• состав выбрасываемых в атмосферу газов;
• температуру этих газов;
• наличие пыли в выбрасываемых газах;
• концентрацию газообразных и парообразных примесей.

В зависимости от характера протекания физико-химических процессов методы очистки делятся на пять групп.

Методы очистки с учетом протекания физико-химических процессов

Абсорбция представляет собой процесс, при котором происходит поглощение одного или нескольких газовых компонентов жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Такой процесс принято считать скрубберным процессом. Растворенный в жидкости компонент газовоздушной смеси (абсорбат) благодаря диффузии проникает во внутренние слои абсорбента. Процесс протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и коэффициенты диффузии.

Организация контакта газового потока с жидким растворителем осуществляется либо пропусканием газа через насадочную колонну, либо распылением жидкости, либо барботажем газа через слой абсорбирующей жидкости. В зависимости от реализуемого способа контакта газ – жидкость используют несколько типов аппаратов.

Основные типы аппаратов для абсорбции

Жидкость после процесса абсорбции подвергают регенерации, адсорбируя загрязняющее вещество. На рис. 20 показано устройство противопоточной насадочной башни. Загрязненный газ входит в нижнюю часть башни, а очищенный покидает ее через верхнюю часть, куда при помощи одного или нескольких разбрызгивателей 2 вводят чистый поглотитель. Отработанный раствор отбирают из нижней части башни.

Орошаемая противопоточная насадочная башня

1 – насадка; 2 – рабрызгиватели

Очищенный газ обычно сбрасывают в атмосферу. Химически инертная насадка 1, заполняющая внутреннюю полость колонны, предназначена для увеличения поверхности жидкости, растекающейся по ней в виде пленки. В качестве насадки используют тела разной геометрической формы, имеющие собственную удельную поверхность и сопротивление движению газового потока. Для изготовления насадок используют керамику, фарфор, пластмассы, металлы, которые выбираются исходя из соображений антикоррозийной устойчивости.

Применение абсорбированных методов очистки, как правило, связано с использованием схем, имеющих узлы абсорбции и десорбции. Десорбцию растворенного газа (или регенерацию растворителя) проводят либо за счет снижения общего или парциального давления, либо за счет повышения температуры; могут применяться оба приема одновременно.

Метод хемосорбции основан на химическом взаимодействии газов и паров с твердыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому при повышении температуры раствора образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов. На этом принципе основан механизм десорбции хемосорбента.

Основным видом аппаратуры для реализации процессов хемосорбции служат насадочные башни, пенные и барботажные скрубберы, распылительные аппараты типа труб Вентури и аппараты с различными механическими распылителями. В промышленности распространены аппараты с подвижной насадкой, к достоинствам которых относятся высокая эффективность разделения при умеренном гидравлическом сопротивлении, а также большая пропускная способность по газу.

Хемосорбция является одним из наиболее распространенных способов очистки отходящих газов от оксидов газов. Методы абсорбции и хемосорбции, применяемые для очистки промышленных выбросов, называют мокрыми. Их преимущество заключается в экономичности очистки большого количества газов и осуществлении непрерывных технологических процессов. Основной недостаток мокрых методов состоит в том, что перед очисткой и после ее осуществления сильно понижается температура газов, что приводит к снижению эффективности рассеивания остаточных газов в атмосфере. Кроме того, оборудование мокрых методов очистки громоздко и требует создания системы жидкостного орошения. В процессе работы абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, представляющих собой смесь пыли, растворителя и продуктов поглощения. В связи с этим возникают проблемы обезжиривания, транспортировки или утилизации шлака, что удорожает и осложняет эксплуатацию.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси. В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией. При физической адсорбции молекулы газа прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Высвобождающаяся при этом теплота зависит от силы притяжения (по порядку значения, как правило, находится в пределах от 2 до 20 кДж/моль). Преимуществом физической адсорбции является обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбента в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса исключительно важна в тех случаях, когда экономически выгодно рекуперировать адсорбируемый газ или адсорбент.

В качестве адсорбента или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы. Например, удельная поверхность активированных углей 10⁵...10⁶ м²/кг. Их применяют для очистки газов от органических паров, удаления неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в незначительных количествах в промышленных выбросах, а также летучих растворителей и целого ряда других газов. В качестве адсорбентов применяют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Однако эти адсорбенты нельзя использовать для очистки очень влажных газов. В ряде случаев некоторые адсорбенты пропитывают соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция.

Конструктивно адсорберы выполняются в виде вертикальных, горизонтальных либо кольцевых емкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который фильтруется поток очищаемого газа. Выбор конструкции определяется скоростью газовой смеси, размером частиц адсорбента, требуемой степенью очистки и рядом других факторов.

Конструктивные схемы адсорберов

а – вертикальный; б – горизонтальный; в – кольцевой; 1 – адсорбер; 2 – слой активированного угля; 3 – центральная труба для подачи паровоздушной смеси при адсорбции;

4 – барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 – труба для выхода инертных по отношению к поглотителю газов при адсорбции; 6 – труба для выхода пара при десорбции

Вертикальные адсорберы, как правило, применяют при небольших объемах очищаемого газа, горизонтальные и кольцевые – при высокой произво-дительности, достигающей десятков и сотен тысяч кубических метров в час.

Фильтрация газа происходит через неподвижный (адсорберы периодического действия) или движущийся слой адсорбента. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период контактирования очищаемого газа с твердым адсорбентом чередуется с периодом регенерации адсорбента. Установки периодического действия (с неподвижным слоем адсорбента) отличаются конструктивной простотой, но имеют низкие допускаемые скорости газового потока и, следовательно, повышенную металлоемкость и громоздкость. Процесс очистки в таких аппаратах носит периодический характер, т.е. отработанный, потерявший активность поглотитель время от времени заменяют либо регенерируют. Существенный недостаток таких аппаратов – большие энергетические затраты, связанные с преодолением гидравлического сопротивления слоя адсорбента.

Адсорбцию широко используют при удалении паров растворителя из отработанного воздуха при окраске автомобилей, органических смол и паров растворителей в системе вентиляции предприятий по производству стекловолокна и стеклотканей, а также паров эфира, ацетона и других растворителей в производстве нитроцеллюлозы и бездымного пороха.

Адсорбенты также применяют для очистки выхлопных газов автомобилей, для удаления ядовитых компонентов (например, сероводорода из газовых потоков), выбрасываемых в атмосферу через лабораторные вытяжные шкафы, для удаления радиоактивных газов при эксплуатации ядерных реакторов, в частности радиоактивного йода.

Каталитическое дожигание применяют для превращения токсичных смесей газов в нетоксичные или малотоксичные. Так, при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в производственных помещениях отработавшие газы дожигают в специальных устройствах (а), где в присутствии катализатора (платины, никеля, меди и др.) протекают реакции снижающие токсичность выхлопа двигателей внутреннего сгорания.

Высокотемпературные дожигатели (б) применяют для нейтрализации смесей газов и паров, содержащих в избытке окислитель или горючее. Для дожигания смесей с избытком горючего в зону горения вводят воздух или кислород, а для дожигания смесей с избытком окислителя – природный газ.

Схемы каталитического (а) и высокотемпературного (б) дожигателей
1 – корпус; 2 – каталитическая решетка; 3 – горелка; 4 – трубопровод для подвода газа на дожигание

Мокрые пылеуловители (скрубберы) работают по принципу увлажнения частиц, укрупняющихся в процессе движения и легко отделяющихся от воздуха. Другой принцип работы мокрых пылеуловителей состоит в коагуляции частиц пыли с каплями жидкости, их осаждения и удаления вместе с жидкостью. Во всех случаях очистки газа в мокрых пылеуловителях важным фактором является смачиваемость частиц жидкостью: чем больше смачиваемость, тем эффективнее процесс очистки.

С учетом конструктивных особенностей мокрые пылеуловители подразделяются на следующие виды:

• скрубберы Вентури;
• форсуночные и центробежные скрубберы;
• аппараты ударно-инерционного типа;
• барботажно-пенные аппараты и др.

Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель наибольшее распространение получили скрубберы Вентури.

Скруббер Вентури

1 – форсунки; 2 – сопло Вентури; 3 – каплеуловитель

Oсновная часть скруббера – сопло Вентури 2, в которое подводится запыленный поток газа, а через ценробежные форсунки 1 – жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости ω = 15...20 м/с до скорости 30...200 м/с и более в узком сечении сопла. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла В диффузорной части сопла скорость потока падает до 15...20 м/с. Каплеуловитель 3 обычно выполняют в виде прямоточного циклона.

Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей со средним размером частиц 1...2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м³. Удельный расход воды на орошение при этом составляет 0,1...6,0 л/м³.

Для труб Вентури круглого сечения характерны следующие размеры:
α₁ = 15...28°, α₂ = 6...8°; l₁, = (d₁ – d₂)/[2tg (α₁/2)]; l₂ = 0,15 d₂; l₃ = (d₃ – d₂)/ [2tg(α₂/2)]. Диаметры d₁, d,₂, d₃ раcсчитывают для конкретных условий очистки воздуха от пыли.

На рисунке приведена конструкция коагуляционно-центробежного мокрого пылеуловителя (КЦМП), представляющая собой компоновку скруббера Вентури и каплеуловителя.

Коагуляционно-центробежный мокрый пылеуловитель (КЦМП)

1 – сопло Вентури; 2 – циклон; 3 – устройство для закручивания воздуха

Сопло Вентури 1 установлено в корпусе циклона 2, а для закручивания воздуха используется специальное закручивающее устройство 3. Промышленные КЦМП работают при скоростях в узком сечении трубы Вентури 40...70 м/с, удельных расходах воды на орошение 0,1...0,5 л/м³ и имеют габариты на 30%  меньше, чем обычные скрубберы Вентури.

В ряде случаев для мокрой очистки применяются форсуночные скрубберы (а). Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, поступающих в скруббер через форсуночные пояса. Удельный расход воды в форсуночных скруббеpax составляет 3,0...6,0 л/м³, гидравлическое сопротивление аппарата –до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе скруббера 0,7...1,5 м/с.
К недостаткам таких скрубберов следует отнести невысокую общую эффективность очистки.

Форсуночный (а) и центробежный (б) скрубберы

В аппаратах центробежного типа (б) частицы пыли отбра-сываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка 5. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла 1 и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли. Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра корпуса аппарата 3, скорости газа  во входном патрубке и дисперсности пыли. Например, с ростом диаметра скруббера эффективность очистки снижается. Увеличение эффективности очистки с помощью центробежных аппаратов может быть достигнуто увеличением высоты корпуса скруббера до Р = 3...4D. При высоте аппарата более 4D эффективность практически не меняется.

К мокрым пылеуловителям относятся барботажно-пенные пылеуловители, которые бывают двух типов:

• с провальной решеткой (а);
• с переливной решеткой (б).

Барботажно-пенный пылеуловитель с провальной (а) и переливной (б) решетками

В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых пузырей. Режим работы аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе 1 аппарата до 2...2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли 0,95...0,96 при удельных расходах воды 0,4...0,5 л/м³.

Очистка воздуха от пыли может быть грубой, средней и тонкой. При грубой очистке воздуха задерживается крупная пыль (с размером частиц >50 мкм). Такую очистку можно использовать, например, как предварительную для сильно запыленного воздуха при многоступенчатой очистке. При средней очистке задерживается пыль с размером частиц до 50 мкм, а при тонкой – пыль с размером частиц менее 10 мкм.

Для грубой и средней очистки применяют пылеуловители, действие которых основано на использовании для осаждения частиц пыли сил тяжести  или инерционных сил, отделяющих частицы примесей от воздуха при изменении скорости движения (пылеосадочные камеры) и направления его движения (циклоны, инерционные, жалюзийные и ротационные пылеуловители). Виды пылеуловителей, предназначенных для грубой и средней очистки, приведены на рисунке.

Широкое применение для очистки воздуха от пыли с размером частиц более 10 мкм получили циклоны (а). Их устройство простое и эксплуатация несложная, они имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление (750…1000 Па), высокие экономические показатели. Циклоны длительно эксплуатируют в разнообразных условиях окружающей среды при температурах воздуха до 550 К.

Циклоны применяют для очистки воздуха от сухой неволокнистой и неслипающейся пыли. Пылеотделение в циклонах основано на принципе центробежной сепарации. Попадая в циклон по касательной через входной патрубок 1, воздушный поток приобретает вращательное движение по спирали и, опустившись в низ конической части корпуса 3, выходит наружу через центральную трубу 2. Под действием центробежных сил частицы отбрасываются к стенке циклона и опускаются в нижнюю часть циклона, а оттуда – в пылесборник 4. Поскольку эффективность очистки увеличивается при уменьшении диаметра циклона, то обычно вместо одного циклона большого размера ставят параллельно два и более циклонов меньших размеров. Используются также батарейные циклоны (б), состоящие из типовых циклонных элементов 1, объединенных конструктивно в корпусе 2.

Вихревые пылеуловители (в) отличаются от циклонов наличием вспомогательного воздушного потока. Запыленный воздух, поступающий через патрубок 5, закручивается лопаточным завихрителем 4 и перемещается вверх в корпусе 3, подвергаясь воздействию вытекающих из тангенциально расположенных сопел 2 струй вторичного воздуха. Под действием центробежных сил частицы пыли отбрасываются к периферии, а затем поступают в бункер 6 через кольцевое межтрубное пространство, увлекаемые потоком вторичного воздуха. Очищенный от пыли воздух выходит через патрубок 1. В вихревых пылеуловителях достигается эффективность очистки 0,98…0,99 для частиц пыли размером около 10 мкм. Гидравлическое сопротивление аппарата около 3700 Па.

К группе инерционных пылеуловителей относят жалюзийные пылеуловители (г) и различные камеры, в которых запыленный поток изменяет направление движения (д). Жалюзийные пылеуловители представляют собой набор лопастей 5, установленных последовательно в корпусе 2 так, что между ними образуются щели. Воздух поступает через патрубок 1. Пылеотделение основано на изменении направления движения запыленного воздуха, при этом взвешенные частицы пыли под действием сил инерции и эффекта отражения от лопастей двигаются в направлении к патрубку 5, а чистый воздух проходит через щели и поступает к патрубку 4 на выход из аппарата. Обычно жалюзийные пылеуловители используют для грубой и средней очистки воздуха от твердых частиц, разделяя поток в соотношении 9:1 на чистый и загрязненный. После жалюзийного пылеуловителя загрязненный поток воздуха направляют на очистку в циклоны. Жалюзийные пылеуловители работают при скорости газа 12…15 м/с, имеют гидравлическое сопротивление 100…500 Па и улавливают частицы пыли размером крупнее 20 мкм. Недостаток – износ жалюзийной решетки при высокой концентрации пыли.

Пылеуловители

В камерных пылеуловителях (д) запыленный воздух поступает через патрубок 1 в расширительную камеру 3, где отделяется от пыли и выходит через патрубок 2. Пыль оседает в бункер 4. Камерные инерционные пылеуловители применяют для грубой и средней очистки воздуха от примесей. Скорость движения воздуха в камере около 1 м/с, при этом улавливают частицы пыли размером 25…30 мкм с эффективностью очистки до 0,65…0,85.

Ротационные пылеуловители (ротоклоны) очищают воздух от твердых и жидких примесей за счет центробежных сил и силы Кориолиса, возникающих при вращении ротора. Конструктивно они представляют собой центробежный вентилятор (рис. 11, е), который одновременно с перемещением воздуха очищает его от частиц размером более 10 мкм. Запыленный воздух поступает во входной патрубок 6. При вращении колеса 7 пылевоздушная смесь движется по межлопаточным каналам колеса, при этом частицы пыли под действием центробежных сил и сил Кориолиса прижимаются к поверхности диска колеса и к набегающим сторонам лопаток колеса. Пыль с очень небольшим количеством воздуха (3…5 %) поступает через зазор между колесом 7 и улиткой 3 в кольцеобразный пылеприемник 5, а очищенный воздух – в улитку 3 и выходной патрубок 2. Обогащенная пылью смесь через патрубок 8 поступает в бункер 9, в котором пыль оседает, а воздух через отверстие в патрубке 1 снова возвращается к колесу 7. В бункере 9 пыль увлажняется.

Ротоклоны обеспечивают сравнительно высокую эффективность очистки: для частиц пыли размером 8–20 мкм – 0,83, а для более крупных – до 0,97. Для повышения эффективности очистки в газодинамический тракт ротоклонов иногда вводят воду.

Пылеосадочные камеры применяют для осаждения крупной и тяжелой пыли с размером частиц более 100 мкм. Скорость запыленного воздуха в поперечном сечении корпуса камеры 2 принимается небольшой (около 0,5 м/с) для того, чтобы пыль могла осесть в камере раньше, чем ее покинет. Поэтому габариты камер получаются довольно большими, что ограничивает их применение, несмотря на очевидные преимущества – малое гидравлическое сопротивление и простоту эксплуатации. Эффективность очистки можно увеличить (до 0,80–0,95), если камеру выполнить лабиринтного типа, хотя это влечет за собой повышение гидравлического сопротивления.

Пылеосадочная камера

1 – входной патрубок; 2 – корпус; 3 –выходной патрубок; 4 – бункер

Для очистки приточного вентиляционного воздуха от пыли и туманов применяют электрофильтры. Работа электрофильтров основана на создании сильного электрического поля при помощи выпрямленного тока высокого напряжения (до 35 кВ), подводимого к коронирующим и осадительным электродам. При прохождении запыленного воздуха через зазор между электродами происходит ионизация молекул воздуха с образованием положительных и отрицательных ионов. Ионы, адсорбируясь на частицах пыли, заряжают их положительно или отрицательно. Пыль, получившая заряд отрицательного знака, стремится осесть на положительно заряженном электроде, а положительно заряженная пыль оседает на отрицательно заряженных коронирующих электродах. Эти электроды периодически встряхиваются при помощи специального механизма, после чего пыль собирается в бункере, откуда удаляется. Схема расположения электродов в электрофильтре показана на рис. 13, а.

Для очистки приточного атмосферного и рециркуляционного воздуха от различных пылей, а также вентиляционных выбросов с малой концентрацией загрязнений применяют двухзонные электрофильтры (б). В электро-фильтре загрязненный воздух проходит ионизатор, в состав которого входят положительные 1 и отрицательные 2 электроды. Ионизатор выполнен так, чтобы при скорости около 2 м/с частицы пыли успели зарядиться, но не смогли осесть на электроды. Зарядившиеся частицы пыли воздушными потоками увлекаются в осадитель, представляющий собой систему пластин осадительных электродов 3 и 4, где частицы оседают на пластинах противоположной полярности. Выбором расстояния между пластинами (6...7 мм) удается при сравнительно небольшом напряжении между пластинами (7 кВ) получить напряженность электрического поля 80...100 В/м, что достаточно для осаждения частиц субмикронных размеров. Далее воздух проходит противоуносный фильтр и выходит из аппарата. Эффективность пылеулавливания достигает 0,95, гидравлическое сопротивление чистого фильтра – 30...50 Па, производительность по воздуху – 1000 м³/ч и более, входная концентрация загрязнений – не более 10 мг/м³.

Электрофильтры

а – схема расположения электродов в электрофильтре: 1 – коронирующий электрод; 2 – осади-тельный электрод; 3 – силовые линии;  4 – выпрямитель

б – схема двухзонного электрофильтра: I – ионизатор; II – осадитель;  1,2,3,4 – электроды

В качестве примера на рисунке приведена схема материального баланса современной угольной ТЭС мощностью 1000 МВт.

Материальный баланс современной угольной ТЭС мощностью 1000 МВт с эффективностью очистки выбросов от твердых веществ 0,99

1 – электрофильтр; 2 – парогенератор; 3 – турбина; 4 – генератор;  5 – конденсатор

Защита от вредных веществ, загрязняющих атмосферу, осуществляется по следующим направлениям:

• вывод токсичных веществ из помещений общеобменной вентиляцией;
• локализация токсичных веществ в зоне их образования местной вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных аппаратах и его возврат в производственное или бытовое помещение, если воздух после очистки в аппарате соответствует нормативным требованиям к приточному воздуху (а);
• локализация токсичных веществ в зоне их образования местной вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере (б);
• очистка технологических газовых выбросов в специальных аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере; в ряде случаев перед выбросом отходящие газы разбавляют атмосферным воздухом (в);
• очистка отработавших газов энергоустановок, например двигателей внутреннего сгорания, в специальных агрегатах и выброс в атмосферу или производственную зону (рудники, карьеры, складские помещения и т. п.) (г).

Схемы использования средств защиты атмосферы

1 – источник токсичных веществ; 2 – устройство для локализации токсичных веществ (местный отсос); 3 – аппарат очистки; 4 – устройство для забора воздуха из атмосферы; 5 – труба для рассеивания выбросов; 6 – устройство (воздуходувка) для подачи воздуха на разбавление выбросов

При выбросе вредных веществ в атмосферу наиболее эффективным мероприятием, уменьшающим загрязнение воздушной среды, является очистка технологических и вентиляционных выбросов, поэтому системы местной вытяжной вентиляции должны быть оборудованы воздухоочистителями, которые обычно подразделяют на пылеуловители и аппараты для очистки газов.

Основные типы оборудования для борьбы с атмосферными загрязнениями:

1)    для взвешенных частиц:

• инерционные пылеуловители (например, циклоны);
• тканевые и волокнистые фильтры (например, рукавные);
• электрофильтры;
• мокрые пылеуловители (скрубберы);

2)    Для газообразных загрязнителей:

• мокрые уловители (скрубберы);
• адсорбционные установки (слой адсорбента);
• дожигатели, работающие по принципу открытого огня (термическое сжигание) или каталитической реакции (каталитическое окисление).

Загрязнителями почвы являются пестициды, применяемые для борьбы с сорняками.

Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, ТЭС на расстоянии в несколько десятков километров загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами, соединениями свинца, серы и другими токсичными веществами.

Загрязнение почв нефтью в местах ее добычи, переработки, транспортировки и распределения превышает фоновое в десятки раз.

Таким образом, интенсивное развитие промышленного производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение ее качества. Сильное загрязнение почвы тяжелыми металлами вместе с зонами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного угля, приводит к изменению состава микроэлементов и возникновению техногенных пустынь.

Изменение содержания микроэлементов в почве сказывается на здоровье травоядных животных и человека, приводит к нарушению обмена веществ, вызывает различные эндемические заболевания местного характера. Например, недостаток йода в почве ведет к болезни щитовидной железы, недостаток кальция в питьевой воде и продуктах питания – к поражению суставов, их деформации, задержке роста.

Вывоз промышленных и бытовых отходов на свалки приводит к загрязнению и нерациональному использованию земельных угодий, создает реальные угрозы значительных загрязнений атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, росту транспортных расходов и безвозвратной потере ценных материалов и веществ.

Очистка почвы от вредных веществ невозможна – самоочищение естественным путём происходит в течение нескольких тысяч лет. Невозможно предотвратить и косвенное воздействие почвы на здоровье людей через мясо животных и растения. Они аккумулируют в себе вредные вещества, поскольку те накапливаются в них в течение долгого времени. Механизмов эффективной защиты от косвенного влияния отравленных почв не найдено: термическая обработка не выводит соли тяжёлых металлов из мяса, овощей и злаков.

Образование почв происходит на Земле с момента возникновения жизни и зависит от многих факторов. Продолжительность процесса почвообразования для различных материков и широт составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры и факторы почвообразования – рельефы, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация.

Основное свойство почвы – плодородие. Оно связано с качеством почв. На разрушение почв и снижение их плодородия влияют следующие процессы.

Процессы, разрушающие почвы и снижающие их плодородие

Аридизация суши – комплекс процессов уменьшения влажности обширных территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности экологических систем. Под действием примитивного земледелия, нерационального использования пастбищ, беспорядочного применения техники на угодьях почвы превращаются в пустыни.

Эрозия почв – разрушение почв под действием ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия – смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Водные эрозии отмечаются при крутизне уже 1–2°. Водной эрозии способствует уничтожение лесов, вспашка по склону.

Ветровая эрозия характеризуется выносом ветром наиболее мелких частей. Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильные ветра, непрерывный выпас скота.

Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и техники.

Ирригационная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии. Засоление почв в основном связано с этими нарушениями. В настоящее время не менее 50 % площади орошаемых земель засолено, потеряны миллионы гектаров ранее плодородных земель.

Состав природных вод оценивается по физическим, химическим и санитарно-гигиеническим показателям. Физические показатели – температура, содержание взвешенных веществ, цветность, запах и привкус. Температура подземных вод относительно стабильна в течение года: 8–12 ⁰С, а поверхностных вод колеблется по сезонам года в интервале 0,1–30 °С. Прозрачность и мутность характеризуют наличие в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей). Цветность воды обусловлена присутствием органических веществ (гумусовых, дубильных, белковых, углеводоподобных, жиров, органических кислот, входящих в состав зоо- и фитопланктона вод и являющихся продуктами их метаболизма или распада).

Химический состав вод характеризуется ионным составом, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, активной реакцией водородных ионов (pH), сухим остатком, общим солесодержанием, содержанием растворенного кислорода, сероводорода, активного хлора, свободной углекислотой. Солесодержание (минерализацию) воды оценивают по сухому остатку в [мг/л].

Требования, предъявляемые к качеству воды, зависят от категории водопользования

Категории водопользования

Предельно допустимые концентрации веществ для различных категорий водопользования различны. Например, санитарные ограничения регламентируют возможности купания при наличии одних веществ, а санитарно-гигиенические нормативы лимитируют использование воды для питья и приготовления пищи при наличии в ней других веществ. Поэтому ПДК разных веществ различаются лимитирующим показателем вредности (ЛПВ). При этом выделяют:

• органолептический ЛПВ, изменяющий органолептические свойства воды – цвет, запах, вкус;
• общесанитарный ЛПВ, влияющий на общесанитарное состояние водоема, в частности на скорость протекания процессов самоочищения;
• токсикологический ЛПВ, влияющий на организм человека и обитающих в воде животных.

Для водных объектов культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения нормирование осуществляется по токсикологическим, общесанитарным и органолептическим показателям, а для водных объектов рыбохозяйственного назначения – в основном по токсикологическим и отчасти по органолептическим.

При питьевом и рекреационном назначении вода нормируется по 11 основным показателям. При этом ПДК установлены более чем для 1200 ядовитых веществ.

В 1971 году ВОЗ были опубликованы Международные стандарты качества питьевой воды, устанавливающие минимальные требования к химическому составу и бактериологическим показателям воды. Эти стандарты не имеют юридической силы, но в ряде стран они были приняты в целом или частично за основу при разработке национальных стандартов и приводятся в Международных санитарных нормах как приемлемые при определении чистоты и пригодности питьевой воды для снабжения портов и аэропортов.

В таблице приведены сравнительные показатели качества питьевой воды, соответствующие рекомендациям ВОЗ и нормативным требованиям РФ (ГН 2.1.5.1315-03. Гигиенические нормативы. ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Постановление Госсанэпиднадзора; утв. 30.04.03, № 78).

Показатели качества воды

Вода, используемая для рыбохозяйственных целей, нормируется по 8 основным показателям. При этом ПДК разработаны почти для 1000 веществ.

При наличии нескольких веществ, относящихся к одной группе лимитирующего показателя вредности, содержание загрязняющего вещества должно соответствовать условию

где с_i – средняя концентрация i-го вещества в воде водного объекта;

ПДК_i – предельно допустимая концентрация того же вещества;

m – общее количество веществ данной группы ЛПВ, находящихся в воде исследуемого водного объекта.

Нормирование сбросов загрязняющих веществ в водные объекты производится путем установления предельно допустимых сбросов (ПДС) этих веществ со сточными водами в водные объекты (подземные и поверхностные) и на рельеф местности.

При невозможности немедленного достижения предприятием уровня ПДС по согласованию с органами Госкомприроды устанавливаются временно согласованные сбросы (ВСС).

По экспертным оценкам, до 80 % всех химических соединений, поступающих во внешнюю среду, рано или поздно попадают в водные источники.

Подсчитано, что ежегодно в мире сбрасывается более 420 км³ сточных вод, которые в состоянии сделать непригодной к употреблению около 7 тыс. км³ чистой воды, что в 1,5 раза больше всего речного стока стран СНГ.

Наиболее интенсивному антропогенному воздействию подвергаются пресные поверхностные воды суши (реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды). Хотя их доля в общей массе гидросферы невелика (менее 0,4 %), высокая активность водообмена многократно увеличивает их запасы. Под активностью водообмена понимается скорость возобновления отдельных водных ресурсов гидросферы, которая выражается числом лет или суток, необходимых для полного возобновления водных ресурсов.

Особенно интенсивно используются речные воды. Несмотря на то, что в руслах рек содержится всего 1200 км³ воды, высокая активность водообмена речных вод (1 раз в 11–14 дней) умножает их ресурсы. К этому следует добавить ежегодно возобновляемый полезный объем водохранилищ мира, оцениваемый в 3200 км³.

Основные потребители воды рек и водохранилищ:

• ирригация (использование воды на сельскохозяйственные нужды имеет наибольший удельный вес, достигая 60–70 % всех ресурсов);
• промышленность и энергетика;
• коммунальное хозяйство городов.

На хозяйственно-питьевые цели в нашей стране приходится 10 % общего водопотребления.

Примеси, от которых зависит безопасность ресурсов питьевой воды, подразделяются на три категории:

• неорганические химические вещества, к числу которых относятся ртуть, кадмий, нитраты, свинец и их соединения, а также соединения хрома, меди;
• органические химические соединения – нефть и нефтепродукты, пестициды, полихлорбифенилы;
• болезнетворные микроорганизмы, паразиты.

Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды, которые страдают от загрязнений нефтяными промыслами, предприятиями горнодобывающей промышленности, отходов полей фильтрации, шлаконакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, канализационных стоков населенных пунктов. Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота.

Основные источники загрязнения гидросферы:

• промышленные сточные воды;
• хозяйственно-бытовые сточные воды;
• дренажные воды с орошаемых земель;
• организованный и неорганизованный сток с территорий населенных пунктов и промышленных площадок;
• сельскохозяйственные поля и крупные животноводческие комплексы;
• водный транспорт.

Происходящие в живых организмах процессы в основном представляют собой химические реакции водной среды. Основная задача систем саморегуляции организма человека состоит в поддержании параметров этой среды. Тело человека приблизительно на 60 % (по массе) состоит из воды, в которой растворены соли, а также растворены или диспергированы продукты метаболизма (обмена веществ).

На рисунке показано распределение жидкости в организме между клетками (внутриклеточная жидкостная фаза), межклеточным пространством и плазмой крови при массе тела 70 кг.

Распределение воды в теле человека

Во внутриклеточной жидкости основным катионом является калий в виде сульфатов и фосфатов «белковых солей». В крови и других внеклеточных жидкостях высока концентрация ионов натрия в виде хлорида и гидрокарбоната. Другие ионы в обеих фазах содержатся в меньших количествах. Они влияют в основном на возбудимость и другие специфические функции клеток.

Объем воды Мирового океана равен примерно 1400 млн км³. Более 98 % всех водных ресурсов планеты представлены водами с повышенной минерализацией, которые малопригодны для хозяйственной деятельности (моря и океаны).

На долю пресных вод планеты приходится около 28 млн км³, из которых 4,2 млн км³ доступны для хозяйственного использования, что составляет 0,3 % объема всей гидросферы. Распространены ресурсы пресной воды неравномерно: большая их часть находится в малоосвоенных районах, что создает дефицит пресных вод в развитых регионах.

Подземные воды составляют 14 % запасов пресных вод. В связи с усиливающимся загрязнением поверхностных вод их роль как источника водоснабжения будет возрастать.

Мировой океан является практически неисчерпаемым водным резервуаром. В перспективе он может стать одним из основных источников пресной воды, но для этого необходимы производительные и надежные опреснительные установки, продукция которых будет достаточно дешёвой.