Автор: Матлак Е.С., Саенко Л.И.
Источник: Охрана окружающей среды и рационального природа пользования ресурсов/Сборник докладов ХХI Всеукраинской научной конференции аспирантов и студентов. Т. 1- Донецк: ДонНТУ,ДонНУ,2012.-250 с.
Проведен анализ очистки шахтной воды деминерализационным методом. Представлены технико-экономические направления для разработки программы предотвращения сбросов неочищенных шахтных вод на основе их комплексной переработки и использования в народном хозяйстве. Рассмотрены пути повышения инвестиционной активности в регионе для реализации предложенных направлений.
Применение для очистки от солей шахтных вод известных технических методов деминерализации, использующихся в отечественной и мировой практике, либо не всегда дает необходимый эффект, либо не является экономически оправданным. Анализ позволяет заключить, что положительное решение этой актуальной проблемы может состояться, во-первых, в результате технического совершенствования методов деминерализации, а во-вторых, в рамках комплексной переработки шахтных вод. Именно комплексная переработка является радикальным направлением возврата шахтных вод в хозяйственных оборот региона и защиты природных водных объектов от загрязнения. Она позволяет использовать кондиционированную осветленную и опресненную шахтную воду на собственные нужды шахт, орошение сельхозугодий, коммунальные нужды городов и поселков, а также позволит перерабатывать жидкие рассолы в сухие товарные солепродукты, которые можно утилизировать. Лишь благодаря комплексной переработки шахтных вод попутно решаются очень важные народнохозяйственные вопросы: компенсация дефицита пресной воды (шахтные воды превращаются в ресурс промышленного водоснабжения); расширение ресурсов минерального сырья для нужд народного хозяйства путем извлечения солей из вод; переход промышленных предприятий на оборотное водоснабжение, обеспечивающее охрану качества воды в поверхностных водных объектах, в том числе Азовского моря.
Рентабельность процесса деминерализации может быть обеспечена путем реализации в качестве товара очищенной шахтной воды, а также извлеченных из нее солепродуктов (в сухой, твердой или сгущенной фазах).
Полный цикл очистки воды должен включать предварительную очистку от механических примесей, умягчение воды, оптимизацию pH, разделение(извлечение) солей и и обработку последних.
Рассмотрим более детально научно-технический уровень решения проблемы деминерализации шахтных вод.
Предварительная очистка исходной воды от взвесей необходима как уже отмечено выше для обеспечения эффективной и надежной работы всей технологической аппаратуры. Содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Такой уровень осветления достигается коагуляцией взвесей (сульфатом алюминия Al2(SO4)3 и другими реагентами) с последующим осаждением и фильтрованием.
Умягчение опресняемой воды с раздельным выделением карбоната кальция СаСО3 и гидроксида магния Mg(OH)2 имеет различную актуальность и степень выделения в зависимости от используемого в схеме конкретного метода опреснения воды, начальной минерализации воды и химического состава минеральных солей. Оно может проводится в два этапа:1) частичное умягчение воды методами известкования с использованием гашеной извести СаСО3; содоизвесткования с Ca(OH)2 и Na2SO3; обработкой едким натром NaOH; (на этом этапе осаждаются соединения: карбонат кальция и гидроксид магния); 2) глубокое доумягчение методами ионного обмена (по схеме двухступенчатого натрий-катионирования); фосфатирования (второй этап проводится лишь при применении электродиализного метода опреснения воды).
С целью оптимизации рН исходной воды после первого этапа умягчения проводится его нейтрализация раствором технической соляной кислоты. На стадии разделения солей перечень операций определяется взаимной растворимостью водно-солевой системы. В общем случае, эта стадия может включать упаривание или охлаждение с кристаллизацией, сгущение и отделение кристаллов в зависимости от используемого вида оборудования.
Технология комплексной переработки, обеспечивающая принцип безотходности путем разделения загрязненных вод на деминерализованную воду и соли в виде утилизируемых продуктов, а также выбор аппаратов и схем их компоновки определяются свойствами водно-солевой системы, наличием и возможностями выпускаемого оборудования, требованиями к качеству обессоленной воды, технико-экономическими показателями способа.
Положительное значение этих разработок заключается в том, что они позволили, во-первых, выбрать из большого количества известных до настоящего время в мировой практике традиционных методов деминерализации соленых вод наиболее приемлемые для очистки шахтных вод; во-вторых, предложить на их основе технологические схемы опреснения шахтных вод.
Выбор методов деминерализации осуществляется с использованием известного принципа решения главной задачи – разделение исходной воды на обессоленную воду и в минимальном объеме концентрат (рассол), пригодный к утилизации с выделением сухих солепродуктов или захоронению. При этом установлено, что для опреснения шахтных вод наиболее перспективными являются метод ионного обмена, мембранные методы (электродиализ и обратный осмос) и дистилляционный метод.
Результаты сравнительного анализа избранных методов по себестоимости опреснения шахтных вод и определение области их использования приведены на рисунке /9/ Видно, что технологически наиболее универсальным из перечисленных методов является дистилляционный.
Особенно экономичными дистилляционные установки являются при солесодержании более 10 г/л, производительности порядка 4000 м3/ч и наличии бросовой теплоты. Однако рассредоточенность источников сброса минерализованных шахтных вод, их относительно незначительный объем (в среднем 300 м3/ч) и малое солесодержание (в среднем 3,5 г/л по каждому источнику) ограничивают возможность применения больших дистилляционных установок даже для групп шахт. Кроме того, непостоянство химического состава шахтных вод и их высокая жесткость создают дополнительные трудности при опреснении вод дистилляцией (так как шахтные воды необходимо вначале очищать от солей жесткости, т.е. умягчать). Поэтому все большее распространение получают мембранные методы опреснения шахтных вод.
Окончательно выбор метода опреснения рекомендуется осуществлять в зависимости от солесодержания шахтной воды, производительности опреснительной установки, количества получаемых рассолов, стоимости и расхода топлива, электроэнергии, реагентов, местных условий.
Область применения каждого метода может быть рекомендована следующим образом: опреснение шахтных вод с содержанием солей до 3,0 г/л наиболее экономично проводить с помощью метода ионного обмена; опреснение воды с концентрацией солей 3,0…8,0 г/л – обратным осмосом и электродиализом; с концентрацией 8,0…18,0 г/л – обратным осмосом; опреснение воды с солесодержанием выше 18,0…20,0 г/л – дистилляцией.
Но в любом случае при солесодержании исходной воды в диапазоне от 2,0 до 10,0 г/л метод обратного осмоса применять предпочтительнее по следующему важному признаку: он позволяет получить наименьшее количество концентрата по сравнению с другими методами, и следовательно, хвостовая часть переработки рассолов потребует значительно меньших капитальных и эксплуатационных затрат.
Вывод: На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что чисто технические вопросы проблемы деминерализации шахтных вод, несмотря на их сложность, могут быть успешно решены.
1. Матлак Е.С., Малеев В.Б. Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях-К.:Техника, 1991.
2. Физико-химические основы технологии и обеззараживания шахтных вод: Монография /[Гребенкин С.С., Костенко В.К., Матлак Е.С. и др.]; под. общ. ред. Костенко В.К.- Донецк: «ВИК», 2009.-438с.
3. Резников Ю.Н., Кульченко В.В. Использование шахтных вод – перспективное направление экономии питьевой воды и уменьшения затрат предприятий. Сб. научных трудов «Совершенствование и разработка новых технологий и оборудования по охране окружающей среды. ОАО «Украинский научный центр технической экологии», Донецк, 2000. С. 10-14.
4. Матлак Е.С., В.К. Костенко, О.В. Луньова. До питання про можливу зміну регіональних норм якості шахтних вод, що скидають, та особливості їх використання// Проблеми екології. – 2010.- №1-2.-с.46-50.
5. Синявский С.А. О проблеме деминерализации шахтных вод/ Уголь Украины. – 2010- №2 – с.22-24.