Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований и проблемы повышения эффективности осветления загрязненных вод при разработке золотоносных месторождений 11
1.1 Анализ систем водоснабжения, водоотведения и очистки загрязненных вод золотоносных месторождений 11
1.2 Анализ загрязнений технологических вод при разработке золотоносных месторождений 16
1.3 Обоснование применения механической очистки загрязненных вод фильтрованием через геосинтетические нетканые материалы . 20
1.4 Выводы 28
2 Экспериментальные исследования процесса фильтрования через геосинтетические нетканые материалы 29
2.1 Постановка цели, задачи, объекты и методы исследования . 29
2.2 Исследование характеристик геосинтетических нетканых материалов и определение основополагающих параметров 30
2.3 Исследование закономерностей фильтрования в геосинтетических нетканых материалах 38
2.4 Исследование задерживающей способности геосинтетических нетканых материалов 40 2.5Определение эффективных фильтровальных комбинированных систем геосинтетических нетканых материалов 51
2.6 Выводы 56
3 Научно-методические основы расчета динамических характеристик фильтровальных перегородок из эффективных геосинтетических сред 57
3.1 Расчет динамических характеристик фильтровальных перегородок на примере эффективной комбинированной системы ГНМ 63
3.2 Принципы размещения геосинтетических материалов в фильтрах 78
3.3Методика формирования оптимальной конструкции фильтровального устройства кассетного типа 83
3.4 Выводы 85
4 Технологические основы очистки загрязненных вод на основе применения кассетных фильтров 86
4.1 Описание устройства для очистки загрязненных вод . 86
4.2 Результаты промышленных испытаний фильтров из геосинтетических материалов 93
4.3 Определение погрешностей измерений 101
4.4 Технико-экономические показатели 105
4.5 Оценка эколого – экономической эффективности 109
4.6 Выводы 115
Заключение 116
Список использованных источников
- Анализ загрязнений технологических вод при разработке золотоносных месторождений
- Исследование закономерностей фильтрования в геосинтетических нетканых материалах
- Принципы размещения геосинтетических материалов в фильтрах
- Результаты промышленных испытаний фильтров из геосинтетических материалов
Анализ загрязнений технологических вод при разработке золотоносных месторождений
Согласно сведениям, содержащимся в государственном докладе «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации за 2013 год» мировой спрос на золото вырос на 6,3% до 4,736 тысячи тонн по сравнению с 2012 годом. В 2013 году добыча золота в России составила 238 тонн, по этому показателю Россия вышла на четвертое место в мире после Китая, Австралии и США. Добыча на собственно золоторудных коренных месторождениях выросла против 2012 г. на 10 т, достигнув 153,2 т. Россыпные объекты в 2013 г. дали 60,5 т золота (на 1,5 т больше, чем в 2012 г.). Из комплексных месторождений было добыто 48,5 т золота, попутного золота получено 14,5 т. Из вторичного сырья в 2013 г. извлечено всего 7,9 т золота. Экспорт золота из России в 2013 г. вырос по сравнению с 2012 г. почти в 2,5 раза и составил 44 т. Таким образом, наибольшую часть добычи составили россыпные и рудные месторождения.
Значительная часть сырьевой базы золота России сконцентрирована в шести регионах Сибири и Дальнего Востока: Иркутской и Магаданской областях, Красноярском и Забайкальском краях, Республике Саха (Якутия) и Чукотском автономном округе. На их долю приходится почти три четверти запасов золота [10].
В связи с условиями ежегодного прироста объема добычи, проблема экологической безопасности при процессах золотодобычи имеет глобальное значение.
Разработка золотоносных месторождений связана не только с забором большого количества воды, но и значительным увеличением объема
образующихся загрязненных вод. Ежегодно при разработках золота необходимо очищать от загрязняющих веществ миллионы кубометров технологической воды, поэтому повышение эффективности очистки загрязненных вод позволит защищать поверхностные воды от загрязнения.
Гидромеханизированная разработка россыпных месторождений золота включает комплекс работ по добыче и промывке песков, удалению плодородно-растительного слоя и вскрыше торфов, строительству гидротехнических сооружений (ГТС), уборке хвостов, рекультивации нарушенных земель, а также очистке сточных и оборотных вод. Общий объем переработки горной массы в среднем по россыпи составляет 536-2094 тыс. м3/ год [81]. Из них разработка и промывка песков составляет 9-22,9 %, вскрыша торфов – 28-51,3 %, прочие горноподготовительные работы и ГТС – 12,2-22,0 %, рекультивация нарушенных земель и очистка оборотных и сточных вод – 11,4-64,0 %, уборка эфелей – до 20%.
Промывка песков производится на гидроэлеваторных переставных промывочных установках типа ПГШ-II-50 по двухстадийной схеме обогащения песков. В комплект промприборов входят гидромониторы с ручным управлением ГНМ-250С, гидроэлеваторы типа УГЭ 170/350, бункеры и гидровашгерды, насосные станции типа 12-Но наполнения типа ШГ-1000. Для улавливания мелкого золота применяют шлюзы мелкого наполнения, концентрационные столы СКО-0,7 и отсадочные машины МОД-1М и др. Гидроэлеваторные промывочные установки просты при монтаже и эксплуатации, не требуют больших капитальных затрат на их приобретение. Недостатком этих установок является низкое извлечение мелкого и в особенности тонкого золота [84, 85].
На вскрыше торфов, как правило, применяются тяжелые бульдозеры-рыхлители типа ДЗ-141-ХЛ, иногда скреперы. Подачу песков на промприбор производят бульдозерами ДЗ-27С, ДЗ-171. Вскрыша торфов и разработка песков осуществляется панелями длиной по простиранию 150-200 м и шириной, равной ширине промышленного контура россыпи до 150 м [118]. При разработке россыпей большое значение имеют водоснабжение участков горных работ, водоотведение и очистка промышленных стоков. Для выполнения этих процессов предусматривается строительство гидротехнических сооружений, возводимых преимущественно из местных материалов и вскрышных пород – песка, глины, гравия, каменной наброски. К таким сооружениям относят водоудерживающие и струенаправляющие плотины и дамбы, разделительные и обваловочные дамбы, нагорные и руслоотводные каналы[1,6].
Существующие схемы водоснабжения при разработках золота подразделяют на прямоточные, оборотные и оборотно-прямоточные [62]. В прямоточных схемах все промышленные стоки после предварительной очистки сбрасываются в источник ниже ведения горных работ. Применение таких схем возможно при наличии достаточного количества воды в источнике, когда качество воды в водоемах ниже ведения горных работ полностью удовлетворяет правилам охраны поверхностных вод от загрязнения их сточными водами, а также при разработке легкопромывистых россыпей [4].
К оборотно-прямоточным схемам водоснабжения предъявляются те же требования, что и к прямоточным. Оборотная схема является наиболее эффективной по условиям охраны окружающей среды, но требует больших затрат, виду того, что она основана на замкнутом цикле водооборота, что повышает загрязненность технологической воды. Оборотная схема водоснабжения включает отстойники для очистки загрязненных промышленных стоков с целью дальнейшего их использования в технологическом процессе. Процесс отстаивания характеризуется осветлением воды, т.е. выделением из сточных вод нерастворенных примесей, и происходит в специальных сооружениях-отстойниках, где используется метод гравитационного осаждения, который по сравнению с другими является наиболее экономичным вследствие своей простоты [111].
Исследование закономерностей фильтрования в геосинтетических нетканых материалах
Целью проведения экспериментальных исследований является изучение механизма воздействия структурных параметров геосинтетических материалов на характер отложения взвешенных частиц и задерживающую способность к твердой фазе загрязненных вод, позволяющее сформировать и выбрать тип геосинтетических сред, удовлетворяющих условиям эффективного разделения минеральных суспензий.
Предметом исследования являются процессы фильтрования, позволяющие при правильном и обоснованном выборе фильтровальных материалов эффективно бороться с проблемой очистки загрязненных вод.
Объектами исследований являются модельные и натурные загрязненные воды золотодобывающих предприятий, геосинтетические нетканые материалы.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1. Выявить определяющие структурные параметры геосинтетических нетканых материалов; 2. Произвести дисперсионный анализ твердой фазы модельных загрязненных вод; 3. Определить коэффициенты задерживающей способности и скорости фильтрации геосинтетических полотен, на основании которых выявить материалы с оптимальными характеристиками; 4. Создать комбинированные системы из геосинтетических материалов для эффективного разделения суспензий на твердую и жидкую фазы. Используемые методы исследований: микроскопический, гравиметрический, ситовой. 2.2 Исследование характеристик геосинтетических нетканых материалов и определение основополагающих параметров Геосинтетические нетканые материалы – полотна, изготовляемые из волокон, нитей без применения прядения и ткачества.
Согласно классификации (Рисунок 5) геосинтетические нетканые материалы по способу производства делятся на три группы: иглопробивные, термоскрепленные и фильтровальные ткани.
1. Иглопробивной геосинтетический материал - это волокнистый холст, который производится из синтетических волокон полиэфира, скрепленных посредством иглопрокалывания. При многократной пробивке иглой волокна холста переплетаются, вследствие чего образуется высокопрочное, водостойкое полотно. Оно не подвержено гниению, устойчиво к химическим, биологическим и механическим воздействиям, способно в своих порах и на поверхности задерживать твердые частицы. Для исследований использовались образцы иглопробивных полотен производства ЗАО «Втор-ком», г.Челябинск.
2. Термоскрепленный геосинтетический нетканый материал производства ОАО «Сибур-геотектиль», г. Новосибирск. В отличие от иглопробивного, материал имеет упрочненный поверхностный слой, полученный термоскреплением волокон полиэстера, поэтому обладает более высокими прочностными характеристиками, несмотря на малую толщину, обладает высокой водопропускной способностью.
3. Синтетическая фильтровальная ткань производства ЗАО «Кемет», г. Санкт-Петербург. Так как основой волокон является полипропилен и вискоза, фильтровальная ткань имеет хорошую стойкость к длительному воздействию влаги, не расслаивается и не теряет своих свойств, что очень важно при длительном процессе фильтрования.
Общий вид и вид геосинтетических материалов под микроскопом представлен на Рисунке 6. Рисунок 6 - Общий вид и вид под микроскопом (30x) геосинтетических материалов Согласно анализу литературных источников и нормативных данных [27, 28, 29] различают структурные параметры, физические и механические свойства геосинтетических полотен.
К структурным параметрам геосинтетических материалов относят: размеры, линейную плотность, поверхностную плотность, объемную плотность, размер пор. Изучению механических, физических характеристик геосинтетических нетканых материалов посвящены работы [3, 14, 16, 24,42, 115, 120]. К физическим характеристикам геосинтетических материалов относят: пористость, водопроницаемость, воздухопроницаемость, биологическую стойкость, светостойкость, химическую стойкость, морозостойкость.
К механическим характеристикам относят: показатели деформации при сжатии, показатели прочности при растяжении, продавливании и проколе, закреплении волокон, показатели ползучести, выносливости и износостойкости.
В случае применения геосинтетических нетканых материалов в качестве фильтровальных перегородок, целесообразно рассматривать характеристики, влияющие на процесс фильтрования, к ним следует отнести: плотность (объемную и поверхностную), размер пор, пористость, водопроницаемость, воздухопроницаемость.
Принципы размещения геосинтетических материалов в фильтрах
Предметом исследования являются процессы фильтрования загрязненных вод через геосинтетические среды. Основную массу загрязнений в технологических водах золотодобывающих предприятий составляют взвешенные глинистые частицы.
Исследованиями авторов (Мязин В.П., Сапожников С.Ю. [61, 88]) установлено, что частицы крупностью меньше 74 мкм трудно оседают под действием сил гравитации, повышают вязкость технологических вод, поэтому целью доочистки загрязненных вод фильтрованием является задержка в геосинтетических нетканых материалах частиц малых размеров.
Экспериментальные исследования проводились методом моделирования. Для максимального приближения лабораторных условий проведения эксперимента к реальным, в качестве основного загрязнителя была выбрана глинистая фракция, ввиду их большого содержания в промышленных стоках при разработке россыпей.
Глина для опытов отмывалась из глиносодержащего продукта через сито 0,074 мкм, высушивалась в сушильном шкафу. Массу сухой глины взвешивали на электронных весах с точностью до 0,01 гр.
Для гранулометрического анализа среднюю пробу глины отбирали методом квартования. Ситовой анализ проводили по ГОСТ 12536-2003[30]. Разделение глины на фракции осуществляли с промывкой водой.
Средние значения дисперсионного анализа глин для экспериментальных исследований представлены в Таблице 7. Таблица 7 Дисперсионный анализ глин класса -0,074 мм, % Фракции частиц, мм +0,04 -0,04+0,02 -0,02+0,01 -0,01 Содержание в процентах, % 30,9 28,6 22,2 18,3 Анализ показывает, что 59,5 % частиц имеют размер + 20 мкм, 40,5% частиц имеют размер -20 мкм. Исследование размеров пор материала и размеров глинистых фракций позволило подтвердить целесообразность использования геосинтетических материалов для разделения минеральных суспензий. Для определения материалов с оптимальными характеристиками следует установить закономерности отложения твердой фазы в материалах.
Учитывая структурные параметры полотен, размеры фракций глинистых частиц установлены следующие закономерности фильтрования: в иглопробивных полотнах ввиду наличия пор разных размеров и нескольких микрослов, частицы полностью или постепенно закупоривают поры, после кольматации материала образуется осадок; в термоскрепленных полотнах ввиду наличия упрочненного поверхностного слоя наблюдается промежуточный вид фильтрования, когда частицы одновременно откладываются и на поверхности материала, и проникают в поры; в фильтровальной ткани, ввиду отсутствия порового пространства, происходит отложение твердой фазы только на поверхности материала (Рисунок 7) [91]. Таким образом, выявленные структурные параметры влияют на характер отложения твердых частиц в ГНМ и определяют закономерности разделения твердой и жидкой фаз.
Фильтровальная перегородка, которая позволяет эффективно очищать загрязненные воды, должна соответствовать оптимальному совмещению двух основных качеств: высокой задерживающей способности к загрязняющим веществам, и достаточной пропускной способности жидкости [95].
Установка (Рисунок 9) состоит из цилиндра 1, диаметром 9 см, закрепленного с помощью решетки 4 в прямоугольной емкости (размеры 220 150 230 мм, объем 8 л), изготовлена из стекла, что позволяет на протяжении всего опыта отслеживать процесс фильтрования и выявлять его закономерности. Фильтровальный материал укладывается решетку 2, закрепленную в полости цилиндра[98].
В ходе проведения исследований каждая проба с загрязненной жидкостью подавалась на поверхность фильтровального материала, уложенного на решетку, закрепленную в полости цилиндра. В процессе фильтрования по мере очистки вода протекала по цилиндру и попадала в стеклянную емкость. После протекания всей воды для данной пробы, решетка с цилиндром снималась, а очищенная вода отправлялась на гравиметрический анализ в лабораторию для определения концентрации загрязняющих веществ в пробах фильтрата[100].
Зависимость количества загрязняющих веществ, г/л от размера пор фильтровальной ткани Выявлено влияние определяющих структурных параметров на задерживающую способность материала: зафиксировано уменьшение концентрации загрязняющих частиц в пробах жидкости после фильтрования по мере увеличения объемной и поверхностной плотности иглопробивных и термоскрепленных ГНМ соответственно, и по мере уменьшения размера пор фильтровальной ткани [94].
Для эффективного разделения суспензий любая фильтровальная перегородка должна обладать не только высокой задерживающей способностью, но иметь хорошую пропускную способность. С целью выявления наиболее эффективных фильтровальных материалов следует определить коэффициент скорости фильтрации для каждого вида.
Результаты промышленных испытаний фильтров из геосинтетических материалов
Технико-экономические показатели являются значительными характеристиками при внедрении разработанных систем, схем, устройств в производство. Для фильтровальных устройств наиболее важными являются показатели производительности, грязеемкости, необходимого количества устройств, частота замены комплектующих, затраты на материалы, годовое обслуживание и условия эксплуатации устройств.
На основании теоретических исследований (параграф 3.3) выявлено время фильтрования с учетом пересчета площадей фильтра, равное 325 секунд при объеме фильтрата 1 м3.
С учетом этих данных производительность фильтра Пф при переводе единиц составит 11 м3/ч или 264 м3/сутки.
Для расчетов используем исходные данные ОАО «Ново-Широкинский Принимаем 4 фильтра с загрузкой 95 %. При определении срока службы устройств, в частности фильтровальных кассет из геосинтетических нетканых материалов нужно учитывать достаточно высокую степень регенерации данных материалов. Наиболее целесообразным является применение водовоздушной промывки каждые сутки. При этом срок службы материала в фильтре составит 1 год.
В Таблице 21 приведен расчет стоимости одного фильтровального устройства. Таблица 22 отражает расчет полной стоимости системы для осветления загрязненных вод.
Общая стоимость одного кассетного фильтра составит 7544 руб., монтаж полной системы для очистки оборотных и сточных вод составляет 64648 руб. в ценах 2014 года.
Подсчитаем себестоимость очистки 1 м3 технологической воды, расчет которой производится с учетом затрат на все материалы и комплектующие, и годовое обслуживание фильтра.
Расчет экономической эффективности от использования фильтровальных устройств на основе геосинтетических нетканых материалов ведем относительно предотвращения экологического ущерба от загрязнения окружающей среды и снижения размеров платы за сброс загрязняющих веществ в водные объекты на примере загрязненных вод ОАО «Ново-Широкинский рудник».
В непосредственной близости к ОАО «Ново-Широкинский» рудник находится водоток Падь Прямая (Жидковская), который подвергается антропогенному воздействию от деятельности предприятия. Падь Прямая является притоком р. Урюмкана, относящейся к бассейну р. Амур, поэтому для Забайкальского края принимаем Ууд = 4109,6 руб./усл.т. Кэ – коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек, для Забайкальского края Кэ=1,05; Mnk – приведенная масса загрязняющих веществ, не допущенных к сбросу в водный источник в результате природоохранной деятельности, уcл.тонн/год. , (66) где mi – масса, не допущенного к попаданию в водный источник каждого загрязняющего вещества; находится как разница между концентрацией загрязняющих веществ до и после очистки, т/год;
Пересчет сбросов загрязняющих веществ из мг/дм3 в т/год производится на основании годового водооборота на ОАО «Ново-Широкинский рудник», который составляет 1200 тыс. м3 в год, учитывая перевод единиц. Расчет предотвращенного экологического ущерба представлен в Таблице 24.
Расчет экономического эффекта за счет снижения размеров платы за сброс загрязняющих веществ в водные объекты Расчет произведен согласно инструктивно-методическим указаниям по взиманию платы за загрязнение окружающей природной среды в соответствии с постановлением Правительства РФ от 28 августа 1992 г. N 632 "Об утверждении порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия" [77].
Плата за выбросы загрязняющих веществ в размерах, не превышающих установленные природопользователю предельно допустимые нормативы выбросов, определяется путем умножения соответствующих ставок платы на величину загрязнения и суммирования полученных произведений по видам загрязняющих веществ [40].
Плата за сверхлимитный сброс загрязняющих веществ определяется путем умножения соответствующих ставок платы за загрязнение в пределах установленных лимитов на величину превышения фактической массы сбросов над установленными лимитами, суммирования полученных произведений по видам загрязняющих веществ и умножения этих сумм на пятикратный повышающий коэффициент [40].
Капитальные затраты на систему составляют 64648 руб. (Таблица 23). При установке четырех фильтровальных установок получаем 258592 руб. Годовое техническое обслуживание складывается из затрат на заработную плату рабочих, замену фильтровального материала в кассетах устройства, затраты на обслуживание фильтровальной установки, которые были просчитаны в параграфе 4.4 и составляет 123786 руб.
Таким образом, затраты на установку предлагаемой системы осветления и годовое техническое обслуживание составляют 382378 руб. Тогда общий экономический эффект будет равен 2409742 руб. Таким образом, доказана эколого – экономическая эффективность использования предлагаемой системы для очистки оборотных и сточных вод горных предприятий. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемых решений на ОАО «Ново-Широкинский рудник» составляет 2409 тыс. руб. в ценах 2014 года.
