Охрана окружающей среды

7.5.1. Безотходное и малоотходное производство, переработка отходов

 

Для обеспечения надежной защиты охраны окружающей среды в антропогенных регионах, краях, областях, в крупных городах и населенных пунктах необходимо внедрять надежные безотходные или малоотходные технологии, которые должны функционировать так, чтобы не нарушать естественного хода процессов, протекающих в природе.

При организации малоотходных и ресурсосберегающих технологий должны быть учтены следующие факторы:

• все производственные процессы крайне важно осуществлять при минимальном числе технологических этапов;

• технологические процессы должны быть непрерывными;

• единичная мощность технологического оборудования проектируется оптимальной;

• если в результате технологического процесса выделяется теплота, то она должна быть эффективно использована.

С учетом вышеназванных рекомендаций можно определить основные направления совершенствования малоотходных технологий для различных отраслей народного хозяйства.

Так, в сельском хозяйстве основной проблемой является переработка и обеззараживание больших количеств органических удобрений на птицефермах, на свиноводческих и животноводческих комплексах, а также и в фермерских хозяйствах.

Наиболее рациональный и сравнительно дешевый способ переработки органических удобрений — компостирование. Этот способ позволяет получить ценный продукт для внесения в почву в качестве удобрения.

Важными параметрами процесса компостирования являются: соотношение углерода, азота и фосфора, влажность, дисперсность материала, рН, аэрация, размер бурта.

Кроме компостирования, применяется биотехнология переработки жидких и твердых отходов.

Анаэробное сбраживание представляет собой бескислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляемый в мезофильных (t = 30—33°С) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. Процесс протекает в течение 5—30 суток в зависимости от состава сырья, влажности и перемешивания. В результате указанного процесса образуется газ, который на 65—70% состоит из метана, 20—25% — углекислоты, а также небольших количеств водорода, сероводорода, аммиака. Средняя производительность по газу составляет 1 л из 1 кг биологически окисляемых веществ. Средняя теплота сгорания биогаза 22—24 МДж/м.

Во многих странах мира, таких, как Япония, Китай, США, Германия, в странах Юго-Востока, насчитываются десятки тысяч ферментаторов для получения электроэнергии индивидуального пользования в жилом секторе и фермерских хозяйствах.

Широко применяется в промышленности и сельском хозяйстве аэробный способ переработки отходов. Так, технология переработки органических отходов методом биологической ферментации основана на управлении ростом и развитием аэробных термофильных бактерий. В специальном помещении — биоферментере — создаются оптимальные условия для бурного роста аэробных бактерий. Процесс длится 5—7 суток при температуре 60—75°С, в результате получается масса темного цвета с высоким содержанием питательных веществ. Важно отметить, что в процессе биоферментации помета, навоза, торфа, соломы и других компонентов достигается обеззараживание субстрата, то есть погибают патогенные микроорганизмы, паразиты животных, семена сорных растений теряют всхожесть. Готовый продукт, получивший фирменное название "фермвей", используют, например, в США как органическое удобрение, в качестве подстилки для птицы и скота; кроме того, из-за высокого содержания протеина многие фермеры включают фермвей в рационы животных, особенно при откорме на мясо.

Одной из проблем как в сельском хозяйстве, так и в промышленности является очистка загрязненного различными запахами воздуха, отработанного и выводимого из помещений.

Для очистки такого воздуха используются биологические фильтры. Они успешно применяются в США, Канаде, ФРГ и других странах для устранения неприятных запахов на животноводческих и птицеводческих фермах, при термической переработке органических удобрений, в биоферментерах, а также при перегонке нефти и на других производствах.

Такие фильтры поглощают аммиак, амины, меркаптаны, сероводород, жирные кислоты, органические сульфаты, кетоны, альдегиды, окислы азота, окись углерода, метилмеркаптан, двуокись серы, метан и т. д. При этом степень очистки запахов находится в пределах от 90 до 100%.

Устройство биологического фильтра в виде коробки показано на рис. 2.

Рис. 2. Сооружение биофильтра:

1 — фильтрующая масса;

2 — щелевидный пол;

3 — подполье

 

Биологический фильтр представляет собой сооружение в виде коробки высотой 1,1—1,6 м, у которой боковые стенки могут быть выполнены из бетона, кирпича или другого материала без щелей и зазоров. Внутри коробка разделена прочным полом — перекрытием со щелевидными отверстиями, через которые под напором (вентилятором) подается неочищенный воздух. В коробке 2/3 занимает фильтрующая масса, 1/3 — подполье, в которое подается неочищенный воздух. Верхняя часть биофильтра заполняется биомассой. Высота укладки биомассы варьирует от 600 до 1000 мм. Размеры фильтрующей площади зависят от объема поступающих газов, их состава, а также от наполнителей биомассы.

Биофильтр может быть выполнен как в наземном варианте (в виде коробки, рис. 2), так и в заглубленном в землю (рис. 3). В регионах с низкими температурами целесообразно использовать заглубленный биофильтр. В этом случае в нижней части биофильтра устанавливается система разветвленных воздуховодов с перфорированными трубами, через которые вентилятором подается неочищенный воздух (рис. 3).

 

Рис. 3. Заглубленный в землю биофильтр:

1 — биофильтр;

2 — система воздуховодов (перфорированных труб);

3 — труба для подачи неочищенного воздуха

 

Фильтрующей массой может служить волокнистый торф, смешанный с мелкими хвойными ветками или вереском для создания пористости массы.

В Японии применяют в качестве биологического фильтра вулканические почвы, богатые органическими материалами, в США — землю, золу и песок в соотношении 1:1:1. Используют также различные компосты, смешанные с древесной стружкой. Этот материал меняют примерно каждые 4 года.

Конструкция биологического фильтра должна быть сбалансирована в отношении между статическим давлением в верхней части, проходящим потоком воздуха и пористостью биофильтрующей массы. Удельная масса наполнителя составляет 400—800 кг/м³, влажность его не должна превышать 60%. Главное, чтобы середина биофильтра была высокопроницаемой.

Процесс биофильтрации довольно прост (рис. 4). Отработанные газы, поступающие из помещения 1, проходят через щелевой настил, распределяются равномерно по фильтрующему материалу 3.

Рис. 4. Система биофильтрации неочищенного воздуха из помещений:

1 — помещение;

2 — вентиляторы;

3 — биофильтр;

4 — подполье.

 

Микробы получают энергию и элементы питания, необходимые для их существования и развития, путем разложения запахонесущих соединений очищаемого воздуха. Дурнопахнущие соединения в составе утилизируемого газа адсорбируются капельками воды и затем окисляются микроорганизмами. Окончательный продукт окислительного процесса, выбрасываемый через биофильтр в атмосферу — двуокись углерода и водяной пар, — безопасные соединения без запаха. Окисление восстанавливает адсорбционную способность фильтрующего материала и обеспечивает микробы необходимыми для их жизни и роста веществами.

Микроорганизмы могут существовать в биофильтре (рис. 4) в течение нескольких недель даже при отсутствии отработанных газов. По данным ученых США, биофильтры могут работать при температуре 12°С и обеспечивать эффективность очистки до 95—99% от пропана, изобутана. Углеводороды уничтожаются полностью.

Наиболее распространены неглубокие биофильтры. Они проще и дешевле. Значительно лучше удаляют все запахи из большинства отработанных газов. Любой биофильтр имеет четыре основные составляющие: вентиляционную систему, отводящую отработанный газ из помещения к фильтрующей массе; воздуховоды, по которым подается отработанный воздух и в которых контролируется его давление; газовую распределительную систему под фильтрующей массой и саму фильтрующую массу.

Контроль за работой биофильтра состоит в периодической проверке влажности фильтрующей массы, ее рН, температуры, перепада давления. Эти параметры измеряются один раз в месяц. Неправильное обслуживание биофильтра способствует появлению на его поверхности трещин, щелей, а значит, утечке загрязненного воздуха.

Одним из основных показателей эффективной работы биофильтров являются микробы. Они очень чувствительны к присутствию кислот в окружающей их среде. Большое количество аммония внутри биофильтра может окислить фильтрующий материал. В этой связи рН массы чаще замеряется в нескольких местах и на глубине. Если рН ниже 6, необходимо использовать известь или древесную золу для восстановления нейтральной реакции.

Изменение перепада давления воздуха в системе показывает, что частично или полностью фильтрующий материал спрессовался или превратился в компост. В первом случае его необходимо взрыхлить, а во втором — заменить свежим.

При проектировании биофильтра необходимо учитывать следующие показатели: количество загрязненного воздуха или газов (м³/ч), органический состав биофильтра, высоту слоя, степень разрежения, время прохождения газов через биофильтр, удельную массу биофильтра, рН, температуру отходящих газов, влажность материала.

По данным ученых США, в нормальных условиях биофильтры могут работать 10—15 лет, при этом биомасса, как правило, заменяется один раз в 4—8 лет. Эксплуатировать установку можно от 10 ч в сутки 5 дней в неделю и до 24 ч в сутки ежедневно в течение недели.

Биофильтры — самая дешевая аспирационная система, так как не использует химикаты и не создает проблем повторного обеззараживания воздуха и почвенных вод, не выделяет при работе опасных соединений или химических веществ.

По данным американского исследователя А. Кутера (1990), затраты на биофильтр на 44% ниже, чем на мокрые очистные сооружения, на 50% меньше, чем при сжигании отработанных газов или загрязненного воздуха, и на 75% меньше, чем при очистке их активированным углем.

Внедрение биологических фильтров на птицеводческих предприятиях, животноводческих комплексах и в фермерских хозяйствах позволит решить ряд проблем: улучшить охрану окружающей среды, создать нормальные комфортные условия для людей, проживающих в данной местности, сократить заболеваемость животных, повысить их продуктивность, снизить расход кормов, улучшить качество продукции.