Современные технологии очистки сточных вод на примере сорбционных материалов из отходов производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Современные технологии очистки сточных вод на примере сорбционных материалов из отходов производства

Введение

Масштабы антропогенного воздействия на гидроресурсы достигли катастрофических размеров. Многие предприятия РФ работают на грани возникновения катастрофы из-за износа оборудования, несовременных методов очистки и экономии средств на природоохранные мероприятия. В результате чего необходим поиск экономичных и эффективных технологических решений очистки сточных вод. Одним из таких методов является сорбционная очистка воды с использованием дешевых сорбционных материалов.

Очистка сточных вод, сорбционными методами, может достигать 100% и зависит от химической и физической природы адсорбента, от состава сточных вод [1].Адсорбционные методы широко применяют для доочистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Преимуществом сорбционного метода перед другими является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ, регенерация сорбента. Эффективность очистки достигает 80-95%.

1. Состояние сточных вод Байкальского региона

Ангара - одна из основных транспортных и рыбохозяйственных рек России, берет свое начало в оз. Байкал и через почти 2000 км впадает в Енисей. Площадь бассейна Ангары вместе с оз. Байкал - более 1000 км2. Уникальность Ангары во многом определяется зарегулированностью ее стока Байкалом и созданными на реке крупными водохранилищами, что обеспечивает достаточно высокую равномерность стока реки в течение всего года. Ангару можно разделить на три основных участка: І участок - от стока до г. Усолье-Сибирское; ІІ участок - до плотины Усть-Илимской ГЭС и Усть-Илимского водохранилища; ІІІ участок - ниже плотины Усть-Илимской ГЭС, где река протекает, в основном, по территории Красноярского края [1].

На первом участке сосредоточены крупнейшие города Иркутской области (г.г. Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское, Шелехов, Свирск, Черемхово). На территории Ангарской промышленной зоны, сосредоточены предприятия цветной металлургии, нефтехимической и химической, машиностроения, теплоэнергетики, производства строительных материалов и др.

Водоснабжение в бассейне р. Ангары является вторым по значению компонентом водохозяйственного комплекса. Водозабор из природных источников составляет 1,4 км3/год - более 2% российской величины. Основные водопотребители: промышленность - 75%, городское хозяйство-22%, сельское хозяйство - 2%. Сброс сточных вод в целом по бассейну достигает 1,1 км3/год, из которых 85% приходится на загрязненные стоки, сбрасываемые без очистки или недостаточно очищенными.

Концентрация промышленности привела к обострению многих экологических и социально-экономических проблем бассейна реки Ангара. Основные проблемы связаны с ухудшением качества природных, поверхностных речных вод вследствие сбросов нормативно очищенных стоков, объем которых в среднем за последние три года составляет 0,6 км3/год, в том числе загрязненных неочищенных и недостаточно очищенных - 0,54 км3/год.

Среди приоритетных загрязнителей водных объектов можно выделить: фенолы, нефтепродукты, органические, азотосодержащие и взвешенные вещества. Особая роль принадлежит тяжелым металлам, основными поставщиками которых являются предприятия «Усольехимпром» (г. Усолье-Сибирское) [2], локомотивные и вагонные депо Восточно-Сибирской железной дороги.

Физический и моральный износ технологического оборудования основных производств и очистных сооружений привели к росту сброса тяжелых металлов. В приоритетный список по загрязнению поверхностных вод включено около 20 створов водных объектов, которые по индексу загрязнения воды отнесены к «грязным» и «очень грязным» и требуют незамедлительного проведения природоохранных мероприятий.

Братское водохранилище подвержено еще более интенсивному техногенному воздействию. Водохранилище характеризуется сложными гидродинамическими условиями, сильно загрязненным составом воды и донных отложений. Концентрация биогенных элементов в воде почти на порядок превышает их содержание в воде Иркутского водохранилища. За последние 5 лет наблюдается существенное загрязнение воды Братского водохранилища тяжелыми металлами - медью, цинком, свинцом и таким особенно опасным элементом как ртуть. В планктоне содержание свинца более чем в 10 раз, ртути в 5 раз, меди в 3 раза превышает кларк металлов в биомассе пресноводной биосфере. В донных отложениях Братского водохранилища происходит угрожающее накопление тяжелых металлов [1].

Большой объем загрязнений вносится в водную среду бассейна р. Ангары с атмосферными осадками, поверхностным стоком с территории городов и промышленных площадок основных отраслевых комплексов, тающим снежным покровом, который по данным геохимическим исследованиям загрязнен тяжелыми металлами - цинком, медью, свинцом, ртутью. По результатам мониторинга снегового покрова установлено, что индустриальные центры Приангарья, сосредоточенные в Ангарской промышленной зоне, являются мощными источниками тяжелых металлов. Вблизи этих центров наблюдаются ареолы глубокого преобразования окружающей среды с аномально высокими уровнями накопления таких тяжелых металлов как Zn, Pb, Cu, Hg, Cd и т.д. В промышленных зонах городов Иркутской области преобладают соединения углерода, карбонатов, карбидов и сульфидов металлов и сажа.

При огромных масштабах по использованию материала для топлива существующая ситуация по накоплению токсичных отходов, а также низкая доля малоотходных технологий в промышленности крайне не допустима. Технологические процессы получения тяжелых цветных металлов, как правило, водоемки и, соответственно, сопровождаются ощутимыми выбросами в окружающую среду [3].

Атмосферные выпадения на поверхность водохранилищ Ангарского каскада транспортируют тяжелые металлы техногенного происхождения в экосистемы водоемов и приводят к существенному изменению их содержанию в воде водохранилищ и в химическом составе планктона.

Таким образом, основной водохозяйственной особенностью р. Ангары является чрезвычайно высокая степень антропогенной нагрузки.

2. Влияние тяжелых металлов на окружающую среду и человека

В своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружение» академик В.И. Вернадский писал: «… Ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны - прежде всего, питанием и дыханием - с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее природных условий они существовать не могут». Вода, воздух и почва имеют свойство поглощать и очищать ядовитые выбросы. Однако, у всего есть предел.

Некоторые металлы необходимы для нормальной жизнедеятельности всех организмов. Потребность в таких металлах как: калий, натрий, кальций, магний высока, другие же необходимы в малых количествах это - железо, медь, цинк, марганец, селен и т.д. Еще одной особенностью живых организмов является то, что макроэлементы вымываются, а микроэлементы обладают кумулятивными свойствами.

Избыток тяжелых металлов, сосредотачиваясь в мягких тканях (в основном в печени и почках), нарушает их нормальную деятельность; костная ткань, накопившая тяжелые металлы, является источником отравления организма. Вследствие чего происходят необратимые изменения структуры всего организма и изменяется хромосомный набор. После того как организму не требуется такое количество металла он транспортируется через клеточные мембраны. Дальнейшие процессы идут по различным направлениям, приводящим к накоплению токсиканта в органах и тканях, а в дальнейшем к аллергии и мутации [4].

Такие тяжелые металлы, как свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец, ртуть являются одними из наиболее опасных для растительного и животного мира.

Рассмотрим металлы, которые в природных водах содержатся в больших и очень больших количествах. Свинец - кумулятивный яд. При интоксикации свинцом наблюдается воздействие на нервную и кроветворную системы, особенно чувствительны к свинцовым отравлениям дети. Соединения свинца поступают в организм человека через кожу и слизистые оболочки, через дыхательные пути и пищеварительный тракт. Легко всасывается в желудочно-кишечном тракте, хорошо растворяется в клетках тканей, а затем током крови разносится во все органы и ткани, и депонируется в костях. При интоксикации свинцом развивается поражение мозга (энцефалопатия), нарушается дыхательная функция крови в следствие разрушения эритроцитов, нарушение функции пищеварительного тракта в результате атрофии слизистой оболочки тонкого кишечника. За счет вытеснения свинцом цинка и меди происходит угнетение целого ряда ферментов. Содержание свинца в крови не приходит к норме даже спустя три года после нормализации его уровня в атмосфере региона. В организме человека в среднем содержится ~ 120 мг свинца. Наибольшая концентрация свинца в поверхностном слое океанических вод до 0,007 мг/м3 .

Самым распространенным элементом в сточной воде является железо. В природных водах содержание Fe колеблется в больших пределах от 0.01 до 26,0 мг/л. В результате того, что в природных объектах содержится большое количество солей железа, сброс стоков с превышением ПДК тем более недопустим. Превышение содержания железа в первую очередь приводит к деградации печеночных тканей, в результате чего прекращается процесс очистки от токсинов крови и нарушается процесс кроветворения. Большое содержание железа в крови приводит к резкому увеличению содержания красных кровяных телец - эритроцитов, что в свою очередь приводит к повышению гемоглобина крови и к ухудшению состояния всего организма [5].

Ртуть попадает в организм человека при дыхании, с пищей и через кожу. Особенно токсичны органические соединения ртути: метилртуть и моноэтилртуть. В организме человека ртуть циркулирует в крови, соединяясь с белками, частично откладывается в печени, почках, селезенке, ткани мозга. Соединения ртути легко проникают в плод через плаценту и в материнское молоко: поэтому они особенно опасны для грудных детей. Из организма ртуть выделяется через почки, кишечник, потовые железы. Суточная предельно допустимая доза ртути (для взрослого человека) - 0,05 мг, из которых метилртути не должно быть более 0,03 мг [6].

К одним из высокотоксичных металлов, обладающих широким спектром действия, относится медь. Соединения Cu очень токсичны. Они обладают мутагенными свойствами. Негативное воздействии меди на печень и почки проявляется в значительном снижении очищающей способности этих органов, что приводит к развитию хронических заболеваний, а в последствии к летальному исходу. При интоксикации соединениями меди поражаются легкие. Развивается гипертония. Возможны развития аллергии и расстройства нервной системы. Хроническая интоксикация медью приводит к функциональным расстройствам нервной системы, в результате чего появляется вялость, раздражительность, высокая утомляемость организма.

Цинк может представлять мутагенную и онкогенную опасность. Избыточное поступление Zn в организм сопровождается нарушением усвоения фосфора, падением содержания кальция, а это вызывает хрупкость костной ткани и ухудшение деятельности сердечной мышцы, приводящей к развитию аритмии и других серьезных заболеваний. Высокое содержание цинка в организме приводит к нарушению структуры хромосомного набора, а это в дальнейшем сказывается в мутации последующих поколений. Цинк обладает кумулятивным токсическим эффектом даже при весьма незначительных концентрациях, поражая жизненно - важные органы и вызывая в них органические изменения, которые ведут к образованию злокачественных опухолей.

Установлено, что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозят развитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие на водную фауну.

Из выше сказанного очевидным становится необходимость развития научных и практических работ, направленных на решение проблемы загрязнения водных объектов тяжелыми металлами, создание малоотходных и безотходных производств.

3. Очистка сточных вод на основе отходов

За годы работы энергосистемы на золоотвалах ТЭЦ по данным ОАО «Иркутскэнерго» [111] накоплено более 76 млн. тонн золошлаков. Суммарный годовой выход ЗШО около 1,7 млн. тонн. Территориально золоотвалы располагаются в рамках муниципальных образований: Иркутск, Ангарск, Братск, Усолье-Сибирское, Саянск, Зима, Шелехов, Усть-Илимск.

Ново-Иркутской ТЭЦ предназначена для централизованного теплоснабжения г. Иркутска и покрытия электрических нагрузок энергосистемы АО ЭиЭ «Иркутскэнерго». Система способна вырабатывать 75 млрд. кВт*часов электроэнергии в год.

Основной технологический процесс происходит в главном корпусе, где установлены энергетические котлы (котлоагрегаты), в которых сжигается уголь для производства электрической энергии и тепла.

В котлоагрегатах сжигается в основном бурый уголь Азейского месторождения. Доля Ирша - Бородинского угля в структуре сжигаемых топлив находится в пределах от 11,5 до 37 %. Резервным (растопочным) топливом является мазут М-100. Характеристика и расход топлива, используемого на Ново-Иркутской ТЭЦ представлена в таблице 1.

Таблица 1.Характеристика и расход топлива, используемого на Ново-Иркутской ТЭЦ

Содержание микроэлементов в золошлаковых отходах Азейского и Ирша-Бородинского угля изложен в таблицах 2, 3. [111].

Таблица 2.Содержание микроэлементов в золошлаковых отходах

Таблица 3.Состав золы и золошлаковых отходов

На основании анализа таблиц можно сделать вывод, что в основном отходы от использования Азейского угля содержат такие микроэлементы, как V, Mn, Cu, Ni, Sr, Cr и Zn. Состав золы-уноса и шлака представлен, в основном, соединениями SiO2, Al2O3 и FeO3. Ирша-Бородинский уголь в составе имеет небольшое отличие от Азейского, поэтому отходы от его сжигания представлены следующим составом:

· по микроэлементам это, в основном, Mn и Sr;

· состав золы и золошлаковых отходов представлен соединениями SiO2 и СаО.

Складирование очаговых остатков производится в золошлакоотвал, расположенный в 2,5 км от площадки ТЭЦ. Золошлакоотвал овражного типа, фильтруемый, находится в эксплуатации с 1976 года. За время эксплуатации в золошлакоотвале накоплено 4,43 млн.м3 золошлакоотходов. Выход очаговых остатков за год составил 250,5 тыс.т.

Для получения твердого сорбента, имеющего достаточно однородный гранулометрический состав, использованы отходы производства многотонажного продукта - эпихлоргидрина, который является основным мономером при получении эпоксидных смол.

Утилизация хлорорганических отходов в настоящее время является сложной экологической задачей [7]. Это связано не только с огромным количеством накопившихся отходов, но и с активностью хлора, который способен связываться с другими элементами и образовывать сложные химические соединения. Эти соединения могут обладать кумулятивными, канцерогенными, мутагенными и другими свойствами по отношению к человеку. Но не нужно забывать и о влиянии этих соединений на окружающую среду в целом, которые разрушают экосистемы путем снижения генофонда, нарушения природного равновесия, деградации флоры и фауны.

В данной работе [8] дополнительно решается глобальная проблема: утилизация многотонажных хлорорганических и золошлаковых отходов.

В зависимости от места отбора образующиеся отходы обогащены 1,2-дихлорпропаном, трихлорпропанол, дихлорпропанолами и эпихлоргидрином. Состав отходов варьируется нормами технологического режима и стабильностью работы установки.

Эпихлоргидрин (ЭХГ) - важнейший мономер для производства эпоксидных смол, а также многих продуктов органического синтеза [2]. В промышленности его получают из пропилена в три химические стадии: хлорирование, хлоргидрирование хлористого аллила и щелочное дегидрохлорирование с замыканием эпоксидного кольца

Каждая из этих стадий сопровождается побочными реакциями, которые приводят к образованию до 0,5 т побочных хлорорганических продуктов на 1 т целевого эпихлоргидрина.

Серосодержащий сорбент (ССС) - это гранулированный сорбент, полученный поликонденсацией хлорорганических отходов производства эпихлоргидрина с полисульфидом натрия на поверхности золошлаковых частиц ТЭЦ в системе водный гидразин-щелочь. Атомы серы, входящие в состав органических молекул (сульфидов, ди - и полисульфидов, ксантогенатов и других соединений) способны к комплексообразованию с солями переходных металлов [9].

Серосодержащие сорбенты получали с использованием фракции хлорорганических отходов, обогащенной ТХП и имеющей следующий компонентный состав (масс %): ТХП - 76,6, дихлорпропанолов - 17,4, 1,2 - дихлорпропана - 2,0, дихлорпропенов - 2,1, остальных продуктов - 1,9.

Полисульфид натрия получали из элементной серы и едкого натра в водном растворе в присутствии, в качестве восстановителя, гидразингидрата [10].

Добавление хлорорганических компонентов (отходы производства эпихлоргидрина) приводит к образованию полимерных молекул, которые обволакивают частичку золы с образованием однородных гранул (рис. 1, 2).

При увеличении массы добавляемого зольного материала получаются более мелкие гранулы. При значительном увеличении содержания золы (10 г золы на 10 г NaOH) часть золы оказывается незадействованной и в неизменном виде присутствует в виде примеси к гранулам адсорбента. Снижение количества золы до 1 г на 10 г NaOH приводит к получению гранул неоднородных по величине. По-видимому, в этом случае помимо поликонденсации на поверхности частичек золы происходит образование полимера без включения золы.

Заключение

сточный вода очистка

По результатам мониторинга установлено, что индустриальные центры Приангарья являются мощным источником загрязнения тяжелыми металлами. При эксплуатации территории золошлакоотвала Ново-Иркутской ТЭЦ в достаточной мере не предусмотрены мероприятия, позволяющие не допустить загрязнения атмосферного воздуха, грунтовых, поверхностных вод, почвы выше установленных нормативов.

Анализ литературы показал, что сорбционный метод и сорбционная технология представляет большой интерес с точки зрения внедрения в технологические схемы очистки сточных вод от примесей. В результате, четко прослеживается необходимость выявления более дешевых и доступных сорбционных материалов.

За годы работы энергосистемы на золоотвалах ТЭЦ по данным ОАО «Иркутскэнерго» накоплено более 76 млн. тонн золошлаков, годовой выход ЗШО около 1,7 млн. тонн. Уголь представлен, в основном, из Ирша-Бородинского и Азейского разрезов.

Список использованных источников

1. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2000 году.: Иркутск, 2001 - 383 с.

2. Анализ хлорорганических производств ОАО «Усольехимпром»: Сборник научных трудов Ангарской гос. тех. академии. Я.Н. Силинская, В.П. Томин, [и др.]. - Ангарск.: АГТА, 2000 - С. 89-93.

3. Защита биосферы от промышленных выбросов. Основы проектирования технологических процессов / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов [и др.]. - М.: КолосС, 2007. - 392 с.

4. Экология человека. Основные проблемы: Сб. науч. тр. / М.: Изд-во Наука, 1988 - 224 с.

5. Голицын А.Н. Основы промышленной экологии. М.: Академия, 2004 - 239 с.

6. Грушко Я.М. Ядовитые металлы и их неорганические соединения в промышленных сточных водах. - М.: Медицина, 1972 - 122 с.

7. Запорожских Т.А. Основные характеристики шлака и золоуносов Ново-Иркутской ТЭС, предъявляемые к сорбционным материалам / Т.А. Запорожских, Я.К. Третьякова // Химия и химическая технология. - 2006, С. 99-102.

8. Анализ возможности использования золошлаковых материалов в качестве сорбента / Т.А. Запорожских, Я.К. Третьякова // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. - 2005 - С. 425-427.

9. Фролов В.Ф. Лекции по курсу Процессы и аппараты химической технологии / В.Ф. Фролов. - С-Пб.: Химиздат, 2003. - 608 с.

Размещено на Allbest.ru