Влияние на основной процесс (производительность, качество продукции, издержки)

(концентрация механических

примесей, нефти,

Сточные воды

масла, жиров, кислот, щелочей, органических

веществ, сульфидов,

фенола, аммиака, растворенных солей)

Рис. 4.3. Факторы, характеризующие способ очистки воды

видам загрязнений; Д ⁾ и Д ⁾ — содержание (концентрация) г-го вида загрязнения в сточных водах до и после очистки; у_{ — коэффициент относительной опасности {-го вида загрязнения.

При повышении температуры сточных вод производят их охлаж­дение и в этом случае:

КОВ = (7™ - 7*⁰⁾) / 7*⁰⁾,

где Т⁽⁰⁾ и Т⁽¹⁾ — температура до и после использования сточных вод. Экономичность процесса очистки определяют по соотношениям:

Э = X(в⁽⁰⁾ - )7г ■ С/(XЦ ■ А_к + XЦ ■ т_}/ V);

гк ]

Э = ((77⁽¹⁾ -Т⁽⁰⁾)С_Г)/(ХЦк ■ а_к +XЦ ■ т_]/V).

к]

Используя эти соотношения, определяют либо количество очищен­ного вещества в стоимостном или натуральном выражении, либо сниже­ние температуры на единицу затрат на процесс очистки. Выражение:

(XЦк ■ ^ + (XЦ] ■ Г])^)

^к

представляет издержки на очистку по предлагаемому способу, вклю­чающие издержки на эксплуатацию очистного оборудования и изме­нение издержек в основном производстве при использовании очист­ного оборудования. С и С_Т — удельные стоимостные нормативы на единицу загрязнений или температуры; Ц_к и Л_к — цена и расход к-го вида ресурсов для процесса очистки на единицу объема очищаемой воды; Ц и г — цена и расход дополнительных ресурсов, вовлекаемых в основной процесс в связи с очисткой, на единицу продукции; V — объем очищаемой воды на единицу продукции.

Производительность способа очистки сточных вод определяется объемом очищаемых вод в единицу времени.

Эффективность способа очистки сточных вод определяется соотно­шением:

е=Х (р_{ (А⁽⁰⁾,А⁽¹⁾) - Ф (Лк) -АР{ К)/ХК-а,,

{{

где К_ь — выручка от реализации утилизированных осадков

сточных вод, снижение платы за выбросы или экологического ущерба за год (; АР₍ — снижение прибыли в основном производстве за год (; Ф((Л_к) — издержки на эксплуатацию системы очистки за год (; а₍ — коэффициент приведения разновременных затрат; К — капитальные затраты на установку и пуск системы очистки.

Комплексным показателем, характеризующим систему водоснаб­жения предприятия, является степень ее изолированности (доля по­вторно используемой воды). В настоящее время этот показатель состав­ляет: в нефтепереработке и нефтехимической промышленности — 90%, в черной металлургии — 80%, в целлюлозно-бумажной промышлен­ности — 60%.

Процесс удаления загрязняющих веществ из промышленных сточ­ных вод включает несколько этапов: предварительный (процежива­ние и выделение тяжелых примесей, усреднение и хранение, отделе­ние нефти), первичной (нейтрализация и отстаивание), вторичной (отстаивание, использование активного ила и биологических фильт­ров, анаэробное сбраживание, аэрация, закачка в скважины) и третич­ной очистки (экстракция, коагуляция и отстаивание, фильтрация, угольная адсорбция и ионообмен). Эти процессы используют в раз­личных сочетаниях в зависимости от типа производства, состава сто­ков и требований к качеству очищенной воды (табл. 4.2).

Удельные капитальные затраты на строительство комплекса по пер­вичной очистке меньше в 1,5-1,8 раза, чем по вторичной, и в 8-10 раз, чем по третичной. Причем очистка воды до 99% стоит в 10 раз, а очист­ка до 99,9% — в 100 раз дороже, чем до 90%.

Системы водоснабжения промышленных предприятий должны удов­летворять двум основным требованиям:

1. Бесперебойное обеспечение производства водой необходимого количества и качества.

2. Защита водных источников от загрязнений.

На выполнение этих требований влияют: структура производства (виды переделов, технология и состав основного и вспомогательного оборудования, объем и номенклатура продукции); структура системы водоснабжения (схема водоснабжения, качество «свежей» техниче­ской воды, состав оборудования конденсирования и транспортировки используемой воды, технология утилизации и удаления отходов).

Для очистки сточных вод предприятий существует 6 схем водоснаб­жения: схема 1 — прямоточная система (сброс воды в водоемы осуще­ствляется без очистки), на предприятиях практически не применяет­ся. Схемы 2 и 3 — повторного использования воды (сброс без очистки) и с осветлением сточных вод на сооружениях очистки и стабилизации. Они применяются на предприятиях, расположенных вблизи мощных

водных источников. Во всех трех схемах практически отсутствует утили­зация загрязнителей. Схема 4 — повторного использования условно-чистой воды и оборотного водоснабжения загрязненной воды. Эта схема формируется в процессе реконструкции схем 2 и 3. Наиболее широко используется схема 5 — оборотного водоснабжения. Здесь происходит утилизация железосодержащих отходов, части нефте­продуктов и хорошо растворимых солей. Схема 6 — бессточного водо­снабжения — самая перспективная и используется при проектирова­нии новых предприятий. По этой схеме утилизируются все отходы и практически отсутствует сброс.

Доля загрязнения воды различными загрязнителями при различ­ных схемах очистки различна (рис. 4.4).

Для схем 1-4 — более половины составляет загрязнение нефтепро­дуктами, а для схем 5 и 6 — это хорошо растворимые вещества. При­чем в схеме 6 они составляют 100%.

Например, для экономической оценки описанных технологических схем необходимо рассмотреть себестоимость используемой воды, за­траты на водоснабжение и их долю в себестоимости стали, экологиче-

Доля загрязнения

41 I I I Г"I I II II I

2

1

1 2 3 4 5 6

Схема очистки

Рис. 4.4. Доля загрязнения сточных вод загрязнителями при использовании 1-6 схем очистки (1 — доля загрязненности нефтепродуктами; 2 — доля загрязненности хорошо растворимыми веществами; 3 — тепловое загрязнение; 4 — доля твердых взвешенных веществ)

ский ущерб окружающей среде за счет выбросов загрязненных стоков и экономический эффект от применения каждой из рассмотренных схем (рис. 4.5).

Проведя анализ всех предлагаемых показателей, можно сделать вывод об экономической целесообразности использования схем водо­снабжения. Естественно, что схема бессточного водоснабжения техни­чески более сложна, требует дополнительных затрат на ее эксплуатацию, но обеспечивает практически полное сокращение экологического ущерба.

Например, в систему водоснабжения широкополосного стана горя­чей прокатки входит локальный (внутрицеховой) условно чистый оборотный цикл участка охлаждения готового металла, а также внеш­ний оборотный цикл водоснабжения оборудования. Вода, используе­мая для гидросбива окалины, проходит три ступени очистки в сетча­тых фильтрах и циркулирует в «грязном» оборотном цикле.

Реализуется оборотный цикл как комплекс следующих операций: выделение примеси, сгущение остатка, обезвоживание остатка, утили­зация остатка, забор воды на пополнение (сбор поверхностных вод на

к

У

Э, У, к, с

1

Схема очистки

Рис. 4.5. Себестоимость воды С, экологический ущерб У, экономический эффект Э и капитальные вложения К при использовании 1-6 схем очистки

территории предприятия), очистка потока пополняющей воды, очист­ка систем трубопроводов, очистка отстойников и фильтров, охлажде­ние воды. Фактически оборотная система водоснабжения — это спе­цифическая производственная система.

Мероприятия по предотвращению сбросов загрязненных вод мож­но разделить на следующие группы:

• предотвращение смешения вод с различными загрязнителями (прежде всего бытовыми и промышленными);

• переход предприятий на замкнутый цикл водоснабжения;

• применение безводных технологий;

• совершенствование процессов охлаждения;

• совершенствование процессов очистки воды. Безводные технологии в металлургии предполагают:

• сухую очистку доменных и конвертерных газов;

• устранение окалины в пескометных и дробеметных установках, щетками перед станом;

• замена доменного производства прямым восстановлением. Для совершенствования технологии охлаждения применяют:

• спрейреры (сокращение расхода воды на 25%);

• турбулизацию воды в ванне с водой (сокращение до 50%);

• систему «водяная завеса» (сокращение в 2 раза);

• охлаждение водовоздушной смесью — вода и сжатый воздух.

Вместо обычных систем водяного охлаждения эффективно приме­нение систем: испарительных (охлаждение кипящей водой и переход ее в пар); горячей химически очищенной воды (начальная температу­ра 70-90 °С, выходная 95-130 °С); бипарной (охлаждение через про­межуточный теплоноситель — очищенная вода, специальная смесь).

4.3. Методы очистки стоков гальванического производства

В системах водоснабжения гальванических производств в настоящее время применяется главным образом водопроводная вода, которая используется для приготовления рабочих растворов и для промывки деталей после нанесения покрытий. В соответствии с установленными требованиями допускается также использование технической воды для промывки деталей после операций обезжиривания, травления

и декапирования. Для окончательной промывки деталей перед суш­кой применяется дистиллированная вода.

В процессе химической обработки деталей вода загрязняется раз­личными примесями, среди которых наиболее токсичны соединения хрома, циана, кадмия и других тяжелых металлов.

Хромосодержащие стоки образуются после операций хромирова­ния и пассивации. Они содержат хроматы в количестве 80-120 мг/л.

Цианосодержащие стоки образуются после процессов цианистого меднения, цинкования, кадмирования. Концентрация цианидов в этих стоках колеблется от 5 до 30 кг/л.

Кислотно-щелочные стоки объединяют промывание воды после всех гальванических ванн (никелирования, цинкования, меднения, луже­ния, оловянирования, обезжиривания, травления). Они составляют 80-90% от общего объема сточных вод гальванических производств и помимо ионов тяжелых металлов содержат в своем составе кислоты, щелочи, поверхностно-активные вещества, амины и блескообразую-щие добавки.

Кислотно-щелочные стоки в большинстве случаев обезвреживают­ся путем их взаимной нейтрализации и последующей обработки нега­шеной известью. Образующиеся в результате гидроокиси тяжелых металлов отделяются отстаиванием, а осветленная и нейтрализован­ная вода сбрасывается в канализацию.

Обезвреживание сточных вод, содержащих токсичные соединения 6 валентного хрома, осуществляется восстановлением его до 3 валент­ного бисульфитом натрия или другим восстановлением в кислой сре­де с последующим осаждением в виде гидроокиси растворами кальци­нированной или каустической соды.

Цианосодержащие стоки обезвреживаются путем окисления циа­нидов гипохлоритом натрия или другим окислителем в щелочной сре­де до цианитов, гидролизующихся в нетоксичные соединения.

Из дистилляционных процессов наиболее эффективным является метод упаривания загрязненной воды в вакууме при температуре ки­пения воды 60-65 °С. Расход электроэнергии составляет 2,5 кВт на 1 л выпариваемой воды.

Ионный обмен эффективен при малых концентрациях солей в воде (до 500-1000 мг/л) и в безотходной технологии может быть рекомен­дован для очистки промывных вод и в качестве дополнительной обра­ботки стоков после гиперфильтрации или электродиализа, когда кон­центрация солей составляет 5-10 мг/л.

Метод электродиализа можно применять для очистки промывной воды и после таких операций, как хромирование, меднение, пассиви­рование цинковых и кадмиевых покрытий. Он особенно удобен для гальванических цехов, где используются источники постоянного тока.

Требованиям оборотных систем водообеспечения гальванических производств по основным технологическим показателям отвечает ме­тод электрокоагуляции, который позволяет осуществить высококаче­ственную очистку гальванических стоков от 6-валентного хрома, цинка, меди, никеля при концентрации их до 500 мг/л, а также от примесей масла и красок при содержании последних до 80 мг/л. После электро-коагуляционной обработки содержание указанных веществ не превы­шает предельно допустимых норм для открытых водоемов.

Несмотря на то что электрокоагуляционный метод не решает пол­ностью вопросов, связанных с разработкой замкнутых систем водо-оборота, он находит все более широкое практическое применение для очистки промышленных гальванических стоков. Это связано с воз­можностью быстрой (время электрокоагуляции составляет 10-20 мин.) и эффективной обработки сточных вод.

Для обезвреживания цианосодержащих стоков, а также для очист­ки сточных вод от нефтепродуктов, жиров, поверхностно-активных веществ весьма эффективным является использование озонирования, применение которого не сопровождается повышением солесодержа-ния очищенной воды. Данный способ применим для обработки лю­бых объемов сточных вод с любой концентрацией цианидов.

При ионообменном методе удаление примесей металлов осуществ­ляется в результате катионного обмена. Однако ионообменный метод отличается высокой трудоемкостью, сложностью аппаратурного оформ­ления и необходимостью регенерации ионитов и нейтрализации обра­зующихся элюатов. Указанных недостатков лишен электрохимический метод, который отличается простотой технологической схемы, приме­нением компактного оборудования и надежностью в эксплуатации.

Электрохимический процесс регенерации растворов осуществляет­ся в диафрагменном электролизе под действием постоянного элект­рического тока в результате миграции и осаждения примесей в катод­ном пространстве и концентрирования раствора в анодном. Более экономичным является проведение электролиза при невысокой силе тока. Подлежащий обработке раствор восстанавливают на катоде, из­готовленном из любого металла или другого проводника г-го рода (уголь, карбид и др.). Анодом могут служить железо, свинец, цинк, алюминий.

За последние 5-10 лет наблюдается ускоренное развитие этой тех­нологии во всех экономически развитых странах, что объясняется ее низкой энерго- и материалоемкостью, экологичностью, сравнитель­ной простотой аппаратурного оформления, невысокими капитальны­ми затратами и их быстрой окупаемостью.

В обратноосмотических процессах используются мембраны с раз­мером пор не более 3 нм, которые задерживают соединения с молеку­лярной массой до 500. Рабочее давление процесса находится в преде­лах 2-10 МПа.

Ультрафильтрация используется в основном для очистки, фракци­онирования и концентрирования растворов олигомеров и полимеров с молекулярной массой 500-300 000. Размеры пор ультрафильтраци­онных мембран составляют 5-50 нм, а рабочее давление растворов 0,1-2 МПа.

Для очистки воды и технологических растворов от коллоидных взвесей, частиц биологического происхождения, полимеров с молеку­лярной массой 300 000-500 000, масляных эмульсий применяется микрофильтрация. Микрофильтрационные мембраны характеризу­ются размером пор 100-10 000 нм и функционируют при давлении 0,03-0,1 МПА.

Ультрафильтрация может быть использована для очистки гальва­нических стоков от поверхностно-активных веществ, а микрофильт­рация — для очистки коллоидных взвесей, высокомолекулярных со­единений и масляных эмульсий.

Практика показывает, что при больших объемах производства наи­более экономичным является создание малоотходных технологиче­ских схем водооборота на основе сочетания различных методов.

Применение комбинированных схем с включением различных ме­тодов очистки позволяет создать гибкую перестраиваемую техноло­гию комплексной переработки гальванических стоков в зависимости от проводимых операций и видов наносимых покрытий.

Утилизация твердых отходов гальванического производства

Шламы, образующиеся в процессе нейтрализации сточных вод, отно­сятся к жидким, так как содержат 92-99% воды. Для использования шлама в качестве вторичного сырья необходимо провести операцию обезвоживания и сушки.

В установке воздушно-термической сушки осадок загружается в авто­матические перемещающиеся по заданному режиму сектора, подключен­ные к калориферу, с обеспечением автономной выгрузки высушенного осадка. В установке инфракрасной сушки исходный осадок продавли­вается через щели, образованные ножами, для формирования равно­мерного слоя и перемещается ленточным конвейером для высуши­вания. Такой осадок пригоден для изготовления стройматериалов, керамики, для производства стеклоэмалевых покрытий, изготовления ферритов, углеродно-минеральных сорбентов и др.

Существуют различные методы переработки шлама в сырье для металлургической промышленности:

• Метод Кова. Производится возгонка хлоридов. Возгоняют содер­жащиеся в пиритных шлаках металлы (медь, цинк, свинец) и из­влекают их «мокрым» способом.

• Метод Юэльса. Цинк и свинец удаляют возгонкой, а никель и медь в виде штейна продают другим фирмам.

• «Сухой» метод (метод возгонки). Смесь шлама с коксом нагрева­ется при температуре 700-1300 °С в неокислительной среде, при этом свинец, цинк, кадмий возгоняются. Гидроокиси хрома и цин­ка можно восстановить углеродом или водородом при 1000 °С.

• «Мокрый» метод включает процессы выщелачивания, цементи­рования, промывки, концентрирования, разделения и, наконец, выделения металла.

• Электролиз. В основе его лежат реакции окисления-восстанов­ления. Применяется для удаления примесей или выделения ме­таллов. Для восстановления окиси хрома используется водный раствор хромовой кислоты (10-20 г/л). Материалами катода и анода служат оксиды свинца и железа. При рН = 3 в раствор не­прерывно добавляют шлам, и происходит выделение хрома.

• Экстракция. Применяется для обработки больших количеств ра­створов со средней концентрацией (1-10 г/л) металлов, восста­новления металлов и кислот (МКВ). Шламы растворяются в сер­ной кислоте, отфильтровываются, и из фильтра экстрагируют медь препаратом ЫХ64К¹. Затем диэтиленовым эфиром фосфор­ной кислоты экстрагируют цинк и железо. Органическую фазу обрабатывают разбавленной серной кислотой, тем самым пере­водят цинк (двухвалентный) в водный раствор (железо остается в органической фазе), а затем концентрированной серной кисло­той реэкстрагируют железо. Для извлечения никеля используют реактив МХ-200, отличающийся высокой селективностью в от­ношении экстракции никеля. Двухвалентный никель реэкстра-гируют в виде сульфата при обработке органической фазы кон-

центрированной серной кислотой. После очистки от меди, цинка, железа и никеля фильтрат нейтрализуют едким натрием и осаж­дают гидрооксид хрома. Отличительные черты этого метода — строгий контроль рН-среды при экстракции и дороговизна про­цесса.

• Восстановление водородом под давлением гидрооксидов метал­лов. Таким путем отделяют никель от цинка. В системе №С1₂-Мд с концентрацией никеля 50 г/л восстановление бывает полным при давлении водорода 13,8 атм. и температуре 200 °С, но при до­полнительном введении оксида Мд (более 105%) степень восста­новления никеля уменьшается. Это связано с образованием сме­шанных гидрооксидов (№, Мд) (ОН)₂. В системе №80₄-Мд0 при 5% избытке очистки Мд-№ восстанавливается полностью.

4.4. Методы переработки промышленных отходов

По оценке природоохранных органов, в Российской Федерации обра­зуется ежегодно до 20 млн т токсичных промышленных отходов, они хранятся на территориях предприятий, откуда их вывозят на город­ские свалки или в овраги. Из года в год увеличиваются площади сель­скохозяйственных угодий, используемых для утилизации отходов (Калмыкия, Татария, Смоленская, Томская и другие области).

Отходы делятся на отходы металла, дерева, пластмасс и других материалов, пыль минерального и органического происхождения от очистных сооружений в системах газоочистки, промышленный мусор.

Интегральные экономические характеристики способа переработки промышленных отходов: коэффициенты изменения их физического состояния и химического состава; производительность; экономичность; отчуждение территории; возвратность ресурсов; эффективность.

Коэффициент изменения физического состояния определяется со­отношением:

сыпная плотность и т. п.) отходов на входе в процесс переработки и на выходе.

Коэффициент изменения химического состава рассчитывается по формуле:

где гщ°> и гп⁽¹> — показатели химического состояния (концентрация веществ, содержание элементов и т. п.) отходов на входе в процесс пе­реработки и на выходе.

Производительность способа переработки отходов — это количе­ство отходов, подвергающихся обработке в единицу времени.

Экономичность процесса переработки отходов выражается отноше­нием полученных результатов в виде объема перерабатываемых отхо­дов в натуральном и стоимостном выражении к величине издержек на 1 т перерабатываемых отходов:

Э = ТУ_г /1 ДА,

гк

где V — годовой объем перерабатываемых отходов г-го вида; Ц_к и й_к — цена и расход ресурсов к-го вида на переработку отходов.

Если переработка отходов влияет на качество выпускаемой продук­ции, производительность оборудования или используемые ресурсы основного производства, то к издержкам производства добавляются дополнительные издержки основного производства. Они определяются как произведение цены дополнительных ресурсов на их количество.

Отчуждаемая территория характеризуется тремя параметрами: пло­щадью, сроком изъятия из пользования, затратами на ее восстановле­ние в будущем. Отчуждаемая территория разделяется на два вида: для размещения оборудования, используемого в процессах переработки отходов, для длительного хранения отходов (захоронения). Поэтому коэффициент отчуждения территории определяется следующим обра­зом:

• для размещения оборудования:

КОТ(О) = 5 / д,

где 5 — площадь отчужденной территории, м²; д — годовая производи­тельность оборудования по переработке отходов, т;

• для хранения отходов:

КОТ(х) = 5Т / У₀,

где Т — период, в течение которого осуществляется отчуждение терри­тории, годы; У₀ — объем отходов, подлежащих захоронению, т.

Возвратность перерабатываемых ресурсов определяется возможно­стью их вовлечения в переработку, что характеризуют коэффициента­ми полезного использования и коэффициентами технологической ценности.

Коэффициент полезного использования отходов определяется как отношение отходов, возвратившихся в производство, к общему коли­честву отходов после их переработки:

кпи=о?°> - ^⁽¹⁾)/^⁽⁰⁾,

где У/⁰⁾ и — количество отходов после переработки и количество отходов, подвергшихся захоронению или безвозвратно потерянных, т.

Факторы, характеризующие способы переработки отходов, пред­ставлены на рис. 4.6. Утилизация реализуется в виде различных опе­раций в зависимости от видов перерабатываемых отходов (табл. 4.3).

Используемые ресурсы (электроэнергия, рабочая

жидкостьдрудовые ресурсы, кислород, газы, вспомогательные материалы)

Безвозвратные отходы

Захоронение отходов (отчуждаемая территория)

Вторичное сырье

Отходы после переработки

«Г

(объем, насыпная плотность, масса)

Отходы в производстве

_«г

Оборудование

т,

(1)

7,

_{(объем,насыпная плотность, масса)}

(0)