются в усреднителе с другими водами. Более эффективное извлечение фенолов достигается в результате применения пароциркуляционного и жидкостного способов экстракции, снижающих концентрацию фенолов в стоковых водах до 10^-4 %. Этим ликвидируется токсичность сточных вод, обусловленная наличием в них фенолов.

На коксохимических заводах образуются значительные объёмы отходов (кислая смола, фусы, отходы флотации, обработанные кислоты и др.). Около половины их не утилизируется, а вывозятся на промышленные свалки. Промышленные отходы коксохимических заводов содержат большое количество фенолов (до 880 мг/кг), цианидов (более 120 мг/кг), роданидов (более 10 мг/кг) и др. Для предупреждения загрязнения окружающей среды и сохранения здоровья населения необходимо на коксохимических заводах наладить точный учет отходов, обеспечить их максимальную утилизацию. Для неутилизируемых отходов необходимо также обеспечить сбор пека и шлака в металлические ёмкости с плотно закрывающимися крышками и складировать на специальных полигонах, имеющих гидроизоляцию. Вывоз отходов с территории предприятия следует осуществлять специальным транспортом по графику.

Методы получения синтетических топлив из угля. Очень перспективным направлением переработки угля является получение из него синтетических топлив. Получаемые из угля синтетические топлива могут быть твердыми, жидкими и газообразными. К твердым синтетическим топливам относится большое количество облагороженных или улучшенных топлив типа “чистый уголь”, угольные брикеты, полукокс, термоуголь, автоклавированный уголь. Синтетические жидкие топлива представлены котельным топливом (заменитель нефтяного мазута), моторными топливами и метанолом. Газообразные топлива, получаемые из угля, представляют собой топливный газ, “заменитель природного газа” и синтез-газ.

Получение из угля синтетических топлив осуществляется различными методами. Твердое топливо с повышенной экологической чистотой получается в результате удаления из исходного угля вредных примесей, таких как сера и минеральные примеси.

Преимуществами “чистого угля” являются снижение выбросов SО₂ и твердых частиц при сжигании, а также повышение теплотворной способности по сравнению с исходным углем. При получении топлива для коммунально-бытовых целей используется брикетирование угольной мелочи. В результате происходит снижение выбросов твердых частиц при сжигании и может повышаться теплотворная способность топлива. В некоторых случаях в брикеты вводят специальные химические добавки, снижающие выход смол, сажи, серы и других вредных продуктов при сжигании.

Повышение качества бурых углей, имеющих низкую теплотворную способность из-за большого количества влаги и кислорода, достигается путём их облагораживания при пиролизе или обработке перегретым паром.

Термическое облагораживание бурого угля повышает его теплотворную способность, кроме того, снижается эмиссия SО₂ и NO_X (для полукокса и термоугля) и могут уменьшаться выбросы твердых частиц при сжигании автоклавированного кускового угля.

Процесс газификации угля является многоцелевым относительно состава продуцируемого газа. При получении газообразных топлив выделяются три основных направления, связанные с производством топливного газа, заменителя природного газа и синтез-газа.

Применение топливного газа позволяет решать экологические и технологические проблемы в энергетике, металлургии и других отраслях промышленности. Особенностью получаемого заменителя природного газа является низкое содержание СО и, следовательно, относительно низкая токсичность, что позволяет широко применять этот газ в бытовых целях. Синтез-газ используется для химической переработки в метанол, моторные топлива или для получения водорода. Для получения жидких топлив непосредственно из угля используются процессы гидрогенизации, пиролиза, ожижения растворителями.

При получении котельного топлива (заменителя нефтяного мазута) и моторных топлив требуется дополнительное применение процессов гидропереработки жидких угольных продуктов с целью уменьшения содержания серы и других нежелательных примесей. Наиболее легко перерабатывается “угольная нефть”, получаемая в процессе каталитической гидрогенизации угля.

Альтернативным направлением производства синтетических жидких топлив является совмещение процессов получения из угля синтез-газа и его химической переработки.

Жидкие топлива из синтез-газа экологически намного безопаснее, чем топлива, получаемые прямым ожижением угля. Последние содержат высокое количество канцерогенных полициклических соединений.

Переработка отходов углеобогащения. Анализ химического состава технологических отходов 80 углеобогатительных фабрик основных угольных бассейнов СССР показал достаточно стабильное содержание в них Аl₂O₃ и SiО₂, что позволяет использовать их как сырье для производства керамических изделий. В исходном состоянии эти отходы не размокают в воде, но после дробления и помола их глинистая составляющая высвобождается и отходы приобретают способность образовывать с водой пластичную массу, из которой может быть сформован кирпич-сырец, превосходящий по некоторым свойствам аналогичные и из обычной глины. Производство глиняного (красного) кирпича заключается в обжиге формованной глиняной массы, в которую добавляют опилки, некоторые органические отходы, просеянный уголь в качестве топливного (выгорающего) компонента. Для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также для предотвращения деформации и трещин изготовляемых керамических изделий в жирные пластические глины вводят природные (кварцевые пески) или искусственные (дегидратированная глина, шамот) отощающие материалы. Обжиг изделий из таких отходов обычно проводят в условиях, обеспечивающих завершение процесса выгорания углерода к моменту начала интенсивного спекания черепка.

Уголь, содержащийся в отходах углеобогащения, может быть использован как топливо при их термической переработке (в смеси с глинистыми породами) в кирпич, керамику и в другие строительные материалы. Таким способом получают, например, аглопорит - искусственный легкий пористый заполнитель для бетонов, производство которого налажено в ряде зарубежных стран и развивается в России.

Технология производства аглопорита может быть различной. На ряде заводов она заключается в термической обработке методом агломерации гранулированной шихты из глинистых пород или отходов добычи, обогащения и сжигания углей с последующим дроблением получающегося в результате спекания «коржа» и выделением при рассеве требуемых фракций заполнителя. Аналогично можно перерабатывать отходы обогащения горючих сланцев.

Производство диоксида серы. Производимое целью уменьшения содержания серы в угле обогащение сопровождается образованием углистого колчедана, содержащего 42-46 % серы и 5-8 % углерода.

Углистый колчедан является потенциальным сырьем для производства серной кислоты, однако непосредственная его переработка в SO₂ путём обжига приводит к получению низкоконцентрированных газов (в результате их разбавления образующимся СО₂) и связана с техническими трудностями ввиду необходимости отвода избыточного тепла экзотермических реакций. Высокотемпературная пёреработка углистого колчедана совместно с гипсом (40-45 %) в механических печах не обеспечивает разложения последнего больше, чем на 20 %, и приводит к образованию высокосернистого (10-15 %) огарка.

В промышленной практике нашел использование способ производства SO₂, путём термической переработки углистого колчедана совместно с сульфатами железа, являющимися отходами процессов травления металлов в черной металлургии и метизной промышленности, при получении пигментного ТiО₂. Выход сульфатов железа в этих производствах составляет примерно 500 тыс. т/год в виде FeSO₄ ∙ 7H₂O. Обжиговые газы, максимальная концентрация SО₂ в которых не превышает 18,3 %, направляют в промывное отделение сернокислотного производства.

5.15. Переработка и использование сопутствующих пород

Вскрышные и попутно извлекаемые породы при добыче полезных ископаемых содержат разнообразные компоненты, являющиеся ценным сырьём для промышленности строительных материалов. Так, мел может быть использован для производства белого цемента и воздушной строительной извести, а также в производстве минеральной ваты, стекла и резиновых изделий. Глинистые сланцы являются хорошим сырьём для производства портландцемента. Из песчаных пород можно производить тарное стекло, а песчано-глинистые породы можно использовать в производстве кирпича. На основе таких отходов можно получать заполнители для бетонов, штукатурные и кладочные растворы. Основой для производства почти всех известных видов строительных материалов могут служить горелые породы - пустые породы, сопровождающие залежи каменных углей, обожженные при подземных пожарах (они получаются и при самовозгорании терриконов). Ряд горнорудных отходов можно использовать в качестве удобрений в сельском хозяйстве.

Среди попутно извлекаемых и вскрышных пород значительное место занимают пластичные глины. Такие глины являются хорошим сырьём для производства керамзита, служащего искусственным пористым наполнителем для легких бетонов и хорошим теплозвукоизоляционным материалом.

Обычно керамзит получают путём обжига легкоплавких (<1350 °С) глинистых пород с добавками порообразующих материалов (соляровое масло, торф, сульфитно-спиртовая барда и др.). В большинстве случаев керамзит получают в виде гравия с размером зерен 5-40 мм или щебня. Плотность керамзитового гравия составляет 150-800 кг/м³.

5.16. Рекультивация земель

Перечисленные пути утилизации и переработки отвалов добычи и отходов обогащения полезных ископаемых в значительной степени способствуют их ликвидации, однако на основе только такого рода мероприятий проблема может быть решена лишь частично, так как масштабы этих отходов огромны. Поэтому в нашей стране проводятся работы, связанные с ликвидацией отвалов или их вредного действия на окружающую среду и по ряду других направлений. В частности, с 1962 г. ведутся работы по рекультивации земель, нарушенных открытыми горными разработками.

Рекультивация - это комплекс работ, направленных на воспроизводство и улучшение (а порой и совершенно новое моделирование) всего нарушенного природно-территориального комплекса в целом. В процессе рекультивации различают два основных этапа: горнотехнический и биологический. Задачей первого этапа является подготовка территорий (планировка отвалов, придание откосам нужной формы, покрытие их плодородными грунтами и т.п.) для последующего освоения. Второй этап охватывает мероприятия по восстановлению плодородия нарушенных земель и созданию благотворных для жизнедеятельности человека ландшафтов.

Рекультивация, таким образом, позволяет не только устранить вредное влияние отвалов горнодобывающих предприятий на биосферу, но и вернуть народному хозяйству значительные земельные площади, которые могут быть использованы для создания лесных массивов, сельскохозяйственного освоения, строительства некоторых объектов и ряда других целей. Проблеме рекультивации в настоящее время уделяется большое внимание.

5.17. Закладка выработанных пространств

С начала 60-х годов в горнодобывающей промышленности нашей страны развиваются способы шахтной добычи полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства. С целью максимального удешевления закладочных работ стремятся в качестве закладочного материала использовать как отвалы и хвосты обогащения горных предприятий, так и отходы других отраслей промышленности (шлаки, золы и т.п.).

В большинстве случаев способы добычи с закладкой применяют с целью более полной добычи полезных ископаемых, так как при обычной технологии их выемки для компенсации горного давления требуется оставлять под землей так называемые охранные целики, содержащие десятки и сотни миллионов тонн руд и твердого топлива. Практикуется и засыпка выработанных пространств пустой породой, обеспечивающая временное (на период добычи) укрепление кровли и резкое сокращение объёмов поверхностных отвалов. В последнем случае предотвратить полностью оседание породной толщи (появление провалов на земной поверхности) не удастся из-за усадки закладочного материала, достигающей иногда 50 % от первоначально заложенного объема. Применение же твердеющего закладочного материала обеспечивает его усадку, не превышающую 5 % даже при десятикратном превышении ожидаемого на глубине давления. Такая монолитная закладка особенно необходима при добыче высокоценных руд, когда недопустимы никакие их потери в охранных целиках.

При монолитной закладке закладочный материал должен обладать способностью схватывания (твердения) и иметь предел прочности при одноосном сжатии 2,0-2,5 МПа. Указанные свойства зависят от химического состава, степени измельчения, твердости и некоторых других характеристик используемого для закладки материала. Поэтому различные твердые отходы горных, обогатительных, а так же других предприятий не одинаково пригодны для этих целей. В большинстве случаев к таким материалам (отвальные песчаники, горелые породы, отходы обогащения и др.) необходимо добавлять активаторы схватывания: цемент, известь, гипс, жидкое стекло и др. В то же время отдельные виды измельченных шлаков, например, могут сами выполнять роль вяжущих материалов.

Закладка может быть полной (при заполнении всего объёма выработанного пространства) или частичной (при заполнении его в виде слоев или полос). Приемы заполнения закладочным материалом выработанных пустот могут быть различными. В зависимости от используемых способов транспортирования и укладки закладочного материала различают гидравлическую, самотечную, пневматическую, гидропневматическую, механическую и ручную закладку. Выбор того или иного приема зависит от принятого порядка проведения горных работ и конфигурации выработанного пространства.

Использование закладки выработанного пространства при добыче полезных ископаемых является весьма перспективным, так как позволяет не только увеличить добычу руд и топлива (за счёт охранных целиков), но и ликвидировать значительную часть хранящихся на земной поверхности твердых отходов промышленности. Однако закладка - дорогостоящее мероприятие, существенно сказывающееся на себестоимости добываемых полезных ископаемых. В этой связи большое внимание уделяется вопросам удешевления и сокращения потребления прежде всего самих закладочных материалов с одновременным увеличением их эффективности. Существенные успехи, в частности, достигнуты в последнее время в области приемов закладки, основанных на вспучивании закладочных материалов.

5.18. Геотехнология

При существующей технологии открытой и подземной разработок полезных ископаемых трудно добиться повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции без нанесения вреда природе.

В связи с этим большое внимание уделяется разработке геотехнологических процессов добычи полезных ископаемых, которые исключают вынос на земную поверхность пустых пород. Под геотехнологией понимают совокупность химических, физико-химических, биохимических и микробиологических методов добычи полезных ископаемых на месте их залегания. Геотехнологические методы выгодно отличаются от обычных методов добычи полезных ископаемых: добычу ведут через скважины, средством добычи служит рабочий агент (теплоноситель, растворитель), исключается тяжелый труд (так как управление процессом ведется на поверхности земли), переработку руды обычно проводят на месте залегания.

К геотехнологическим методам относят скважинную гидродобычу, подземную выплавку полезных ископаемых, подземную газификацию углей, возгонку сублимирующихся веществ и ряд других (рис. 9).

Рис. 9. Примеры использования геотехнологических методов добычи полезных ископаемых: а - подземное выщелачивание соли; б - скважинная гидродобыча; в - подземная выплавка; г - электротехнологическая добыча; д - подземная газификация

Скважинная гидродобыча широко практикуется в промышленности, например, для получения рассолов NaCl – сырья для производства хлора, гидроксида натрия (каустической соды) и водорода, а также карбоната натрия (кальцинированой соды). В скважину, пробуренную до залежи каменной соли, нагнетают воду и через неё же отбирают получающийся рассол. Аналогичным путём можно проводить добычу калийных солей.

Разработан способ гидромеханического разрушения руды с подачей её в виде гидросмеси через скважину применительно к глубокозалегающим фосфоритам Прибалтики. Этим методом можно эффективно разрабатывать россыпи полезных ископаемых и многие рыхлые руды (железные, марганцевые, бокситы и др.).

В промышленных масштабах освоена и подземная выплавка легкоплавких минералов, например, серы из её залежей. Для этого в скважину по одной трубе подают под давлением воду при температуре до 150-160 °С, а по другой - сжатый воздух. Предложено использовать для подземной выплавки битума и серы токи высокой частоты.

Хорошо известен и принцип подземной газификации - добычи горючих ископаемых путем перевода их в газообразное состояние. Он ещё не нашел широкого промышленного применения, однако исследования в этом направлении продолжаются.

Большое значение для извлечения из отвалов горных и обогатительных (а также ряда других) предприятий содержащихся в них ценных компонентов имеют методы технической микробиологии — одной из разновидностей геотехнологических методов.

Важная роль микроорганизмов в создании и разрушении горных пород и минералов широко известна. Способность ряда видов микроорганизмов в определенных условиях переводить нерастворимые минеральные соединения в растворимое состояние все шире используют в последние годы для извлечения ценных компонентов, содержащихся в твердых отходах горных и обогатительных предприятий, с помощью методов кучного и подземного бактериального выщелачивания.

Под бактериальным выщелачиванием обычно понимают процесс избирательного извлечения химических элементов из многокомпонентных соединений в процессе их растворения в водной среде микроорганизмами. Метод бактериального выщелачивания может быть применен при любом способе выщелачивания, если в нём не используют повышенные температуры и давления.

Известно довольно большое число видов микроорганизмов, которые можно применять для бактериального выщелачивания различных элементов из руд. Однако в промышленности наиболее широко для этой цели используют тионовые бактерии (и железобактерии), которые могут окислять двухвалентное железо до трёхвалентного, а также сульфидные минералы. Свою клеточную массу они строят из воды и углерода, который получают путем усвоения СО₂, выделяемого из атмосферы или из руды. Единственным источником энергии для жизненных процессов этих микроорганизмов, являющихся хемоавтотрофами, служат реакции окисления неорганических соединений различных металлов, элементной серы.

Так, железобактерии способны окислять сульфидные минералы, переводя их в сульфаты прямым и косвенным путём. В последнем случае они переводят закисное сернокислое железо в оксидную форму, которая сама служит энергичным окислителем и хорошим растворителем сульфидов:

2FеSO₄ + 0,5O₂ + Н₂SO₄         → (бактерии)→ Fе₂(SO₄)₃ + Н₂O,

Fе₂(SO₄)₃ + MeS → MeSO₄ + 2FеSO₄ + S.

Сульфат железа (III) быстро регенерируется железобактериями из FеSO₄, что значительно (в 7-18 раз) ускоряет растворение ряда минералов.

Железобактерии широко используют в промышленности для бактериального выщелачивания меди из отходов и бедных руд. Для их обработки (выщелачивания) используют водный раствор на основе сульфата железа (Ш) и серной кислоты в присутствии Аl₂(SO₄)₃, FeSO₄ и тионовых бактерий, под действием которого сульфиды меди переходят в растворимое состояние:

Fе₂(SO₄)₃ + 2CuS + 2Н₂O + 3O₂ → 2CuSO₄ + 4FeSO₄ + 2H₂SO₄.

Полученный раствор медного купороса может быть подвергнут цементации (обработке железным скрапом) для выделения металлической меди. Образующаяся медь может быть отделена от циркулирующего в установке выщелачивания раствора в виде концентрата - вязкой темно-коричневой влажной массы, содержащей около 80 % цветного металла. Другим возможным путем выделения меди из раствора после выщелачивания может быть электролиз.

Технологический процесс бактериального выщелачивания может быть оформлен в виде различных вариантов в зависимости от вида обрабатываемого материала (отвалы обогатительных предприятий, подземные залежи, шлаки и т.п.). Наиболее сложным среди них является вариант подземного выщелачивания, более простым по оформлению является кучное выщелачивание отвалов.

В нашей стране на ряде комбинатов и рудников работают установки, обеспечивающие получение нескольких тысяч тонн в год дешёвой меди (первая промышленная установка по подземному выщелачиванию меди была введена в эксплуатацию в 1964 г.).

В мировой практике метод бактериального выщелачивания в значительных масштабах используют для извлечения из руд урана. Проводятся исследования по бактериальному выщелачиванию с помощью тионовых бактерий ряда других элементов (Zn, Mn, As, Со и др.). Ведется поиск других видов микроорганизмов с целью извлечения более широкого круга полезных веществ. Метод бактериального выщелачивания весьма перспективен для переработки твердых отходов горнообогатительных и других предприятий, так как он позволяет значительно снизить себестоимость ценных полезных ископаемых (чему способствует быстрое размножение микроорганизмов и простота используемой аппаратуры) и расширить сырьевые ресурсы промышленности, обеспечивая реализацию возможности более глубокого комплексного использования минерального сырья.

5.19. Экологическая характеристика предприятий чёрной металлургии

Черная металлургия - базовая отрасль экономики, охватывающая производство черных металлов от добычи и переработки рудного сырья до получения широкого ассортимента чугуна и стали, их передела (трубы, прокат, изделия и т.п.), а также ферросплавов.

Современное производство черных металлов представляет собой сложное комбинированное производство, состоящее из основных и вспомогательных цехов и заводов. Оно включает:

- шахты по добыче руды и каменного угля;

- горнообогатительные комбинаты по измельчению, обогащению и окускованию руд и концентратов;

- коксохимические цехи и заводы, обеспечивающие подготовку углей, их коксование и улавливание продуктов коксования;

- энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и очистки газов металлургических производств;

- доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугунов;

- заводы для производства ферросплавов;

- сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;

- прокатные цехи.

Заводы с полным металлургическим циклом «руда — чугун — сталь — прокат» вследствие высокой материалоёмкости производства (6 т сырья на 1 т продукций) размещены в районах месторождений руды или угля; предприятия по выплавке ферросплавов и специальных сталей - в районах, обеспеченных дешевой электроэнергией. В РФ предприятия черной металлургии сосредоточены в трех основных регионах: Уральском (Н. Тагил, Магнитогорск, Челябинск, Новотроицк), Сибирском (Новокузнецк, Новосибирск, Красноярск) и Центральном (Тула, Череповец, Липецк, Москва, Нижний Новгород, Ст. Оскол).

На нынешнем этапе развития народного хозяйства резко обострилась экологическая обстановка во многих районах России, что не может не учитываться в процессе размещения металлургических предприятий, которые оказывают сильное воздействие на окружающую среду и природопользование, являясь крупными загрязнителями атмосферы, водоёмов, лесных массивов, земель. При современных объёмах производства это воздействие весьма ощутимо. Известно, что чем выше уровень загрязнений окружающей среды, тем больше затрат на предотвращение загрязнения. Дальнейший рост этих затрат в конце концов может привести к убыточности любого производства.

Предприятиями черной металлургии выбрасывается в атмосферный воздух значительное количество вредных примесей - твердых частиц, диоксида серы и окислов азота, летучих органических соединений, тяжелых металлов, стойких органических соединений и кислот. Так, в 2004 году от предприятий черной металлургии Российской Федерации в атмосферный воздух поступило более 2 202 тыс.т. загрязняющих веществ, в том числе твердых частиц, загрязнённых тяжелыми металлами 302,4 тыс.т., жидких и газообразных 1900,2 тыс. т., из которых диоксида серы 234,6 тыс.т., оксида углерода 1 499,2 тыс.т., оксидов азота 137,7 тыс.т., углеводородов 1,6 тыс. т. и летучих органических соединений 8,6 тыс. т. Всего было уловлено и обезврежено лишь 72,5 тыс. т. жидких и газообразных веществ - т. е. менее 3,3 %.

Выбросы вредных веществ от предприятий черной металлургии оказывают негативное воздействие на здоровье населения и на окружающую среду, как на местном, так и на региональном уровне. Так как дальность распространения загрязняющих воздух веществ от источников выбросов составляет сотни километров, то их воздействию подвергаются не только местное население и окружающая его среда, но и удаленные на значительные расстояния чрезвычайно уязвимые экологические системы Арктики и Крайнего Севера, а также особо охраняемые природные территории - природные заповедники, заказники и рекреационные зоны.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха аэрозолями свинца, кадмия и ртути в черной металлургии являются:

- установки для обжига или агломерации металлических руд (включая сульфидную руду) с производительностью, превышающей 150 т агломерата в сутки для железной руды или концентрата;

- установки для производства передельного чугуна или стали (первичная или вторичная плавка, в том числе с использованием электродуговых печей), включая непрерывную разливку, с производительностью, превышающей 2,5 т. в час;

- чугунолитейные и сталелитейные цеха с производительной мощностью, превышающей 20 т в сутки;

- камеры сгорания (топочные устройства) с полезной номинальной тепловой потребляемой мощностью, превышающей 50 МВт.

К крупным стационарным источникам загрязнения воздуха стойкими органическими загрязнителями относят: агломерационные фабрики; производство чугуна и стали; производство кокса; сжигание ископаемого топлива в котлах энергетических установок и в промышленных котлоагрегатах с тепловой мощностью свыше 50 МВт.

Термические процессы, использующиеся в первичном производстве в черной металлургии, в частности в доменном производстве, на агломерационных фабриках, производстве железорудных окатышей, а также термические процессы во вторичном производстве в черной металлургии могут быть крупными источниками выбросов диоксинов и фуранов.

Крупными источниками выбросов полиароматических углеводородов (ПАУ) могут быть производство кокса и промышленные тепловые установки.

Крупными источниками выбросов гексахлорбензола (ГХБ) могут быть используемые на предприятиях черной металлургии тепловые установки.

К категории крупных стационарных источников выбросов оксидов серы в черной металлургии могут быть отнесены котлоагрегаты и промышленные нагреватели с номинальной тепловой мощностью более 50 МВт, а также процессы производства агломерата и окатышей.

К крупным источникам выбросов оксидов азота отнесены котлоагрегаты и промышленные нагреватели с номинальной тепловой мощностью более 50 МВт, турбины внутреннего сгорания тепловой мощностью более 50 МВт; установки для обжига и спекания металлической руды; установки для производства передельного чугуна или стали (первичная или вторичная плавка), включая непрерывное литье, с мощностью более 2,5 т/час; установки для обработки черных металлов (станы горячей прокатки с мощностью более 20 т/час нерафинированной стали).

Подготовка основных исходных материалов для производства чугуна, стали и ферросплавов является составной частью первичного производства черных металлов. Эта подготовка выполняется в коксовых печах и батареях, а также на агломерационных установках, на которых осуществляются механические и термические процессы переработки металлолома, и окускования рудной шихты путем её спекания, гранулирования, обжига и брикетирования. Функционирование этих производств характеризуется значительными выбросами вредных веществ, однако, к настоящему времени разработаны и нашли широкое практическое применение эффективные методы и технические средства сокращения этих выбросов.

Под первичным производством черных металлов подразумеваются выплавка передельного чугуна в традиционных доменных и электродоменных печах, выплавка различных сортов стали в мартеновских печах, в кислородных конвертерах, в дуговых печах прямого действия и других типах электрических печей, а также производство ферросплавов.

Под вторичным производством металлов подразумевается получение металла в результате переплавки металлического лома и отходов производства. Однако, например, в мартеновских печах, сталь производится из чугуна и стального лома, при этом доля каждого из них может изменяться от 0 до 100%.

Для установок производства передельного чугуна и стали, (первичной или/и вторичной плавки), включая непрерывное литьё производительностью более 2,5 тонн в час, предельные значения выбросов оксидов азота в атмосферный воздух ограничены 400 мг/м³.

При всех процессах вторичного производства черных металлов, связанных с пылевыделением, целесообразным считается пылеулавливание тканевыми фильтрами, при использовании которых содержание пыли снижается до уровня менее 20 мг/м³.

Сточные воды предприятий черной металлургии повторяют содержание окислов, окисей металлов, характерных для атмосферных загрязнений, - это железосодержащие шламы, шлаки, зола и другие, а также смолы, масла, цианиды, роданиды, фенолы, аммиак, нитраты, нитриты.

Загрязнение почвы металлургическими предприятиями распространяется на территорию промышленной, санитарно-защитной зоны и селитебной зоны, на почву сельскохозяйственных угодий, особенно в местах размещения шлако- и золоотвалов вне территории промышленных предприятий.

За последние годы на всех предприятиях металлургического производства нашли применение новые технологические и конструктивные решения, направленные на

1. Снижение вредных выбросов и совершенствование газоочистных аппаратов и установок за счёт:

- подавления выноса пыли из технологических агрегатов и пылеулавливающих аппаратов путём наложения электрического поля;

- применения магнитных полей для улавливания ферромагнитных пылей;

- расширения диапазона температур очищаемых газов в рукавных фильтрах на основе создания тканей, эффективно и длительно работающих при температурах до 500 ⁰С в кислых и щелочных средах;

- разработки конструкций электрофильтров, способных эффективно и устойчиво работать при температурах 600-700 ⁰С и выше;

- предотвращения образования отложений и повышения коррозионной стойкости в газоочистных аппаратах мокрого типа;

- разработки сухих систем очистки доменного газа с использованием его потенциальной энергии в газовых утилизационных турбинах;

- снижения запылённости газа при кислородной продувке в конверторах;

- тонкой очистки и использования конверторного газа в качестве топлива;

- разработки методов очистки газов от газообразных компонентов на основе превращения последних с помощью химического воздействия на аэрозоль;

- сухой очистки ферросплавного газа и использования его в качестве топлива;

- использования электрофильтров для изменения химического состава прошедших через него газов в условиях коронного разряда;

- разработки дешёвых и эффективных систем для улавливания вредных газообразных элементов из отходящих газов металлургических агрегатов;

- повышения эффективности работы пылеулавливающих агрегатов в условиях создания пульсирующего потока газа;

- повышения эффективности работы пылеулавливающих аппаратов путём предварительной коагуляции мелкодисперсной пыли;

- разработки оптимальных схем газоочисток с рециркуляцией газовых потоков.

2. Повышение уровня безотходности производства.

Отходы металлургического производства, выделяющиеся в атмосферу, можно разделить на три группы: пыли, газы и пары, потери тепла. В ряде случаев эти отходы могут быть значительно сокращены, однако это не всегда удаётся достичь. Уровень безотходности данного производства может быть повышен путём использования его отходов в смежных производствах или путём продажи на сторону. Так, доменную пыль можно использовать в агломерационном производстве как добавку в шихту; серосодержащие газы при определённых условиях можно использовать для производства серной кислоты; тепло уходящих газов печей – для выработки пара и т.д.

Наиболее остро стоит проблема утилизации цинк- и свинецсодержащих железорудных материалов. Одним из перспективных методов переработки цинк- и свинецсодержащих пылей является их окускование с последующей плавкой. В этом случае содержание цинка в пыли повышается до 20 %, свинца – до 2-3 %, что превращает её в исходное сырьё для цинковых заводов. По другой технологии цинксодержащую пыль брикетируют в смеси с коксовой мелочью и цементной связкой и загружают на поверхность расплавленного чугуна. Степень извлечения железа из пыли в чугун составляет 65 %, в переход цинка в возгоны – 98 %.

Металлургические шлаки представляют собой ценное сырьё для производства строительных материалов (шлаковой пемзы, шлакоситаллов, шлакового щебня, минераловатных изделий и др.), являющихся более дешёвыми и прочными, чем полученные из природного сырья.

3. Создание энерготехнологического производства бездоменного и бескоксового получения чугуна и стали.

В чёрной металлургии в последнее время большое внимание уделяется бескоксовой металлургии железа – процессу не только превосходящему доменный по технико-экономическим показателям, но и позволяющему значительно снизить вредное влияние предприятий чёрной металлургии на окружающую среду. Согласно технологической схеме этого процесса, полученный обогащением бедных руд магнетитовый концентрат (> 70 % Fe) в виде порошка смешивается с бентонитом и известняком, выполняющим в процессе роль флюса, и передаётся в окомкователь для получения железнорудных окатышей (d = 10 мм). Сырые окатыши затем упрочняются обжигом, и оксиды железа восстанавливаются природным газом, конвертированным отходящими из шахтной печи газами. При температурах 1000 – 1100 ^оС идёт образование губчатого железа (95 % Fe, 1 % C); окатыши охлаждают и передают на дуговые электропечи на плавку. Шламы процессов газоочистки направляют в отстойники для пульпы, используемой в качестве сырья для получения окатышей.

Энерготехнологический процесс газлифтного варианта бескоксового получения чугуна из окисленных железных руд является экологически чистой энергосберегающей комбинированной технологией. Основой процесса является непрерывная восстановительная плавка при 1500-1600 °С в плавильном агрегате при условии газлифтного перемешивания шлакового расплава с условием подачи сырья (уголь и руда) в барботируемый шлаковый расплав. В этом режиме реализуется процесс интенсивного тепломассообмена. В качестве восстановителя могут использоваться угли различной стадии метаморфизма. Железосодержащее сырье не требует предварительного агломерирования. Плавка может проводиться с получением чугуна содержащего углерода 2-3 %. Извлечение железа из сырья в чугун составляет более 98%. Технология предусматривает получение наряду с чугуном концентратов цинка, свинца, титана, ванадия, в случае железомарганцевых руд - ферромарганца и т.п. Получаемый непрерывно пар можно направить для производства электроэнергии. Шлак используется для получения минеральной ваты, черепицы, брусчатки, теплоизоляционных плит, кирпича. При этом промышленное развитие отдельных производств может быть организовано как на базе существующих технологий, так и путем создания новых нетрадиционных технологий, обеспечивающих комплексное использование сырья и переход на безотходные или малоотходные экологически чистые процессы. Эти технологии могут быть созданы на стыке различных производств, например, топливно-энергетической промышленности и черной металлургии путём совмещения в одном комплексе технологии газификации угля и бескоксового получения чугуна. Проведенные промышленные эксперименты показали перспективность в определенных условиях данного способа переработки твердого топлива и рудного сырья с получением восстановительного газа.

5.20. Экологическая характеристика предприятий цветной металлургии

Предприятия цветной металлургии добывают, обогащают, перерабатывают полиметаллические руды, содержащие цветные металлы: свинец, цинк, медь, мышьяк, теллур, селен,  кадмий, вольфрам, молибден, никель, олово и другие. При добыче, обогащении в металлургических производствах и сопутствующих цехах образуется большое количество твердых и жидких отходов, часть из которых утилизируется, а большая часть складируется в отвалах, шламо- и хвостохранилищах, накопителях.

Источниками загрязнения окружающей среды являются:

- вскрышные породы, как правило, нигде не используются. Лишь на единичных предприятиях они помещаются в отработанные пространства или используются для засыпки отвалов;

- отвальные шлаки металлургических производств после грануляции вывозятся в отвалы,  которые не рекультивируются и нарушают природный ландшафт;

- шламы глиноземного, криолитового производства, суперфосфатного производства    по системе гидротранспорта направляются для осаждения в шламонакопители;

- пылегазовые выбросы, которые рассеиваются в атмосферном воздухе, оседают на  почву, на растения, открытые водоемы и загрязняют свинцом, медью, цинком, ртутью, никелем, сурьмой, мышьяком и другими веществами, что наносит ущерб плодородию почв, качеству растений, открытым водоёмам;

- токсичные отходы мышьяка образуются при очистке стоков сернокислотных производств или являются сопутствующими рудными загрязнителями.

Массивным источником загрязнения окружающей среды являются рудничные сточные воды. Нейтрализация и осаждение цветных металлов в шламохранилищах известковым молоком достигается КПД до 80 – 89 %. Сточные  воды обогатительных фабрик подвергаются локальной очистке от цианидов (активным   хлором), роданидов, ксантогенатов, дитиофосфатов (жидким хлором, хлорной известью, гипохлоридом кальция и натрия,  реже озоном). Вместе с тем полной нейтрализации и осаждения не достигается  и значительные количества мышьяка, меди, цинка, вольфрама, свинца, фтора, молибдена попадают в шламонакопители. После отстаивания в шламонакопителях осветленные сточные воды используются частично для оборотного водоснабжения, а часть  их  в период паводков и ливневых дождей попадает в открытые водоемы. Донные отложения, обогащённые   цветными металлами, являются вторичным массивным источником загрязнения водоемов. Дамбы шламонакопителей, сухие отвалы, отработанные шламовые поля подвергаются ветровой и водной эрозии, что обусловливает вторичное загрязнение окружающей  среды.  Кардинальное решение вопросов очистки сточных вод и полная утилизация твердых отходов, осевших в шламонакопителях, являются гарантией рациональной защиты окружающей среды от загрязнения токсичными металлами от предприятий цветной металлургии.

Специфическими  загрязнителями  для предприятий цветной металлургии являются по производствам: медеплавильное - мышьяк, медь, свинец, цинк, железо; суперфосфатный цех - фтор, мышьяк, фосфор; никелевое - хлориды, сульфаты, аммиак, никель, кобальт;  вольфрамо-молибденовое - хлориды, сульфаты, аммиак, вольфрам, молибден, медь, мышьяк; свинцово-цинковое - свинец, цинк, медь, мышьяк, кадмий; сурьмяное - сурьма, ртуть, никель, цинк; ртутное - ртуть, сурьма, никель, цинк; алюминиевое - фтор, алюминий, смолистые вещества, бенз/а/пирен.

Для цветной металлургии характерна организация замкнутых технологических схем с многократной переработкой промежуточных продуктов и утилизацией различных отходов. В перспективе эта тенденция усилится. Одновременно расширяются пределы производственного комбинирования, что даёт возможность кроме цветных металлов получать дополнительную продукцию -  серную кислоту, минеральные удобрения, цемент др.

Цветная металлургия России, занимая по общему количеству пылевых выбросов в атмосферу четвертое место после теплоэнергетики, промышленности строительных материалов и черной металлургии, является лидером по разнообразию пылегазовых смесей, подлежащих очистке. Наиболее пылящими являются предприятия, производящие никель и медь.

Одним из основных факторов, определяющих состав аппаратов, входящих в технологические системы пылеулавливания, как по конструкции, так и по принципу действия является высокая точка росы (210-250 ^оС). Это связано с высоким содержанием сернистого (3–30 %) и серного (1-3 %) ангидридов, что практически исключает применение аппаратов фильтрационного принципа действия, таких, как тканевые (рукавные) фильтры. Кроме того, склонность к зарастанию вследствие высокой влажности исходного концентрата и низкая степень пылеулавливания (60-70 %) предопределили полную замену таких устройств на агломерационной фабрике ОАО «Норильская горная компания» системами мокрого пылеулавливания. В системах мокрого пылеулавливания были использованы средненапорные скрубберы Вентури (ΔР = 3000 Па) с форсуночной подачей орошающей жидкости, скоростью газов в горловине 70-75 м/с и диаметром горловины не более 600 мм. Они хорошо вписываются в технологические схемы производства, так как технологическое сырьё на предприятия поступает в виде сгущенной пульпы и уловленные продукты обрабатываются в технологических сгустителях совместно с сырьем. Однако при этом применение систем мокрого пылеулавливания сопровождается выбросом значительного количества (3-6 г/м³) аэрозолей кислоты, разрушающей газоходы, поверхности зданий и кровли. Таким образом, для повышения степени пылеулавливания необходимо снижать каплеунос и интенсифицировать процесс каплеулавливания.

Одним из основных способов подготовки газов к очистке является коагуляция частиц с помощью различных устройств. Необходимость проведения коагуляции становится очевидной при сравнении удельных энергозатрат, потребных для улавливания аэрозолей различной дисперсности. Известно, что для улавливания азрозолей размером 0,1 мкм требуется затратить в 50 раз больше энергии, чем для удаления частиц размером 10 мкм.

Капли аэрозоля, получаемые в результате конденсации мокрых газоочисток агломашин и электродуговых печей никелевого производства, имеют размер 0,2-5 мкм. Капли такого размера можно эффективно улавливать с помощью высоконапорного скруббера Вентури, однако энергозатраты при этом настолько велики, что это устройство практически не применяют. Использование мокрого электрофильтра ограничено сравнительно низкой производительностью по газу и высокими капитальными затратами.

Предварительная электризация капельного аэрозоля в поле коронного разряда за счет коагуляции позволяет значительно укрупнить капли и применить простой и экономичный инерционный жалюзийный каплеуловитель.

С помощью разработанного мокрого инерционного электростатического фильтра (МИЭФ), в котором процессы предварительной коагуляции в неоднородном электрическом поле коронного разряда и инерционного каплеулавливания происходят одновременно, можно эффективно улавливать капельные аэрозоли указанного размера.

Промышленные испытания показали высокую эффективность применения данной установки. При длине зарядного поля всего 0,5 м и скорости 6,3 м/с степень пылеулавливания составляет 88 %. В результате применения МИЭФ выбросы капельного аэрозоля серной кислоты сократятся на 11170 т в год, а выбросы пыли - на 250 т в год, что позволит заметно улучшить экологическую обстановку в промышленном районе.

Согласно химическому составу, шлаки цветной металлургии могут быть условно объединены в три группы. В одну из них можно объединить шлаки никелевых заводов и определенную часть шлаков медных заводов, отличающихся малым содержанием цветных металлов и железа. Извлечение ценных компонентов из таких шлаков экономически нецелесообразно, поэтому наиболее приемлемым путем их использования является переработка в строительные материалы и изделия. Вторую группу составляют медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием железа, малым содержанием меди и присутствием до 5 % цинка и свинца. Такие шлаки целесообразно перерабатывать лишь при комплексном извлечении из них цинка, свинца и железа с одновременной утилизацией силикатной части. Наконец, в третью группу следует объединить оловянные и свинцовые шлаки, а также некоторые медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием цинка, свинца и олова, что делает экономически целесообразным их извлечение из шлаков даже без комплексной переработки последних.

Технология переработки шлаков цветной металлургии выбирается в зависимости от их состава и физико-химических свойств (вязкость, плавкость, фазовый состав, структура, энтальпия, электропроводность и др.). В промышленности для переработки шлаков с целью извлечения их ценных компонентов используются способы фъюмингования, вельцевания и электротермической обработки.

Процесс фъюмингованяя широко используется для переработки цинксодержащих свинцовых шлаков. Суть процесса заключается в том, что через слой расплавленного шлака, находящегося в шахтной печи, продувают под давлением воздух с угольной пылью. При этом воздух подают в количествах, недостаточных для полного сжигания угля, что приводит к образованию оксида углерода, восстанавливающего содержащиеся в шлаке оксиды металлов. Образующиеся пары металлов окисляются над расплавом воздухом до оксидов, уносимых газовым потоком из печи и отделяемых затем в пылеуловителях.

Работа шлаковозгоночной фъюминг-печи является периодической. Заливка жидкого шлака продолжается обычно 10-15 минут и с её началом производится подача в печь воздушной пылеугольной смеси, продолжающаяся 1,5-2 часа. В расплав можно вводить добавки твердых шлаков. По окончании продувки в течение примерно 10 минут производится выпуск шлака из печи, после чего шлак гранулируют непосредственно или после отстаивания с целью выделения бедного штейна при наличии в шлаке меди и серебра. Шахтные фъюминг-печи позволяют перерабатывать 250-700 т шлаков в сутки.

Переработка шлаков вельцеванием проводится в горизонтальных наклонных трубчатых вращающихся печах в присутствии восстановителя при температурах 1100-1200 °С. В таких условиях при непрерывном перемешивании реакционной массы протекают реакции восстановления цинка, свинца и редких элементов до металлов. Возогнанные пары металлов окисляются над шихтой до оксидов, уносимых из печи и улавливаемых в системах очистки газов. При вельцевавании переработке подвергают сырье с зернением 3-5 мм и кокс (50-55 % от массы шихты) с размером зерен до 15 мм. Приготовленную из этих компонентов шихту непрерывно загружают в печь, через которую она проходит в течение 2-3 часов. При недостатке тепла в разгрузочном конце печи устанавливают газовую (мазутную) горелку. В этом случае к технологическим газам добавляются топочные.

Присутствующий в шихте сульфид свинца сплавляется с сульфидами других металлов и образует штейн, стекающий к разгрузочному концу печи. Содержащиеся в шихте благородные металлы и медь в условиях процесса вельцевания не возгоняются и практически нацело остаются в твердом остатке вельцевания - клинкере, который при значительном содержании этих металлов затем перерабатывают с целью их извлечения. Степень извлечения свинца и цинка в возгоны при вельцевании составляет ≥ 90 %.

При электротермической переработке можно обрабатывать как жидкие (в отличие от вельцевания), так и твердые (в отличие от фъюмингования) шлаки. При переработке отвальных шлаков плавку ведут в руднотермических печах. Электроды печи погружаются в шлак, служащий телом сопротивления. Электротермическая переработка шлаков представляет собой восстановительный процесс взаимодействия расплава с находящимся на его поверхности коксом. В результате протекания при 1250-1500 °С ряда окислительно-восстановительных процессов происходит восстановление цинка, возогнанные пары которого направляются в конденсатор, где цинк превращается в жидкий металл, подвергаемый ликвации с последующим рафинированием или отливкой в чушки для отправки потребителям. Несконденсированный в металл цинк улавливается в виде пыли в пылеуловителях.

После возгонки цинка шлак сливают из печи и передают в отвал или на извлечение железа с одновременным использованием его силикатной части. Отделяемый штейн с достаточной концентрацией меди передается в медеплавильное производство. Свинец, отделяемый от цинка при ликвации, вместе с черновым металлом, образующимся в электропечи, передается на рафинирование.

Следует отметить, что перечисленные шлаковозгоночные процессы не обеспечивают полного извлечения всех ценных компонентов из перерабатываемых шлаков. Фьюмингование и вельцевание, в частности, позволяют извлекать из шлаков цинк и свинец, однако не обеспечивают необходимого их удаления, а также извлечения меди, благородных металлов и железа. Поэтому прошедшие переработку шлаки не являются отвальными. На практике эти процессы используют для переработки шлаков, образующихся при плавках медно-цинковых и свинцовых концентратов, так как значительное содержание в таких шлаках цинка и свинца обеспечивает рентабельность их извлечения.

Помимо перечисленных способов переработки шлаков цветной металлургии разработаны и продолжают разрабатываться другие способы, направленные на комплексное использование металлургического сырья: карбидотермический (осуществляемый в электропечах с использованием в качестве флюса известняка и коксика), цементационный (основанный на восстановлении оксидов металлов из шлаковых расплавов высокоативным углеродом, растворённым в специально добавляемом науглероженном чугуне, а также образующимся при разложения метастабильной фазы цементита Fe₃C жидкого чугуна под слоем шлака), газоэлектротермический (обработка шлакового расплава в электропечи природным газом), флотация (для медленно охлажденных шлаков после их тонкого измельчения), магнитная сепарация (для клинкера процесса вельцевания) и др. Эти способы ещё не получили широкого промышленного применения, хотя ряд из них обеспечивает получение отвальных шлаков и, следовательно, возможность использования их силикатной части в качестве сырья для производства шлаковых плит и фасонных изделий (для полов и футеровки), минеральной ваты, металлошлаковых труб, шлакоситаллов, заполнителей бетонов и других строительных материалов. Технология соответствующих производств на основе шлаков цветной металлургии аналогична таковой, используемой при переработке шлаков чёрной металлургии. Некоторые шлаки цветной металлургии непосредственно могут перерабатываться в щебень, песок и другие строительные материалы, а в гранулированном виде - использоваться в цементном производстве.

Наряду с вышеизложенным разработка мало- и безотходной ресурсосберегающей технологии в цветной металлургии связана с совершенствованием, модернизацией и заменой пирометаллургических производств - внедрением в практику автогенных (плавка в жидкой ванне, взвешенная кислороднофакельная плавка, плавка в кивцэтных агрегатах — кислородно-взвешенная циклонная электротермическая плавка и др.) и гидрометаллургических процессов.

Перечисленные автогенные процессы в своем большинстве не обеспечивают получения отвальных шлаков, однако значительно сокращают вредное влияние пирометаллургических производств цветной металлургии на окружающую среду: некоторые из них позволяют существенно повысить содержание SO₂ в отходящих газах и обеспечить таким образом возможность производства на базе последних серной кислоты, серы или жидкого диоксида серы.

Основные направления и разработки безотходной и малоотходной технологии в металлургии

В черной и  цветной  металлургии  при  создании  новых  предприятий  и реконструкции действующих производств  необходимо  внедрение  безотходных  и малоотходных   технологических    процессов,    обеспечивающих    экономное, рациональное использование рудного сырья:

- вовлечение в переработку  газообразных, жидких и твердых отходов производства, снижение выбросов и сбросов вредных веществ с отходящими газами и сточными водами;

- при добыче и переработке руд черных и цветных металлов - широкое внедрение использования многотоннажных отвальных твердых отходов горного и обогатительного  производства в качестве строительных материалов, закладки выработанного пространства   шахт, дорожных покрытий, стеновых  блоков и т. д. вместо специально добываемых минеральных ресурсов;

- переработка в полном объеме всех доменных и ферросплавных  шлаков, а также существенное увеличение масштабов переработки сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии;

- резкое сокращение расходов свежей воды и уменьшение сточных вод путем дальнейшего развития и внедрения безводных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения;

- повышение эффективности существующих и вновь создаваемых процессов улавливания побочных компонентов из отходящих газов и сточных вод;

- широкое внедрение сухих способов очистки газов от пыли для всех видов металлургических производств и изыскание более совершенных способов очистки отходящих газов;

- утилизация слабых (менее 3,5% серы) серосодержащих газов переменного состава  путем   внедрения  на предприятиях цветной металлургии эффективного способа - окисления сернистого ангидрида в нестационарном режиме двойного контактирования;

- на предприятиях цветной металлургии ускорение внедрения ресурсосберегающих автогенных процессов и в том числе плавки в жидкой ванне, что позволит не только интенсифицировать процесс переработки сырья, уменьшить расход энергоресурсов, но и значительно оздоровить воздушный бассейн в районе действия предприятий за счет резкого сокращения объема отходящих газов и получить высококонцентрированные серосодержащие газы, используемые в производстве серной кислоты и элементарной серы;

- разработка и широкое внедрение на металлургических предприятиях высокоэффективного очистного оборудования, а также аппаратов контроля разных параметров загрязненности окружающей среды; быстрейшая разработка и внедрение новых прогрессивных  малоотходных  и безотходных процессов, имея в виду бездоменный и бескоксовый  процессы получения стали, порошковую металлургию, автогенные процессы в цветной металлургии и другие перспективные технологические процессы, направленные на уменьшение выбросов в окружающую среду;

- расширение применения микроэлектроники, АСУ, АСУ технологическими процессами в металлургии в целях экономии энергии и материалов, а также контроля образования отходов и их сокращения.

Защита окружающей среды в отраслях металлургического комплекса требует огромных затрат. Различие их существенно влияет на выбор основного технологического процесса. Иногда более целесообразным оказывается применение технологического процесса, менее загрязняющего окружающую среду, чем контроль (с огромными затратами) уровня загрязнённости и организации борьбы с этими загрязнениями при использовании традиционных технологий.

Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и месторождениях.

5.21. Экологические проблемы в энергетике

В зависимости от свойств первичных энергетических ресурсов, используемых для производства тепла и электроэнергии, энергетические предприятия в различной степени загрязняют окружающую среду отходами своего производства. Наиболее «чистое» производство осуществляется на установках, использующих солнечную энергию, ветер, гидроресурсы и тепло геотермальных источников. Однако доля участия этих источников в покрытии мировой потребности в энергии незначительна, нет тенденций её роста в ближайшей перспективе, следовательно, нет оснований ожидать, что развитие энергетики на базе этих «чистых» источников в какой-то мере снизит остроту проблемы защиты окружающей среды. «Чистым» можно считать производство электроэнергии на гидростанциях, хотя их сооружение всегда изменяет природные условия, в особенности при строительстве равнинных ГЭС, требующих затопления значительных площадей плодородных земель.

До последнего времени человечество не имело альтернативы создавшемуся положению, и только с пуском первых электростанций на ядерном горючем открылась перспектива существенного сокращения материального обмена с окружающей средой при производстве электроэнергии. В противоположность минеральному топливу, требующему для выделения тепла постороннего вещества – атмосферного кислорода, ядерное горючее выделяет энергию в результате ядерного распада, не требуя затрат каких-либо материальных ресурсов. Относительно большие объёмы вентиляционного воздуха, выбрасываемого современными АЭС в атмосферу, при тщательной очистке его от активных примесей практически не изменяют её состава и скорее относятся к тепловому, чем к материальному обмену производства с окружающей средой.

При оценке теплового и материального обмена электростанций с окружающей средой следует учитывать, что если материальный обмен ограничен масштабами планеты, то тепловой обмен не имеет таких ограничений. Поэтому можно ожидать, что результаты теплового загрязнения, несмотря на его огромные масштабы, в меньшей степени скажутся на нарушении теплового баланса планеты, чем загрязнение атмосферы и морового океана материальными отходами на её материальном балансе. Вместе с тем в ряде конкретных случаев тепловое загрязнение природных водоёмов, обусловленное работой ТЭС и АЭС, может приводить к нежелательным последствиям.

Защита воздушного бассейна от выбросов энергетических предприятий

Вид топлива влияет на состав образующихся при его сжигании вредных веществ. На электростанциях используют твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Основными вредными веществами, содержащимися в дымовых газах котлов, являются: оксиды серы, азота, углерода, соединения ванадия (V₂O₅), зола.

К твёрдому топливу относятся угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы, торф. Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10-55 %). Соответственно изменяется и запылённость дымовых газов, достигая для высокозольных углей 60 – 79 г/м³.

Жидкое топлива – это мазут, сланцевое масло, дизельное  и котельно-печное топливо. Зольность мазута не превышает 0,3 %. При полном его сгорании содержание твёрдых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м³, однако это значение возрастает в период очистки поверхностей нагрева котлов и наружных отложений.

Газообразное топливо представляет собой наиболее «чистое» органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота.

Наиболее острой проблемой защиты воздушного бассейна является снижение выброса диоксида серы, ежегодное поступление которого в атмосферу при сжигании органических топлив исчисляется миллионами тонн. Крупным направлением в решении этой проблемы является экологически рациональное распределение топлива по электростанциям. Например, электростанции, расположенные в крупных городах и сжигающие сернистый мазут или серосодержащие угли, целесообразно переводить на сжигание природного газа. Если это не возможно, то необходимо рассмотреть очистку дымовых газов или связывание серы в процессе сжигания, а также предварительное извлечение серы из топлива.

Для решения экологических задач, и в первую очередь снижения выбросов оксидов серы, в последние годы много внимания уделяется сжиганию твёрдого топлива в кипящем слое и созданию парогазовых установок с газификацией угля.

Специально организуя топочный процесс, можно существенно уменьшить количество образующихся при горении оксидов азота. Практическое применение нашли следующие методы:

- снижение температурного уровня в топке. Эффективно для котлов, в которых сжигается не содержащий азота природный газ;

- рециркуляция дымовых газов. Используется на газомазутных котлах с высокой температурой в ядре горения;

- впрыск влаги или пара. Этот метод отличается простотой, лёгкостью регулирования и низкими затратами;

- ступенчатая подача топлива с восстановлением оксидов азота в топке;

- снижение избытка воздуха в топке;

- предварительный подогрев топлив до 700 ^оС.

В тех случаях, когда путём подавления образования оксидов азота в процессе сжигания топлива достичь требуемого снижения выбросов не удаётся, можно применить методы очистки от NO_X.

В начале развития энергетики дымовые трубы котлов служили для удаления дымовых газов за счёт разности плотностей холодного воздуха и горячих дымовых газов. С развитием энергетики дымовые трубы стали использовать для рассеивания содержащихся в дымовых газах вредных примесей в атмосферном воздухе до допустимых концентраций. По мере повышения мощности электростанций и ухудшения качества топлива для обеспечения необходимого рассеивания потребовались трубы большой высоты – 200-300 м  более, изготавливаемые из железобетона, внутренняя поверхность которых покрыта изоляцией – эпоксидным лаком и стеклотканью. Большое распространение нашли одноствольные дымовые трубы, выполненные по типу “труба в трубе” со значительным зазором между стволами. Для ТЭС с набором большого количества разнотипного оборудования, особенно на ТЭЦ, получили применение многоствольные трубы, в которых внутри железобетонной оболочки устанавливается несколько (обычно 3-4) металлических стволов цилиндрической формы. В некоторых странах (ФРГ, США) ряд новых ТЭС проектируется и строится без дымовых труб. В этом случае очищенные от золы, оксидов серы и азота дымовые газы выбрасываются в атмосферу через градирни.

Основные проблемы сточных вод в энергетике

Эксплуатация современных тепловых электрических станций сопряжена с появлением ряда жидких отходов сточных вод. К ним относятся воды после охлаждения различных аппаратов - конденсаторов турбин, масло- и воздухоохладителей, движущихся механизмов и пр.; сбросные воды из систем гидрозолоудаления (ГЗУ); отработавшие растворы после химических очисток теплосилового оборудования или его консервации; регенерационные и шламовые воды от водоочистительных установок; нефтезагрязнённые стоки; растворы, возникающие при обмывках наружных поверхностей нагрева главным образом воздухоподогревателей и водяных экономайзеров котлоагрегатов, работающих на сернистом мазуте. Составы всех этих стоков и их количества весьма различны; они определяются типом ТЭС и установленного на ней оборудования, её мощностью, видом используемого топлива, составом исходной воды, принятым способом водоподготовки в основном производстве и другими менее существенными обстоятельствами. За последние годы в энергетике проведена значительная работа по уменьшению количества сточных вод, содержания в них различных загрязнений и по созданию оборотных систем водопользования. Намечены пути создания полностью бессточных ТЭС, что требует решения ряда сложных технических и организационных задач, а также определенных капиталовложений.

Создание ТЭС, не загрязняющих природные водоемы, возможно двумя путями - глубокой очисткой всех стоков до предельно допустимых концентраций (ПДК) или организацией систем повторного использования стоков. Первый путь неперспективен, так как органы охраны водоёмов непрерывно повышают требования к степени очистки сбрасываемых производственными предприятиями вод. Так, несколько лет назад очистка стоков от нефтепродуктов до остаточного содержания 0,3 мг/л считалась достаточной. Позже была принята в качестве предельно допустимой концентрация 0,1 мг/л. Ныне эта норма снижена до 0,05 мг/л, и не исключено, что для рыбохозяйственных водоемов произойдет дальнейшее её сокращение. Надо также иметь в виду, что применение в технологии водообработки новых материалов и реагентов потребует и для них установления ПДК. Повышение же глубины очистки стоков потребует значительного увеличения затрат как на сооружение соответствующих установок, так и на их эксплуатацию. Все эти обстоятельства делают первый путь весьма мало перспективным. Более реален второй путь создание оборотных систем с многократным использованием воды. При этом глубокой очистки стоков уже не требуется, достаточно довести их качество до уровня, приемлемого для осуществления соответствующих технологических процессов. Такой путь даёт существенное сокращение водопотребления, т. е. резко уменьшается то количество воды, которое предприятие забирает из водоисточника. Кроме того, при таком подходе резко сокращается число вопросов, подлежащих согласованию с органами, контролирующими качество стоков. Именно поэтому пути и идёт разработка бессточных ТЭС.

Количество вод, образующихся после охлаждения аппаратуры, определяется в основном количеством отработавшего пара, поступающего в конденсаторы турбин. Воды после охлаждения конденсаторов турбин и воздухоохладителей несут, как правило, только так называемое тепловое загрязнение, так как их температура на 8-10 °С превышает температуру воды в водоисточнике. Однако в некоторых случаях охлаждающие воды могут вносить в природные водоемы и посторонние вещества. Это обусловлено тем, что в систему охлаждения включены также и маслоохладители, нарушение плотности которых может приводить к проникновению нефтепродуктов (масел) в охлаждающую воду.

Наиболее надежным направлением решения этой задачи является выделение охлаждения таких аппаратов, как маслоохладители и им подобные, в особую автономную систему, отделенную от системы охлаждения «чистых» аппаратов.

На ТЭС, использующих твердое топливо, удаление значительных количеств золы и шлака выполняется обычно гидравлическим способом, что требует большого количества воды. Так, ТЭС мощностью 2400 МВт, работающая на экибастузских углях, сжигает до 2500 т/ч этого топлива, при этом образуется до 1000 т/ч золы и шлака. Для эвакуации этого количества со станции на золошлаковые поля требуется не менее 5000 м³/ч воды. Поэтому основным направлением в этой области является создание оборотной системы ГЗУ, когда освободившаяся от частичек золы и шлака осветленная вода вновь направляется по обратному трубопроводу на ТЭС для выполнения той же функции. Часть воды при этом обороте выходит из системы, так как задерживается в порах осевшей золы, вступает в химические соединения с компонентами этой золы, а также испаряется и в некоторых случаях просачивается в грунт. В то же время в систему происходит и поступление воды за счет главным образом атмосферных осадков. Поэтому важнейшим вопросом при создании оборотных систем ГЗУ является обеспечение баланса между поступлением и расходом воды, что необходимо учитывать в различных технологических процессах, в том числе в золоулавливании. Например, при использовании мокрых золоуловителей главную роль в решении этой задачи играет организация их питания осветленной водой. Отсутствие же сбалансированности создает необходимость систематического сброса части воды из системы ГЗУ.

Необходимость создания оборотных систем ГЗУ обусловлена также тем, что такие воды содержат в ряде случаев повышенную концентрацию фторидов, мышьяка, ванадия, реже ртути и германия (донецкие угли) и некоторых других элементов, обладающих вредными свойствами. Воды ГЗУ также часто содержат канцерогенные органические соединения, фенолы и т. п.

Стоки после химической промывки или консервации теплосилового оборудования весьма разнообразны по своему составу вследствие обилия рецептов промывочных растворов. Кроме минеральных кислот - соляной, серной, плавиковой, сульфаминовой, применяется много органических кислот (лимонная, ортофталевая, адипиновая, щавелевая, муравьиная, уксусная и т. д.). Наряду с ними используются трилон и различные смеси кислот, являющиеся отходами производств, а в качестве ингибиторов коррозии вводятся каптакс, поверхностно-активные вещества, сульфированные нафтеновые кислоты и т. д. Для связывания в комплекс меди в промывочные смеси вводится тиомочевина. Консервационные растворы содержат гидразин, нитриты, аммиак.

Большинство органических соединений, применяемых в промывочных растворах, поддается биологической переработке и, следовательно, может быть направлено вместе с хозяйственно-бытовыми сточными водами на соответствующие установки. Перед этим необходимо удалить из отработавших промывочных и консервационных растворов токсичные вещества, пагубно действующие на активную микрофлору. К таким веществам относятся ноны металлов - меди, цинка, никеля, железа, а также гидразин и каптакс. Трилон относится к биологически «жестким» соединениям, к тому же он подавляет активность биологических факторов, но в форме кальциевых комплексов допустим в довольно высоких концентрациях в стоках, направляемых на биологическую переработку. Все эти условия диктуют определенную технологию переработки стоков от химической очистки оборудования. Они должны быть собраны в ёмкость, в которой осуществляется нейтрализация кислотной смеси, причём происходит осаждение гидратов окисей железа, меди, цинка, никеля и т. д. Если для очистки применялся трилон, то при нейтрализации может быть осаждено только железо, комплексы же меди, цинка и никеля не разрушаются даже при высоких значениях рН. Поэтому для разрушения этих прочных комплексов применяют осаждение металлов в виде сульфидов, вводя в жидкость сернистый натрий.

Осаждение сульфидов или гидратов окисей происходит медленно, поэтому после добавления реагентов выдерживают жидкость в течение нескольких суток. За это время совершается также полное окисление гидразина кислородом воздуха. Затем прозрачную жидкость, содержащую только органические вещества и избыток реагентов-осадителей, постепенно откачивают в магистраль хозяйственно-бытовых стоков.

Освободившуюся емкость заполняют стоками от следующей промывки и повторяют операцию осаждения. Накопившиеся после нескольких очисток осадки эвакуируют; эти осадки часто содержат значительное количество ценных металлов, которые могут быть извлечены металлургами. В тех случаях, когда ТЭС расположена в отдалении от поселений, имеющих устройства для биологической переработки хозяйственно-бытовых сточных вод, осветленная жидкость может быть направлена для полива участков или в систему замкнутого охлаждения в качестве добавочной воды. На ТЭС, располагающих гидрозолоудалением, стоки после химических очисток оборудования, часто даже без предварительного осаждения металлов (железа, меди, цинка и др.), могут быть сброшены в пульпопровод. Измельченные частички золы обладают высокой абсорбционной способностью по отношению к примесям отработавших растворов после химических очисток оборудования.

Воды от обмывки наружных поверхностей нагрева образуются только на ТЭС, использующих в качестве основного топлива сернистые мазуты. Зольные элементы, образующиеся при сгорании мазута, обладают большой липучестью и оседают преимущественно на поверхности элементов воздухоподогревателей, которые вследствие этого приходится регулярно очищать. Периодически очистка совершается путем обмывок; их результатом является обмывочная жидкость, содержавшая свободную серную кислоту и сульфаты железа, ванадия, никеля, меди и натрия. В качестве незначительной примеси в этой жидкости присутствуют и другие металлы.

Обезвреживание этих обмывочных растворов сопровождается получением шламов, содержащих ценные вещества - ванадий, никель и т. д.

При эксплуатации водоочисток на электростанциях возникают стоки от промывок механических фильтров, от удаления шламовых вод осветлителей и в результате регенерации катионитных и анионитных материалов.

Промывочные воды содержат только нетоксичные осадки - карбонат кальция, гидроокиси магния, железа и алюминия, кремнекислоту, органические, преимущественно гуминовые вещества, глинистые частицы. Поскольку все эти примеси не обладают токсичным свойством, то эти стоки могут быть сброшены после отделения шлама в водоёмы. На современных ТЭС эти воды после некоторого осветления возвращают на водоочистку, а именно - в головную её часть.

Регенерационные стоки содержат в растворе значительное количество солей кальция, магния и натрия.

С целью уменьшения соленых сбросов от химводоочисток предлагаются различные способы предварительной обработки воды, поступающей на водоочистку. Например, на электродиализных установках или на установках обратного осмоса минерализация исходной воды может быть несколько уменьшена. Однако количество соленых стоков и при этих способах остается значительным, так как во всех случаях отбирается чистая вода, а соли, в ней содержавшиеся, возвращаются в водоём с тем или иным количеством реагентов.

Предлагается замена химического обессоливания испарителями или применение их для выпаривания соленых стоков. Установка испарителей взамен химобессоливания возможна на чисто конденсационных ТЭС, но весьма обременительна на ТЭЦ с большой отдачей пара производственным его потребителям. Выпаривание же соленых стоков, очевидно, не решает задачу их удаления, а только сокращает объёмы объектов, подлежащих эвакуации.

Несколько более привлекательной представляется следующая схема переработки стоков: после смешивания кислых (от Н-катионита) и щелочных (от анионита) стоков проводится обработка их известью и содой для осаждения ионов кальция и магния. Раствор после отделения от образовавшихся осадков содержит только соли натрия, хлориды и сульфаты. Этот раствор подвергают электролизу, получая при этом кислые и щелочные растворы. Они направляются взамен привозных кислот и щелочей на регенерацию соответствующих фильтров. Расчёты показывают, что таким способом количество избыточных солей может быть уменьшено в несколько раз.

Переработка твёрдых отходов тепловых электростанций

Одним из перспективных видов сырья, помимо глинистого, являются золы тепловых электростанций, которые имеются практически во всех регионах страны и являются экологическим бедствием. Золоотвалы занимают большие земельные площади, пригодные для использования в сельском хозяйстве. Они часто располагаются вблизи жилых районов, что недопустимо санитарно-техническими нормами. В качестве примера рассмотрим проблему накопления золошлаковых отходов (ЗШО) ТЭС в Омской области.

Город Омск с трёх сторон окружён перегруженными пылящими золоотвалами с общим тоннажём более 50 млн. тонн с ежегодным увеличением на 1,5-2 млн. тонн. Из-за отсутствия переработки отходов ТЭС высота переполненных золоотвалов увеличивается, возрастает экологическая опасность загрязнения окружающей природной среды, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на здоровье омичей. В связи с острой проблемой использования золошлаковых отходов, рядом с ТЭЦ-5 началось строительство завода зольного гравия. Однако, со сменой руководства Правительства РФ и РАО ЕЭС был ослаблен контроль за утилизацией ЗШО ТЭЦ. В результате объекты по переработке золы готовностью 80-90 %, приобретенное технологическое оборудование с укомплектованностью на 90 % подверглись разрушению, разукомплектованию и разворовыванию. Выделенные из экологического фонда Омской области финансовые средства были израсходованы не по назначению, т. е. направлялись на частные строящие объекты, которые были задействованы в короткий срок, а экологические объекты превращены в долгострой.

Причина бездеятельности, самоотстранённости от решения проблемы своих отходов (газообразных и твердых ЗШО) кроется в том, что: во-первых Российские, в том числе и Омские энергетики материально не заинтересованы в переработке своих отходов, так как плата за выбросы и захоронения ЗШО заложена в себестоимость электроэнергии и теплоносителя, их оплачивает население и при этом живёт в зоне интенсивного загрязнения от ТЭС и их золоотвалов, несёт на себе тяжесть последствий их влияния на здоровье. Во-вторых, россияне не используют практический опыт передовых капиталистических стран, которые перерабатывают ЗШО на 50-80 % от их ежегодного выхода. Они не закладывают в себестоимость электроэнергии стоимость захоронения отходов. Переработкой ЗШО ТЭЦ занимаются отдельные компании, но под контролем государства и местных органов. Они смогли организовать производство так, что отходы дают большие прибыли, а не как у нас беды. В-третьих, у нас создана благоприятная обстановка: так в период рыночных отношений, т. е. в течение 9 лет в стране отсутствовал Классификатор токсичных промышленных отходов” и “Методические рекомендации по определению класса токсичности отходов”. В связи с вводом с 1991 г. платы за выбросы, владельцы предприятий стремились показать свои отходы так, чтобы меньше платить за их выбросы в биосферу или за захоронения. Примером могут служить ЗШО Омских ТЭЦ, за захоронения они оплачиваются по V классу “практически неопасные”. Фактически же зола Омских ТЭЦ относится к IV или III классу опасности и оплата должна производиться в 10ⁿ раз больше чем сейчас.

По мнению технического специалиста, доктора РАЕН Гужулева Э.П., при невыполнении омскими энергетиками постановлений правительства РФ, губернатора области, мэра города Омска в части переработки своих отходов необходимо вводить экономические рычаги к АК “Омскэнерго”. При этом, первоочередной задачей является создание Научно-производственного центра, а в будущем в Акционерной компании по переработке золы и всех промышленных отходов Омского региона.

Твердые отходы тепловых электростанций — золы и шлаки — близки к металлургическим шлакам по составу. По химическому составу эти отходы на 80-90 % состоят из SiO₂, Аl₂O₃, FеО, Fе₂O₃, СаО, МgO со значительными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5-20 %), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана. Химический состав и свойства золошлаковых отходов определяют основные направления их использования.

Основная масса используемой части шлаков и зол служит сырьём для производства строительных материалов, Так, золу ТЭС используют для производства искусственных пористых заполнителей - зольного и аглопоритового гравия. При этом для получения аглопоритового гравия используют золу, содержащую не больше 5-10 % горючих, а для производства зольного гравия содержание в золе горючих не должно превышать 3 %. Обжиг сырцовых гранул при производстве аглопоритового гравия осуществляют на решетках агломерационных машин, а при получении зольного гравия — во вращающихся печах. Возможно использование зол ТЭС и для производства керамзитового гравия.

Золы и шлаки от сжигания бурых и каменных углей, торфа и сланцев, содержащие не более 5 % частиц несгоревшего топлива, могут широко использоваться для производства силикатного кирпича в качестве вяжущего при содержании в них не менее 20 % СаО или в качестве кремнеземистого заполнителя, если в них содержится не более 5 % СаО. Золы с высоким содержанием частиц угля с успехом используются для производства глиняного (красного) кирпича. Зола в этом случае играет роль как отощающей, так и топливной добавки. Содержание вводимой золы зависит от вида используемой глины и составляет 15-50 %, а в отдельных случаях может достигать 80 %.

Кислые золошлаковые отходы, а также основные с содержанием свободной извести ≤10 % используют как активную минеральную добавку при производстве цемента. Содержание горючих веществ в таких добавках не должно превышать 5 %. Эти же отходы можно использовать в качестве гидравлической добавки (10-15 %) к цементу. Золу с содержанием свободной СаО не более 2-3 % используют для замены части цемента в процессе приготовления различных бетонов. При производстве ячеистых бетонов автоклавного твердения в качестве вяжущего компонента используют сланцевую золу, содержащую 14 % свободной СаО, а в качестве кремнеземистого компонента - золу сжигания углей с содержанием грючих 3-5 %. Использование золошлаковых отходов по указанным направлениям является не только экономически выгодным (вследствие сокращения потребления гипсового камня, песка, цемента, извести, топлива), но и позволяет повысить качество соответствующих изделий.

Золошлаковые отходы используют в дорожном строительстве. Они служат хорошим сырьём для производства минераловатных изделий. Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позволяет использовать её для снижения кислотности - известкования почв. Растительная зола широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения ввиду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и микроэлементов. Отдельные виды золошлаковых отходов обладают свойствами, делающими перспективным их применение в качестве агентов очистки отходящих газов ТЭС и производственных сточных вод.

Зола углей и нефтей содержит практически все металлы, которые можно извлекать. Концентрация Sr, Zn, V, Ge достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. Зола торфа содержит значительные количества V, Со, Cu, Ni, Zn, U, Pb. В золе нефтей (мазутов) содержание V₂O₅ в некоторых случаях достигает 65 %, кроме того, в ней в значительных количествах присутствуют Mo и Ni. В связи с этим извлечение металлов является ещё одним направлением переработки таких отходов. Из золы некоторых углей извлекают в настоящее время редкие и рассеянные элементы (например, Ge и Ga), из золы мазутов - ванадий, никель и другие металлы.

Вместе с тем, несмотря на наличие разработанных процессов утилизации топливных золошлаковых отходов, уровень их использования все ещё остается низким по сравнению с имеющимися ресурсами. С другой стороны, современное технологическое использование энергии топлива (по сравнению, например, с его использованием на мощных ТЭС) является малоэффективным. При решении вопросов защиты окружающей среды, в частности от вредного влияния твёрдых и газообразных отходов ТЭС, перспективным может оказаться путь комплексного энерготехнологического использования топлив. Объединение крупных промышленных установок для получения металлов и других технологических продуктов (в частности химических), а также технологических газов с мощными топками ТЭС может позволить полностью утилизировать как органическую, так и минеральную части топлива, увеличить степень использования тепла, резко сократить расход топлива.

Так, например, на энергогазохимическом комбинате топливо перед сжиганием можно будет подвергать направленному пиролизу с получением ценных химических продуктов. Из сернистых мазутов, в частности, можно будет получать в виде сжиженного газа пропан-бутановую смесь, бензол, серную кислоту, ванадий и газ с высоким содержанием этилена и пропилена.

Значительные перспективы в решении задач борьбы с отходами в энергетике и некоторых смежных отраслях обещает детальная отработка трёх наиболее важных способов получения жидких топлив из ископаемых углей: газификации (производства синтез-газа с последующим получением на его основе жидкого топлива), гидрогенизации (насыщение угля водородом при температурах порядка 500 °С и давлениях в несколько сот атмосфер) и пиролиза (высокотемпературное разложение угля в инертной среде).

5.22. Экологические проблемы в стройиндустрии

На экологическую обстановку в городах, особенно крупных, значительное влияние оказывает строительная деятельность - как собственно объектами жилого, промышленного и дорожного строительства, так предприятиями промышленности строительных материалов и конструкций. Например, в Москве действует около ста пятидесяти крупных, средних и малых предприятий, на которых производятся железобетонные, металлические, полимерные, деревянные и другие изделия, кирпич, асфальт, краски, герметики и т.д.

Как и любые другие промышленные предприятия, предприятия стройиндустрии оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Так, в Москве, по данным Департамента природопользования и охраны окружающей среды, предприятия стройиндустрии ежегодно выбрасывают в атмосферу около 3 тысяч тонн загрязняющих веществ, образуют около 33 млн. кубических метров сточных вод, сбрасывают в водные объекты города около 125 тыс. т загрязняющих веществ образуют около 115 тыс. тонн отходов. Эти данные в силу ряда причин рассматриваются как ориентировочные, истинные же масштабы загрязнения окружающей среды предприятиями стройиндустрии могут быть, как полагают работники государственного экологического контроля, в 2-3 раза больше.

Выбросы в атмосферу от предприятий промышленности строительных материалов содержат такие загрязняющие вещества как пыль, оксид углерода, сернистый ангидрид, оксиды азота, углеводороды, летучие органические соединения, соединения ванадия, марганца, меди, никеля, свинца, ртути и другие вещества.

Вокруг предприятий образуются зоны с повышенным содержанием в воздухе пыли, бенз(а)пирена и других вредных веществ, происходит загрязнение почвы, водоемов, подземных вод, угнетается растительность, изменяется водная и почвенная фауна.

В числе загрязняющих веществ, сбрасываемых со сточными водами, находятся: биологически окисляемые органические соединения (БПК полное), нефтепродукты, взвешенные вещества, сульфаты, хлориды, фосфор общий, азот общий, азот аммонийный, азот нитратный, СПАВ, жиры, масла, железо, цинк, алюминий, магний, марганец, нитриты, фтор, формальдегид и др.

Отходы производства содержат различные вещества, способные при хранении и захоронении этих отходов выделяться в окружающую среду, мигрировать в ней, вступать в химические реакции с другими веществами и вызывать тем самым негативные изменения.

Стройиндустрия в крупных городах относится к числу активно развивающихся отраслей городского хозяйства. В Москве за период 1998 - 2000 годов производство стройматериалов, изделий и конструкций увеличилось на 25 %, причем по отдельным позициям этот рост составляет 30 - 60 %.

Развитие стройиндустрии города на основе увеличения объемов производства продукции, освоения новых технологий, видов сырья, материалов, продукции, может вызвать существенное усиление воздействия на окружающую среду. Поэтому важно обеспечить такое развитие отрасли, которое будет осуществляться с соблюдением требований обеспечения экологической безопасности города.

Если запланированный для Москвы на 2001-2003 г. темп прироста промышленного производства, равный 107 % по отношению к каждому предшествующему году, будет выдерживаться предприятиями стройиндустрии достаточно долго, то при экологической неизменности производственных процессов суммарное негативное воздействие промышленности на окружающую среду будет прирастать такими же темпами. В результате уже в 2010 году годовой объем генерируемых предприятиями отрасли загрязняющих веществ и производственных отходов станет вдвое больше, чем в 2000 году, в 2016 году - втрое больше и так далее по нарастающей.

Такой путь развития промышленного производства - это прямая угроза экологической безопасности Москвы.

Можно ли предотвратить угрозу экологической безопасности Москвы? Можно. Для этого есть два пути. Первый - отказаться от роста промышленного производства стройматериалов и изменения ассортимента продукции, стабилизировав его на одном уровне, что мало реалистично. Второй путь - осуществлять развитие промышленности в соответствии с потребностями городского строительства, но при соблюдении требований экологической безопасности, т.е. без существенного прироста объемов загрязняющих веществ и производственных отходов. Последнее можно осуществить только одним способом - разработкой и внедрением на предприятиях отрасли отвечающих этому критерию новых экологически эффективных и ресурсосберегающих технологий, видов оборудования, сырья, материалов, продукции и т.д.

Поэтому так актуально поручение Правительства Москвы - разработать для промышленных предприятий стройиндустрии города инновационно-экологическую по своему смыслу программу, названную для краткости Комплексной программой "Экостройразвитие". Средство достижения цели - проведение на предприятиях отрасли целевых природоохранных мероприятий в форме внедрения экологически эффективных и ресурсосберегающих (в том числе с использованием отходов, образующихся в городском хозяйстве) технологий, производств, материалов, видов продукции, оборудования, механизмов, машин и т.д., совершенствования экологического менеджмента на предприятиях, оздоровления окружающей среды на предприятиях и прилегающей территории.

При реализации Комплексной программы "Экостройразвитие" предполагается за счет внедрения экологически эффективных технологий и оборудования удержать в ближайшее десятилетие совокупный годовой объём генерации загрязняющих веществ и отходов промышленными предприятиями стройиндустрии города на уровне 2000-2001 года. В результате за период до 2011 года будет предотвращено образование приблизительно 15-20 тысяч тонн загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, около 150-250 млн. кубических метров сточных вод, до 600-800 тысяч тонн загрязняющих веществ, сбрасываемых в водные объекты Москвы, и около 500-700 тысяч тонн отходов.

Это позволит не только предотвратить избыточное загрязнение городской среды, но и создать значительную экономию средств, направляемых на борьбу с последствиями воздействия предприятий строительной индустрии на окружающую среду.

Комплексная программа "Экостройразвитие" рассчитана на период 2002 -2010 г. и выполняется в три накладывающихся друг на друга этапа, различающихся, в основном, главными приоритетами в программных мероприятиях.

На первом этапе (2002-2004 годы) основное внимание уделяется научно-методическому, нормативно-правовому, информационно-аналитическому и рганизационно-техническому обеспечению реализации программы.

На втором этапе (2003-2006 годы) приоритетным является опытное внедрение на ряде предприятий экологически эффективных технологий, оборудования, видов сырья и материалов, продукции, передовых приемов экологического менеджмента и производственного экологического контроля и т.д.

На третьем этапе (2005-2010 годы) осуществляется широкомасштабное тиражирование позитивного опыта, полученного на примере базовых предприятий.

Структурно в программе выделяются три взаимосвязанных подпрограммы:

Подпрограмма "Внедрение экологически чистых технологии и рециклинга отходов" - инновационно-инвестиционная подпрограмма технического и технологического перевооружения предприятий и производства товарной продукции на основе рециклинга отходов.

    В рамках этой подпрограммы решаются следующие основные задачи:

- внедрение экологически эффективных технологий и оборудования с целью технического и технологического перевооружения и повышения эффективности работы промышленных предприятий стройиндустрии;

- использование отходов, образующихся при сносе зданий и сооружений, других отходов производства и потребления для производства товарной продукции предприятиями стройиндустрии;

- сохранение производимого промышленными организациями стройиндустрии загрязнения окружающей среды сбросами, выбросами и отходами на уровне 2000-2001 г. при одновременном увеличении объемов производства конкурентоспособной импортозамещающей продукции;

- оздоровление экологической ситуации в производственной зоне предприятий отрасли и на прилегающих территориях с соблюдением установленных нормативов качества окружающей среды;

- внедрение передовых приемов экологического менеджмента и производственного экологического контроля на предприятиях отрасли в соответствии с государственными и международными стандартами;

- внедрение сертификации по экологическим требованиям для повышения конкурентоспособности продукции.

Подпрограмма "Инжиниринг инноваций" - подпрограмма научно-информационного обеспечения технического и технологического перевооружения предприятий стройиндустрии, освоения ими рециклинга отходов и новых видов продукции с использованием достижений науки и техники и учетом прогнозной потребности в продукции предприятий.

Основными задачами этой подпрограммы являются:

- объективная оценка технико-технологического состояния промышленных предприятий стройиндустрии;

- инжиниринговое сопровождение планирования и практической организации производства строительных материалов, изделий и конструкций с использованием новых технологий, оборудования, материалов, сырья (включая отходы производства и потребления);

- разработка и внедрение новых технологий, оборудования, материалов, сырья, в т.ч. образующихся в городском хозяйстве отходов, для производства на предприятиях стройиндустрии конкурентоспособных и импортозамещающих товаров.

Подпрограмма "Экология промышленности" - подпрограмма научно-методического, нормативно-правового и информационно-аналитического обеспечения экологически безопасного развития предприятий стройиндустрии на основе внедрения экологически эффективных и ресурсосберегающих технологий, видов оборудования, сырья, материалов, продукции, совершенствования экологического менеджмента, оздоровления окружающей среды на предприятиях и прилегающих территориях.

В подпрограмме решаются задачи:

- формирования внешних административных и экономических условий, стимулирующих стремление промышленных предприятий к экологически безопасному развитию за счет внедрения экологически эффективных технологий, производств, материалов, сырья, оборудования, продукции, использования рециклинга отходов производства и потребления, совершенствования экологического менеджмента и производственного экологического контроля, использования процедуры сертификации технологий и продукции по экологическим требованиям для повышения конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности;

- объективной оценки экологического состояния промышленных предприятий стройиндустрии, природоохранное сопровождение планирования внедренческих мероприятий и освоения объектов внедрения;

- оценки эколого-экономической эффективности планируемых и реализуемых на предприятиях стройиндустрии внедренческих мероприятий с целью сокращения издержек производства за счет снижения отходов производства, выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду;

- совершенствования экологического менеджмента и производственного экологического контроля на предприятиях отрасли в соответствии с российскими и международными стандартами;

- организации и развития сертификации по экологическим требованиям используемых технологий, сырья, материалов, транспортных средств, а также продукции промышленных предприятий стройиндустрии.

Финансирование программных мероприятий осуществляется за счет бюджетных средств города (бюджетный кредит, оплата части процентов по банковским ссудам, финансирование НИОКР и др.), льгот предприятиям по налогу на прибыль, по арендной плате за землю, других льгот и преференций, предоставляемых актами г. Москвы, собственных, заемных, привлекаемых средств предприятий.

В качестве особых мер экономического стимулирования предприятий - участников программы "Экостройразвитие" и для сокращения сроков окупаемости проведенных внедренческих мероприятий предполагается установить:

- преимущественное право предприятий - участников Программы на получение городского заказа;

- для предприятий - участников Программы на срок до 5 лет после осуществления внедренческих мероприятий льготное уменьшение налога на прибыль (в части, поступающей в бюджет Москвы) на величину, отвечающую той части прибыли предприятий, которая соответствует реальной экономии, образовавшейся благодаря внедрению новых экологически эффективных и ресурсосберегающих технологий, видов сырья, оборудования и т.д.;

- для всех промышленных предприятий строительной отрасли Москвы на период до 2011 года в качестве нормативных предельно допустимых значений выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) загрязняющих веществ и лимитов на размещение отходов, за пределами которых плата за загрязнение окружающей природной среды и размещение отходов производится в 25-кратном размере, утвержденные в установленном порядке значения ПДВ, ПДС и лимитов на размещение отходов, действовавшие на каждом предприятии по состоянию на 1 января 2001 года;

- для предприятий стройиндустрии, внедряющих по программе "Экостройразвитие" новые экологически эффективные и ресурсосберегающие технологии, оборудование и т.д., кратковременные превышения предельно допустимых выбросов (ПДВ), предельно допустимых сбросов (ПДС) и лимитов на отходы по причинам, связанным с освоением объектов внедрения, освобождаются от платы за загрязнение окружающей среды по ставкам, предусмотренным для сверхнормативных выбросов, сбросов и отходов;

- предприятия стройиндустрии, которые внедряют по программе "Экостройразвитие" новые экологически эффективные и ресурсосберегающие технологии, оборудование, продукцию и т.д. и, исходя из появляющихся вследствие этого возможностей, добровольно устанавливают для себя значения предельно допустимых выбросов (ПДВ), предельно допустимых сбросов (ПДС), лимитов на отходы не менее чем на 25 % ниже действующих, частично освобождаются на срок до 5 лет от платы за нормативно допустимое загрязнение окружающей среды и размещение отходов (в части, поступающей в бюджет г. Москвы).

Для управления реализацией программы "Экостройразвитие" и осуществления единой научно-технической политики создается Координационный совет программы из представителей Управления экономической, научно-технической и промышленной политики в строительной отрасли, Департамента природопользования и охраны окружающей среды, других заинтересованных органов власти и управления г. Москвы. Назначаются руководитель Комплексной программы "Экостройразвитие", непосредственно курирующий подпрограмму "Внедрение экологически чистых технологий и рециклинга отходов", и научные руководители подпрограмм "Инжиниринг инноваций" и "Экология промышленности". Создается специальная организация -дирекция программы, определяются головные организации-исполнители для подпрограмм "Экология промышленности " и "Инжиниринг инноваций " (Всероссийский НИИ охраны природы, ЗАО НПВФ "Стройтехноинновация", ООО "Спец-стройэкология").

При реализации Комплексной программы "Экостройразвитие" текущее планирование осуществляется в виде ежегодно обновляемых планов программных мероприятий с указанием исполнителей, источников и объемов финансирования, рассчитанных на основе бизнес-планов, проектно-сметной документации, экспертных оценок и других существенных обстоятельств.

5.23. Охрана окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности

Целлюлозно-бумажная промышленность относится к ведущим отраслям народного хозяйства, так  как  Россия  располагает  огромными  лесосырьевыми ресурсами. Кроме того, велика потребность в продукции этой отрасли, как в России, так и за рубежом, и это определяет большой объём выпускаемой продукции. Продукцией целлюлозно-бумажной промышленности являются  различные виды волокнистых полуфабрикатов (в т.ч. сульфитная и сульфатная  целлюлоза), бумага, картон и изделия из них. Побочные продукты  отрасли: кормовые дрожжи, канифоль, скипидар, жирные кислоты и др.

Выработка целлюлозы коренным образом отличается от бумажного производства и  представляет собой химический процесс с довольно сложной системой регенерации химикатов. В противоположность этому производство бумаги является в основном механическим процессом с сопутствующими ему физико-химическими, главным образом, сорбционными явлениями. Вследствие такого различия именно производство целлюлозы является основным загрязнителем атмосферного воздуха и водоёмов. Производство бумаги и картона, за редким исключением воздух не загрязняет, но загрязняет водоёмы стоками, содержащими преимущественно взвешенные вещества - волокно и наполнители. Кроме того, в состав ЦБК входит ТЭЦ, сжигающая природное топливо и также загрязняющая атмосферу и водоёмы.

Для производства целлюлозы применяют в основном два способа - сульфатный и сульфитный. В обоих случаях сваренная в котлах периодического или непрерывного действия целлюлоза проходит промывной и очистной отделы, затем (если в этом есть необходимость) подвергается отбелке химическими реагентами и, наконец, поступает на машины, вырабатывающие товарную целлюлозу. Однако реагенты, используемые в двух названных способах, и пути возврата их в производство совершено различны.

В сульфатном способе для варки целлюлозы применяют так называемый белый щёлок, представляющий собой раствор едкого натра и сульфида натрия. После варки образуется черный щелок, в состав которого входят извлеченные из древесины вещества. Его упаривают и сжигают в содорегенерационных котлоагрегатах, возвращая при этом в производство соединения натрия и серы. Полученный в результате сжигания органических веществ зеленый щелок переводят в пригодный для варки белый щелок обработкой известью, а саму известь регенерируют обжигом в известерегенерационных печах. Технологические потери натрия и серы восполняют добавлением сульфата натрия к черному щёлоку перёд его сжиганием.

В сульфитном способе для варки целлюлозы используют сернистую кислоту и ее соли. Отработанные щелока, как правило, не сжигают, а подвергают переработке.

Предприятия лесопромышленного комплекса представляют собой значительный источник загрязнения атмосферного воздуха. Общеотраслевой выброс в атмосферу загрязняющих веществ исчисляется тысячами тонн. Наиболее характерными загрязняющими веществами для данной отрасли являются твердые вещества, оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, толуол, сероводород, ацетон, ксилол, бутил.

Больше всего загрязняют атмосферный воздух предприятия, производящие целлюлозу по сульфатному способу, имеющему наибольшие возможности производства полуфабрикатов для выработки различных видов бумаги для технических целей и картона и получившему в настоящее время преимущественное распространение.

Основная причина выделения вредных газовых соединений при этом способе производства целлюлозы - использование в технологическом процессе сульфида натрия, что приводит к образованию серосодержащих соединений: сероводорода, метилмеркаптана, диметилсульфида, диметилдисульфида.

Газы, содержащие сернистые соединения, образуются на многих участках производства. Среди них необходимо в первую очередь назвать содорегенерационный котлоагрегат, в котором производят сжигание черного щелока - вторичного продукта, образующегося в результате варки целлюлозы. Кроме перечисленных серосодержащих соединений, в отходящих газах содорегенерационного котлоагрегата содержатся сернистый и серный ангидриды.

Следующий по величине источник загрязнения – самоварочно-промывной цех, где производится варка и промывка целлюлозы. Затем идут выпарной цех и производства по получению побочных продуктов: скипидара, таловой канифоли, пега, флотационного масла и др.

Наконец, все эти соединения, входящие в так называемый «сульфатный букет запаха», выделяются через неплотности из большего количества аппаратов, баков, ёмкостей, служащих для переработки и хранения белого, черного, зеленого, щелоков. Через вентиляционные трубы эти соединения выбрасываются в атмосферу. Основными источниками загрязнения атмосферы пылью (аэрозолями) являются содорегенерационные котлоагрегаты, с отходящими газами которых за час уносится из топок 1,5-3,0 т пыли, состоящей в основном из сульфата натрия, и известерегенерационные печи, из которых вместе с газами уносится 0,5-1,0 т. пыли в час.

Сульфитно-целлюлозное производство загрязняет атмосферу заметно меньше, чем сульфатно-целлюлозное, но оно характеризуется более интенсивным загрязнением водоемов. Главным загрязнителем атмосферы при сульфитном способе производства целлюлозы является сернистый ангидрид, который используется для приготовления варочной кислоты и в определенных количествах может выбрасываться в атмосферу при сдувках и выдувках в варочном цехе. Кроме того, сернистый ангидрид проникает в атмосферу с «хвостовыми» газа из башен или аппаратов приготовления варочной кислоты.

С загрязнением атмосферы связаны процессы отбелки как сульфитной, так и сульфатной целлюлозы. Причина загрязнения атмосферы применение для отбелки целлюлозы газообразного хлора и двуокиси хлора. К тому же при получении хлора и двуокиси хлора образуются такие токсичные соединения, как хлористый водород, пары ртути, сернистый ангидрид, щелочные аэрозоли. Хлор и двуокись хлора, а также другие вредные их спутники, обычно содержатся в вентиляционных выбросах.

Газовые выбросы, характерные для отбельного цеха, могут быть и на бумажных фабриках, осуществляющих побелку привозной целлюлозы.

Газопылевые выбросы целлюлозно-бумажных предприятий, загрязняя атмосферу, оказывают неблагоприятное влияние на здоровье людей и окружающую среду. Производство сульфатной целлюлозы сопровождается специфическим неприятны и очень стойким запахом, который ощущается в направлении ветра на многие километры от предприятия несмотря на то, что количество серосодержащих соединений, продуцирующих этот аромат, относительно невелико. Так, например, с отходящими газами содорегенерационного котлоагрегата уносится метилмеркаптана 10-20 кг в час. Однако порог обонятельного ощущения метилмеркаптана, имеющего очень сильный и неприятный запах (гнилого лука или гнилой капусты), составляет 0,000023 мг/м³, что и определяет распространение «меркаптанового запаха» на большие расстояния.

Газовые выбросы не только отрицательно влияют на самочувствие и настроение людей, но могут также быть причиной более высокой заболеваемости населения, проживающего в районах, прилегающих к целлюлозно-бумажным предприятиям. При загрязнении атмосферы серой и её соединениями возрастает частота заболеваний органов дыхания.

Губительное воздействие газопылевые выбросы могут оказывать и на леса, вызывая усыхание деревьев, ослабление процессов роста и развития деревьев, нарушение фотосинтеза. Из хвойных пород больше всего подавляется рост лиственницы, из лиственных - осины.

Пылевые выбросы, оседающие на землю, увеличивают кислотность почвы и обедняют микрофлору. В результате биохимическая активность почвы снижается. Загрязнение почвы приводит, в свою очередь, к загрязнению грунтовых вод и водных источников.

В целлюлозно-бумажной промышленности имеется достаточный выбор эффективных жидких поглотителей, что определило широкое применение метода абсорбции для очистки выбрасываемых газов от газообразных примесей. К применяемым поглотителям относятся, в частности, черный и белый щелока сульфатно-целлюлозного производства.

Для очистки газов от сернистого ангидрида, сероводорода и метилмеркаптана используется способность этих газов нейтрализоваться раствором щелочи, в результате чего получается соль и вода.

Незначительные концентрации примесей (не более 1 % по объему) позволили применить для очистки газов компактные прямоточные абсорбционные аппараты. Например, для поглощения серосодержащих компонентов из газов содорегенерационных котлоагрегатов эффективным считается применение струйных газопромывателей, орошаемых по ступеням черным и белым щёлоками.

При абсорбции примесей в случаях очистки не очень больших количеств газов (не более 15-25 тыс. м³/ч) применяются насадочные и барботажные абсорберы, например для поглощения «хвостовых» газов при производстве сернистого ангидрида на сульфитно-целлюлозных предприятиях.

Наряду с жидкими поглотителями также могут быть применены твёрдые поглотители. К ним относят различные марки активных углей, силикагель, алюмогель, цеолиты.

В последнее время для удаления из газового потока газов с полярными молекулами стали применяться иониты. Процессы очистки газов адсорбентами осуществляют в адсорберах, периодического или непрерывного действия.

И, наконец, для очистки газового потока могут быть использованы сухие и мокрые окислительные процессы, а также процессы каталитического превращения. В частности, для обезвреживания серосодержащих газов сульфатно-целлюлозного производства, например газов варочного и выпарного цехов, используют каталитическое окисление. Этот процесс проводится при температуре 500-600 °С на катализаторе, в состав которого входят окислы алюминия, меди, ванадия и других металлов. Сераорганические вещества и сероводород окисляются до менее вредного соединения - сернистого ангидрида.

Для очистки газов и воздуха от пыли в целлюлозно-бумажной промышленности применяются электрофильтры, скрубберы Вентури, струйные газопромыватели, сухие и мокрые одиночные и батарейные циклоны, тканевые рукавные фильтры, пылевые камеры.

Целлюлозно-бумажная промышленность потребляет громадное количество водных ресурсов, поэтому наиболее сильное воздействие предприятия деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности оказывают и на состояние поверхностных вод. На долю комплекса приходится свыше 20% сброса загрязненных сточных вод промышленностью Российской Федерации. Главный источник образования загрязненных сточных вод в отрасли - производство целлюлозы, основанное на сульфатном и сульфитном способах варки древесины и отбелке полуфабриката с применением продуктов хлора.

Загрязненные сточные воды предприятий отрасли характеризуются наличием в них таких вредных веществ, как сульфаты, хлориды, нефтепродукты, и прочее и естественно, что водные объекты в местах расположения предприятий отрасли подвергаются отрицательному воздействию. Значительный объём загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы сбрасывают: Братский, Котласский и Архангельский целлюлозно-бумажные комбинаты.

Наиболее рациональными решениями проблемы охраны водных объектов от загрязнения сточными водами целлюлозно-бумажных предприятий являются замена используемых водоемких процессов маловод­ными, внедрение замкнутых систем водоснабжения с повторным использованием очищенных оборотных, если позволяет качество вырабатываемого продукта. Воду  очищают от волокон, наполнителей, клейких веществ и остаточных химикатов. Для очистки воды применяют фильтрацию, отстаивание, флотацию, реагентные и биологические методы.

Очень остро стоит в настоящее время проблема отходности целлюлозно-бумажных комбинатов. Многотонные отходы этих предприятий (лингин, шламы) складируются, занимая большие площади и отрицательно воздействуя на окружающую среду.

Основными методами борьбы с отходами являются их сжигание либо переработка с   целью получения полезных продуктов. Факторами, ограничивающими возможность термической утилизации отходов, являются высокая загрязнённость, низкая температура плавления некоторых  отходов, наличие крупногабаритных включений и значительных колебаний насыпной плотности сжигаемых отходов. К приемлемым технологиям сжигания относят колосниковое сжигание и  сжигание  в кипящем слое. Основным  достоинством же термических методов является их относительно низкая стоимость. Переработка   отходов бумажных фабрик эффективна сточки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям. С другой стороны из отходов отрасли можно получить много ценных и полезных продуктов. 

Многотоннажные отходы целлюлозно-бумажной промышленности в последнее время всё чаще привлекают внимание исследователей и производственников. Имея  в своём составе целлюлозу и каолин, эти отходы  (при некоторой модификации химическими добавками) могут быть использованы для изготовления теплоизоляционных, отделочных и  конструктивно-теплоизоляционных  материалов и деталей.

Лигнин (конечный продукт растительного метаболизма) используют при выращивании съедобных грибов, в качестве сорбента азот-фиксирующих бактерий, а также в качестве компоста в сельском хозяйстве. Различные виды лигнинов в почве под воздействием почвенных бактерий постепенно превращаются в гумусовые вещества, которые способствуют увеличению плодородия почвы.

Отходы целлюлозно-бумажного производства активно используются в гидролизной промышленности. Гидролиз использует отходы лесопиления, целлюлозно-бумажной промышленности и сельского хозяйства, производит спирт (хотя использование нефти эффективней), кормовые дрожжи, фурфурол и глюкозу. В соответствии с характером используемого сырья размещение гидролиза сочетается с лесопилением (Север, Поволжье, Сибирь) и целлюлозно-бумажной промышленностью (Урал, Северо-Запад, Сибирь).

5.24. Экологическая характеристика производств по переработке продуктов животного происхождения

5.24.1. Предприятия мясной промышленности

Производственный процесс мясокомбинатов в основном заключается в содержании и убое скота, переработке туш на мясо и различные продукты – колбасу, копчёности, консервы и т.д.

Основными источниками загрязнения воздушной среды в мясной промышленности являются оборудование в цехах технических и кормовых фабрикатов, термические отделения колбасных заводов, отделения переработки пищевых жиров и получения альбумина, вспомогательные цехи, водоочистные сооружения. В воздух рабочей зоны поступают сероводород, аммиак, фенолы, древесная и костная пыль. Кроме газо- и парообразных вредных веществ в различных технологических процессах мясоперерабатывающих предприятий образуется значительное количество пыли. К таким производствам относятся - котельная, цех, дымогенераторные.

В процессе производства в значительных количествах используют воду питьевого качества. Загрязняясь отходами и потерями производства, она превращается в сточную воду и отводится в канализационную систему предприятия.

Потребляемая в процессе производства вода загрязняется органическими веществами животного происхождения: жиром, кровью, каныгой, навозом, кусочками тканей животных, волосом, осколками костей. Кроме того, в сточные воды в значительных количествах поступают поваренная соль, нитраты, моющие средства, песок, глина.

В сточных водах все загрязнения в основном находятся в виде трудноразделимых суспензий, эмульсий, коллоидных и молекулярных растворов. Каждый вид загрязнения состоит из органической и минеральной части. Сточные воды мясокомбинатов в зависимости от основных загрязняющих веществ можно разделить на пять основных потоков: жиросодержащие (убойного, жирового, кишечного, шкуропосолочного, субпродуктового цехов, колбасного завода и завода технических фабрикатов); навозосодержащие (помещения предубойного содержания); каныгосодержащие (участки вскрытия желудка); сточные воды санитарной бойни, карантина и изолятора; остальные сточные воды.

В общем стоке мясокомбинатов с учётом работы локальных очистных сооружений концентрация взвешенных веществ изменяется от 1200 до 2000, содержание жиров составляет 200, БПК_полн -1400-1500 мг/л. Концентрация основных загрязнений в сточных водах отдельных цехов, не прошедших локальную очистку и не разбавленных бытовыми и незагрязнёнными производственными сточными водами, значительно выше. Так, содержание взвешенных веществ - 300-6236 мг/л, БПК_полн – 600-2200, жиров – 491-2027,2 мг/л. Величина рН изменяется незначительно и, за исключением редких случаев, составляет 7-7,6. Сточные воды мясокомбинатов характеризуются большим содержанием NaCl – до 1000 мг/л и органических загрязнений, находящихся в растворённом (422-1238 мг/л) и нерастворённом (120-2035 мг/л) состоянии. Температура их изменяется от 12 до 27 ^оС в зависимости от сезона. Они имеют тёмно-серую, иногда красно-бурую окраску и обладают специфическим запахом.

Для сточных вод мясокомбинатов характерно наличие азота: общего 18-192, аммонийного 14-57 мг/л.

В процессе производства используют NaNO₃. Поэтому в стоках мясокомбинатов присутствуют нитриты и нитраты в количествах 0,002-0,02 и 0,05 мг/л соответственно. Содержание фосфора (P₂O₅) равно 35-60 мг/л.

В процессе производства в большом количестве используют моющие средства, в том числе Na₂CO₃. Эти вещества придают воде способность вспениваться.

Количество загрязнений по сухому веществу составляет 20 кг на голову скота: количество каныги при 84 %-ной влажности – 16-18 % от живой массы; в сточных водах убойного цеха содержится до 800 мг/л белков, около 0.31 % крови. БПК_полн каныги – 104000 мг/л, а крови – 405000 мг/л.

Особенностью сточных вод мясокомбинатов является наличие бактериального загрязнения. Титр кишечной палочки составляет 0,0002. В стоках содержатся яйца гельминтов, могут присутствовать вирусы и болезнетворные бактерии, вызывающие сибирскую язву, ящур, бруцелёз.

Очистка от навоза стоков происходит в навозоуловителе. Навозоуловитель представляет собой небольшой горизонтальный отстойник. Он рассчитан на получасовое пребывание в нём воды. Эффективность его работы по взвешенным веществам в среднем составляет 50 %. По мере заполнения осадочной части навозом навозоуловители очищают. В жидкости после навозоуловителей содержатся взвеси в среднем 3000 мг/л, БПК_полн = 1000 мг/л.

Каныжный сток обычно поступает в каныгопрессы, где отделяют каныгу от воды. Влажность выжатой каныги 70-75 %. Воду после каныгопрессов отправляют в канализацию. В некоторых случаях для отделения каныги применяют каныгоотстойники. Они представляют собой горизонтальные отстойники со скребками для сбора осадка в приямок, расположенный в начале отстойника. Из приямка каныгу выгружают на транспорт и отвозят на площадки для компостирования. Продолжительность отстаивания 40-60 мин, эффект осветления 35-42 %.

Жир в сточных водах сильно усложняет их последующую очистку, поэтому сточные воды подвергаются предварительной локальной очистке. При простом отстаивании жир всплывает, увлекая за собой часть взвешенных веществ. В результате этого на поверхности воды образуется жиромасса. Тяжёлые взвешенные вещества, осаждаясь, также увлекают за собой часть жира. Для отстаивания используют жироловки со скребком для сбора жиромассы.  Эффективность 50-53 %. Одним из способов очистки сточных вод от жира является реагентная коагуляция с последующим отстаиванием. Эффективность задержания жира и взвешенных веществ увеличивается до 90-93 %. Однако этот метод требует большего расхода реагентов и экономически невыгоден.

Сточные воды санитарных боен отводятся в дезинфектор. Перед дезинфектором их отстаивают в навозоуловителе, а затем смешивают с раствором хлора и в течение 2 часов выдерживают в контактном резервуаре. Доза хлора составляет 100 мг/л. Осадок из контактного резервуара и навозоуловителя подлежит захоронению.

5.24.2. Предприятия молочной промышленности

Основными источниками загрязнения воздушной среды в молочной промышленности являются производство сухого молока и молочных продуктов (сушильные установки, огневые калориферы), жестянобаночный цех (лужение, лакировка, травление, пайка), производство казеина (дробилки, казеиносушилки), отделение мойки тары и оборудования, производство мороженого (печь для выпечки вафель), сыродельный (коптилки колбасного сыра).

Производственные загрязнённые сточные воды на молочных заводах образуются в основном в процессе мойки тары, оборудования, при уборке производственных помещений. Эти сточные воды загрязняются потерями молока, молочных продуктов, отходами производства, реагентами, применяемыми при мойке оборудования, и примесями, смываемыми с поверхности тары, полов и др.

Температура сточных вод предприятий молочной промышленности колеблется от 16 до 33 ^оС. Среднемесячная температура сточных вод составляет зимой 17-18 ^оС, летом – 22-25 ^оС. Величина рН сточных вод в значительной степени зависит от технологии производства, ассортимента продукции. Для производств, не связанных с процессами молочного брожения, рН стока близок к нейтральному (6,8-7,4 для молочноконсервных и маслодельных заводов). На сыродельных заводах, предприятиях, вырабатывающих творог и другие кисломолочные продукты, рН сточных вод снижается до 6,2. Состав сточных вод предприятий молочной промышленности представлен в табл. 4.

Таблица 4

Состав сточных вод предприятий молочной промышленности

Предприятия	Взвешенные вещества, мг/л	ХПК, мг/л	БПКполн, мг/л	Жиры, мг/л	Хлориды, мг/л	Азот общий, мг/л	Фосфор, мг/л	pH
Городские молочные заводы	350	1400	1200	До 100	150	60	8	6,6-8,5
Заводы сухого и сгущённого молока	350	1200	100	До 100	150	50	7	6,8-7,4
Сыродельные заводы	600	3000	2400	До 100	260	90	16	6,2-7,0

Основная часть взвесей (до 90 %) является органическими веществами, как правило белкового происхождения. Концентрация взвешенных веществ колеблется в широких пределах в зависимости от технологического цикла производства.

Значения ХПК и БПК сточных вод молочных заводов также колеблются в широких пределах и в среднем составляют для городских молочных заводов 1400 и 1200 мг/л; для сыродельных заводов 2400-3000 мг/л.

Установлено, что между показателями ХПК и БПК_полн для сточных вод молочных заводов существует прямая зависимость БПК_полн = (0,8-0,84)ХПК. Используя это соотношение, по величине ХПК можно ориентировочно рассчитать БПК_полн сточных вод молокоперерабатывающего предприятия любого профиля, что значительно облегчает анализ состава вод и контроль за работой очистных сооружений.

Содержание жиров в сточных водах предприятий молочной промышленности определяется в основном ассортиментом выпускаемой продукции и технологией производства. Сточные воды цельномолочных производств содержат жиры в том виде, что и натуральное молоко. Жиры молока представляют собой мельчайшие шарики, окружённые гидратированной белковой оболочкой. При производстве сливок, сметаны и масла из молока извлекаются крупные шарики жира, происходит их слипание и укрупнение.

Азот в сточных водах содержится в основном в виде аминогрупп белковых соединений и незначительных примесей аммонийных солей.

Концентрация хлоридов достигает 800-1000 мг/л и составляет в среднем 150-200 мг/л.

Сточные воды молочных заводов можно очищать от жира с помощью отстаивания, флотации, коагуляции. При отстаивании сточных вод выделяются крупные частицы жира и другие взвешенные вещества. Флотация позволяет извлечь из сточных вод также тонкодиспергированные взвешенные вещества, обладающие гидрофобными свойствами, в том числе жир. При коагуляции сточных вод выделяются как тонкодиспергированные взвешенные вещества, так и эмульгированные, коллоидные примеси. Необходимость локальной очистки сточных вод и выбор метода очистки обусловлены местными условиями.

При централизованной мойке оборудования в канализацию завода сбрасывают промывные сточные воды и периодически, раз в 3-5 дней, отработанные моющие растворы кислот и щелочей. pH промывных вод изменяется от 7,8 до 10,2; щёлочность – от 1,9 до 4 мг-экв/л. pH отработанных щелочных растворов колеблется от 10 до 12; щёлочность от 30 до 50 мг-экв/л.

Для обработки сточных вод, образующихся в результате мойки оборудования на молочных заводах с централизованной системой мойки устанавливают станции нейтрализации. В состав станции входят усреднитель, смеситель, камера реакции и реагентное хозяйство. Сточные воды обычно нейтрализуют кислотой.

Заключение

Современное экологическое состояние территории России можно определить как критическое. Продолжается интенсивное загрязнение природной среды. Спад производства не повлек аналогичного снижения загрязнений, поскольку в экономически кризисных условиях предприятия стали экономить и на природоохранных затратах. Разрабатываемые с начала перестройки и частично реализуемые экологические государственные и региональные программы не способствуют улучшению в целом экологической обстановки, и с каждым годом на территории России все больше регионов, городов и поселков становятся опасными для проживания населения.

В Российской Федерации за последние несколько десятилетий в условиях ускоренной индустриализации и химизации производства подчас внедрялись экологически грязные технологии. При этом недостаточно внимания уделялось условиям, в которых будет жить человек, т. е. каким воздухом он будет дышать, какую воду он будет пить, чем он будет питаться, на какой земле жить. Однако эта проблема беспокоит не только россиян, она актуальна и для населения других стран мира. Человечеству необходимо осознать, что ухудшение состояния окружающей среды является большей угрозой для нашего будущего, чем военная агрессия; что за ближайшие несколько десятилетий человечество способно ликвидировать нищету и голод, избавиться от социальных пороков, возродить культуру  и восстановить памятники архитектуры лишь бы были деньги, а возродить разрушенную природу деньгами невозможно. Потребуются столетия, чтобы приостановить её дальнейшее разрушение и отодвинуть приближение экологической катастрофы в мире.

Литература

1. Вилесов Н.Г., Большунов В.Г. Утилизация промышленных сернистых газов. Киев: Наукова думка, 1990. 136 с.

2. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами химических предприятий. М.: Химия, 1979. 344 с.

3. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. Л.: Химия, 1980. 232 с.

4. Эльтерман В.М. Охрана воздушной среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с.

5. Гвоздев В.Д., Ксенофонтов Б.С. Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков. М.: Химия, 1988. 112 с.

6. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко Т.М. и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия. 1983. 288 с.

7. Быстров Г.А., Гальперин В.М., Титов Б.П. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л.: Химия, 1982. 264 с.

8. Скалкин Ф.Н., Канаев А.А., Копп И.З. Энергетика и окружающая среда. Л.: Энергоиздат, 1981. 192 с.

9. Черепанов К.А., Черныш Г.И., Динельт В.М. и др. Утилизация вторичных материалов в металлургии. М.: Металлургия. 1994. 224 с.

10. Твёрдые отходы (возникновение, сбор, обработка и удаление)./Под ред. Мантелла Ч. Сокр. пер. с англ. Тетерина Э.Г. и Скотникова А.С. М.: Стройиздат, 1979. 519 с.

11. Артеменко С.Е., Овчинникова Г.П. Экологические проблемы производств химических волокон. – Саратов: СГТУ, 1993. 45 с.

12. Берне Ф., Кардонье Ж. Водоочистка. Очистка сточных вод нефтепереработки. Подготовка водных систем охлаждения. – М.: Химия. 1997. 288 с.

13. Шабельский В.А., Андреенок В.М., Евтюков Н.З. Защита окружающей среды при производстве лакокрасочных покрытий. Л.: Химия. 1985. 120 с.

14. Ермилов П.И., Индейкин Е.А., Толмачев И.А. Пигменты и пигментированные лакокрасочные материалы. Л.: Химия. 1987. 200 с.

15. Даценко И.И., Банах О.С. и др. Химическая промышленность и охрана окружающей среды. М: Головное изд-во. 1986. 176с.

16. Очистка сточных вод предприятий мясной и молочной промышленности. М.: Наука. 1981. 152 с.

17. Родионов А. И., Клушин В. Н., Систер В. Г. Технологические процессы экологической безопасности /Учебник для студ. технич. и технологич. спец. – Калуга: Изд-во Н. Бочкарёвой, 2000. – 800 с.