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:

Формула для вычисления Кч5Э

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:

Обобщенный 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):

Обобщенное значение КОБРЭП

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