Факультет Геотехнологий и Управления Производством

"Выбор и обоснование экологически безопасной ресурсосберегающей технологии комплексной очистки шахтных вод для нужд промышленных и сельскохозяйственных предприятий"

Вознесенская Е.В.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1.Актуальность проблемы

1.1 Вода как элемент биосферы

1.2 Горное производство и водный бассейн

1.3 Проблема дефицита воды в Донбассе

2. Меры снижения негативного воздействия горных предприятий на окружающую среду

3.Требования к используемым повторно шахтным водам

4. Основные направления использования шахтных вод на собственные нужды горного предприятия

5. Причины деградации водных объектов

6. Очистка шахтных вод

6.1 Методы очистки шахтных вод

6.2 Осветление шахтных вод

6.3 Обеззараживание шахтных вод

6.4 Реагентное удаление из воды кальция и магния

6.5 Методы деминерализации шахтных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Направлением исследования данной работы является изучение экологической обстановки в районе работы горного предприятия, степени влияния сброса шахтных вод на состояние экосистемы для разработки способов улучшения этой обстановки и снижения вредного влияния на окружающую среду, а также рационального использования природных ресурсов.

Целью данной работы является выбор и обоснование малоотходной технологии очистки и повторного использования шахтных вод для собственных нужд и сельского хозяйства для снижения техногенного воздействия горного предприятия на окружающую среду.

Для достижения этой цели необходимо решение ряда задач, таких как оценка химического состава шахтных вод, анализ на соответствие их требованиям возможных потребителей, выполнение анализа существующих методов очистки и выбор наиболее оптимальных способов, сравнительный анализ технологий комплексной переработки шахтных вод для разработки собственного варианта, оценка возможности внедрения системы локального энергопроизводства с использованием некондиционных топливных ресурсов и осадков шламонакопителей, др.

При выполнении работы предполагается использование гидрохимических методов, математических методов статистической обработки данных и прогнозирования экологической ситуации.

1. Актуальность проблемы

1.1 Вода как элемент биосферы

Большое внимание в настоящее время привлекает проблема количественного и качественного истощения водных ресурсов, определяемая непрерывным ростом водопотребления в промышленности, сельском хозяйстве и быту (количественное истощение) и загрязнением вод (качественное истощение). Проблемы устойчивости и экологической безопасности геологической среды горнопромышленных районов Донбасса в условиях непрерывного роста комплексного влияния техногенных факторов (горная, металлургическая, химическая, аграрная и др. отрасли промышленности) находятся в центре внимания органов исполнительной власти, природоохранных ведомств и общественных и организаций. В промышленности наиболее водопотребляющие отрасли - энергетика, горнодобывающая, металлургическая и химическая.

Воздейсвие горного производства на водный бассейн проявляется в изменении водного режима, загрязнении и засорении вод. Шахтные воды формируются за счет подземных и поверхностных вод, проникающих в подземные горные выработки. Стекая по выработанному пространству и горным выработкам, они загрязняются взвешенными и обогащаются растворимыми химическими и бактериологическими веществами, приобретают в некоторых случаях кислую реакцию.

Сточные воды предприятий угольной промышленности подразделяются на следующие классы: попутно-забираемые (шахтные, карьерные, дренажные), производственно-технологические (технологические, охлаждающие, промывочно-обеспыливающие), поверхностные (дождевые, талые, поливочно-моечные), хозяйственно-бытовые (банно-прачечные, моечные, фекальные). Образование шахтных и других попутно забираемых вод связано с результатом воздействия людей на геологические структуры. В зависимости от конкретных горно-геологических, горнотехнических условий месторождений в формировании шахтных вод могут принимать участие межпластовые, пластово-трещинные и карстовые воды надугольного и подугольного комплексов пород, а также грунтовые воды надугольного комплекса и воды поверхностные. Количество поступающей в горные выработки воды, т.е. обводнённость шахт, обусловливается множеством факторов - геолого-структурными, гидрогеологическими, гидродинамическими, и климатическими условиями месторождения, литолого-структурными, физико-механическими и химическими особенностями горных пород, тектонической нарушенностью месторождения, способом его вскрытия, мощностью разрабатываемых пластов и системами их разработки, способом управления кровлей, технологией ведения горных работ и др. Однако определяющими в формировании водопритоков являются геолого-структурные, гидродинамические и горно-геологические условия, а также горнотехнические факторы разработки месторождений. Наибольший вред окружеющей среде наносят шахтные и карьерные воды, сток которых начинается при вскритии водоносных горизонтов подземными горными выработками. Таким образом, решающую роль в формировании стока шахтных вод играют подземные воды. В зависимости от глубины залегания подземные воды разделяют на 3 зоны. В верхней зоне, характеризующейся активным водообменом, обычно распространены пресные гидрокарбонатные воды, образующиеся в процессе инфильтрации грунтовых вод. Эта зона простирается на глубину до 300 м. С увеличением глубины гидрокарбонатные воды переходят в гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатно-гидрокарбонатные. Средняя зона с незначительным водообменом характеризуется восстановительной средой. Большей частью это сульфатно-натриево-кальциевые или гидрокарбонатно-натриевые воды, переходящие в хлоридно-гидрокарбонатно-натриевые. Глубина этой зоны распространяется на 500-600 м, а иногда на 1000 м и более. Воды этой зоны образуются смешением инфильтрационных вод с первичными солёными водами. Нижняя зона с застояным водным режимом характеризуется высокой минерализацией и простирается на большие глубины (1000 м и более). Это преимущественно древние воды морского происхождения, состав которых в течение длительного периода времени претерпел существенные изменения. По солевому составу воды этой зоны обычно относятся к хлоридно-кальциево-натриевому типу.

По воздействию на окружающую среду угольная промышленность остается одной из наиболее сложных отраслей горнодобывающей промышленности. Характерными направлениями негативного воздействия предприятий отрасли являются:

- загрязнение водных объектов шахтными, карьерными, производственными и хозбытовыми сточными водами, нарушение гидрологического режима поверхностных вод, гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод;

- изъятие из землепользования и нарушение земель, загрязнение их отходами добычи и переработки угля;

- загрязнение воздушного бассейна выбросами горно-транспортного оборудования, промышленных и коммунальных котельных, аспирационных систем, горящих породных отвалов.

Предприятия угольной промышленности откачивают большой объем шахтных вод. Горные предприятия сбрасывают в гидрологическую сеть около 10 м³ шахтных вод на тонну добытого угля. Качественный состав шахтных вод разнообразен и существенно изменяется по угольным бассейнам, месторождениям и районам. Их сброс в наземную гидрографическую сеть вызывает ощутимое заиление, засоление и закисление водоемов и водотоков, нарушая тем самым экологическое равновесие в угольных бассейнах. Постоянный переход горных работ на более глубокие горизонты и усложнение при этом гидрогеологических условий приводят к дальнейшему увеличению объемов и загрязненности попутно забираемых вод различными веществами, а также истощению подземных водоносных горизонтов, в том числе насыщенных чистой питьевой водой. Шахты Донбасса при этом откачивают все более минерализованные воды из горных выработок. Рудничные воды сбрасываются без деминерализации в пруды с полностью фильтрующимся дном. Вода фильтруется дном накопителя и поступает в водоносные горизонты и в грунты, которые подвергаются интенсивному засолению.

В основном откачиваемые шахтные воды загрязняются взвешенными и растворенными минеральными веществами, бактериальными примесями минерального, органического и бактериального происхождения. Минеральные примеси - это песчаные и глинистые частицы, минеральные включения углей, инертная пыль, также содержащиеся в шахтных водах растворенные соли, щелочи и кислоты. Органические загрязнения - частицы чистого угля, минеральные масла и другие нефтепродукты, применяемые для смазки горных машин и механизмов, продукты жизнедеятельности живых организмов, разложения древесины и др. Бактериальные вещества - различные микроорганизмы. Наличие в воде загрязнений вызывает ее помутнение, обусловливает окисляемость и цветность, придает запах и привкус, определяет минерализацию, кислотность и жесткость. В большинстве случаев шахтные воды не пригодны для питья и обладают свойствами, исключающими их использование в технических целях без предварительной обработки. Согласно ГОСТу 2874-82 сухой остаток или минерализация в питьевой воде должны составлять не более 1 г/л. Уже только по этому показателю качества грунтовые воды, минерализация которых составляет 2,5 - 4,5 г/л, не пригодны не только для питья, но и для полива земельных приусадебных участков.Значительная часть эксплуатируемых очистных сооружений представлена сооружениями механической очистки, которая не позволяет производить очистку сточных вод до нормативов предельно допустимых сбросов (ПДС). Зачастую расход очищаемых шахтных вод превышает проектную мощность действующих очистных сооружений. Высокоминерализованные шахтные воды поступают в очистительные сооружения механической и физико-химической очистки, в результате чего снижается только содержимое взвешенных веществ. Вследствие этого практически весь объем сброса шахтных вод отнесен к категории недостаточно очищенных по минеральному составу. Для эффективной работы очистных сооружений и достижения установленных нормативов ПДС необходима реконструкция действующих или строительство новых очистных сооружений на основе современных технологий, на что требуются соответствующие инвестиции.

1.3 Проблема дефицита воды в Донбассе

Для Донбасса характерна как проблема ограниченности водных ресурсов, так и негативное влияние сбрасываемых шахтных вод на гидрографическую сеть. Попутно с добычей угля забирается вода, объем которой в несколько раз превышает объем потребления ее промышленными предприятиями отрасли. Закрытие в настоящее время многих шахт не приведет к существенному сокращению притока шахтных вод.

В связи с этим, а также нарастающим дефицитом питьевой воды актуальными становятся вопросы предотвращения загрязнения подземных вод, очистки загрязненных шахтных вод и повторного использования их для нужд угольной промышленности, а также смежных отраслей и сельского хозяйства. Загрязненные попутно забираемые воды должны подвергаться очистке. Эти воды после соответствующей водоподготовки могут быть использованы для технического водоснабжения. Расход воды на технические нужды в угольной промышленности в соответствии с укрупненными нормами может достигать 15% от общего объема попутно-забираемых вод. Остальная часть может быть использована на соседних предприятиях других отраслей промышленности, на орошение земельных угодий, для целей рекреации, рыборазведения или сброшена в гидрографическую сеть.

2. Меры снижения негативного воздействия горных предприятий на окружающую среду

Для снижения негативного воздействия действующих предприятий отрасли на окружающую среду необходимо осуществление комплекса мероприятий, обеспечивающих:

- совершенствование экономического механизма регулирования природопользования с учетом наиболее полного отражения затрат на возмещение ущерба окружающей среде;

- создание отраслевого экологического фонда на основе существующей законодательной и нормативной базы;

- совершенствование системы экологического мониторинга для получения непрерывной и полной информации о состоянии окружающей среды, позволяющей оценивать их последствия, обосновывать принимаемые решения и вырабатывать предложения по корректировке мер;

- формирование комплексной программы развития производства для каждого предприятия, обеспечивающей рациональное и безопасное природопользование;

- снижение сброса загрязненных сточных вод за счет повышения качества их очистки, широкое использование очищенной воды на технологические нужды предприятий.

3.Требования к используемым повторно шахтным водам.

При использовании сточной воды на технические нужды к последней можно предъявить следующие общие требования: быть безвредной для здоровья обслуживающего персонала; не обладать отрицательными органолептическими свойствами; не иметь коррозионных свойств по отношению к металлу и бетону; не вызывать биологические обрастания и солевые отложения; не снижать технико-экономические показатели производственного процесса и не создавать аварийных ситуаций.

4. Основные направления использования шахтных вод на собственные нужды горного предприятия.

На угольном предприятии можно рассматривать следующие категории использования воды в производственных процессах:

- теплоноситель для охлаждения продукта через стенку без соприкосновения с ним или защита деталей машин и аппаратов от разрушения вследствии перегрева. В этом и другом случаях вода лишь нагревается и практически не загрязняется;

- среда, поглощающая и транспортирующая механические или растворимые примеси при непосредственном контакте с ними (обогащение полезных ископаемых, пылеподавление). При этом вода загрязняется механическими и растворимыми примесями;

- среда и теплоноситель при непосредственном контакте с сырьем или продуктом (улавливание и очистка газов). При этом вода загрязняется и нагревается.

Пылеподавление является одним из водоемких процессов в технологии добычи угля подземным способом. В общем объеме водопотребления расход воды на пылеподавление составляет около 40%.

В шахтах с обильным выделением метана производится дегазация угольных пластов с применением вакуум-насосных станций. Для получения сжатого воздуха применяют поршневые или турбинные компрессоры. Вода используется как охлаждающая среда. При использовании в системах охлаждения шахтную воду подвергают соответствующей водоподготовке, умягчению и снижению солесодержания.

Также воду на шахтах можно использовать для профилактического заиливания, при гидравлической добыче угля, для нужд механических цехов, для котельных установок, в процессах гидрозакладки, для тушения пожаров и др.

Общий расход воды для котельных установок принимается 0,58 м³/Гкал, в том числе на восполнение потерь оборотной системы теплосети-0,25 м³/Гкал, на водоподготовку, продувку котлов и другие нужды-0,33 м³/Гкал. Пресная шахтная вода, используемая для котлоагрегатов, должна проходить соответствующую водоподготовку, которая зависит от качества исходной воды. Подготовкой предусматривается снижение щелочности, умягчение, снижение содержания железа и общего солесодержания.

При использовании воды в процессах гидрозакладки выработанного пространства особых требований к ее составу не предъявляют, за исключением запаха, который не должен превышать 3 баллов, и показателя рН, принимаемого равным 6-8, с учетом коррозионной стойкости оборудования.

5. Причины деградации водных объектов.

Известно, даже наиболее совершенные технологические схемы действующих и проектируемых очистных сооружений для шахтных вод предусматривают только удаление из них взвешенных веществ, частично органических загрязнений и обеззараживание. Общее содержание растворенных минеральных веществ - в основном ионов щелочных и щелочноземельных металлов, а также гидрокарбонатных и сульфатных ионов - при очистке шахтных вод практически не изменяется. Это обусловлено тем, что в солоноватых водах примеси - хлориды и сульфаты натрия - не задерживаются очистными сооружениями.

Такая специфичность технологии очистки сточных вод является одной из основных причин нарастающей деградации качества воды в природных водоемах как следствия ее непрерывно повышающейся минерализации. Таким образом, нарастающее солевое загрязнение сточных вод и принимающих их водоемов характерно для индустриального развития и требует обязательного применения научно обоснованных мероприятий для его устранения. Как показал выполненный в ходе реализации Датско-Украинского проекта анализ результатов многолетнего экологического мониторинга в Донбассе, вследствие увеличения техногенной нагрузки на гидросферу имело место развитие очагов загрязнения подземных вод (несколько десятков) и устойчивый рост их минерализации за последние 30 лет: от 0,5-1,0 до 1,5-3,0 г/дм³ и более. При этом площадь развития пресных подземных вод (солесодержание до 1,0 г/дм³) сократилась в 4 раза, а воды с повышенной минерализацией (1,5-3,0 г/дм³) установлены на 83 % территории района работ.

6. Очистка шахтных вод

6.1 Методы очистки шахтных вод.

Очистка шахтных вод производится механическими, химическими, физическими и биологическими методами

Механические методы (отстаивание, фильтрование, выделение твёрдой фазы под действием центробежных сил, сгущение осадков на центрифугах и вакуум-фильтрах) используются в основном как предварительные. Они освобождают воду лиш от механических примесей различной крупности, т.е. осветляют её. При химических методах очистки воды применяют реагенты для изменения химического состава примесей или их структуры (коагулирование и флокулирование, нейтрализация, перевод ядовитых примесей в безвредные, обеззараживание методом хлорирования и др.). Физические методы - это извлечение вредных примесей путём изменения агрегатного состояния воды , воздействия на них ультразвуком, ультрафиолетовых лучей, растворителей и др. Биологические методы предназначены для очистки воды, содержащей загрязнения органического происхождения.

6.2 Осветление шахтных вод

Осветление шахтных вод производится отстаиванием и фильтрованием. Для ускорения процесса отстаивания применяют химические методы обработки воды - вносят реагенты (коагулянты, флокулянты), имеющие заряд, противоположный заряду взвешеных частиц. В качестве реагентов используют сернокислый алюминий(Al₂(SO₄)₃), сернокислое хлорное железо (FeSO₄ и FeCl₃), полиакриламид (ПАА), полиэтиленимин (ПЭИ). Очистка отстаиванием производится в прудах-осветлителях или отстойниках различных конструкций (горизонтальных, радиальных, вертикальных и тонкослойных отстойниках). Удаление взвешеных веществ также производится под воздействием центробежных сил. Применение центробежных устройств (открытые, напорные гидроциклоны, мультициклоны) целесообразно для очистки шахтных вод, содержащих большое количество крупных тяжёлых взвесей. Контактные осветлители обеспечивают эффективную очистку при содержании взвеси в обрабатываемой воде до 150 мг/л. Характеризуются высокой грязеёмкостью, большой длительностью межпромывочного периода. После предварительного осветления в отстойниках, осветлителях или гидроциклонах для достижения требуемого качества воду доочищают с помощью фильтрования. При этом идёт разделение твёрдой и жидкой фаз с помощью фильтрующей среды выделяются тонкодисперсные а также коллоидные твёрдые или жидкие частицы. Используются следующие водоочистные сооружения: микрофильтры, фильтры с зернистой загрузкой, контактные осветлители, скорые и сверхскорые напорные фильтры.

6.3 Обеззараживание шахтных вод

При осветлении сточных вод не достигается полное удаление бактерий и вирусов. Так как среди оставшихся организмов могут остаться болезнетворные, осветлённые воды перед их использованием в технических целях или отведением в водоёмы подвергают обязательному обеззараживанию. Последнее может быть произведено хлорированием, озонированием или другими методами с использованием сильнодействующих окислителей, а также облучением бактерицидными лампами. Наибольшее распространение в угольной промышленности в настоящее время имеет метод обеззараживания хлорированием. Широко используют такие реагенты, как жидкий хлор и гипохлорид натрия.

6.4 Реагентное удаление из воды кальция и магния

Ионы кальция и магния могут быть выделены из воды в виде карбоната кальция и гидроксида магния реагентным умягчением с применением содово-известкового или содово-каустического методов. При содово-известковом методе гидроксид кальция расходуется на осаждение солей, обусловливающих карбонатную и магниевую жёсткость; карбонат натрия удаляет соли некарбонатной кальциевой жёсткости. При редко применяемом содово-каустическом методе едкий натр осаждает ионы магния, а сода - ионы кальция. Обычно эти процессы осуществляются в отстойниках или осветлителях. Часто реагентное умягчение воды проводится совместно с процессом коагуляции взвешеных в ней веществ в одних и тех же сооружениях (коагулянт - сульфат железа (ІІ)). Наиболее рационально извлечение ионов кальция из воды методом декарбонизации её известью или декальцирования с помощью едкого натра (соды) при использовании вихревых реактов.

6.5 Методы деминерализации шахтных вод.

На современном уровне развития науки перспективными методами опреснения и обессоливания воды являются дистилляция, электродиализ и обратный осмос.

Метод термической дистилляции позволяет строить многокорпусные испарители практически любой производительности. По энергетическим затратам этот метод наиболее дорогой.

По суммарной производительности установок электродиализ является вторым после дистилляции методом опреснения воды. Для мало- и среднеминерализованных вод (3-10 г/л) этот метод по экономическим оценкам более приемлем.

Экономически наиболее выгодным представляется метод обратного осмоса. Перспективным направлением в развитии обратного осмоса является использование динамических мембран, формируемых в процессе фильтрования опресняемой воды, содержащей специальные дисперсные добавки, через пористые подложки с соответствующим размером пор. Проницаемость таких мембран на порядок выше, чем проницаемость ацетатцеллюлозных; регенерируются они без разборки аппаратов.

Главным недостатком мембранных методов опреснения воды (электродиализ и обратный осмос) является невысокая степень концентрирования солей (всего в 3-5 раз). Широкому внедрению их препятствует отсутствие способов утилизации разбавленных рассолов после крупных опреснительных установок и образование осадков на мембранах.

Для успешного решения вопроса применения электродиализа и обратного осмоса при опреснении шахтных вод необходим комплексный подход к данной проблеме.

Для успешной работы технологической мембранной аппаратуры содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Освобождение шахтных вод от взвешенных и коллоидных загрязнений до указанного показателя, а также микроорганизмов может быть достигнуто путем коагуляции взвесей и коллоидов сульфатом алюминия или хлоридом железа (III), иногда целесообразно применять и флокулянт - полиакриламид.

При опреснении воды электродиализом существует два технологических барьера: карбонатный и сульфатный. Первый обусловлен отложением на мембранах карбоната кальция, второй - сульфата кальция. Поэтому из шахтной воды перед электродиализом необходимо удалить ионы кальция до концентрации 0,05-0,1 мг*экв./л. Высокая степень декальцирования воды перед электродиализом может быть достигнута лишь с применением натрий-катионирования или фосфатным доумягчением. Регенерационные растворы хлорида натрия для натрий-катионитовых фильтров могут быть получены непосредственно при комплексной переработке шахтных вод. Учитывая все же большой расход соли при регенерации катионитов, целесообразно декальцирование воды производить реагентным методом, а доумягчение ее осуществлять на катионитовых фильтрах.

Для предупреждения образования осадков карбоната кальция и гидроксида магния во всех случаях, вне зависимости от принятой схемы водоподготовки, рекомендуется предусматривать подкисление рассола и католита. Вместо подкисления возможно применение периодической переполюсовки электродиализных аппаратов.

Повышенное содержание в шахтной воде в растворенном состоянии органических веществ ухудшает протекание процесса электродиализа, поэтому их количество не должно превышать норм, установленных для питьевой воды.

При опреснении воды мембранными методами особую опасность представляет высокое содержание в ней ионов железа и марганца. Концентрация железа не должна превышать 0,1 мг/л.

Для предупреждения биологических обрастаний в мембранных аппаратах и трубопроводах целесообразно проводить предварительное хлорирование опресняемой воды дозами, обеспечивающими концентрацию остаточного хлора в воде 0,3-0,5 мл/л. В электродиализаторах для этих целей может использоваться хлор, выделяющийся в анодной камере.

Таким образом проблема деминерализации шахтных вод - технико-экономическая задача, решение которой потребует решения экологических проблем. На сегодняшний день не создана полностью законченная технологическая схема, обеспечивающая комплексного решения всех вопросов.

Практически из всех шахтных вод Донбасса могут быть получены при опреснении вещества, используемые как реагенты в процессе комплексной переработки сточных вод, или товарные продукты (например, кристаллический хлорид натрия, сернистый натрий, хлористый кальций,окись магния, мел, гипс). Количество их определяется на основании притоков воды из шахт и их гипотетического солевого состава. Организация такого производства позволит исключить загрязнение водоемов солеными водами, а также расширить ресурсы пресной воды и минерального сырья. Переработка попутных отходов является отдельным, но примыкающим к малоотходным и ресурсосберегающим технологиям процессом. Следовательно, использование попутно-добываемых шахтных вод составляет приоритетное направление экологизации экономики региона.

1. Охрана окружающей среды в горной промышленности/В.И. Николин, Е.С. Матлак.-К.; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1987.-192 с.

2. Комплексная переработка шахтных вод/А.Т. Пилипенко, И.Т. Гороновский, В.Д. Гребенюк и др.; Под. ред. А.Т. Пилипенко.-К.: Техніка, 1985.-183 с., ил.-Библиогр.: с. 175-182.

3. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности.-М.:Недра, 1991.-221 с.:ил.

4. Экология горного производства/М.Ею Певзнер, В.П. Костовецкий.-М.:Недра, 1990.-235 с.: ил.

5. Горшков В.А. Очиска и использование сточных вод предприятий угольной промышленности. М., Недра, 1981, 269 с.

6. Экология горного производства: Учебник для вузов/ Г.Г. Мирзаев, Б.А. Иванов, В.М. Щербаков, Н.М. Проскуряков.-М.: Недра, 1991.-320 с.: ил.

7. Минаев А.А.,Матлак Е.С., Аверин Г.В. О максимальном вовлечении шахтных вод в хозяйственное водоснабжение Донбасса//Охорона довкілля та екологічна безпека/Збірка доповідей науково-практичної конференції. Т.1-Донецьк,2001.-с.206-210.

Индивидуальное задание