Методическое пособие 753

ля. Всегда будет оставаться некий остаточный риск, который, в крайнем случае, при необходимости, может быть сведѐн к страховому случаю. Задача минимизации рисков заключается

вправильном определении уровня остаточного риска и его учете в практической деятельности. Однако часто бывает так, что остаточный риск вдруг резко увеличивается до неприемлемого уровня и может нанести вполне реальный ущерб. Так происходит, например, когда появляется новый компьютерный вирус, незнакомый средствам антивирусной защиты. В этом случае должен существовать резервный план действий, позволяющий минимизировать ущерб, наносимый этим вирусом после его проникновения в систему.

9.Наиболее правильный и эффективный способ минимизировать риски безопасности

— на основе правильно сделанного прогноза разработать политику безопасности, отвечающую интересам собственника, и в соответствии с ней построить систему безопасности. Такая система безопасности способна выдержать практически все известные атаки, актуальные для актива, который защищает собственник.

10.Однако далеко не каждый собственник располагает необходимым потенциалом и достаточным опытом для подготовки грамотного прогноза. Поэтому прогноз может составляться на корпоративной основе в тесном сотрудничестве с провайдером облачных услуг, централизованно, с учетом опыта ведущих специалистов по обеспечению безопасности ИКТ, а также с учетом международного опыта. Также на корпоративной основе, централизованно могут разрабатываться и основные требования по безопасности, определяющие общий для всех субъектов облачных вычислений необходимый и достаточный уровень безопасности.

11.Политика безопасности должна разрабатываться конкретно для каждого собственника «облачных» ресурсов, c учетом его особенностей, масштаба организации, степени зрелости процессов управления безопасностью и информационными ресурсами.

12.Соблюдение мер безопасности в значительной степени является элементом корпоративной и личной этики, поэтому на общий уровень безопасности организации облачных вычислений оказывает большое влияние личное «зрелое» отношение сотрудника к своим собственным обязанностям и к бизнесу организации, а также взаимоотношения сотрудников внутри коллектива и между коллективом провайдера «облака» и собственником «облачных» активов. Всем этим необходимо управлять и проводить ясную кадровую политику.

13.Меры по реализации выбранной политики безопасности должны финансироваться

вдостаточном объеме.

14.Собственник может убедиться в том, что средства расходуются правильно, проведя аудит расходования средств.

15.Технические меры защиты в силу ряда причин имеют некоторую тенденцию к ослаблению, в результате чего общий уровень безопасности «облака» может со временем существенно снизиться. Это неминуемо ведет к росту рисков безопасности, что допустить нельзя. Следовательно, необходимо проводить постоянный мониторинг системы безопасности и своевременно принимать меры по поддержанию эффективности системы на требуемом уровне (управлению рисками).

16.Мониторинг должен быть эффективным (то есть максимально ресурсоемким и информативным), а также адекватным объекту защиты.

17.Таким образом, стратегия обеспечения безопасности облачных вычислений заключается в превентивном создании системы безопасности, построенной в соответствии с выбранной политикой безопасности и противостоящей любым угрозам, учтенным в политике безопасности.

МНОО «Международная академия информационных технологий» (МНОО «МАИТ»), г. Минск

G.G. Manshin, V.A. Artamonov, E.V. Artamonova

220

THE PARADIGM OF THE CLOUD COMPUTING SECURITY.

As the title implies the article describes the problem of the cloud computing security and data protection principles in using cloud computing technology. It has formulated the main ideas of the paradigm of the cloud computing security

Key words: security, cloud computing, data protection in the cloud, the paradigm of the security, the ideas of the cloud computing security

International scientific public association «International Academy of Information Technology», Minsk, Belarus

УДК 504.4.062.2

П.И. Пигулевский, О.К. Тяпкин, И.Н. Подрезенко, Н.С. Остапенко, В.А. Кириченко, Л.В. Бондаренко

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА МИНЕРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ КРИВОРОЖСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО БАССЕЙНА)

Рассмотрены возможности использования жидких отходов, загрязняющих прилегающие территории, в качестве источника минеральных соединений, что позволит снизить экологические риски функционирования старопромышленного горнодобывающего Криворожского региона

Ключевые слова: высокоминерализованные воды, горнодобывающий регион, загрязнение, отходы, техногенное воздействие, экологическая безопасность

Введение. Современные проблемы техногенного прессинга и их решение в условиях экологообоснованного природопользования старопромышленных регионов становятся все более актуальными. Особо масштабной задачей комплексного использования минеральных ресурсов в Украине является решение проблем использования сопутствующих продуктов и отходов производства, которые в будущем даже могут быть переведены «в разряд» техногенных месторождений.

Наиболее крупным горнодобывающим регионом Украины является Криворожский железорудный бассейн (Кривбасс). В настоящее время экологическая ситуация этого региона находится в критическом состоянии. Это обусловлено большой концентрацией горнодобывающих и перерабатывающих предприятий на относительно небольшой площади (~330 км2). Здесь сосредоточены 75 крупных промышленных предприятий, в т.ч.: 5 горнообогатительных комбинатов (ГОКов), 9 карьеров открытой добычи железных руд, 7 действующих шахт, Криворожский металлургический комбинат, коксохимический завод и другие. Опасными источниками загрязнения компонентов окружающей среды, в частности, гидросистемы Криворожья, являются отходы обогащения железных руд, шахтные и карьерные воды. С целью создания безопасных условий отработки рудных месторождений ежегодно откачивается до 20 млн. м3 высокоминерализованных шахтных и 16-18 млн. м3 карьерных вод. Эти воды частично используются для пополнения оборотных систем водопотребления ГОКов. Их излишки, а также технологические воды, образующиеся после обогащения железных руд, собираются в пруды-накопители, хвостохранилища, где уже накоплено 40-50 млн. м3 вод с минерализацией от 5-8 до 40 г/дм3. Интенсивная фильтрация минерализованных (загрязненных) вод из систем водного хозяйства горных предприятий, в т.ч. при аварийных ситуациях, привели к нарушению режима подземных вод, их загрязнению на площади около 280 км2, трансформации почв (осолонцеванию черноземов, нарушению водопроницаемости и др.). В результате дозированного сброса в гидрографическую сеть ежегодно попадает 10-20 млн. м3 высокоминерализованных вод. Объемы и состав сбросов загрязняющих веществ ГОКов Кривбасса приведены в табл. 1. В общем виде технология очистки сточных вод включа-

221

ет ряд сложно взаимозависимых технологических процессов, представленных на рис. 1. Таким образом, проблема очистки, переработки, использования высокоминерализо-

ванных вод в Кривбассе является актуальной. Данная статья посвящена решению проблемы опреснения высокоминерализованных вод Кривбасса за счет получения товарной продукции, что будет способствовать уменьшению экономических затрат на природоохранные мероприятия.

Общая характеристика подземных вод Кривбасса. В породах криворожской серии с глубиной происходит замещение пресных вод солоноватыми и солеными, имеющими высокую минерализацию – до 150 г/дм3 [2, 3]. Выделяют: верхнюю зону, преимущественно представленную слабоминерализованными сульфатными подземными водами; среднюю зону сульфатно-хлоридных вод с повышенной минерализацией и зону нижних хлоридных высокоминерализованных вод. Изменчивость минерализации вод, отобранных в шахтах Кривбасса, зависит от литологического состава пород (табл. 2). Кроме того, существует временная зависимость минерализации. Например, при проведении основных проходческих работ на шахте «Родина» с опережающим дренированием рудных отложений на горизонте -1165 м в разные годы минерализация подземных вод составляла: 140 г/дм3 (1986-88 гг.) и 62 г/дм3 (1991 г.). Такая закономерность характерна и для других шахт Кривбасса.

Результаты анализа, с учетом данных [3], свидетельствуют о том, что химический состав солей высокоминерализованных вод этого региона является «чужеродным» по отношению к водовмещающим породам. По данным содержания брома и величины хлор-бромного коэффициента можно заключить, что соленые воды Кривбасса не могли образоваться в результате накопления вадозными водами солей из пород, так как это сказалось бы на содержании брома и величине хлор-бромного коэффициента. Здесь этот коэффициент для соленых вод имеет значения, характерные для вод морского генезиса. То же самое можно сказать и о величине отношения эквивалентных содержаний хлора и магния.

Таблица 1 Объемы и состав сбросов загрязняющих веществ ГОКами Кривбасса (по данным [1])

222

В минерализованных водах Кривбасса установлено наличие хлоридов кальция и магния, образование которых, увязывается с метаморфизацией вод морского генезиса вследствие обменных реакций между глинистыми континентальными породами и морской водой. Происшедшее преобразование состава вод в процессе обменных реакций между глинистым веществом и водою отражается и в величине отношения натрия к хлору. Содержание микрокомпонентов металлов в соленых водах Кривбасса при сравнении с водами коры выветривания уменьшено. Это объясняется слабым переходом металлов из пород в воду вследствие унаследования высокой минерализации воды и восстановительных условий среды в зоне метаморфизованных морских вод.

Сравнительная характеристика химического состава высокоминерализованных вод криворожской серии и морской воды приведена в табл. 3. Кроме перечисленных элементов в рассолах нижней зоны обнаружены стронций, марганец, титан, медь, серебро, никель, хром, свинец, кобальт и цинк.

Рис. 1. Общая схема очистки сточных вод (по данным [2])

223

Таблица 2 Минерализация подземных вод в породах различного литологического состава

(по данным [2, 3])

Полученные данные об условиях образования подземных вод могут быть основой для использования при их опреснении технологических схем, применяемых не только при очистке и утилизации сточных, но и морских вод [4, 5].

Современные технологии очистки и опреснения морских и сточных вод с повышенным солесодержанием. Подразделяются на две основные группы: опреснение и обессоливание, связанное с промежуточным изменением агрегатного состояния жидкости и без изменения агрегатного состояния жидкости. К первой группе методов относят дистилляцию, нагрев воды до сверхкритической температуры (350 оС), замораживание искусственное, газогидратный метод, методы естественного вымораживания. Опреснение способами второй группы включает в себя такие виды, как химическое, электрохимическое, ультрафильтрация (ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, экстракция и др.).

Наибольшее практическое распространение получили дистилляция, ионообмен, электродиализ и обратный осмос. Однако ни один из этих методов не является универсальным и может быть эффективен только для определенных условий (табл. 4). При выборе конкретного способа обессоливания необходимо принимать во внимание соотношение эффективности метода, его стоимость, наличие новых технических решений и др.

При дистилляции на единицу первичного пара можно получить значительно большее количество обессоленной воды. При одноступенчатом испарении на 1 т первичного пара получают около 0,9 т обессоленной воды, на установках, имеющих 50-60 ступеней – 15-20 т опресненной воды. Удельный расход электроэнергии в дистилляционных установках составляет 3,5-4,5 кВт час/м3 дистиллята. Энергетические затраты составляют ~10 кВт час/м3 обес-

224

соленной воды.

Рентабельность ионного обмена при опреснении воды обычно ограничивается исходным содержанием растворенных солей 1,5-2,5 г/л. Если себестоимость воды не играет существенной роли, этим методом можно опреснять воду с достаточно высоким солесодержанием. При использовании электродиализа выход очищенной воды составляет 90-95% поступающей воды при регулируемой циркуляции концентрированного потока и других дополнительных мерах. Выход очищенной воды при обычной рециркуляции концентрированного потока составляет 70-85 %. При этом требуется тщательная предочистка воды от взвеси и примеси органических веществ, соединений железа и марганца (для надежной работы электродиализной установки).

Таблица 4 Преимущества и недостатки наиболее распространенных методов обессоливания

Наиболее «востребована» технология обратного осмоса. Учитывая новые разработки в области обратного осмоса, в том числе и в Украине [6], а именно разработка низконапорных, высокопроизводительных и высокоселективных (энергосберегающих) мембран, резко расширилась область использования мембранной технологии (обратного осмоса). В широком

225

диапазоне солесодержания (0,15-50 г/дм3) опреснительные мембранные установки по экономическим показателям соизмеримы с электродиализаторами, и выгодно отличаются от ионного обмена. Доля получения пресной воды по технологии обратного осмоса составляет 61,5 %. На сегодня общая мощность обратноосмотических мембранных установок, применяемых для опреснения морской воды, составляет >4000000 м3/сут [7]. Это объясняется прежде всего рентабельностью обратного осмоса. Уже сейчас, кроме стран Ближнего Востока, где имеется дешевая электроэнергия и используется дистилляция, обратный осмос доминирует при опреснении морских вод.

Обратный осмос стал экономически привлекательным процессом опреснения морской воды с конца 60-х годов прошлого столетия с развитием асимметричных мембран, обладающих, с одной стороны, высоким солезадержанием, а с другой – высокой производительностью при относительно невысоких рабочих давлениях [7, 8]. В зависимости от солесодержания воды, типа мембраны и требований к качеству пермеата применяют как одно-, так и двухстадийный процессы мембранного обессоливания. Предварительная подготовка морской воды перед подачей на обратноосмотические элементы обычно включает химическую обработку с целью предотвращения роста микроорганизмов, фильтрование для удаления взвешенных частиц до уровня 10 мкм и ниже и регулировку рН, чтобы избежать осадкообразования на мембранах. В практике превалируют два типа мембранных элементов: рулонные и половолоконные. Процесс обычно ведут при рабочем давлении – 7 МПа и степени отбора пермеата – 40 %. На больших обратноосмотических установках устанавливают специальные турбины, чтобы использовать энергию сбрасываемого при высоком давлении концентрата. Продолжительность эксплуатации современных мембран при опреснении морской воды составляет примерно 6 лет.

Опреснение морской воды методом обратного осмоса обычно требует капитальных затрат около 800-2000 дол. США за 1 м3 опресненной воды в сутки, включая стоимость оборудования, обслуживания и эксплуатационные расходы. Последние определяются в большинстве случаев энергопотреблением. Обобщенные затраты на опреснение 1 м3 морской воды методом обратного осмоса представлены в табл. 5.

Следует отметить, что все более важное значение при опреснении морской воды обратным осмосом отводится вопросам утилизации образующихся при этом концентратов. Чаще всего их просто сбрасывают обратно в море, что экономически нецелесообразно. Иногда концентраты после обратноосмотических установок подвергают выпариванию [9], что позволяет получать смеси солей, но не решает задачи их разделения. Более рациональной в этом отношении представляется комплексная переработка концентратов после обратноосмотических установок с целью получения чистой воды и ценных солей, пригодных для использования в промышленности. Благодаря усовершенствованию нанофильтрационных мембран их можно использовать для удаления кальция и магния при обратноосмотическом опреснении морской воды.

Таблица 5 Обобщенные затраты на опреснение морской воды методом обратного осмоса

(по данным [7])

226

Очистка шахтных вод представляет существенную экологическую проблему и для угледобывающих регионов [10]. Здесь более 95 % шахтных вод относится к категории минерализованных сточных вод с солесодержанием 2-10 г/дм3. Большинство действующих на шахтах очистных сооружений удаляет из шахтных вод механические примеси и частично органические загрязняющие вещества. Как правило, общий состав растворенных минеральных солей не изменяется. Вместе с тем в связи с возрастающим загрязнением природных водоемов требуется обязательное обессоливание шахтных вод. В результате технология их комплексной переработки, включающая баромембранные методы, не утратила своей актуальности [10]. Эта технология позволяет извлечь до 95 % пресной воды из шахтных вод с солесодержанием до 5 г/дм3, а также получить пригодные для использования в промышленности товарные продукты. Концентрат после обратноосмотической установки донасыщают NaСl, а затем в кристаллизаторе при охлаждении выделяют Nа2SO4. Маточный раствор, содержащий преимущественно NaC1, очищается в диализаторах от сульфатов. Часть этого рассола поступает в гранулятор для получения в псевдоожиженном слое кристаллического NaCl, который используется для донасыщения концентрата обратноосмотической установки. Из другой части рассола электролитически получают раствор NaOH, а также газообразные хлор и водород, из которых добывают соляную кислоту для нейтрализации умягченной реагентным способом шахтной воды. Часть раствора гидроксида натрия используют для предварительного умягчения шахтной воды при осаждении из нее карбоната кальция и гидроксида магния. Остальной раствор хлорируют и перерабатывают в гипохлорит натрия. Оставшаяся часть очищенного от сульфата маточного раствора служит для регенерации Nа-катионитовых фильтров, применяемых для дополнительного умягчения подкисленной шахтной воды перед ее обессоливанием.

Использование опыта извлечения химических элементов из морской воды. Стоимость извлечения необходимых веществ из воды слишком высока, поэтому из морской воды в промышленно широких масштабах получают в основном хлорид натрия, бром, магний, а также йод.

Хлорид натрия. Поскольку хлорид натрия - самое распространенное вещество из числа растворенных в морской воде, нет ничего удивительного в том, что значительное количество (приблизительно 4×1010кг ежегодно) чистого хлорида натрия получают из морской воды. С этой целью морскую воду фильтруют и затем дают ей испариться до тех пор, пока концентрация содержащегося в ней NaCl не превысит его растворимости. Твердый NaCl, который выкристаллизовывается из морской воды, оказывается довольно чистым, но его можно перекристаллизовывать из пресной воды до еще более высокой степени чистоты в зависимости от дальнейшего использования.

Магний. Магний-второй по содержанию металлический элемент в морской воде. Самый большой завод для получения магния из морской воды в США принадлежит компании «Доу Кемикл» и находится в г. Фрипорте (штат Техас). На этом заводе Mg2+ осаждают из морской воды в больших отстойниках в виде Mg(OH)2, путем добавления к морской воде негашеной извести СаО, который для данного процесса получают из раковин моллюсков. Эти раковины состоят из карбоната кальция. Их промывают, затем прокаливают в специальной обжиговой печи и таким образом получают негашеную известь:

СаСО3(тв.) = СаО(тв.) + СО2(г.)

Гидроксид магния получают по реакции:

Мg2+(водн.) + СаО(тв.) + Н2О(ж.) = Мg(ОН)2(тв.) + Са2+(водн.) Осаждающийся гидроксид магния содержит примеси ионов Са2+, Na+ и HCO3. Твер-

дый осадок отфильтровывают и затем обрабатывают смесью растворов НС1 и H2SO4. В ки-

слом растворе происходит растворение Mg(OH)2

Mg(OH)2(тв.) + 2Н+(водн.) = Мg2+(водн.) + 2Н2О(ж.)

Большая часть примесных ионов натрия кристаллизуется в составе NaCl, а ион кальция осаждается в составе CaSO4. Раствор, содержащий ионы Mg2+, отфильтровывают и затем

227

концентрируют в испарителе. Таким образом, в конце концов, получают твердый MgCl2. Его растворяют в смеси расплавленных хлоридов металлов при 700°С в электролизных установках. Электрическая энергия, подводимая к электролизерам, расходуется на образование из расплавленного хлорида магния металлического магния и газообразного хлора:

электроэнергия

МgСl2(ж.) = Мg(ж.) + Сl2(г.)

Расплавленный металл отливают в слитки, которые имеют чистоту 99,9 %.

Сейчас Mg из морской воды добывают во Франции, Италии, Тунисе, США, Англии и др. странах. Один из таких заводов с объемом забора воды из Мексиканского залива 7,5 млн. л/мин был сооружен в г. Фрипорте (Техас, США). Здесь получают гидроксид магния, который можно использовать как огнеупорный материал, или же превращают гидроксид в хлорид магния, затем путем электролиза из него извлекают металлический магний и газообразный хлор. В настоящее время в США и Великобритании функционирует более 20 заводов по производству морского магния. В основном, это MgCl2, MgO и MgCO3. Из этих соединений получают огнеупорное сырье, удобрения, искусственный шелк, бумагу, применяют в фармацевтическом производстве. В США около 90 % каустического кальцинированного оксида магния и 50 % огнеупорной магнезии имеют морское происхождение.

Добыча только MgО позволяет обеспечить металлургическую промышленность высококачественными огнеупорами. Опыт переработки рапы для получения товарной продукции может быть использован и для высокоминерализованных вод Кривбасса. Это будет способствовать решению проблему опреснения этих вод за счет получения товарной продукции с уменьшением экономических затрат на природоохранные мероприятия.

Бром. Бром довольно редкий в земной коре элемент. Его содержание в ней оценивается в 0,37·10-4 % (примерно 50-е место). Бром входит в состав большого числа различных соединений (бромиды натрия (Na), калия (K), магния (Mg) и др.), сопутствующих хлоридам натрия, калия и магния. Собственные минералы брома – бромаргирит (бромид серебра AgBr) и эмболит (смешанный хлорид и бромид серебра) – чрезвычайно редки. Источником брома служат воды горьких озер, соляные рассолы, сопутствующие нефти и различным соляным месторождениям, и морская вода (65×10-4 %). Среднее содержание брома в океанической воде составляет 0,0659 г/кг. Содержание брома в высокоминерализованных подземных водах Криворожья достигает 0,126-0,147 г/л. Причем из горных пород этот элемент не извлекают совсем, поэтому Мировой океан – единственный источник брома.

Бром в промышленности получают электролизом бромидов:

2NaBr + 2H2O Электролиз→ H2↑ + Br2 + 2NaOH

В лабораторных условиях – получают действием хлорной воды или концентрированной серной кислоты на бромоводород или бромиды:

2НBr + Cl2(хлорная вода) → 2HCl + Br2

2KBr + Cl2(хлорная вода) → 2KCl + Br2

2НBr + H2SO4(конц.) → SO2↑ + Br2+ 2H2O

2KBr + 2H2SO4(конц.) → 2KCl + Br2 + K2SO4 + 2H2O.

228

Ежегодно во всем мире получают более 2,3×108 кг брома, главным образом из морской воды. Принципиальная схема технологического процесса извлечения брома из морской воды (по Шигли) представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема технологического процесса извлечения брома из морской воды

Концентрация бромид-иона в морской воде составляет всего 8,3×10-4 М. На первой стадии извлечения брома из морской воды к ней добавляют серную кислоту, что снижает рН до 3,5. Затем через подкисленную воду продувают газообразный хлор в некотором избытке по сравнению с содержащимся в ней бромом. Между растворенным в воде газообразным

хлором и бромид-ионом протекает окислительно-восстановительная реакция:

Сl2(водн.) + 2Вr- (водн.) = Вr2(водн.) + 2Сl- (водн.)

Для выделения брома из морской воды ее пропускают через башню, выложенную брусками дерева; в обратном направлении через башню продувают воздух. Для выделения брома из потока прошедшего через башню воздуха его обрабатывают сернистым ангидридом SO2 и паром. В результате образуются бромистоводородная и серная кислоты:

SO2(r.) + Вr2(г.) + 2Н2О(ж.) = 2НВr(водн.) + Н2SО4(водн.)

Чтобы извлечь бром из этого раствора, его снова обрабатывают надлежащим количеством хлора и затем удаляют бром, продувая воздухом. После этого смесь газообразного брома с воздухом пропускают над холодной поверхностью. Температура кипения жидкого брома всего 59°С, что позволяет отделять его от воды перегонкой. Разбавленная серная кислота, остающаяся после удаления брома, используется для подкисления свежей порции впускаемой морской воды.

Йод. Йод очень редкий элемент земной коры. Его содержание в ней оценивается всего в 1,4×10-5 % (60-е место среди всех элементов). В круговороте йода в природе важную роль

229