Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основы процессов реагентной и безреагентной очистки металлсодержащих сточных вод 11
1.1 Образование и состав сточных вод горнорудных предприятий 12
1.2 Образование и состав сточных вод гальванических производств 21
1.3 Реагенты для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов 31
1.3.1 Гидроксид натрия и гидроксид кальция 31
1.3.2 Карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов 34
1.3.3 Сульфиды металлов 37
1.3.4 Фосфаты металлов 40
1.3.5 Цементирующие реагенты 41
1.3.6 Соли железа 42
1.3.7 Силикаты металлов 44
1.4 Безреагентная очистка металлсодержащих сточных вод 47
1.4.1 Фиторемедиационные методы 47
1.4.2 Метод выпаривания 54
Заключение 55
Глава 2 Объекты и методы исследований 57
2.1 Объекты исследований 57
2.2 Реактивы и материалы 58
2.3 Методы исследований 61
2.3.1 Комплексонометрический метод 61
2.3.2 Анализ анионов (Cr,S042 ,N03 ) 62
2.3.3 Анализ катионов (фотометрические методы на Al, Si, атомно-абсорбционный метод на металлы) 62
2.3.4 Определение модуля жидкого стекла 63
2.3.5 Определение сухого остатка 64
2.3.6 рН-метрическое титрование 64
2.3.7 ИК-спектроскопия 65
2.3.8 Термогравиметрия 66
2.3.9 Статистическая обработка данных 66
Глава 3 Обоснование технологии защиты реки Белой от металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО» 67
3.1 Исследование взаимодействия ионов тяжелых металлов с гидроксидом, карбонатом и силикатом натрия 68
3.1.1 Гидроксид натрия 68
3.1.2 Карбонат натрия 74
3.1.3 Силикат натрия 83
3.1.3.1 Результаты экспериментальных исследований 83
3.1.3.2 Термодинамический расчет образования силикатов тяжелых металлов 91
3.2 Сравнительная характеристика эффективности реагентов осадителей на модельном растворе сточных вод 102
3.3 Разработка рекомендаций по совершенствованию технологической схемы очистки металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО» 105
3.3.1 Влияние рН на эффективность очистки от тяжелых металлов 107
3.3.2 Влияние взвешенных веществ на проскок тяжелых металлов со сточными водами 110
3.3.3 Принципиальная технологическая схема защиты реки Белой 114
Заключение 118
Глава 4 Исследование методов защиты реки Таналык от подотвальных вод отработанного карьера Куль-Юрт-Тау 121
4.1 Химический состав подотвальной воды 121
4.2 Реагентная и безреагентная переработка подотвальной воды 124
4.2.1 Получение гидроксида железа взаимодействием с гидроксидом натрия 124
4.2.2 Получение осадка взаимодействием с карбонатом кальция и перспективы его использования 126
4.2.3 Получение гелей при взаимодействии с жидким стеклом 129
4.2.4 Получение сульфата железа методом выпаривания 132
4.3 Обоснование технологии защиты реки Таналык от подотвальных вод 134
4.3.1 Разработка гелеобразных водоизоляционных экранов для сбора подотвальных вод 135
4.3.2 Технологическая схема переработки подотвальных вод с получением чистой воды и сульфата железа 139
Заключение 142
Глава 5 Расчет ожидаемого предотвращенного вреда (ущерба) водным объектам 145
5.1 Основные положения методик расчета предотвращенного вреда (ущерба) 146
5.2 Размер ожидаемого предотвращенного вреда (ущерба) для реки Белой от металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО» 151
5.3 Размер ожидаемого предотвращенного вреда (ущерба) для реки Таналык от подотвальных вод карьера Куль-Юрт-Тау 155
Заключение 158
Выводы 159
Литература 161
Приложение 1 ИК-спектры осадков карбонатного осаждения ионов тяжелых металлов из водных растворов 182
Приложение 2 Термограммы осадков щелочного и силикатного осаждения ионов тяжелых металлов из водных растворов 188
Приложение 3 Акты внедрения результатов диссертационной работы 198
- Образование и состав сточных вод гальванических производств
- Карбонат натрия
- Разработка гелеобразных водоизоляционных экранов для сбора подотвальных вод
- Размер ожидаемого предотвращенного вреда (ущерба) для реки Белой от металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО»
Введение к работе
Актуальность исследования. Современные масштабы антропогенного загрязнения окружающей среды разнообразными ксенобиотиками представляют серьезную угрозу для здоровья и благополучия настоящего и будущих поколений. Одним из основных источников загрязнения окружающей среды являются сточные воды промышленных предприятий, которые без достаточной очистки попадают в поверхностные водотоки. Среди множества веществ, сбрасываемых со сточными водами, особая роль принадлежит тяжелым металлам, которые наряду с другими суперэкотоксикантами относятся к химическим канцерогенам и способны оказывать негативное влияние на окружающую среду и живые организмы даже в следовых концентрациях.
Основное количество тяжелых металлов поступает в окружающую среду со сточными водами машиностроительных предприятий, на которых имеются гальванические производства, и горнорудных предприятий цветной металлургии по добыче и обогащению сульфидных руд железа, меди и цинка. Отдельную проблему представляют подотвальные воды отработанных карьеров, которые без очистки попадают в открытые водоемы.
В Республике Башкортостан из числа машиностроительных предприятий следует выделить ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (ОАО «УМПО»), которое сбрасывает недостаточно очищенные металлсодержащие сточные воды в реку Белая, а из числа отработанных карьеров - карьеры в долине реки Таналык, в частности, карьер Куль-Юрт-Тау Башкирского медно-серного комбината, г. Сибай, подотвальные воды которого загрязнены тяжелыми металлами в необычайно высокой степени.
К настоящему времени практически отсутствуют технологии очистки металлсодержащих сточных вод до норм ниже ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения и тем более технологии очистки и переработки подотвальных вод отработанных карьеров. В большинстве случаев металлсодержащие сточные воды очищаются реагентными методами, эффективность которых нельзя признать удовлетворительной.
В связи с этим научная разработка и совершенствование как реагентных, так и безреагептных методов обезвреживания металлсодержащих сточных вод предприятий машиностроения и подотвальных вод отработанных карьеров, обеспечивающих полное прекращение стока, либо достижение норм ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения является актуальной проблемой.
Актуальность рассматриваемой темы подтверждена тем, что в соответствии с «Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г.» (утверждена распоряжением Правительства РФ от 17 ноября 2008 г. № 1662-р) и «Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 г.» (утверждена распоряжением Правительства РФ от 27 августа 2009 г. № 1235-р) приоритетными направлениями развития водохозяйственного комплекса являются снижение антропогенной нагрузки и загрязнения водных объектов, улучшение состояния и восстановление водных объектов и их экосистем, модернизация очистных сооружений промышленных предприятий и внедрение в технологические схемы производственных объектов оборотного водоснабжения.
Работа выполнялась в рамках действующей государственной научно-технической программы Республики Башкортостан «Разработка научно-технических основ комплексных экологических производств на базе отходов и водных стоков горнорудных предприятий Южного Урала (месторождения Куль-Юрт-Тау и Бурибай) с организацией горно-экологического полигона» АН РБ и в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры «Безопасность производства и промышленная экология» Уфимского государственного авиационного технического университета.
Цель исследования. Целью диссертационного исследования является разработка технологий реагентной и безреагентной защиты поверхностных водотоков от антропогенного воздействия металлсодержащих сточных вод машиностроительных и горнорудных предприятий.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
сопоставительное исследование реагентов-осадителей (NaOH, NaaCCb, Na^SiOj-ZSiCb) для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод;
оценка влияния рН осаждения и концентрации металлсодержащих взвешенных веществ на эффекгивность удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод;
изучение химического состава подотвальной воды отработанного карьера Куль-Юрт-Тау;
исследование методов очистки подотвальной воды реагентными методами и методом выпаривания;
разработка принципиальных технологических схем защиты поверхностных водотоков от металлсодержащих сточных вод (на примере рек Белой и Таналык, Республика Башкортостан).
Научная новизна:
установлены основные сопоставительные закономерности изменения рН и состава осадков при взаимодействии ионов тяжелых металлов с реагентами-осаднтелями в водных растворах с учетом вторичных химических взаимодействий в системе осадок - маточный раствор;
на основе термодинамических расчетов образования силикатов и гидроксидов тяжелых металлов в водных растворах впервые показано, что термодинамически более устойчивыми продуктами взаимодействия силиката натрия с ионами тяжелых металлов являются не гидроксиды, а силикаты металлов;
выявлено, что ионы тяжелых металлов независимо от вида реагента-осадителя можно разделить на две группы: первая - легкоосаждаемые (Си +, Zn2", Pb2+, Cr3+, Fe3+), вторая - трудноосаждаемые (Ni2+, Со2+, Cd2+, Mn2+, Fe2+). Ион Cd2+ при карбонатном осаждении является легкоосаждаемым и относится к ионам металлов первой группы.
Практическая ценность работы:
сравнительная оценка эффективности реагентов-осадителей показала, что на первом месте находится гидроксидный метод, на втором - карбонатный, на третьем - силикатный;
установлено, что силикат натрия при взаимодействии с подотвальной водой Куль-Юрт-Тау образует гели кремневой кислоты, что позволяет использовать подотвальную воду как кислотный отвердитель жидкого стекла. Выполнен расчет инъекционного метода устройства водоизоляционных экранов в грунтах однорастворной двухкомпонентной силикатизацией;
разработана принципиальная технологическая схема очистки металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО», которая включает защелачивание стока до рН 9,0, удаление взвешенных веществ и доочистку на биоплато, что обеспечивает организацию оборотного водоснабжения на предприятии и сброс в реку Белая воды с содержанием загрязняющих веществ на уровне ниже ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения;
разработана принципиальная технологическая схема переработки металлсодержащих подотвальных вод отработанного карьера Куль-Юрт-Тау, которая включает установку водоизоляционных экранов для перехвата подотвальных вод, их сбор в технологическом пруду и выпаривание методом потужного горения с получением 50%-ного водного раствора технического сульфата железа и парового конденсата.
Внедрение результатов исследования. Рекомендации по очистке металлсодержащих сточных вод включены в план мероприятий по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов на ОАО «УМПО».
Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются при подготовке специалистов по направлению 280200 «Защита окружающей среды» и специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладыв&чись и обсуждались на 14 международных, всероссийских и региональных научных конференциях, симпозиумах и семинарах в городах (Уфа, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009), (Ульяновск, 2009), (Новосибирск, 2009), (Сибай, 2009), (Минск, 2009), (Иркутск, 2009), (Москва, 2010).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печати в 10 статьях, из них 2 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 181 странице машинописного текста, включая 21 рисунок и 43 таблицы. Список литературы содержит 203 наименования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.
Образование и состав сточных вод гальванических производств
Производства, связанные с химической и электрохимической обработкой металлов и их сплавов, действуют в России на многочисленных предприятиях машиностроения, приборостроения, металлообработки, черной и цветной металлургии и других отраслях промышленности. Металлсодержащие сточные воды указанных производств являются одними из наиболее распространенных видов промышленных сточных вод [3, 4, 32].
Объем металлсодержащих сточных вод в России только от гальванических производств составляет ориентировочно 700 - 800 млн. м /год [33]. В Уфе гальванические цеха имеют более 30 предприятий, в основном машиностроительного и приборостроительного профиля [34].
Каждый технологический процесс гальванического нанесения металлических покрытий (медных, никелевых, хромистых, оловянных, цинковых, кадмиевых и др.) состоит из ряда отдельных операций, которые в большинстве случаев можно разделить на 3 группы [35]:
— подготовительные работы - их цель состоит в подготовке поверхности металла для нанесения покрытия гальваническим путем; на этой стадии технологического процесса проводят шлифование, обезжиривание и травление;
— основной процесс — образование соответствующего металлического покрытия с помощью гальванического метода;
- отделочные операции — служат для облагораживания и защиты гальванических покрытий; наиболее часто для этой цели применяют пассивирование, окраску, полирование и лакирование.
Составы технологических растворов, наиболее часто применяемых в гальванотехнологических процессах, представлены в работах [35 — 39]. Некоторые из этих составов представлены в табл. 1.7.
Сточные воды при химической и электрохимической обработке металлов образуются в основном в промывочных операциях, имеющих целью удаление с поверхности металлоизделий пленок и капель технологических растворов. Другую группу сточных вод составляют периодически сбрасываемые отработанные технологические растворы и электролиты. Во многих случаях эти высококонцентрированные сточные воды очищаются совместно с промывочными сточными водами, например, на установках реагентной очистки. В последнее время внедряются технологии отдельной обработки отработанных технологических растворов с целью их регенерации или извлечения ценных химических веществ [39].
По содержанию загрязнений все сточные воды от процессов химической и электрохимической обработки металлов делятся на три основные группы [3, 4, 35, 39, 100]:
— хромсодержащие (содержат высокотоксичные соединения Сг+6);
— циансодержащие (содержат высокотоксичные соединения синильной кислоты);
— кислотно-щелочные (содержат свободные минеральные кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов и органические соединения).
Вид и концентрация загрязнений в сточных водах гальванических производств изменяются в широком диапазоне в зависимости от характера производства и применяемых технологических операций. Характеристика промывных и концентрированных растворов гальванических ванн для типичного цеха крупного машиностроительного предприятия приведена в табл. 1.8.
Из данных таблицы следует, что кислотно-щелочной сток характеризуется преимущественным содержанием никеля, хрома и железа, цианистый сток - меди, цинка и кадмия; хромсодержащий сток - железа, хрома, цинка и кадмия. Суммарный объем металлсодержащих сточных вод ФГУП «Уфимское приборостроительное производственное объединение» (УППО) составляет 120 тыс. м /год по сравнению с 50 тыс. м /год для УАПО, однако распределение тяжелых металлов по типу сточных вод совершенно другое (табл. 1.11).
В кислотно-щелочном стоке УППО велико содержание меди, что связано с большим объемом операций травления печатных плат, содержание кадмия в цианистом стоке почти в 100 раз меньше, чем на УАПО. По содержанию хрома в хромсодержащем стоке концентрации сопоставимы.
Простые и комплексные цианиды цианистого стока обезвреживаются хлорной известью Са(ОС1)2 в щелочной среде при рН 10 - 12 в соответствии с реакциями [4, 39]:
CN"+ ОСГ - CNO" + СГ
[Zn(CN)4]2" + 4 СЮ" + 2 ОЬГ - 4 CNO" + 4 СГ + Zn(OH)2 [Cd(CN)4]2" + 4 СЮ" + 2 ОН" - 4 CNO" + 4 СГ + Cd(OH)2 [Cu(CN)3] + З СЮ" + 2 ОЕГ - З CNO" + З СГ + Си(ОН)2 }
Несмотря на то, что цианат-ион примерно в 1000 раз менее токсичен, чем CN , осуществляют дальнейшую нейтрализацию цианатов небольшим избытком гипохлорита:
2 CNO" + 2 Н20 - С032- + NH4+ (или НС03 + NH3)
Хромсодержащие стоки, содержащие токсичный Сгб+, обезвреживают в кислой среде при рН 2 - 2,5 по реакции с сульфитом (Na2SC 3) или бисульфитом (NaHSCb) натрия. Восстановление Сг до Сг происходит по реакциями, 35, 39, 42]:
Сг2072" + 3 S032" + 8 ЬҐ -+ 2 Cr3+ + 3 S042" + 4 Н20
Cr2072 + З HS032 + 5 ІҐ - 2 Cr3+ + З S042" + 4 Н20
После обезвреживания цианистого и хромсодержащего стока их объединяют с кислотно-щелочным стоком и обрабатывают гидроксидами металлов (NaOH или Са(ОН)2) для осаждения ионов тяжелых металлов в форме малорастворимых гидроксидов. Осадок гидроксидов металлов (шлам) отстаивают и фильтруют. Очищенные сточные воды сбрасывают в канализационную сеть или в водоемы.
В связи с этим целесообразно проанализировать содержание тяжелых металлов в очищенных сточных водах крупнейших предприятий г. Уфы, сбрасываемых в канализационную сеть, и сопоставить их с нормами допустимых концентраций (Постановление главы администрации г. Уфы РБ № 4116 от 04.11.2004 г. «Об утверждении допустимых концентраций загрязнений в сточных водах, сбрасываемых предприятиями и организациями в городскую систему канализации» в ред. Постановлений главы Администрации городского округа г. Уфа РБ № 5400 от 30.10.2006, № 646 от 17.02.2009). Данные по составу сточных вод представлены в табл. 1.12, из которой следует, что практически любое предприятие производит сброс сточных вод с концентрацией металлов выше норм ДК. Это приводит к накоплению токсичных металлов в осадках биологических очистных сооружений города, что приводит к снижению эффективности работы очистных сооружений. Кроме этого значительная часть металлов «проскакивает» очистные сооружения и попадает в водоемы [45].
Карбонат натрия
При рН-метрическом титровании солей тяжелых металлов карбонатом натрия концентрация карбоната натрия составляла 0,096 моль/дм , концентрации солей металлов находились в пределах (1,6—3,2)-10 моль/дм . Для каждой соли проведены три эксперимента по титрованию при различных концентрациях. На рис. 3.6 представлена зависимость значений рН титруемого раствора от мольного соотношения [Na2C03]/[Men+], а в табл. 3.3 результаты расчетов кривых титрования.
Для кривых рН-метрического титрования характерен более пологий характер скачка рН в точке эквивалентности, что затрудняет расчет мольного соотношения [Na2C03]/[Men+] при завершении нейтрализации. Кроме того, характер кривых титрования зависит от концентрации соли металла и скорости добавления раствора Na2C03, поэтому усреднение данных, как это сделано при щелочном осаждении не проводилось, а приведен лишь интервал наблюдаемых значений. Сравнение значений рН начала осаждения при титровании NaOH (табл. 3.2) и Na2C03 (табл. 3.3) не выявило определенной разницы, что ставит под сомнение высказываемое в литературе мнение, что осадки карбонатного осаждения выпадают раньше, чем гидроксидного [4]. Значения рН конца осаждения при карбонатном осаждении на 1,5 - 2,0 единицы меньше, чем при гидроксидном, что вполне естественно.
По значениям рН в точке эквивалентности ионы тяжелых металлов не удается разбить на какие-либо группы, как при гидроксидном осаждении, однако следует отметить, что эти значения не превышают 9,5 для большинства металлов. Ионы Fe и Си осаждаются в менее щелочных средах и рН в точке эквивалентности не превышает 8,0.
Исходя из уравнений (1.10) - (1.21), стехиометрические соотношения [Na2C03]/[Men+] равны 1 при получении средних и основных карбонатов для 2-х валентных катионов и 1,5 для 3-х валентных. Как следует из табл. 3.3, эти соотношения заметно больше (за исключением Fe3+), что указывает на то, что нестехиометрический избыток Na2C03 обязан буферному эффекту, возникающему в реагирующей системе за счет реакции: Na2C03 + С02 + Н20 - 2 NaHC03 (3.2)
Таким образом, при использовании содового осаждения имеет место перерасход соды и скачок рН в этой системе связан не с завершением процесса осаждения, а с исчерпыванием буферной емкости системы [Na2C03] / [NaHC03]. Приблизительный перерасход соды можно оценить на уровне 50 % ([Na2C03]/[Me2+] 1,5).
Разброс данных по рН и мольному соотношению [Na2C03]/[Men+] возможно связан с процессом старения осадка, происходящим уже на стадии титрования. Литературные данные [64] также свидетельствуют о том, что осадки основных карбонатов металлов, образующие в начале аморфную неупорядоченную структуру, стареют в маточном растворе, причем процесс старения связан как с дополнительным взаимодействием осадка с ионом С03 , так и с гидролизом и заменой групп С03 в составе осадка на группы ОН". В конечном итоге осадок становится более основным, а его структура совершенствуется.
Так, по данным работы [64] состав постаревшего осадка, полученного взаимодействием ионов Ni с карбонатом натрия, выражается формулой NiC03 3Ni(OH)2 4Н20 Причем старение основных карбонатов никеля может продолжаться дальше, что приводит к составам осадков со следующими формулами:
NiC03 9Ni(OH)2 6NiO 5Н20 и NiC03 12Ni(OH)2 9NiO 6H20
Таким образом, при старении основных карбонатов никеля их состав все более приближается к составу гидроксида (оксида) никеля. Аналогичные процессы могут протекать и в случае других ионов металлов.
Для качественного определения состава образующихся осадков были сняты ИК-спектры их воздушно-сухих образцов в вазелиновом масле. Характеристические полосы поглощения в сопоставлении с литературными данными [170, 169, 160] приведены в табл. 3.4 - 3.6. ИК-спектры представлены в приложении Ш (рис. П 1.1 — П 1.10).
Для исходных солей Cd, Си и Zn, взятых в виде сульфатов (табл. 3.4), наличие полос поглощения групп С03 и S04 позволяет отнести полученные осадки по составу к смеси основных карбонатов и основных сульфатов.
Для Fe (II) отсутствие полосы поглощения группы СОз свидетельствует о том, что полученный осадок является основным сульфатом, как при гидроксидном осаждении (табл. 3.1). Для исходных солей
Ni, Мщ Cr (III), Fe (III) идентификация затруднена, так как анион СГ не имеет характеристических полос поглощения. В связи с этим (табл. 3.5) осадок соли никеля, имеющий полосы поглощения групп СОз2- и сильную полосу поглощения в области 3200 — 3400 см-1 идентифицирован как смесь основного карбоната и хлорида никеля. Осадок на основе МпС12 характеризуется средней интенсивностью широкой полосы поглощения групп ОН" в области 3200 - 3500 смг1 в;отличие от других осадков, что позволяет идентифицировать его как смесь среднего и основного карбонатов марганца (МпСОз и Мп2(ОН)2СОз). Аналогичный вывод сделан по осадку на основе GrCl3. Отсутствие, полос поглощения группы СОз2 в спектре осадка, наоснове хлорида железа (III) позволяет идентифицировать его как основной хлорид железа по составу близкий к методу щелочного осаждения (табл. 3.1). Осадки на основе нитратов РЬ и Go имеют полосы поглощения; иона СОз2-, однако/ полосы поглощения групп Т\Юз отсутствуют. Различие в интенсивности полос поглощения групп ОШ в области 3200 - 3500 см7"1 -«очень слабая» для РЬ и «сильная» для Со - позволяет охарактеризовать осадок для РЬ как средний карбонат РБСОэ и основной карбонат для кобальта.
Полученные данные удовлетворительно согласуются с литературными [87] (см. также раздел 1.3.2) и соответствуют современным представлениям о химических реакциях в системе осадок — маточный раствор [64].
Разработка гелеобразных водоизоляционных экранов для сбора подотвальных вод
На рис. 4.4 приведена схема размещения водоизоляционных экранов.
Цель создания водоизоляционных экранов - перехват подпочвенных подотвальных вод. Для стока подотвальных вод необходимы траншеи. Сток подотвальных вод направляется в технологический пруд для последующей переработки на производственной площадке. Общая длина создаваемых водоизоляционных экранов 1000 м.
Гелеобразующая композиция представляет собой смесь растворов жидкого стекла и подотвальной воды с временем гелеобразования 6 часов.
Дальнейшие расчеты проведены в соответствии с Пособием по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83) [167]. Для удобства в использовании расчеты осуществлены для 100 м закрепляемого грунта. Расчетная схема инъекционного закрепления грунтов приведена на рис. 4.5.
При сплошном варианте инъекционного закрепления расстояние между инъекторами в ряду определяется по формуле: 1„=1,73-г, (4.2) где г - расчетный радиус закрепления, который принят равным 0,5 м.
Следовательно, величина 1и будет равна 0,865 м. Сплошное закрепление грунтов достигается инъекцией закрепляющих реагентов последовательными участками, заходками определенной величины. Величина заходки рассчитывается по формуле: 13=1 + 0,5т, (4.3) где 1 - длина перфорированной части инъектора, равная 1 м; 0,5 -эмпирический коэффициент.
При расчетном радиусе закрепления 0,5 м 13 будет равно 1,25 м. Гидроизоляционное закрепление необходимо выполнять на глубину уровня грунтовых вод, равную 5 м, т.е. 13 = 5 м. Величина 13, равная 5 м, связана с количеством перфорированных частей инъектора (к) уравнением: 13 = к 1 + (к - 1) 0,5 г + 0,5 г (4.4)
Таким образом, количество перфорированных частей инъектора будет равно 4.
Общее количество заходок для длины (L) закрепляемого грунта равной 100 м будет равно:
Объем закрепляемого грунта (qrp) для 1 заходки равен: Ягр = % г2 13 или qrp = 3,14 0,52 5 = 4 м3 (4.6)
Для 115 заходок Q = 460 м3.
Объем гелеобразующего раствора (м ) рассчитывается по формуле: Q = Qrp-n-a, (4.7) где п - расчетная пористость грунта, принятая равной 0,30; а - коэффициент заполнения пор, который для однорастворной силикатизации принимается равным 1,0.
Таким образом, объем гелеобразующего раствора, необходимый для создания водоизоляционного барьера длиной 100 м равен 138 м3.
В табл. 4.5 приведен материальный баланс приготовления гелеобразующей композиции в расчете на 100 и 1000 м.
Таким образом, для создания водоизоляционных экранов в грунтах в районе карьера Куль-Юрт-Тау требуется 115 т товарного жидкого стекла, 230 м подотвальной воды и 1100 м пресной воды, взятой из ближайшего водоисточника.
Для сбора подотвальных вод после выполнения гидроизоляционных работ и обустройства траншей рекомендуется строительство технологического пруда. Общий сток подотвальных вод оценивается на уровне 170 м /сутки (25 м /сутки - ручьевой сток и 145 м /сутки -подземный) или около 62000 м /год. Размеры технологического пруда для полугодового стока составят по ширине и длине 70 м, глубина 6 м. Схема гидроизоляционного закрепления пруда приведена на рис. 4.6.
Расчеты, выполненные аналогичным образом, показали, что для водоизоляции стен пруда, потребуется около 350 м гелеобразующей композиции, а водоизоляция дна пруда может быть осуществлена его пропиткой 7,5 % раствором силиката натрия, для чего потребуется около 30 тонн товарного жидкого стекла.
Водонепроницаемость дна обеспечивается контактом раствора жидкого стекла с поступающей в пруд под отвальной водой.
Оборудование для приготовления гелеобразующего состава и работ по гидроизоляции приведено в пособии [167].
Размер ожидаемого предотвращенного вреда (ущерба) для реки Белой от металлсодержащих сточных вод ОАО «УМПО»
По данным предприятия объем сточных вод составляет 3 млн. м3/год.
С учетом годового объема сточных вод и среднемноголетних данных по содержанию загрязняющих веществ в сточных водах ОАО «УМПО», сбрасываемых в реку Белая, за период с 2002 по 2007 гг. (табл. 1.13), рассчитан ежегодный вред (ущерб), наносимый поверхностному водотоку. Полученные данные представлены в табл. 5.4, 5.5 и 5.6.
Фоновые концентрации загрязняющих веществ в реке Белой в районе сброса сточных вод ОАО «УМПО» взяты по данным Башгидромет (Государственный водный кадастр. Раздел 1. Поверхностные воды. Серия 2. «Ежегодные данные». Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. Часть 1. Реки и каналы. Том 1 (39) Бассейны рек Камы, Урала. Выпуски 25 , 24 . Бассейны рек территории Республики Башкортостан).
Как следует из табл. 5.4, ежегодный вред, наносимый реке Белой сбросом недостаточно очищенных сточных вод составляет 101 млн. руб., основной вклад в эту сумму вносит кадмий ( 70 %), нефтепродукты (-13 %), медь ( 3 %) и хлориды ( 3,5 %).
Планируется, что за счет внедрения оборотного водоснабжения на предприятии объем сточных вод, сбрасываемых в реку Белая, снизится до 1,5 млн. м /год, а концентрации загрязняющих веществ в сточных водах за счет реконструкции очистных сооружений (корректировка рН, технологический пруд, биоплато) снизятся до норм, не превышающих ПДКрхн.
В табл. 5.5 рассчитан ежегодный вред, который будет наноситься реке Белой после внедрения на предприятии природоохранных мероприятий (с учетом фоновых концентраций в реке Белой).
Как следует из табл. 5.5, ежегодный вред снизился до 2 млн. руб., причем основной вклад в эту сумму будут вносить хлориды (86 %) в связи с их низкой фоновой концентрацией в реке Белой.
Таким образом, предотвращенный вред реке Белой в результате внедрения природоохранных мероприятий по методике 2009 г. составит 99 млн. руб./год.
По временной методике предотвращенный экологический ущерб реке Белой (табл. 5.6) составляет 31 млн. руб.
