ДонНТУ   Портал магистров

Реферат

Содержание

Введение

Среди глобальных экологических проблем одно из первых мест занимает проблема чистой пресной воды. По данным ООН уже в ближайшие два десятилетия все доступные мировые запасы пресных вод будут зарегулированы.

Украина является страной с недостаточным обеспечением и одновременно высоким водопотреблением. Под воздействием антропогенных факторов гидродинамический режим и физико – химический состав воды поверхностных водных объектов в нашей стране чрезвычайно изменились. Наихудшее экологическое состояние водных ресурсов наблюдается в бассейне реки Северский Донец, а также рек Приазовья, т. е., в Донецком регионе , где расположены добывающие и перерабатывающие предприятия тяжелой промышленности (из них только в Донецкой области более 800 являются предприятиями первого класса опасности). Сточные воды этих предприятий сбрасываемые без должной (т.е. нормативной) степени очистки дестабилизируют экологическое состояние гидрографической сети региона.[1]

Масштабным источником дестабилизации водных ресурсов региона являются сбрасываемые в водные объекты попутнодобываемые в процессе угольного производства шахтные воды, общий приток которых составляет более 900 млн. м3/год (рис. 1).

Помимо огромных объемов истечения, шахтные воды характеризуются высокой степенью загрязненности взвешенными веществами (ВЗВ), бактериальными примесями и минеральными солями, непостоянством их физико–химического состава. В составе загрязнителей наиболее характерными являются твердые вещества. Они образуются и поступают в шахтные воды в процессе разрушения горного массива, а также при погрузке и транспортировке горной массы. Образование и неблагоприятный став шахтных вод дестабилизирует экологическое равновесие гидросферы региона; нарушает динамику подземных водоносных горизонтов, истощает их, приводит к загрязнению водных ресурсов поверхностных водных ресурсов. Поэтому современное состояние гидросферы Донбасса следует оценить, как критическое. Оно характеризуется самой низкой (в 5–10 раз меньше) водообеспеченностью в Украине (всего лишь 190 м3/чел•год), самой высокой интенсивностью водопотребления пресной воды в стране (например, в Донецкой области оно составляет 2,5 млрд. м3/год); превышением уровня сброса сточных вод над водопотреблением на 1,2 млрд. м3/год (прежде всего за счет шахтных вод);самым низким естественным (фоновым) качеством природных вод в Украине и одновременно их высоким антропогенным загрязнением (60–70% анализов проб воды дают отрицательный результат), вследствие чего малые реки Донбасса теряют статус источников как централизованного, так и не централизованного водоснабжения. Наконец, кризисная ситуация с питьевой водой в регионе усугубляется и такими факторами, как хроническим отставанием на предыдущих этапах развития водного хозяйства темпов строительства объектов очистки и канализования вод; несоответствием эффективности работы многих действующих очистных сооружений (построенным 30–50 лет назад) современным требованием. Анализируемая региональная водная проблема усугубляется еще и тем, что в последнее годы резко увеличились цены на питьевую и техническую воду. В настоящее время техническая вода отпускается предприятиям по цене ~ 0,5–0,9 грн/м3, а стоимость питьевой воды достигает 9 грн/м3. По–видимому следует ожидать дальнейшего повышения цен также на техническую воду, а также стоимости питьевой воды. При потреблении одной шахтой в сутки в среднем 200–250м3 питьевой воды предприятию приходится затрачивать в год 0,82 млн. грн.

В связи с изложенным оздоровление водных ресурсов Донбасса является одним из приоритетов государственной экологической политики.[2–4]

Принципиальная технологическая схема очистных сооружений

Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема очистных сооружений.

Анализ опубликованных научно–технических литературных источников показывает, что в общем виде решение проблемы промышленных сточных вод (в том числе шахтных) возможно различными путями:

Очистка шахтных вод предполагает осуществление трех основных стадий:

Проблема деминерализации шахтных вод многие годы не находит своего практического решения и остается важнейшей экологической проблемой угольной промышленности с позиции системного подхода. Ее частичное решение возможно на основе кондиционирования (корректировки ионного состава) шахтных вод разбавлением чистой водой. Регламент кондиционирования шахтных вод предполагает их обязательную предварительную обработку путем осветления и обеззараживания. [5]

Выраженный нами анализ свидетельствует, что задача предотвращения отрицательного воздействия шахтных вод задача предотвращения отрицательного воздействия шахтных вод, сбрасываемых в поверхностную гидрографическую сеть, по компонентам «взвешенные вещества» (ВЗВ) и «бактериальные примеси» в предыдущие десятилетия в угольной промышленности Украины решалась с помощью прямых гидроохранных мероприятий перед непосредственным сбросом вод. В основном эти мероприятия включают сооружение на земной поверхности отстойников различной конструкции, один из которых представлен на рис. 2 (первая ступень очистки) и в отдельных случаях фильтров и прудов–отстойников (вторая ступень очистки). [6] Однако, опыт показал, что техническим решениям осветления шахтных вод в наземных условиях присущи крупные недостатки:

  1. Сложность технологических схем и конструктивного исполнения очистных сооружений.
  2. Необходимость использования в процессах очистки в больших количествах дефицитных и дорогостоящих химических реагентов; кварцевого песка; сорбентов и других материалов (при этом реагенты сами являются загрязнителями вод).
  3. Высокая стоимость очистных сооружений (от 6 до 15% основных фондов).
  4. Недостаточная гибкость их реагирования на изменяющиеся условия поступления загрязненных вод на вход очистных сооружений, а именно на изменение величины расхода (притока во времени) и особенно количественного и качественного состава примесей загрязненных вод.
  5. Отсутствие простых и надежных решений по чистке емкостей и аппаратов от остаточных продуктов очистки вод (т. е. «хвостов» в виде осадков, фильтратов и др.), регенерации наполнителей аппаратов (фильтрующей загрузки, сорбентов и др.), а также по складированию остаточных продуктов и их утилизации.
  6. Отторжение значительных земельных площадей под очистные сооружения.
Горизонтальный шахтный отстойник

Рисунок 2 – Горизонтальный шахтный отстойник

Указанные недостатки приводят к двум отрицательным последствиям:

Таким образом, хотя по мнению некоторых институтов (ДонУГи, Донгипрошахт), задача осветления шахтных вод решена и при надлежащем финансировании может быть снята с повестки дня, однако опыт показывает, что снимать с повестки дня вопрос о осветления шахтных вод преждевременно и неосмотрительно. Тому имеется несколько причин:

Следовательно, для обеспечения требуемого эффекта очистки шахтных вод необходимо как усовершенствование известных методов и схем осветления шахтных вод, так и поиск новых подходов и решений.

Цель и задачи, решаемые в магистерской работе

Идея роботы заключается в снижении отрицательного техногенного воздействия сбросов водоотливного хозяйства шахт на гидрографическую сеть региона.

Цель работы: разработать комбинированную технологическую схему осветления шахтных вод в составе гидроциклон – отстойник – полиэфирная волокнистая перегородка.

Задачи

Объект исследования – совокупность элементов снижения загрязненности шахтных вод в системе их отведения в поверхностные водные объекты.

Предмет исследования – физико–химические и технологические процессы извлечения взвешенных веществ в аппаратах и содержание разрабатываемой технологической схемы осветления шахтных вод.

Метод исследования – системно – экологический подход и экспериментальные исследования, проведенные в натуральных и лабораторных условиях и использованием модельных и реальных шахтных вод на основе специальной методики седиментационного анализа, законов гидравлики и гидромеханики; для оценки экспериментальных результатов использованы математические методы обработки полученных данных; определение показателей качества воды проводилось в соответствии с действующими нормативными документами.

Предполагаемая научная новизна

Научная новизна исследований заключается в:

Практическая ценность работы заключается в :

Обзор исследований и разработок по теме:

К настоящему времени накоплен определенный объем научно– технической информации, посвященный научно – исследовательским аспектам осветления шахтных вод. Работы этого плана наиболее широко представлены в публикациях ДонУГИ, Шахтинского филиала Новочеркасского политехнического института, а также ДонНТУ, ВНИИОуголь (г. Перьм). Их результаты нашли отражение в разработках очистки шахтных вод, включающих, как правило, три основных стадии: удаление взвешенных веществ (осветление), обеззараживание воды, обработку (или складирование осадка). При этом практически во всех схемах используется две стадии очистки: первая стадия – отстаивание, вторая стадия – фильтрование. Для повышения эффективности очистных сооружений на обеих ступенях применяются реагенты и флокулянты.[7]

В технике очистки шахтных вод большое значение уделяется отстойникам, так как от их эффективности и надежности их действия зависит работа фильтров, окислительных блоков, сопряжений по уплотнению и обезвоживанию осадков, а также аппаратов по деминерализации шахтных вод.

С позиции системного анализа, опыт показал, что техническим решением двухстадийных технологичных схем присущи крупные недостатки, изложенные мною выше. Эти недостатки приводят к двум отрицательным последствиям:

Для обеспечения требуемого эффекта очистки шахтных вод необходимо как усовершенствование известных методов и схем осветления шахтных вод, так и поиск новых подходов и решений, решение которых основано на анализе вышеуказанных публикаций.

Можно выделить два направления в области совершенствования конструкции отстойников:

Тонкослойный трубчатый отстойник

Рисунок 3 – Тонкослойный трубчатый отстойник. 1 — подающие распределительные трубопроводы; 2 — распределительная щель; 3 — пластмассовые трубчатые блоки; 4 — водосборная щель; 5 — лотки для сбора осветленной воды; 6 — пазухи для сбора всплывающих веществ; 7 — поворотные трубы для отвода плавающих веществ; 8 — емкость; 9 — приямки для сбора и уплотнения осадков; 10 — трубопроводы для выпуска осадка

Выводы по результатам анализа и некоторой рекомендации по их применению на практике отражены мною в опубликованных статьях и докладах на научных конференциях. [8]

Новый подход, предложенный мною, заключается в компоновке в одном содержании элементов центробежно– гравитационного и фильтрующего извлечения твердых взвесей из шахтных вод.

Текущие и планируемые результаты

К настоящему времени восполнены следующие этапы:

Заключение

Снижение технологического воздействия угольных шахт на гидросферу Донбасса – актуальная проблема региона. Ее решение требует осуществление нескольких последовательных стадий, первой из которых является осветление. От эффективности действия этой стадии зависит, во–первых, надежность работы оборудования остальных стадий, во–вторых, состояние водных объектов, в которые сбрасываются шахтные воды (предотвращается заиление объектов и обеспечиваются благоприятные условия жизнедеятельности гидробионтов).[9]

Рекомендуемые отраслевыми и общими нормативными документами технологические схемы осветления шахтных вод являются громоздкими, требуют значительных инвестиций, что в нынешних экономических условиях нереально. Кроме того, их надежность оборудования таких схем недостаточна для обеспечения его эффективной работы в течение длительного времени.[10]

В настоящей магистерской работе поставлена цель упростить традиционные решения по осветлению шахтных вод, привести их в соответствие с современным уровнем водоочистных технологий. При этом целесообразно не только сбрасывать очищенные воды в поверхностные водные объекты, но и найти им применение в качестве источника водоснабжения. Последнее актуально в связи с недостаточной обеспеченностью Донбасса ресурсами пресной воды.

Задачи, определяющие достижение этой цели, приведены выше, а результаты предварительных исследований указывают на возможность их решения на завершающих этапах выполнения магистерской работы.

Список источников

  1. Гребенкин С.С. Физико–химические основы технологии осветления и обеззараживания шахтных вод/Костенко В.К., Матлак Е.С. и др. – Донецк: "ВИК", 2009. – 438 с.
  2. Гребенкин С.С . Сохранение окружающей природной среды на горнодобывающих предприятиях/ Костенко В.К., В.М.Павлиш, и др. – Донецк: "ВІК", 2009.
  3. Гребенкин С.С Физико–химические основы технологии деминерализации шахтных вод/Костенко В.К., Матлак Е.С. и др. – Донецк: "ВИК", 2008. – 287 с.
  4. Горшков В.А. очистка и использование сточных вод предприятий угольной промышленности. –М.: Недра, 1981,–269с.
  5. Водный кодекс Украины, статья 72 : [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://pravoved.in.ua/section–kodeks/150–vku.html.
  6. Каталог. Технологические схемы очистки от взвешенных веществ и обеззараживание шахтных вод. Пермь: ВНИИОСуголь, 1986.–70 с.
  7. Омельченко Н.П. , Коваленко Л.И. Новые технологии осветления шахтных вод с целью их повторного использования. Загальнодержавний науково–технічний журнал «Проблеми екології». – Донецьк: ДонНТУ, № 1–2. – 2008. С. 8–12.
  8. Матлак, Е.С., Огородник Е.Л. Очистка шахтных вод с использованием в осветляющих сооружениях волокнистых перегородок . Збірка праць III Регіональної конференції аспірантів і студентів «Екологічні проблемі паливно–енергетичного комплексу» – Донецьк: ДонНТУ –2012.
  9. Охрана окружающей природной среды в горной промышленности. В.И.Николин, Е.С.Матлак.– К.; Донецк: Вища шк.Головное изд–во,1987.–192 с.
  10. Матлак Е.С. Исследование загрязненности шахтных вод/ Е.С. Матлак, И.Ю. Рудакова, Н.В. Казимиренко. –Уголь Украины,1983. – № 2. – с.31–32.