Содержание к диссертации
Введение
1 Системный анализ методов экологического мониторинга, исследования и проектирования технологических систем очистки сточных вод гальванических производств 15
1.1 Объект исследования 15
1.2 Методы и технологии очистки сточных вод 21
1.3 Экологический мониторинг, контроль и управление 25
1.4 Методы аналитической химии в экологическом мониторинге, контроле и управлении, в научных исследованиях и проектировании .29
1.5 Анализ методов оценивания экологического состояния объектов гальванических производств и окружающей среды 33
1.6 Индикаторы и индексы в экологическом мониторинге и исследовании природно-технических систем 45
1.7 Выбор и обоснование критериев и оценок показателей экологического состояния сточных вод гальванических
производств 49
1.8 Обоснование цели и задач исследования 53
Выводы по первому разделу 54
2 Системная организация экологического мониторинга и исследований сточных вод гальванических производств 56
2.1 Природно-техническая система с гальваническим производством как объект экологического мониторинга, контроля и управления 56
2.2 Информационные технологии как средство повышения экологической эффективности гальванических производств 59
2.3 Методология и структура экологической генерализации объектов гальванических производств 61
2.4 Принципы и механизмы экологической генерализации в системном экологическом мониторинге и исследованиях природно-технических систем с гальваническими производствами 63
2.5 Методика синтеза индикаторов экологических состояний гальванических производств 68
2.6 Механизм формирования эколого-технико-экономических индикаторов гальванических производств 70
2.7 Методология системной организации научных исследований и проектирования экологически безопасных гальванических производств 73
2.8 Система математических моделей гальванических производств в преобразованных координатах 79
2.9 Методика обработки экспериментально-статистической информации в научных исследованиях сточных вод гальванических производств 81
Выводы по второму разделу 87
3 Система оценивания экологических состояний сточных вод гальванических производств 90
3.1 Оценка степени экологической безопасности 90
3.2 Индикатор экологических состояний для компонент с заданием верхнего предельно-допустимого значения 92
3.3 Индикатор экологических состояний для компонент с интервальным заданием предельно-допустимых величин 94
3.4 Индикатор экологических состояний для компонент с заданием нижнего предельно-допустимого значения 101
3.5 Индикатор экологических состояний для компонент с заданием нижнего предельно-допустимого значения на основе экспоненциальной функции 108
3.6 Определение показателей экосистем через индикатор экологических состояний 112
3.7 Оценка экосистемы в пространстве компонент вектора экологических состояний 114
3.8 Степень повышения экологической безопасности 116
3.9 Компонентный портрет экологических состояний
3.10 Система оценивания экологической безопасности природно-технических систем с гальваническими производствами 118
3.11 Методика анализа состояния природно-технической системы с гальваническим производством в пространстве вектора экологических состояний 124
Выводы по третьему разделу 127
4 Экологический мониторинг сточных вод гальванических производств и исследование технологий их очистки 130
4.1 Исследование загрязнения сточных вод гальванических производств в пространстве индикаторов состояния 130
4.2 Исследования технологий очистки сточных вод 142
4.3 Исследование технологий очистки сточных вод гальванических производств с использованием энергии высокочастотных электромагнитных излучений 147
4.4 Оценка эффективности технологий очистки сточных вод гальванических производств 152
4.5 Разработка рекомендаций по практическому применению результатов исследований 154
Выводы по четвёртому разделу 155
Заключение 158
Список литературы
- Методы аналитической химии в экологическом мониторинге, контроле и управлении, в научных исследованиях и проектировании
- Методология и структура экологической генерализации объектов гальванических производств
- Индикатор экологических состояний для компонент с заданием нижнего предельно-допустимого значения
- Исследование технологий очистки сточных вод гальванических производств с использованием энергии высокочастотных электромагнитных излучений
Методы аналитической химии в экологическом мониторинге, контроле и управлении, в научных исследованиях и проектировании
Отработанные растворы, хотя и составляют по объёму всего 0,2 – 0,3% от общего количества сточных вод гальванических производств (СВГП), наносят значительный урон ПТС. Это обусловлено высокой концентрацией ЗВ в электролитах. По общему содержанию сбрасываемых в водные объекты (ВО) ЗВ они достигают 70%. Залповый сброс отработанных растворов приводит к нарушению режимов работы очистных сооружений, к снижению эффективности их работы. При этом безвозвратно теряются ценные материалы, а попадание неочищенных или недостаточно очищенных СВ и других видов отходов, содержащих цветные металлы, в водные объекты наносит значительный ущерб окружающей среде и народному хозяйству. И это обусловлено, в первую очередь, их громадным негативным воздействием на окружающую среду [8, 38, 39, 58, 64, 68 – 72, 83, 91 – 95, 100].
Так, ряд предприятий г. Пензы (ОАО ППО «ЭВТ», ОАО «Радиозавод», «Пензмаш», «Пензхиммаш», «Пензтяжпромарматура») использует технологические процессы нанесения гальванических покрытий, а в их сточных водах, поступающих на очистные сооружения, содержится значительное количество тяжёлых металлов, в том числе железо, натрий, свинец, марганец, цинк, никель, кобальт, кальций, медь, калий, хром и др. (таблица 1.1 – таблица 1.2). Все концентрации в таблицах 1.1 – 1.3 приведены в мг/дм3.
Кроме металлов сточные воды этих предприятий содержат значительное количество азот нитритов, фосфор фосфатов, хлоридов, нефтепродуктов, фенолов, формальдегида (таблица 1.3). Это обуславливает повышенное содержание этих компонент в реке Сура. Таблица 1.3 – Результаты количественного химического анализа проб сточных вод ОАО «Радиозавод» от «
Формальдегид 14.1:2:4.187-02 0,02 0,049±0,015 2,45 Приведенные результаты анализа сточных вод свидетельствуют о высокой концентрации ЗВ в сточных водах рассмотренных предприятий. Несмотря на большие затраты на очистку СВ в водоёмы области поступает значительное количество загрязняющих веществ.
Результаты наблюдения за качеством поверхностных вод р. Суры в районе г. Пензы (в трех створах: в створе «выше города», который является фоновым, и в двух контрольных створах – в «черте города» и в створе «7 км ниже города») показывают [39], что качество воды в 2012 г. характеризовалось как «очень загрязненная» 3 «б» класса, удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ) находился на уровне 3,02 (в 2011 г – 3,18) (рисунок 1.2).
Характерные загрязняющие вещества: ХПК, легкоокисляемые органические вещества, азот аммонийный, азот нитритный, фенолы, железо общее, соединения меди. Повторяемость случаев превышения предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ составляла 36 – 97%. Среднегодовые уровни концентраций ЗВ составили: азота нитритного 1,1 ПДК, максимальная концентрация – 3,6 ПДК (в створе «7 км ниже города»); азота аммонийного – 1,2 ПДК, максимальное содержание зарегистрировано в июне – 4,2 ПДК (в створе «черта города»); фенолов – 1,7 ПДК, максимальная концентрация – 5 ПДК зарегистрирована в створе «7 км ниже города» в феврале; соединений ме 19 ди – 1,9 ПДК, максимум 4,4 ПДК зарегистрирован в створе «черта города» в декабре; железа общего составила – 1,2 ПДК, максимальная концентрация – 4 ПДК в створе «7 км ниже города» в июне месяце.
Среднегодовой уровень за 2012 г. содержания в воде Пензенского водохранилища соединений железа общего – 1,2 ПДК, а его максимальный уровень – 3,8 ПДК (зарегистрирован в мае). Уровень загрязнения соединениями меди составил 1,6 ПДК при максимальной концентрации 3,5 ПДК (декабрь). Минимальное содержание растворенного кислорода в воде составляло 6,34 мг/л. Загрязненность воды легкоокисляемыми органическими веществами по БПК5 в 2012 г. повысилась. Среднегодовые концентрации составляли 1,3 ПДК, а максимальная концентрация составила 1,6 ПДК (декабрь). Среднегодовая концентрация фенолов зарегистрирована на уровне 1,3 ПДК, максимальная концентрация их составила 3 ПДК (июнь, декабрь).
Наблюдение за качеством воды ведется в одном створе: «у плотины» – 10 м выше плотины. УКИЗВ при этом в 2012 г. составил 2,31 (рисунок 1.3), что соответствует третьему классу разряда «а».
Количество твёрдых бытовых отходов (ТБО), накопленных на территории Пензенской области за 2012 год составило [39]: 1 класс опасности – 24,915 т; 2 класс опасности – 207,078 т; 3 класс опасности – 6055,332 т; 4 класс опасности – 436172,598 т; 5 класс опасности – 1294740,617 т. Специализированным организациям на обезвреживание и утилизацию передано – 77977,594 тонн. На полигоне ТБО в районе с. Чемодановка размещены шламонакопители 23-х промышленных предприятий г. Пенза общим объемом 252,5 тыс.м3, в том числе накопители гальваношлама объемом 21,2 тыс.м3.
Выше изложенное обуславливает необходимость постоянного мониторинга, как технологических систем промышленных предприятий, так и окружающей среды, проведения научных исследований и разработки новых технологий очистки СВ гальванических производств Разработка совместимой с окружающей средой системы переработки отходов производства требует решения экологических задач на всех стадиях и этапах технологических процессов ГП [19]. 1. Сокращение объёмов загрязняющих веществ и отходов промышленных предприятий на стадии производства. 2. Снижение количества отходов при их сборе на стадии сортировки. 3. Расширение возможностей и развитие методов и технологий вторичного использования материалов (ТВИМ), получаемых из отходов производства. 4. Повышение уровня экологической безопасности, удаление и утилизация остающихся после переработки отходов с минимально возможным риском для окружающей среды и здоровья человека. , создания и совершенствования систем экологического мониторинга (СЭМ).
Решение всех перечисленных задач связано с получением достоверной информации о состоянии технологических систем и окружающей среды [4, 8, 54], развитием методов экологического мониторинга [1, 5, 7, 26, 27, 58, 62, 63, 65, 80, 127 – 130, 137, 138, 154, 164, 168, 201], научных исследований и проектирования технологических систем [16, 17, 45 – 50, 59, 83 – 86, 118 – 143, 151, 167, 205, 209 – 211, 218, 219, 226 – 234], обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия ГП на окружающую среду (рисунок 1.1). 1.2 Методы и технологии очистки сточных вод
Методология и структура экологической генерализации объектов гальванических производств
В природно-технической системе (ПТС) выделим в качестве объектов экологического мониторинга, контроля и управления производственные объекты – гальванические производства, и окружающую среду (рисунок 2.1).
В качестве объектов экологического исследования окружающей среды примем её основные компоненты: атмосферу, воду, почву, ресурсы. В произ водственном объекте (гальваническом производстве) выделим: технологиче ские процессы (травления, железнения, цинкования, активации отходов произ водства и др.), оборудование (гальванические ванны, источники питания и др. (рисунок 1.5)), выпускаемую продукцию и продукцию вторичного производ ства (краски, топливные брикеты, элементы аккумуляторов, поробразующие добавки в производстве кирпича и др.), отходы (осадки сточных вод, шламы) и технологии переработки отходов и очистки сточных вод ГП (рисунок 1.4) [19]. Предмет экологического исследования – оценка эколого-технико 57 экономических свойств компонент и ПТС в целом с учётом состава, процесса, свойств и явлений (эффект), физической, химической и биотической составляющих природной среды и производственных объектов [127, 128, 137].
Гальванические производства относят к наиболее экологически опасным производственным объектам, требующим непрерывного мониторинга и контроля разнообразных физических и химических процессов и явлений, определения состава и свойств многокомпонентных систем.
Получение достоверной информации, качество управления и экологическая безопасность ГП в полной мере определяются методами обработки исходных данных, используемыми ММ и методами формирования показателей, индикаторов и индексов экологического состояния ОС и технологических систем. В разработанной структуре мониторинга СВГП в качестве базового механизма системного экологического мониторинга принят метод экологической генерализации (рисунок 2.2). Контроль, принятие решений, управление
Отметим взаимосвязь вопросов повышения экологической безопасности с созданием и внедрением малоотходных ГП, обеспечивающих максимальную эколого-экономическую эффективность посредством сведения потерь природных ресурсов к минимуму. По определению, «безотходная технология» - это способ управления производством, обеспечивающий рациональное использование сырья и энергии в замкнутом цикле: «сырьевые ресурсы – производство – потребление – вторичные ресурсы» с минимальным воздействием на природную среду, не отражающимся на её нормальном функционировании.
Принципы экологической безопасности и безотходной технологии касаются всех аспектов гальванического производства: организации технологических и производственных процессов, методического, информационно-программно-алгоритмического и технического обеспечения, организационно-экономических и экологических мероприятий и создания информационных систем мониторинга и контроля, автоматизированного управления.
Обеспечение экологической безопасности и создание малоотходных гальванических производств возможно только на основе автоматизации технологических и производственных процессов, разработки и внедрения эффективных информационных технологий сжатия, комплексирования и интерпретации исходных данных, создания единой системы информационных показателей, индикаторов и индексов, отражающих в наиболее удобной и наглядной форме достоверную информацию о текущем состоянии ГП и в целом ПТС.
За основу организации системы экологического мониторинга гальванического производства примем информационную пирамиду, представленную на рисунке 2.3, отличающуюся от известных наличием в ней процедуры ЭГ.
Общий механизм формирования эколого-технико-экономической информации включает в себя получение исходных данных о параметрах технологических процессов ГП, составе, процессах, свойствах, явлениях с использованием стандартных методов. Полная информация об экологическом состоянии ГП содержит множество разрозненных физических, химических и биологических данных о состоянии окружающей среды, о состоянии оборудования, выпускаемой продукции, отходах и технологиях их переработки.
Индикатор экологических состояний для компонент с заданием нижнего предельно-допустимого значения
Методика структурно-параметрического синтеза математических моделей элементов природно-технических систем с гальваническими производствами основывается на представлении исследуемого объекта как элемента системы, как системы взаимосвязанных элементов, как преобразователя энергии, количества вещества, импульса и информации, как объекта мониторинга и управления экологическим состоянием с оценкой качества системы в пространстве компонент вектора экологических состояний. Структурно-параметрический синтез моделей проводится с использованием принципов систематизации ММ по видам преобразования координат, многоуровневого синтеза и выбора пакетов функциональных зависимостей, получении состоятельных, несмещённых и эффективных оценок ММ в преобразованных координатах. Применение методов дисперсионного и корреляционного анализа экосистем позволяет оценить адекватность полученных математических моделей, что обеспечивает обработку экспериментально-статистической информации с учётом выбранных видов преобразования координат и построение адекватных моделей в удобном для анализа экосистем виде. На основе данной методики разработана компьютерная программа, с использованием которой проводилось построение математических моделей в четвёртом разделе диссертации.
1. Разработана структура, экологического мониторинга, включающая наблюдение за параметрами окружающей среды и производственного объекта, отличающаяся тем, что с целью обеспечения интеграции, сжатия, агрегирования и комплексирования информации в неё введена процедура экологической генерализации, обеспечивающая оценку эколого-экономических свойств ком 88 понент и экосистемы в целом с учётом состава, процесса, свойств и явлений (эффект), физической, химической и биотической составляющих природной среды и производственных объектов в контексте экологической безопасности.
2. Введённый уровень «экологическая генерализация» обеспечивает выбор системы показателей, индикаторов и объединение их в индексы на основе принятой системы методов и методик формирования экологической информации, удобной для восприятия, анализа и принятия эффективных решений, что позволяет проводить оценку текущего состояния и прогнозирования будущего состояния экологической системы.
3. Разработана процедура экологической генерализации промышленного объекта, состоящая в совокупности действий по выделению и формализации на основе общего принципа целостной генеральной совокупности признаков и единицы анализа экосистемы, отражающих в их сходстве и различии экологическое состояние объекта с концентрацией в контексте генеральной совокупности в единое целое необходимой и достаточной информации эколого-технико-экономического характера.
4. Предложена и обоснована система принципов экологической генерализации, объединяющая принцип системности и стратегической направленности мониторинга, контроля и управления; принцип экологического совершенства; принцип единства показателей, оценок, нормативов; принцип экологической безопасности; принцип существенности, стратификации по уровню отклонений; принцип простоты и экономичности; принцип плановости; принцип развития; принцип интеграции и комплексирования; принцип открытости.
5. На основе принципов генерализации в качестве универсальной оценки системы введён коэффициент степени совершенства, равный единице для идеальных систем (экологически, технически, экономически, социально и т.д.) и нулю для компонент, равных предельно-допустимым значениям, отрицательным значениям для систем, степень совершенства которых не достаточна для их эффективного применения и определяемых как неприемлемые системы, что обеспечивает единство системы оценивания разнородных показателей. 6. С целью формирования индикаторов эколого-технико-экономического совершенства предложено все контролируемые показатели, независимо от отражаемых ими свойств (экологических, технических, экономических), разделить по способу их задания на три группы. Значения показателей каждой группы подвергаются преобразованию в единую область значений, однозначно определяющую состояние природно-технической системы относительно идеальной системы, для которой КСС=1 и отражающую степень совершенства исследуемого объекта.
7. Разработана комплексная методика исследования производственных систем, основанная на рассмотрении объектов как элементов экосистем и системы взаимосвязанных элементов, как преобразователей энергии, количества вещества, импульса и информации, объектов мониторинга, контроля и управления экологической безопасностью, обеспечивающая комплексные исследования компонент систем в контексте экологической безопасности.
8. На основе анализа экспериментальных зависимостей, получаемых при исследовании экосистем проведена систематизация функций преобразования координат, позволяющая приводить нелинейные модели объектов экологического исследования к линейному виду, что позволяет сократить объём экспериментальных исследований и повысить их точность построения.
9. Составлена методика комплексного исследования компонент экосистем и экосистемы в целом, включающая выбор структуры модели, расчёт основных статистических характеристик для результативного и определённого параметров, оценку тесноты связи и значимости коэффициентов, определение доверительных границ для параметров математических моделей и относительной ошибки аппроксимации.
Исследование технологий очистки сточных вод гальванических производств с использованием энергии высокочастотных электромагнитных излучений
На компонентном портрете экологического качества (КПЭК) сточных вод ИЭК для меди, никеля, цинка и натрия находятся в области риска %є [0, 0,368] (внутри круга с радиусом 0,368). Индикаторы по остальным компонентам превышают это пороговое значение и поэтому на КПЭК находятся в области допустимых значений х є (0,368,1] вне зоны риска.
На компонентном портрете экологического риска (КПЭР) (рисунок 4.2,б), напротив, область риска R є (О,632,1] расположена вне круга радиуса R0 = 0,632. Область безопасных значений этого индикатора R є (0,632, і] ограничена линией пороговых значений риска R0 = 0,632.
Достоинства индикаторов экологического качества и риска состоит в том, что их значения соответствуют естественной и привычной для каждого человека области положительных значений хє[0,і], Дє[0,і]. В процентах эта область соответствует изменению индикаторов от нуля до ста процентов. Недостаток этих индикаторов состоит в их нелинейной зависимости от относительных концентраций ЗВ, что снижает наглядность при анализе экологического состояния ПТС. Сами эти индикаторы задаются нелинейными функциями (4.3) и (4.4), а значения степени очистки, характеризующей эффективность технологии (4.1), (4.2) через эти показатели определяются нелинейными выражениями (рисунок 4.3)
Зависимости nvz-=/(&) представленные на рисунке 4.3, рассчитаны по формулам (4.5). График в виде сплошной линии построен для значений а = 0,693. При этом область определения для функции \ivt = /(&) задаётся интервалом %г є(0;0,5], а зависимости д г=/(і?г) - интервалом Яге(0,5;1].
Пунктирные линии отражают эти же зависимости при а = 1, а их области определения трансформируются в интервалы хг є (0; 0,368] и Щ є (0,632; 1].
Для а = 0,4057 зависимости nvz- =/(&) и \ivt=f(Rj) на рисунке 4.3 обозначены штрих-пунктирными линиями. Их области определения соответствуют интервалам %t є(0;0,667] и Яг є(0,333;і].
Бесспорное достоинство индикатора состояний ч/ - его ясная интерпретация и простота, наглядная и очевидная зависимость от относительных концентраций 57 [118]. Это обеспечивает упрощение анализа, контроля и управления экологическими состояниями технических систем и в том числе СВГП с применением компонентных портретов. Предельно-допустимые величины компонент ПТС соответствуют нулевым значениям г7. Поэтому пространство
КПЭС для этого индикатора делится линией нулевых значений на две области, отражающие степень безопасности исследуемого объекта. Это обуславливает простоту фиксации составляющих ПТС, не удовлетворяющих экологическим требованиям, наглядное их отражение в пространстве экологической опасности - области отрицательных значений г7. Очевидный плюс всех полученных индикаторов - инвариантность их области значений к способу задания предельно-допустимых величин показателей [118 - 119, 121, 125, 126, 128 - 130].
Компонентный портрет экологических состояний (а) и необходимой степени очистки сточных вод (б) ППО «ЭВТ» (б) (от «01» октября 2012г.) На рисунке 4.10 приведены компонентные портреты экологического качества и риска сточных вод ППО «ЭВТ» (Отбор проб от «01» октября 2012г.). Рисунок 4.10 – Компонентный портрет экологического качества (а) и экологического риска сточных вод (б) ППО «ЭВТ» (б) (от «01» октября 2012г.) Таким образом, для оценки экологического состояния СВГП введена система индикаторов качества i , i и Ri , получены выражения для их вычисления (4.1) – (4.5), проведён анализ возможностей применения ИК на примере оценки экологического состояния СВГП ОАО «Радиозавод» и ОАО ППО «ЭВТ» г. Пенза.
На основе разработанной методики построены компонентные портреты экологического состояния СВГП в едином пространстве ИК с отражением областей экологического совершенства и относительного запаса степени экологической безопасности. Введённая система индикаторов и разработанные компонентные портреты обеспечивают однозначную оценку экологических свойств разнородных объектов и являются действенным средством повышения наглядности представления и оценивания информации об экологической безопасности многокомпонентных систем, эффективным средством повышения оперативности принятия решений.
Одним из основных показателей, характеризующих эффективность технологии по очистке СВГП, является степень очистки (4.2). Однако этот показатель не отражает результативность применения исследуемой технологии к очистке конкретных сточных вод, т.е. не даёт ответ на вопрос достаточно ли использование оцениваемой технологии для перевода состояний компонент СВГП в область допустимых значений, которое соответствует положительным значениям индикатора состояния г7. Поэтому оценки технологии, наряду с показателем степени очистки, должны содержать индикаторы состояния. В качестве такой оценки предлагается по каждой компоненте ввести коэффициент результативности Xj - индикатор, характеризующий относительную степень повышения экологической безопасности при реализации оцениваемой технологии применительно к очистке конкретных СВГП.
