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

Расчетные зависимости эффективности очистки вод (%) загрузкой Fe : C от некоторых ИТМ:

Y_Zn = 93,43 + 5,23 x₁ + 3,68 x₂ - 3,33 x₁ x₂,   (2)

Y_SO4 = 25,45 + 9,3 x₂,   (3)

Y_Ca = 43,85 + 6,20 x₁ + 15,75 x₂ - 4,75 x₁ x₂,   (4)

Y_Pb = 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:

Y_Ni = 68,25 - 21,75 x₂,   (6)

Y_Cu = 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

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