Тема 3. Контроль и анализ состояния воздуха. Мероприятия по защите атмосферного воздуха от выбросов вредных (загрязняющих) веществ: технологические, санитарно-технические, инженерно-организационные и архитектурно-планировочные
При осуществлении контроля за состоянием воздуха на территории населенных пунктов и в рабочей зоне производственных помещений. используют качественный и количественные анализы газовых смесей.[1] С помощью качественного анализа определяют присутствие в воздухе или газовых потоках отдельных компонентов, не устанавливая их содержания. При количественном анализе определяют состав газовой смеси и/или содержание в ней определенного компонента. Качественный анализ газовых смесей производится с помощью следующих методов:
- органолептический основанный на определении примесей по цвету или запаху;
- индикационный основан на изменении окраски индикаторной бумаги, пропитанной соответствующими реактивами, в присутствии того или иного компонента;
- индикация с помощью жидких или пористых поглотителей заключается в прокачивании воздуха через жидкость, в которой растворен соответствующий реагент, или сквозь пропитанный реагентом пористый материал (силикагель, пемба, цеолиты). О наличии определяемой примеси судят по изменению окраски раствора или реагента, пропитывающего пористый материал.
Для отбора проб газа используют аспираторы. Для анализа газов используют широкий ассортимент приборов, называемых газоанализаторами (механических, тепловых, магнитны, оптических, ИК-анализаторы, УФ-анализаторы, фотометрические, фотоколометрические, хроматографические и др.).
Для каждого проектируемого и действующего предприятия разрабатывается комплексный план мероприятий по охране воздушного бассейна, в котором предусматриваются следующие мероприятия:
1. Технологические мероприятия, включающие в себя:
- создание безотходных технологических процессов на основе новейших технологий, комплексного использования сырья и утилизации отходов, высокой эффективности газопылеулавливающих установок и др.;
- замену небольших котелен на централизованное обеспечение от ТЭЦ;
- замену топлива (например, вместо угля – природный газ);
- предварительную очистку сырья и топлива от вредных веществ;
- электрофикацию производства (например, замена пламенного нагрева электрическим);
- использование трубопроводов, гидро- и пневмотранспорта для сыпучих материалов;
- создание замкнутых технологических процессов.
Существуют следующие способы очистки газовых выбросов:
- абсорбционный – производится в абсорберах, однако при этом используется громоздкое оборудование. Способ основан на химических реакциях между газами. На поверхности твердого пористого тела (абсорбента) осаждаются вредные примеси (адсорбенты);
- окисления горючих углеродистых соединений при сжигании в пламени с образованием СО2 и воды;
- термического окисления с помощью подогрева и подачи в огневую горелку;
- каталитического окисления с использованием твердых катализаторов. При этом сернистый ангидрид проходит через катализатор в виде марганцевых составов или серной кислоты;
- каталитического окисления с использованием твердых катализаторов. При этом сернистый ангидрид проходит через катализатор в виде марганцевых составов или серной кислоты;
- катализ с использованием реакций восстановления и разложения. При этом применяют восстановители (водород, аммиак, углеводороды, монооксид углерода). Нейтрализация оксидов азота происходит метаном с последующим применением оксида алюминия для нейтрализации монооксида углерода. Метод эффективен для очистки выхлопных газов автомобилей от СО и NОх. С помощью серебряно-пиролюзитового (серебряно-марганцевого) катализатора разлагается озон;
- сорбционно-каталитический способ для очистки особо токсических веществ при температурах ниже температуры катализа;
- абсорбционно-окислительный способ, заключающийся в физической адсорбции.
2. Санитарно-технические мероприятия, включающие специальные меры по защите воздушной среды с помощью очистных сооружений (о/с).
Для очистки выбросов от пыли применяют пылеулавливающие аппараты – пылеосадочные камеры, циклоны, матерчатые фильтры, мокрые скрубберы, электрофильтры.
Пылеосадочная камера используется для осаждения частиц крупнее 100 мкм. Представляет из себя короб пустотелый или с полками, прямоугольного сечения, с бункером внизу для сбора пыли. Площадь сечения камеры значительно больше площади сечения подходящих газов, потому поток движется очень медленно (не более 0,5 м/с), пыль оседает в бункер. Конструкция проста в изготовлении, поэтому пылеосадочная камера недорога, проста и удобна в эксплуатации, однако конструкция громоздка и отличается низкой эффективностью. При использовании перегородок замедляется скорость газового потока, увеличивается время прохождения, коэффициент улавливания достигает 80–85 %.
Циклон представляет собой цилиндр с конусом внизу. В центре расположен внутренний циклон. Газы поступают сбоку в пространство между цилиндрами, под действием центробежной силы взвешенные вещества прижимаются к внутренней стенке наружного цилиндра и оседают в конусообразной части. Очищенный воздух удаляется через внутренний цилиндр. При уменьшении размеров циклона эффективность очистки увеличивается, так как величина центробежной силы обратно пропорциональна радиусу вращения частиц. Поэтому вместо одного циклона, как правило, используют батарею из нескольких (чаще всего из 8) малых параллельных.
Орошаемые скрубберы внешне похожи на циклоны, но принцип работы основан на поглощении ВВ водой, которая разбрасывается форсунками или подается непрерывно против потока воздуха, затем вода очищается и подается вновь в скруббер.
Матерчатый фильтр позволяет удерживать ВВ пористыми материалами. Наиболее крупные частицы задерживают гравий, кокс, металлические стружки, стекловолокно, тонкие – металлическая сетка, часто смоченная специальными маслами, пористая бумага, различные ткани. Широко используются матерчатые рукавные фильтры, которые работают по принципу пылесоса. В металлическом шкафу, разделенном вертикальными перегородками на ряд секций, помещаются группы рукавов из фильтрующего материала. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены на раму, с ее помощью производится периодическое встряхивание и пыль падает в бункер. Рукава изготовляют из шерстенных, хлопчатобумажных, синтетических тканей в зависимости от температуры проводимых газов. При температуре свыше 3000 используют стеклоткань. Коэффициент полезного действия (КПД) матерчатых фильтров – 98–99%. Обычно их используют после прохождения газовой смеси через камеры или циклоны.
Таблица 3.1. Эффективность использования различных пылеулавливающих аппаратов ( Гаев А. Я. и др.,1990)
|
Аппарат |
Эффективность |
Стоимость основного оборудования |
Расход энергии |
|
Циклон* |
1 |
1 |
1 |
|
Батарейный циклон |
2 |
2 |
1,5 |
|
Пылеосадочная камера |
0,68 |
0,5 |
1 |
|
Орошаемый скруббер |
4 |
6 |
0,5 |
|
Матерчатый скруббер |
15 |
10 |
2 |
|
Электрофильтр |
6 |
10 |
0,2 |
* – показатели циклона приняты за единицу.
Электрофильтры используют электрическое поле высокого напряжения, ВВ приобретают отрицательный заряд, которые притягиваются к положительному электроду и сбрасываются в бункер. КПД – 98–99%. Наиболее эффективны комбинированные установки, включающие несколько типов пылеулавливающих устройств (табл. 3.1), в зависимости от определенного состава воздуха и расхода газов.
Очистка выбросов от газов, паров, аэрозолей осуществляется на основе следующих процессов: абсорбции, адсорбции, окисления, озонирования, каталитического сжигания, термического обезвреживания.
Абсорберы представляют из себя аппараты типа орошаемого скруббера, в которых очистка осуществляется с помощью поглотительных растворов. Работает принцип абсорбции, далее растворы проходят полную биологическую очистку. Метод используется для очистки воздуха травильных и гальванических ванн, других технологических газов. Для очистки от хлора, кислот, фтористых соединений применяют растворы щелочей (соды), от сернистого газа освобождаются раствором аммиака, получая удобрения – сульфат аммония. Они используются для очистки воздуха от сероуглерода и других загрязнителей, газы при этом пропускаются через слой адсорбента, который задерживает ВВ.
Органические загрязнители – ацетальдегид, винилацетат, дихлорэтан, пропиловый спирт, формальдегид, метанол, фенол, акролеин улавливают в орошаемых скрубберах с последующей очисткой на биофильтрах или в аэротенках либо окисляют до СО2 или воды в печах каталитического сжигания. Диметилсульфид, изопропилбензол, диэтиламин, дивинил или сжигают, или окисляют методом озонирования.
Для снижения загрязнения ОС от автомобильного транспорта используют нейтрализаторы – устройства каталитического действия, предназначенные для обработки отработавших газов двигателя:
1. Окислительный каталитический, работающий при температуре 680–8800 К и осуществляющий окисление СО и низкомолекулярных углеводородов в СО2, с КПД до 75–95%.
2. Окислительно-восстановительный каталитический, дополнительно комплектующийся кислородным датчиком и системой впрыска топлива (вместо карбюратора), так как необходимо дозировать топливо с высокой точностью, ибо при этом достигается максимальный эффект нейтрализации одновременно по трем компонентам – СО, СхНу и NОх.
Фильтры для улавливания дисперсных частиц позволяют снизить выбросы твердых частиц дизелей.
3. Инженерно-организованные мероприятия применяют, когда существующие методы не обеспечивают санитарных норм. К подобным мероприятиям относятся: снижение интенсивности и увеличение скорости не перегруженных магистралях; увеличение высоты труб; расположение и упорядочение выпусков. Концентрация веществ(См, мг/м3) в выбросах зависит от высоты трубы (Н, м) См = I / H2. Так, при высоте трубы 20 м, См = I /400, при увеличении высоты трубы в 10 раз (H = 200 м), См = I /40 000, т. е. концентрация вредных веществ уменьшается в 100 раз.
Однако следует помнить, что количество выбросов при этом не уменьшается, увеличивается фоновое загрязнение атмосферы, которое в настоящее время во многих промышленных центрах близко к критическому значению. Высота трубы 100 м позволяет рассеивать ВВ до 20 км, а высота 250 м – до 75 км. Высочайшая труба (>400 м) в мире построена в Канаде (г. Садбери) на медно-никелевом комбинате. Гидромет России не рекомендует в настоящее время сооружение труб выше 150 м.
По СН 369-74 максимальная концентрация (См) ВВ (в первом приближении) определяется по формуле
, (3.1)
где А – коэффициент, учитывающий частоту температурных инверсий, для центральных районов Росси – 120;
М – масса ВВ в выбросах, г/ с;
Н – высота трубы, м;
V1 – расход газовоздушной смеси (м3/с) определяемый по формуле
V1 =
, (3.2)
где V2 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с;
D – диаметр устья источника выброса, м;
Т1 – температура выброса, градусы;
Т2 – средняя температура воздуха для самого холодного месяца;
А – коэффициент скорости оседания частиц (газ – 1,0; пар – 2,0; пыль – 3,0).
Точка обнаружения См находится по направлению ветра от источника загрязнения на расстоянии Хм = 20Н, Хм, которое должно быть равно радиусу СЗЗ, а См = СПДКмрнм.
4. Архитектурно-планировочные мероприятия, включающие в себя зонирование территории, рациональное размещение источников загрязнения, организацию СЗЗ, планировку селитебных территорий, озеленение.
Согласно требованиям СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03, в зависимости от вредности выбрасываемых веществ и степени возможной очистки, каждое предприятие относится к тому или иному классу опасности, в соответствии с этим устанавливаются санитарно защитные зоны (СЗЗ):
1-й класс (СЗЗ – 1000 м) – целлюлозно-бумажные, химические и металлургические комбинаты, алюминиевые и медеплавильные заводы, предприятия по производству цемента, шлакопортландцемента, пуццоланового цемента производительностью более 150 т/год, производство магнезита, доломита и шамота с обжигом в шахтных, вращающихся и других печах;
2-й класс (500 м) – производство гипса, асбеста, извести, портландцемента и др. до 150 т/год; асфальтобетона на нестационарных заводах, древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит на полимерных содах;
3-й класс (300 м) – производство керамзита, стекловаты, шлаковой шерсти, асбоцемента, бетонных и железобетонных изделий, материалов из отходов ТЭЦ, элеваторы цемента, производство местных цементов мощностью до 5 т/год, асфальтобетона;
4-й класс (100 м) – производство искусственных камней и бетонных изделий, асбоцементных изделий, кирпича, огнеупоров, мергелей, изделий из каменного литья, стекла, литейные цеха;
5-й класс (50 м) – предприятия по добыче и обработке камня, производство гипсовых изделий, полимерных строительных материалов, столярно-плотничных изделий и паркета.
СЗЗ не может быть использована для расширения производства, размещения учреждений социальной сферы, но может быть использована при согласовании с СУГО для посадки сельскохозяйственных культур, пастбищ, сенокосов. Во всех случаях СЗЗ должна быть благоустроена и озеленена: высаживаются деревья и кустарники, создаются лесопарки. Допускается размещать предприятия с производством меньшего класса вредности: пожарные депо, бани, учебные заведения, магазины, поликлиники и лаборатории (< 30% площади), связанные с обслуживанием данного предприятия.
Площадь зеленых насаждений должна занимать не менее 15% территории: для 4–5-х классов СЗЗ – >60 %, 2–3-х классов – > 50%, 1-го класса – >40%. Для особо вредных производств рекомендуется в обязательном порядке создавать зеленую защиту из газопылеустойчивых растений.
В городах строительство новых предприятий следует вести в специальных промышленных зонах согласно генплану. Источники загрязнения атмосферы должны располагаться с наветренной стороны по отношению к селитебной застройке. Площадки выбираются с учетом климата и рельефа. В зависимости от степени устойчивости к загрязнению атмосферы принято выделять следующие группы растений:
- особо пылеустойчивые деревья и кустарники: акация белая; вяз гладкий и листоватый; каштан конский; клен остролистый, полевой, серебристый; липа; можжевельник виргинский; орех грецкий, черный; тополь белый, канадский, туркестанский, черный; черемуха обыкновенная, виргинская;
- газоустойчивые деревья и кустарники: боярышник обыкновенный; бузина красная; ель колючая; клен ясенелистный; смородина золотистая; тополь канадский; туя западная; шелковица;
- среднегазоустойчивые деревья и кустарники: береза бородавчатая и пушистая; вязь обыкновенный; граб обыкновенный; лещина обыкновенная; лиственница обыкновенная; можжевельник; груша обыкновенная; дуб красный и черешчатый; жасмин; жимолость татарская; ива белая, ломкая и плакучая; тополь пирамидальный; яблоня лесная; ясень зеленый.
Деревья, обладающие фитонцидными свойствами: береза бородавчатая; граб обыкновенный; дуб черешчатый; клен остролистый; можжевельник обыкновенный; орех; рябина обыкновенная; сосна крымская и обыкновенная; тополь бальзамический и берлинский; туя; черемуха обыкновенная.
Деревья, обладающие бактерицидными свойствами: акация белая; береза бородавчатая; кедр; клен серебристый; липа мелколистая; лиственница; дуб; тополь; можжевельник обыкновенный; орех грецкий; осина; черемуха обыкновенная; сосна; эвкалипт; пихта.