Полякова ОП Вивчення можливостей підвищення ефективності очищення шахтних вод

Напрямом дослідження кваліфікаційної роботи магістра є вивчення екологічної обстановки в районі роботи гірничодобувного підприємства, ступені впливу скидання шахтних вод на стан навколишнього середовища для розробки способу поліпшення цієї обстановки і зниження шкідливого впливу на екосистему, а також раціонального використання природних ресурсів. Метою даної роботи є вибір і обгрунтування маловідхідної технології очищення шахтних вод для зниження техногенної дії гірського підприємства на навколишнє середовище. Для досягнення цієї мети необхідне вирішення ряду завдань, таких як оцінка хімічного складу шахтних вод, аналіз на відповідність їх вимогам можливих споживачів, виконання аналізу існуючих методів очищення і вибір найбільш оптимальних способів.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Для Донбасу характерна як проблема обмеженості водних ресурсів, так і негативний вплив шахтних вод на мережу гідрографії. Попутно з видобутком вугілля забирається вода, об'єм якої у декілька разів перевищує об'єм споживання її промисловими підприємствами галузі. Закриття в даний час багатьох шахт не приведе до істотного скорочення притоки шахтних вод. У зв'язку з цим, а також наростаючим дефіцитом питної води актуальними стають питання запобігання забрудненню підземних вод, очищення забруднених шахтних вод і повторного використання їх для потреб вугільної промисловості, а також суміжних галузей і сільського господарства. Забруднені попутно забирані води повинні піддаватися очищенню. Ці води після відповідної водопідготовки можуть бути використані для технічного водопостачання.

НОВИЗНА

Найгостріше проблема очищення шахтних вод стоїть в Донецькій і Луганській областях, що обумовлене як обмеженістю водних ресурсів, так і визначальним впливом шахтних вод, що скидаються, на забруднення водоймищ регіону. Скидання шахтних вод приводить до порушення і спотворення природних режимів в гідрологічній мережі, засолованню і замулюванню водоймищ, тим самим погіршуючи стан і показники якості водних об'єктів, особливо малих річок. Майже всі шахтні води, що скидаються, агресивні і містять значні кількості важких металів і інших мікроелементів. Серед них - цинк, нікель, марганець, кобальт і ін.

В основному відкачувані шахтні води забруднюються зваженими і розчиненими мінеральними речовинами, бактерійними домішками мінерального, органічного і бактерійного походження. Мінеральні домішки - це піщані і глинисті частинки, мінеральні включення вугілля, інертний пил, розчинені солі, що також містяться в шахтних водах, луги і кислоти. Органічні забруднення - частинки чистого вугілля, мінеральні масла і інші нафтопродукти, вживані для мастила гірських машин і механізмів, продукти життєдіяльності живих організмів, розкладання деревини і ін. Бактерійні речовини - різні мікроорганізми. Наявність у воді забруднень викликає її помутніння, обумовлює окислюваність і кольоровість, додає запах і присмак, визначає мінералізацію, кислотність і жорсткість. В більшості випадків шахтні води не придатні для пиття і володіють властивостями, що виключають їх використання в технічних цілях без попередньої обробки.

Вибір оптимальної технологічної схеми очищення води - достатньо складне завдання, що обумовлене переважним різноманіттям домішок, що знаходяться у воді, і високими вимогами, що пред'являються до якості очищення води. При виборі способу очищення шахтних вод враховують не тільки їх склад, але і вимоги, яким повинні задовольняти очищені води: при скиданні у водоймище – ГДС і ГДК, а при використанні очищених стічних вод у виробництві – вимоги, які необхідні для здійснення конкретних технологічних процесів.

Об'єктом вивчення є шахта імені В.І.Леніна ДХК «Макіївугілля». На підприємстві проводиться безреагентне механічне очищення в горизонтальних відстійниках без застосування реагентів, із знезараженням хлорною водою, з доочисткою в існуючих ставках-відстійниках шахтних вод. Окрім високої мінералізації в шахтних водах даної шахти містяться іони важких металів: стронцію, титану і марганцю, зміст яких перевищує ГДК для скидання у водоймище культурно-побутового використання.

Виходячи з цього необхідно удосконалювати технології і шукати нові шляхи вирішення проблеми очищення шахтних вод. Для ефективної роботи очисних споруд і виконання встановлених нормативів ГДС необхідна реконструкція тих, що діють або будівництво нових очисних споруд на основі сучасних технологій, на що потрібні відповідні інвестиції.

ОБЗОР РOЗРOБОК

Методи очищення промислових стічних вод обумовлюються їх фізико-хімічними і технологічними властивостями, кліматичними умовами районів, де розташовані підприємства. У вітчизняній і зарубіжній практиці найбільшого поширення набули безреагентна і реагентна технологія очищення.Виходячи з вимог, що пред'являються до якості води, безреагентне очищення здійснюється методами відстоювання у відстійниках і ставках-освітлювачах, фільтрування через шар зернистого матеріалу, сітки і тканини. Реагентне очищення застосовують при необхідності повнішого видалення з води зважених речовин, нафтопродуктів, іонів важких металів, її стабілізації і тому подібне Вона здійснюється за допомогою різних хімічних сполук або шляхом використання електрохімічних циклів. Для досягнення необхідного ступеня освітлення промислові стічні води перед відстоюванням і фільтруванням обробляються коагулянтами – солями алюмінію або заліза. Для інтенсифікації циклу освітлення стічних вод широко застосовують високомолекулярні органічні сполуки – флокулянти. Для нейтралізації кислих стоків використовують речовини з лужною реакцією. Найчастіше для цих цілей використовується вапно.

Вибір оптимальної технологічної схеми очищення шахтної води полягає в порівнянні техніко-економічних показників очищення. На базі аналізу науково-технічної документації і огляду літератури були розглянуті наступні варіанти очищення без застосування реагентів, із застосуванням реагентів і з доочисткою в ставках. Необхідно відразу відзначити, що дані способи очищення шахтних вод дозволяють більшою чи меншою мірою очистити їх від зважених речовин і бактерійних домішок. Висока мінералізація залишається без змін. У таблиці 1 приведені основні характеристики способів очищення шахтних вод.

Таблиця 1 - Характеристика способів очищення шахтних вод

Найменування показника якості води	Кількість
Найменування показника якості води	до очищення	після очищення без реагентів	після очищення з реагентами	після очищення на демінералізаційній установці
Зважені речовини, мг/л	200	80	20	1,5
Мінералізація, мг/л	3500	3500	3500	1150
Загальна жорсткість, моль/м3	9,9	9,9	9,9	-
рН	7-8	7-8	7-8	-

В даний час освітлення шахтних вод з використанням ставків-освітлювачів є вельми поширеним способом очищення шахтних вод на підприємствах Міністерства вугільної промисловості. Ставки-освітлювачі уловлюють до 96% тонких суспензій. Проте такі ставки також мають ряд недоліків: 1) займають великі виробничі площі; 2) їх споруда вимагає значних капітальних вкладень, а також приводить до високих експлуатаційних витрат на їх очищення і підтримку в робочому порядку; 3) у паводкові періоди є джерелами забруднень водоймищ; 4) при перевищенні змісту важких металів в шахтній воді, які в результаті протікання природних физико-хімічних процесів можуть сорбувати частинками мула і, відповідно, накопичуватися в мулі ставків, тим самим, підвищуючи клас небезпеки відходу (осідання мула).

Виходячи з приведених даних можна зробити висновок, що найбільш ефективними є методи очищення шахтної води із застосуванням реагентів. Технологія очищення шахтних вод у відстійних спорудах знайшла широке розповсюдження як найбільш проста в обслуговуванні і конструктивного виконання. Застосовують, в основному, ставки-відстійники, горизонтальні відстійники і їх поєднання. Проте є істотний недолік – необхідність достатньо великих площ землі. Тому в тих умовах, де для другого ступеня очищення неможливо споруджувати ставки-відстійники, застосовують фільтрувальні апарати. Початкова вода, яка поступає на фільтрувальні апарати, залежно від їх конструкції повинна містити певну концентрацію зважених речовин (30-50 мг/л). Приведена на рисунку 1 технологічна схема з використанням горизонтальних відстійників застосовується в двох варіантах: з відкритими фільтрами і напірними.

Гідність схеми полягає в тому, що вона забезпечує глибоке очищення шахтної води з високим початковим вмістом зважених речовин незалежно від дисперсного складу.

Недоліки схеми: потреба у вільній території для розміщення шламонакоплювача, необхідність контролю дозування реагентів і процесу коагуляції. Варіант схеми з напірними фільтрами несе в собі витрати на електроенергію, додатково до існуючих недоліків.

Технологічні схеми з використанням на першій стадії очищення вертикальних відстійників знаходять широке застосування (витрата шахтних вод – 150 м3/ч).

На рисунку 2 приведена схема відстоювання шахтної води у вертикальних відстійниках з реагентной обробкою і фільтруванням на швидких фільтрах.

Гідність схеми полягає в тому, що вона забезпечує глибоке очищення шахтної води з високим початковим вмістом зважених речовин.

Недоліки схеми: необхідність вільної території для розміщення майданчиків для зневоднення осаду; контроль дозування реагентів і процесу коагуляції.

Технологічна схема відстоювання в похилих відстійниках і фільтрування в напірних фільтрах представлена на рисунку 3.

Гідністю схеми є: отримання зневодненого продукту, який спрощує його утилізацію або складування. Анімація - Технологічні схеми очищення шахтних вод.

Анімація - Технологічні схеми очищення шахтних вод.

(Технічні характеристики анімації: кадров - 3, повторів 5, розмір - 75,5 Кб, інтервал між кадрами - 3 секунди.)

Для вибору кращої технологічної схеми очищення шахтних вод в єдину таблицю зведені техніко-економічні показники очищення (таблиця 2).

Таблиця 2 - Техніко-економіческиені показники очищення

Показники	Технологічні схеми очищення шахтних вод
Показники	рис.1	рис.2	рис.3
Продуктивність, м3/ч	300	150	150
Об'єм води, яка очищається за рік, тис.м3	1500	876	1314
Вміст зважених домішок в початковій воді, мг/л	1100	900	100
Вміст зважених домішок в очищеній воді, мг/л	10	2	2
Річна експлуатаційна потреба в матеріалах і енергоресурсах: глінозем 50 %, т	-	-	42,6
сульфат алюмінію, т	-	-	-
ПАА 8 %-вий, т	53	-	0,4

Шляхом аналізу даних таблиці 2 робимо висновок, що найбільш раціональною схемою очищення шахтної води є варіант, представлений на рисунку 1.

ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ

Для оцінки впливу шахтної води досліджуваного підприємства було доцільно оцінити зміну якості води балки Калинова після попадання до неї шахтних вод шахти імені Леніна. Для цього було проведено біотестування досліджуваних вод з використанням вищої судинної рослини (лук звичайний), згідно якій після триденного пророщування цибулин в досліджуваних пробах води проводили підрахунок довжини корінців і порівнювали їх з контрольними результатами в чистій воді, а потім розраховували коефіцієнт інгібірування зростання корінців, що дозволяє оцінити інтегральну токсичність проб стічних вод.

Для досвіду було відібрано по 7 непророслих цибулин діаметром (1-1,5) см на кожну пробу. Цибулини ретельно очищали від лусочок і розташовували на верхньому зрізі заздалегідь підготовлених пробірок, в які заливали тестовані зразки і контрольний розчин. Таким чином коренева система торкалась рідини в пробірці.

Величина коефіцієнта інгібірування для води з балки Калинова вище за скидання склала 4,3 %, нижче за скидання – 61,7 %, а для річки Грузська – 73,9 %, для ставка-відстійника - 52,2 %. Отримані результати свідчать про значну зміну токсичності води балки Калинова, яка впадає в річку Грузська, таким чином підвищуючи її існуючий високий рівень токсичності.

Існуюча схема очищення не забезпечує досягнення нормативу ГДС по зважених речовинах і абсолютно не передбачає очищення ось важких металів. Виходячи з недоліків існуючої схеми очищення варіант реагентной очищення шахтної води з економічною і з екологічного погляду є найбільш оптимальним.

У даній роботі вивчався вплив процесу коагуляції на витягання важких металів. Механізм освітлення шахтних вод коагуляцією можна розглядати як процес утворення при гідролізі коагулянтів нерозчинних гідроксидів алюмінію або заліза, до розвиненої поверхні яких прилипають в результаті адгезії високодисперсні частинки зважених речовин. Ці зважені в шахтних водах частинки можуть служити також центрами утворення твердої фази при конденсаційному виділенні гідроксидів з розчину. Колоїдні частинки гідроксидів, що виділяються при гідролізі солей-коагулянтів, в нейтральному або слабокислому середовищі шахтних вод, унаслідок сорбції катіонів водню і алюмінію або заліза, мають позитивний заряд поверхні; суспензії шахтних вод – негативний. Це сприяє їх взаємній адгезії. Зближення частинок на відстань, при якій відбувається їх злипання (коагуляція), досягається в результаті броунівського руху (молекулярно-кінетична коагуляція), перемішування середовища (градієнтна коагуляція) або унаслідок направленого переміщення частинок, рухомих з різними швидкостями під впливом сили тяжіння (гравітаційна коагуляція).

В результаті коагуляційних процесів утворюються структури надміцел сильно гідратованих гідроксидів алюмінію або заліза з тими, що витягують ними з води забрудненнями – пластівцями. Їх виникнення обумовлене тим, що агрегати частинок солей гідроксидів мають неправильну форму. На окремих ділянках поверхні таких агрегатів спостерігається зниження термодинамічного потенціалу і концентрації компенсуючих іонів; при зіткненні таких ділянок агрегати злипаються. Проте наявність у агрегатів ділянок з підвищеним потенціалом перешкоджає їх повному злипанню. В результаті формуються структури, що складаються з просторових осередків, усередині яких поміщена іммобілізована вода. Коагулянти, що тому утворюються, сильно обводнені і містять всього 2-5 % твердої фази.

Іони металів Fe+2, Ca+2, Mn+2, Mg+2 здатні утворювати в процесі очищення води нерозчинні з'єднання. Механізм, що вивчається, заснований на гідролізі витягуваних іонів і подальшому соосаждении з пластівцями коагулянта.

Для дослідження використовувалися проби води з каламутністю 200 мг/л, концентрацією іонів марганцю - 1 мг/л. Для вивчення впливу процесу коагуляції на витягання марганцю проводився аналіз на зміст марганцю в пробі до коагуляції і після коагуляції. Як коагулянт використовували сульфат алюмінію, доза коагулянта (з розрахунку на безводий продукт) – 31,7 мг/л, час коагуляції - 1,5 години. В результаті проведених досліджень були отримані дані про те, що при проведенні коагуляції вміст марганцю в досліджуваній воді зменшився на 50%.

ВИСНОВОК

З метою зниження техногенного впливу гірничодобувного підприємства на стан мережі гідрографії регіону необхідно удосконалити систему очищення шахтної води. Отримані дані свідчать про те, що реагентный спосіб очищення шахтної води дозволить не тільки очистить воду від зважених речовин до нормативу ПДС, але і значно зменшити вміст важких металів у воді, що скидається.

Під час написання даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне закінчення: листопад 2009 р. Повний текст роботы и матеріалы за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

ЛІТЕРАТУРА

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

ДонНТУ> Портал магістрів ДонНТУ> Автобіография

ЛІТЕРАТУРА

Сегодня :

Полякова Ольга Павлівна

Факультет: екології та хімічної технології

Спеціальність: екологія та охорона навколишнього середовища

Спеціалізація: екологія хімічних виробництв

Тема магістерскої роботи:

Вивчення можливостей підвищення ефективності очищення шахтних вод

Автореферат

МЕТА Й ЗАВДАННЯ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

НОВИЗНА

ОБЗОР РOЗРOБОК

ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ

ВИСНОВОК

Сегодня :

Полякова Ольга Павлівна

Факультет: екології та хімічної технології

Спеціальність: екологія та охорона навколишнього середовища

Спеціалізація: екологія хімічних виробництв

Тема магістерскої роботи:

Вивчення можливостей підвищення ефективності очищення шахтних вод

Автореферат

МЕТА Й ЗАВДАННЯ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

НОВИЗНА

ОБЗОР РOЗРOБОК

ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ

ВИСНОВОК

ЛІТЕРАТУРА

Сегодня :