Умягчение шахтных вод при водоснабжении энергетических объектов
Авторы:Е.С. Матлак, Е.Л. Беляева
Источник: УДК 628.543
Авторы:Е.С. Матлак, Е.Л. Беляева
Источник: УДК 628.543
Е.С. Матлак, Е.Л. Беляева. Умягчение шахтных вод при водоснабжении энергетических объектов. Приведены результаты экспериментальных исследований умягчения шахтных вод при водоснабжении котельных. Учтено влияние минерализации воды и выбран способ ее обессоливания. Рассмотрены аспекты комплексной переработки твердых и жидких регенерационных отходов.
Наиболее сложной экологической проблемой Донбасса являются сбрасываемые в водные объекты региона шахтные и карьерные воды, которые не соответствуют правилам охраны поверхностных вод по четырем критериям:
а) высокая минерализация (более 1 г/л — все шахты, до 3 г/л — 60% шахт и более 3 г/л — 40% шахт), из-за чего в водоемы и реки ежегодно сбрасывается около 2 млн. т. минеральных солей;
б) загрязненность взвешенными веществами (90–100 мг/л), что вызывает заиливание водных объектов;
в) бактериальная загрязненность;
г) повышенное содержание тяжелых металлов (их содержание превышает предельно допустимые концентрации от 1,5 до 15 раз).
Объемы сбрасываемых в реки и водоемы шахтных вод сопоставимы с объемами естественного стока малых рек и оказывают на последний огромное отрицательное воздействие. Поэтому перед Донбассом стоят две задачи, связанные с решением проблемы водных ресурсов:
Эти задачи должны решаться также и при консервации шахт, имеющей место в процессе реструктуризации угольной промышленности. Независимо от способа консервации проблема шахтных вод остается из-за неизменности их сбрасываемого количества и солевыноса в водные объекты. Перебрасывание потоков воды на соседние шахты не решает проблемы. Ответ на вопрос “Куда девать шахтные воды?” лежит в иной плоскости, а именно в определении возможности очистки и использования шахтных вод на технологические нужды угольных производств и смежных предприятий. Такой подход диктуется также все возрастающим дефицитом питьевой воды в Украине (особенно в промышленном Донецком регионе).
Одним из перспективных направлений использования шахтных вод является их применение для водоснабжения котельных шахт, обогатительных фабрик и других производств.
Так как шахтные воды, как правило, минерализованы и обладают повышенной жесткостью, то по существующим нормам (таблица 1) их нельзя применять без предварительной водоподготовки. Они должны умягчаться и обессоливаться.
К настоящему времени предложены различные методы умягчения вод. В современных условиях выбор какого-либо из них определяется, прежде всего, экономическими соображениями.
Одним из наиболее дешевых и в то же время эффективных способов умягчения является метод реагентной обработки воды с помощью извести.
Особенно целесообразно использовать известкование для умягчения вод со щелочностью, превышающей общую жесткость.
В молекулярной форме химизм известкования схематично может быть представлен следующими уравнениями:
Вторая реакция, когда образуется и выпадает в осадок гидроксид магния Mg(OH)2 , протекает при повышении дозы извести (ведение процесса в гидратном режиме, т.е. при рН>9), а также подогреве.
Эффективность процесса известкования воды зависит от целого ряда факторов, к основным, из которых относятся:
Процессы известкования целесообразно совмещать с коагуляцией и осуществлять ее с помощью реагентов типа сернокислого железа FeSO4• 7H2O и др. В результате коагуляции происходит снижение окисляемости, содержания взвешенных веществ, соединений железа. При этом примеси переходят в твердую фазу, благодаря чему упрощается их переработка при создании бессточных схем.
Для извлечения образующегося осадка в схеме водоподготовки необходимо предусматривать осветлитель и механический фильтр.
В зависимости от требований потребителя к качеству умягченной воды последняя либо может использоваться непосредственно после механического фильтра, либо направляться на доочистку. Доочистку воды рекомендуется производить с помощью ионитных фильтров.
Таким образом, схема подготовки шахтных вод для использования в оборотных системах охлаждения и подпитки складывается из двух стадий:
Схема включает также ряд дополнительных операций, связанных с завершенностью цикла водоподготовки: обработка и утилизация образующихся шлама и жидких регенерационных стоков (рассолов).
Проверка предложенного способа для умягчения шахтных вод была проведена в условиях шахты им. Калинина (производственное объединение “Донецкуголь”). В экспериментах принимали участие Линник О.А., Фролова С.И. и Папулова Л.К.
В соответствии с классификацией О.А. Алекина шахтная вода относится к сульфатному классу, натриевой группы. Ее состав приведен в таблице 2.
Видно, что исходная вода имеет невысокую жесткость, а общая щелочность больше общей жесткости. Именно для такого состава воды рекомендуется известкование.
Теоретический расчет процесса умягчения, произведенный по методикам ВНИИ ВОДГЕО и СНиП 2.04.02-84 (2), а также результаты экспериментальных исследований позволили построить графики изменения жесткости воды в необходимом диапазоне рН (рисунок 2). Их сравнение указывает на достаточную близость, что подтверждает правильность выбора показателей технологического регламента. Оптимальная доза извести — 505 мг/л; остаточная жесткость при этом составляет 1,4–1,8 мг-экв/л. Таким образом, в результате сдвига углекислотного равновесия вправо при известковании происходит частичное умягчение воды (удаляется прежде всего карбонатная жесткость), снижение щелочности (разрушение HCO3), декарбонизация (удаления СО2), частичное снижение сухого остатка (солесодержания). Однако солесодержание остатется высоким (2300 мг/л) и не отвечает требованиям к воде, используемой для подпитки котлов. Поэтому необходимы более глубокое умягчение и обессоливание воды.
Эти операции осуществлялись последовательно: вначале в катионитовом фильтре (катионит КУ-2-8 в Н-форме), а затем анионитовом фильтре (анионит АН-31 в ОН-форме). Из таблицы 2 видно, что имеет место резкое снижение солесодержания в воде.
Таким образом, шахтные воды средней минерализации можно путем соответствующей подготовки довести до норм качества воды, используемой в оборотных системах охлаждения и для питания котлов.
Современный подход к решению проблемы охраны окружающей природной среды нацеливает на разработку безотходных (малоотходных) технологий, в том числе бессточных схем водоподготовки, утилизацию образующихся отходов.
Содержащиеся в шламе щелочные компоненты (карбонат кальция и гидроксид магния) могут быть использованы для нейтрализации кислых вод, в качестве вяжущих добавок при производстве бетонов и силикатного кирпича, а также взамен извести в штукатурных и кладочных растворах.
Применение известкования обеспечивает благоприятное изменение основных показателей качества обработанной воды, что приводит к экономии кислоты и щелочи при последующем обессоливании известкованной воды методом ионного обмена, т.е. уменьшению количества регенерационных стоков.
Жидкие регенерационные стоки представляют собой многокомпонентные системы, содержащие различные растворенные соли. Их переработка возможна лишь на основе сочетания химических и галургических методов. Для выбора таких методов необходимо четко определить солевой состав стоков, оценить возможность селективного разделения смесей и экспериментально исследовать процессы выделения солей. Таким путем будет решаться одна из задач проблемы комплексной переработки шахтной воды, а тем самым компенсации дефицита пресной воды, перехода предприятий на оборотное водоснабжение, обеспечения охраны качества воды в поверхностных водных объектах.
1.Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. — К.: Наук. Думка, 1991. — 568 с.
2. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. / Госсстрой СССР. — М.: Стройиздат, 1985. — 136 с.