книги / Переработка отходов производства и потребления
..pdfЭкстракторы классифицируют по способу действия (периодические и непрерывно действующие, по направлению движения фаз (противо- и прямоточные, с процессом полного смешения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру циркуляции растворите ля (с однократным прохождением, с рециркуляцией и ороситель ные) и по ряду других признаков. Наиболее простым экстрактором для экстракции из жидкостей может быть емкость с мешалкой. Бо лее сложным аппаратом является колонный экстрактор распыли тельного, тарельчатого и насадочного типов. Для ускорения про цесса экстракции в экстракторах используют различные виды внешнего воздействия на жидкость: специальные перемешивающие устройства, низкочастотные колебания и др.
Для экстрагирования компонентов из твердой фазы используют карусельные, конвейерные, шнековые, барабанные, смесительно отстойные и другие экстракторы. Экстрагирование широко приме няется при переработке отвалов горнодобывающей промышленно сти, некоторых металлургических и топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и многих других отходов.
6.8. Химические процессы переработки отходов
Химические процессы широко используются для очистки газо вых выбросов, сточных вод и при переработке твердых отходов. Как правило, в химическом процессе участвует несколько веществ. Скорость и полнота протекания химических процессов зависят от температуры, давления, продолжительности, концентрации ве ществ, интенсивности перемешивания, активности катализатора и некоторых других параметров. Собственно химический процесс со провождается переносом вещества и теплоты. В соответствии с этим влиять на химический процесс можно, изменяя продолжи тельность, рабочие концентрации исходных веществ, температур ный режим, поверхность контакта гетерогенных фаз, а также под держивая на соответствующем уровне активность катализатора.
Интенсификации химического процесса способствует использо вание рециркуляции, т.е. возврата части потока обратно в процесс, так как при этом более полно используются исходные продукты и энергия, улучшаются условия его проведения.
Введение рециркуляции в технологическую схему позволяет решить ряд важных технологических задач:
*наиболее полное использование исходных компонентов (для реакторов с неполным превращением);
*исключение вредных выбросов в окружающую среду;
*рекуперация энергии системы (например, используется теплота реакции для подогрева исходных реагентов);
*создание оптимальных технологических режимов (интенси фицируются начальные стадии автокаталитических реак ций, создается избыток одного из реагентов для сдвига рав новесия химической реакции в направлении образования целевого продукта; подавляются побочные и интенсифици руются основные химические реакции; создается оптималь ный температурный режим);
*наиболее полное использование катализаторов и инертных растворителей, в присутствии которых протекает химиче ское превращение.
Следует отметить, что с помощью рециркуляции можно повы сить абсолютный выход любого продукта сложной химической ре акции. Особенно важно то, что этого не может дать ни один из та ких традиционных способов управления химической реакцией, как изменение давления, температуры и других параметров, так как они в той или иной степени действуют на все реакции, а рецирку ляция, изменяя скорость и состав потока, позволяет направить ре акцию в желаемую сторону в максимально возможной степени. Таким образом, введение рециркуляции может быть использовано как для интенсификации технологического режима внутри реакто ра, так и для создания схем с наиболее полным использованием сырья и энергии.
Примером химического процесса, используемого при перера ботке отходов, является очистка сточных вод с помощью химиче ских реагентов. Метод химического осветления сточных вод осно ван на том, что при добавлении к ним неорганических и (или) ор ганических коагулянтов (флокулянтов) при соответствующем pH среды происходит интенсивное хлопьеобразование, сопровождаемое удалением из сточных вод фосфора в виде нерастворимых солей - фосфатов и тяжелых металлов (нерастворимые гидроксиды). При сутствующие во взвешенном и коллоидном состоянии загрязнения адсорбируются на образующихся хлопьях и также удаляются.
Эффективность химической очистки воды зависит от многих факторов: соотношения концентраций коагулянта, флокулянта и загрязнений; интенсивности и продолжительности перемешивания обрабатываемых сточных вод при контакте их с химикалиями; pH среды и температуры; содержания солей; величины и знака заряда частиц и др. Обычно химическую обработку сточных вод проводят в реакторах-смесителях. В условиях интенсивного перемешивания химикалии контактируют со сточными водами при оптимальной величине pH, которую устанавливают в ходе предварительных ла бораторных или пилотных испытаний.
Другим примером является весьма распространенный метод дезинфекции сточных вод - хлорирование, главными недостатками которого являются токсичность сбрасываемых сточных вод из-за повышенного в ряде случаев остаточного содержания в них хлора, а также высокие энергетические затраты на его производство.
Более перспективный метод обеззараживания сточных вод - озонирование также относится к химическим процессам. Этот ме тод используется не только для дезинфекции сточных вод, но и для окисления содержащихся в них загрязнений. По сравнению с хлорной известью, гипохлоритом и жидким хлором озон обладает тем преимуществом, что в большинстве случаев не ухудшает ион ного состава сточных вод, которые могут быть использованы при оборотном водоснабжении. Озонирование - еще более дорогой ме тод обработки, чем хлорирование, однако более высокие гигиени ческие свойства воды, обеспечиваемые этим методом и требуемые современными стандартами, способствуют дальнейшему расшире нию его применения.
К химическим процессам относятся и некоторые способы реге нерации отработанных моторных масел, переработки отходов пла стмасс и резины и многие другие.
Сжигание отходов - это также разновидность химических ме тодов переработки отходов, поскольку оно является окислительно восстановительным процессом. Сжигание является одним из наибо лее распространенных и эффективных методов переработки отхо дов. Оно сопровождается образованием диоксида углерода, воды и золы, а также токсичных веществ - диоксинов, оксидов серы, азо та, тяжелых металлов и др. Поскольку газообразные продукты процесса сжигания отходов содержат вредные примеси, то для сни жения их выбросов в атмосферу до требуемых стандартами норм проводят их химическую и физическую обработку, включающую дожигание, нейтрализацию, промывку и фильтрацию.
Часто при переработке органических отходов используют хи мические превращения, которые происходят под воздействием вы соких температур, но в отсутствие химических реагентов, в том числе кислорода воздуха. Такой процесс называется пиролизом и заключается не только в распаде исходного материала, но и в про текании вторичных химических процессов полимеризации, изоме
ризации и других с образованием ценных газообразных, жидких и твердых продуктов.
Любой химический процесс протекает в реакторе, конструкция которого должна позволять создавать необходимые условия для оп тимального его проведения. Большое количество воздействующих на процесс факторов, различные пределы их изменения, приводит к тому, что ассортимент реакторов, используемых в промышленно сти, в в том числе и при переработке отходов, достаточно велик. Химические процессы могут проводиться в реакторах непрерывно
го и периодического, а также в аппаратах полунепрерыв ного действия. Конструктив но аппараты для проведения химических процессов вы полняют в виде реактора, ко лонны, теплообменника или печи. Выбор конструкции ап парата зависит от условий технологического процесса.
Наибольшее влияние на конструктивное исполнение химического аппарата оказы вают агрегатное состояние веществ, участвующих в ре акции, наличие и конструк ция теплообменных уст ройств и способы перемеши вания.
На рис. 6.57 показана конструкция реактора для проведения химического про цесса при температуре 220 °С с использованием агрессив ных сред. Реактор снабжен необходимой теплозащитой и теплообменником. Переме шивание веществ осуществ ляется с помощью мешалки.
Рис. 6.57. Конструкция химического реактора:
1 - гильза; 2 - корпус; 3 - теплооб менник; 4 - привод с мешалкой; 5 - труба для передавливания продукта; 6 - крышка люка
6.9. Биохимические процессы
Биохимические процессы наиболее сложны, поскольку подчи-
t
няются законам биологической кинетики, т.е. временным законо мерностям, характерным для живой природы. В основе биохимиче ских процессов лежат сложные химические реакции различного
типа. Биохимический процесс окисления кислородом органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов (биоцено зом), включающим множество различных бактерий, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Важнейшая роль в этом процессе принадлежит бактериям, спо собным образовывать активный ил, который состоит из большого числа бактерий. В процессе биохимических реакций происходит трансформация органических веществ.
Направление и скорость трансформации зависят от температу ры, поверхностей раздела, биологических и химических катализа торов и ингибиторов, pH среды и ее газового состава, состояния микробиологического сообщества и др. Трансформирующиеся орга нические вещества могут находиться в виде истинно растворенных частиц (молекул, ионов, свободных радикалов) или в виде колло идных и взвешенных частиц. Количество промежуточных продук тов и число элементарных стадий трансформации каждого из ве ществ исчисляется десятками и сотнями.
Условно процесс трансформации органических составляющих можно разделить на три стадии. На первой стадии происходит массопередача вещества к поверхности клетки; на второй - диффузия вещества через полунепроницаемые мембраны клетки и на третьей стадии осуществляется метаболизм диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом нового вещества. Основную роль играют собственно биохимические процессы, протекающие внутри клеток микроорганизмов, но немаловажное значение имеют и про цессы массопереноса (сорбции и диффузии).
Процессы биохимической очистки протекают с большой скоро стью, являющейся следствием способности микроорганизмов к быс трому размножению в присутствии органических веществ.
Большую роль в протекании биохимических процессов играет кислород воздуха, который в зависимости от вида бактерий может либо способствовать разрушению отходов, либо препятствовать ему (аэробные и анаэробные процессы).
На протекание биохимических процессов влияют также неко торые вещества, содержащиеся в очищаемой среде. Так, при очи стке сточных вод биохимическими методами предельно допустимое содержание ряда металлов в воде чрезвычайно мало, в частности, со
держание ионов мышьяка и сурьмы не должно превышать 0,2 г/м |
, |
||
меди |
- |
0,4, шестивалентного хрома - 0,5, никеля и свинца |
- |
1 г/м |
. |
Эти металлы и ряд других, в том числе органических, сое |
динений являются ядами для бактерий.
Биохимические методы находят применение в ряде рекуперационных процессов, в частности для очистки сточных вод, очистки почвы от нефти и в других случаях.
Высокая концентрация в промышлен |
|
|
|
||||
ных сточных водах трудноокисляемых и |
|
|
|
||||
токсичных |
соединений, |
нестабильность |
|
|
|
||
их объема |
обусловили |
необходимость |
|
|
|
||
применения |
многоступенчатых |
систем |
|
|
|
||
биологической очистки, |
основным эле |
|
|
|
|||
ментом которых |
является |
аэротенк |
|
|
|
||
(рис. 6.58). |
|
|
|
|
|
|
|
В связи с необходимостью интенси |
Рис. 6.58. Схема двухступен |
||||||
фикации процессов очистки сточных вод |
чатой очистки сточной воды: |
||||||
широкое применение получил способ био |
А - аэротенк; Б - вторичный |
||||||
химической |
очистки |
с |
использованием |
отстойник; 1 - |
поступающая |
||
технического кислорода или обогащенно |
сточная |
вода; |
2 - иловая |
||||
го кислородом воздуха. Очистные соору |
смесь; 3 - |
возвратный ил; 4 - |
|||||
жения, в которых применяется этот спо |
сброс сточной воды |
||||||
|
|
|
соб, получили название окситенков. Применение кислорода обеспечивает: экономию электроэнергии;
повышение скорости насыщения сточных вод кислородом до бо лее высоких концентраций (около 10 мг/л) даже при атмосферном давлении;
гибкость и устойчивость работы установок при изменении на грузки;
увеличение (примерно на 30%) скорости отстаивания сточных вод после биологической очистки.
Конструктивно окситенки могут быть открытыми или закрыты ми. Закрытые окситенки выполняются в виде одрой или несколь ких (до четырех) последовательно соединенных по газовой и жид кой фазам герметизированных камер. В первую камеру вводится сточная вода и технический кислород, обеспечивающий небольшое избыточное давление в газовой фазе. По мере прохождения через камеры вода очищается, а концентрация кислорода в газовой фазе снижается. Из последней камеры газ выходит в атмосферу, а очи щенная вода поступает во второй отстойник. Рециркуляционный поток активного ила из второго отстойника возвращается в первую камеру, а избыточный активный ил выводится из системы.
Использование окситенков позволяет сократить площади, отво димые под очистные сооружения. Производительность действую щих очистных сооружений при переоборудовании аэротенков в ок ситенки может быть увеличена без расширения территории очист ных сооружений.
Другим примером использования биохимических процессов при переработке отходов являются способы очистки земной и водной поверхностей от нефтяных загрязнений. Участвующие в процессе биохимической обработки поверхности бактерии превращают раз литую на ней нефть в безвредные продукты своей жизнедеятельно
сти. Широко используются биохимические процессы при перера ботке твердых отходов органического происхождения.
Так, при биотермическом компостировании органические отхо ды в горизонтальных вращающихся барабанах подвергаются воз действию аэробных бактерий, выделяющих в результате своей жизнедеятельности тепло, которое необходимо для повышения их биологической активности. Ускорению протекания процесса спо собствуют (помимо поддержания температуры в заданном интерва ле) измельчение отходов с целью увеличения поверхности контак та, аэрация перерабатываемых отходов, создание необходимой влажности, перемешивание отходов.
Наряду с биохимической переработкой в условиях промышлен ных предприятий - мусороперерабатывающих заводов - широко используется и полевое компостирование твердых бытовых отхо дов. При биохимической переработке органических отходов наряду с их разложением происходит синтез новых органических веществ. Образующийся продукт - компост - используется в сельском хо зяйстве.
Органические отходы, в частности отходы пластмасс, лесопере рабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности, сельского хозяйства, а также бытовые отходы, можно использовать для получения энергии, разлагая их с помощью микроорганизмов до сбраживаемых соединений.
Объемы образования таких отходов велики, из чего следует перспективность данной технологии. К таким отходам относятся опилки, древесная стружка, зелень, шелуха и солома злаковых растений, отходы корнеплодов и фруктов, молочная сыворотка и многие другие продукты.
Например, при микробном разложении и последующих превра щениях древесных и других содержащих углеводы отходов получа ют этиловый спирт, являющийся ценным сырьем для химической промышленности.
Одной из реальных биотехнологий является получение из влажных органических отходов биогаза, представляющего собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и других га зов. 1 м3 биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,6 м3^природ ного газа, 0,74 м3 нефти или 0,65 м3 дизельного топлива. Биогаз горит, образуя пламя синего цвета, не имеет запаха, а при сгора нии не выделяет дыма.
Образование биогаза в значительных количествах происходит на полигонах твердых бытовых отходов в теле захоронения при воздействии бактерий в результате анаэробного разложения орга нических продуктов. На ряде полигонов этот газ собирается и по системе трубопроводов, специально уложенных в теле захоронения
при формировании полигона, подается на реализацию с целью получения тепловой и электрической энергии. Сбор и утилизация биогаза не только способствуют рациональному использованию ре сурсов, но и позволяют избежать загрязнения атмосферного возду ха в районе расположения полигона.
Анаэробная технология совместной переработки твердых быто вых отходов и илистого осадка сточных вод позволяет сократить объем отходов на 3 0 - 40%. Для этого отходы смешивают с актив ным илом в соотношении 3,5 : 1 (по объему) и полученную смесь размещают на площадке с водонепроницаемым основанием из гли ны, уплотняют и герметично изолируют от окружающей воздуш ной среды, т.е. процесс протекает в анаэробных условиях. Влаж ность среды должна составлять 70 - 75%. Смешивание твердых бытовых отходов с активным илом увеличивает выход метана, со кращает продолжительность разложения отходов в 4 - 5 раз и - самое главное - снижает период стабилизации полигонов отходов со 100 до 10 - 15 лет.
В процессе биометаногенеза органических отходов участвуют три группы бактерий, последовательно воздействующих на них и на продукты их брожения. С биохимической точки зрения при превращении органических отходов в метан электроны органиче ских молекул переносятся на углекислый газ, который восстанав ливается до метана. Донорами электронов являются уксусная кис лота и водород, вырабатываемые бактериями.
С точки зрения эколога метаногенез - важный процесс в угле родном цикле биосферы, так как позволяет самой природе ликви дировать органические отходы.
Биотехнология может быть использована не только для полного разложения каких-либо отходов, но и для превращения токсичных продуктов с помощью бактерий в вещества, не представляющие опасности для окружающей среды.
Глава 7. ТЕРМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
Одними из наиболее широко распространенных способов воз действия на отходы являются термические, при использовании ко торых в зависимости от условий проведения процесса происходят окисление, разложение и восстановление химических соединений, составляющих отходы, причем зачастую все эти процессы проис ходят одновременно. Главной целью такой обработки является обезвреживание отходов и уменьшение их объемов, но наряду с этим рад способов термического воздействия позволяет получать из отходов ценные товарные продукты.
К термическим методам относят жидкофазное окисление, гете рогенный катализ, газификацию и пиролиз отходов, плазменный и огневой методы.
7.1. Беспламенные термические способы утилизации отходов
Метод жидкофазного окисления (’’мокрое” сжигание) исполь зуют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть метода состоит в окислении кислородом воздуха органиче ских и элементоорганических примесей сточной воды при темпера туре 150 - 350 °С и давлении 2 - 2 8 МПа.
Эффективность метода оценивается полнотой окисления орга нической части осадка, которая зависит в основном от температу ры обработки. Окисление осадка сопровождается выделением теп ла. При влажности около 96% этого тепла достаточно для поддер жания температурного режима, а энергия затрачивается в основном на подачу сжатого воздуха. Интенсивное окисление орга нического вещества осадка кислородом воздуха происходит в тече ние 30 - 40 мин.
Технологическая схема процесса жидкофазного окисления представлена на рис. 7.1. Смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила поступает по трубе 1 в приемный ре зервуар 2, где предварительно нагревается до 40 - 50 °С. Нагретый осадок питательным насосом 3 подается в насос высокого давления 4, который перекачивает его через последовательно установленные теплообменники 5 и 6 в реактор 7. В напорный трубопровод насоса подается сжатый воздух от компрессора 10. На входе в реактор температура паровоздушной смеси составляет около 240 °С.
Рис. 7.1. Технологическая схема процесса жидкофазного окисления:
1 - подача исходного осадка; 2 - приемный резервуар; 3 - питатель ный насос; 4 - насос высокого давления; 5, 6 - теплообменники; 7 - реактор; 8 - сепаратор; 9 - турбина; 10 - компрессор
Для окисления на 50% необходима температура около 200 °С, на 70% и более - 250 - 300 °С. Две трети действующих установок работают при температуре 300 °С и давлении 21 МПа, одна треть - при 100 - 200 °С и давлении 1,8 - 2,4 МПа.
Основное преимущество метода жидкофазного окисления состо ит в небольших затратах энергии на процесс, так как сточная вода подвергается лишь незначительному испарению. Однако у этого способа есть и серьезные недостатки: высокая стоимость и сильная коррозия оборудования, образование накипи на поверхности тепло обменников, неполное окисление отходов и др. Из-за этих недо статков способ жидкофазного окисления применяется весьма огра ниченно.
Метод гетерогенного катализа применяют для обезврежива ния газообразных и жидких отходов с низкой концентрацией горю чих примесей, когда применение других методов связано с боль шим расходом топлива. Процесс окисления на катализаторах осу ществляют при температуре 200 - 300 °С, что значительно ниже температуры сжигания в печах (950 - 1100 °С). Наиболее эффек тивными катализаторами являются металлы платиновой группы, менее эффективны катализаторы, изготовленные из оксидов ме таллов (алюминия, меди, хрома, кобальта, марганца и др.). Ис пользование платины, родия и других металлов платиновой груп пы позволяет снизить температуру начала процесса окисления. Термокаталитические реакторы применяют для окисления оксида углерода, водорода, углеводородов, аммиака, фенолов, альдегидов, кетонов и других соединений. При этих реакциях образуются угле кислый газ, азот и вода. Степень окисления достигает 99,9 %. Для увеличения удельной поверхности катализаторов применяют кера