Обзор методов очистки выбросов загрязненного воздуха от органических веществ

18.06.2024

В современном промышленном производстве органические вещества являются значительными загрязнителями окружающей среды. Их выбросы в атмосферу и водные ресурсы представляют потенциальные угрозы для здоровья человека и экосистем в целом. В данной статье мы рассмотрим основные методы очистки промышленных выбросов в атмосферу, а также их преимущества и недостатки. Рассмотрение этих методов поможет лучше понять современные подходы к решению проблемы загрязнения воздуха органическими веществами и способы минимизации их негативного воздействия на окружающую среду.

Промышленные выбросы органических веществ могут включать различные типы загрязнений, такие как фенол, формальдегид, амины, углеводороды, растворители, химические соединения и другие органические соединения. Для очистки таких выбросов существует несколько основных типов:

1. Физико-химические методы включают в себя процессы адсорбции, конденсации, хемосорбции, абсорбции, плазменно-каталитического окисления, фотокатализа.

2. Биологическая очистка: включает использование микроорганизмов, таких как бактерии или грибы, для биологического разложения органических загрязнителей. Примерами могут служить биофильтры и биохимические установки.

3. Термическая обработка: включает в себя процессы сжигания или пиролиза, которые используют высокие температуры для разложения органических соединений. Это прямое термическое сжигание, термокаталитический метод.

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов.

Методы адсорбции

Метод адсорбции основан на поглощении токсичных веществ твердыми сорбентами, химическими реагентами или специальными составами. Благодаря своей ультрамикроскопической структуре адсорбент может выборочно извлекать газовых компонентов и удерживать их на своей поверхности в больших концентрациях. Метод адсорбции особенно перспективен в тех случаях, когда подвергаются обработке не большие объемы загрязненного воздуха. Применение метода адсорбции снижает эксплуатационные расходы за счет удаления основной доли токсичных продуктов при комнатной температуре.

Как правило, установки промышленной адсорбции выпускаются периодического действия, т.е. в них период адсорбции чередуется с периодом регенерации или замены адсорбента

Недостатки адсорбции:

· необходимость тщательной очистки газов от взвешенных и смолистых веществ;

· правильный подбор адсорбента, его физико-химические свойства, сложный процесс регенерации, зависимость от концентрации очищаемых газов, температуры и влажности процесса;

· при регенерации адсорбента адсорбционно-окислительным методом в окружающую среду выделяются вредные вещества;

· необходимость утилизации отработанного адсорбента;

Конденсационный метод

Использование принудительной конденсации отходящих газов основао на принципе конденсации, при котором органические соединения конденсируются из газовой фазы в жидкую.

Процесс конденсации начинается с охлаждения газового потока, содержащего органические вещества. При снижении температуры происходит конденсация органических паров, что приводит к образованию жидкости, содержащей загрязняющие вещества. Эта жидкость затем удаляется из газового потока.

Преимущества конденсационного метода включают высокую эффективность удаления органических веществ, особенно при высоких концентрациях загрязнителей, а также возможность восстановления и повторного использования улавливаемых веществ.

Недостатки метода:

· высокие энергозатраты, особенно при относительно высоких температурах воздушного потока и обработке больших объемов газов;

· наличии летучих органических соединений с высокой точкой кипения;

· некоторые летучие органические соединения могут не поддаваться конденсации при стандартных условиях;

· в случае, если конденсирующиеся вещества имеют склонность к образованию эмульсий, это может затруднить процесс их последующей обработки.

Химический метод

Способ хемосорбции (химический метод) заключается в обработке газов, содержащих органические вещества, специальными реагентами. В результате обработки образуются новые нетоксичные вещества, которые могут быть использованы как сырье для дальнейшего применения в смежных производствах или быть захоронены на свалках.

Начиная с середины 80-х годов для реализации химического метода широкое распространение получили скрубберы вследствие развития процессов изготовления стержней, получаемых с использованием газообразных и жидких отвердителей (в ненагреваемой оснастке – Cold-Box-процессы). В этих случаях необходима нейтрализация катализатора, особенно после продувки, поэтому каждая современная стержневая машина требует оснащения системой газоочистки.

При очистке аминосодержащих газов химическим методом образуется 20-50 л/ч жидких отходов. Полученный концентрат возможно возвращать для обработки с целью выделения и регенерации амина в централизованной установке, однако данный механизм в странах СНГ пока не реализован. Современные кислотные скрубберы позволяют получать концентрацию сульфатов в пределах 500-700 г/л, что соответствует ~ 300-420 г амина/л отработанного раствора.

К достоинствам химического метода можно отнести возможность очистки стоков с неограниченной концентрацией и с достаточно высокой степенью очистки.

Недостатки хемосорбции:

· значительный расход химреактивов (кислоты и щелочи);

· производство кислот и щелочей наносит непоправимый вред окружающей среде;

· образование стоков с высоким солесодержанием солей при переработке насыщенных растворов.

Абсорбционный метод

Сущность абсорбционной очистки заключается в поглощении газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). К достоинствам абсорбционного метода можно отнести высокую эффективность извлечения улавливаемых веществ в широком диапазоне концентраций, непрерывность процесса при условии регенерации абсорбента, возможность очистки газового потока, как от твердых взвешенных веществ, так и парогазовых составляющих, относительная простота аппаратурного оформления.

При абсорбционном методе химическими реагентами возникают следующие проблемы:

· приготовления и точной дозировки реагентов-окислителей, пропорционально концентрации примесей в очищаемых газах;

· удаления отработанного абсорбционного раствора;

· защиты оборудования от коррозии.

Абсорбционный метод можно использовать для очистки вентиляционных выбросов от вредных органических веществ, при условии правильного подбора абсорбента и наличии технологии его регенерации.

Плазменно-каталитический метод

Плазменно-каталитический метод очистки воздушных выбросов сочетает в себе два основных процесса: плазменную активацию и каталитическую очистку.

Вот как он работает:

1. Плазменная активация: в начале процесса воздушные выбросы проходят через плазменный реактор, где они подвергаются высокочастотному электрическому разряду. В результате плазменной активации происходит частичное окисление органических соединений, а также разрушение токсичных веществ на более безвредные компоненты.

2. Каталитическая очистка: после этапа плазменной активации очищенные газы проходят через каталитический блок. На поверхности катализатора происходят химические реакции, которые способствуют полному окислению остаточных органических соединений и других загрязнителей.

Достоинствами газоразрядного метода являются малые габаритные размеры установки, широкий качественный и количественный состав выбросов.

К недостаткам газоразрядного метода можно отнести :

- необходимость предварительной очистки вентиляционного воздуха от взвешенных пылевых и аэрозольных частиц, смолистых веществ;

- необходимость установки блока для нейтрализации избытка озона;

- ограничения по максимальной влажности очищаемого воздуха;

- ограниченный срок службы газоразрядных ячеек и их высокая стоимость.

Фотокаталитический метод

Сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны более 300 нм.
Использование фотокаталитического метода известно с конца прошлого века, в промышленной очистке вентиляционного воздуха применяется достаточно редко.

Основным недостатком является низкая производительность установок, работающих по принципу фотокаталитического метода и необходимость предварительной подготовки очищаемого воздуха: обеспыливание, удаление конденсационных веществ.

Метод прямого термического сжигания

Основан на способности большинства органических соединений (при концентрации не ниже 12-15 мг/м3) диссоциировать при температурах 600-1200 °С и, взаимодействуя с кислородом, содержащемся в сжигаемых газах, образовывать двуокись углерода и водяные пары. Метод не требует высокой степени обеспыливания газов.

Недостатки термического окисления:

· при сгорании топлива (особенно при несоблюдении при этом температурных режимов), образуются токсичные бенз(а)пирен и окислы азота;

· степень превращения органических соединений 97-99% достигается при температурах 1000 °С, что требует значительных затрат энергии.

Термокаталитический метод

Суть термокаталитического метода заключается в деструкции и окислении органических веществ кислородом воздуха (до 10 г/м3) при повышенных температурах в присутствии катализатора в реакторах. В этих реакторах вентиляционные выбросы предварительно нагреваются в рекуператоре очищенными газами и поступают в подогреватель. Нагретые до температуры, при которой осуществляется реакция, газы проходят через слой катализатора и очищаются. При использовании катализаторов температура, по сравнению с термическим методом, может быть снижена до 250-450 ⁰С, при этом температура очищаемого воздуха повышается эквивалентно величине теплового эффекта реакции окисления. Достаточно высокое содержании токсичных соединений при использовании термокаталитического метода позволяет проводить процесс очистки автотермично (без дополнительного подвода теплоты).

Недостатки термокаталитического метода:

· дополнительные затраты энергии (топлива) на подогрев очищаемого потока при низких концентрация вредных веществ в вентиляционных выбросах;

· выброс горячего газа после рекуперации тепла в атмосферу;

· значительные капитальные и текущие затраты на эксплуатацию вследствие высоких металло- и энергоемкости оборудования;

· необходимость тщательной очистки газов от взвешенных и смолистых веществ;

· правильный выбор катализатора, его устойчивость к каталитическим ядам, механическая прочность, низкая стоимость, возможность регенерации;

· каталитическое окисление аммиака приводит к образованию токсичных окислов азота, сернистые соединения являются ядом для большинства катализаторов, а попадание частиц пыли и паров воды снижает их активность.

Метод биологической очистки газов в биофильтрах

Заключаются в нейтрализации токсичных продуктов при прохождении загрязненного воздуха через систему полок, покрытых слоем слегка увлажненной биологической массы.

Биологическая масса может развиваться как на органическом субстрате, так и на синтетических носителях.
Биофильтры с органическим субстратом активно внедряются в странах с теплым климатом, поскольку имеют крайне низкие эксплуатационные затраты.

Биофильтры с синтетическим носителем имеют меньшие габариты и позволяют более гибко управлять процессом биологического окисления, вследствие чего их экономически целесообразно применять при умеренно-континентальном климате.

Недостатки биофильтров:

· необходимость предварительной очистки газов от смолистых и взвешенных веществ;

· затрудненное сохранение жизнедеятельности микроорганизмов в реальных условиях периодической эксплуатации газоочистного оборудования.

· значительные габариты установки сухой биологической очистки.

Метод биологической очистки газов в биохимических установках

Сущность биохимического метода заключается в способности микроорганизмов использовать в качестве питательной среды и источников энергии растворенные в воде органические и неорганические соединения.

Процесс очистки воздуха в биохимической установке проходит в два этапа:

1. Водная абсорбция вредных веществ. Реализуется использованием массообменного аппарата (скруббера), орошаемого абсорбционным раствором, что позволяет улавливать опасные органические вещества. При прочих равных условиях эффективность зависит от типа скруббера и достигает 98%. Очищенный в массообменном аппарате воздух направляется в атмосферу, а загрязненный раствор поступает в систему регенерации.

2. Биохимическая регенерация загрязненного раствора. Осуществляется в биореакторе (аэротенке), где за счет жизнедеятельности микроорганизмов-деструкторов происходит биохимическое окисление органических веществ, содержащихся в растворе.

Биологическая реакция может быть описана как:

Органическое вещество + кислород + питательные вещества (N, P, K) = прирост биомассы + углекислый газ + вода + температура.

Питательные вещества (N, P, K) вводятся при необходимости, если они отсутствуют в очищаемом воздухе. Образующаяся избыточная биомасса либо сбрасывается на городские очистные сооружения, либо минерализуется в биохимической установке в специально предусмотренном аппарате.

К достоинствам биохимической установки можно отнести низкие капитальные и эксплуатационные затраты, высокую эффективность очистки в широком интервале химического состава и концентраций органики, простоту, надежность и экологическую безопасность процесса. Много информации о биологической очистке воздуха находится здесь.

Выбор метода очистки зависит от конкретных характеристик выбросов, масштаба загрязнения, бюджета и других факторов. В некоторых случаях может потребоваться комбинировать различные методы для достижения оптимальных результатов. Технологии очистки промышленных выбросов постоянно развиваются для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду. 

Автор: ООО «ЧСК-Инжиниринг»