44396

Технологический регламент очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»

Дипломная

Производство и промышленные технологии

К их числу относятся сравнительно большая потребность в электроэнергии значительный расход листового металла образование на поверхности электродов окисных пленок засорение пространства между электродами продуктами электрокоагуляции. Возвращались специалисты возрождался завод.

Русский

2013-11-11

5.55 MB

86 чел.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ

РАБОТА

студента                              Артемова Александра Николаевича

факультет                            химии и  экологии

направление                        020800  «Экология и природопользование»                                                                       

Тема квалификационной работы

Технологический регламент очистки сточных вод предприятия ОАО  «Кольчугинский завод «Электрокабель»»

                                              

Руководитель работы   профессор, к.т.н.                     Селиванова Н.В.

Консультанты:

1. По организации производства и экономике

2. По строительной части 

3. По безопасности и экологичности.

Допустить дипломную работу к защите в государственной аттестационной комиссии

          Заведующий кафедрой экологии                     

          профессор, д.б.н.                                                    Трифонова Т. А.

    

«    »                     2011 г.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

                               УТВЕРЖДАЮ:  

                                                 Зав. кафедрой экологии проф., д.б.н.

                                                                                             Трифонова Т.А.

ЗАДАНИЕ

НА КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

Студенту Артемову Александру Николаевичу

Тема  квалификационной работы Технологический регламент очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»» утверждена приказом по университету № 199/4 от 22.03.2011г.

Срок сдачи студентом законченной квалификационной работы 22.06.2011 г. 

Исходные данные к работе фактические показатели работы предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»

Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

  •  Обосновать тему и ее актуальность;
  •  Провести аналитический обзор научно-технической литературы по методам очистки сточных вод гальванических производств;
  •  Проанализировать состав сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»;
  •  Разработать и описать усовершенствованную схему очистки сточных вод;
  •  Рассчитать нестандартизированное оборудование;
  •  Разработать технологический регламент очистки сточных вод с целью извлечения ценных компонентов и подготовки воды для сброса в реку Беленькую;

Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей):

Плакат 1. Концентрация загрязняющих веществ на выпуске сточных вод предприятия.

Плакат  2. Показатели концентрации загрязняющих веществ в сточной воде до и после очистки по предлагаемой технологии.

Плакат  3.  Реагенты, вода

                                  Дата выдачи задания 03.03.2011 г.

Руководитель          профессор, к.т.н.       Селиванова Н.В.

                                              подпись

Задание принял к исполнению     студент Артемов А.Н.

      _____________________________________________   

                                               подпись студента

В данной квалификационной работе составлен  технологический регламент усовершенствованной системы очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»».

Для совершенствования системы  очистки  разработана технологическая схема комбинированной очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»».

Приведен расчет оборудования предлагаемой технологической схемы. Результатом квалификационной работы является разработка технологического регламента.

Работа рекомендуется к внедрению.

Страниц -143, таблиц -13, иллюстраций –18, библиография – 51,

приложения – 3.

In the given qualifying work the production schedules of advanced system of sewage treatment of the enterprise of Open Society «Electrocable» Kolchuginsky factory» are made.

The technological scheme of the combined sewage treatment of the enterprise of Open Society «Electrocable» is developed for perfection of system of clearing Kolchuginsky factory».

Calculation of the equipment of the offered technological scheme is resulted. The result of the qualifying work is the development of technological requirements.

This work is recommended to implement.

Page -143, Table -13, Picture -18, Library – 51, Apps -3.

Реферат

Работа содержит 143 стр., 13 табл., 18 ил., 51 библ., 3 прил.

Гальваническое производство, сточные воды, очистка, тяжелые цветные металлы, технологический регламент.

Цель – составление технологического регламента по очистке сточных вод.

Задачи:

Объект исследования -

В данной работе рассмотрены и проанализированы основные методы очистки сточных вод гальванических производств. Выявлены преимущества и недостатки каждого метода очистки.

Выполнен анализ сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»». После изучения результатов анализа сточных вод предприятия стало очевидно, что по основным компонентам загрязнения наблюдается превышение временно согласованного сброса. Также  установлено, что основными загрязнителями являются биогенные элементы (азот, фосфор), взвешенные вещества (мел), ионы тяжёлых металлов и нефтепродукты. Сделан вывод о необходимости разработки схемы очистки стоков предприятия.

Предложена и описана комбинированная система очистки сточных вод, позволяющая очистить воду до концентраций согласованного сброса, а также выделить и утилизировать ценные компоненты (нефтепродукты, мел, цветные металлы).

Впервые разработан технологический регламент предложенной схемы очистки, рассчитано нестандартизованное оборудование. По результатам работы написана статья на шестую Международную научно-практическую конференцию «Экология речных бассейнов».

Работа рекомендуется к внедрению.

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………..8

1. Анализ научно-технической литературы по методам очистки производственных сточных вод………………………………………………11

1.1. Механические способы………………………………………………..12

1.2. Физико-химические способы……………………………………….....17

1.2.1. Флотация…………………………………………………………...17

1.2.2. Коагуляция…………………………………………………………21

1.2.3. Флокуляция…………………………………………………………26

1.3. Химические способы…………………………………………………..28

1.4. Сорбционные способы………………………………………………….31

1.5. Электрохимические способы………………………………………….39

1.5.1. Электрохимическая коагуляция…………………………………..40

1.5.2. Электрохимическая Флотация……………………………………43

1.5.3. Электролиз………………………………………………………….44

1.6. Мембранные методы……………………………………………………45

1.6.1. Микрофильтрация………………………………………………….47

1.6.2. Ультрафильтрация………………………………………………..49

1.6.3. Обратный осмос…………………………………………………..52

1.7. Очистка нефтесодержащих сточных вод……………………………...53

1.8. Биологические методы………………………………………………….54

2. Оценка качества сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»..................................................................................62

2.1. Общие сведения о предприятии……………………………………….62

2.2. Схема образования сточных вод………………………………………69

2.3. Оценка качества сточных вод………………………………………….77

3. Предлагаемая схема очистки сточных вод……………………………….83

3.1. Описание принципиальной технологической схемы очистки……….83

3.2. Расчет основного оборудования……………………………………….85

3.2.1. Расчет решетки……………………………………………………85

3.2.2. Расчет усреднителя………………………………………………..87

3.2.3. Расчет вертикального отстойника……………………………...90

3.2.4. Расчет сорбционного фильтра……………………………………92

3.2.5. Расчет адсорбера…………………………………………………..93

3.2.6. Расчет аэротенка-модуля………………………………………...95

3.3. Расчет вспомогательного оборудования………………………………97

4. Безопасность и экологичность……………………………………………..101 

4.1. Обеспечение электробезопасности персонала станции

нейтрализации………………………………………………………………104

4.2. Действие соединений тяжелых металлов…………………………….107

Заключение…………………………………………………………………….113

Список литературы…………………………………………………………...115

Приложения…………………………………………………………………….120

Приложение 1. Ситуационная карта-схема ОАО «Электрокабель» КЗ»…...121

Приложение 2. Предлагаемая схема очистки сточных вод………………….122

Приложение 3. Технологический регламент по очистке сточных вод с целью извлечения цветных металлов и подготовки воды для сброса в реку Беленькая………………………………………………………………………123

Введение

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. Проблема усугубляется все большим производством небиодеградирующих материалов, которые с трудом разрушаются и ассимилируют в результате естественных процессов [1].

Экологические проблемы в современном мире вышли на первое место.

Получив неограниченную власть над природой, люди варварски используют ее. «Сегодня угроза выживанию пришла со стороны окружающей природной среды, быстро деградирующей под натиском человеческой деятельности», – сказал генеральный секретарь Конференции ООН Морис Стронг. Ресурсы планеты иссякают. Катастрофически быстро загрязняются воздух и вода. Превращаются в пески плодородные земли. На глазах сокращаются площади лесов. На планету буквально «вываливаются» горы отбросов; человек провоцирует природные катастрофы.

Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютантов, получивших общее название «тяжелые металлы». Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

Различия в терминологии в основном связаны с концентрацией металлов в природной среде. С одной стороны, концентрация металла может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците его относят к микроэлементам. Таким образом, термины микроэлементы и тяжелые металлы - категории, скорее всего качественные, а не количественные, и привязаны к крайним вариантам экологической обстановки.

Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут. Употребляемый иногда термин "токсические элементы" здесь неудачен, так как любые элементы и их соединения могут стать токсичными для живых организмов при определенной концентрации и условиях окружающей среды.

Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брусит, ильменит, анатаз), хрома (FeCr2O4). Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.

Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО2 в результате деятельности микроорганизмов. Также тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высоорганизованным организмам [2].

Традиционные технологии не обеспечивают эффективной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Их содержание в жидких отходах в 10 -20 раз превышает ПДК. После реагентной обработки, чаще всего применяемой на промышленных предприятиях, остаточное содержание металлов достигает 1-5 мг/л, при ПДК для большинства металлов 0,1-0,001 мг/л [3].

1. Анализ научно-технической литературы по методам очистки производственных сточных вод

Одним из важнейших вопросов защиты окружающей среды является охрана водного бассейна от загрязнения.

К важным мероприятиям по охране источников питьевой воды относятся доочистка промышленных и городских сточных вод и дальнейшее их использование для промышленного водоснабжения предприятий. Повторное использование очищенных сточных вод для технического водоснабжения позволит в ряде районов нашей страны полностью ликвидировать существующий дефицит ресурсов пресной воды.

Наиболее опасны для водоемов сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности, несмотря на то, что объем их по сравнению с объемом сточных вод предприятий других видов промышленности невелик. Сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности характеризуются сложным и переменным составом, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворенных, а не взвешенных, загрязнений, поэтому биологические методы не всегда обеспечивают очистку, достаточную для повторного использования воды на предприятиях [4].

Физико-химические или химические методы очистки сточных вод наряду с обеспечением необходимого качества воды в соответствии с требованиями водоподготовки позволяют также извлечь из сточных вод ценные продукты и снизить потери производства. В последние годы эти методы находят широкое применение и для доочистки биологически очищенных сточных вод, после которой их успешно можно использовать в технологических и энергетических циклах.

Замена природных пресных вод, расходуемых на технологические и энергетические нужды, очищенными сточными водами позволит решить проблему ликвидации дефицита водных ресурсов и предотвратить истощение запаса пресных вод. Одним из наиболее радикальных путей необходимого сокращения потребления свежей воды является создание замкнутых систем промышленного водоснабжения, основанных на многократном использовании для производственных целей сточных вод, очищенных до норм, отвечающих требованиям к качеству технической вод.

На основании требований технологического производства на каждой его стадии определяются требования к качеству воды. На основании этих требований принимаются решения по методам локальной и централизованной очистки сточных вод, составляются перечни загрязняющих веществ [5].

Для использования сточных вод особое значение имеет обоснование требований к составу технологической воды. В зависимости от этих требований применяются различные способы и устройства очистки сточных вод:

  •   механические;
  •   физико-химические (флотация, коагуляция);
  •   химические (реагентные);
  •   электрохимические (электрофлотация, электролиз);
  •   мембранные (ультрафильтрация, обратный осмос и др.);
  •   термические (выпаривание, дистилляция, сжигание сточных вод);
  •   биохимические;
  •   Комбинированные [6].

1.1. Механические способы

Механическая очистка – это выделение из сточных вод находящихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих минеральную и органическую природу [7].

В группу методов механической очистки включают процеживание, отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка, фильтрование и центробежные методы.

Процеживание.  Сточные воды процеживают через решетки и сита с целью извлечения из них крупных примесей для предотвращения засорения труб и каналов. Решетки состоят из наклонных или вертикально установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на металлической раме. Решетки могут быть неподвижные и подвижные. Ширина прозоров в решетке равна 16 – 20 мм. По способу очистки решеток от задержанных загрязнений они разделяются на простейшие, которые очищаются ручным способом, и механические, очищаемые с помощью механических приспособлений. При этом в просветах решетки движутся зубцы граблей, укрепленных на подвижной шарнирно-пластинчатой цепи, которая приводится в движение электродвигателем. Отбросы, снятые со стержней решетки направляются на ленте-транспортере в дробилку для измельчения [8].

Сита применяют для удаления более мелких взвешенных частиц. Они могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Первые представляют собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от способа подвода воды (снаружи или внутрь). Задерживаемые примеси смываются c сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от размера (диаметра) барабана, его длины, a также от свойств примесей.

Остаивание  является одним из основных методов выделения из сточных вод, оседающих и всплывающих механических примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители [9].

Песколовки предназначены для задержания минеральных примесей, содержащихся в сточных водах. Принцип действия этих устройств основан на том, что частицы, плотность которых больше, чем плотность воды, по мере движения их в резервуаре выпадают на дно. Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества очищаемых сточных вод, концентрации взвешенных частиц. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Скорость движения воды в горизонтальных песколовках не превышает 0,3 м/с.

Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод грубо диспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды.

Отстойники предназначаются для осаждения нерастворенных частиц вследствие замедленного движения сточных вод [10].

B зависимости от конструкции отстойники могут быть горизонтальными, вертикальными или радиальными. В горизонтальных отстойниках жидкость движется почти горизонтально вдоль отстойника, в вертикальном — снизу вверх, в радиальных — от центра к периферии.

Горизонтальные отстойники – это железобетонные, прямоугольные в плане бассейны воды. Для выравнивания потоков в бассейнах устанавливают через 3 – 6м вертикальные продольные перегородки. Удаление осадков со дна отстойника гидравлическое (без остановки работы) или механическое (при опорожнении отстойника или отсека).

Вертикальные отстойники — это круглые, квадратные или многоугольные в плане резервуары с конусным или пирамидальным днищем. Вертикальные отстойники обычно имеют производительность от 20 до 50 м3/сут, они используются при глубоком залегании грунтовых вод. Сточная жидкость подводится к рабочей части отстойника по центральной трубе. После выхода из трубы сточная жидкость движется снизу вверх к сливным желобам, по которым поступает в отводной лоток. Во время движения сточной жидкости по отстойнику из нее выпадают взвешенные частицы, плотность которых больше плотности воды.

Радиальные отстойники – круглые в плане бассейны, снабженные устройством для непрерывного удаления выпадающей смеси. Сточная вода подается через центральную трубу в бассейн отстойника и движется с убывающей скоростью к периферии. При этом происходит выпадение осадка. Пройдя отстойник, сточная вода через щелевые отверстия поступает в круговой желоб. Дно бассейна имеет уклон в 5-8° от периферии к центру. Выпавший осадок удаляют скребками, укрепленными к подвижной ферме, в приямок для сбора осадка, расположенный в центральной части отстойника.

Радиальные отстойники являются разновидностью горизонтальных.  Их применяют главным образом на крупных станциях очистки сточных вод (более 20 000 м3/сут) в системах биологической обработки. В этом случае их разделяют на первичные и вторичные. Первичные предшествуют сооружениям биологической очистки, а вторичные устанавливаются после таких сооружений.

Недостатками отстойников являются сравнительно низкая эффективность, невысокая скорость удаления частиц, большие габаритные размеры аппаратов, значительный расход материалов (металла, бетона) для их изготовления.

Фильтрование. Процесс применяют для выделения из сточных вод грубо- и мелкодисперсных примесей, не осевших при отстаивании. Фильтрование является обычно завершающей стадией очистки сточных вод, прошедших сооружения механической, физико-химической и биологической очистки.

B зависимости от количества и характера примесей, a также количества очищаемой жидкости и требований к осветленной воде применяют фильтры c фильтровальной перегородкой или зернистой загрузкой.

Для осуществления процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, в больших объемах выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры c фильтрующим зернистым слоем. Фильтр последнего типа представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, a затем фильтрующий материал.

Фильтрующий слой аппарата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязнений. Для этого в фильтр снизу подается промывочная вода.

Наличие в очищаемой воде ферромагнитных примесей позволяет использовать для очистки магнитные и электромагнитные фильтры. Для фильтрования эмульгированных веществ применяют фильтры c пенополиуретановой загрузкой.

Недостатками фильтров являются значительная металлоемкость и сложность системы промывки.

Центробежные методы. Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, a открытые - для удаления осaждaющихся и всплывающих примесей. Гидроциклоны  просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.

Центробежные силы используют также в центрифугах. Мощность силового поля в таких аппаратах превышает мощность поля сил тяжести в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз, что позволяет обеспечить любую степень полноты разделения. B практике центрифугирования применяют два принципиально различных способа разделения неоднородных систем - фильтрование и центробежное осаждение.

Фильтрующие центрифуги служат для разделения сравнительно грубодисперсных систем с кристаллической или аморфной твердой фазой; отстойные и осветляющие – для разделения трудно фильтрующихся суспензий. Для разделения эмульсий используют сепараторы разнообразных конструкций. Для очистки производственных сточных вод  наибольшее применение находят комбинированные центрифуги, сочетающие в одном аппарате фильтрацию с последующим осаждением в поле центробежных сил [11,12].

1.2. Физико-химические методы

Физико-химические методы очистки заключаются в том, что в очищаемую воду вводят какое-либо вещество — реагент (коагулянт и флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, эти вещества способствуют более полному выделению нерастворенных примесей, коллоидов и части растворенных соединений и тем самым уменьшают их концентрацию в сточной воде; переводят растворимые соединения в нерастворимые или в растворимые, но безвредные; изменяют реакцию сточных вод, в частности нейтрализуют их; обесцвечивают окрашенную воду и пр.

Современные исследования свидетельствуют о возможности обеспечения глубокой очистки сточных вод физико-химическими методами. Освоение такой очистки по стадиям позволяет резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод или заменить биологическую очистку.

Физико-химические методы чаще всего применяют при очистке производственных сточных вод. При этом в зависимости от местных условий тот или иной метод может явиться окончательной стадией (если достигаемая степень очистки достаточна для использования сточных вод повторно) либо предварительной стадией (например, при удалении ядовитых соединений или каких-либо других веществ, препятствующих нормальной работе последующих очистных сооружений) [13].

1.2.1. Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы – пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Метод флотации используется для очистки сточных вод, загрязненных отходами нефти, продуктами ее переработки, жирами, маслами, смолами, латексами, продуктами органического синтеза, поверхностно-активными веществами, красителями [14].

Флотационный метод очистки обеспечивает, помимо удаления механических примесей, загрязнений (растворенных и коллоидных), также снижение значений БПК и ХПК, удаление летучих компонентов растворение в воде кислорода воздуха. Эффективность процесса флотации колеблется в довольно широких пределах: от 20 до 99%. Наиболее часто флотационный метод очистки применяют в локальных сооружениях для удаления основной массы загрязнений. Флотационный процесс протекает в 4—6 раз быстрее отстаивания при одинаковом эффекте удаления загрязнении.

Извлечение диспергированных, коллоидных или растворенных примесей воды происходит в результате их прилипания (или адсорбции) к пузырькам газа, образующимся в жидкости, или введенным в нее. Агрегаты пузырьков воздуха с примесями всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной жидкости.

При очистке сточных вод могут быть использованы методы пенного фракционирования, макро- и микрофлотации, осадительной флотации, молекулярной флотации и адсорбционной коллоидной флотации.

Физико-химические основы пенной флотации. Основную роль в процессе флотации диспергированных примесей играют поверхностные силы, ван-дер-ваальсовские силы притяжения, электрические силы, возникающие при перекрытии двойных электрических слоев, образующихся вокруг  частички в водном растворе, и силы гидратации любых гидрофильных групп на поверхности частички [15].

Действия этих трех сил определяют смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Прилипание частицы к газовому пузырьку тем сильнее, чем хуже ее смачивание водой. Мерой смачиваемости твердого тела жидкостью является краевой угол смачивания, измеряемый обычно со стороны воды.

Смачиваемость твердой частицы водой, как известно, определяется степенью ее гидрофобности. Чем более гидрофобно вещество, тем меньше его смачиваемость и лучше флотируемость. Изменение смачиваемости флотируемых частиц достигается адсорбцией на их поверхности поверхностно-активных веществ, в результате которой полярные группы ПАВ прикрепляются к частице, а гидрофобные цепи обращаются в объем раствора. Таким образом, при введении небольших количеств поверхностно-активных веществ флотируемость увеличивается до тех пор, пока их концентрация не вызовет заметное понижение величины поверхностного натяжения водной среды, из которой происходит флотация. По воздействию на процесс флотации ПАВ обычно разделяют на две категории:

  •   коллекторы;
  •   пенообразователи.

Коллекторы, в основном, изменяют смачиваемость частиц, а пенообразователи адсорбируются, как правило, на границе водная среда — газ и стабилизируют пленку, образующуюся между приближающимися друг к другу пузырьками, препятствуя их коалесценции. Избыток пенообразователя всегда несколько понижает поверхностное натяжение и,

следовательно, вероятность акта прилипания частицы к пузырьку.

Процесс флотации можно рассматривать как трехстадийный:

1) постепенное сближение минеральной частицы с пузырьком воздуха, в то время как на частице формируется смачивающая пленка;

2)  утоньшение смачивающей пленки до тех пор, пока не будет достигнуто нестабильное состояние;

3)  разрушение смачивающей пленки и образование краевого угла, обеспечивающего сильную адгезию частицы на поверхности воздушного пузырька.

Эффект флотации высокодисперсных частиц, размеры которых близки коллоидным, в значительной мере зависит от электростатического взаимодействия двойных электрических слоев частиц и пузырьков. Чаще всего снижение электрокинетического потенциала частиц приводит к уменьшению энергетического барьера и улучшению их флотируемости.

Существенное влияние на эффективность флотации оказывает соотношение размеров частицы и газового пузырька, которое определяет эффективность их столкновения и последующего притяжения. Для каждого размера пузырька существует критический размер частицы. Столкновение частиц меньшего размера с пузырьком не происходит. Например, наименьший размер частиц галенита, которые могут соприкоснуться с пузырьком воздуха диаметром 1,5х106 нм, составляет 30х103 нм. Очень мелкие частицы движутся точно по линиям тока жидкости, обтекающей всплывающий пузырек. Поэтому столкновение частицы с пузырьком может произойти только тогда, когда частица проходит вблизи пузырька на расстоянии одного радиуса частицы. В общем случае извлечение очень мелких частиц флотацией можно улучшить, повышая дисперсность пузырьков – воздуха [16].

В первом приближении скорость флотации прямо пропорциональна частоте генерации пузырьков и не зависит от их диаметра в широком интервале размеров частиц. При данной скорости продувания воздуха необходимо добиваться минимального размера пузырьков, чтобы частота их генерации была максимальной [17].

В оптимальных условиях обеспечивается 98 - 100 % очистка от ионов тяжелых металлов. Простота эксплуатации, отсутствие вторичного загрязнения, незначительный расход реагентов – достоинства этого метода.

1.2.2. Коагуляция

Метод заключается в том, что к сточной воде добавляют реагенты (коагулянты), способствующие быстрому выделению из нее мелких взвешенных и эмульгированных веществ, которые при простом отстаивании не осаждаются. Реагент добавляют обычно до поступления сточной воды в отстойники. Взвеси вместе c коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.

Для повышения эффективности очистки сточных вод от коллоидных загрязнений используют минеральные коагулянты, представляющие гидролизующиеся соли металлов [18].

Ниже в таблице приведены наиболее часто используемые коагулянты (табл. 1.2.1.)

Таблица 1.2.1.

Коагулянты, используемые при очистке сточных вод

Название

Химическая формула

        Сульфат алюминия

Алюминат натрия

Полигидроксохлорид алюминия

Алюмокалиевые квасцы

Аммиачные квасцы

Сульфат железа (II)

Сульфат железа (III)

Хлорид железа (III)

      Al2(SO4)3∙ 18 H2O

NaAlO2

Al2(OH)nCl(6-n)

KAl(SO4)2∙12H2O

NH4Al(SO4)2∙12H2O

FeSO4∙3H2O

FeSO4∙7H2O

Fe2(SO4)3∙2H2O

FeCl3

Наиболее широкое применение в качестве коагулянта получил сульфат алюминия. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде, образуя малорастворимое основание. Также успешно применяют гидроксохлорид алюминия, для которого требуется меньший щелочной резерв воды.

Так как железо обладает переходной валентностью, соли железа могут применяться не только для коагулирования, но и для проведения реакций окисления-восстановления с последующей седиментацией.

Упрощенная схема гидролиза коагулянта может быть представлена следующими стадиями:

Меn+ + H2O     ↔    Me(OH)(n-1)+ + H+

Me(OH)(n-1)+   + H2O  ↔ Me(OH)2 (n-2)+ + H+

Me(OH)2 (n-2)+ + H2O  ↔ Me(OH)3 (n-3)+ + H+

Меn+ + nH2O ↔    Me(OH)n + nH+

Физико-химические основы процесса коагуляции. В технике водоочистки в качестве коагулянтов наиболее широко применяют сульфат алюминия, сульфат и хлориды железа, алюминиевые квасцы и смесь хлорида и сульфата железа. В редких случаях используют соли магния, цинка и титана.

Гидролиз солей металлов. В большинстве случаев коагулянты представляют собой соли слабых оснований и сильных кислот. При растворении их в воде происходит гидролиз, и образуются малорастворимые основания — гидроксиды алюминия или железа. При этом в результате смещения равновесия диссоциации в воде накапливаются ионы водорода и в растворе появляется кислота. Растворимость гидроксидов алюминия и  железа чрезвычайно мала. Они выделяются из раствора, образуя сначала коллоидные частицы (разбавленные золи гидроксидов), которые под влиянием электролитов, растворенных в воде, коагулируют и выпадают вместе с коллоидами, загрязняющими воду, в осадок. Этот осадок содержит связанную воду, а также несколько слоев молекул «неструктурной» воды, адсорбционно связанной с поверхностью осадка силами различной прочности [19].

Скорость гидролиза солей металлов пропорциональна концентрации катионов металла. Поскольку концентрация вводимого в воду коагулянта обычно невелика, можно считать, что скорость гидролиза коагулянта прямо пропорциональна его концентрации или дозе, вводимой в воду. С повышением температуры скорость гидролиза возрастает примерно в 2 раза на каждые 10 °С. Необходимым условием более полного протекания процесса гидролиза является удаление образующегося гидроксида металла из сферы реакции или связывание ионов Н+ в недиссоциированные молекулы. Большему гидролизу подвержены коагулянты с меньшей константой диссоциации или с меньшим произведением растворимости труднорастворимого осадка. В соответствии с этим гидролиз солей трехвалентного железа протекает полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее гидролиза солей двухвалентного железа.

Для количественной характеристики степени гидролиза удобно пользоваться концентрацией водородных ионов в растворе или рН. Изменяя рН раствора, можно регулировать течение процесса в желаемом направлении и обеспечить полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для этого необходимо связать образующиеся при гидролизе ионы водорода в недиссоциированные молекулы, а также удалить один из продуктов гидролиза из сферы реакции. Хотя гидроксиды алюминия и железа имеют малую растворимость (0,6—1,5 мг/л), все же эти величины при небольших дозах коагулянта (до 150 мг/л) достаточны для торможения процесса гидролиза. Поэтому рН  среды играет большую роль в процессе коагуляции. В этом отношении положительное буферное действие оказывают растворенные в воде бикарбонатные соли. В совокупности с растворенным в воде диоксидом углерода они образуют буферную систему с рН, близким к нейтральной точке. В тех случаях, когда емкости буферной смеси не хватает для нейтрализации образующейся кислоты, воду подщелачивают, вводя известь, соду и т. п.

Растворимость продуктов гидролиза. Применение коагулянтов в водоочистке требует, прежде всего, обеспечения таких условий для протекания процесса, при которых растворимость продуктов гидролиза была бы минимальной. Это определяется, главным образом, значением рН системы. На величину рН, при которой достигается минимальная растворимость гидроксида, заметно влияет анион исходной соли, его концентрация, валентность и наличие конкурирующих анионов. Известно, что ионы Аl3+ и Fe3+ способны к комплексообразованию не только с ионами гидроксида, но и с другими анионами и ионизированными группами гидрофильных органических веществ: фосфатными, сульфатными, карбоксильными и др. Конкуренция этих анионов с ОН-группами и вероятность «координационного внедрения» зависят от их концентрации, валентности и значения рН среды. В присутствии конкурирующих анионов

уменьшается значение оптимального рН среды, соответствующее минимальной растворимости продуктов гидролиза, т. е. их изоэлектрической точке. Так, для гидроксила алюминия эта точка по Кольтгофу составляет 6,5 - 7,5, а по данным Е. Д. Бабенкова - 7,6 - 8,2. В присутствии анионов эта величина уменьшается на 1 - 1,5.

Физико-химические основы процесса осадкообразования. Таким образом, введение в воду коагулянта при определенных условиях приводит к выпадению малорастворимого соединения. Система с таким осадком термодинамически неравновесна и с большей или меньшей скоростью стремится к равновесному состоянию. Этот процесс рассматривают как трехстадийный:

  •    скрытый период;
  •    рост частиц твердой фазы;
  •    старение осадка.

Скрытый период — это образование зародышей в пересыщенном растворе, на которых накапливается выпадающее из раствора вещество. Так как в технике водоочистки процесс гидролиза обычно протекает в разбавленных растворах, т. е. при незначительном пересыщении, то зародышей образуется мало и они медленно растут до частиц крупного размера. На практике в сточных водах, содержащих микрогетерогенные примеси, зародыши могут образовываться в результате осаждения растворенного вещества на чужеродных частицах, присутствующих в воде, но при этом возможен и процесс возникновения зародышей в результате столкновения ионов или молекул.

В образующихся в результате пересыщения первичных частицах молекулы расположены более или менее хаотично и, стремясь к равновесию, т. е. минимуму потенциальной энергии, располагаются в виде  кристаллической решетки, наступает кристаллизационный период. При большом пересыщении скорость агрегации превалирует над скоростью ориентации, в результате этого частицы имеют почти всегда аморфное строение. Скорость ориентации гидроксида снижается с увеличением числа гидроксильных ионов, связанных с атомом металла. Поэтому гидроксиды двухвалентных металлов приобретают кристаллическое строение, а гидроксиды трехвалентных металлов алюминия, железа, главным образом, выделяются в аморфном виде. Частицы аморфного гидроксидного осадка имеют сильно развитую поверхность и обладают большой адсорбционной способностью.

Старение осадка также слагается из нескольких параллельно и последовательно идущих процессов. Процесс старения заключается в уменьшении кажущегося объема осадка, улучшении его седиментационных, реологических и фильтрующих свойств, ухудшении сорбционной и каталитической способности и растворимости. Старение гелей гидроксидов трехвалентных металлов ускоряется с повышением температуры. Примеси, присутствующие в растворе и захватываемые осадком, могут либо резко затормозить старение, либо существенно его ускорить.

Образующийся в результате обработки воды коагулянтами осадок представляет собой хлопья неправильной формы с рыхлой сетчатой структурой и размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Влажность осадка составляет 96—99,99%. Объемная масса 0,01—1,03 г/см3, а в случае наличия в сточной воде значительных количеств микрогетерогенных примесей увеличивается до 1,05—1,2 г/см3 [20].

Удаление полуколлоидных примесей методом коагуляции. Извлечение из воды в процессе коагуляции растворенных веществ обусловлено способностью катионов А13+ и Fe3+ к комплексообразованию, при котором комплексообразующие ионы конкурируют с группами ОН- за координационные участки гидроксидов и вероятность координационного внедрения зависит от их концентрации, валентности и значения рН среды. Так, извлечение поверхностно-активных веществ из растворов основано на реакциях комплексообразования между катионами алюминия и железа и аннонами ПАВ при рН<7.

Понижение рН среды приводит к увеличению степени извлечения ПАВ. При исследовании адсорбции ПАВ алкилсульфатов на гидроксиде железа было отмечено, что уменьшение величины рН среды с 7 до 4,5 способствует увеличению адсорбции ПАВ, а в области рН 7—10 степень адсорбции алкилсульфатов практически не изменяется. В соответствии с комплексообразующим механизмом поглощения анионных ПАВ снижение рН системы, содержащей осадок гидроксида, до 4,8—4,5 позволяет удалять до 50—60% ПАВ.

Достоинством метода является очистка до требований ПДК от соединений шестивалентного хрома, низкие эксплуатационные затраты. К недостаткам можно отнести невозможность очистки до ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

1.2.3. Флокуляция

Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Для интенсификации процессов хлопьеобразования и осаждения взвешенных частиц в современной технологии водоочистки в качестве флокулянтов обычно используют коллоидную кремнекислоту, а также природные и синтетические высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов и длиной цепочки из повторяющихся звеньев в десятки тысяч нанометров. Процесс флокуляции следует рассматривать как образование хлопьев при взаимодействии компонентов двух разнородных систем: макромолекул растворимых полимеров и частиц коллоидных растворов и суспензий с четкой поверхностью раздела фаз. Таким образом, при использовании флокулянтов происходит взаимодействие термодинамически обратимой молекулярно-гомогенной системы с агрегативно неустойчивыми микрогетерогенными и гетерогенными системами.

Растворенные в воде флокулянты могут диссоциировать на ионы либо находиться в неионизированном состоянии. В зависимости от химической природы диссоциирующей группы различают анионные и катионные флокулянты. Обычно анионные группы - это — СООН; — SO3H; — OSO3H; катионные: —NH2; = NH; =NOH и др. При наличии в структуре кислотных и основных групп макромолекула обладает амфотерными свойствами и знак заряда макроиона зависит от рН среды.

В водных растворах вследствие диссоциации образуются высокомолекулярные поливалентные макроионы, вокруг которых (вне и внутри их) концентрируются низкомолекулярные ионы с зарядом противоположного знака, образуя облако, подобно слою компенсирующих ионов около коллоидных частиц [21].

Возрастание степени диссоциации макроионов обычно приводит к увеличению их размеров, что обусловлено отталкиванием заряженных звеньев полимеров. Образованию более компактных полимеров способствует снижение диссоциации при добавлении в раствор диссоциирующих флокулянтов сильных электролитов. Флокуляция обусловлена сорбцией одной и той же макромолекулы на двух или более частицах с образованием между ними «мостиков», что и приводит к возникновению в дисперсии крупных быстро седиментирующих агрегатов. В соответствии с этим вначале происходит первичная адсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице, а затем — вторичная, при которой свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками.

Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

1.3. Химические способы

Наиболее распространенным является способ, суть которого заключается во введении в сточную воду реагентов. При этом образуется труднорастворимые соединения, которые затем отделяют от жидкой фазы обычными способами, принятыми в водоподготовке (отстаивание, флотация, фильтрование и др.) [22].

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей и металлов. Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, содой, отходами щелочей и т.п. наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроксид кальция (или гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов представлен в таблице (табл. 1.3.1.)

Таблица 1.3.1.

Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов

Металл

Реагент, (кг/кг)

CaO

Ca(OH)2

Na2CO3

NaOH

 Zn

0,85

1,13

1,60

1,22

Ni

0,95

1,26

1,80

1,36

Cu

0,88

1,16

1,66

1,26

Fe

1,00

1,32

1,90

1,43

Pb

0,27

0,36

0,51

0,38

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

  •   фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;
  •   водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды и шлака), нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;
  •   полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

С целью улучшения результатов очистки и уменьшения объемов шламов во всем мире проводятся исследования по применению дополнительных или альтернативных методов очистки общего количества отходов. Варианты исследований можно разделить на две основные группы. С одной стороны заменяют осаждение гидроксидов на осаждение сульфидов (меньшие объемы шламов), с другой стороны добавляют дополнительную стадию обработки (более низкое остаточное содержание).

Можно достичь более низкого остаточного содержания металлов, если изменить осаждающий химикат. Более глубокая очистка от тяжелых металлов достигается при обработке сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорастворимых соединений – гидроксидов и карбонатов.

Осаждение сульфидов происходит при более низком значении рН, чем гидроксидов и карбонатов. Например, сульфид никеля осаждается при рН=3,3, тогда как гидроксид натрия при рН=7,7.

Стоимость осаждения сульфидов выше, чем стоимость осаждения гидроксидов. Для того чтобы снизить стоимость очистки сточных вод сначала осаждают гидроксиды, а затем сульфиды.

В качестве источника сульфида можно использовать сульфид натрия или смесь FeSO4 и NaHS, которая образует суспензию FeS2.

Для удаления небольших количеств ионов тяжелых металлов, можно использовать пирит. Процесс можно проводить фильтрованием сточных вод через гранулированный пирит или непосредственно введением порошка в сточную воду.

В последнее время находит применение ферритный метод, как модификация реагентного метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Очистка сточных вод методом ферритизации заключается в сорбции примесей магнитными гидроокисями железа, образовании ферритов с последующей топохимической реакцией захвата сорбционных веществ кристаллической решеткой феррита.

Осаждение образующихся в процессе реагентной обработки нерастворимых соединений карбонатов или гидроксидов осуществляется в отстойниках. Для ускорения осветления нейтрализованных сточных вод рекомендуется добавлять к ним синтетический флокулянт. Технология применения флокулянта зависит от многих факторов и в первую очередь от физико-химических свойств обрабатываемой жидкости. Приведены наиболее употребляемые дозы флокулянта (табл. 1.3.2.)

Достоинства этого метода – универсальность и простота эксплуатации.

Недостатками этого способа являются значительный расход химикатов и образование труднорастворимых соединений. Громоздкость оборудования. Кроме того, применение реагентных технологий обусловливает вторичное загрязнение (засоление) очищенной воды, что препятствует ее повторному использованию в производстве [23].

Используемые в настоящее время химические способы очистки в сочетании с механическим отстаиванием позволяют извлекать всего 50-80% загрязнений, в тоже время образуется значительное количество шлама, который необходимо перерабатывать или утилизировать, что требует дополнительных затрат.

Таблица 1.3.2.

Дозы флокулянта при различных концентрациях загрязняющих веществ в растворе

Доза полиакриламида, мг/л

Содержание взвешенных веществ, г/м

0,4 – 0,1

501 - 1000

0,6 – 0,4

101 - 500

1,0 – 0,6

11 - 100

1,5 – 1,0

До 10

1.4. Сорбционные способы

Один из эффективных и технологически простых способов удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод – сорбция.

В широком  понимании сорбция представляет собой процесс поглощения веществ из той или иной среды с помощью других веществ, называемых поглотителями или сорбентами. Различают три разновидности сорбции: адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию. При адсорбции поглощение осуществляется поверхностью твердого или  жидкого сорбента, при абсорбции — всей массой жидкого сорбента. Сорбция (адсорбция, абсорбция), сопровождаемая химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом,  называется хемосорбцией [24].

Общеизвестно, что сорбционные методы преимущественно применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Верхний предел применения сорбционных методов 1000 мг/л. Нижний предел применения 5 мг/л. Применение локальных установок считается целесообразным, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента, а концентрация загрязнителя приближается к верхнему пределу. Системы сорбционной доочистки работают при сравнительно низких концентрациях загрязнителя (до 100 мг/л), высокую допустимую линейную скорость стока и высокие коэффициенты распределения сорбата в сорбенте и растворе. Адсорбцию уже используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ. Ассортимент сорбентов за последнее время значительно обогатился. Имеются на рынке самые разнообразные сорбенты. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, извлечением  вещества из адсорбента и его утилизацией. Она может быть деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и химической формы его нахождения в среде.

Адсорбенты. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опоки, опилки и др.). Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ из сточных вод используют сравнительно редко, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика и иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, однако они должны обладать определенным комплексом свойств. Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 мм, или 8-50 А), чтобы их поверхность была доступна для органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм. Угли  должны обладать малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы. Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Адсорбционная способность активных углей является следствием сильно развитой поверхности и пористости. Карбохромы и карбопаки представляют собой гранулированные углеродные сорбенты. Они относятся к широкопористым материалам, их удельная поверхность от 10 до 100 м2/г. Они обладают высокой сорбционной способностью, механически прочны, но настолько дороги, что применяются только в хроматографии.

Основы процесса адсорбции. Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбирующиеся - вогнутую. Изотерму адсорбции вещества, находящегося в сточной воде, определяют опытным путем. Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для определения возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значение стандартной дифференциальной свободной энергии и определяют разность между максимальным и минимальным значением. Если разница больше некоторого критического значения, совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней. Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: переноса вещества и сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость собственно адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя либо внутренняя диффузия. В некоторых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями. Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном определяется интенсивностью турбулентности потока, которая в первую очередь зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности. Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при которых адсорбционная очистка сточных вод идет с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно проводить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента и уменьшая размеры зерна. Для ориентировочных расчетов рекомендуется принимать следующие значения скорости и диаметра зерна адсорбента: скорость 1,8 м/ч и размер частиц 2,5 мм. При значениях меньше указанных, процесс лимитируется по внешнедиффузионной области, при больших значениях - во внутридиффузионной.

Адсорбционные установки. Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней. Сверху подают 15-20%-ю угольную суспензию, а снизу сточную воду. Избыток угля отводят в сборник.

Регенерация адсорбента. Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300 °С, а инертных: газов 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих в 12,5-30 кг. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями [25].

При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот). При этом за счет ионизации молекулы сорбата получают заряд и за счет этого десорбируются. В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем).

Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800°С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части углеродного сорбента (15-20%). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента, но длителен и трудоемок.

Примеры адсорбционной очистки. Адсорбционная очистка сточных вол от нитропродуктов, содержание которых в воде находится в пределах 1400 мг/л, производят углями КАД до остаточного их содержания не более-20 мг/л. Уголь регенерируют растворителями (бензолом, метанолом, этанолом, метиленхлоридом). Растворитель и нитропродукты разделяют перегонкой. Остатки растворителя из угля удаляют острым паром. Для извлечения фенолов из сточных вод используют активные угли различных марок. Высокой поглотительной способностью обладают селективные сильнокарбонизированные малозольные угли с высокой пористой структурой, а также угли марок ИГП-90, КАД (йодный), БАУ, ОУ (сухой), АГ-3, АП-3. Степень извлечения фенолов этими углями изменяется от 50 до 99%. Сорбционная емкость уменьшается с повышением рН среды и при рН=9 составляет 10-15%. При концентрации фенолов до 0,5 г/л величина адсорбции соответствует экспонентной зависимостью. Регенерацию углей проводят термическим способом в многоподовых печах или печах с кипящим слоем при температуре 870-930 °С. При этом теряется 10-15% адсорбента. При регенерации углей растворителями (этиловым эфиром, бензолом, щелочью) регенерация достигает соответственно 85, 70 и 37%. Возможно удаление фенолов из углей и аммиачной водой. В некоторых случаях очистку сточных вод от фенолов возможно проводить с применением таких сорбентов, как диатомиты, трепел, шлаки, кокс, торф, силикагель, кварцевый песок, керамзит, керамикулит и др. Однако адсорбционная емкость их мала. Для силикагеля она составляет 30%, а для полукокса всего 6%.

Практически полной дефенолизации сточных вод добиваются, используя в качестве сорбента сульфат железа, модифицированный полиакриламидом и карбоксиметилцеллюлозой. Лигнин, пропитанный хлорным железом, способен сорбировать до 92% - фенола при концентрации последнего 3-9 мг/л. Активные угли в виде порошков применимы для удаления из воды хлорорганических пестицидов до их остаточной концентрации 10-б мг/л. Наибольшую емкость имеют угли ОУ-А, КАД, БАУ, СКТ [26].

Адсорбционная очистка сточных вод производства инсектицидных препаратов «Прима-7» и «Дихлофос» от токсичных компонентов до предельно допустимых концентраций достигается при удельном расходе угля АГ-3 -0,06 г/л и скорости фильтрования 2 м/ч. Для удаления небольших количеств ПАВ из сточных вод (не более 100—200 мг/л) используют адсорбционную очистку активными углями АГ-5 и БАУ, адсорбционная емкость которых по ОП-10 15%. Кроме того, можно применять активный антрацит (емкость - 2%) и природные сорбенты (торф, глины, бурые угли и др.), а также шлак и золу, сорбционная емкость которых зависит от рН среды. Например, анионные ПАВ сорбируются шлаком лучше всего в нейтральной среде. Наиболее эффективно процесс протекает в случае, если ПАВ находится в растворе в виде мицелл. Процесс очистки проводят в фильтрационных колонках с неподвижным слоем угля, пропуская воду снизу вверх со скоростью 2-6 м/с. Предварительно из воды должны быть удалены взвешенные вещества.  Регенерацию углей проводят горячей водой,  водными растворами кислот   (для удаления катионообменных ПАВ) или щелочей (для удаления анионоактивных ПАВ), а также органическими жидкостями, растворяющими ПАВ. Для адсорбции ПАВ могут быть использованы осадки гидроксидов алюминия и железа, сульфиды меди и фосфаты кальция, которые образуются при добавлении в сточную воду коагулянтов. Свежевыделенные гидроксиды имеют крупнопористую структуру. Удельная поверхность их пор составляет 100-400 м2/г. При изучении процесса адсорбции ОП-7 гидроксидом алюминия установлено, что изотермы имеют сложную кривую, состоящую из трех участков. При увеличении рН сточной воды сорбция ОП-7 этим адсорбентом уменьшается. На адсорбцию также влияет содержание в сточной воде электролитов и масса сорбента. Введение в сточную воду полиакриламяда интенсифицирует процесс выпадения хлопьев гидроксидов и увеличивает их адсорбионную емкость.

Преимущество углеродных сорбентов – сравнительно низкая стоимость. Недостаток их состоит в склонности к механическому разрушению, окисляемость. Угли плохо сорбируют полярные вещества. Гранулированные углеродные сорбенты имеют высокую стоимость. Низкая плотность и гидрофобность сильно осложняет укладку сорбента в слой, вследствие чего колонки с ними имеют низкое количество теоретических тарелок. В последние годы появились сорбенты, в которых сочетаются высокие сорбционные свойства, низкую стоимость, высокую плотность и способность сорбировать полярные вещества.

1.5. Электрохимические способы

В основе электрохимических методов очистки сточных вод лежит электролиз веществ, т. е. химические превращения с  использованием электрической энергии. Они возможны в  растворах электролитов, электропроводность которых обусловлена  присутствием ионов (заряженных частиц), способных передвигаться под воздействием электрического поля.

При пропускании постоянного тока через очищаемую  сточную воду, которая в большинстве случаев является раствором электролита той или иной концентрации, на аноде происходит уменьшение числа электронов и он имеет положительный  заряд, а на катоде создается избыток электронов,  обусловливающий отрицательный заряд. Отрицательные ноны (анионы) в  растворе притягиваются к аноду, а положительные ионы  (катионы)— к катоду. Анионы, отдавая аноду свои электроны, а катионы, отнимая у катода избыточные электроны, превращаются в нейтральные частицы. Этот процесс сопровождается  электрохимическими реакциями — взаимодействием ионов и электронов на границе раздела раствор—электрод.

Типичной электрохимической реакцией на катоде является катодное восстановление, т. е. процесс разрядки ионов  водорода с образованием газообразного водорода:

2H+ + 2e → H2

При катодном восстановлении ионов металлов происходит выделение твердой фазы:

Меz+ * хН2О + ze = [Me] + xН2О.

Эти процессы применяют при очистке сточных вод от ионов никеля, цинка, меди, кадмия и др.

Катодное восстановление может происходить и без  выделения самостоятельной фазы, как, например, переход  трехвалентного железа в двухвалентное. Катодное восстановление  органических соединений в сточных водах чаще всего также не  сопровождается выделением особой фазы, т. е. к нему прибегают главным образом для перевода их в нетоксичные или  малотоксичные соединения.

На аноде могут происходить процессы с образованием  продуктов окисления (газообразных и твердых), без выделения самостоятельной фазы и с растворением материала анода.  Наиболее характерными анодными процессами являются  окислительные процессы с выделением кислорода и хлора. На  нерастворимых анодах многие органические соединения могут быть полностью окислены с образованием воды, диоксида углерода (углекислого газа), азота аммиака и других газообразных  продуктов. Возможно и частичное анодное окисление органических соединений до безвредных продуктов. При использовании для анодов ряда металлов (алюминий, железо, цинк, медь и др.) происходит их растворение, т. е. переход их ионов в раствор.

Электродные электрохимические реакции восстановления и окисления тесно связаны друг с другом и не могут быть  осуществлены обособленно. На скорость электрохимической  реакции влияют состав сточных вод, их температура,  гидродинамические условия, материал электродов, наличие примесей,  отлагающихся па электроде, и другие причины [27].

Наиболее существенной закономерностью  электрохимических процессов является связь между количеством прошедшего через жидкость электричества и количеством вещества,  прореагировавшего на электроде. Она описывается законами Фарадея.

1.5.1. Электрохимическая коагуляция

При электрокоагуляции гидроокиси  металлов получают в  результате растворения анода и дальнейшего гидролиза  перешедших в раствор ионов металлов. Образующиеся при этом гидроокиси обладают повышенной активностью и сорбционной способностью, что обеспечивает эффективную коагуляцию  дисперсных примесей с участием продуктов электролиза.  Образовавшиеся хлопьевидные структуры флотируются на поверхность жидкости пузырьками образовавшегося при электролизе газа или выносятся из электрокоагуляционного аппарата потоком обрабатываемой сточной воды с последующим отстаиванием или фильтрованием.

Механизм электрокоагуляции последовательно включает в себя следующие операции: электрофоретическое  концентрирование, т. е. направленное движение заряженных частиц примесей и концентрирование их у поверхности электродов;  растворение электрода и образование гидроокисей металлов;  поляризационная коагуляция дисперсных частиц; упаковка  первичных агрегатов по мере накопления частиц гидроокисей и флокуляционная коагуляция; флотация образовавшихся агрегатов пузырьками газов.

Эффективность электрокоагуляции зависит от материала электродов,  анодной плотности тока, состава и скорости движения обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве.  Серьезной помехой электрокоагуляции является образование на электродах окисных  пленок — анодная пассивация.

Для очистки нефтесодержащих  сточных вод аноды изготовляются из  алюминия или железа. Расход  электроэнергии N для анодного растворения металла зависит от плотности и  расстояния между электродами. С  уменьшением расстояния расход  электроэнергии снижается. Обычно плотность тока принимают до 200—300 А/м2, расстояние между электродами 10—20 мм, скорость движения воды между электродами должна быть не менее 0,03—0,05 м/с. Теоретический расход электроэнергии при  рекомендуемом напряжении 3—12 В составляет, Вт * ч: при  растворении 1 г железа 2,9, при растворении 1 г алюминия 12.  Растворение в воде 1 г железа эквивалентно введению в сточную воду 3,58 г сернокислого железа, а растворение 1 г алюминия — 6,33 г сернокислого алюминия [28].

Электрокоагулянионная очистка воды производится в  электролизерах в основном с вертикальным расположением  электродов, выполняемых чаще всего в виде блока прямоугольных пластин толщиной 5—10 мм. Соединение электродов  осуществляется по монополярной схеме. Возможно  соединение их по биполярной и комбинированной схемам. При  отсутствии источников постоянного тока питание электролизеров осуществляется выпрямленным током, для чего в составе  установки предусматриваются выпускаемые промышленностью  выпрямители. С целью обеспечения безопасности работающего персонала па одну электролитическую ячейку не должно  подаваться напряжение более 36 В.

По характеру потоков воды в электролизерах они могут быть однопоточные, многопоточные и смешанные с горизонтальным или вертикальным направлением движения жидкости.  

Электрохимические методы, и в том числе  электрокоагуляция, имеют следующие преимущества: не требуют применения  реагентов, не увеличивают солесодержание воды, упрощают  технологические схемы очистки, улучшают условия эксплуатации, позволяют сравнительно просто решать вопросы автоматизации.

Наряду с этим электрокоагуляция не лишена и существенных недостатков. К их числу относятся сравнительно большая  потребность в электроэнергии, значительный расход листового  металла, образование на поверхности электродов окисных пленок, засорение пространства между электродами продуктами  электрокоагуляции. Образование  отложений на электродах в результате электрофоретического  концентрирования дисперсной фазы и  гидроокисей приводит к снижению  скорости и эффективности электрокоагуляции. Для уменьшения вредных последствий этого  явления предусматривают барботаж воздуха через межэлектродное пространство, устройство вращающихся щеток, вращающихся дисковых электродов и пр. Для борьбы с пассивацией  электродов осуществляется их переполюсовка, добавка в жидкость анионов, вытесняющих кислород из пассивирующих соединений и образующих растворимые в воде соединения, например Сl-.

1.5.2. Электрохимическая флотация

Электрохимические процессы  сопровождаются газовыделением: на катоде — водорода, на аноде — кислорода и хлора (при наличии в жидкости хлоридов).  Образующиеся пузырьки газов при взаимодействии с гидрофобными поверхностями загрязнений образуют флотоагрегаты, которые всплывают (флотируются) и концентрируются в поверхностном пенном слое. При электрокоагуляции флотационные процессы  являются часто побочным явлением, так как основное внимание здесь уделяется получению оптимального количества  гидроокисей металлов для коагуляции суспензий или эмульсий. В  чистом виде электрохимическая флотация (электрофлотация)  может быть осуществлена путем электролиза водных растворов с применением электрохимически нерастворимых анодов  (угольных, графитовых и др.).

По конструкции электрофлотационные аппараты  представляют собой электролизеры, в которых электроды горизонтально или вертикально располагаются над днищем, перекрывая его полностью. Это необходимо для распределения пузырьков  газов по всему поперечному сечению аппарата, в котором  очищаемая вода. Движется навстречу потоку пузырьков.  Недостатком такой конструкции является возможность отложения па электродах частиц дисперсных примесей воды, которые  увеличивают расход электроэнергии и вызывают необходимость  периодической очистки и даже замены электродов.  Распространенным материалом для катодов являются проволочные сетки из нержавеющей стали, располагаемые над анодами [29].

К достоинствам элетрофлотации относят малое время обработки (5-15 мин), простоту эксплуатации, малые площади, занимаемые оборудованием, высокую сочетаемость с другими методами, незначительный расход реагентов, высокую степень извлечения ионов металлов, достигающую 99% и более. Недостатки: аноды из дефицитного материала, большой расход электроэнергии.

1.5.3. Электролиз

Электролиз является эффективным методом извлечения тяжелых металлов, цветных, благородных и драгоценных металлов, в первую очередь Au, Ag, Ni, Zn, Cd из концентрированных растворов электролитов.

Электрохимическое окисление протекает на положительном катоде – аноде, которому ионы отдают электроны. Вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием более простых и нетоксичных веществ, которые можно удалять другими методами. В качестве анодов используют различные электрически нерастворимые вещества: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу. Катодное восстановление металлов происходит по схеме:

Меn+ + ne → Ме0

Катоды изготовляют из молибдена, сплава железа с вольфрамом, сплава вольфрама с никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами.

Эффективность процесса существенно зависит от массопереноса, концентрации ионов металлов, плотности тока. Под воздействием постоянного тока катионы двигаются к катоду ( - ), а анионы – к аноду ( + ). Используются объемно – пористые электроды из волокнистых углеграфитовых материалов, сквозь поры которых прокачивается обрабатываемый раствор. Высокоразвитая реакционо – активная поверхность катодов позволяет увеличить производительность электролиза по сравнению с аппаратами с плоскими и пластинчатыми катодами при равных габаритных размерах.

Основные достоинства метода: отсутствие шлама, незначительный расход реагентов, простота эксплуатации, малые площади, занимаемые оборудованием, возможность извлечения металлов из концентрированных стоков. К недостаткам можно отнести неэкономичность очистки разбавленных стоков и дефицитность анодного материала.

1.6. Мембранные методы

Исследование процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.

Мембраны. Процессы мембранного разделения зависят от свойств мембран, потоков в них и движущих сил. Для этих процессов также важен характер потоков к мембране со стороны разделяемых сред и отвода продуктов разделения с противоположной стороны.

Принципиальное отличие мембранного метода от традиционных приемов фильтрования - разделение продуктов в потоке, т.е. разделение без осаждения на фильтроматериале осадка, постепенно закупоривающего рабочую пористую поверхность фильтра.

Основные требования, предъявляемые к полупроницаемым мембранам, используемым в процессах мембранного разделения, следующие:

  •   высокая разделяющая способность (селективность);
  •   высокая удельная производительность (проницаемость);
  •   химическая стойкость к действию среды разделяемой системы;
  •   неизменность характеристик при эксплуатации;
  •   достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортировки и хранения мембран;
  •   низкая стоимость.

Для разделения или очистки некоторых нетермостойких продуктов применение мембранного метода является решающим, так как этот метод работает при температуре окружающей среды.

В то же время мембранный метод имеет недостаток - накопление разделяемых продуктов вблизи рабочей поверхности разделения. Это явление называют концентрационной поляризацией, которая уменьшает проникновение разделяемых компонентов в пограничный слой, проницаемость и селективность, а также сокращает сроки службы мембран.

Для борьбы с этим явление проводят турбулизацию слоя жидкости, прилегающего к поверхности мембраны, чтобы ускорить перенос растворенного вещества.

Для мембран используют разные материалы, а различие в технологии изготовления мембран позволяет получить отличные по структуре и конструкции мембраны, применяемые в процессах разделения различных видов.

Процессы, возникающие при разделении смесей, определяются свойствами мембран. Необходимо учитывать молекулярные взаимодействия между мембранами и разделяемыми потоками, физико-химическую природу которых определяет скорость переноса. Эти взаимодействия с материалом мембран отличают мембранный метод от микроскопических процессов обычного фильтрования.

Мембранные методы отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими процессы разделения, а также областями их применения.

Существуют мембранные методы шести типов:

  1.  микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления;
  2.  ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси;
  3.  обратный осмос - процесс мембранного  разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;
  4.  диализ - процесс мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящий при наличии градиента концентрации;
  5.  электродиализ - процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического поля в виде градиента электрического потенциала;
  6.  разделение газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.

В ряду технологических приемов, используемых для разделения смесей по размерам частиц, мембранным методам уделяют большое значение. Выбор процесса для применения в заданной области разделения смесей зависит от различных факторов: характера разделяемых веществ, требуемой степени разделения, производительности процесса и его экономической оценки.

Промышленное использование процессов мембранного разделения требует надежного, стандартного и технологического оборудования. Для этой цели в настоящее время применяют мембранные модули, которые компактны, надежны и экономичны. Выбор конструкции модуля зависит от вида процесса разделения и условий эксплуатации в промышленных установках.

1.6.1. Микрофильтрация

Микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления. Размер разделяемых частиц от 0,1 до 10 мкм. Микрофильтрация - переходный процесс от обычного фильтрования к мембранным методам.

Для микрофильтрации используют мембраны с симметричной микропористой структурой. Размеры пор от 0,1 до 10 мкм. Мелкие частицы растворенного вещества и растворитель проходят через мембрану, а концентрация задерживаемых частиц возрастает. Поток раствора вдоль разделительной мембраны позволяет удалять концентрированный слой, примеси твердых частиц и других образований, от которых была необходимость освободить раствор и растворитель. Прошедший через мембрану растворитель выносит микровключения, которые направляют на технологические линии для разделения в следующих циклах.

Широко мембранный метод микрофильтрации используют при разделении суспензий, эмульсий и очистке загрязненных механическими примесями промышленных сточных вод, а также при получении стерильных растворов.

Применяемые для микрофильтрации мембраны имеют пористую структуру и действуют как глубокие фильтры. Удерживаемые частицы осаждаются внутри мембранной структуры. Концентрационная поляризация при микрофильтрации относится к учитываемому явлению. Для удаления осаждающихся частиц с поверхности микрофильтрационной мембраны используют приемы специального воздействия: поперечный поток, обратная промывка, ультразвуковая вибрация.

Долговечность мембран зависит от химической стойкости материала, из которого они сделаны.

Микрофильтрацию осуществляют в аппаратах плоскорамного типа. При промышленном использовании микрофильтрации обычно применяют горизонтальные пластинчатые системы или патронные фильтры; наиболее распространены рамные фильтр-прессы. В качестве патронных фильтров применяют гофрированный мембранный патрон, расположенный в корпусе, рассчитанном на работу под давлением. Исходный раствор поступает в фильтр со стороны корпуса, продукт собирается в центральной трубе, которая уплотнена с корпусом прокладкой. При постоянном гидростатическом давлении производительность фильтра постепенно уменьшается до значения, при котором дальнейшая эксплуатация становится неэкономичной и фильтр заменяют.

1.6.2. Ультрафильтрация

При ультрафильтрации происходят разделение, фракционирование и концентрирование растворов. Один из растворов обогащается растворенным веществом, а другой обедняется. Мембраны пропускают растворитель и определенные фракции молекулярных соединений. Движущая сила ультрафильтрации - разность давления по обе стороны мембраны. Эта сила затрачивается на преодоление сил трения и взаимодействия между молекулами жидкой фазы и полимерными молекулами мембраны. Обычно процесс ультрафильтрации проводят при сравнительно низких рабочих давлениях 0,3 - 1 МПа. Увеличение давления выше указанного приводит к уплотнению мембраны, уменьшению диаметра пор, изменению селективности разделения и, как правило, к снижению производительности.

Ультрафильтрации обычно подвергаются вещества, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Эффективность разделения зависит от структуры мембран, скорости течения и концентрации разделяемого раствора, формы, размера и диффузионной способности растворенных молекул.

Недостаток процесса - сильная концентрационная поляризация, т.е. на поверхности мембраны может образовываться плотный осадок - слой геля. Гидравлическое сопротивление этого слоя в ряде случаев может быть выше, чем сопротивление самой мембраны. Способы снижения концентрационной поляризации различны: увеличение скорости омывания поверхности мембраны потоком разделяемой жидкости, работа в пульсирующем режиме подачи раствора, турбулизация потока. Точка гелеобразования зависит от его химических и физических свойств.

Ультрафильтрация - новая технология. Результат разделения - два раствора, один из которых является обогащенным, а другой - обедненным растворенным веществом, содержащимся в исходном, подлежащем разделению веществе. Большое значение имеет использование этого процесса при разделении веществ, чувствительных к температурному режиму, так как при ультрафильтрации растворы не нагреваются и не подвергаются химическому воздействию. Отсюда очень низкие энергетические затраты, примерно в 20 - 60 раз ниже, чем при дистилляции.

Из всех видов мембранного разделения ультрафильтрация нашла наиболее разнообразное применение. Важное промышленное применение ультрафильтрации - разделение эмульсии масла и воды.

Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и отделение чистого фильтрата от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно расширяется. Причина - возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.

Стойкость материала, из которого изготовлены мембраны, определяет их долговечность и работоспособность.

Мембраны на основе производных целлюлозы неустойчивы к действию кислот и щелочей. Ацетатные мембраны наиболее устойчивы в области pH=4,5-5; при pH=6 срок службы этих мембран сокращается почти вдвое, а при pH=10 составляет всего несколько дней. Ацетатные мембраны неустойчивы к действию органических растворителей и активных веществ, так как они образуют сольваты с ацетатами целлюлозы, вызывая их набухание.

На селективность мембран, кроме соотношения размеров молекул, частиц и размеров пор, влияет обменное взаимодействие между растворенным веществом и веществом мембраны. Ультрафильтрация позволяет производить очистку сточных вод от примесей нефтепродуктов, когда гидрофобные молекулы углеводородов задерживаются гидрофильными полярными ацетатцеллюлозными мембранами (АЦМ) с размерами пор, превышающими размеры молекул задерживаемых веществ.

Эксплуатационные характеристики мембран во многом зависят от гидродинамических условий у поверхности мембраны. Характеристики мембран могут изменяться и при длительном хранении.

В мембранном аппарате размещают мембранные модули, включающие в себя один или несколько соединенных мембранных элементов.

По способу укладки мембран модули для разделения методами ультрафильтрации и обратного осмоса подразделяют на четыре основных типа: плоскорамные типа фильтр-пресс, трубчатые, рулонные, капиллярные (в виде полых волокон).

Конструкции мембранных модулей различаются между собой распределением исходного потока, рабочим давлением, капитальными и эксплуатационными расходами.

К недостаткам трубчатых систем можно отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные расходы. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами применяют для процесса ультрафильтрации.

Рулонный модуль представляет собой систему плоских рам и плит, свернутых в виде спирали. Аппараты рулонного типа широко применяют в технике разделения и концентрации растворов.

Высокоэффективно использование ультрафильтрационных аппаратов для очистки и обесцвечивания высокоцветных маломутных природных вод от растворенных органических веществ и микроорганизмов.

Процессы ультрафильтрации хорошо сочетаются с различными методами разделения и концентрирования жидких сред: обратный осмос, диализ, электродиализ и др. При этом создаются высокоэффективные технологические цепи с замкнутым водоснабжением и возвратом в производство ценных продуктов в концентрированном виде.

Технико-экономические показатели мембранных методов разделения характеризуют процесс ультрафильтрации как малоэнергоемкий с рядом преимуществ по сравнению с другими методами.

1.6.3. Обратный осмос

Осмотическое давление, возникающее при диффузионном процессе самопроизвольного перехода растворителя через разделительную полупроницаемую мембрану в область более концентрированного раствора, называют осмосом. Обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов путем преимущественного проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление. Осмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.

Обратный осмос используют для разделения растворов без фазовых превращений. Растворитель диффундирует через мембрану, а растворенное вещество задерживается. Как и при ультрафильтрации, при обратном осмосе не требуется повышения температуры и химического воздействия.

Процесс обратного осмоса отличается от ультрафильтрации областью применения и аппаратами. Недостатки метода обратного осмоса - процессы концентрационной поляризации и повышенное требование к уплотняющим устройствам аппаратов. Для удаления концентрационного слоя используют различные устройства, турбулизирующие поток ближней зоны раствора у мембраны. При обратном осмосе размер молекул отделяемого растворителя соизмерим с размером молекул вещества в растворе (при ультрафильтрации различие было значительным) [30].

Существенным преимуществом обратного осмоса перед всеми другими методами очистки сточных вод является одновременная очистка от неорганических и органических примесей, что особенно важно в системах оборотного водоснабжения. Обеспечивается возможность получения наиболее чистой воды, так как мембраны могут задерживать практически все растворенные вещества и взвеси минерального  и органического характера, в том числе вирусов, бактерий, микробов и т.д. Такую очистку воды в настоящее время широко применяют при водоподготовке для промышленных целей.

Характерные требования, предъявляемые к обратимосмотическим мембранам - высокие проницаемости и селективность, а также способность противостоять значительной разности давления по обеим сторонам мембраны.

Помимо уплотняющихся мембран из различных полимеров используют мембраны с жесткой структурой, полученные плазменной полимеризацией. Их способность - стабильное увеличение селективности и проницаемости в течение длительного времени (первые 6-8 сут), отличные характеристики при сравнительно высокой концентрации исходного раствора. К мембранам с жесткой структурой относятся металлические, из пористого стекла, динамические и др. Большое развитие получают динамические мембраны.

На установках обратного осмоса применяют фильтрацию исходной воды от твердых частиц и загрязнений. Количества концентрата составляет обычно 25-50% от количества поступающего раствора.

1.7. Очистка нефтесодержащих сточных вод

В настоящее время существуют две основные проблемы: сбор нефтепродуктов и очистка воды при разливе их на водной акватории; очистка сточных вод промышленных предприятий.

«Мировой рекорд» по загрязнению океана нефтью, зафиксированный Книгой рекордов Гиннеса, принадлежит Мексике: в результате аварии в Мексиканском заливе в июле – августе 1979 года в воду вылилось 535 тысяч тонн нефти, диаметр нефтяного пятна достиг 640 км, ликвидация аварии стоила 131,6 млн. долларов.

Систематически происходят аварийные разливы нефти в России, потери нефти и нефтепродуктов за счет аварийных ситуаций достигают более 5 млн. тонн.

При ликвидации разлива нефти следует выделить две главные задачи: быстрая ликвидация разлива за счет максимального ограничения распространения нефти на водной поверхности (боны, пожарные катера, направляющие водные струи в нужном направлении); сбор разлитой нефти с последующей ликвидацией радужной пленки (нефтесборщики -  центробежные, всасывающие, пороговые и другие нефтеловушки).

Сбор нефти с поверхности воды можно осуществлять с помощью химических методов, которые предполагают использование ПАВ – диспергентов, обладающих эмульгирующими свойствами, а также использование сорбентов, так как все механические устройства становятся неэффективными при толщине пленки нефти менее 1 мм.

Окончательную очистку водной поверхности от оставшихся радужных пленок целесообразно осуществлять микробиологическими способами, с использованием специальных микроорганизмов, обладающих высоко выраженной окислительной активностью.

Очевидно, что очистка нефтесодержащих стоков является достаточно сложной проблемой, требует применения комбинированных технологий, включающих механические, физико-химические и биохимические методы очистки.

Приведены способы очистки промышленных нефтесодержащих стоков (табл. 1.7.1.)

1.8. Биологические методы

Сточные воды, прошедшие механическую и физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.

Таблица 1.7.1.

Классификация способов очистки нефтесодержащих вод и достигаемая эффективность

Способ очистки

Допустимая начальная концентрация нефтепродуктов в стоках

Достигаемая глубина очистки, мг/л

Примечание

1.Механический                (отстаивание)

>1000

40 – 1000

Не очищает от эмульгированных продуктов

2. Физико-химический

- флотация

200

20 – 50

Степень очистки зависит от условий флотации

- коалесценция

100

10 – 15

Частично очищает от эмульгированных примесей

- адсорбция

100

1 – 3

Очищает от эмульгированных нефтепродуктов (после предварительной очистки)

- химический

50

1 – 10

Применяется в сочетании с фильтрацией и отстаиванием

3. Биохимический (с помощью аэробных микроорганизмов)

100

1 - 100

Обязательное предварительное отстаивание, очищает от эмульгированных нефтепродуктов

Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический метод. Он основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в  сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности [31].

Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления - H2O, CO2, NO3-, SO42- и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.

Использование биологического метода обусловлено его достоинствами: возможностью удалять из сточных вод разнообразные загрязняющие вещества; простотой аппаратурного оформления; относительно невысокими эксплуатационными расходами. К недостаткам метода следует отнести большие капитальные затраты очистки, токсическое действие на микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений, необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.

Процесс изъятия и потребления микроорганизмами органических примесей сточных вод происходит в основном из трех стадий:

  •    массопереноса органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;
  •    диффузии вещества и кислорода через полунепроницаемую мембрану клетки
  •    метаболизма диффундированных веществ, сопровождающегося приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д. Процессы переноса и сорбции органических веществ микроорганизмами существенного значения в механизме биологической очистки сточных вод не имеют. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки.

В результате этих превращений формируются биоценозы микроорганизмов, состав которых зависит от характера примесей сточных вод, исходного посевного материала и условий проведения процесса очистки сточных вод [32].

Биоценозом аэротенков является активный ил. Активный ил – это амфотерный коллоид, имеющий в интервале значений рН = 4-9 отрицательный заряд. Поверхность колоний бактерий, образующих хлопья активного ила, достигает 100 м2 на 1 г сухого ила.

Элементный химический состав активных илов достаточно близок и для городских сточных вод имеет формулу – С54Н212О82N8S7. Сухое вещество активного ила содержит 7090 % органических и 1030 % неорганических веществ. Кроме живых организмов, в иле содержится субстрат - различные твердые остатки, к которым крепятся микроорганизмы. По внешнему виду активный ил представляет собой комочки и хлопья размером 3150 мкм с высокой удельной поверхностью ила.

Биоценоз активного ила представлен в основном 12 видами микроорганизмов и простейших. Биоценоз активных илов состоит из бактерий, простейших, плесневых грибов, дрожжей, актиномицет, личинок насекомых, рачков, водорослей и др. Основное разрушение органических загрязнений в стоках осуществляется бактериями. В 1 м3 ила содержится 2-1014 бактерий. В активном иле они находятся в виде скоплений, окруженных слизистым слоем (зооглеи). Бактерии представлены такими типами, как псевдомонас, бациллус, нитробактер, нитросомонас и др. В активных илах встречаются четыре вида простейших: саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории, которые поглощают большое количество бактерий, поддерживая их оптимальное количество (одна инфузория в среднем поглощает от 20 до 40 тысяч бактерий). Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод во вторичных отстойниках. Находящиеся на следующем трофическом уровне коловратки питаются бактериями и простейшими. Состав биоценоза ила зависит от наличия и концентрации в сточной воде разнообразных органических веществ. Только основная группа бактерий (8090%) участвует в процессе очистки сточных вод, остальное содержание ила составляют сопутствующие группы микробов. При высоком содержании органики в сточной воде преобладают гетеротрофные бактерии, при снижении питательных веществ увеличивается количество хищных простейших.

Состояние активного ила характеризует иловый индекс, который зависит от способности ила к осаждению. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие.

Биоценозом биологических фильтров является биопленка. Биопленка растет на наполнителе биофильтра и имеет вид слизистых образований толщиной 12 мм. Видовой состав биопленки более разнообразен, чем активного ила. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей, личинок насекомых, червей, клещей и других организмов. В 1 м3 биопленки содержится 1012 бактерий.

В последние годы заметно возрос интерес к биофильтрам.  

Биофильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары, заполненные фильтрующим материалом, который укладывается на дырчатое днище и орошается сточными водами. Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и др. Очистка сточных вод в биофильтрах происходит под воздействием микроорганизмов, заселяющих поверхность загрузки и образующих биологическую пленку. При контакте сточной жидкости с этой пленкой микроорганизмы извлекают из воды органические вещества, в результате чего сточная вода очищается.

Биологические фильтры для очистки производственных сточных вод  применяют как основные сооружения при одноступенчатой схеме очистки или в качестве сооружений первой или второй ступени при двухступенчатой схеме биологической очистки. Биологические фильтры  проектируют в виде резервуаров со сплошными стенками и двойным дном: нижним - сплошным, а верхним - решетчатым (колосниковая решетка) для поддержания загрузки [33].

Капельные биофильтры  устраивают с естественной аэрацией, высоконагружаемые - как с естественной, так и с искусственной аэрацией (аэрофильтры). Естественную аэрацию биофильтров  предусматривают через окна, располагаемые равномерно по их периметру в пределах междудонного пространства и оборудуемые устройствами, позволяющими закрывать их наглухо. Площадь окон  составляет 1-5 % площади биофильтра. В аэрофильтрах  предусматривают подачу воздуха в междудонное пространство вентиляторами с давлением у ввода 980 Па (100мм вод.ст.).

На отводных трубопроводах аэрофильтров  предусматривают устройство гидравлических затворов высотой 200 мм.

В качестве загрузочного материала для биофильтров  применяют щебень или гальку прочных горных пород, керамзит, а также пластмассы, способные выдержать температуру от 6 до 30°С без потери прочности.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары длиной 30-100 м и более, шириной 3-10 м и глубиной 3-5 м. Очистка сточных вод в аэротенках происходит под воздействием скоплений микроорганизмов (активного ила). Для нормальной их жизнедеятельности в аэротенки подают воздух и питательные вещества.

Эффективность процесса очистки в аэротенках, качественное состояние и окислительная способность активного ила определяются условиями, к которым относятся: состав и свойства сточных вод, гидродинамические условия перемешивания, соотношение количества поданных загрязнений и жизнеспособного ила, кислородный режим сооружения, температура, активная реакция среды, наличие элементов питания, присутствие активаторов или ингибиторов процесса и др.

Диспергирование воздуха в воде проводят с помощью механических и пневматических аэраторов. Пневматические аэраторы подразделяются в зависимости от размера аэрируемых пузырьков: мелкопузырчатые, среднепузырчатые и крупнопузырчатые.

При механической и пневматической системах аэрации происходит перемешивание иловой смеси и воздуха с помощью механических устройств. Механические аэраторы подразделяются на аэраторы малого и глубокого погружения. Аэраторы малого погружения насыщают воздухом поверхностный слой воды и затем насыщенную кислородом воду перемешивают за счет своей энергетической мощности. Аэраторы глубокого погружения перемешивают придонные слои воды с воздухом. Дальнейшее перемешивание всего объема воды происходит без энергии аэратора.

Преимущества механических аэраторов - высокая эффективность и экономичность, а также отсутствие необходимости в строительстве воздуходувных станций и коммуникаций.

Для биологической очистки небольших количеств смеси сточных вод, в которой преобладают бытовые сточные воды, могут применяться аэротенки-отстойники, конструктивно обеспечивающие объединение двух технологических процессов очистки.

Биологический метод характеризуется следующими преимуществами: непрерывность процесса, значительное сокращение количества образующегося осадка по сравнению с реагентными способами, снижение эксплуатационных затрат по сравнению с химическими и физико – химическими способами.

Биохимическая очистка сточных вод применяется обычно в сочетании с механической и физико – механической очисткой, обычно на последней стадии.

Выводы:

Анализируя современное состояние методов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, следует отметить, что на большинстве предприятий в технологических схемах очистки предусматривается обработка стоков реагентами. Однако при реагентной очистке сточных вод образуется значительное количество осадков и увеличивается общее солесодержание, что затрудняет внедрение водооборота и приводит к необходимости поиска и разработки способов очистки, позволяющих с небольшими затратами достигать необходимого эффекта. Наиболее перспективными могут быть комбинированные способы очистки, обеспечивающие извлечение основной массы загрязняющих веществ.

Наиболее прогрессивные – электрохимические способы. Они позволяют корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, концентрировать и извлекать ценные химические продукты и металлы, значительно упростить технологические схемы. Во многих случаях электрохимические способы являются экологически чистыми, исключающими вторичное загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных способов. Высокой степенью очистки характеризуются такие способы, как сорбционные, флотационные и биологические.

Наиболее эффективными являются комбинированные способы очистки, которые обеспечивают извлечение основной массы загрязняющих веществ.

2. Оценка качества сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»

2.1. Общие сведения о предприятии

Завод «Электрокабель» как предприятие металлообработки имеет богатую историю.

История завода «Электрокабель» уходит корнями в далекий 19 век и связана с фамилией русского купца и промышленника Александра Григорьевича Кольчугина – основателя Товарищества латунного и меднопрокатного заводов. Официальной датой возникновения Кольчугинских заводов принято считать 6 мая 1871 года. Именно тогда московский купец первой гильдии А.Г. Кольчугин покупает у помещицы села Васильевского Митьковой участок земли с бумажной фабрикой купца П.П. Соловьева.

К 90-м годам позапрошлого столетия Кольчугинский завод уже был наиболее крупным предприятием по выпуску проволоки из меди и ее сплавов. В 1913 году завод занимал 2 место в стране после «Соединенных кабельных заводов» в Петербурге, выпуская уже 4892 тонны продукции.

Приказом Народного Комиссара цветной металлургии СССР и Народного комиссара электростанций и электропромышленности № 169/163 от 21/25 апреля 1939 года из состава Кольчугинского завода им. С.Орджоникидзе Наркомцветметалла были выделены кабельный цех, корпус красной меди проволочного цеха, металлоткацкий цех и чугунно-литейная мастерская, на базе которых и был организован Кольчугинский кабельный завод «Электрокабель». Именно с апреля 1939 года он существует как самостоятельное предприятие.

В 1940 году выпуск завода возрос по сравнению с 1939 годом на 25,8 процентов. Но реализовать планы по наращиванию производства помешала война. В октябре 1941 года правительство приняло постановление об эвакуации завода. В Ташкент, Уфу, Краснокамск направлялось оборудование и рабочие во главе с директором и начальниками цехов.

Восстанавливали завод буквально по крупицам. Часть оборудования поступило в ходе эвакуации завода «Севкабель» (г. Ленинград), прибывали машины из США, трофейное оборудование из Австрии и Германии. Возвращались специалисты, возрождался завод. Довоенный выпуск в валовом выражении был достигнут уже в 1950 году.

Всего за 50-е годы было введено в эксплуатацию 21500 кв. метров новых производственных и складских помещений: здание для постоянной котельной на три паровых котла, трехэтажный склад материалов, а также двухэтажное здание для поликлиники завода и т. д. Кроме того, благоустраивались цеха и территория, заводоуправление переехало в новое трехэтажное здание, открылся клуб со зрительным залом на 350 мест, вошла в строй оранжерея [34].

В 60-е годы процесс технического перевооружения и усовершенствования продолжался. Автоматизация прокатного стана в цехе №1 позволила повысить его производительность до 1600-1700 слитков в смену. Введение в эксплуатацию агрегатов непрерывной вулканизации резко сократило цикл производства.

Новое оборудование позволяло налаживать выпуск новых марок кабелей и проводов. Началось освоение производства силовых и контрольных кабелей с пластмассовыми оболочками. Шел поиск путей усовершенствования технологии изготовления продукции с резиновой изоляцией. К оконцу 60-х выпуск силовых кабелей возрос в 2, а шланговых - в 1,5 раза.

К концу 70-х годов предприятие в основном специализировалось на выпуске силовых, телефонных и шланговых кабелей повышенной надежности. Появились новые, полуавтоматические и комплексно-механизированные, линии фирм «Нокиа» (Финляндия) и «Скет» (ГДР). Применялись совмещенное волочение, отжиг, изолирование и испытание жил телефонных кабелей; совмещенное изолирование, ошлангование и вулканизация проводов с резиновой изоляцией; совмещенное волочение и отжиг проволоки. В 1974 году на заводе начал функционировать информационно-вычислительный центры.

Новое время требовало новых форм хозяйствования. До 1991 года «Электрокабель» был государственным предприятием, но с января 1984 года завод начал экспериментировать в области планирования и повышения ответственности каждого за результаты труда.

В 1992 году предприятие преобразовалось в товарищество с ограниченной ответственностью, учредителями которого выступили члены трудового коллектива. 1 июля 1993 года ТОО «Завод «Электрокабель» выкупило основные и оборотные средства, а еще через год - землю, став одним из первых десяти отечественных промышленных предприятий — земельных собственников [35].

В 1998 году руководство завода приняло решение о реорганизации в производственный кооператив.

С июня 2002 года, полностью реализовав достоинства производственного кооператива как организационно-правовой формы и поставив во главу угла своего развития техническое перевооружение предприятия, «Электрокабель» функционирует как открытое акционерное общество.

Участники информационно-консультативного семинара для директоров предприятий кабельной промышленности отметили, что по темпам технического перевооружения с заводом не может сравниться ни одно другое предприятие кабельной отрасли России.

Основным предметом деятельности ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод» традиционно является производство и реализация кабельных изделий. Ассортимент выпускаемой продукции широчайший: это кабели силовые и контрольные, кабели для атомных станций, судовые, для подвижного состава, кабели и провода связи, провода автомобильные, металлическая сетка и др. «Электрокабель» стал третьим во Владимирской области сертифицированным по системе качества серии ИСО-9002 предприятием, внесенным в специальный регистр, что гарантирует потенциальным партнерам по бизнесу высокий уровень функциональной организации предприятия и качества продукции.

По итогам последних лет «Электрокабель» сохраняет лидирующее положение в кабельной отрасли промышленности, в Ассоциацию которой входят 53 кабельных завода России и СНГ.

Продукция предприятия пользуется неизменным спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Потребителями кабельных изделий завода, высокое качество которых по праву гарантировано более чем вековым опытом работы, являются юридические и физические лица в России, странах СНГ и Европы.

С 1997 года завод является полным членом Международной Федерации Производителей Кабеля " ICF со штаб-квартирой в Вене и ежегодно участвует в Конгрессах данной организации. Россию в ней, кроме нашего предприятия представляют такие заводы, как «Камкабель» (Пермь), «Самарская Кабельная Компания» (Самара), «Севкабель» (Санкт-Петербург) и ВНИИКП (Москва).

В течение последних трех лет, по ежегодному рейтингу журнала «Эксперт», завод в числе 200 крупнейших предприятий России по объему производства и реализации продукции, а по оценке Российского Союза промышленников и предпринимателей и Торгово-промышленной палаты РФ -  в группе номинантов «Лучшие предприятия России».

Генеральный директор Валерий Павлович Ситько, по независимому рейтингу Ассоциации менеджеров России и Издательского дома «Коммерсантъ», в 2001 году вошел в тысячу самых профессиональных менеджеров России (с 2006 года генеральным директором был выбран Донец Юрий Валентинович).

Предприятие реализует различные социальные программы, является учредителем нескольких социальных фондов:

- фонда «Ветеран», который занимается вопросами оказания материальной и моральной помощи бывшим работникам завода, ныне пенсионерам;

- фонда «Эстафета поколений» созданного для обеспечения связи завода с подрастающим поколением;

- фонда «Содействие» для оказания благотворительной помощи общественным, религиозным организациям, медицинским центрам;

- именем основателя города назван Социальный фонд «Наследие купца А. Г. Кольчугина», который в 2001 году выступил инициатором отмечать в День города труд лучших руководителей округа Кольчугино общественной премией, выпустил книгу о жизни и деятельности купца А. Г. Кольчугина.

За достижения в организации социальной работы предприятие «Электрокабель» последние три года награждается Почетной грамотой Правительства России как организация высокой социальной эффективности.

Предприятие размещается в промышленной зоне г. Кольчугино на одной территории с предприятиями ОАО «Кольчугцветмет» и ППЖТ.

Юридический адрес: 601785 Владимирская область, г. Кольчугино, ул. Карла Маркса, дом 3.

Общая площадь промышленной зоны предприятия составляет 293 001 м2, в том числе 104 ООО м2 производственной застройки.

В трёх километрах от основной промышленной зоны расположена территория №2. Территория этого объекта используется под складирование некоторых видов сырья и готовой продукции. Площадь территории 94 401 м2.

Вне территории предприятия располагаются: заводоуправление, хозяйственно-бытовой комплекс и некоторые учреждения бытового обслуживания, являющиеся собственностью предприятия.

Состав предприятия

Площадка №1:

• цех волочильный №1;

• цех шланговых кабелей и проводов №2;

• цех телефонных кабелей №4;

• цех силовых и телефонных кабелей, установочных проводов и шнуров №5;

• цех вторичных материалов № 16;

• цех металлосеток №20;

• цех транспортно-хозяйственный №8, в состав которого входят гараж, аккумуляторная, бензозаправка с подземным расположением ёмкостей и локальными очистными сооружениями, склад ГСМ;

• цех ремонтно-механический №9;

• цех электроэнергетики № 10;

• цех ремонтно-строительный № 11;

• цех лесотарный № 12;

• цех паросиловой № 14;

• цех по сборке тары № 64;

• цех общественного питания №50;

• склад готовых изделий (СГИ);

• база технического снабжения (БТС);

• центральная заводская лаборатория (ЦЗЛ);

• центральная лаборатория измерительной техники (ЦЛИТ);

• склады материально-технического снабжения;

Площадка №2:

• БТС;

• СГИ;

Производство кабелей и проводов осуществляется в цехах №1, 2, 4, 5, а металлических сеток — в цехе №20.

Приведены основные виды сырья и материалов, применяемых в производстве (табл. 2.1.1.) [36].

Таблица 2.1.1.

Применяемое сырье и материалы

Наименование

Стандарт

Катанка алюминиевая

ГОСТ 20976-75

Проволока латунная

ГОСТ 1016-90

Проволока бронзовая

ГОСТ 50 17-74

Катанка медная

ТУ 16.К 11-42-92

Проволока никелевая

ТУ 48-21-199-72

Свинец

ГОСТ 3778-77

Полиэтилен

ГОСТ 16336-77

Пластикат поливинилхлоридный

ГОСТ 5960-72

Бумага кабельная

ГОСТ 23436-83

Мел

ГОСТ 12085-88

Технический углерод

ГОСТ 7885-86

Тальк

ГОСТ 13145-67

Каолин

ГОСТ 2 1288-75

Каучук

ГОСТ 23492-83

2.2. Схема образования сточных вод

Основная промплощадка расположена в пойме реки Пекша, и впадающей в нее речки Беленькой (прил. 1). Русло речки Беленькой пересекает промплощадку в направлении с юго-запада на северо-восток и в настоящее время укрыто в железобетонном коллекторе. Река Пекша протекает вдоль северной части периметра промплощадки в восточном направлении, промплощадка имеет уклон в направлении к руслам рек с перепадом высот 10-15 метров.

Водоснабжение предприятия осуществляется из следующих источников: собственных артскважин, горводопровода, водопровода технической и артезианской воды АО «Кольчугцветмет», водопровода артезианской воды МУП Кольчугтеплоэнерго.

Контроль качества артезианской воды осуществляется ЦСЕН г. Кольчугино.

На территории предприятия расположены 3 скважины (1 в резерве) производительностью от 36 до 58,2 куб. м/час.

Вода используется для хозяйственно-питьевых и производственных целей.

На заводе имеются три вида систем канализации:

1.хозяйственно-бытовая;

2.кислотная;

3.производственная.

Хозяйственно-бытовая канализация принимает бытовые сточные воды, а также производственные сточные воды от охлаждения оборудования слесарного цеха, транспортного цеха, цеха по произведству сеток, ЦЗЛ, и транспортирует их на очистные сооружения биологической очистки МУП «Коммунальник» [37].

Кислотная канализация принимает кислые стоки после промывки катанки в травильном отделе цеха №1, стоки после промывки изделий хромировочного отдела цеха №9 и транспортирует их на станцию нейтрализации ОАО «Кольчугцветмет».

Аварийный сброс с водооборотной системы цеха №5 по проекту канализован на очистные сооружения МОСС ОАО «Кольчугцветмет».

Промышленные стоки после охлаждения оборудования и изделий цехов 2,5,14 сбрасываются без очистки по трем выпускам в речку Беленькую, водоем рыбохозяйственного значения II категории.

Выпуск №1: промышленные стоки от цеха №5.

Выпуск №2: промышленные стоки от цехов №2,14.

Выпуск №3: промышленные стоки после карт ГЗУ.

Режим работы основного производства - 365 дней в году.

Для контроля качества сбрасываемых в водоём сточных вод на заводе организована и функционирует санитарно-промышленная лаборатория.

Контроль за сбрасываемыми сточными водами, а также мониторинг поверхностного водного объекта — реки Беленькой, осуществляются согласно графика отбора проб и производства анализов, где определены место отбора проб, периодичность отбора.

Достоверность анализов контролируется лабораторией ЦСЭН и Владимирским филиалом ФГУ СИАК путём отбора параллельных проб и их анализа.

Выпуск №1: производственная канализация цеха №5

Количество сточных вод - 12,9 тыс. м3/год

Объем стоков определяется согласно фактического объема водоотведения.

Характеристика производственных сточных вод от цеха

В цехе производятся кабели, провода, шнуры с медной, алюминиевой жилой, с ПВХ изоляцией, в свинцовой, ПВХ оболочке различных модификаций.

Вода используется для:

а)   охлаждение оборудования на технологических операциях: - подача пластиката вакуум-насосами;

б) охлаждение оборудования и продукции на технологических операциях:

- наложение поливинилхлоридной изоляции на прессах: ЧМПК, ME, ЕНС, «TROESTER», ТЭЛ-62, RF-NA, «ROSENDAL» и т.д.;

- наложение свинцовой оболочки на свинцовом прессе;

- увлажнение бумаги на установке «Туман»;

в) водные испытания готовой продукции.

На большинстве операций используется вода из системы оборотного водоснабжения. Для подпитки оборотной системы на безвозвратное потребление (испарение и унос ветром с градирен) используется техническая вода из реки Пекша.

Для увлажнения бумаги на установке «Туман», для создания температурного режима при охлаждении изделий кабельной продукции на прессах MB—1—60, ЕВ-633, CIIE-60R используется артезианская вода.

В процессе производства вода загрязняется различными веществами: взвешенными веществами, металлами (медь, цинк, железо, алюминий, свинец), нефтепродуктами, хлоридами и т.д.

При многократном использовании воды, концентрации загрязняющих веществ в оборотной воде увеличиваются.

Загрязненные сточные воды от свинцового пресса и испытательной станции, прессов сбрасываются в речку Беленькую без очистки.

Качественный состав сбрасываемых стоков за  год представлен в таблице 2.2.1.

Выпуск №2: производственная канализация цехов №2 и 14

Общий объем сбрасываемых сточных вод — 91,0 тыс. куб. м/год.

Объем стоков определяется согласно фактического объема водоотведения.

Таблица 2.2.1.

Качественный состав сбрасываемых стоков (Выпуск №1)

Наименование

ингредиента

Концентрация, мг/л

ВСС,

мг/л

min

max

средн.

Взвешенные в-ва

3

38

21,50

21,16

Азот аммонийный

0,44

1,2

0,77

0,76

Азот нитритов

0

0,07

0,04

0,04

Азот нитратов

0,33

1,5

0,82

0,81

Сухой остаток

306

491

399,83

487

Хлориды

14,3

39,9

23,78

24

Нефтепродукты

0,4

1,8

1,08

0,5

БПК 5

6,4

9,32

7,82

7,83

СПАВ А

0,05

0,16

0,10

0,10

Фосфаты (по Р)

0,03

0,15

0,09

0,09

Железо

0,25

0,87

0,49

0,46

Сульфаты

43

88,8

63,81

89,1

Медь

0,047

0,245

0,12

0,8

Цинк

0,157

0,353

0,25

0,2

Алюминий

0,03

0,17

0,09

0,09

Никель

0

0,06

0,03

0,04

СПАВ Н

0

0,63

0,3175

0,31

Свинец

0,062

0,192

0,177

0,12

ХПК

8,5

33,8

18,158

-

Характеристика производственных сточных вод цеха №2

В цехе производятся шланговые кабели и провода с медной, алюминиевой жилой, с резиновой, пластмассовой изоляцией в резиновой оболочке различной модификации.

Вода используется для:

а) охлаждение оборудования на технологических опрециях:

-  приготовление резиновой смеси в резиносмесителе;

-  смешение и разогрев резиновой смеси на вальцах;

-  стрейнирование резиновой смеси на фильтр-прессе;

-  каландрование резиновой смеси на каландре;

б) охлаждение оборудования и продукции на технологических операциях:

-  охлаждение маточных смесей и резины в охлаждающих ваннах;

-  наложение резиновой изоляции и оболочки на прессах непрерывной вулканизации;

-  наложение ПВХ изоляции на прессе ME-125;

в)  водные испытания готовой продукции;

Качественный состав сбрасываемых стоков (Выпуск №1)

г)  парогашение.

На большинстве операций используется вода из системы оборотного водоснабжения. Для подпитки оборотной системы на безвозвратные потери (испарение и унос ветром с градирен) используется техническая вода из реки Пекша. 

Артезианская вода используется для охлаждения резины в ваннах, для охлаждения гидрорезки, охлаждения оборудования на отдающей площадке АНВ 90x90.

В процессе производства вода загрязняется в основном взвешенными веществами (мел, тальк, стеарат цинка, мелкими частицами резины и т.д.), а также нефтепродуктами, металлами (медь, цинк, железо, алюминий) и т.д.

При многократном использовании воды концентрации загрязняющих веществ в оборотной воде увеличиваются.

Загрязненные сточные воды от охлаждающих ванн, испытательной станции, гидрорезки, отдающей площадки АНВ 90x90 парогашения сбрасываются в речку Беленькую без очистки.

Характеристика производственных сточных вод цеха №14

Цех №14 заводская котельная по производству пара для производственных нужд цехов, отопления и горячего водоснабжения для хозяйственно-бытовых нужд предприятия.

Артезианская вода используется на химводоподготовку. Она загрязняется следующими ингредиентами: сульфатами, хлоридами, азотной группой, взвешенными веществами.

Техническая вода из реки Пекша используется для охлаждения оборудования котельной (дымососов).

Условно-чистые стоки после охлаждения дымососов и химводоподготовки сбрасываются в речку Беленькую без очистки совместно с промышленными стоками цеха №2.

Качественный состав сбрасываемых стоков за год представлен в таблице 2.2.2.

Выпуск №3: сброс промышленных стоков после карт гидрозолоудаления

Общий объем сбрасываемых сточных вод — 57,5 тыс. куб. м/год.

Объем стоков определяется согласно фактического объема водоотведения.

Характеристика производственных сточных вод

В цехе №2 при подаче мела в резиносмеситель вакуум насосами используется вода из речного водовода.

В процессе производства вода загрязняется в основном взвешенными веществами (мел). Далее сточные воды поступают на карты гидрозолоудаления. После фильтрации и отстаивания дренажные воды сбрасываются в р. Беленькую.

Качественный состав сбрасываемых стоков за год представлен в таблице 2.2.3.

Таблица 2.2.2.

Качественный состав сбрасываемых стоков (Выпуск №2)

Наименование

ингредиента

Концентрация, мг/л

ВСС,

мг/л

min

max

средн.

Взвешенные в-ва

18

41

30,83

29

Азот аммонийный

1,12

2,75

1,6

1,58

Азот нитритов

0,012

0,07

0,03

0,03

Азот нитратов

0,3

0,67

0,48

0,49

Сухой остаток

358

716

492,33

720

Хлориды

24,8

179,1

91,14

222,1

Нефтепродукты

0,4

1,8

1,19

0,5

БПК 5

10,65

31,6

20,02

18,5

СПАВ А

0,08

0,24

0,17

0,14

Фосфаты (по Р)

0,02

0,09

0,04

0,04

Железо

0,42

1,77

0,92

0,9

Сульфаты

44

100,4

72,20

100

Медь

0,013

0,148

0,07

0,07

Цинк

0,106

0,323

0,21

0,2

Алюминий

0,03

0,19

0,14

0,15

Никель

0

0,09

0,04

0,05

СПАВ Н

0,37

1,49

0,8275

0,84

Свинец

0,012

0,048

0,0286

0,03

ХПК

13,7

75,6

29,483

-

Таблица 2.2.3.

Качественный состав сбрасываемых стоков (Выпуск №3)

Наименование

ингредиента

Концентрация, мг/л

ВСС,

мг/л

min

max

средн.

Взвешенные в-ва

9

47

28,08

26,58

Азот аммонийный

0,8

3,91

2,71

1,96

Азот нитритов

0

0,053

0,02

0,02

Азот нитратов

0,08

0,5

0,3

0,31

Сухой остаток

577

790

666,33

908,5

Хлориды

23

77,8

48,58

64,3

Нефтепродукты

0,2

1,6

0,85

0,5

БПК 5

4,14

11,52

7,21

5,32

СПАВ А

0,04

0,16

0,10

0,11

Фосфаты (по Р)

0,02

0,07

0,04

0,04

Железо

1,42

4,27

2,96

3,21

Сульфаты

71,5

159,3

103,02

100

Медь

0,019

0,13

0,06

0,06

Цинк

0,051

0,223

0,12

0,13

Алюминий

0,03

0,17

0,08

0,09

Никель

0,025

0,087

0,05

0,06

СПАВ Н

0,11

0,45

0,2342

0,23

Свинец

0,031

0,042

0,0347

0,035

ХПК

12

29,9

19,792

-

2.3. Оценка качества сбрасываемых сточных вод

Анализ качества сточных вод выполнен за период с 2004 по 2006 годы. Учитывалось среднегодовые и ежемесячные показатели.

Результаты анализов по основным загрязняющим веществам представлены на рис. 2.3.1 - 2.3.16.

Для сравнения показаны значения временно согласованных концентраций (ВСС) по каждому ингредиенту.

Рисунок 2.3.1. Фактические концентрации взвешенных веществ на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.2. Фактические концентрации ионов аммония на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.3. Фактические концентрации нитрит-ионов на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.4. Фактические концентрации нитрат-ионов на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.5. Фактические концентрации нефтепродуктов на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.6. Фактические концентрации БПК 5 на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.7. Фактические концентрации СПАВ а на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.8. Фактические концентрации фосфат-ионов (по Р) на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.9. Фактические концентрации ионов железа на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.10. Фактические концентрации сульфат-ионов на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.11. Фактические концентрации ионов меди на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод

Рисунок 2.3.12. Фактические концентрации ионов цинка на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.13. Фактические концентрации ионов алюминия на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.14. Фактические концентрации ионов никеля на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод

Рисунок 2.3.15. Фактические концентрации СПАВ Н на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Рисунок 2.3.16. Фактические концентрации свинца на выпуске ОАО «Электрокабель Кольчугинский завод»

Выводы:

После изучения результатов анализа сточных вод предприятия стало очевидно, что по основным компонентам загрязнения наблюдается превышение временно согласованного сброса.

Также было установлено, что основными загрязнителями являются биогенные элементы (азот, фосфор), взвешенные вещества (мел) и ионы тяжёлых металлов.

Таким образом, можно сделать вывод о необходимости разработки схемы очистки стоков предприятия.

3. Предлагаемая схема очистки сточных вод

3.1. Описание принципиальной технологической схемы очистки

Для очистки сточных вод предприятия предлагается комбинированная схема очистки (прил. 2).

Сточная вода (СВ) попадает на решётку (Р), где задерживаются крупные нерастворённые, плавающие загрязнители. Затем СВ подвергается усреднению по концентрации и объемам в усреднителе (У), куда для перемешивания воздух подаётся с помощью вентилятора.

Затем сточная вода направляется в вертикальный отстойник (ОВ), где очищается от мелких грубодисперсных примесей (мела). С помощью вакуум- фильтра (ВФ) осадок обезвоживается и направляется в ёмкость (E1). Фильтрат же центробежным насосом (H1) вновь направляется в отстойник.

Из вертикального отстойника СВ поступает на сорбцию для удаления нефтепродуктов. Сорбция осуществляется Пороластом F. Осуществляется двумя сорбционными фильтрами (СФ), работающими поочерёдно то на сорбцию, то на десорбцию. Десорбция осуществляется острым паром. Обводнённые нефтепродукты направляются в вертикальный отстойник колодезного типа с тэном (О), где в течение 45 минут происходит разделение воды и нефтепродуктов на фракции путём отстаивания и нагревания. Нефтепродукты собираются в ёмкость2) и направляются на сжигание в качестве жидкого топлива. Вода же с помощью насоса2) возвращается в общий поток перед СФ.

Затем СВ поступает в адсорбер (А) для удаления ионов тяжёлых металлов. Сорбция осуществляется катионитом КУ-23-Na. Вода подается центробежным насосом3) снизу. Осуществляется двумя адсорберами, работающими то на сорбцию, то на десорбцию. Десорбция осуществляется 15%-ым раствором серной кислоты. Десорбат собирается в ёмкость3) и направляются на электролиз для выделения катодного осадка металлов.

Раствор серной кислоты готовят в растворном баке (БР) путём смешения концентрированной серной кислоты и воды. Раствор подается в адсорбер из расходного бака (РБ).

После удаления тяжёлых металлов СВ направляется в аэротенк (модуль) на биологическую очистку. Прошедшая биологическую очистку вода, содержащая активный ил, через перфорированную перегородку направляется во вторичный отстойник (ВО) для отделения основного количества активного ила от воды. Активный ил, осевший на дно вторичного отстойника направляется насосом (Н3) в начало аэротенка (возвратный ил). Избыточный активный ил тем же насосом подается в илоуплотнитель (ИУ), из которого после уплотнения и соответствующего снижения влажности направляется на иловую площадку (ИП). Для разбавления возвратного активного ила к нему добавляют воду с плавающими веществами из вторичного отстойника.

Очищенную воду после вторичного отстойника обеззараживают раствором хлора в воде с помощью эжектора (Э) и сбрасывают в реку Беленькую.

В результате очистки сточных вод по предлагаемой схеме получены следующие результаты (табл. 3.1.1.).

Таблица 3.1.1.

Показатели концентрации загрязняющих веществ в сточной воде до и после очистки по предлагаемой технологии

Загрязняющее

вещество

Показатели

ПДК

водоема,

мг/л

Концентрация, мг/л

Степень очистки

%

До

очистки

После очистки

Нефтепродукты

1,114

0,025

97,7

0,05

Взвешенные вещества (мел)

21,5

1,075

95

4

Медь

0,245

0,0002

99,9

0,001

Цинк

0,353

0,009

97,5

0,01

Никель

0,0344

0,001

95

0,01

Концентрация по биогенным элементам соответствует ВСС.

3.2. Расчёт основного оборудования

Фонд рабочего времени:

Режим работы предприятия непрерывный — 365 дней.

Общий расход сточных вод за  год составил:

Qобщ = 161.42 тыс.м3 / год

Qм3/ч =  = 18.43 м3

Qм3/ч =  = 0.00512 м3

3.2.1. Расчёт решетки

Решётки применяются для улавливания крупных нерастворимых, плавающих загрязнителей, которые могут засорить трубы и каналы.

Решетки бывают неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дробилками. Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки. Решетки изготовляют обычно из металлических стержней или прутков и устанавливают на пути движения очищаемых вод под углом 60-90°. Зазоры между ними равны 16-19 мм. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку. Толщина стержней (S) составляет 8-15 мм.

Расчет диаметра трубопровода В, м:

                                       В =,                                                    (1.1)

где Q - расход воды, м3/с;

ωср  -  средняя скорость движения воды в трубопроводе, м/с. Принимают

ωср = 0.6 – 0.8 м/с

Примем ωср = 0.7 м/с

Диаметр трубопровода равен:            В = = 0.0965 м

Определение живого сечения трубопровода Fmp:

                                         Fmp = Q/ ωср;                                               (1.2)

Fmp = 0.00512/0.7 = 0.0073 м2

Обычно глубину воды h перед решеткой принимают равной диаметру трубопровода: h = B  = 0.0965м.

Определение числа прозоров решетки, n:                         

                                                     n ,                                          (1.3)

где  - скорость движения воды в прозорах, м/c ; принимают = 0.7 – 1.0 м/с.

Принимаем = 0.9 м/с

                     b = 0.02 м

Число прозоров решетки равно: n =  = 3.24  4

Высота решетки B, м, равна:

                                            B                                          (1.4)

Принимаем S = 0.01 м.

Вр = 0.02*4+ 0.01*(4-1) = 0.11 м.

Из формулы  l                                           (1.5)

l1 = 1.34*(Вр – В) = 1.37*(0.11 – 0.0965) = 0.0185 м;

                                l2 = 0.5l1 = 0.5*0.0185 = 0.00925 м;

l3 ≈ 1 м;

l4 ≈ 0.5 м.

                            

Живое сечение решетки, м

                                              Fp = Q/                                                   (1.6)

Fp = 0.00512/0.9 = 0.0057  м2.

Определение потерянного напора h

                                        h;                                    (1.7)

где  - коэффициент, учитывающий форму решетки (квадратные – 2.72);

- угол наклона решетки;

P – коэффициент, учитывающий увеличение напора и уменьшение живого сечения решетки за счет его засорения (P = 3)

hпот = 2.72 * (0.01/0.02)4/3 *  *  * 3 = 0.134 м.

3.2.2. Расчет усреднителя

Усреднители – аппараты, усредняющие водные потоки по объемам и концентрациям примесей. Перемешивание в усреднителях можно осуществлять с помощью барботажа воздуха или механическим перемешиванием.

Находят объем усреднителя, м:

                                      V,                                    (2.1)

где V - соответственно объем, учитывающий возможность залпового выброса, объем, учитывающий циклические колебания работы аппарата и запасный объем аппарата.

                                              V,                                                 (2.2)

Где Q – расход воды, м/ ч;

- время работы аппарата, ч (= 0.75 ч.).

Vзап = 18.43 * 0.75 = 14 м

Объем усреднителя для погашения залпового выброса рассчитывается по формуле:

                                          V,                                             (2.3)

где  - время залпового выброса, ч;

K - коэффициент подавления залпового выброса.

                                           K,                                             (2.4)

Где: С, Си С - максимальная, средняя и допустимая концентрации загрязняющего вещества соответственно, г/л.

Сср= 120.51 мг/л

С= 2Сср= 2 * 120.51 = 241 мг/л

Сдоп = 1,5 Сср  = 1.5 * 120.51 = 180.77 мг/л

=    = 2;

Принимаем  

Vз.выб =  = 8 м3.

Определяем V

                                       V,                                        (2.5)

где  - время циклических колебаний, ч ( = 1 ч.)

Vц.кол = 0,16 * 2 * 18.43 * 1 = 6 м3

Находим общий объем усреднителя, м:

                             Vобщ = 14 + 8 + 6 = 28 м3                                                    

Примем, что B = L = H =  =  = 3.04 м                                   (2.6)

Определение площади поперечного сечения усреднителя, м:

                                        F = ,                                                (2.7)

где Q расход воды, м/ч;

U - скорость движения воды вдоль усреднителя через поперечное сечение, мм/с (U= 1;2.5)

n – число секций усреднителя.

                                      F =  = 5.12 м2                                         (2.8)

Принимаем В = 3 м, тогда

Н = F/B = 5.12/3 = 1.7 м

Длина усреднителя L, м, равна:

                                      L =  = 28 / 5.12 = 5.47 ≈ 5.5 м                      (2.9)

Барботёр – устройство необходимое для перемешивания жидкости в усреднителе путем подачи туда воздуха (барботажа). Его нужно укладывать либо поперек усреднителя, либо пристеночно.

Определяем длину барботёра при укладке поперек усреднителя, м.

                                      ,                                         (2.10)

Здесь H - геометрическая высота усреднителя, м.

Нг = 1.2* H = 1.2 * 1.7 = 2 м,

где H – расчетная высота усреднителя, м;

B – ширина секции усреднителя, м;

b - расстояние от барботёра до стены усреднителя (принимаем b=0.1 м);

h - расстояние от барботёра до дна усреднителя (принимаем h= 0.15м).

lб = 2 + 3 – 2 * 0.1 – 0.15 = 4.65 м;

Число барботёров N:

                                             ,                                                  (2.11)

где L – длина усреднителя, м;

l – расстояние между барботёрами (принимаем 2.75 м)

Nб = 5.5 / 2.75 = 2

Расчет удельного расхода воздуха q.

q - удельный расход воздуха, приходящийся на 1м  длины барботера в единицу времени,

Вычисляем q из следующего выражения:

                                                                     (2.12)

где  - минимальная глубина заполнения усреднителя:

                        = 0.5Н = 0.5 * 1.7 = 0.85 м                                      (2.13)

Выразим из выражения:

                                    1 + qв =         

                                        qв =  – 1                                 (2.14)

qв =  – 1 = 2 м32

Общий расход воздуха :

                                                                                             (2.15)

Где  - число секций усреднителя,

Qв = 2 * 4.65 * 2 = 18.6 м3/ч.

3.2.3. Расчет вертикального отстойника

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод мелких грубодисперсных примесей ( < 0,1 мм)  под действием силы тяжести [38].

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем. Осаждение происходит в восходящем потоке воды. Высота зоны осаждения 4-5 метров. Частицы движутся с водой вверх с определённой скоростью, а под действием силы тяжести – вниз. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. Эффективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10 – 20 %, чем в горизонтальных.

Находим критерий Архимеда Ar:

                                   Ar = dч3*(ρтв - ρж)*ρж*g2,                                  (3.1)

где dч – диаметр частиц (150 мкм = 15* м);

ρж – плотность воды (1000 кг/м3);

ρтв – плотность взвешенных частиц (2711 кг/м3);

g – ускорение свободного падения;

μ -  динамическая вязкость воды (0,001 Па*с);

Ar = (15*3 * (2711 – 1000) * 1000 * 9.81 / = 0.057;

Рассчитываем скорость свободного осаждения ωсв, м/с (при Ar ≤ 36):

                              ωсв = dч2 * (ρтв - ρж) *g / 18μ;                                   (3.2)

ωсв = (15*2 * (2711 – 1000) * 9,81 / = 0.00021 м/с;

Определяем скорости стесненного осаждения ωст, м/с (при  ωст < ωсв):

                                ωст = ωсв** ,                                      (3.3)

где Е – объемная доля жидкости в сточной воде (Е ≥ 0,7):

                                                 Е = 1-,                                                 (3.4)

где x- массовая доля взвешенных частиц;

ρтв – плотность взвешенных частиц (2711 кг/м3);

ρв - плотность сточной воды, кг/м3:

Е = 1- = 0.999;

ωст = 0,00021** = 0,000209 м/с;

Площадь осаждения твердых частиц F, м2:

                          F = А*  = А*,                                     (3.5)

где А – коэффициент, характеризующий тип сгустителя (1,33);

xcr – содержание твердых частиц в осадке сгустителя (0,4);

хосв = хкон / 100 = 0.00002

F = 1.33*  = 33 м2;

Выбираем типовой одноярусный сгуститель с центральным приводом Ц-9.

Коэффициент запаса Кз равен:

Кз =  *100%;

Кз =  *100% = 45%;

Степень очистки равна:

α =  * 100% = (443 - 20 / 443) * 100% = 95%

Технические характеристики вертикального отстойника представлены в таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Технические характеристики вертикального отстойника Ц-9

Размеры чана, мм:

диаметр

9000

высота

3000

Площадь осаждения, м2

60

Производительность (по твердому), т/сутки

60

Электродвигатель:

тип

АО-32-6

мощность, кВт

9.9

3.2.4. Расчет сорбционного фильтра

Начальная концентрация нефтепродуктов: Сн = 1.114 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС:

Вычислим поток загрязняющего вещества, :

                                          ,                                              (4.1)

где Q – объемный расход сточных вод, ;

С- концентрация нефтепродуктов , ;

С- конечная концентрация, :

G =18.43 * (1.114 – 0.05) * 10-3 = 0.0196 кг/ч

В качестве сорбента используем Пороласт – F.

Его сорбционная емкость Е = 80.

Рассчитаем поток ионита, :

                          П = G / E = 0.0196 / 80 = 0.000245 ,                     (4.2)

Найдем рабочий объем сорбционного фильтра на 1 цикл сорбции:

                      Vp = П * = 0.000245 * 2 = 0.00049 м3                         (4.3)

где  - время сорбции (задаем = 2 ч.)

выбираем загрузку на одну неделю.

Тогда: (8 * 3 / 2) * 7 = 84 цикла.

Рабочий объем сорбционного фильтра: Vp = 0.00049 * 87 = 0.0412 м3

Рассчитаем геометрические размеры сорбционного фильтра

Примем отношение высоты к диаметру: Н/ D= 2/1

Тогда из формулы диаметр равен:

                   D = =  = 0.297 ≈ 0.3 м                   (4.4)

Высота сорбционного фильтра:

                        Н = 2 * D = 2 * 0.3 = 0.6 м                                         (4.5)

Найдем геометрическую высоту адсорбера, м:

Нг = Нр + 0.3 + 0.3 = 0.6 +0.3 + 0.3 = 1.2 м

3.2.5. Расчет адсорбера

1). Начальная концентрация ионов меди: Сн = 0.245 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.001 мг/л

2). Начальная концентрация ионов никеля: Сн = 0.0344 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.001 мг/л

3). Начальная концентрация ионов цинка: Сн = 0.353 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.1 мг/л

Рассчитаем рабочий объем адсорбера для каждого вида ионов металлов.

Вычислим поток загрязняющего вещества, :

,

где Q – объемный расход сточных вод, ;

С- концентрация нефтепродуктов после флотации, ;

С- конечная концентрация нефтепродуктов, :

1). Для меди:

G =18.43 * (0.245 – 0.001) * 10-3 = 0.00376 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для меди Е = 100 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.00376 / 100 = 0.0000376 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.0000376 * 16 = 0.0006 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

2). Для никеля:

G =18.43 * (0.0344 – 0.001) * 10-3 = 0.000616 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для никеля Е = 100 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.000616 / 100 = 0.00000616 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.00000616 * 16 = 0.0000985 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

3). Для цинка:

G =18.43 * (0.353 – 0.1) * 10-3 = 0.00466 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для цинка Е = 80 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.00466 / 80 = 0.0000582 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.0000582 * 16 = 0.00093 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

Принимаем рабочий объем адсорбера на 1 цикл сорбции:

Vp = 0.00093 м3

Выбираем загрузку на 1 месяц.

Тогда: (8 * 3 / 16) * 30 = 45 циклов.

Рабочий объем сорбционного фильтра: Vp = 0.00093 * 45 = 0.418 м3

Рассчитаем геометрические размеры сорбционного адсорбера [39].

Примем отношение высоты к диаметру: Н/ D= 2/1

Тогда из формулы диаметр равен:

D = =  = 0.64 ≈ 0.7 м

Высота сорбционного фильтра:

                        Н = 2 * D = 2 * 0.7 = 1.4 м                                     

Найдем геометрическую высоту адсорбера, м:

Нг = Нр + 0.3 + 0.3 = 1.4 +0.3 + 0.3 = 2 м

3.2.6. Расчет аэротенка-модуля

1) Найдем ориентировочную продолжительность аэрации сточных вод и циркулирующего ила:

                                       ta = S0 – S / αаэр * (1 – А) * r,                               (6.1)

где S0 - БПКполн поступающей в аэротенк воды, 21 мгО2/л;

S - БПКполн очищенной воды, 3 мгО2/л;

αаэр – доза ила, принимаем 1.8 г/л;

А – зональность ила в долях единицы, принимаем 30%;

r – скорость окисления загрязнений, 18 мг БПК / г*ч.

ta = 21 – 3 / 1.8 * (1 – 0.3) * 18 = 0.79 ч.

2) Определим степень рециркуляции активного ила в аэротенке:

                                           R =                                               (6.2)

где j – иловый индекс.

Для определения илового индекса найдем нагрузку на 1 г сухого вещества ила в сутки:

                        Кил = 24 * (S0 – S) / αаэр * (1 – А) * ta                             (6.3)

Кил = 24 * (21 – 3) / 0.3 * (1 – 0.3) * 0.79 = 434.

При Кил = 434, иловый индекс для городских сгонных вод  j = 80 см3/г, тогда по формуле 6.2

R =  = 0.14

3) Находим дозу ила, поступающего в регенератор из вторичного отстойника:

         αрег = (1 / 2 * R + 1) * αаэр = (1/ 2 * 0.14 + 1) * 1.8 = 8.194 г/л       (6.4)

4) Определим объем циркулирующего активного ила:

                                              U =  ,                                                (6.5)

U =  = 0.567 м3.

5) Установим БПКполн сточных вод с иловой смесью в аэротенке:

                                              Sсм = ,                                             (6.6)

Sсм =  = 23.284 мгО2/л.

6) Определим продолжительность пребывания сточных вод собственно в аэротенке:

                                                   t'a =  ,                                     (6.7)

                                                t'a =   = 1.66 ч.                                              

7) Продолжительность окисления снятых загрязнений найдем по формуле:

                                 t0 = S0 – S / R* αрег * (1 – А) * r,                               (6.8)

t0 = 21 – 3 / 0.14 * 8.194 * (1 – 0.3) * 18 = 1.25 ч.

8) Находим объем собственного аэротенка:

                                             Va = t'a * (Q + U),                                          (6.9)

Va = 1.66 * (18.43 + 0.567) = 31 м2.

Выбираем аэротенк-модуль подходящий по рассчитанному рабочему объему с запасом по объему на 20% .

3.3. Расчет вспомогательного оборудования

Вспомогательное оборудование представлено емкостями для сбора различных шламов, отстойником колодезного типа с тэном, растворными и расходными баками.

Для примера рассмотрим расчет емкости для сбора нефтепродуктов [40].

Количество нефтепродуктов в шламе, кг/с:

                                     Gн/пр = Q * Сн/пр * α,                                         (7.1)

где Q – расход воды, м3/с;

Сн/пр – концентрация нефтепродуктов, кг/м3;

α – степень очистки.

Gн/пр = 0.00512 * 1.114 * 0.955 = 0.00000545 кг/с.

Масса шлама, накапливающегося за время сбора, равна:

                                               Мшл = Gшл * ,                                           (7.2)

где – время сбора шлама, с.

Принимаем время сбора шлама 1 месяц.

Тогда  = 30 * 24 * 3600 = 2592000 с.

После отстойника влажность нефтепродуктов 20%.

Gн/пр – 80%,

  •  Gшл = 0.00000545 * 100 / 80 = 0.00000681 кг/с

Gшл - 100%

Тогда по формуле 7.2:

Мшл = 0.00000681 * 2592000 = 17.7 кг.

Плотность обводненного шлама равна:

                                          ƍшл = xтв * ƍтв + xж * ƍж,                                   (7.3)

Принимаем ƍтв = 770 кг/м3 ;  

                     ƍж = 1000 кг/м3 ;  

ƍшл = 0.8 * 770 + 0.2 * 1000 = 816 кг/м3.

Рабочий объем емкости равен:

                                              Vраб = Мшл / ƍшл,                                           (7.4)

Vраб = 17.7 / 816 = 0.022м3.

Геометрический объем емкости:

                                 Vгеом = 1.2 Vраб = 1.2 * 0.022 = 0.026 м3.                 (7.5)

Принимаем В = Н = L = =  = 0.296 ≈ 0.3 м.

Результаты расчетов емкостей представлены в таблице 3.3.1.

Расчет рабочего объема отстойника колодезного типа с тэном для разделения нефтепродуктов проводится аналогично расчету рабочего объема емкости [41].

Таким образом, Vраб = Мшл / ƍшл  = 8.25 * 908 = 0.009 м3

Однако при расчете геометрических размеров следует учитывать, что отстойник имеет форму цилиндра.

С другой стороны  V = π * D2 * H / 4                                                  (7.6)

Примем отношение H = D.

Тогда из формулы 7.6:            D = =  = 0.225 м.

Таблица 3.3.1.

Характеристики емкостей

Наименование оборудования

Время сбора шлама, в днях

Рабочий объем,

м3

Геометрические размеры

Длина

Ширина

Высота

Емкость для сбора взвешенных веществ

7

0.300

0.7

0.7

0.7

Емкость для сбора десорбата нефтепродуктов

30

0.022

0.3

0.3

0.3

Емкость для сбора элюата, содержащего ионы тяжелых металлов

30

0.027

0.3

0.3

0.3

Принимаем D = 0.25 м, Нгеом = 0.5 м.

Для расчета растворного бака принимаем

на 1V сорбента - 1V раствора H2SO4

0.027м3 - Vр,

Принимаем В = Н = L = =  = 0.3 м.

Геометрическая высота бака равна:

Нгеом = 1.2 Н = 1.2 * 0.3 = 0.36 м.

Геометрический объем растворного бака составляет:

Vгеом = 0.3 * 0.3 * 0.36 = 0.0324 м3.

Объем и геометрические размеры расходного бака принимаем равным объему и геометрическим размерам растворного бака.

Вывод:

Предполагаемая комбинированная система очистки сточных вод позволит очистить воду до необходимых концентраций. Эта система очистки основана на сорбции: сначала удаляем взвешенные вещества (мел) путем отстаивания, затем Поропластом F очищаем воду от нефтепродуктов, далее сорбируем ионы тяжелых металлов, а после десорбции элюат направляем на электролиз. В заключении проводим биологическую очистку стоков в аэротенке-модуле.

Таким образом, вода очищена до требований ПДС и сбрасывается в речку Беленькую.

4. Безопасность и экологичность

На протяжении многих веков люди решают проблемы обеспечения своей безопасности — строят дома, производят удобные орудия труда, шьют одежду, развивают сельское хозяйство, ищут новые лекарства и методы лечения, — тем самым, создавая искусственную среду обитания — техносферу. Призванная надежно защищать человека от непогоды, голода, болезней и других внешних опасностей, техносфера нередко, особенно в последние десятилетия, сама становится источником опасностей. За последние двадцать лет на Земле в результате различных чрезвычайных ситуаций пострадало 800 млн., а погибло 3 млн. человек. Только в 2009 г. от несчастных случаев в нашей промышленности пострадало более 200 тыс. человек, из них погибло 5425 человек, в том числе 268 женщин и 19 подростков [42].

Поэтому необходимы эффективные меры по обеспечению защиты человека от созданной им самим техносферы. Научная дисциплина «Безопасность жизнедеятельности», изучающая опасности, методы и средства защиты от них, подходит к рассмотрению трудовой деятельности человека как к системе «человек-среда обитания», имеющей две основные цели:

  •   достижение определенного эффекта (например, изготовление детали);
  •   исключение травм, заболеваний, аварий и других нежелательных последствий трудовой деятельности.

Явления, процессы, объекты, способные в определенных условиях вызывать нежелательные последствия деятельности, называются опасностями.

Опасное действие электрического тока на человека.

Эксплуатация основного и вспомогательного оборудования станции нейтрализации связана с применением опасной для человека электрической энергии.

Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие, вызывая местные и общие электротравмы (электрические удары).

  •   Термическое действие выражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов и других тканей.
  •   Электролитическое действие выражается в разложении крови и других органических жидкостей, что вызывает значительные нарушения их физиохимических составов.
  •   Биологическое действие выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц, а также нарушением внутренних биологических процессов организма.

Местные травмы подразделяются следующим образом: электрические ожоги, электрические знаки (пятна), металлизация кожи (от электрической дуги), механические повреждения (от непроизвольных судорожных сокращений мышц), электроофтальмия (воспаление наружных оболочек глаз от электрической дуги).

Общие электрические травмы или электрические удары делятся на четыре степени:

I степень характеризуется судорожным сокращением мышц без потери сознания; II степень — сокращением мышц с потерей сознания, но при сохранившихся дыхании и работе сердца; III степень — потерей сознания и нарушением сердечной деятельности или дыхания (или того и другого сразу); IV степень — клинической («мнимой») смертью, то есть отсутствием дыхания и кровообращения (обычно 4...5 мин., иногда 7...8 мин.).

Биологическая (истинная) смерть — необратимое явление, характеризующееся прекращением биологических процессов в клетках и тканях организма и распадом белковых структур - наступает по истечении клинической смерти.

Основными причинами воздействия тока на человека являются: случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям; появление напряжения на металлических частях оборудования в результате повреждения изоляции или ошибочных действий персонала; шаговое напряжение на поверхности земли в результате замыкания провода на землю; появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки.

Случаи поражения человека электрическим током возможны только при замыкании электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение.

Опасность такого прикосновения, оцениваемая значением тока, проходящего через тело человека, или же напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь; напряжения сети; схемы сомой сети; режима ее нейтрали; степени изоляции токоведущих частей от земли.

Исход воздействия тока зависит как от перечисленных выше факторов, так и от длительности протекания тока через тело человека, рода и частоты тока и индивидуальных свойств человека.

Все производственные помещения согласно Правилам устройства электроустановок делятся по степени риска поражения людей электрическим током на три класса: без повышенной опасности, с повышенной опасностью, особо опасные.

  •  Помещения без повышенной опасности — это сухие, беспыльные помещения с нормальной температурой воздуха и с изолирующими полами, т.е. те помещения, в которых отсутствуют условия, свойственные помещениям двух других классов. Сюда относятся обычные конторские помещения, инструментальные кладовые, лаборатории, а также некоторые производственные помещения.
  •   Помещение с повышенной опасностью характеризуется наличием одного из следующих пяти условий, создающих повышенную опасность: сырости, когда относительная влажность воздуха длительное время превышает 75% (сырые помещения); высокой температуры, когда температура воздуха значительное время (свыше суток) превышает 35°С (жаркие помещения); токопроводящей пыли, когда по условиям производства в помещениях выделяется токопроводящая технологическая пыль (угольная, металлическая т.п.) в таком количестве, что она оседает на проводах, проникает внутрь машин, аппаратов (помещения пыльные); токопроводящих полов — металлических, земляных, железобетонных, кирпичных; возможности одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, металлическим корпусам электрооборудования.
  •  Помещения особо опасные характеризуются наличием одного из трех условий, создающих особую опасность: особой сырости, когда относительная влажность воздуха близка к 100%, а стены, пол, предметы, находящиеся в помещении покрыты влагой; химически активной или органической среды, т.е. помещения, в которых постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образующие отложения или плесень которые имеют разрушительное воздействие на изоляцию и токоведущие части электрооборудования; одновременного наличия двух и более условий, характерных для помещений с повышенной опасностью. К особо опасным помещениям относятся многие производственные помещения, в том числе и цехи машиностроительных заводов, испытательные станции, гальванические цехи [43].

4.1. Обеспечение электробезопасности персонала станции

нейтрализации

К защитным мерам от опасности прикосновения к токоведущим частям электроустановок относятся: изоляция, ограждение, блокировка, пониженные напряжения, электрозащитные средства, сигнализация и плакаты. Надежная изоляция проводов от земли и корпусов электроустановок создает безопасные условия для обслуживающего персонала. Основная характеристика изоляции — сопротивление. Во время работы электроустановок состояние электрической изоляции ухудшается вследствие нагрева, механических повреждений, влияния климатических условий и окружающей производственной среды. Состояние изоляции характеризуется сопротивлением току утечки. Согласно ПУЭ сопротивление изоляции в электроустановках напряжением до 1000 В должно быть не менее 0,5 Мом. Сопротивление изоляции необходимо регулярно контролировать.

Для обеспечения недоступности токоведущих частей оборудования и электрических сетей применяют сплошные и сетчатые ограждения. Сплошные конструкции ограждений (кожухи, крышки, шкафы, закрытые панели), а также сетчатые конструкции применяют в электроустановках и сетях напряжением как до 1000 В, так и свыше 1000 В.

Блокировку применяют в электроустановках напряжением свыше 250 В, в которых часто производят работы на ограждаемых токоведущих частях. С помощью блокировки автоматически снимается напряжение (отключается питание) с токоведущих частей электроустановок при прикосновении к ним, без предварительного отключения питания. По принципу действия блокировки бывают механические, электрические и электромагнитные.

При обслуживании и ремонте электроустановок и электросетей обязательно использование электрозащитных средств, к которым относятся: изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, слесарно - монтажный инструмент с изолирующими рукоятками, диэлектрические перчатки, диэлектрические боты, калоши, коврики, указатели напряжения.

С целью предупреждения рабочих об опасности поражения электрическим током широко используют плакаты и знаки безопасности: «Стой! Напряжение», «Не влезай! Убьет», « Не включать. Работают люди» и т. д.

Защитное заземление предназначено для устранения опасности поражения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и другим нетоковедущим частям электроустановок, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Заземлитель — это проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей или ее эквивалентом. Заземлители бывают искусственные, предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные — находящиеся в земле металлические предметы иного назначения (железобетонные фундаменты, металлические конструкции зданий и сооружений).

С помощью защитного заземления уменьшается напряжение на корпусе относительно земли до безопасного значения, следовательно, уменьшается и сила тока, протекающего через тело человека. Согласно ПУЭ сопротивление заземления в электроустановках до 1000 В не должно превышать 0,4 Ом.

Защитное зануление, так же как и защитное заземление, предназначено для устранения опасности поражения электрическим током при замыкании на корпус электроустановок. Осуществляется присоединением корпуса и других конструктивных нетоковедущих частей электроустановок к неоднократно заземленному нулевому проводу. Защитное зануление превращает пробой на корпус в короткое замыкание между фазным и нулевым проводами и способствует протеканию тока большой силы через устройства защиты сети, а в конечном итоге быстрому отключению поврежденного оборудования от сети.

Системы защитного отключения — это специальные электрические устройства, предназначенные для отключения электроустановок в случае появления опасности пробоя на корпус. Так как основной причиной замыкания на корпус токоведущих частей оборудования является нарушение изоляции, то системы защитного отключения осуществляют постоянный контроль за сопротивлением изоляции, то системы защитного отключения осуществляют постоянный контроль за сопротивлением изоляции или токами утечки между токоведущими и нетоковедущими деталями конструкции оборудования. При достижении опасного уровня оборудование отключается до того момента, когда произойдет пробой на корпус и появится реальная опасность поражения электрическим током.

Таким образом, системы защитного отключения обеспечивают наибольшую электробезопасность при прикосновении к корпусам электроустановок. Однако, являясь достаточно сложными электрическими устройствами с определенной надежностью срабатывания, они применяются чаще всего в сочетании с защитным заземлением или защитным занулением.

Наряду с применением технических методов и средств электробезопасности большое значение для снижения электротравматизма имеет четкая организация эксплуатации электроустановок и электросетей, профессиональная подготовка работников, сознательная производственная и трудовая дисциплина.

К работам на электроустановках допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие инструктаж и обученные безопасным методам труда. Весь персонал, допущенный к эксплуатации электроустановок, в соответствии с занимаемой должностью и применительно к выполняемой работе аттестуется присвоением соответствующей квалификационной группы по электробезопасности (с 1 по 5).

В последние десятилетия воздействие антропогенного загрязнения на окружающую среду возрастает в геометрической прогрессии, в связи с чем приобрел актуальность вопрос о его экологических последствиях, неблагоприятном изменении в экологической среде [44]. 

4.2. Действие соединений тяжёлых металлов

В. И. Вернадский писал в 1944 году: «Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно». Современные промышленные процессы связаны с выбросом в атмосферу, почвы и воды огромных количеств токсических веществ. Одни из них - биоциды - прямо поступают в окружающую среду при сельскохозяйственном использовании. Другие тяжелые металлы, нефть, продукты сгорания нефти и нефтепродуктов, оксиды азота, серы, углерода - входят в биосферу в виде отходов машиностроения, транспорта, теплофикации, энергетики, строительства и т.д. Многие из этих токсикантов различными путями попадают в пищевые цепи экосистем. Концентрация того или иного токсиканта доходит до уровня, приводящего к заболеваниям населения и даже к летальным исходам. Связано это со стремительным ростом урбанизированных территорий после 60-х годов нашего столетия. Это привело к заметному нарушению закономерностей концентрации и перераспределения тяжелых металлов в компонентах природных ландшафтов. Например, за последние 20 лет на территории нашей страны возникло около 250 городов, причем значительная их часть — малые города с населением 10-25 тыс. человек [45-48].

Наиболее значительные изменения происходят на локальном уровне. С 1974 года подразделения Управлений по гидрометеорологии проводят наблюдения за загрязнением почв ингредиентами промышленного производства вокруг крупных центров цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, энергетики. Сравнение данных, полученных за десятилетие (1978-1988), показало, что за пределами промышленных и санитарно-защитных зон не отмечено существенного приращения массовых долей металлов в почвах. С учетом этого обстоятельства 166 городов страны, почвы которых обследованы наиболее полно, были ранжированы Ю. К. Вертинским, В. Г. Козьминой, А. М. Лишановой (1992) по суммарному показателю загрязнения почв металлами, утвержденному Минздравом СССР в 1987 году.

Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Они находятся преимущественно в рассеянном состоянии, но при этом способны образовывать природные локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает кларковые уровни. Металлы не входят в состав органических соединений, из которых состоят ткани живых организмов. В то же время устройство электронных оболочек атомов металлов обусловливает переменную валентность, что способствует взаимодействию металлов с азот- и серосодержащими функциональными группами органических соединений. Благодаря этому металлы являются необходимой частью ферментативной системы живых организмов — основы функционирования живого вещества Земли. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов мирового хозяйства, металлы вместе с тем образуют группу опасных загрязнителей природной среды. Выяснение глобальных закономерностей массообмена и распределения масс металлов в биосфере представляет весьма актуальную проблему [49].

Несмотря на значительное разнообразие соединений тяжелых металлов, поступающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии довольно однотипен — они представлены преимущественно оксидами. Количество сульфидов и водорастворимых фракций тяжелых металлов сравнительно невелико.

Первым этапом трансформации оксидов тяжелых металлов в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. Даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с С02 атмосферного воздуха, оксиды тяжелых металлов подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости. Оксид цинка — наиболее стабилен и менее растворим по сравнению с оксидами свинца и к амия. Его растворимость в диапазоне рН 4-8 более чем в 100 раз ниже, чем растворимость РЬО, и почти в 10000 раз ниже CdO. В отличие от оксида цинка оксиды свинца и кадмия неустойчивы в воде и преобразуются в гидроксид и (или) карбонат (гидроксокарбонат) свинца и карбонат кадмия.

Парциальное давление СО2 в почвенном воздухе во много раз превышает таковое в атмосфере и поэтому в почве преобладают более устойчивые гидроксокарбонаты и карбонаты цинка и свинца. Следующими реакциями после растворения неустойчивых оксидов являются катионный обмен и специфическая адсорбция. Реакции адсорбции и катионного обмена могут быть описаны уравнениями Фрейндлиха, Ленгмюра и закона действующих масс.

Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей координационного типа с некоторыми поверхностными функциональными группами.

Специфическая адсорбция более избирательна, чем неспецифическая, и зависит как от свойств сорбируемых ионов, так и от природы поверхностных функциональных групп, поэтому тяжелые металлы энергично адсорбируются почвами из растворов. Механизм специфического поглощения более свойствен свинцу, чем цинку и кадмию. Коэффициенты селективности, рассчитанные для обменной реакции катионов тяжелых металлов с поглощенным кальцием, подтверждают преимущественное поглощение тяжелых металлов по сравнению с кальцием, а в ряду тяжелых металлов селективность адсорбции свинца более чем в 1000 раз выше, чем цинка и кадмия. Таким образом, процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии:

  1.  преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);
    1.  растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почвы;
    2.  образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Ежегодно отечественный и зарубежный банк пополняется работами о влиянии отдельных факторов окружающей среды на детский и взрослый контингента населения, а также исследованиями экологического плана по изучению действия антропогенного загрязнения на различных представителей флоры и фауны.

К наиболее частым и значимым экологическим поражениям относятся хронические неспецифические болезни органов дыхания, патология репродуктивных функций и новорожденных, аллергические и аутоиммунные заболевания, новообразования, болезни крови, сердечнососудистой системы, профессиональные заболевания.

Более чем в 100 городах нашей страны концентрации загрязняющих веществ значительно превышают предельно допустимые санитарные нормы. Наиболее высокий уровень загрязнения в городских условиях характерен для тяжелых металлов, таких, как свинец, ртуть, хром и никель. Возрастающее загрязнение воздушной среды, воды, почвы, продуктов питания тяжелыми металлами оказывает прямое влияние на человека [50].

Проблема «металлического пресса» в городах особенно актуальна в связи со способностью тяжелых металлов накапливаться в организме человека и приводить к тяжелым последствиям, так как они обладают мутагенными, канцерогенными и тератогенными свойствами.

Так, например, соединения хрома едкие, опасны случаи изъязвления кожи и ее чувствительности к хрому. В очень больших дозах хроматы и бихроматы оказывают токсичное действие, особенно повреждаются свернутые почечные канальца. При вдыхании соединений хрома поражается не только ткани верхних дыхательных путей, но и легочные альвеолы.

Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Токсичность тяжелых металлов проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые тяжелые металлы образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо (II), взаимодействуют с клеточными мембранами, нарушая их функциональные роли.

У практически здоровых детей большинство тяжелых металлов (кадмий, кобальт, никель, свинец, хром) при воздействии на уровне ниже гигиенических регламентов в условиях крупного города оказывают угнетающее действие на показатели клеточного звена иммунитета, снижая метаболический потенциал клеток или оказывая сенсибилизирующее действие с повышением уровня общего lg Е в сыворотке крови.

Важное значение для развития дестабилизации иммунной системы имеет индивидуальная чувствительность к тяжелым металлам у практически здоровых детей, что можно рассматривать как фактор риска развития патологических процессов и повышения заболеваемости.

У практически здоровых детей, проживающих в районах относительного экологического благополучия по общим валовым выбросам, присутствует риск развития аллергических и аутоиммунных заболеваний или вторичной иммунологической соматической патологии.

В результате воздействия антропогенных факторов происходят существенные изменения в растениях. При химическом загрязнении биосферы нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы, нормальные процессы органогенеза, появляются специфические тератологические изменения у растений различных систематических групп, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции. В золе растений возрастает содержание тяжелых металлов. Существенную опасность представляет отсутствие, каких- либо визуальных признаков поражения растений при опасных для человека и животных содержания токсикантов.

Тяжелые металлы существенно влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект, способствуют появлению мутагенных свойств. Высокие концентрации тяжелых металлов тормозят ферментативную деятельность в почвах — активность амилазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, каталазы.

Заключение

Разбавленные водные растворы, генерированные и используемые в химической, нефтегазовой и металлургической промышленности, в гальваническом производстве в основном содержат различные металлы, известные как биологически неразлагаемые.

Наиболее распространенным методом очистки стоков промышленных производств в настоящее время является реагентный метод, основанный на реакциях нейтрализации и окисления – восстановления. Ионы тяжелых металлов осаждаются в виде малорастворимых соединений (гидроксидов или основных карбонатов).

Большого внимания заслуживают новые процессы, особенно для удаления (извлечения) металлов из сточных вод. Это мембранные методы, и электрохимические, и сорбция, и биологические. Каждый из них имеет свои преимущества и свои недостатки. Современные методы очистки сточных вод не приводят к засолению и к образованию большого количества шлама, но не один из них не обладает 100% эффективностью. Нельзя осуществить глубокую очистку сточных вод только одним способом. Наиболее эффективными являются комбинированные системы очистки, где каждый из способов дополняет друг друга.

Сточные воды завода «Электрокабель» КЗ» сбрасываются в речку Беленькая без очистки.

Оценив качество сточных вод предприятия можно сделать следующие выводы:

  •  На основании анализа работы предприятия выявлены существенные недостатки в системе очистки сточных вод;
  •  основными загрязнителями являются биогенные элементы, взвешенные вещества, нефтепродукты, ионы тяжелых металлов;
  •  концентрации большинства загрязняющих веществ превышает ВСС;
  •  для предотвращения дальнейшего загрязнения реки Беленькой необходима очистка сточных вод.
  •  Предложена комбинированная система очистки сточных вод, позволяющая очистить воду до концентраций согласованного сброса, а также выделить и утилизировать ценные компоненты.
  •  Впервые составлен технологический регламент по очистке сточных вод, рассчитано нестандартизованное оборудование.
  •  Результаты работы рекомендуются к внедрению.

Список литературы

1. Боголюбов, С.А. Экологическое право. Учебник для вузов. – М.: Издательская группа НОРМА – ИНФРА: М, 2001. – 448 с.

2. Трифонова, Т.А. Прикладная экология: Учебное пособие для вузов / Т.А. Трифонова, Н.В. Селиванова, Н.В. Мищенко. – М.: Академический Проект: Традиция, 2005. – 384 с. – («Gaudeamus»).

3. Семин, В.А. Основы рационального водопользования и охраны водной среды. – М.: Высшая школа, - 2001. – 320 с.

4. Яковлев, С.В. Карелин, Я. А. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Яковлева. - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1985. – 335 с.

5. ГОСТ 17.1.3.13-86  «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных вод от загрязнения».

6. Жуков, А.И. Методы очистки производственных сточных вод  / А.И. Жуков, И.Л. Монгайт, И.Д. Родзиллер. - М.: Стройиздат, 1978. – 193 с.

7. Гудков, А.Г. Механическая очистка сточных вод: Учебное пособие. – Вологда: ВоГТУ, 2003. – 152 с.

8. Очистка  сточных вод:  Метод. Указания к курсовому и дипломному проектированию / Влад. Гос. Ун-т; Сост.: Н.В.Селиванова, Н.А.Андрианов. Владимир, 2002. – 36 с.

9. Дикаревский, В.С. Отведение и очистка поверхностных сточных вод: Учебное пособие для вузов / В.С. Дикаревский, А.М. Курганов. – Л.: Стройиздат, 1990. – 224 с.

10. Яковлев, Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов – М.: АСВ, 2002. – 704 с.

11. Хаммер, М. Технология обработки природных и сточных вод. Перевод с англ. – М.: Стройиздат, 1979. – 400 с.

12.  Пааль, Л. Л. Очистка природных и сточных вод: Справочник. - М.: Высшая школа, - 1994. – 480 с.

13. Комарова, Л.Ф. Технология очистки промышленных сточных вод: Физико-химические, химические и биохимические методы очистки: Учебное пособие. – Барнаул, 1983. – 89 с.

14. Окислители и технологии водообработки. / Под ред. Л.А. Кульского. – Киев: Наук. Думка, 1979. – 175 с.

15. Смирнов, Д.Н. Очистка сточных вод в процессе очистки воды: Свойства. Получение. Применение. – Л.: Химия, 1987. – 203 с.

16. Смирнов,  Д.Н. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов / Д.Н. Смирнов, В.Е. Генкин. – М.: Металлургия, 1980. – 196 с.

17. Бутовский, М.Э. Вещества и материалы, применяемые для очистки сточных вод: Каталог – справочник. – М.: ИКФ Каталог, 1999. – 94 с.

18. Сорокина, И.Д., Дресвянников А.Ф. Железоалюминиевый коагулянт для очистки воды / И.Д. Сорокина, А.Ф. Дресвянникова // Экология и промышленность России, -  2010. - №5. -  С. 48-51.

19. Феофанов, В.А. Гальванокоагуляция: теория и практика бессточного водопользования/ В.А. Феофанов, Ф.А. Дзюбинский. – Магнитогорск: ООО МиниТип, -  2006.

20. Химия промышленных сточных вод / Под ред. А. Рубина. Перевод с англ. – М.: Химия, 1983. – 360 с.

21. Буренков, В.Ф. Полиакриловые флокулянты / В.Ф. Буренков // Соросов. Образов. – 1997. - №7. – С. 57 - 63

22. Запольский, А.К. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применение / А.К. Запольский, А.А. Баран. – Л.: Химия, 1987. – 203 с.

23. Скрылев, Л.Д. Очистка сточных вод гальванических производств от ионов никеля, и меди флотацией. / Л.Д. Скрылев // Химия и технология воды, – 1993. – 15, №9 – 10, С. 658 – 662

24. Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды / А.Д. Смирнов. – Л.: Химия, 1982. – 168 с.

25. Пузей, Н.В. Ионообменная технология в очистке промышленных сточных вод / Н.В. Пузей // Водоснабжение и сан. Техника, 1994. - №2. – С. 6 – 7

26. Иониты и химические технологии / Под ред. Б.Н. Никольского, П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1982. – 416 с.

27. Бучило, Э. Очистка сточных вод травильных гальванических отделений. Перевод с польского. – М.: Металлургия, 1997. – 168 с.

28. Найденко, В.В. Очистка и утилизация промстоков гальванического производства. - Н.: ДЕКОМ, 1999. – 368 с.

29. Савицкая, И.В. Разработка электрохимического способа очистки сточных вод с утилизацией отходов гидроксидов тяжелых металлов / И.В. Савицкая. - Ярославль, 1986. - 201 с.

30. Карелин, Ф.Н. Обессоливание воды обратным осмосом. – М.: Стройиздат, 1988. – 360 с.

31. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. – М.: АКВАРОС, 2003. – 512 с.

32. Голубовская, Э.К. Биологические основы очистки воды / Э. К. Голубовская. – М.: Высшая школа, 1978. – 268 с.

33. Яковлев, С.В. Биохимические процессы в очистке вод / С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина. – М.: Стройиздат, 1980. – 135 с.

34. Ребров, В.И. Наши корни. Очерки по истории Кольчугинского края. Книга 2 – Кольчугино, 1994. – 280с.

35. Сидоров,  Н.Д. Плавят руду в Кольчугине – Ярославль: Верхневолжское книжное издательство, 1972. – 256с.

36. Проект нормативов предельно допустимого сброса и временного согласованного сброса загрязняющих веществ в р. Беленькая со сточными водами ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод», Кольчугино, 2003.

37. Правила приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунктов, п.п. 10 А, Б, В, Г; 12, 14, 15.

38. Алексеев, С.В.Водоотведение и очистка сточных вод.  – М.: АСВ, 2002. - 704с.

39. Родионов, А.И. Оборудование, сооружения, основы проектирования химико–технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбросов: Учебное пособие для вузов / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов. – М.: Химия, 1985. – 352с.

40. ГОСТ Р 51871-2002. Устройства водоочистные. Общие требования к эффективности и методы ее определения.

41. Мазур, И.И. Инженерная экология. Общий курс: В 2 т. Теоретические основы инженерной экологии: Учебное пособие для ВТУЗов / И.И. Мазур, О.И. Молдаванов, В.Н. Шишов. – М.: Высшая школа, 1996. – 637 с.

42. Келлер, А.А. Медицинская экология / А.А. Келлер, В.И. Кувакин. – СПб.: Петроградский, 1998. – 256 С.

43. Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебное пособие для хим., хим. - технол., и биол. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 2002. – 334 с.

44. Белов, С.В. Безопасность жизнедеятельности. – М.: Высшая школа, 1999. – 448 с.

45. Безуглова, О.С. Биогеохимия: Учебник для студентов высших учебных заведений / О.С. Безуглова, Д.С. Орлов. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. – 320 с.

46. Добровольский, В.В. Основы биогеохимии: Учебное пособие для геогр., биол., геолог, с.-х. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1998. – 413 с.

47. Крайнов, С.Р. Гидрогеохимия / С.Р. Крайнов, В.М. Швец. – М.: Недра, 1992. – 464 с.

48. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта.  –  М.: Высшая школа, 1998. – 348 с.

49. Тяжелые металлы в окружающей среде / Под ред. В.В. Добровольского. – Издательство МГУ, 1980. – 73 С.

50. Глушко, Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах: Справочник. – Л.: Химия, 1976. – 128 с.

51. Содержание и оформление курсовых, дипломных проектов и работ: Метод. Указания / Владим. политехн. ин-т; Сост.: З.А. Кудрявцева, А.М. Яскевич, Владимир, 1991. – 92 с.

Приложения

Приложение 1

Ситуационная карта-схема ОАО «Электрокабель» КЗ»

Приложение 2

Предлагаемая схема очистки сточных вод

Приложение 3

Технологический регламент по очистке сточных вод с целью извлечения ценных компонентов и подготовки воды для сброса в реку Беленькую.

Содержание:

1. Состав сточных вод и описание схемы очистки сточных вод

2. Основные технологические показатели

3. Реагенты, вода

4. Расчет нестандартизированного оборудования.

Продолжение приложения 3

1.  Состав сточных вод и описание схемы очистки сточных вод

1.1. Состав исходных сточных вод

Сточные воды образуются в цехах 2,5,14 ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод и сбрасываются без очистки по трем выпускам в речку Беленькую. В среднем и образуется 442,25 м3/сут. Содержание сточных вод (в мг/л):

Cu = 0,12

Zn = 0,25

Ni = 0,03

При указанной выше производительности станции стоки содержат следующее количество компонентов (в среднем в сутки, в кг):

Cu = 0,053

Zn = 0,11

Ni = 0,013

Кроме указанных металлов, сточные воды содержат (в среднем в сутки, в мг/л):

Нефтепродукты = 1,08

Взвешенные вещества = 21,5

При указанной выше производительности станции стоки содержат следующее количество компонентов (в среднем в сутки, в кг):

Нефтепродукты = 0,478

Взвешенные вещества = 9,5

Целесообразно выделение и утилизация из сточных вод данных металлов и доведение воды до требований ПДС.

Продолжение приложения 3

1.2.  Описание рекомендуемой технологии очистки сточных вод

Для очистки сточных вод предприятия предлагается комбинированная схема очистки (прил. 2).

Сточная вода (СВ) попадает на решётку (Р), где задерживаются крупные нерастворённые, плавающие загрязнители. Затем СВ подвергается усреднению по концентрации и объемам в усреднителе (У), куда для перемешивания воздух подаётся с помощью вентилятора.

Затем сточная вода направляется в вертикальный отстойник (ОВ), где очищается от мелких грубодисперсных примесей (мела). С помощью вакуум- фильтра (ВФ) осадок обезвоживается и направляется в ёмкость (E1). Фильтрат же центробежным насосом (H1) вновь направляется в отстойник.

Из вертикального отстойника СВ поступает на сорбцию для удаления нефтепродуктов. Сорбция осуществляется Пороластом F. Осуществляется двумя сорбционными фильтрами (СФ), работающими поочерёдно то на сорбцию, то на десорбцию. Десорбция осуществляется острым паром. Обводнённые нефтепродукты направляются в вертикальный отстойник колодезного типа с тэном (О), где в течение 45 минут происходит разделение воды и нефтепродуктов на фракции путём отстаивания и нагревания. Нефтепродукты собираются в ёмкость2) и направляются на сжигание в качестве жидкого топлива. Вода же с помощью насоса2) возвращается в общий поток перед СФ.

Затем СВ поступает в адсорбер (А) для удаления ионов тяжёлых металлов. Сорбция осуществляется катионитом КУ-23-Na. Вода подается центробежным насосом3) снизу. Осуществляется двумя адсорберами, работающими то на сорбцию, то на десорбцию. Десорбция осуществляется 15%-ым раствором серной кислоты. Десорбат собирается в ёмкость3) и направляются на электролиз для выделения катодного осадка металлов.

Раствор серной кислоты готовят в растворном баке (БР) путём смешения концентрированной серной кислоты и воды. Раствор подается в адсорбер из расходного бака (РБ).

После удаления тяжёлых металлов СВ направляется в аэротенк (модуль) на биологическую очистку. Прошедшая биологическую очистку вода, содержащая активный ил, через перфорированную перегородку направляется во вторичный отстойник (ВО) для отделения основного количества активного ила от воды. Активный ил, осевший на дно вторичного отстойника направляется насосом (Н3) в начало аэротенка (возвратный ил). Избыточный активный ил тем же насосом подается в илоуплотнитель (ИУ), из которого после уплотнения и соответствующего снижения влажности направляется на иловую площадку (ИП). Для разбавления возвратного активного ила к нему добавляют воду с плавающими веществами из вторичного отстойника.

Очищенную воду после вторичного отстойника обеззараживают раствором хлора в воде с помощью эжектора (Э) и сбрасывают в реку Беленькую.

Продолжение приложения 3

Таблица 1.

2. Основные технологические показатели

Наименование операции

Единицы измерения

Показатель

в год

в сутки

1

2

3

4

1. Производительность по исходным сточным водам:

м3

161421,25

442,25

2. Среднее содержание ингредиентов в сточной воде:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

кг/м3

0,00025

0,00012

0,00003

0,0215

0,00108

0,00025

0,00012

0,00003

0,0215

0,00108

3. Минимальное содержание ингредиентов в сточной воде:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

кг/м3

0,000157

0,000047

0,00001

0,003

0,0004

0,000157

0,000047

0,00001

0,003

0,0004

4. Максимальное содержание ингредиентов в сточной воде:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

кг/м3

0,000353

0,000245

0,0000344

0,038

0,001114

0,000353

0,000245

0,0000344

0,038

0,001114

5. Среднее количество ингредиентов в исходной сточной воде:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

кг

40,15

19,345

4,745

3467,5

174,47

0,11

0,053

0,013

9,5

0,478

1

2

3

4

6. Извлечение ингредиентов из сточной воды:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

%

93,7

93,7

94,5

95

97,7

93,7

93,7

94,5

95

97,7

7. Количество ингредиента, извлеченного из сточной воды:

Цинк

Медь

Никель

Взвешенные вещества (мел)

Нефтепродукты

кг

37,62

18,25

4,489

3249,125

170,457

0,1

0,05

0,0123

9,025

0,467

8. Извлечение ингредиентов в результате десорбции:

Цинк

Медь

Никель

Нефтепродукты

%

94,2

94,2

95

97,7

94,2

94,2

95

97,7

9. Количество ингредиента, извлеченного при десорбции:

Цинк

Медь

Никель

Нефтепродукты

кг

34,383

17,19

4,27

166,536

0,0942

0,0471

0,0117

0,456

10. Средняя концентрация металлов в элюате:

Цинк

Медь

Никель

кг/м3

0,22

0,1

0,03

0,22

0,1

0,03

11. Выход элюата после десорбции:

Цинк

Медь

Никель

Выход десорбата:

Нефтепродукты

м3

м3

157

15,07

0,43

0,0413

1

2

3

4

12. Единовременная загрузка сорбентов при заполнении колонн:

Поропласт F

Катионит КУ-23Na

т/на момент пуска

0,0412

0,56

13. Эксплуатационные нормы необратимых потерь ионитов:

Поропласт F

Катионит КУ-23Na

кг

кг

1,2

1,34

Продолжение приложения 3

3. Реагенты, вода

Таблица 2.

Потребное количество и расходная норма реагентов

Единицы измерения

Показатель

год

сутки

Вода техническая

Серная кислота в пересчете на 100%

Горячая вода

м3

т

м3

313,9

23,54

150

0,86

0,0645

0,41

Продолжение приложения 3

4. Расчет нестандартизированного оборудования

Фонд рабочего времени:

Режим работы предприятия непрерывный — 365 дней.

Общий расход сточных вод за  год составил:

Qобщ = 161.42 тыс.м3 / год

Qм3/ч =  = 18.43 м3

Qм3/ч =  = 0.00512 м3

3.2.1. Расчёт решетки

Решётки применяются для улавливания крупных нерастворимых, плавающих загрязнителей, которые могут засорить трубы и каналы.

Решетки бывают неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дробилками. Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки. Решетки изготовляют обычно из металлических стержней или прутков и устанавливают на пути движения очищаемых вод под углом 60-90°. Зазоры между ними равны 16-19 мм. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще используют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку. Толщина стержней (S) составляет 8-15 мм.

Расчет диаметра трубопровода В, м:

                                       В =,                                                    (1.1)

где Q - расход воды, м3/с;

ωср  -  средняя скорость движения воды в трубопроводе, м/с. Принимают

ωср = 0.6 – 0.8 м/с

Примем ωср = 0.7 м/с

Диаметр трубопровода равен:            В = = 0.0965 м

Определение живого сечения трубопровода Fmp:

                                         Fmp = Q/ ωср;                                               (1.2)

Fmp = 0.00512/0.7 = 0.0073 м2

Обычно глубину воды h перед решеткой принимают равной диаметру трубопровода: h = B  = 0.0965м.

Определение числа прозоров решетки, n:                         

                                                     n ,                                          (1.3)

где  - скорость движения воды в прозорах, м/c ; принимают = 0.7 – 1.0 м/с.

Принимаем = 0.9 м/с

                     b = 0.02 м

Число прозоров решетки равно: n =  = 3.24  4

Высота решетки B, м, равна:

                                            B                                          (1.4)

Принимаем S = 0.01 м.

Вр = 0.02*4+ 0.01*(4-1) = 0.11 м.

Из формулы  l                                           (1.5)

l1 = 1.34*(Вр – В) = 1.37*(0.11 – 0.0965) = 0.0185 м;

                                l2 = 0.5l1 = 0.5*0.0185 = 0.00925 м;

l3 ≈ 1 м;

l4 ≈ 0.5 м.

                            

Живое сечение решетки, м

                                              Fp = Q/                                                   (1.6)

Fp = 0.00512/0.9 = 0.0057  м2.

Определение потерянного напора h

                                        h;                                    (1.7)

где  - коэффициент, учитывающий форму решетки (квадратные – 2.72);

- угол наклона решетки;

P – коэффициент, учитывающий увеличение напора и уменьшение живого сечения решетки за счет его засорения (P = 3)

hпот = 2.72 * (0.01/0.02)4/3 *  *  * 3 = 0.134 м.

3.2.2. Расчет усреднителя

Усреднители – аппараты, усредняющие водные потоки по объемам и концентрациям примесей. Перемешивание в усреднителях можно осуществлять с помощью барботажа воздуха или механическим перемешиванием.

Находят объем усреднителя, м:

                                      V,                                    (2.1)

где V - соответственно объем, учитывающий возможность залпового выброса, объем, учитывающий циклические колебания работы аппарата и запасный объем аппарата.

                                              V,                                                 (2.2)

Где Q – расход воды, м/ ч;

- время работы аппарата, ч (= 0.75 ч.).

Vзап = 18.43 * 0.75 = 14 м

Объем усреднителя для погашения залпового выброса рассчитывается по формуле:

                                          V,                                             (2.3)

где  - время залпового выброса, ч;

K - коэффициент подавления залпового выброса.

                                           K,                                             (2.4)

Где: С, Си С - максимальная, средняя и допустимая концентрации загрязняющего вещества соответственно, г/л.

Сср= 120.51 мг/л

С= 2Сср= 2 * 120.51 = 241 мг/л

Сдоп = 1,5 Сср  = 1.5 * 120.51 = 180.77 мг/л

=    = 2;

Принимаем  

Vз.выб =  = 8 м3.

Определяем V

                                       V,                                        (2.5)

где  - время циклических колебаний, ч ( = 1 ч.)

Vц.кол = 0,16 * 2 * 18.43 * 1 = 6 м3

Находим общий объем усреднителя, м:

                             Vобщ = 14 + 8 + 6 = 28 м3                                                    

Примем, что B = L = H =  =  = 3.04 м                                   (2.6)

Определение площади поперечного сечения усреднителя, м:

                                        F = ,                                                (2.7)

где Q расход воды, м/ч;

U - скорость движения воды вдоль усреднителя через поперечное сечение, мм/с (U= 1;2.5)

n – число секций усреднителя.

                                      F =  = 5.12 м2                                         (2.8)

Принимаем В = 3 м, тогда

Н = F/B = 5.12/3 = 1.7 м

Длина усреднителя L, м, равна:

                                      L =  = 28 / 5.12 = 5.47 ≈ 5.5 м                      (2.9)

Барботёр – устройство необходимое для перемешивания жидкости в усреднителе путем подачи туда воздуха (барботажа). Его нужно укладывать либо поперек усреднителя, либо пристеночно.

Определяем длину барботёра при укладке поперек усреднителя, м.

                                      ,                                         (2.10)

Здесь H - геометрическая высота усреднителя, м.

Нг = 1.2* H = 1.2 * 1.7 = 2 м,

где H – расчетная высота усреднителя, м;

B – ширина секции усреднителя, м;

b - расстояние от барботёра до стены усреднителя (принимаем b=0.1 м);

h - расстояние от барботёра до дна усреднителя (принимаем h= 0.15м).

lб = 2 + 3 – 2 * 0.1 – 0.15 = 4.65 м;

Число барботёров N:

                                             ,                                                  (2.11)

где L – длина усреднителя, м;

l – расстояние между барботёрами (принимаем 2.75 м)

Nб = 5.5 / 2.75 = 2

Расчет удельного расхода воздуха q.

q - удельный расход воздуха, приходящийся на 1м  длины барботера в единицу времени,

Вычисляем q из следующего выражения:

                                                                     (2.12)

где  - минимальная глубина заполнения усреднителя:

                        = 0.5Н = 0.5 * 1.7 = 0.85 м                                      (2.13)

Выразим из выражения:

                                    1 + qв =         

                                        qв =  – 1                                 (2.14)

qв =  – 1 = 2 м32

Общий расход воздуха :

                                                                                             (2.15)

Где  - число секций усреднителя,

Qв = 2 * 4.65 * 2 = 18.6 м3/ч.

3.2.3. Расчет вертикального отстойника

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод мелких грубодисперсных примесей ( < 0,1 мм)  под действием силы тяжести [38].

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем. Осаждение происходит в восходящем потоке воды. Высота зоны осаждения 4-5 метров. Частицы движутся с водой вверх с определённой скоростью, а под действием силы тяжести – вниз. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. Эффективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10 – 20 %, чем в горизонтальных.

Находим критерий Архимеда Ar:

                                   Ar = dч3*(ρтв - ρж)*ρж*g2,                                  (3.1)

где dч – диаметр частиц (150 мкм = 15* м);

ρж – плотность воды (1000 кг/м3);

ρтв – плотность взвешенных частиц (2711 кг/м3);

g – ускорение свободного падения;

μ -  динамическая вязкость воды (0,001 Па*с);

Ar = (15*3 * (2711 – 1000) * 1000 * 9.81 / = 0.057;

Рассчитываем скорость свободного осаждения ωсв, м/с (при Ar ≤ 36):

                              ωсв = dч2 * (ρтв - ρж) *g / 18μ;                                   (3.2)

ωсв = (15*2 * (2711 – 1000) * 9,81 / = 0.00021 м/с;

Определяем скорости стесненного осаждения ωст, м/с (при  ωст < ωсв):

                                ωст = ωсв** ,                                      (3.3)

где Е – объемная доля жидкости в сточной воде (Е ≥ 0,7):

                                                 Е = 1-,                                                 (3.4)

где x- массовая доля взвешенных частиц;

ρтв – плотность взвешенных частиц (2711 кг/м3);

ρв - плотность сточной воды, кг/м3:

Е = 1- = 0.999;

ωст = 0,00021** = 0,000209 м/с;

Площадь осаждения твердых частиц F, м2:

                          F = А*  = А*,                                     (3.5)

где А – коэффициент, характеризующий тип сгустителя (1,33);

xcr – содержание твердых частиц в осадке сгустителя (0,4);

хосв = хкон / 100 = 0.00002

F = 1.33*  = 33 м2;

Выбираем типовой одноярусный сгуститель с центральным приводом Ц-9.

Коэффициент запаса Кз равен:

Кз =  *100%;

Кз =  *100% = 45%;

Степень очистки равна:

α =  * 100% = (443 - 20 / 443) * 100% = 95%

Технические характеристики вертикального отстойника представлены в таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Технические характеристики вертикального отстойника Ц-9

Размеры чана, мм:

диаметр

9000

высота

3000

Площадь осаждения, м2

60

Производительность (по твердому), т/сутки

60

Электродвигатель:

тип

АО-32-6

мощность, кВт

9.9

3.2.4. Расчет сорбционного фильтра

Начальная концентрация нефтепродуктов: Сн = 1.114 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС:

Вычислим поток загрязняющего вещества, :

                                          ,                                              (4.1)

где Q – объемный расход сточных вод, ;

С- концентрация нефтепродуктов , ;

С- конечная концентрация, :

G =18.43 * (1.114 – 0.05) * 10-3 = 0.0196 кг/ч

В качестве сорбента используем Пороласт – F.

Его сорбционная емкость Е = 80.

Рассчитаем поток ионита, :

                          П = G / E = 0.0196 / 80 = 0.000245 ,                     (4.2)

Найдем рабочий объем сорбционного фильтра на 1 цикл сорбции:

                      Vp = П * = 0.000245 * 2 = 0.00049 м3                         (4.3)

где  - время сорбции (задаем = 2 ч.)

выбираем загрузку на одну неделю.

Тогда: (8 * 3 / 2) * 7 = 84 цикла.

Рабочий объем сорбционного фильтра: Vp = 0.00049 * 87 = 0.0412 м3

Рассчитаем геометрические размеры сорбционного фильтра

Примем отношение высоты к диаметру: Н/ D= 2/1

Тогда из формулы диаметр равен:

                   D = =  = 0.297 ≈ 0.3 м                   (4.4)

Высота сорбционного фильтра:

                        Н = 2 * D = 2 * 0.3 = 0.6 м                                         (4.5)

Найдем геометрическую высоту адсорбера, м:

Нг = Нр + 0.3 + 0.3 = 0.6 +0.3 + 0.3 = 1.2 м

3.2.5. Расчет адсорбера

1). Начальная концентрация ионов меди: Сн = 0.245 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.001 мг/л

2). Начальная концентрация ионов никеля: Сн = 0.0344 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.001 мг/л

3). Начальная концентрация ионов цинка: Сн = 0.353 мг/л

Принимаем конечную концентрацию равную ВСС: Ск = 0.1 мг/л

Рассчитаем рабочий объем адсорбера для каждого вида ионов металлов.

Вычислим поток загрязняющего вещества, :

,

где Q – объемный расход сточных вод, ;

С- концентрация нефтепродуктов после флотации, ;

С- конечная концентрация нефтепродуктов, :

1). Для меди:

G =18.43 * (0.245 – 0.001) * 10-3 = 0.00376 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для меди Е = 100 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.00376 / 100 = 0.0000376 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.0000376 * 16 = 0.0006 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

2). Для никеля:

G =18.43 * (0.0344 – 0.001) * 10-3 = 0.000616 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для никеля Е = 100 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.000616 / 100 = 0.00000616 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.00000616 * 16 = 0.0000985 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

3). Для цинка:

G =18.43 * (0.353 – 0.1) * 10-3 = 0.00466 кг/ч

В качестве сорбента применяем катионит КУ-23-Na. Его сорбционная емкость для цинка Е = 80 кг/м3

Рассчитаем поток ионита, м3/ч:

                          П = G / E = 0.00466 / 80 = 0.0000582 

Найдем рабочий объем адсорбера:

                      Vp = П * = 0.0000582 * 16 = 0.00093 м3                        

где  - время сорбции (задаем = 16 ч.)

Принимаем рабочий объем адсорбера на 1 цикл сорбции:

Vp = 0.00093 м3

Выбираем загрузку на 1 месяц.

Тогда: (8 * 3 / 16) * 30 = 45 циклов.

Рабочий объем сорбционного фильтра: V