ОЧИЩЕННЯ ПОВІТРЯ ВІД ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН І НЕПРИЄМНИХ ЗАПАХІВ

Коротка характеристика головних забруднювачів повітря

Неприємні запахи та відчуття, пов’язані із забрудненням повітря, суб’єктивні та не піддаються вимірюванню – це одна з причин, чому важко створити правові норми щодо них. В Україні, на жаль, відсутнє нормативно-правове регулювання показника одорації (запаху). Це означає, що інтегральні показники якості та безпечності повітря, такі як рівень запаху, не контролюються на державному чи місцевому рівні. Відсутність такого регулювання ускладнює контроль та управління джерелами неприємних запахів, які можуть негативно впливати на якість життя населення.

Водночас законодавство України передбачає відповідальність за забруднення атмосферного повітря (стаття 241 ККУ). Визначити в повітрі можна не лише вміст пахучих речовин, а й отруйних речовин без запаху.

Найчастіше в водоочисних та каналізаційних системах в результаті перебігу процесів розкладання органічних речовин та очищення стоків присутні такі небезпечні та токсичні гази: метан (CH₄), сірководень (H₂S), аміак (NH₃), вуглекислий газ (CO₂) та чадний газ (CO), а також озон (О₃), оксиди азоту (NО, NО₂), діоксид сірки (SO₂) та леткі органічні сполуки (ЛОС). Гранично допустимі концентрації (ГДК) та клас небезпеки наведено в таблиці.

Державні медико-санітарні нормативи гранично допустимі концентрації хімічних речовин в атмосферному повітрі населених місць

№ з/п	Назва речовини	CAS №	Гранично допустима концентрація, мг/м3		Клас небезпеки
			максимально разова	середньодобова
1.	Аміак (NH3)	7664-41-7	0,2	0,04	4
2.	Діоксид азоту (NO2)	10102-44-0	0,2	0,04	3
3.	Діоксид вуглецю (CO2)	124-38-9	0,5 % (об)		4
4.	Діоксид сірки (SO2)	7446-09-5	0,5	0,05	3
5.	Метилмеркаптан (метантіол, CH3SH)	74-93-1	0,0001	–	4
6.	Метан (СН4)	74-82-8	300	–	4
7.	Озон (O3)	10028-15-6	0,16	0,03	1
8.	Оксид азоту (NO)	11104-93-1	0,4	0,06	3
9.	Оксид вуглецю (CO)	630-08-0	5	3	4
10	Сірководень (H2S)	7783-06-4	0,008	–	2
11	Хлор (Cl2)	7782-50-5	0,1	0,03	2

Примітка: Значення ГДК можуть відрізнятися залежно від національних стандартів та умов вимірювання

Аміак (NH₃) – безбарвний газ із різким подразнюючим запахом. Він утворюється під час розкладання азотовмісних органічних речовин. Аміак подразнює дихальні шляхи та слизові оболонки, а при високих концентраціях може викликати набряк легень та інші серйозні ураження.

Діоксид азоту (NO₂) – основним природним джерелом діоксиду азоту є денітрифікуюча активність мікроорганізмів. Не менш важливими природними джерелами діоксиду азоту в атмосфері є блискавки, лісові пожежі та пожежі на торфовищах. Надзвичайно отруйний газ червоно-бурого кольору. Характеризується специфічним різким, гострим запахом, який в значних концентраціях стає задушливим. Перші ознаки отруєння – печуть очі, падає артеріальний тиск, головні болі та важке дихання. Хронічне отруєння може викликати пошкодження зубів або кон’юнктивіт.

Діоксид вуглецю (CO₂) –  є безбарвним газом без запаху, що утворюється під час розкладання органічних речовин. Хоча він не є токсичним, висока концентрація CO₂ може призвести до гіперкапнії – стану, при якому вміст вуглекислого газу в крові перевищує норму, що викликає головний біль, запаморочення та втрату свідомості. Граничний допустимий вміст СО₂ в повітрі 0,5–1 % (за об’ємом). При 10 % наступає непритомність, при 20–25 % — смертельне отруєння.

Діоксид сірки SO₂ – безбарвний газ із різким запахом, токсичний і корозійноактивний. Викликає подразнення дихальних шляхів та очей, може утворювати сірчану кислоту (H₂SO₄) і спричиняти кислотні дощі.

Наслідки для здоров’я: дихальна недостатність – ускладнює засвоєння кисню, можливий летальний наслідок; серцево-судинні порушення – прискорене серцебиття, підвищений тиск, ризик коми; неврологічні ефекти – запаморочення, головний біль, слабкість, сплутаність свідомості; довгострокові наслідки – підвищений ризик онкології та інших серйозних захворювань.

Меркаптани (тіоли) –органічні сполуки, що містять сірку та характеризуються сильним неприємним запахом. Вони широко використовуються в промисловості, зокрема для надання запаху природному газу, який сам по собі не має запаху, щоб полегшити виявлення витоків. Однак, попри їх корисність, меркаптани становлять значну небезпеку для здоров’я людини та навколишнього середовища. Меркаптани мають алергенну дію і можуть викликати подразнення слизових оболонок очей та дихальних шляхів. Викликають: кашель, болі у горлі, запаморочення, головний біль, нудоту,  втрату свідомості.  Надзвичайно легкозаймисті речовини. Суміші меркаптанів із повітрям вибухонебезпечні. Викиди меркаптанів у атмосферу можуть спричиняти значні екологічні ризики, зокрема забруднення повітря, води та ґрунтів. Накопичення таких речовин у навколишньому середовищі порушує екологічну рівновагу..

Метан (CH₄) –  безбарвний газ без запаху, який становить приблизно 60-68% об’єму каналізаційних газів. Хоча він не є високотоксичним його висока концентрація може витісняти кисень, що призводить до задухи. Метан має слабку наркотичну дію.  З повітрям метан утворює вибухові суміші. При вмісті в повітрі до 5−6 % метан горить (температура запалення 650—750 °С), при вмісті 5–16 % – вибухає, понад 16 % – може горіти при припливі кисню.

Озон (O₃) – алотропна модифікація кисню газ, який використовується для знезараження різноманітних середовищ. Токсичний при вдиханні. Він подразнює слизову оболонку очей і дихальних шляхів, пошкоджує сурфактант легень. Висока окислювальна здатність озону і утворення вільних радикалів кисню визначають його високу токсичність. Вплив озону на організм є загальнотоксичним, подразнювальним, канцерогенним і мутагенним, а також може призводити до передчасної смерті.

Оксид азоту (NO) – подразнює слизові оболонки. Симптоми отруєння з’являються лише через певний період затримки у кілька годин. Ними є: подразнення горла, ускладнене дихання, головний біль, нудота. Подальші ускладнення за відсутності лікувальних заходів можуть спричинювати повну втрату сил, непостійність дихання, ціаноз, а також смерть внаслідок  набряку легень.

Оксид вуглецю (чадний газ) (CO) – це безбарвний газ без запаху, що утворюється при неповному згорянні органічних речовин. Він зв’язується з гемоглобіном у крові, перешкоджаючи транспорту кисню, що може призвести до гіпоксії та смерті.

Сірководень (H₂S) – це безбарвний газ із характерним запахом тухлих яєць, що утворюється під час гниття органічних речовин. Він є вкрай отруйним і важчим за повітря, тому накопичується в нижніх частинах приміщень, таких як колодязі та підвали. Його присутність у повітрі відчувається при концентрації всього 0,2 проміле. При 3-5 ppm запах стає сильним, а при 7 ppm ми досягаємо максимально допустимої концентрації для восьмигодинного впливу на робочому місці. Перевищення 10 ppm призводить до помітного подразнення очей, а при вищих концентраціях можуть з’явитися додаткові симптоми, такі як кашель або головний біль При високих концентраціях може призводить до пошкодження нервової системи, паралічу дихання, втрати свідомості або навіть смерті.

Хлор (Cl₂) – це токсичний газ жовто-зеленого кольору з різким запахом (запах хлорного вапна), під час випаровування в повітря рідкий Cl₂ утворює з водяною парою білий туман. Ознаки отруєння хлором –різкий біль в грудях, сухий кашель, блювання, задуха, порушення координації рухів, сльозотеча.

Враховуючи вищезазначене, очищення повітря від запахів – це проблема яка лежить не тільки в площині неприємних відчуттів і дискомфорту мешканців місцевої громади чи працівників виробництва, але й справжню загрозу здоров’ю і навіть життю людей. Тому для промисловості та водного секторів ефективне очищення повітря стає ключовою інвестицією, яка не тільки забезпечує відповідність нормам викидів, але й захищає здоров’я населення та підвищує суспільне визнання місцевих проектів.

Методи очищення повітря від неприємних запахів

1. Біологічні методи

Передбачають використання мікроорганізмів для біологічного окислення органічних речовин, що знаходяться у викидах. Реалізують біологічне очищення у біофільтрах і біоскруберах.

Біофільтри. Процес очищення полягає у створенні природних умов для розвитку мікроорганізмів у біологічно активному шарі, який зазвичай складається з фільтруючого завантаження природних матеріалів (дерев’яної стружки, коріння та листяних дерев, торф, компост, вулканічної пемзи, тощо) та матеріалів штучного та синтетичного походження (керамзит, силікатні та полімерні насадки тощо). Необхідно систематично та інтенсивно зволожувати цей шар та населяти його відповідними мікроорганізмами, а також дозувати поживні речовини, що відповідають за розвиток мікроорганізмів.

Біоскрубери. У скруберах найрізноманітнішої конструкції відбувається розкладання забруднювачів в процесі їхнього контакту з суспензією активного мулу, яку подають на зрошення газів.

Переваги біологічного методу. Відносно прості за конструкцією основні апарати і їхня експлуатація не пов’язана з великими капіталовкладеннями.Цей метод є екологічно безпечним та ефективним для видалення широкого спектра органічних і неорганічних сполук, включаючи меркаптани, сірководень, альдегіди, аміак тощо. Це запобігає поширенню інтенсивних, часто дуже неприємних запахів, характерних для насосних станцій, очисних споруд, каналізаційних систем або промислових підприємств. Важливою перевагою в методі нейтралізація виділення неприємних запахів природним, біологічним шляхом, є те, що заміна або регенерація шару зазвичай не потрібна частіше, ніж кожні 5 років. Використаний біологічний шар можна застосовувати як сировину для компостної установки, і він не становить загрози для природного середовища.

Рис 1. Біофільтр

Основні недоліки та особливості: великі габарити, необхідність постійного підтримання оптимальних умов життєдіяльності мікроорганізмів, складність технічного обслуговування.

2. Сорбційні методи

Методи базуються на здатності сорбентів поглинати газоподібні забруднювачі та запахи. Розрізняють абсорбційні (хемосорбційні) та адсорбційні методи.

Абсорбційне очищення газів –це процес видалення газоподібних домішок шляхом їх розчинення в рідкому абсорбенті. Ці методи застосовуються для очищення газових викидів від шкідливих компонентів, таких як діоксид сірки (SO₂), аміак (NH₃), сірководень (H₂S) тощо. Абсорбцію проводять за допомогою абсорбента (абсорбент – це рідини, що має здатність вбирати інші речовини з навколишнього середовища, зазвичай у рідкому або газоподібному стані). Як абсорбенти використовують воду, водних розчинів лугів, кислот, солей тощо, а також органічні розчинники або їхні водні розчини, залежно від фізико-хімічних властивостей домішок, які потрібно видалити.Процес може бути фізичним (абсорбція –поглинання без хімічної взаємодії) або хімічним (хемосорбція – реакція газової домішки з абсорбентом).

Реалізуються процес очищення в скруберах. (Рис. 2.) Робота пристроїв цього типу полягає в подачі забрудненого повітря в скрубер, який зрошується абсорбентом. В процесі контакту з абсорбентом домішки, що містяться в повітрі, поглинаються, а очищене повітря, що виходить назовні.

Для максимальної ефективності роботи скрубера площа поверхні контакту абсорбента з забрудненим повітрям, має бути якомога більшою. Тому скруберні апарати зазвичай заповнюють елементами, які забезпечують велику площу поверхні контактування, або дрібно диспергують абсорбент.

Рис. 2 Скрубер

Адсорбційне очищення газів – це процес селективного видалення домішок з газових сумішей шляхом поглинання їх поверхнею твердих речовин, званих адсорбентами (адсорбент – це тверда речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція, тобто поглинання молекул газів). Цей метод дозволяє майже повністю вилучити забруднюючі компоненти, забезпечуючи глибоке очищення газів. Адсорбційні методи використовуються для очищення газів з невисоким вмістом газоподібних і пароподібних домішок та дозволяють проводити очищення при підвищених температурах.

Адсорбенти мають велику питому поверхню, що дозволяє ефективно захоплювати молекули забруднювачів. Найбільш поширеними адсорбентами є активоване вугілля, силікагелі, алюмогелі та цеоліти. Окрім того, для покращення сорбційних властивостей використовують просочені, каталітично активні або універсальні адсорбенти. На поверхні адсорбенту, як зовні, так і всередині гранул, затримуються забруднюючі компоненти газового потоку. Час нейтралізації залежить від складу газу і вмісту в ньому домішок.

В залежності від технологічних потреб адсорбери можуть мати різні розміри та конструкційне виконання (рис.3).

Рис. 3 Адсорбери

Переваги сорбційних методів. До головних переваг сорбційних методів слід віднести:  висока ефективності очищення (ступінь очищення наближається до 100%); легко піддаються автоматизації; не потребують постійного обслуговування; завдяки простій технології сорбційні рішення практично безаварійні.

Основні недоліки та особливості: обмежена ефективність при високих концентраціях домішок; необхідність регенерації або заміни сорбентів; доволі значні експлуатаційні витрати

3. Фотохімічне окислення (фотоліз)

Фотохімічне окислення передбачає використання ультрафіолетового (УФ) випромінювання для розкладання шкідливих органічних речовин на екологічно безпечні сполуки та аерозолі. Дозволяє ефективно зменшити вміст ЛОС, формальдегіду, сірководню, тіолів тощо у відпрацьованому повітрі. Набір ультрафіолетових ламп у пристрої виробляє озон, який змішується з потоком газу.

Апаратурно фотохімічну технологію окислення реалізовано у вигляді камери опромінення з УФ лампами (УФ/озонові трубки), яку обладнано системою автоматичного  контролю (рис. 4).

Рис. 4 Камера опромінення з УФ лампами

Переваги фотохімічного методу окиснення: безреагентний; не трудомісткий; легко автоматизувати; низький гідравлічний опір.

Основні недоліки та особливості: необхідність періодичної заміни УФ-ламп та контролю вмісту високотоксичного озону в очищеному повітрі.

4. Комбіновані системи очищення повітря

Представляють собою поєднання вищеописаних методів. Дозволяють оптимізувати процес очищення в результаті комплексного підходу до очищення повітря, який дає можливість повніше використати переваги кожного методу та компенсувати недоліки.

Біологічно-сорбційні методи. Ці системи, зазвичай, складаються з біофільтра та адсорбера (рис.5).

Біологічний фільтр і сорбент знаходяться в закритих камерах, завдяки чому погодні умови не впливають на їх роботу. Вентилятор проштовхує забруднене повітря через шар наповнення. Після виходу з біологічної камери, де усувається більше 90% запахів, повітря потрапляє на другий ступінь очищення, яким є шар стійкого до підвищеної вологості адсорбента. Тут газ доочищується, досягаючи майже 100% зменшення вмісту речовин, що спричиняють запахи. Завдяки комбінації двох методів можна використовувати вугільний шар у багато разів довше, ніж у випадку стандартних вугільних фільтрів, водночас досягти кращої ефективності очищення, ніж при використанні стандартних біофільтрів.

Рис. 5 Камера біологічно-сорбційної системи

Фотохімічно–сорбційні системи. Ці системи складаються з фотохімічної і адсорбційної частин (рис.6) .

Рис. 6 Фотохімічно – сорбційні системи

Газоподібні речовини, що спричиняють запахи, окиснюються в об’ємі камери УФ опромінення та остаточно доокиснюються на поверхні каталітично активного адсорбента. Швидкість і час реакції підбираються відповідно до потреб конкретного використання. При цьому немає ризику потрапляння озону за межі пристрою, оскільки його концентрація підтримується лише в такому діапазоні, щоб ефективно видаляти газоподібні забруднювачі з повітря. Весь процес повністю автоматизований. Робота такої системи економічно вигідніша порівняно зі стандартним обладнанням, оскільки зношення активного сорбенту відбувається після більш тривалого періоду експлуатації, що зменшує витрати, пов’язані з його регенерацією або заміною. Варто відзначити дуже малу площу, яку займає пристрій, відносно його пропускної здатності.

Можливі також інші, більш складні поєднання різноманітних методів очищення повітря, вибір яких визначається: необхідним ступенем очищення,  якісним та кількісним складом газу та його технологічними параметрами.