Раздел сайта
Новости
Опрос
Оценка экологической опасности утилизации отработанных фильтрующих матриалов очистных сооружений
Опубликовано: 02.09.2018
В статье рассмотрена проблема очистки нефтесодержащих сточных вод локомотивных депо методом фильтрования. Оценка экологической опасности утилизации отработанных фильтрующих материалов показала, что сжигание загрязненного нефтепродуктами полипропилена с соблюдением санитарно-гигиенических норм вполне осуществимо.
This article deals with the problem of purification of oil-containing sewage from locomotive sheds by a filtration method. An estimation of ecological danger of disposing of the exhausted filter materials has shown that burning of the polypropylene contaminated with oil products may be quite realizable on condition of satisfying the sanitary and hygienic requirements.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших причин появления в природной воде органических веществ является ее загрязнение промышленными сточными водами, возникающее в результате нарушения правил охраны водных объектов, а также несовершенства или отсутствия специальных методов обработки воды.
Важное значение отводится доочистке сточных вод, заключающейся, как правило, в применении фильтрования через различные материалы. По результатам обследования очистных сооружений производственных сточных вод локомотивных депо Белорусской железной дороги, проведенного сотрудниками Научно-исследовательского центра экологической безопасности и энергосбережения на транспорте БелГУТа, установлено, что фильтрование используют 87 % предприятий. Проектами предусмотрено применение в качестве фильтрующего материала пенополиуретана, активированного угля, сипрона, кокса, вспененного полистирола, керамзита. Однако в настоящее время 90 % предприятий в качестве фильтрующего материала используют опилки или древесную стружку, являющуюся отходом деревообрабатывающих производств и, как следствие, не требующую затрат на ее приобретение. Как известно, древесная стружка не обладает высокими сорбционными свойствами и не обеспечивает требуемого качества очищенной воды, что подтверждается низким эффектом очистки сточных вод, который в среднем составляет 22,6 % по взвешенным веществам и 26,9 % по нефтепродуктам. Кроме того, необходимо учитывать, что древесная стружка является источником вторичного загрязнения воды фенолами, скипидарным маслом и другими веществами. Вторым существенным недостатком является гидрофильность стружки, в результате чего вместе с нефтепродуктами она поглощает и воду.
Таким образом, актуальным на сегодняшний день является поиск новых материалов, обладающих высокой активностью по отношению к нефтепродуктам и позволяющих повысить эффективность работы очистных сооружений в целом. Обеспечение высококачественной очистки должно осуществляться путем упрощения технологической схемы, конструктивного оформления и эксплуатации сооружений. Необходимо также учитывать, что создание и внедрение новых установок влечет за собой увеличение стоимости очистки, в связи с чем работа направлена на поиск не только эффективных, но и экономически выгодных решений. Наиболее целесообразным с этой точки зрения является замена используемых фильтрующих материалов без изменения технологической схемы.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Фильтрующие полимерные волокнистые материалы предназначены для комплексной очистки производственных сточных вод, содержащих одновременно тонкодисперсную взвесь и эмульгированные нефтепродукты. Фильтрация при этом сопровождается захватом диспергированных твердых и жидких загрязняющих веществ, а также адсорбционным концентрированием растворенных органических и неорганических примесей [1].
Одним из видов объемных фильтров являются волокнистые,фильтроэлементы которых состоят из слоя тонких волокон, ориентированных относительно друг друга случайным образом. В зависимости от материала волокон и технологии изготовления их диаметр может составлять от 0,5 мкм до нескольких десятков микрометров. Волокна смешаны и перевиты так, что образуют многочисленные извилистые проходы и поры, в которых частицы захватываются и удерживаются по известным механизмам [1].
Нетканые волокнистые полимерные материалы хорошо зарекомендовали себя в системах очистки сточных вод различных объектов [2]. Эффективность фильтрования зависит от состава и структуры материалов, в частности от среднего диаметра волокон, распределения волокон по диаметрам, пористости материала, плотности, удельной поверхности. Характер этих зависимостей свидетельствует о том, что улавливание нефтепродуктов происходит не только вследствие их адсорбции на поверхности волокон, но и путем удержания коагулирующих микрокапель в поровом пространстве материала. Это соответствует теоретическим представлениям о механизмах фильтрации масляных эмульсий в волокнистых материалах [3–5].
В последнее время в качестве фильтрующих материалов, обеспечивающих удаление нефтепродуктов, используют волокна на основе полипропилена. С учетом развития ресурсосберегающей политики в республике перспективным направлением при выборе фильтрующего материала является его получение из отходов производств, что также позволяет сократить себестоимость очистки воды. В связи с этим проведены исследования фильтрующих характеристик волокнисто-пленочного полипропилена, представляющего собой отходы химической промышленности, сравнительный анализ которых со свойствами промышленно выпускаемых фильтрующих материалов позволил сформулировать следующие выводы:
– исследуемый образец обладает схожими параметрами плотности, пористости, нефтеемкости, диаметра волокон и их удельной поверхности с промышленно выпускаемыми фильтрующими материалами;
– стоимость 1 кг промышленных образцов составляет в среднем 40 тыс. руб., в то время как цена за 1 кг отходов в 40 раз ниже.
Учитывая сопоставимые свойства и низкую стоимость исследуемого образца по сравнению с известными фильтрующими материалами, использование его в качестве фильтров при очистке нефтесодержащих сточных вод наиболее приемлемо с позиций экономической целесообразности и ресурсосбережения.
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОТРАБОТАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
Решая вопрос о выборе метода очистки сточных вод, не следует забывать о необходимости утилизации образующихся при этом отходов.
В 1977 г. в Женеве 34 европейских государства приняли конвенцию «О запрещении военного и любого иного враждебного использования средств воздействия на природную среду». Спустя два года, там же была подписана «Декларация о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов». В настоящее время практически во всех странах законодательством ограничены способы хранения и обезвреживания отходов, установлена ответственность за производство отходов, использование свалок и установок для сжигания мусора [1]. Наиболее распространенным методом обезвреживания полимерных отходов является термический, к которому в числе прочих относят сжигание.
Сжигание осуществляется в тепловых установках различных конструкций при температуре не менее 1200 оС. В результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, твердые частицы, оксиды азота и серы, оксид углерода и ряд прочих загрязняющих веществ. Зола и шлак, имеющие в своем составе примеси тяжелых металлов, накапливаются в тепловой установке и периодически вывозятся на полигон для захоронения или используются в производстве строительных материалов. Сжигание отходов пластмасс чаще всего осуществляют так, чтобы теплота, выделяющаяся при горении, расходовалась на получение пара для обогрева или технологических нужд и электроэнергии. Калорийность такого топлива невелика, и работающие на нем тепловые установки, как правило, неэффективны. Однако использование полимерных отходов в качестве добавки к основному топливу может быть весьма перспективным направлением их утилизации.
Для выработки концепции обезвреживания углеродсодержащих отходов в работе [6] оценен тепловой эффект сжигания отходов при температуре 1100 оС с учетом влажности и фазовых переходов. При обезвреживании углеродсодержащих отходов сжиганием важной физико-химической характеристикой является теплотворная способность сырья. При этом рассчитали наименьшую концентрацию нефтепродуктов в отходах, при которой тепловой эффект реакции – нулевой (неотрицательный) для различных содержаний механических примесей и влажности. Минимальные концентрации углеводородов в отходах приведены в таблице 1, из которой следует, что для получения положительного теплового эффекта реакции горения отходов содержание углеводородов должно быть выше 10 %. С учетом КПД установок сжигания от 70 % до 75 % содержание углеводородов в отходах не должно быть менее 14 %. Таким образом, если отходы содержат более 14 % нефтепродуктов, то их рациональнее сжигать, получая при этом тепловую или электрическую энергию, если менее 14 %, – то для обезвреживания таких отходов лучше использовать другие методы.
Теплота сгорания различных полимерных материалов приведена в таблице 2 [7].
Таблица 1. Минимальное содержание углеводородов в отходах при нулевой энтальпии реакции их горения
| 20 | 71,2 | 8,8 |
| 30 | 60,8 | 9,2 |
| 40 | 50,5 | 9,5 |
| 50 | 40,1 | 9,9 |
| 60 | 29,7 | 10,3 |
| 70 | 19,3 | 10,7 |
| 80 | 8,9 | 11,1 |
Таблица 2. Низшая теплота сгорания различных полимеров
| Полиэтилен высокой плотности | 43,2 |
| Полиэтилен низкой плотности | 43,5 |
| Полипропилен | 43,0 |
| Поливинилхлорид | 18,0 |
| Полистирол | 40,0 |
| Полиамид П-6 | 28,7 |
| Полиметиленоксид | 15,8 |
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
В соответствии с классификацией по ГОСТ 12.1.044 [8] полипропиленовый фильтрующий материал относится к горючим веществам. При утилизации отработанного фильтрующего материала способом сжигания установлено следующее:
– данный материал при кратковременном подводе теплоты не горит, а плавится;
– горение материала происходит при длительном подводе теплоты;
– горение материала протекает сравнительно медленно.
Оценка экологической опасности утилизации отработанного фильтрующего материала способом сжигания выполнена по двум критериям:
1) удельное выделение загрязняющих веществ в атмосферный воздух на единицу выделяющейся теплоты;
2) расчетная приземная концентрация загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, образующаяся при сжигании полипропилена в стационарной тепловой установке.
В перечень исследуемых загрязняющих веществ включены ингредиенты, подлежащие нормированию и контролю при сжигании традиционного топлива (диоксид азота и оксид углерода), а также специфические вещества, выявленные при термическом разложении синтетических волокнистых материалов (уксусная кислота, формальдегид, хлористый водород) [9]. Измерение и расчет диоксида серы не выполнялись, поскольку полипропилен не содержит ни серу, ни сероводород и указанное загрязняющее вещество не образуется. Измерение количества выбрасываемых твердых частиц (сажи) не выполнялось по причине высокой трудоемкости отбора проб и необходимости сжигания большого количества полипропилена. Кроме того, в процессе исследований визуально установлено, что при сжигании полипропилена не образуется большого количества сажи.
Состав и концентрация выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании полипропилена представлены в таблице 3.
Таблица 3. Состав и концентрация выбросов в атмосферу загрязняющих веществ при сжигании полипропилена
| Кислота уксусная | Не обнаружено | – | – | ||||||
| Формальдегид | Не обнаружено | – | – | ||||||
| Водород хлористый | 2,79 | 2,29 | 2,54 | 2,29 | 2,28 | 2,44 | 2,79 | 0,0006 | 0,0007 |
| Азота диоксид | 2,05 | 4,10 | 6,15 | 4,10 | 2,05 | 3,69 | 6,15 | 0,0009 | 0,0016 |
| Углерода оксид | 15,00 | 12,50 | 12,50 | 16,30 | 20,00 | 15,30 | 20,00 | 0,0039 | 0,0051 |
Коэффициент удельного выделения i -го загрязняющего вещества j i , мг/МДж, вычислялся по формуле
(1)
где С i – средняя концентрация i -го загрязняющего вещества в дымовых газах, мг/м3;
V – объемный расход дымовых газов, м3/с;
m – интенсивность горения материала, кг/с;
Q – низшая теплота сгорания материала, МДж/кг.
Результаты расчета коэффициентов удельного выделения загрязняющих веществ j i при сжигании различных материалов приведены в таблице 4. Для загрязняющих веществ, которые подлежат нормированию и контролю при сжигании традиционных видов топлива (диоксид азота и оксид углерода), дополнительно выполнены расчеты по формуле (1) в соответствии со справочными данными ТКП 17.08-01 [10]. По хлористому водороду взяты значения удельного выделения и теплоты сгорания промасленной ветоши при ее сжигании в тепловой установке малой мощности (до 20 кВт) [11].
Таблица 4. Результаты расчета коэффициентов удельного выделения загрязняющих веществ при сжигании различных материалов, мг/МДж
| Азота диоксид | 70,6 | 460 | 104 |
| Углерода оксид | 290 | 1120 | 3370 |
| Водород хлористый | 46,3 | – | 24,9 |
| Кислота уксусная | – | – | 32,2 |
| Формальдегид | – | – | 3,2 |
| * По ТУ BY 400057727.002 [11]. |
Для оценки экологической опасности утилизации отработанного фильтрующего материала способом сжигания по второму критерию выполнен расчет приземных концентраций выбрасываемых загрязняющих веществ стационарной тепловой установкой с высотой устья дымовой трубы Н = 10 м. Расчет выполнен с использованием унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы «Эколог» (версия 3.0), которая реализует математическую модель рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в соответствии с ОНД-86 [12, 13].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 В настоящее время предложено достаточное количество способов обезвреживания и утилизации отходов, образующихся на очистных сооружениях сточных вод. В качестве варианта утилизации отработанного фильтрующего материала предложен термический способ, так как при низкой стоимости материалов нецелесообразно предусматривать дорогостоящие методы утилизации. Анализ результатов расчета показал, что в сравнении с каменным углем марки ГР Донецкого бассейна полипропилен является менее опасным материалом по показателю удельного образования диоксида азота (в 6,5 раза) и оксида углерода (в 3,9 раза) при сжигании в тепловых установках, работающих на твердом топливе. По показателю удельного образования хлористого водорода (класс опасности 2, ПДКмр = 0,20 мг/м3 [14, 15]) полипропилен при сжигании в 1,8 раза опаснее промасленной ветоши. В то же время при сжигании полипропилена не были обнаружены ни более токсичный формальдегид (класс опасности 2, ПДКмр = 0,03 мг/м3), ни уксусная кислота (класс опасности 3, ПДКмр = 0,20 мг/м3).
2 Результаты расчета по второму критерию показали, что по всем трем ингредиентам приземная концентрация не превышает 1 % от ПДКмр. Следовательно, при сжигании полипропилена в заданных условиях приземные концентрации выбрасываемых веществ не превышают безопасных уровней уже на расстоянии 50 м от тепловой установки, что удовлетворяет требованиям санитарных норм [16, 17].
3 Таким образом, предварительная оценка экологической опасности утилизации выработавшего свой ресурс полипропилена показала, что сжигание данного отхода с соблюдением санитарно-гигиенических норм вполне осуществимо. Для приведения процесса обращения с отходом производства в соответствие с законодательством Республики Беларусь потребуется разработать технические условия на отработанный полипропилен и согласовать их в установленном порядке.
4 Применение отходов химического производства в качестве фильтрующего материала является перспективным и экономически выгодным направлением в области ресурсосбережения, которое предполагает снижение экологической нагрузки за счет сокращения объема отходов, размещаемых в окружающей среде. Развитие данного направления подкрепляется Директивой № 3 от 14 июня 2007 г., Республиканской программой энергосбережения на 2006–2010 годы, Программой мер по реализации основных направлений энергетической политики Республики Беларусь на период до 2015 года.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гольдаде, В. А. Полимерные волокнистые melt-blown материалы / В. А. Гольдаде [и др.]. – Гомель: ИММС НАНБ, 2000. – 260 с.
2. Плевачук В. Г. Структурные и адсорбционные характеристики нетканых волокнистых полимерных фильтрующих материалов, полученных методом пневмоэкструзии / В. Г. Плевачук [и др.] // Химические волокна. – 1997. – № 1. – С. 31–34.
3. Кравцов, А. Г. Полимерные волокнистые фильтры для преодоления экологических последствий чрезвычайных ситуаций / А. Г. Кравцов, С. А. Марченко, С. В. Зотов. – Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2008. – 280 с.
4. Шатов, А. А. Математическая модель фильтрации эмульсии в волокнистых материалах / А. А. Шатов, В. А. Любименко, М. В. Бельков // Коллоидный журнал. – М.: Наука, 1992. – Т. 54. – № 5. – С. 175–181.
5. Макаревич, А. В. Физико-химические и технологические принципы создания активных пленочных и волокнистых материалов на основе термопластов: автореф. дис. … д-ра хим. наук / А. В. Макаревич. – Минск, 2000. – 42 с.
6. Бельков, В. М. Методы, технологии и концепции утилизации углеродсодержащих промышленных и твердых бытовых отходов / В. М. Бельков // Кафедра «ПромЭко» [Электронный ресурс]. – 2002. – Режим доступа: http :// www . promeco . h 1. ru . – Дата доступа: 19.03.2006.
7. Штарке, Л. Использование промышленных и бытовых отходов пластмасс: пер. с немецкого / Л. Штарке; под ред. В. А. Брагинского. – Л.: Химия, 1987. – 176 с.
8. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения: ГОСТ 12.1.044-89. – Введ. 01.01.1991. – М.: Издательство стандартов, 1999. – 124 с.
9. Энерго-экологические исследования с разработкой технических условий на горючие отходы предприятий Белорусской железной дороги и технического кодекса установившейся практики их утилизации путем сжигания: отчет о НИР (заключ.) / Научно-исследовательский центр экологической безопасности и энергосбережения на транспорте БелГУТа; рук. темы В. М. Овчинников. – Гомель, 2007. – 249 с. – № ГР 20064989.
10. Охрана окружающей среды и природопользование. Атмосфера. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Порядок определения выбросов при сжигании топлива в котлах теплопроизводительностью до 25 МВт: ТКП 17.08-01.2006 (02120). – Введ. 01.05.2006. – Минск: Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды, 2006. – 45 с.
11. Ветошь промасленная для топливных нужд. Технические условия: ТУ BY 400057727.002-2007. – Введ 15.11.2008. – Минск: Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды, 2008. – 12 с.
12. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 93 с.
13. Унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы «Эколог». Версия 3.0: руководство пользователя. – СПб.: Фирма «Интеграл», 2003. – 61 с.
14. Об утверждении нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и ориентировочно безопасных уровней воздействия загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов и мест массового отдыха населения: постановление Мин-ва здравоохранения Респ. Беларусь, 30 июня 2009 г., № 75 // Нац. реестр правовых актов Респ. Беларусь, 2009, № 8/16641.
15. Охрана окружающей среды и природопользование. Атмосфера. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Коды и перечень: СТБ 17.08.02-01-2009. – Введ. 01.07.2009. – Минск: Госстандарт, 2009. – 199 с.
16. Инструкция о порядке отнесения объектов воздействия на атмосферный воздух к определенным категориям: постановление Мин-ва природных ресурсов и охраны окружающей среды Респ. Беларусь, 29 мая 2009 г., № 30 // Нац. реестр правовых актов Респ. Беларусь, 2009, № 162, 8/21120.
17. Санитарные нормы, правила и гигиенические нормативы «Гигиенические требования к организации санитарно-защитных зон предприятий, сооружений и иных объектов, являющихся объектами воздействия на здоровье человека и окружающую среду»: постановление Мин-ва здравоохранения Респ. Беларусь, 30 июня 2009 г., № 78. – Минск, 2009.