Акты внедрения:
Ресурсо - экологический потенциал КТГО ПСВ
Комплексная технология глубокой очистки промышленных сточных вод (КТГО ПСВ) от ионов тяжелых металлов (ИТМ), токсичных органических веществ (ТОВ), различных красителей, с одновременным снижением общего содержания солей в очищаемых растворах основана на последовательном использовании методов гальванокоагуляции (ГК) и шпинельной ферритизации (ШФ). Теоретические основы процессов, происходящих как на электродах гальванопары, так и в объеме очищаемых растворов были изложены в статье «Теория и практика гальванокоагуляционного метода очистки» («Экология производства» № 3, 2006 г.).
Вместе с тем отсутствие обоснованных научных и практических рекомендаций по расчету и выбору технологических регламентов для различных категорий ПСВ, а также ресурсно-экологической оценки (потенциала) КТГО не позволяет включить эту технологию в нормативную проектно-строительную документацию, что сдерживает широкое внедрение ее в водоохранную практику.
Анализируя существующие в проектно-эксплуатационной практике подходы к выбору технологических решений с учетом экологических требований, следует отметить, что для крупных объектов, масштабно влияющих на окружающую среду, законодательно предусмотрено проведение процедуры ОВОС, для менее значимых - выбор технических и технологических решений определяется по параметрам нагрузки на окружающую среду в виде лимитированных сбросов. При этом, как правило, не анализируются внутренние функции процесса, обуславливающие конечные сбросы.
Оценка этих технологий с применением функционально-стоимостного анализа (ФСА) позволяет дифференцированно установить количественное влияние на процесс в целом отдельных их составляющих и, соответственно, - определить направления их оптимизации. Однако при ФСА за чертой рассмотрения остаются ресурсные и экологические характеристики процессов.
В последние годы в природоохранной практике эффективность технологического процесса предложено характеризовать обобщенным показателем - ресурсно-экологическим потенциалом (РЭП), что позволяет совокупно оценить степень ресурсосбережения и воздействия любой природоохранной технологии на окружающую среду, а также сравнивать конкурирующие варианты, оптимизировать технологические решения на основе частных ресурсных и экологических коэффициентов.
Северо-Кавказским отделением экологии Государственного учреждения «Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами» МПР России (СКО НИЦ ПУРО, г. Пятигорск) были проведены необходимые научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, а результатами промышленного внедрения КТГО ПСВ были подтверждены полученные этими исследованиями регрессионные уравнения очистки ПСВ от основных загрязнений и количественные характеристики частных ресурсных и экологических коэффициентов.
При гальванокоагуляции и шпинельной ферритизации одновременно протекают сопряженные электрохимические, химические и физико-химические реакции, продукты которых обеспечивают технологический и природоохранный эффект, что совместно может быть оценено по РЭП.
Частными ресурсными (Р) коэффициентами РЭП для КТГО по сравнению с ближайшим аналогом - электрокоагуляцией (ЭК) определено 11 основных:
- снижение потребления свежей воды за счет организации оборотного водоснабжения (Кч1Р);
- использование железосодержащих отходов взамен проката (Кч2Р);
- вторичное использование выделенных из сточных вод продуктов и (или) реагентов (Кч3Р);
- снижение потребления кислот и (или) щелочей для регулирования рН (Кч4Р);
- снижение потребности в ионообменных материалах (мембранах) для уменьшения солесодержания обрабатываемых вод (Кч5Р), и др.
Частными экологическими (Э) коэффициентами РЭП для КТГО определены:
- снижение нагрузки загрязнений по ионам тяжелых металлов на гидросферу (Кч1Э);
- то же, органических веществ( Кч2Э);
- то же, неорганических (Кч3Э);
- то же, общего солесодержания (Кч4Э);
- снижение нагрузки загрязнений по тяжелым металлам на литосферу (Кч5Э);
- снижение сбросов в атмосферу за счет уменьшенного потребления электроэнергии для производства прокатного листа (Кч6Э);
- то же, для сушки шлама (Кч7Э);
- то же, для электрохимического процесса (Кч8Э, табл. 1).
Значение каждого коэффициента вычисляется в виде отношения фактического показателя, полученного при обработке вод КТГО, к нормативной величине или имеющемуся лучшему аналогу технологии.
Например для вычисления Кч5Э - коэффициента снижения нагрузки загрязнений по тяжелым металлам на литосферу при сравнении КТГО с электрокоагуляцией используем отношение:

где:
- в числителе СCdктго , СCrктго, СNiктго, СZnктго , СCuктго , СFeктго - содержание Cd, Cr, Ni, Zn, Cu, Fe в сточных водах, очищенных методом КТГО;
- ПДКCd .... ПДКFe - соответственно, их ПДК в почвах; в знаменателе с индексом ЭК - содержание при очистке методом электрокоагуляции.
После теоретического или экспериментального определения значений частных ресурсных КчiР и экологических КчnЭ коэффициентов вычисляется обобщенный (оценочный или оптимизационный) показатель КОБРЭП процесса ГК:

По величине КОБРЭП, руководствуясь шкалой (табл. 1), определяется качественная оценка воздействия на окружающую среду процесса или качественная характеристика оптимизируемого фактора.
Оптимизация режимов ГК осуществлялась проведением эксперимента с варьированием времени обработки, температуры и рН модельных растворов, что позволило получить регрессионные уравнения, адекватно описывающие процесс одновременного извлечения отдельных ингредиентов из многокомпонентной смеси, и оценить вклад каждого из факторов.
Таблица 1 - Ресурсно-экологическая шкала оценок процесса КТГО по РЭП
Количественные значения | Качественная оценка степени воздействия на окружающую среду по коэффициенту | ||
---|---|---|---|
Обобщенному, КОБРЭП | Ресурсному, КчiР | Экологическому КчnЭ | |
> 1,01 | Недопустимая | Неудовлетворит. | Опасная |
0,81 - 1,00 | Допустимая | Достаточная | Сильная |
0,80 - 0,631 | Средосовместимая | Удовлетворительная | Средняя |
0,63 - 0,371 | Средозащитная | Средняя | Удовлетворит. |
0,37 - 0,201 | Минимальная | Хорошая | Низкая |
0,20 - 0,01 | Отсутствие | Высокая | Отсутствует |
Расчетные зависимости эффективности очистки вод (%) загрузкой Fe : C от некоторых ИТМ:
YZn = 93,43 + 5,23 x1 + 3,68 x2 - 3,33 x1 x2, (2)
YSO4 = 25,45 + 9,3 x2, (3)
YCa = 43,85 + 6,20 x1 + 15,75 x2 - 4,75 x1 x2, (4)
YPb = 80,625 + 11,875 x1 + 8,125 x2, (5)
где:
- x1 - время обработки вод в лабораторном гальванокоагуляторе (10 - 20 мин);
- x2 - температура процесса, (15 - 40 оС).
Остаточное содержание ионов никеля и меди в воде (% от исходного) рассчитывается по выражениям:
YNi = 68,25 - 21,75 x2, (6)
YCu = 23,05 - 21,70 x1, (7)
где:
- x1 - время обработки вод в ГК (2,5 - 15 мин);
- x2 - концентрация серной кислоты в растворе (2,5 - 100 г/л).
Анализируя в кодированных переменных зависимости со второй по пятую, можно видеть, что наибольший вклад в повышение эффективности процесса вносит температура очищаемых ПСВ, величина которой вследствие электрохимических взаимодействий гальванопар повышается на 6 - 100 оС по сравнению с исходной.
Полученные расчетами и результатами практического внедрения значения частных ресурсных и экологических коэффициентов процессов очистки сточных вод гальванического производства КТГО в сравнении с ЭК методом приведены в таблице 2.
Из таблицы следует, что большую долю в обобщенный РЭП вносит ресурсная составляющая. Однако именно эту составляющую и не учитывают в настоящее время при технико-экономическом и экологическом обосновании выбора технологий.
Таблица 2 - Качественные и количественные оценки процессов КТГО
Компонент процесса | Коэффициент | Оценка процесса | ||
---|---|---|---|---|
Технологический фактор | Степень ресурсосбережения | |||
Количественная | Качественная | |||
Ресурсный | Кч1Р | Потребление свежей воды | 0,1 | Высокая |
Кч2Р | Аноды из отходов железа | 0,23 | Хорошая | |
Кч3Р | Использование выделенных продуктов | 0,5 | Средняя | |
Кч4Р | Кислоты и щелочи | 0,1 | Высокая | |
Кч5Р | Ионообменные материалы | 0,29 | Хорошая | |
Кч6Р | Сорбционные материалы | 0,1 | Высокая | |
Кч7Р | Окислители | 0,25 | Хорошая | |
Кч8Р | Электроэнергия | 0,16 | Высокая | |
Кч9Р | Объем и габариты сооружений очистки вод | 0,2 | Высокая | |
Кч10Р | Обезвоживание шламов | 0,1 | Высокая | |
Кч11Р | Сушка шламов | 0,67 | Удовлетв. | |
Итого: КЧР 0,179 х (10) - 7 | ||||
Компонент процесса | Коэффициент | Оценка процесса | ||
Гидросфера | Воздействие на ОПС | |||
Количественная | Качественная | |||
Экологический | Кч1Э | тяжелые металлы | 0,21 | Слабое |
Кч2Э | Гидросфера, органика | 0,1 | Отсутствие | |
Кч3Э | Гидросфера, неорганика | 0,44 | Удовлетв. | |
Кч4Э | Гидросфера, минералция | 0,67 | Среднее | |
Кч5Э | Литосфера, шламы | 0,19 | Отсутствие | |
Кч6Э | Атмосфера, обезвоживание | 0,5 | Удовлетв. | |
Кч7Э | Атмосфера, сушка | 0,59 | Удовлетв. | |
Кч8Э | Атмосфера, очистка | 0,02 | Отсутствует | |
Итого: КЧЭ 0,694 х 10 - 5 |
С учетом полученных КчiР и КчnЭ определим обобщенное значение КОБРЭП функции оптимизации гальванокоагуляции по ресурсно-экологическому потенциалу (1):

Исходя из КОБРЭП (табл. 1), влияние КТГО ПСВ гальванических производств на окружающую среду качественно оцениваем как «минимальную степень воздействия».
Выбор технологий и методов очистки при проектировании гальванических производств выполняется согласно требованиям действующих СНиП 2.04.03-85* «Канализация. Наружные сети и сооружения».
Этим СНиПом разработаны условия и технологические требования по очистке сточных вод гальванических производств реагентным и электрокоагуляционным методами, которые по многим параметрам не отвечают современным природоохранным и экономическим требованиям.
Все полученные результаты по РЭП позволяют разработать рекомендации для включения КТГО ПСВ с использованием ГК и ШФ для гальванических производств в СНиП 2.04.03-85*.
Одновременно с этим, была разработана типовая аппаратурная схема КТГО ПСВ гальванических, кожевенных, шубно-меховых и красильных производств, участков печатных плат, горно-металлургических предприятий и т.п. Технологические показатели степени очистки стоков от основных загрязнений приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Технологические показатели результатов КТГО
Показатель | Исх., мг/л | 1 ступень, мг/л | 2 ступень, мг/л | 3 ступень, мг/л | КТГО мг/л | ПДК, мг/л питьевой воды |
---|---|---|---|---|---|---|
рН | 2 - 4 | 4 - 5 | 5 - 7 | 8,5 | 8,5 | 6,5 - 8,5 |
ХПК | 1350 | 650 | 280 | 76,0 | 60 | Нн |
СПАВ мягкие | 40 | 26 | 8 | 1,6 | 0,6 | Нн |
Хром VI | 150 | 10 | 0,1 | сл. | сл. | 0,05 |
Хром III | 150 | 30 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 0,001 |
Цинк II | 50 | 20 | 4,2 | 0,8 | 0,01 | 5,0 |
Никель II | 30 | 16 | 2,0 | 0,4 | 0,05 | 0,1 |
Медь II | 150 | 5 | 0,5 | 0,01 | 0,001 | 1,0 |
Кадмий II | 5 | 3,5 | 0,5 | 0,01 | 0,001 | 0,001 |
Фториды | 50 | 10 | 2,2 | 0,7 | 0,4 | 1,2 |