Основы экологии в металлургии Исполнитель

экологии в металлургии. Охрана водных и возд~.doc

Скачано: 69
Размер: 100 Kb

Matn

Основы экологии в металлургии. Охрана водных и воздушных бассейнов. Обезвреживание газов и пыли, очистка оборотных вод. Их переработка и извлечение полезных металлов. Обеспечивание оборотной водой металлургических предприятий.

План:

1. Основы экологии в металлургии.

2. Охрана водных и воздушных бассейнов.

3. Обеспечивание оборотной водой металлургических предприятий.

{spoiler=Подробнее}

Цель занятия: рассказать об основах экологии в металлургии. Охрана водных и воздушных бассейнов.

Основная часть.

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями.

Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.

Концентрации вредных веществ в атмосфере и водной среде на территории крупных металлургических центров значительно превышает нормы. Неблагоприятная экологическая обстановка наблюдается практически во всех промышленных городах Узбекистана, Алмалык, Чирчик, Бекабад, Навоий, Ангрен и др.

На доля предприятий металлургии приходится 15-20 % общего загрязнения атмосферы промышленностью, что составляет более тыс. т вредных веществ год. В районах рарасположения крупных металлургических комбинатов доля загрязнения металлургией достигает 50 %.

Принципы создания экологически чистого производства

При создании любого производства воздействие на окружающую среду должно быть минимальным.

Общие принципы создания экологически чистого производства исходят из концепции улучшения качества окружающей среды и преследует три функции (рис.).

Улучшение и сохранение необходимого качества природной среды- поэтапный и непрерывный процесс. Каждый этап требует времени и средства для своего осуществления. Достигнув определенного уровня, необходимо сравнить его с уровнем других производителей, которые к этому времени продвинулись в этом вопросе дальше и приступить к осуществлению последующих задач.

Проблемы ООС

Рис. Общие принципы создания экологически чистого производства.

Последовательные циклы дают возможность производителям усовершенствовать охрану окружающей среды (ООС) в таких областях как:

1.Сохранение ресурсов: усовершенствование эффективности использования материалов и энергии, т.е. сокращение использования природных ресурсов, связанных с производством;

2.Снижениие потребления токсичных материалов, использования «рискованных» материалов. Все материалы, отрицательно влияющие на ОС, считаются рискованными (включая токсичные вещества, истощающие озоновый слой, влияющие на глобальное потепление и др.);

3. Минимизация отходов: сокращение и – насколько возможно уничтожение образующихся отбросов (отработанных материалов), включая побочные продукты: жидкие, твердые и газообразные и/или сбросов в водоемы, снижение уровня физических загрязнений (тепловых, электромагнитных и др.)

Пылеулавливание

Пылеулавливание – процесс улавливания пыли в местах ее образования с последующим выделением твердой фазы из потоков воздуха или газа. Пылеулавливание имеет большое значение для поддержания санитарно-гигиенических условий работы на предприятиях цветной и черной металлургии. Кроме того, выделение ценного компонента из газов с целью повышение его извлечения способствует более рациональному использованию сырья.

По действию, оказываемому на организм человека, пыль подразделяют на ядовитую и неядовитую. Наиболее опасна ядовитая пыль (мышьяковая, свинцовая, ртутная, радиоактивная). Неядовитая пыль, содержащая диоксид кремния, хотя и не вызывает отравления организма человека, однако приводит к тяжелым заболеваниям дыхательных путей и легких (силикоз). Допустимое содержание пыли в воздухе рабочих помещений регламентируется соответствующими нормами.

Выделение пыли происходит в процессе различных методах обогащения, сушке, обжиге, правке, транспортировании материалов (особенно в местах их перегрузки) и т.д. Большое значение для уменьшения пылеобразования имеет сооружение герметических укрытий с отсосом вокруг аппаратов с большим пылеобразованием и мест пересыпки материала.

На практике очистке подвергается воздух, отсасываемый из герметические укрытий аппаратов, а также газы после термической сушки, обжига и плавки. В зависимости от крупности и требуемой степени очистки, запыленный газ подвергается одно-, двух- и трехстадиальной очистке. В первой стадии отделяется наиболее крупная часть пыли, во второй – менее крупная и в третьей – производится очистка газа от наиболее тонких частиц. Выбор способа пылеулавливания зависит от крупности пыли.

Крупная пыль с частицами размером от 0,1 до 0,5 мм легко выпадает из потока воздуха при небольших скоростях его движения и улавливается в камерах и циклонах.

Мелькая пыль, с частицами размером от 0,001 до 0,1 мм улавливается при помощи батарейных циклонов, мокрых пылеуловителей.

Тонкая пыль (туманы) с частицами размером от 0,0001 до 0,01 мм требует для осаждения более эффективных способов (рукавные фильтры, электрофильтры, мокрые пылеуловители).

Весьма тонкая пыль (дымы) с частицами размером <0,0001 мм улавливается при помощи электрофильтров и частично – мокрых пылеуловителей.

Степень улавливания выли, или степень очистки воздуха, характеризуется эффективностью пылеулавливания и определяется по формуле:

Е = , %

где, b_исх - b_очищ – содержание пыли соответственно в поступающем на очистку воздухе и в очищенном воздухе, мг/м³.

Стобы выбрать метод очистки, надо оценить размер частиц пыли. Универсального аппарата для улавливания пыли разной крупности нет. Долгое время единственным очистным сооружением была дымовая труба. Сейчас ей на смену пришли различные пылеулавливающие устройства: пылевые камеры, циклоны, батарейные циклоны, центробежные скрубберы, различные фильтры (гибкие, полужесткие, жесткие, зернистые), электрофильтры,

Характеристика аппаратов для пылеулавливания

Аппараты	Максимальное содержание пыли в газе, кг/м³	Размеры твердых частиц, мкм	Степень очистки, %	Гидравлическое сопротивление, Н/м²
Пылевые камеры	-	>100	30-40	-
Жалюзийные пылеуловители	0,02	>25	60	500
Циклоны	0,4	>10	70-95	400-700
Батарейные циклоны	0,1	>10	85-90	500-800
Центробежные скрубберы	0,05	>2	85-95	400-800
Рукавные фильтры	0,02	>1	98-99	500-2500
Электрофильтры	0,01-0,05	>0,005	99	100-200

Очистка сточных вод

Металлургия является одним из крупных потребителей воды. Очистка сточных вод обогатительных фабриках и металлургических заводов производится с целью получения оборотных вод, из которых удалены вредные для технологии примеси (грубодисперсные частицы, флотореагенты, ионы различных металлов и др.). Характеристика сточных вод зависит от состава перерабатываемых руд и применяемой руд и применяемой технологии. Для обезвреживания сточных вод применяется следующие методы: механические, химические, физико-химические и биологические.

Механические методы очистки сточных вод самые простые, они осуществляется в отстойниках и хвостхранилищах путем отстаивания и фильтрации (для очистки от нефтепродуктов). В результате механической очистки можно получить степень осветления, 90-95 %. ПДК для оборотной воды по твердому примесям- 10-15 мг/л. площадь современных хвостохранилищ составляет 3-20 км², глубины – 20-150 м, объем – 60-3000 млн.м³. при правильной эксплуатации хвостохранилищ, при увеличении времени пребывания сточных вод в них до 20-30 суток, использовании вторичных отстойных прудов для доочистки стоков, покрытии поверхности прудов тростником, рогозом можно добиться очень высокий естественный очистки сливов хвостохранилищ от токсичных веществ.

Химические методы. За счет реакций осаждения, окисления, разложения происходит превращение токсичных примесей в менее токсичные. Основными методами химической очистки сточных вод является нейтрализация и окисление. Из методов нейтрализации в цветной металлургии наиболее распространен метод известкования, к окислительным методом относится в основном хлорирование и озонирование.

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем. Химическая очистка в ряде случаев целесообразна (в качестве предварительной) перед биологической и другими методами очистки. Химическая очистка применяется также как метод извлечения различных цветных металлов из сточных вод.

Нейтрализация применима для сточных вод, имеющих рН <6,5 и >8,5. Для нейтрализация минеральных кислот чаще всего использует известь в виде пушонки или известкового молоко (гашеной извести Са(ОН)₂). Метод известкования позволяет попутно переводить в осадок в виде гидроксидов такие металлы, как Zn, Pb, Cu, Cr, Cd. Гидроксиды многих металлов ускоряют процесс осаждения твердых многие токсичные вещества, в том числе керосин (степень очистки от керосина составляет ~ 70%). Иногда для нейтрализации применяют карбонаты кальция или магния в виде суспензии. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является образование пересыщенного раствора гипса СаSО₄, что приводит к забиванию трубопроводов и аппаратуры.

Химическое осаждение сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые соединения. Ионы Cr (III), Zn, Pb, Cu и Cd образует со щелочами труднорастворимые соединения – гидроксиды. Ионы свинца и меди можно осаждать не только в виде гидроксидов, но и в виде гидроксокарбонатов с помощью известняка СаСО₃ и доломита CaMg(CO₃)₂ по реакции:

2Cu²⁺ + CO₃^2- + 2OH^- ®Cu(OH)₂CO₃¯.

Для осаждения мышьяка могут быть использованы соли двух – и трехвалентного железа по реакции

2AsS₂ + Fe²⁺®As₂S₃¯ + FeS¯.

Обезвредить сточные воды от фтора можно, обработав их известняком или известковым молоком,

Na₂SiF₆ + CaCO₃®CaSiF₆ + Na₂CO₃,

CaSiF₆ + CaCO₃®3CaF₂¯+ SiO₂ + 2CO₃,

2HF + Ca(OH)₂®CaF₂¯+H₂O.

Соединения фтора переходят в труднорастворимый фторид кальция.

Хлорирование – один из самых распространенных способов очистки сточных вод от цианидов, сероводорода и др. Окисление токсичных цианидов жидким хлором производится только в щелочной среде (рН>9…10) путем перевода цианид – ионов CN^- в нетоксичные цианаты CNO^-, которые затем гидролизуется с образованием ионов аммония и карбонатов.

CN^- + 2OH^- + Cl₂®CNO^- + 2Cl^- + H₂O,

CNO^- + 2H₂O®NH₄⁺ + CO₃^2-.

Более надежным и экономически целесообразным методом является окисление цианидов гипохлоритом CaOCl и хлорной известью CaOCl₂ в щелочной среде (рН 10…11):

CN^- + OCl^-®CNO^- + Cl^-.

Реакция протекает полностью за 1-3 мин. Образующиеся цианаты постоянно гидролизуются. В растворах, содержащих цианид – ионы и медь, одновременно могут присутствовать комплексные цианиды меди [Cu(CN)₂]^-, [Cu(CN)₃]^2- и [Cu(CN)₄]^3-, окисления которых гипохлоритом проходит с образованием CNO^-, Cl^- и Cu(OH)₂. При окислении токсичного комплекса цианида цинка [Zn(CN₄)]^2- образуется CNO^-, Cl^- и Zn(OH)₂:

[Zn(CN₄)]^2-+ OCl^- + ОН^-® CNO^- + Cl^- + Zn(OH)₂.

В связи с высокой стоимостью хлорагентов в цветной металлургии применяются в основном гипохлоритная пульпа титано-магниевых комбинатов и жидкий хлор.

Хлорная известь используется для очистки от ксантаногента слива хвостахранилища некоторых комбинатов.

Озонирование является конкурентоспособным методом по отношению к хлорированию, хотя он и дороже, и даже по отношению к биологической очистке, так как позволяет разрушить загрязняющие вредные примеси, не поддающиеся окислению биохимическим методом. Установлено, что озон особенно эффективен при очистке сточных вод, загрязняющие различными органическими растворителями, цианидами, сероводородом, сернистыми соединениями, фенолами, нефтепродуктами. Озон обладает высокой окислительной способностью. Поскольку озон – нестойкий газ, хранить его и транспортировать нерационально. Более целесообразно получать озон на месте его применения (через источник тлеющего разряда пропускают атмосферный воздух). Относительно большие капитальные затраты на озонирующую установку быстро окупаются – процесс прост и относительно безопасен, несложен в эксплуатация, продукты озонирования не ядовиты. Недостаток метода состоит в том, что озон и его водные растворы разрушают медь, сталь, чугун, резину, эбонит. Поэтому все элементы озонирующих установок и трубопроводы, контактирующие с озоном, должны изготавливаться из нержавеющей стали и алюминия. Чаще всего для более глубокой очистки промышленных сточных вод озонирование применяется в сочетании с другими методами, например с сорбцией и биологической очисткой.

Физико-химические методы очистки сточных вод подразделяются на коагуляционные и флотационные, электрохимические, сорбционные (в том числе ионообменные) и мембранные.

Коагуляционные и флотационные методы широко используются для очистки сточных вод предприятий цветной металлургии. При введении в пульпу солей алюминия и железа в результате гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды алюминия и железа, на поверхности которых адсорбируются загрязняющие компоненты, что приводит к увеличению скорости очистки.

Флотационные методы очистки применяют для осветления сточных вод, содержащих тонкие частицы, скорость осаждения которых очень мала (для частиц крупностью 100 мкм – 0,3 мм/с).

Биологические методы находят все более широкое применение для очистки сточных вод благодаря таким фактором, как низкий расход энергии, отсутствие вторичного загрязнения воды, относительно невысокие эксплуатационные расходы, способность обеспечивать жесткие нормативы условий сброса.

Метод основан на способности микроорганизмов окислять сложные органические вещества до конечных продуктов – углекислоты и воды. При этом окисление может происходить в анаэробных условиях. Аэробная очистка происходит как в естественных условиях (водоемах, окислительных прудах, на полях орошения), так и в искусственных очистных сооружениях (в аэротенках – открытых проточных резервуарах, продуваемых воздухом). Аэробная очистка сточных вод может также производиться в биологических прудах. В таких прудах формируется комплекс бактериальной флоры и фитопланктона (растительных организмов), под воздействием которого происходит окисление органических веществ сточных вод.

Биологические пруды вмещают большие объемы сточных вод, их строительство и эксплуатация обходятся дешевле, чем строительство сооружений для очистки с активным илом. Кроме того, имея значительный объемы, биопруды обладают большой буферностью: при колебаниях расходов воды и концентрации загрязнений эффективность очистки не снижается. Способ биологической очистки от ионов тяжелых цветных металлов основан на способности сульфатредуцирующих бактерий использовать в процессе дыхания кислород сульфатов в качестве акцептора водорода, восстанавливая их при этом до сероводорода. Сероводород, являясь сильным восстановителем, реагирует с растворенными ионами тяжелых цветных металлов с образованием нерастворимых сульфидов, выпадающих в осадок. Продолжительность очистки 20-25 суток. Количество бактерий – 10²-10³.

Среди применяемых методов очистки сточных вод биологическая очистка является самой дешевой и доступной, а не практике нередко и единственно возможной.

Очистка сточных вод гальванических цехов. Ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более тысяч тонн меди, цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооружений гальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему.

Установлено, что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозят развитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие на водную фауну. Исходные стоки, которые необходимо было очистить, содержали медь в концентрациях от 80–100 г/л (отработанные ванны травления) до 10 г/л (промывные воды), цинк соответственно от 50 г/л до 1 г/л. Огромный диапазон концентраций в исходном стоке и в очищенной сточной воде не позволял разработать экономически обоснованный одностадийный процесс их очистки. Чаще всего в производственной практике для удаления ионов тяжёлых металлов (ИТМ), в частности меди, используют реагентный метод, заключающийся в осаждении металлических ионов при добавлении к стоку соответствующего реагента. Достоинство метода — в его простоте. Недостатки — в сток вводится новое химическое вещество, то есть, новое загрязнение, а полученные обводнённые осадки имеют большой объём. Исходя из начальных концентраций меди и цинка и требуемых ПДК, весь процесс очистки был разбит на три стадии:

удаление из стока основной части ионов меди (остаточная концентрация примерно 0,5–1,5 г/л);
снижение концентрации ионов до миллиграммовых концентраций на литр;
окончательная доочистка до ПДК.

Для некоторых стоков очистку планировали проводить по второй и третьей стадиям, минуя первую. По причинам, указанным выше, реагентный метод по крайней мере на первой стадии был исключён. На этой стадии было решено удалять медь и цинк путём электролиза или цементации (для меди).

Главным преимуществом электролиза является возможность получения на катоде свободного металла, при этом не происходит вторичного загрязнения стока. В случае цементации исключаются затраты на электроэнергию, но в очищенном стоке накапливаются ионы металла–цементатора.

На второй стадии предполагалось использовать сорбцию ионов меди и цинка на дешёвых минеральных сорбентах и, наконец, завершить доочистку либо сорбцией на активированном угле, либо предложить оригинальный способ снижения концентраций меди и цинка до ПДК.

Контрольные вопросы:

1. Основы экологии в металлургии.

2. Охрана водных и воздушных бассейнов.

3. Обеспечивание оборотной водой металлургических предприятий.