ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Автобиография | Библиотека | Ссылки |
Отчет о поиске | Индивидуальное задание


Сегодня :

Магистр ДонНТУ Полякова Ольга Павловна

Полякова Ольга Павловна

Факультет: экологии и химической технологии

Специальность: экология и охрана окружающей среды

Специализация: экология химических производств

Тема магистерской работы:

Изучение возможностей повышения эффективности очистки шахтных вод

Научный руководитель: доцент Фурман Е.В.

Автореферат

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Направлением исследования квалификационной работы магистра является изучение экологической обстановки в районе работы горнодобывающего предприятия, степени влияния сброса шахтных вод на состояние окружающей среды для разработки способа улучшения этой обстановки и снижения вредного влияния на экосистему, а также рационального использования природных ресурсов. Целью данной работы является выбор и обоснование малоотходной технологии очистки шахтных вод 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.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

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 потребностей угольной промышленности, а также смежных отраслей и сельского хозяйства. Загрязненные попутно забираемые воды должны поддаваться очистке. Эти воды после соответствующей водоподготовки могут быть использованы для технического водоснабжения [12].

НОВИЗНА

Наиболее остро проблема очистки шахтных вод стоит в Донецкой и Луганской областях, что обусловлено как ограниченностью водных ресурсов, так и определяющим влиянием сбрасываемых шахтных вод на загрязнение водоемов региона. Сброс шахтных вод приводит к нарушению и искажению естественных режимов в гидрологической сети, засолонению и заиливанию водоемов, тем самым ухудшая состояние и показатели качества водных объектов, в особенности малых рек. Почти все сбрасываемые шахтные воды агрессивны и содержат значительные количества тяжелых металлов и других микроэлементов. Среди них - цинк, никель, марганец, кобальт и др.[11].

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.

Выбор оптимальной технологической схемы очистки воды - достаточно сложная задача, что обусловлено преимущественным многообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству очистки воды. При выборе способа очистки шахтных вод учитывают не только их состав, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды: при сбросе в водоем – ПДС и ПДК, а при использовании очищенных сточных вод в производстве – требования, которые необходимы для осуществления конкретных технологических процессов.

Объектом изучения является шахта имени В.И.Ленина ГХК «Макеевуголь». На предприятии производится безреагентная механическая очистка в горизонтальных отстойниках без применения реагентов, с обеззараживанием хлорной водой, с доочисткой в существующих прудах-отстойниках шахтных вод. Кроме высокой минерализации в шахтных водах данной шахты содержатся ионы тяжелых металлов: стронция, титана и марганца, содержание которых превышает ПДК для сброса в водоем культурно-бытового использования.

Исходя из этого необходимо совершенствовать технологии и искать новые пути решения проблемы очистки шахтных вод. Для эффективной работы очистных сооружений и выполнения установленных нормативов ПДС необходима реконструкция действующих или строительство новых очистных сооружений на основе современных технологий, на что требуются соответствующие инвестиции.

ОБЗОР РАЗРАБОТОК

Методы очистки промышленных сточных вод, обуславливаются их физико-химическими и технологическими свойствами, и климатическими условиями районов, где расположены предприятия. В отечественной и зарубежной практике наибольшее распространение получили безреагентная и реагентная технология очистки.Исходя из требований, предъявляемых к качеству воды, безреагентная очистка осуществляется методами отстаивания в отстойниках и прудах-осветлителях, фильтрования через слой зернистого материала, сетки и ткани. Реагентную очистку применяют при необходимости более полного удаления из воды взвешенных веществ, нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов, ее стабилизации и т.п. Она осуществляется с помощью различных химических соединений или путем использования электрохимических циклов. Для достижения требуемой степени осветления промышленные сточные воды перед отстаиванием и фильтрованием обрабатываются коагулянтами – солями алюминия или железа. Для интенсификации цикла осветления сточных вод широко применяют высокомолекулярные органические соединения – флокулянты. Для нейтрализации кислых стоков используют вещества со щелочной реакцией. Чаще всего для этих целей используется известь [1].
Выбор оптимальной технологической схемы очистки шахтной воды заключается в сравнении технико-экономических показателей очистки [2]. На базе анализа научно-технической документации и обзора литературы были рассмотрены следующие варианты очистки без применения реагентов, с применением реагентов и с доочисткой в ставках. Необходимо сразу отметить, что данные способы очистки шахтных вод позволяют в большей или меньшей степени очистить их от взвешенных веществ и бактериальных примесей. Высокая минерализация остается без изменений. В таблице 1 приведены основные характеристики способов очистки шахтных вод [2].

Таблица 1 - Характеристика способов очистки шахтных вод

Наименование показателя качества воды Количество
до очистки после очистки без реагентов после очистки с реагентами после очистки на деминерализационной установке
Взвешенные вещества, мг/л 200 80 20 1,5
Минерализация, мг/л 3500 3500 3500 1150
Общая жесткость, моль/м3 9,9 9,9 9,9 -
рН 7-8 7-8 7-8 -
В настоящее время осветление шахтных вод с использованием прудов-осветлителей является весьма распространенным способом очистки шахтных вод на предприятиях Министерства угольной промышленности [4]. Пруды-осветлители улавливают до 96% тонких суспензий. Однако такие пруды также имеют ряд недостатков: 1) занимают большие производственные площади; 2) их сооружение требует значительных капитальных вложений, а также приводит к высоким эксплуатационным расходам на их очистку и поддержку в рабочем порядке; 3) в паводковые периоды являются источниками загрязнений водоемов; 4) при превышении содержания тяжелых металлов в шахтной воде, которые в результате протекания естественных физико-химических процессов могут сорбировать частицами ила и, соответственно, накапливаться в иле прудов, тем самым, повышая класс опасности отхода (осадка ила) [6].
Исходя из приведенных данных, можно сделать вывод, что наиболее эффективными являются методы очистки шахтной воды с применением реагентов.
Технология очистки шахтных вод в отстойных сооружениях нашла широкое распространение как наиболее простая в обслуживании и конструктивного выполнения. Применяют, в основном, пруды-отстойники, горизонтальные отстойники и их сочетания. Однако есть существенный недостаток – необходимость достаточно больших площадей земли. Поэтому в тех условиях, где для второй степени очистки невозможно сооружать пруды-отстойники, применяют фильтровальные аппараты. Начальная вода, которая поступает на фильтровальные аппараты, в зависимости от их конструкции должна содержать определенную концентрацию взвешенных веществ (30-50 мг/л). Приведенная на рисунке 1 технологическая схема с использованием горизонтальных отстойников применяется в двух вариантах: с открытыми фильтрами и напорными.

Достоинство схемы заключается в том, что она обеспечивает глубокую очистку шахтной воды с высоким начальным содержанием взвешенных веществ независимо от дисперсного состава.

Недостатки схемы: потребность в свободной территории для размещения шламонакопителя, необходимость контроля дозирования реагентов и процесса коагуляции. Вариант схемы с напорными фильтрами несет в себе расходы на электроэнергию, дополнительно к существующим недостаткам.

Технологические схемы с использованием на первой стадии очистки вертикальных отстойников находят широкое приложение (расход шахтных вод – 150 м3/ч) [8].
На рисунке 2 приведена схема отстаивания шахтной воды в вертикальных отстойниках с реагентной обработкой и фильтрованием на скорых фильтрах [5].
Достоинство схемы заключается в том, что она обеспечивает глубокую очистку шахтной воды с высоким начальным содержанием взвешенных веществ.
Недостатки схемы: необходимость свободной территории для размещения площадок для обезвоживания осадка; контроль дозирования реагентов и процесса коагуляции.
Технологическая схема отстаивания в наклонных отстойниках и фильтрования в напорных фильтрах представлена на рисунке 3.
Анимация - Технологические схемы очистки шахтных вод.

Анимация - Технологические схемы очистки шахтных вод.

(Технические характеристики анимации: кадров - 3, повторений 5, размер - 75,5 Кб, интервал между кадрами - 3 секунды.)

Достоинством схемы является: получение обезвоженного продукта, который упрощает его утилизацию или складирование.
Для выбора лучшей технологической схемы очистки шахтных вод в единственную таблицу сведены технико-экономические показатели очистки (таблица 2) [5].

Таблица 2 - Технико-экономические показатели очистки

Показатели Технологические схемы очистки шахтных вод
рис.1 рис.2 рис.3
Производительность, м3/ч 300 150 150
Объем воды, которая очищается за год, тыс.м3 1500 876 1314
Содержание взвешенных примесей в начальной воде, мг/л 1100 900 100
Содержание взвешенных примесей в очищенной воде, мг/л 10 2 2
Годовая эксплуатационная потребность в материалах и энергоресурсах: глинозем 50 %, т - - 42,6
сульфат алюминия, т - - -
ПАА 8 %-ный, т 53 - 0,4
Путем анализа данных таблицы 2 делаем вывод, что наиболее рациональной схемой очистки шахтной воды является вариант, представленный на рисунке 1.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Для оценки влияния шахтной воды исследуемого предприятия было целесообразно оценить изменение качества воды балки Калиновая после попадания к ней шахтных вод шахты имени Ленина. Для этого было проведено биотестирование исследуемых вод с использованием высшего сосудистого растения (лук обыкновенный), согласно которому после трехдневного проращивания луковиц в исследуемых пробах воды проводили подсчет длины корешков и сравнивали их с контрольными результатами в чистой воде, а затем рассчитывали коэффициент ингибирования роста корешков, что позволяет оценить интегральную токсичность проб сточных вод.

Для опыта было отобрано по 7 непроросших луковиц диаметром (1-1,5) см на каждую пробу. Луковицы тщательным образом очищали от чешуек и располагали на верхнем срезе предварительно подготовленных пробирок, в которые заливали тестируемые образцы и контрольный раствор. Таким образом корневая система касалась жидкости в пробирке.

Величина коэффициента ингибирования для воды из балки Калиновая выше сброса составила 4,3 %, ниже сброса – 61,7 %, а для реки Грузская – 73,9 %, для пруда-отстойника - 52,2 %. Полученные результаты свидетельствуют о значительном изменении токсичности воды балки Калиновая, которая впадает в реку Грузская, таким образом повышая ее существующий высокий уровень токсичности.

Существующая схема очистки не обеспечивает достижения норматива ПДС по взвешенным веществам и абсолютно не предусматривает очистку вот тяжелых металлов. Исходя из недостатков существующей схемы очистки вариант реагентной очистки шахтной воды с экономической и с экологической точки зрения является наиболее оптимальным [9].

В данной работе изучалось влияние процесса коагуляции на извлечение тяжелых металлов. Механизм осветления шахтных вод коагуляцией можно рассматривать как процесс образования при гидролизе коагулянтов нерастворимых гидроксидов алюминия или железа, к развитой поверхности которых прилипают в результате адгезии высокодисперсные частицы взвешенных веществ. Эти взвешенные в шахтных водах частицы могут служить также центрами образования твердой фазы при конденсационном выделении гидроксидов из раствора. Коллоидные частицы гидроксидов, выделяющиеся при гидролизе солей-коагулянтов, в нейтральной или слабокислой среде шахтных вод, вследствие сорбции катионов водорода и алюминия или железа, имеют положительный заряд поверхности; взвеси шахтных вод – отрицательный. Это способствует их взаимной адгезии. Сближение частиц на расстояние, при котором происходит их слипание (коагуляция), достигается в результате броуновского движения (молекулярно-кинетическая коагуляция), перемешивания среды (градиентная коагуляция) или вследствие направленного перемещения частиц, движущихся с различными скоростями под влиянием силы тяжести (гравитационная коагуляция).

В результате коагуляционных процессов образуются сверхмицеллярные структуры сильно гидратированных гидроксидов алюминия или железа с извлеченными ими из воды загрязнениями – хлопьями. Их возникновение обусловлено тем, что агрегаты частиц солей гидроксидов имеют неправильную форму. На отдельных участках поверхности таких агрегатов наблюдается снижение термодинамического потенциала и концентрации компенсирующих ионов; при соприкосновении таких участков агрегаты слипаются. Однако наличие у агрегатов участков с повышенным потенциалом препятствует их полному слипанию. В результате формируются структуры, состоящие из пространственных ячеек, внутри которых заключена иммобилизованная вода. Поэтому образующиеся коагулянты сильно обводнены и содержат всего 2-5 % твердой фазы.

Ионы металлов Fe+2, Ca+2, Mn+2, Mg+2 способны образовывать в процессе очистки воды нерастворимые соединения. Изучаемый механизм основан на гидролизе извлекаемых ионов и последующем соосаждении с хлопьями коагулянта.

Для исследования использовались пробы воды с мутностью 200 мг/л, концентрацией ионов марганца - 1 мг/л. Для изучения влияния процесса коагуляции на извлечение марганца проводился анализ на содержание марганца в пробе к коагуляции и после коагуляции. В качестве коагулянта использовали сульфат алюминия, доза коагулянта (в расчете на безводный продукт) – 31,7 мг/л, время коагуляции - 1,5 часа. В результате проведенных исследований были получены данные о том, что при проведении коагуляции содержание марганца в исследуемой воде уменьшилось на 50%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью снижения техногенного влияния горнодобывающего предприятия на состояние гидрографической сети региона необходимо усовершенствовать систему очистки шахтной воды. Полученные данные свидетельствуют о том, что реагентный способ очистки шахтной воды позволит не только очистит воду от взвешенных веществ до норматива ПДС, но и значительно уменьшить содержание тяжелых металлов в сбрасываемой воде.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: ноябрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Горшков В.А. Очистка и использование сточных вод предприятий угольной промышленности. – Москва: Недра, 1981 – 262 с.
  2. Колоколов О.В., Хоменко Н.П. Охрана окружающей среды при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. – Киев: Высшая школа, 1986 – 347с.
  3. Монгайт И.Л. Очистка шахтных вод. – Москва: Недра, 1978 – 455 с.
  4. Меркулов Г.В. Охрана природы на угольных шахтах. – Москва: Недра, 1981 – 184 с.
  5. Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. – Москва: Химия, 1981 – 368 с.
  6. Брылов С.А. и др. Охрана окружающей среды. Москва: Высшая школа, 1985 – 272 с.
  7. Яковлев С.В., Карелин Я.А. и др. Очистка производственных сточных вод. – Москва: Стройиздат, 1985 – 335 с.
  8. Лосев К.С. Вода. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989 – 272 с.
  9. СниП 2.04.02-84. Водоснабжение, наружные сети и сооружения.
  10. Сосновский П.А. Шахтные водоотстойники. Москва: Госгортехиздат, 1961 – 172 с.
  11. Еженедельник 2000. Мертвая вода
  12. Словари и энциклопедии он-лайн. Рудничные воды

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Автобиография | Библиотека | Ссылки |
Отчет о поиске | Индивидуальное задание



©ДонНТУ Полякова О.П.