Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы 17
1.1 Проблемы загрязнения водной среды железнодорожным транспортом 17
1.2 Проблема сточных вод на железнодорожном транспорте 22
1.3 Характеристика загрязнений сточных вод на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта 35
1.4 Контроль качества сточных вод на объектах ОАО «РЖД» 40
1.4.1 Экологический мониторинг на железнодорожном транспорте 40
1.4.2 Параметры полного санитарно-химического анализа 42
1.4.3 Параметры сокращенного санитарно-химического анализа 42
1.4.4 Требования по организации и проведению производственного экологического контроля (мониторинга) для водных объектов структурными подразделениями ОАО «РЖД»
ГЛАВА 2 Выбор методов очистки сточных вод
2.1 Обоснование необходимости очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов
2.2 Существующие на объектах инфраструктуры ОАО «РЖД» установки для очистки сточных вод
2.3 Выбор методов очистки сточных вод железнодорожного транспорта для блочно-модульной установки
2.4 Применение ультрафиолетового излучения для очистки и контроля качества сточных вод железнодорожного транспорта
2.5 Методические основы расчетов процессов очистки воды от нефтепродуктов
ГЛАВА 3 Разработка макетного образца блочно- модульной установки очистки сточных вод объектов инфраструктуры оао «ржд» от нефтепродуктов
3.1 Разработка макетного образца модуля грубой очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов (блоки коагуляции и флотации)
3.1.1 Разработка макетного образца блока очистки от эмульсии нефтепродуктов и сопутствующих углеводородов из состава сточных вод
3.2 Разработка макетного образца модуля сорбционной очистки растворенных в сточных водах нефтепродуктов и сопутствующих углеводородов
3.3 Разработка макетного образца модуля финальной очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефтепродуктов
3.4 Разработка макетного образца устройства экспресс-анализа качества воды в режиме реального времени
3.4.1 Разработка системы автоматического управления потоком очищаемой воды с помощью блока оперативного контроля и управляемых клапанов-задвижек
3.5 Построение общей схемы блочно-модульной установки очистки сточных вод с системой автоматического оперативного
контроля качества воды
ГЛАВА 4 Проведение испытаний макетного образца блочно-модульной установки очистки сточных вод железнодорожного транспорта от нефепродуктов
4.1 Разработка программы и методики испытаний макетного образца блочно- модульной установки по очистке сточных вод железнодорожного транспорта
4.2 Описание результатов испытаний макетного образца блочно-модульной установки
4.2.1 Результаты испытаний макетного образца блочно-модульной установки по очистке сточных вод на модельных растворах
4.2.2 Результаты испытаний макетного образца блочно-модульной установки 125 по очистке реальных сточных вод
ГЛАВА 5 Технико-экономическое обоснование 129
Технологии очистки сточных вод
Заключение 142
Словарь терминов 145
Список литературы
- Контроль качества сточных вод на объектах ОАО «РЖД»
- Выбор методов очистки сточных вод железнодорожного транспорта для блочно-модульной установки
- Разработка макетного образца блока очистки от эмульсии нефтепродуктов и сопутствующих углеводородов из состава сточных вод
- Результаты испытаний макетного образца блочно-модульной установки по очистке сточных вод на модельных растворах
Контроль качества сточных вод на объектах ОАО «РЖД»
Загрязнение биосферы, нарушение энергетического и водного балансов, могут привести к отрицательным изменениям в функционировании экосистем в целом, их продуктивности и, как следствие, к негативным последствиям для жизнеобеспечения человека [21-24].
Вредные воздействия. Наибольший ущерб компоненты биосферы получают от следующих объектов железнодорожного транспорта: промывочно-пропарочных пунктов для наливного подвижного состава, пунктов дезинфекции вагонов, шпалопропиточных и щебеночных заводов, локомотивных и вагонных депо, подвижного состава, перевозящего взрывчатые вещества и нефтепродукты. Наиболее распространенные загрязнители, поступающие в окружающую среду и негативно влияющие на различные организмы, – это бензин, нефтепродукты, фенолы, дизельное топливо, растворенные кислоты [21-24].
За счет стационарных источников загрязнения происходит формирование поверхностного стока, включающего дождевые воды и талые снеговые, воды от уборки помещений и мойки подвижного состава, сточные воды, источником образования которых являются производственные процессы [21 - 24].
Производственные сточные воды возникают во многих технологических процессах. Состав и количество этих вод различны. Сточные воды образуются при мойке подвижного состава, очистке узлов и деталей в моечных машинах, при работе аккумуляторных батарей, гальванической и механической обработке деталей, гидравлических испытаниях различных емкостей и так далее [23;26].
В поверхностных стоках с территорий транспортных предприятий содержатся жидкие нефтепродукты, остатки дезинфицирующих, моющих, противогололёдных и антиобледенительных реагентов, используемых в металлообработке растворов, формовочных смесей, продукты износа шин и разрушения искусственных покрытий, отработанные электролиты аккумуляторных батарей. В состав сточных вод входят нефтепродукты, жидкие токсичные вещества – ацетон, бензол, щелочи, кислоты, растворённые металлы (хром, бериллий, алюминий и другие) [21;26]
Из вагонов-цистерн во время перевозок выливаются нефтепродукты, так как негерметичны клапаны и сливные приборы цистерн, неплотны люки. Просачиваясь сквозь почвенные горизонты, нефтепродукты загрязняют грунтовые воды. У вагонных и локомотивных депо, предприятий промышленного железнодорожного транспорта, заводов по ремонту подвижного состава имеются производства, на которых осуществляются технологические процессы по техническому обслуживанию и ремонту подвижного состава всех видов транспорта [19;23;31]. В состав вагонных депо входят промывочно-пропарочные станции (ППС), действующие так же в качестве самостоятельных предприятий. На ППС очищают цистерны от остаточных нефтепродуктов. При очистке цистерн выполняют следующие операции: обработку паром внутренней полости, промывку горячей водой, продувку и удаление из цистерны остаточных газов (дегазация). Эти операции сопровождаются выделением в окружающую среду загрязняющих веществ [19;23;31;32]
По данным департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД», на дорогах сейчас действуют 17 ППС, примерно две трети из которых находится в аренде, а еще шесть станций по-прежнему на балансе ОАО «РЖД». Самая молодая ППС была построена в 1985 году. Большинству же станций далеко за 30 лет, их строили обычно рядом с нефтеперерабатывающими заводами, исходя из технологической и экономической целесообразности. Кроме того, сравнительно недавно около десятка ППС введено в эксплуатацию частными собственниками вагонов [32].
По оценкам экспертов, износ оборудования станций составляет порядка 60%, а их очистных сооружений – 80%. При этом не следует забывать, что подобные предприятия характеризуются вредными условиями труда, являются источником загрязнения окружающей среды (ОС) [32].
Авторами статьи – к.э.н., доцентом В.М. Пономаревым и к.т.н., доцентом С.А. Донцовым в качестве типовой промывочно-пропарочной станции была детально исследована ППС-17 ст. Суховская Восточно-Сибирской железной дороги [32].
Станция представляет собой открытую эстакаду для горячей обработки цистерн, используемых для нефтепродуктов; с трех сторон окружена городской застройкой, минимальное расстояние до которой 2000 м. [32]
Пропарка котлов цистерн осуществляется паром при температуре 1100С и давлении 6 атмосфер. Операция предназначена для придания остаткам нефтепродуктов текучести и удаления их со стенок и деталей цистерн. В наливной люк железнодорожной цистерны подается шланг до уровня ниже оси. Операция проводится горячей технической водой (80-900С) под давлением 20 атмосфер специальным механизированным устройством [32].
Для санитарно-экологической оценки загрязненности вод от деятельности предприятия были отобраны пробы воды до поступления в очистные сооружения, которые на ППС-17 представлены песколовкой и нефтеловушкой. Отбор осуществлялся в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 [32].
В пробах воды определялись: взвешенные вещества, нефтепродукты, бензин, дизельное топливо, фенол, кислотность (pH), биохимическое потребление кислорода за 20 суток (БПК-20), химическое потребление кислорода [32].
Содержание взвешенных веществ оценивали весовым методом – фильтрованием воды через беззольный бумажный фильтр с последующим взвешиванием высушенного фильтра. Наличие нефтепродуктов определяли гравиметрическим методом после их экстракции хлороформом и реэкстракции гексаном. Содержание фенола основывалось на отгонке фенола из анализируемой сточной воды с паром, проведении реакции в дистилляте с 4-аминоантипироном, экстракции хлороформом и хронометрировании экстракта (=460 нм). Определение pH, БПК-20 и ХПК осуществлялось стандартными методиками [32].
Обнаруженные концентрации загрязняющих веществ в сточной воде до и после очистки приведена в таблице 3. Превышение санитарно-экологических нормативов показано в таблице 4 [32].
Выбор методов очистки сточных вод железнодорожного транспорта для блочно-модульной установки
Можно сделать вывод, что метод обеззараживания хлором или хлорсодержащими реагентами, являющийся основным промышленным методом (и наиболее распространенным в России), не может обеспечить всю совокупность современных экологических и гигиенических требований. Чтобы выполнить современные нормативы, необходимо разработать новые методы и оборудование по обеззараживанию воды, которые имеют удовлетворительные экономические и технико-эксплуатационные показатели и обеспечат отсутствие опасных побочных продуктов и высокоэффективное удаление микроорганизмов.
Наиболее перспективен в данных условиях метод обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением. Применение УФ-метода для обеззараживания в системах подготовки питьевой воды и очистки сточных вод оптимально решает возникшие проблемы и позволяет полностью отказаться от хлорирования [68;69].
Обработка УФ-облучением не приводит к появлению в воде дополнительных продуктов, способных оказывать негативное действие на организм человека (животного), в том числе канцерогенных веществ. Модули обеззараживания УФ-облучением различаются типами используемых в них ламп. В модулях одного типа используются ртутные лампы с длиной волны излучения 253,7 нм, обладающим наиболее высоким бактерицидным эффектом, но только по отношению к определенному виду микроорганизмов [54-70]. В других, например, в установках ультрафиолетовой стерилизации серии «БЛЕСК» (см. рисунок 15), используются лампы высокоинтенсивного импульсного ультрафиолетового облучения ИНП 7/80. Данная лампа облучает проходящую через нее зараженную воду импульсным высокоинтенсивным ультрафиолетовым излучением с частотой от 1 до 10 Гц, в зависимости от скорости проходящей через нее воды [64-67].
Исследования, проведённые ООО «Национальные водные ресурсы» установили высокую эффективность обеззараживания воды с помощью лампы высокоинтенсивного импульсного облучения ИНП 7/80 [68]. Лампа путем высокоинтенсивных импульсов большой мощности обеспечивает полное обеззараживание воды от вегетативных и споровых бактерий и от вирусов [68]. Лампа ИНП 7/80 обеззараживает воду излучением, частоту которого можно менять в зависимости от производительности средства очистки. Таким образом, значительно сокращаются энергозатраты на обеззараживание. Кроме того, данная лампа имеет меньшие массо-габаритные показатели.
Чтобы обеспечить необходимый эффект, внедряя технологию УФ-обеззараживания, необходимо сделать правильный выбор УФ-оборудования, зависящий от качества исходной воды и от требуемого качества обеззараженной. Как правило, выбор оптимальной модификации УФ-оборудования, требует обследования объекта, которое должна производить специализированная технологическая организация, а соответственно – сбора исходных данных, тестовых испытаний по выявлению эффективной дозы УФ-излучения, выбора места для размещения оборудования [54-63].
Ультрафиолетовая область является коротковолновой областью спектра, с одной стороны примыкающей к видимой её части, а с другой переходящей на рентгеновский спектр. Весь УФ – спектр (см. рисунок 16) делят на ближний с длиной волны 400-300 нм, примыкающий к видимой области (400-800 нм), дальний УФ (300-200 нм) и вакуумный (200-50 нм) (1 нанометр=10-9м = 10) [54-63].
Слабое биологическое воздействие имеет ультрафиолетовое излучение с длиной волны 390-315 нм. Противорахитичным действием обладают УФ-лучи в диапазоне 315-280 нм, а ультрафиолетовое излучение с длиной волны в диапазоне 280-200 нм обладает способностью убивать микроорганизмы. Ультрафиолетовые лучи в указанном диапазоне длин волн оказывают на бактерий губительное действие, при этом максимум бактерицидного действия находится в соответствии с длиной волны 264 нм. Данный факт применяется в бактерицидных установках, которые предназначены, в основном, для обеззараживания подземных вод [54-63].
Обеззараживающий эффект УФ-излучения обуславливают, в основном, фотохимические реакции, вследствие которых ДНК получает необратимые повреждения. Кроме ДНК, ультрафиолет действует и на другие структуры клеток, в том числе на клеточные мембраны и РНК. Ультрафиолет как высокоточное оружие поражает именно живые клетки, не оказывая воздействие на химический состав среды, что имеет место для химических дезинфектантов. Последнее свойство исключительно выгодно отличает его от всех химических способов дезинфекции [54-63].
Использование УФ-облучения в качестве обеззараживания рекомендуется для воды, уже прошедшей очистку по цветности, мутности и содержанию железа. Эффект обеззараживания воды контролируют, определяя общее число бактерий в 1 см3 воды и количество индикаторных бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды после ее обеззараживания [54-63].
Разработка макетного образца блока очистки от эмульсии нефтепродуктов и сопутствующих углеводородов из состава сточных вод
Результаты испытаний показали, что концентрация загрязнений по бензолу в опытах 1 и 2 после первого устройства экспресс-анализа превысила установленную величину 20 мг/л. При этом наблюдалось срабатывание клапанов системы водоочистки, и загрязнённая вода была перенаправлена в исходную ёмкость для повторной очистки.
После второго и третьего устройств экспресс-анализа качества воды превышения содержания компонентов нефтепродуктов в воде не обнаружено.
Вывод: 1. установка показала достаточно высокую эффективность по очистке сточных вод от нефтепродуктов в присутствии сопутствующих загрязнений и была рекомендована к продолжению испытаний на исходной воде, содержащей реальные нефтепродукты (бензин, керосин, дизельное топливо, масла и так далее). 2. Устройство экспресс-анализа качества воды и система автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени показали достаточно высокую эффективность работы.
Результаты испытаний макетного образца блочно-модульной установки по очистке сточных вод с реальными нефтепродуктами
Испытания макетного образца блочно-модульной установки по трехуровневой очистке сточных вод с реальными нефтепродуктами проводились согласно приведенным в приложении методикам. Кроме автомобильного бензина АИ-92 и дизельного топлива летнего в исходную воду вносились реальные сточные воды. Данные испытания проводились в один этап (опыт № 3). Уровень расчётных концентраций по нефтепродуктам приведен в таблице 16. содержание нефтепродуктов (без учёта содержания нефтепродуктов в реальных сточных водах) Приготовление исходного раствора необходимой концентрации проводилось в следующей последовательности. В исходную емкость заливался 1 м3 водопроводной воды. В нее добавлялось следующее количество загрязнителей. На третьем этапе (опыт 3): бензин АИ-92 285 мл; дизельное топливо летнее 285 мл; реальные сточные воды в количестве 1,0 л.
Включалась система перемешивания на 10-15 минут для выравнивания окраски раствора по всей глубине емкости. Включалась подача воды в установку при производительности 1 м3/час. Отбор проб проводился три раза, когда в емкости оставалось примерно 300, 200, 100 л после каждого устройства экспресс-анализа качества воды. Объем проб составлял 1 л. Пробы нумеровались и фиксировались в журнале отбора проб. Проводился анализ проб на газожидкостном хроматографе с пламенно-ионизационным детектором в лаборатории кафедры «Химия и инженерная экология» МИИТа. В пробах анализировалось содержание бензола, изооктана и гексадекана.
В соответствии с ГОСТ Р 52406-2005 определялось общее содержание углеводородов в пробе в интервале С8-С40. Учитывая, что в пробах содержался и бензол (формула С6Н6), определялось также и суммарное содержание углеводородов в интервале С6-С40.
Полученные сводные результаты приведены в таблице 17.
В связи с наличием на хроматограмме реальных нефтепродуктов большого количества пиков идентифицировать в пробах гексадекан не удалось.
Значительное превышение найденной суммарной концентрации нефтепродуктов в исходной воде в третьем опыте по сравнению с расчётной концентрацией может быть объяснено тем, что исходная ёмкость после каждого опыта (1 и 2 опыты) не очищалась от нефтепродуктов и не промывалась чистой водой и в результате нефтепродукты от первых двух опытов накопились на стенках и в верхнем слое воды в исходной ёмкости.
Результаты испытаний показали, что концентрация загрязнений по бензолу после первого устройства экспресс-анализа качества воды несколько превысила установленную величину 20 мг/л. После второго и третьего устройств экспресс-анализа качества воды бензол, изооктан и другие нефтепродукты в пробах 128
Установка работала в нормальном режиме, за исключением следующего случая: в третьем опыте устройство экспресс-анализа качества воды №1 сработало в связи с превышением концентрации бензола. Установка перешла в нормальный режим через 5 секунд.
Вывод: 1. установка показала высокую эффективность по очистке сточных вод от реальных нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо летнее). 2. устройство экспресс-анализа качества воды и система автоматического оперативного контроля качества воды в режиме реального времени показали высокую эффективность работы.
Экологические платежи – это плата за негативное воздействие, которое оказывает деятельность предприятия на окружающую природную среду, то есть плата за загрязнение атмосферного воздуха (выбросы от передвижных и стационарных источников), водных объектов (сбросы в окружающую среду), размещение отходов производства и потребления.
Экологические платежи являются обязательными для всех природопользователей, как для крупных предприятий, так и для предприятий малого и среднего бизнеса. [1;2;25].
В 2013 году текущие расходы ОАО «РЖД» в области охраны окружающей среды составили 2,63 млрд. руб., что составляет тот минимум финансовых средств, который позволяет ОАО «РЖД» работать в режиме без рисков наложения со стороны органов государственного надзора ограничений и запретов на деятельность экологически небезопасных объектов [25].
За период с 2003 по 2013 годы только на реализацию мероприятий инвестиционного проекта «Обеспечение экологической безопасности» направлено более 5,32 млрд. руб. в результате чего:
Сумма экологических платежей, начисленных ОАО «РЖД» за загрязнение окружающей среды, составила в 2013 году 226,1 млн. руб. Доля сверхнормативных платежей в целом по ОАО «РЖД» составила в 2013 году 47,1 млн.руб. или 20,8 % от суммы внесенных платежей. Наибольшую долю в экологических платежах, как за допустимое, так и за сверхнормативное воздействие на окружающую среду, занимает плата за размещение отходов, как и показано на рисунке 54.
Результаты испытаний макетного образца блочно-модульной установки по очистке сточных вод на модельных растворах
Использование комплекса инженерных сооружений и оборудования с целью удаления сточных, ливневых и талых вод из населенных пунктов и промышленных объектов. оборотное водоснабжение: система повторной подачи отработанной воды на производственные нужды после очистки, охлаждения и обработки. Оборотное водоснабжение применяется в целях экономии воды в производстве. вредное вещество: вещество, которое при контакте с организмом человека может вызывать травмы, заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами как в процессе контакта с ним, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. нефтепродукты: смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов. К нефтепродуктам относятся различные виды топлива (бензин, дизельное топливо, керосин и т.д.), смазочные материалы, электроизоляционные среды, растворители, нефтехимическое сырьё. бензин: горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 33 до 205 C (в зависимости от примесей). дизельное топливо: жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателе внутреннего сгорания. Обычно под этим термином понимают топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций прямой нефтеперегонки. экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды): это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. предельно допустимый сброс (ПДС): экологический норматив: масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в установленном режиме в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте; ПДС – лимит по расходу сточных вод и концентрации содержащихся в них примесей – устанавливается с учетом ПДК веществ в местах водопользования (в зависимости от вида водопользования), ассимилирующей способности водного объекта, перспектив развития региона и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями, сбрасывающими сточные воды (ГОСТ 17.1.1.01-77). ультрафильтрация: метод отделения мелких частиц из суспензии или коллоидных растворов с использованием фильтрации под давлением. обеззараживание воды: процесс, в результате которого происходит уничтожение разного рода микроорганизмов и вирусов, сильно влияющих на развитие инфекционных заболеваний вредных для человека, а так же животных, птиц, рыб, то есть всего живого. инфракрасная спектроскопия (колебательная спектроскопия, ИК-спектроскопия, средняя инфракрасная спектроскопия, ИКС): раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения с веществами. предельно допустимая концентрация (ПДК): утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Для водной среды: - ПДКв1 – водных объектов 1-й категории водопользования; - ПДКв2 – водных объектов 2-й категории водопользования; - ПДКрыбхоз – для водоёмов рыбохозяйственного назначения. сорбция: поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. коагулянт: вещество, введение которого в раствор приводит к выпадению осадка или образованию геля. критическая концентрация мицеллообразования (ККМ; СМС англ. critical micelle concentration): концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, при которой образуются устойчивые мицеллы. поверхностно-активные вещества (ПАВ): химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. бензол (C6H6): органическое химическое соединение, бесцветная жидкость со специфическим сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей.. изооктан (2,2,4-триметилпентан) – предельный углеводород алифатического ряда. Изомер октана. гексадекан (цетан): ациклический насыщенный углеводород нормального строения. Цетан используют как эталон для оценки качества (цетанового числа) дизельного топлива, считая его цетановое число за 100. хроматография (от др.-греч. – цвет): динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).
