Очистка выбросов автотранспорта

Автотранспорт является главным загрязнителем городской атмосферы, в больших городах – на 60–90%. Автомобильные выхлопные газы – это смесь многих веществ (до 200). Их примерный состав (объемные проценты): газы воздуха – азота около 75% и кислорода 5–15%; газы от сгорания топлива: диоксида углерода CO₂ – 5–10%, воды – 1–5%, водорода – 0–5%, загрязняющих и токсичных веществ – 1–15%. Основными компонентами смеси вредных веществ являются: оксид углерода СО – 30–70%, углеводороды – 2–20%, оксиды азота – 1–9%. Они также содержат альдегиды, сажу (дизельные двигатели), соединения свинца, бензпирен и др. Доля несгоревших углеводородов и особенно СО резко возрастает (в 10–15 раз) при малых оборотах двигателя во время разгона, торможения, при остановках у светофора, в заторах и т.п.

Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта делят на три группы.

1. Градостроительные мероприятия: а) строительство автомагистралей в обход городов и населенных пунктов; б) изоляция зданий от дорог, тротуаров многорядными посадками кустов и деревьев; в) размещение жилых и особенно детских учреждений в глубине кварталов, подальше от дорог; г) сооружений транспортных развязок на разных уровнях, магистралей-дублеров.

2. Организация движения городского транспорта: а) ограничение проезда грузовых машин по городу; б) организация оптимальной работы светофоров («зеленая волна») и транспортных развязок; в) оптимизация скорости движения машин (при 60 км/час – наименьшие загрязнения); г) расширение перевозок пассажиров электротранспортом.

3. Технические мероприятия: а) регулировка двигателей внутреннего сгорания, особенно состава смеси, поступающей в цилиндры; б) снижение, замена и полное исключение свинца в топливе; в) добавление в топливо присадок, снижающих содержание CO, альдегидов, сажи в выхлопных газах; г) замена бензина метанолом, сжатым и сжиженным газом, а еще лучше – водородом; д) нейтрализация (обезвреживание) выхлопных газов; е) фильтрация выхлопных газов дизелей от сажи; ж) замена обычных автомобилей электромобилями.

Примеры. Добавки к бензину смеси спиртов уменьшают содержание CO у карбюраторных двигателей. Добавки, содержащие барий, снижают выброс сажи из дизельных двигателей на 70–90%. Горячие водяные пары способствуют более полному сгоранию топлива, уменьшают детонацию. Замена жидкого топлива на газы, которые сгорают практически полностью, уменьшает содержание CO в выхлопных газах в 3–4 раза.

Очистка выхлопных газов. Очистка выхлопных газов от загрязнений – наиболее реальный и перспективный путь уменьшения загазованности городской атмосферы. Применяют два способа очистки: нейтрализация загрязнений растворами реагентов; каталитическая нейтрализация примесей выхлопов.

Жидкостная нейтрализация – это взаимодействие токсичных веществ с раствором сульфита Na₂SО₃ или карбоната натрия Na₂CO₃ при пропускании через раствор выхлопных газов. Эффективность очистки составляет: от оксида серы SO₂ – до 100%, альдегидов – 50–98%, оксидов азота – около 30–50%, сажи – 60–80%. Недостатки способа: большие размеры и масса нейтрализатора, нет очистки от оксида углерода CO, мала эффективность очистки от оксидов азота. Раствор надо часто менять, жидкость интенсивно испаряется.

Каталитическая нейтрализация – это восстановление и окисление примесей выхлопных газов с образованием безвредных паров воды и газов: азота, СО₂. Для восстановления оксидов азота применяют катализаторы на основе меди, хрома, кобальта, никеля и их сплавов. Для окисления СО и углеводородов используются катализаторы из платиновых металлов.

На рисунке 17б показана схема двухкамерного каталитического нейтрализатора. В первой камере помещен восстановительный катализатор из медно-никелевого сплава (1а), во второй камере – окислительный, платиновый (1б). Сначала в восстановительной среде выхлопных газов оксиды азота (в основном NO) восстанавливаются до свободного азота:

NO + CO = ½N₂ + CO₂;

NO + H₂ = ½N₂ + H₂O.

Во второй части аппарата в газовый поток вводится воздух, кислород которого окисляет, с участием платинового катализатора, оксид углерода и углеводороды:

CO + ½O₂ = CO₂;

C_nH_m + (n + ¼ m)O₂ = nCO₂ + ½ m H₂O.

Каталитические нейтрализаторы уменьшают содержание СО на 70–90%, углеводородов – на 50–85%, оксидов азота – на 70–85%.

Улавливание сажи. Выпуск дизельных грузовых и легковых автомобилей в мире постоянно растет. Основной недостаток дизелей, связанный с использованием высокомолекулярных углеводородов, – большое количество сажи в выхлопных газах. Для улавливания сажи используют фильтры в виде сотовой конструкции из ячеек прямоугольного сечения (рис. 18а) или в виде нескольких последовательно расположенных пористых перегородок (рис. 18б).

Рис. 18. Схемы сотового (а) и перегородчатого (б) фильтров сажи

Материал сотового фильтра – пористый кордиерит. Он механически прочен, химически стоек, термически стабилен, в 30–50 раз уменьшает содержание твердых частиц (эффективность очистки до 75%). Регенерацию фильтра проводят путем сжигания сажи при нагреве фильтра до 500°С примерно через 100 км пробега, заменяют его через 10000 км пробега.

Другие методы. Это мембранные методы раздельного улавливания газов, например, водорода – палладиевой мембраной, органических растворителей из воздушных выбросов покрасочных камер – мембранным модулем из полидиметилсилооксана на полисульфоне. Для дезодорации (лат. des – уничтожать, odor – запах) дурно пахнущих газовых выбросов используют их обработку озоном, а также биохимические методы. Последние методы очистки газов основаны на способности микроорганизмов употреблять в своей жизнедеятельности различные органические и неорганические соединения, что приводит к их разрушению и преобразованию. Эти процессы будут рассмотрены в следующей лекции, посвященной очистке от загрязнений сточных вод.

Лекция 13

Охрана биосферы от загрязнений – методы очистки воды от загрязнений

Очистка загрязненных сбросов, выбросов ставит проблему утилизации получаемых в результате очистки веществ, представляющих даже большую экологическую опасность нежели загрязненный субстрат.

Г.П.Краснощеков

(1938 – паразитолог, эколог – СССР, Россия)

Г.С.Розенберг

(1949 – эколог, математик – СССР, Россия)

Общие сведения

Источниками загрязнения и загрязнителями воды являются атмосферные и талые воды городов, бытовые и промышленные сточные воды, животно-водческие стоки и грунтовые воды, загрязненные удобрениями и пестицидами. Основные загрязнители морей – разливы нефти из танкеров, стоки прибрежных городов.

Критерии качества воды. Качество воды – характеристика свойств и состава воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды – признак, по которому оценивается качество воды.

В зависимости от прозрачности воды, содержания в ней кислорода, нитратов, аммиака определяют 4 класса воды: I – чистая питьевая вода; II – чистаятехническая вода; III – умеренно загрязненная вода для водопоя скота, пригодная для промышленных нужд; IV – недопустимо загрязненная вода.

В таблице 2 приведены нормативы качества питьевой воды.

Сточная вода – это вода, бывшая в бытовом, промышленном или сельскохозяйственном употреблении или прошедшая с загрязнением через какую-либо территорию.

По размеру твердых частиц в сточных водах различают: грубые суспензии – >100 мкм, тонкие суспензии – 10–100 мкм, весьма тонкие суспензии – 1–10 мкм, мути – 0,1–1 мкм, коллоиды –<0,1 мкм.

Производственные стоки по содержанию примесей делят на 4 группы: I – до 0,5 г/л; II – 0,5–5 г/л; III – 5–30 г/л; IV – более 30 г/л.

В технологических процессах образуются различные сточные воды: реакционные, промывные, охлаждающие воды, маточные растворы, водные экстракты, абсорбционные жидкости и др.

Наибольшее количество воды в промышленности – 65–80% тратится на охлаждение веществ в теплообменниках. В промышленных стоках наибольшую долю составляют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности, около 20%, химической промышленности – 17%, теплоэнергетики – 13%.

В мире в год сбрасывается в водоемы около 30 млрд м³ неочищенных вод.

В Российской Федерации в 90-х гг. в поверхностные водоемы ежегодно сбрасывается от 28 до 24 млн м³ загрязненных сточных вод. Из них сбросы городских канализаций составляют около 50%, промышленные – 35%, сельскохозяйственные – 13%.

Таблица 14

Нормативы качества питьевой воды (СанПиН 2.1.4.559-96)

Норма водопотребления – это оптимальное количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании передового опыта или научно обоснованного расчета. Например, средние удельные расходы воды (м³/т) на производство стали составляют 220–245, чугуна – 280, никеля – 4000, серной кислоты – около 100, пластмассы – 500–1000.

Норма водоотведения – это установленное среднее количество сточных вод, отводимое от производства в водоем при оптимальной норме водопотребления. Например, укрупненная норма водоотведения при выплавке 1 т стали или чугуна равна 0,1 м³ сточных вод, при добыче нефти – 0,4 м³, угля – 0,3 м³, при производстве соды – 8–10 м³, вискозного волокна – 230 м³, при выработке 1 МВт·ч электроэнергии – 5 м³.

Нормирование выпуска сточных вод. Допустимая степень загрязнения сточных вод и их сбрасываемое количество зависят от возможностей водоема, куда они сбрасываются, и от санитарных требований к воде этого водоема. Это количество определяется расчетами в соответствии с технологическим регламентом.

Очистка сточных вод. Очистка – это разрушение или удаление загрязнений из воды. Обеззараживание – уничтожение в стоках патогенных организмов.

Для очистки сточных вод используют: гидромеханические, физико-химические, химические, электрохимические, термические, биохимические методы. Конкретный способ их очистки зависит от количества вод, от вида и концентрации в них загрязняющих веществ.

Для отделения нерастворимых примесей, кроме отстойных сооружений, применяют гидроциклоны, центрифуги, фильтры, флотаторы.

Физико-химические методы очистки: коагуляция, окисление, сорбция, ионообмен, экстракция, мембранные способы. Они позволяют удалять ионы тяжелых металлов, растворенные соли, кислоты, щелочи, биогенные соединения.

Биохимические методы используют для разложения органических веществ, поскольку некоторые микроорганизмы способны употреблять органические вещества сточных вод для питания. Очистку ведут с применением аэротенков, биофильтров, окситенков; биологических прудов и полей.

Возможности очистки стоков разными методами иллюстрирует таблица 15.

Таблица 15

Степень очистки промышленных сточных вод