Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Концепция ресурсосбережения и экологизации
в организации технологических процессов
машиностроительных производств 16
Экологическая опасность машиностроительных производств 16
Экологическая опасность соединений кадмия 21
Повышение экологической безопасности машиностроительных производств 24
Терминология 29
Принципиальные положения научных основ организации технологических процессов машиностроительных производств 35
Организация ресурсосберегающих экологизированных технологических процессов утилизации и обезвреживания отходов машиностроительных производств 41
Глава 2. Организация государственного стандарта на воду
и схемы промывки для гальванического производства...45
Государственный стандарт как основа ресурсосберегающего использования воды и сырья 45
Общие требования к воде для гальванического производства 50
Методы и схемы промывки деталей гальванического производства 56
Системы рационального использования воды 63
Математическое моделирование расхода воды при различных схемах промывки деталей гальванического производства 68
2.5.1. Расчет расхода воды при одноступенчатой
схеме промывки 73
Расчет расхода воды при двухступенчатой противоточной схеме промывки 80
Расчет расхода воды при двухступенчатой прямоточной схеме промывки 87
Расчет расхода воды при трехступенчатой смешанной схеме промывки 95
Изменение концентрации электролита при промывке
с несколькими ваннами улавливания 106
Расчет схем промывки графоаналитическим методом 108
Экспериментальное исследование изменения концентрации электролита в ваннах улавливания и промывки 112
Глава 3. Организация ресурсосберегающих экологизированных
технологических процессов утилизации и обезвреживания
отходов машиностроительных производств 118
3.1. Утилизация и обезвреживание отходов машиностроительных
производств 118
3.1.1. Организация технологического процесса сернокислого
кадмирования 119
Исследование сорбционной способности катионита КУ-2-8
по отношению к ионам кадмия 122
Исследование регенерации ионов кадмия из катионита
КУ-2-8 128
Повторное использование элюатов для регенерации катионита
КУ-2-8 135
Электрохимическая утилизация кадмия из элюатов и растворов
ванн улавливания 138
Технологический процесс сернокислого кадмирования 144
3.1.2. Технологический процесс утилизации растворов
хромирования 152
3.1.3. Обезвреживание сточных вод способом цементирования 156
3.2. Технологические процессы обезвреживания осадков
сточных вод гальванических производств 159
Обезвреживание гальванических шламов способом ферритизации 161
Обезвреживание циансодержащих гальванических шламов способом ферритизации 167
Совместное обезвреживание циансодержащих растворов
и гальванических шламов способом ферритизации 169
3.2.4. Адсорбционная способность ферритизированных
гальваношламов по отношению к катионам тяжелых
металлов 171
Обезвреживание циансодержащих гальванических шламов способом гипохлорирования 174
Организация технологических процессов утилизации отходов нефтепродуктов 176
Утилизация отходов нефтепродуктов 176
Технологический процесс комплексной утилизации смазочно-охлаждающих жидкостей 179
Разложение смазочно-охлаждающих жидкостей
минеральными кислотами 182
Обезвреживание биопораженных смазочно-охлаждающих
жидкостей 185
3.4.3. Технологический процесс регенерации отработанных
растворов обезжиривания 188
3.4.4. Технологический процесс регенерации отработанных масел 191
Глава 4. Организация полигона картового захоронения осадков
сточных вод гальванических производств 195
4.1. Организация экологического мониторинга системы
гальваношлам - почва 195
4.1.1. Выщелачиваемость ионов тяжелых металлов
из ферритизированного гальваношлама в лабораторных
условиях 198
4.1.2. Миграция ионов тяжелых металлов из гальваношламов
в полевых условиях 205
4.2. Организация полигона картового захоронения осадков
сточных вод гальванических производств 221
Заключение 230
Выводы 232
Литература 235
Приложения 272
Введение к работе
Актуальность исследования
Миллиарды тонн полезных ископаемых, отчужденных от живой природы, извлекаются ежегодно на поверхность Земли. После всевозможных технологических превращений огромное количество химических соединений рассеиваются в окружающей среде, нанося ей непоправимый вред [1-4].
За время существования человечества в природную среду было введено около миллиона новых веществ (всего известно свыше 6 млн). Ежегодно в мире синтезируется около 250 тыс. новых химических соединений, многие из которых получили широкое применение и могут поступать в окружающую среду. В практике используется 500 тыс. химических соединений, из которых более 50 тыс. являются опасными для окружающей среды и человека [5-8].
Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние, в связи с чем необходима глубокая очистка воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей [9-16].
Можно выделить следующие, наиболее очевидные, тенденции в изменении качества природных вод под влиянием хозяйственной деятельности людей.
В результате загрязнения кислотами пресных природных вод их рН снижается, вследствие чего в них увеличивается содержание растворимых форм сульфатов, нитратов, аммонийного азота, фосфатов, ионов тяжелых металлов, прежде всего свинца, кадмия, ртути, мышьяка и цинка. Солесодержание многих рек ежегодно повышается на 30-50 мг/л и более. Из 1000 т городских отходов в грунтовые воды попадает до 8 т растворимых солей.
Подкисленное дождевые воды, стекая по поверхности суши и просачиваясь в ^ижние слои почвы, растворяют карбонатные и другие
породы, что вызывает увеличение содержания ионов кальция, магния, кремния в подземных и речных водах.
В природных водах увеличивается содержание органических соединений, прежде всего биологически стойких, в том числе синтетических ПАВ, гетероорганических соединений (пестицидов и продуктов их распада) и других токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ.
Содержание кислорода в природных водах катастрофически снижается в результате повышения его расхода на окислительные процессы, связанные с эвтрофикацией водоемов, минерализацией органических соединений, а также вследствие загрязнения поверхности водоемов гидрофобными веществами и сокращения доступа кислорода из атмосферы. В отсутствие кислорода в воде усиливаются восстановительные процессы, в частности сульфаты восстанавливаются до сероводорода.
Большими темпами растут объемы отходов добычи и переработки полезных ископаемых. Их годовой прирост в России составляет около 7 млрд т, и которые содержат огромные количества экологически вредных веществ, загрязняющих почву, поверхностные и подземные воды. Соответственно увеличиваются затраты на складирование и хранение этих отходов, рекультивацию занятых ими земель, охрану окружающей среды от их вредного воздействия. В ряде случаев стоимость транспортировки и хранения отходов горного производства составляет до 40% затрат на рудоподготовку и обогащение сырья.
Суммарный забор свежей воды из природных источников России составляет 9,7-1010 м3. Из них 1,36-1010 м3 приходится на подземные воды. Общий объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты, составляют более 6-Ю м , из них неочищенных и сильно загрязненных 2,24-1010м3[16].
Предприятия машиностроения играют решающую роль в реализации достижений научно-технического прогресса во всех областях хозяйства.
На долю машиностроительного комплекса приходится почти 30 % от общего объема промышленной продукции и 12 % экспорта России.
Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих или связанных с добычей и переработкой руд, металлургией, термической и механической обработкой металлов, гальваническим производством, которое является неотъемлемой частью практически любой производственной отрасли.
Машиностроительные предприятия являются основными источниками загрязнения окружающей среды. Сточные воды предприятий содержат нефтепродукты, ионы тяжелых металлов, множество различных химических соединений. Машиностроительная промышленность способствуют проникновению в водную среду веществ, нормально отсутствующих в ней, или превышению естественного уровня их концентрации, что ухудшает качество среды.
Гальваническими производствами России ежегодно потребляется не менее 2" 10 м воды, на них образуется около 80 млн т гальванических шламов. Ежегодно предприятиями машиностроения сбрасывается 1300 млн. м отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей. Сброс 1 м недостаточно очищенной СОЖ, в которой содержание нефтепродуктов доходит до 50-60 г/дм , приводит к загрязнению десятков тысяч кубических метров природных вод [16].
Соединения токсичных металлов и нефтепродукты негативно влияют на экосистему водоем - почва - растительный и животный мир - человек.
Переход к рыночной экономике и ужесточение требований экологической безопасности привёл к соответствующему падению машиностроительного производства.
Отрасль стоит на грани утраты технологического потенциала. Начиная с 1991 г. капитальные вложения не покрывают выбытие и износ основных фондов.
Новые технологии, и особенно энергосберегающие, внедрялись только на трети, и то только крупных, предприятий.
Рыночная экономика выдвигает требование поиска эффективных форм и методов организации производства на новой научной основе. Научная организация производства рассматривается как совокупность технических и организационно-экономических мероприятий, предусматривающих внедрение в производство новых достижений науки и техники, включая проблему повышения экологической безопасности, направленных на обеспечение производства максимума продукции при минимальных экономических затратах [17-24].
К числу важнейших направлений совершенствования организации производства в настоящий период следует отнести комплексную подготовку производства, представляющую широкие и разнообразные мероприятия по созданию и освоению производственных нововведений.
Идея о комплексном решении ресурсной, экономической и экологической проблем выдвинута в 1930 гг. академиком А.Е. Ферсманом и заключается в общей интенсификации производства.
Комплексная подготовка производства имеет своей целью обеспечение всесторонней готовности производства к выпуску конкретных видов изделий заданного уровня качества и в необходимых количествах. Достижение указанных целей должно сопровождаться минимизацией всех видов затрат на подготовку, которые растут сегодня очень быстрыми темпами.
Таким образом, комплексная подготовка производства представляет собой совокупность взаимосвязанных научно-исследовательских, проектных, опытно-экспериментальных и пуско-наладочных работ, в процессе которых
осуществляется создание (модернизация) и производственное освоение конкретных видов продукции и технологий ее изготовления на основе новых или усовершенствованных технических, организационных и социально-экономических решений.
Необходимость повышения конкурентоспособности и обеспечения современного качества выпускаемой продукции, а также экономической эффективности технологических процессов, требует реконструкции действующих и создания новых, высокоэффективных машиностроительных производств, отвечающих современным экологическим требованиям.
В современных условиях большое значение приобретают научные основы организации производственных процессов, направленные на повышение эффективности функционирования ресурсосберегающих технологий использования воды и сырья, утилизации и обезвреживания отходов производства [25-31].
Имеющиеся к концу 1980 гг. нормативная база, методы и средства организации производственных процессов в настоящее время практически не применимы ввиду сложности аппаратурного оформления, неприемлемым затратам исходного сырья и большого количества образующихся опасных отходов.
Сложившаяся ситуация вызвала необходимость совершенствования машиностроительных производств, основополагающей частью которого является разработка научных основ организации технологических процессов для комплексного решения приоритетных ресурсосберегающих и экологических проблем. Цель и задачи исследования
Цель данного исследования - развитие научных основ организации ресурсосберегающих экологизированных технологических процессов для комплексного решения проблем машиностроительных производств.
Основная задача работы - организация основополагающих нормативных документов для проектирования и эффективного функционирования гальванических производств, и технологических процессов с максимально замкнутыми циклами для утилизации, обезвреживания и захоронения производственных отходов предприятий машиностроения.
Научная новизна
- Научные основы организации производственных систем получили
дальнейшее развитие для машиностроительных производств в виде единой
системы экологических и общетехнических принципов, главным из которых
является принцип системной экологизации технологических процессов в
рамках системной экологизации производства.
- Проведен анализ, синтез и математическое моделирование
организационно-технических решений по стандартизации, унификации и
типизации технологических процессов промывки в гальваническом
производстве, что послужило основой организации нового ГОСТ на воду и
схемы промывок, являющегося основным нормативным документом для
проектирования и функционирования гальванических производств.
- Разработаны научные, методологические и системотехнические основы
организации новых технологических процессов для машиностроительных
производств, направленные на комплексное решение ресурсосберегающих и
экологических проблем машиностроительной отрасли.
- Реализованы научно-организационные и практические способы и
средства организации ресурсосберегающих экологизированных
технологических процессов, заключающиеся в организации локальных
систем утилизации и обезвреживания отходов машиностроительных
производств, глубокой очистке сточных вод и нефтепродуктов на основе
гибкости применения и широкого диапазона системности новых
технологических средств и модулей утилизации, в том числе не имеющем аналогов модуле ультрафильтрации.
- Реализованы научно-организационные и практические способы и
средства организации экологического мониторинга системы гальваношлам -
почва, позволяющие оценить экологическую опасность гальванических
шламов при их распространении в природной среде.
- Разработаны научные, методологические и системотехнические основы организации технологических процессов и проектирования полигона картового захоронения осадков сточных вод гальванических производств с применением искусственного глинистого экрана. Практическая значимость
- Государственный стандарт ГОСТ 9.314-90, и «Рекомендации по
проектированию водоснабжения и канализации цехов гальванопокрытий.
БЗ-79», являются основными нормативно-техническими документами для
организации гальванических производств и их функционирования.
- Результаты работы использованы при организации участков и
технологических линий машиностроительных производств, изготовлении
технологических модулей утилизации и регенерации ценного сырья.
Годовой экономический эффект от организации и внедрения на предприятиях машиностроительной отрасли ресурсосберегающих экологизированных технологических процессов составил 16,73 млн руб.
Введен в эксплуатацию полигон картового захоронения осадков гальванических производств мощностью 3000 м3. Предотвращенный ущерб окружающей природной среде от организации мероприятий по захоронению гальванических осадков составил 128,0 млн руб.
- Материалы работы включены в лекционные курсы Ульяновского государственного университета, Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, Благовещенского государственного педагогического университета.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования явились территории и производства предприятий машиностроения, территории для захоронения отходов.
Для выполнения исследования применяли методы научной организации производства, химической технологии, физико-химические методы анализа.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены: на Республиканском научно-техническом семинаре «Ресурсосберегающая технология гальванопокрытий» (Кишинев, 1986); Всесоюзной научной конференции «Охрана от загрязнений сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей» (Тбилиси, 1987); Всесоюзном семинаре «Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков машиностроительной промышленности» (Москва, 1988); зональном семинаре «Регенерация химических растворов, элюатов и металлов в гальваническом производстве» (Пенза, 1988); Республиканском семинаре «Теплотехнология металлургического производства» (Киев, 1988); Республиканской научно-технической конференции «Малоотходные технологические процессы и сокращение промышленных выбросов в металлургической промышленности» (Запорожье, 1989); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Создание технологий и оборудования для замкнутых малоотходных систем водного хозяйства гальванических производств» (Харьков, 1989); Республиканской научно-технической конференции «Математическое моделирование физико-механических полей и интенсификация промышленного производства» (Запорожье, 1995); Всероссийском семинаре «Государственное управление и нормативно-правовая основа обращения с отходами» (Москва, 1999); Всероссийской научно-практической конференции «Гальванотехника, обработка поверхности и экология в XXI веке» (Москва, 2003); Всероссийском научно-практическом семинаре «Гальванотехника в электронике, производстве печатных плат и изделий с использованием
драгоценных металлов» (Москва, 2003); Всероссийской научно-практической конфереции «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения» (Ульяновск, 2004); Международном конгрессе «Высокие технологии» (Франция. - Париж, 2004); II Международной конференции «Производственные технологии» (Италия. - Рим, 2004); Международной конференции «Инновационные технологии» (Таиланд. - Паттайа, 2005); Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2005); III Общероссийской научной конференции «Новейшие технологические решения и оборудование» (Кисловодск, 2005); Международной конференции «Технологии 2005» (Турция. - Анталия, 2005); Международной конференции «Производственные технологии» (Италия. - Римини, 2006).
Публикации по теме диссертации
По материалам исследования опубликовано 70 печатных работ, в том числе 40 статей в центральных журналах, 2 государственных нормативных материала, 27 тезисов и материалов Международных и Всероссийских конференций и съездов, получен патент РФ.
Личный вклад автора
Автором осуществлена постановка задач, разработаны пути их решения, проведена интерпретация полученных данных, сформулированы выводы. Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы из 337 наименований, и приложений. Работа изложена на 304 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 68 рисунков.
Основные положения, выносимые на защиту
Система принципов научных основ организации ресурсосберегающих технологических процессов машиностроительных производств.
Организация государственного стандарта на воду и схемы промывок для гальванического производства.
- Организация ресурсосберегающих экологизированных
технологических процессов утилизации, обезвреживания и захоронения
отходов машиностроительных производств.
Организация экологического мониторинга системы гальваношлам -почва.
Организация полигона картового захоронения осадков сточных вод гальванических производств.
