Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика объекта исследований - Мугунского угольного разреза Иркутской области 10
1.1. Особенности формирования и физико-химического состава карьерных сточных вод угледобывающего предприятия 10
1.2. Характеристика систем водоснабжения и водоотведения Мугунского угольного разреза 19
1.3. Определение необходимой степени очистки сточных вод перед сбросом их в водоем или использованием на технические нужды разреза 22
1.4. Выводы по главе 28
Глава 2. Основные результаты научных исследований и практических внедрений в области очистки сточных вод угольных предприятий на примере отечественного и зарубежного опыта 30
2.1. Анализ основных методов очистки сточных вод угольных предприятий, технологических схем и конструкций водоочистных установок и оборудования 30
2.2. Высокомолекулярные соединения, используемые в отечественной и зарубежной практике очистки сточных вод, характеристика наиболее распространенных коагулянтов и флокулянтов 48
2.3. Выводы по главе 60
Глава 3. Экспериментальные исследования и теоретическое обоснование процесса реагентного осветления смеси карьерных и ливневых вод Мугунского разреза 62
3.1. Методическое обеспечение проведения исследовательских работ 63
3.2. Обоснование выбора эффективных реагентов и исследование кинетических зависимостей процесса реагентной седиментации взвешенных веществ 68
3.2.1. Выбор эффективных реагентов для осветления исследуемых сточных вод 68
3.2.2. Теоретические основы флокуляции дисперсных систем для обоснования применения катионных флокулянтов в процессе очистки карьерных и ливневых вод 77
3.2.3. Исследования кинетических зависимостей процесса седиментации взвесей в присутствии катионных флокулянтов Зетаг 64 и Магнафлок 292— 86
3.3. Построение математической модели процесса флокуляции на основе регрессионного анализа экспериментальных данных 92
3.4. Выводы по главе 100
Глава 4. Разработка технологической схемы осветления сточных вод и эколого-экономическое обоснование предлагаемых технических решений 102
4.1. Отработка технологических режимов флокуляционной очистки карьерных и ливневых сточных вод на реальных потоках Мугунского угольного разреза 102
4.2. Эколого-экономическое обоснование перспективности внедрения предлагаемой технологической схемы 105
4.2.1. Технико-экономическое сравнение вариантов технологических схем очистки карьерных сточных вод 105
4.2.2. Эколого-экономическая оценка предлагаемой технологической схемы очистки карьерных и ливневых сточных вод 114
4.3. Выводы по главе 118
Общие выводы 120
Список литературы 122
Приложения 13 3
- Характеристика систем водоснабжения и водоотведения Мугунского угольного разреза
- Высокомолекулярные соединения, используемые в отечественной и зарубежной практике очистки сточных вод, характеристика наиболее распространенных коагулянтов и флокулянтов
- Теоретические основы флокуляции дисперсных систем для обоснования применения катионных флокулянтов в процессе очистки карьерных и ливневых вод
- Технико-экономическое сравнение вариантов технологических схем очистки карьерных сточных вод
Введение к работе
Актуальность работы. Определяющее влияние на экологическое состояние объектов окружающей среды Приангарья оказывают отраслевые комплексы, сосредоточенные в наиболее освоенной его части. Резкое сокращение с середины 90-х годов объемов производства в угледобывающих районах Иркутской области не привело к улучшению экологической обстановки. Негативное воздействие, наносимое угледобывающими предприятиями окружающей природной среде, носит комплексный характер, так как в результате отработки угольных месторождений области открытым способом интенсивному загрязнению подвергаются: атмосфера, водные ресурсы, ландшафтные комплексы. Сложные процессы антропогенных изменений объектов окружающей среды в результате эксплуатации угольных разрезов обострили в настоящее время проблему загрязнения поверхностных водных объектов, примыкающих к территориям их отработки.
В настоящее время в Иркутской области объем добычи угля составляет 14 млн. тонн. По данным отчетности контролирующих природоохранных органов в 2004 году угледобывающими предприятиями Иркутской области сброшено в поверхностные водные объекты 4,95 млн.м3 сточных вод, в том числе: недостаточно очищенных - 0,13 млн.м3. Общая масса привносимых загрязнений составляет десятки тонн, в том числе, только взвешенных веществ - 60 тонн. Главным источником, транспортирующим загрязняющие вещества в акваторию поверхностных водоемов, примыкающих к территориям отработки угольных разрезов, является карьерная вода, получаемая в результате массированного извлечения подземных вод разрабатываемых угольных пластов с целью осушения. В Тулунском районе общий объем водоотлива Мугунского, Азейского, Тулунского угольных разрезов составляет 34 тыс.м3/сут.
Качественный состав карьерных сточных вод на каждом из разрезов Тулунского района специфичен и зависит от условий формирования, климатических факторов, способа отработки угленосных пластов в границах определенного карьерного поля. Приоритетным загрязняющим компонентом карьерных и поверхностных сточных вод, направляемых с территорий разрезов в водоемы, являются взвешенные угольно-породные, глинистые и пылевидные частицы. Специфические свойства и седиментационная устойчивость реальных дисперсных систем карьерных сточных вод вызывают серьезные затруднения при их осветлении, особенно в процессах безреагентного отстаивания. Снижение уровня техногенного воздействия на водные объекты, примыкающие к территориям угольных разрезов Приангарья, является одной из актуальных задач обеспечения экологической безопасности водопользования. Решение этой задачи требует применения современных методов исследований и разработки технологий интенсификации процессов осветления карьерных сточных вод угледобывающих предприятий (на примере Мугунского угольного разреза) с учетом их специфических особенностей.
Объект исследования - карьерные и ливневые сточные воды Мугунского угольного разреза Иркутской области. Реальные сточные воды в своем составе содержат высокие концентрации взвешенных веществ (400-1600 мг/л), представляющие сложную композицию угольно-породных, глинистых, пылевидных частиц.
Работа выполнена в соответствии в планом научно-исследовательских работ Иркутского государственного технического университета №47/159 «Разработка прогрессивной технологии очистки природных и сточных вод, извлечение и утилизация содержащихся в них ценных и вредных компонентов с целью улучшения качества окружающей среды и повышения полноты использования природных ресурсов».
Целью работы является исследование и разработка технологии интенсификации процессов осветления карьерных сточных вод угледобывающею предприятия с использованием эффективных седиментационных реагентов.
Идея работы заключается в обосновании возможности применения синтетических высокомолекулярных флокулянтов (сополимеров акриламида) для осветления сложных дисперсных систем в карьерных водах - композиции угольно-породных, глинистых и пылевидных взвешенных частиц
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- исследовать особенности формирования и физико-химического состава
карьерных сточных вод Мугунского угольного разреза и дать оценку
эффективности процесса осветления карьерных сточных вод на существующих
очистных сооружениях Мугунского разреза,
- провести анализ эффективности существующих схем, технологий, методов
очистки карьерных сточных вод угледобывающих предприятий и обосновать
выбор реагентов интенсификаторов процессов седиментации взвешенных
веществ позволяющих достичь нормативных показателей качества очищенной
воды, пригодной для частичного сброса в поверхностный водоем и максимального
возврата в производство для целей технического водоснабжения и
пылеподавления;
исследовать физико-химические параметры флокуляционного метода очистки сложных дисперсных систем в карьерных и ливневых сточных водах, используя в качестве факторов интенсификации процесса направленное действие высокомолекулярных синтетических флокулянтов с учетом их молекулярной массы, содержания и знака заряда ионогешшх групп, а также характеристики очищаемых сточных вод (величина рН, температура); выполнить статистическую обработку экспериментальных данных для прогнозирования оптимальных параметров процессов осветления в промышленных условиях,
изучить особенности механизма процесса флокуляционной очистки с учетом физико-химических характеристик состояния дисперсных систем в карьерных и ливневых сточных водах и закономерностей взаимодействия с ними реагентов - синтетических высокомолекулярных флокулянтов;
разработать и апробировать технологию интенсификации процесса осветления карьерных сточных вод Мугунского угольного разреза на основе использования флокулянтов в полупромышленных условиях, составить принципиальную технологическую схему процесса и дагь эколого-экономическое обоснование предлагаемых решений.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплекс современных химических и физико-химических методов исследований фотоэлектроколориметрический, потенциометрический. электрофоретический, спектрофотометрический, стандартные методики определения качества сточных вод Для оптимизации процесса осветления применялись методы статистического регрессионного анализа экспериментальных данных и пакет прикладных программ
Mathcad. Лабораторные и полупромышленные исследования процессов флокуляции проводились в аналитической лаборатории Института геохимии СО РАН и химико-аналитической службе Мугунского угольного разреза.
Научная новизна работы представлена следующими результатами:
обоснован выбор реагентов - интенсификаторов (высокомолекулярных синтетических флокулянтов), проведенный с учетом их специфической реакционной способности (молекулярной массы, содержания и знака заряда ионогенных групп) с основным улавливающим агентом (композиции угольно-породных, глинистых и пылевидных разноразмерных взвешенных частиц) и структурами, стабилизированными ими,
впервые изучена принципиальная возможность интенсификации процесса осветления карьерных вод угольного разреза, содержащих сложную композицию взвешенных частиц, на основе применения высокомолекулярных флокулянтов с учетом особенностей формирования состава, физико-химических свойств карьерных вод, способа отработки угольных пластов, климатических условий,
впервые выявлено доминирующее действие катионного высокомолекулярного флокулянта Zetag 64, обеспечивающего высокую скорость осветления карьерных сточных вод угольного разреза за счет ион-ионного взаимодействия с отрицательно заряженными частицами основного загрязнителя стоков - взвешенных веществ композиционного состава;
по результатам экспериментальных исследований впервые установлен характер зависимостей процесса флокуляции от концентрации дисперсной фазы, от концентрации вводимого высокомолекулярного катионного флокулянта, от размера частиц дисперсной системы сложного состава;
на основе регрессионного анализа экспериментальных данных получена математическая модель, позволяющая прогнозировать около 88% изменений дозы реагента по заданным значениям эффекта осветления, исходной концентрации дисперсной фазы и температуры очищаемых сточных вод.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Рекомендован для промышленного использования в процессах очистки карьерных и ливневых сточных вод Мугунского угольного разреза высокоэффективный полимерный синтетический катионный флокулянт Зетаг 64, обеспечивающий высокую (до 95%) степень осветления очищаемой воды при высоких исходных концентрациях взвешенных веществ в исходных потоках.
Разработана и предложена к перспективному внедрению технологическая схема реконструкции системы водоотведения действующего угледобывающего предприятия, включающая флокуляционную очистку высококонцентрированных по взвешенным веществам карьерных и ливневых сточных вод на основе применения высокоэффективных седиментационных реагентов и позволяющая достичь норм сброса в открытый водоем II категории водопользования Очищенная вода (70% суммарного расхода) может быть направлена в систему технического водоснабжения для целей технического водоснабжения и пылеподавления, а 30% расхода - на сброс в водоем Внедрение разработанных природоохранных мероприятий на Мугунском угольном разрезе позволит получить экономический эффект в размере 44358.45 тыс. руб./год.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях «Взаимоотношения общества и природы история.
современность и проблемы безопасности» (Иркутск, 1999); «Рациональное природопользование» (Йоханнесбург, 1999); «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона современное состояние и перспективы» (Улан-Удэ, 2000 год); III,IV конгрессах обогатителей стран СНГ (Москва, 2001,2003 г.г.); 5-th and 6-th international conferences on Environment and Mineral processing" (Ostrava, Czech Republic, 2001, 2002); международный конгресс «Вода, экология, технология - «ЭКВАТЭК-2002» (Москва, 2002); «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 2002).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, 3 приложений, библиографического списка из 130 наименований. Она содержит 132 страницы основного текста, 32 рисунка, 26 таблиц.
Характеристика систем водоснабжения и водоотведения Мугунского угольного разреза
В водах месторождений в зонах сочленений платформ и геосинклинальных областей содержание ионов хлора возрастает до 98%, а гидрокарбонатных ионов снижается до 20-25%. Минерализация же возрастает до 5-6 г/л. Такие воды чаще всего относятся к натриевым, состав которых описывается формулой: Содержание сульфатных ионов во всех типах карьерных вод находится примерно в одинаковых пределах, так как оно зависит не от геоструктурных условий, а от содержания серы в полезном ископаемом и во вмещающих породах. При повышении содержания серы в горных выработках до 4% и более образуются кислые воды с рН 4,5 и концентрацией сульфатных ионов до 95-100%, что приводит также и к увеличению их минерализации от 3 до 18 г/л. В результате образуются сульфатные железисто-алюминиево-кальциевые воды, состав которых описывается формулой: Образование кислых вод происходит непосредственно в выработанном пространстве разрезов вследствие контакта вод с сернистыми породами. Наиболее высокое содержание серы в углях Днепровского и Подмосковного бассейнов.
Таким образом, отмечается увеличение минерализации карьерных вод за счет повышения содержания сульфатов и хлоридов от месторождений угля на древних платформах к месторождениям в зонах сочленений. При этой же закономерности происходит и изменение содержания в них микроэлементов: Ag, Bi, Be, Со, Ni, Ga, Se, Y, Mn, V, Zr, La, Ba и др.
Содержание сульфатов и хлоридов обусловливает агрессивность карьерных вод, т.е. их химическую активность. В зависимости от содержания общей серы в разрабатываемых горных породах и сульфатов в карьерных водах месторождения углей можно условно на три группы по степени агрессивности вод: 1-е сильноагрессивными карьерными водами при уровне сернистости пород выше 4%; 2-е агрессивными водами при уровне сернистости пород 2-4%; 3 - со слабоагрессивными водами при сернистости пород до 2%. При разработке так называемых «соленых» углей, содержащих повышенные количества соединений натрия, особенно NaCl, наблюдается солянокислое выщелачивание, в результате чего формируются агрессивные хлоридные натриевые карьерные воды с минерализацией до 20-30 г/м3 [48].
К числу основных загрязнителей карьерных вод относятся взвешенные вещества, представленные частицами угля и вмещающих пород разной крупности. В табл. 1.1 представлен дисперсный состав взвешенных веществ в исследуемых карьерных водах Мугунского разреза. Максимальная крупность частиц не превышает 100 мкм, основная же масса взвешенных веществ представлена частицами менее 50 мкм. Содержание взвешенных веществ в карьерных водах изменяется в широких пределах, причем изменения наблюдаются на каждом конкретном угледобывающем предприятии по годам и сезонам года.
Одним из основных показателей состава карьерных вод является их минерализация, обусловленная наличием сульфат, хлорид, гидрокарбонат ионов, а также ионов кальция, магния, натрия. В зависимости от солесодержания, воды классифицируют на пресные (до 1 г/л), слабосолоноватые (1-3 г/л), солоноватые (3-5 г/л), сильносолоноватые (5-Ю г/л), сильносоленые (25-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). По данным ВНИИОСугля 69% угледобьшающих ігоедприятий имеют минерализацию до 1 г/л, 22% - 1-2 г/л, 5% - до 2-7 г/л, 3% - 7-20 г/л и менее 1% -свыше 20 г/л [65]. Таким образом, основной объем отводимых сточных вод относится к пресным и слабосолоноватым водам. Основные показатели состава карьерных вод ряда угольных разрезов России представлены в таблице 1.2.
К наиболее распространенным органическим загрязнениям сточных вод карьеров угольных разрезов относятся фенолы и нефтепродукты. Фенолы попадают в воду в результате процессов окисления и самовозгорания углей на разрезах, при попадании горючесмазочных материалов в стоки и из загрязненного фенолами атмосферного воздуха. Содержание их обычно невелико и колеблется в пределах 0-0,01 мг/л. Что же касается нефтепродуктов, то их содержание колеблется в очень широких пределах - от 0 до 50 мг/л.
Поверхностные или ливневые стоки в основном представлены дождевыми и талыми водами, стекаюпцши с территории предприятий. Загрязнителями поверхностных стоков являются: породные отвалы, угольные склады, склады горюче-смазочных материалов и т.д. Основным источником загрязнения поверхностных стоков взвешенными веществами и минеральными солями являются породные отвалы. Стоки со склада горюче-смазочных материалов имеют повышенное содержание нефтепродуктов.
Поверхностные сточные воды вместе с водами поливки и мойки территорий разрезов смывают и выносят значительное количество загрязняюших веществ: содержание взвешенных веществ колеблется от 300 до 29000 мг/л, нефтепродуктов до 500 мг/л, фенолов до 0,1 мг/л, минеральных солей - 200-3500 мг/л.
К производственным сточным водам относятся воды, полученные при использовании свежей воды в технологических процессах. Хозяйственно-бытовые сточные воды разрезов отличаются большим постоянством состава и свойств, чем карьерные, что обусловлено жесткими требованиями к составу и свойствам используемой для хозяйственно-бытовых нужд свежей воды из поверхностных источников. Основными загрязняющими компонентами таких вод являются щ взвешенные вещества (100-600 мг/л), органические вещества (БПКго от 100-150 мг/л и выше), ПАВ, нефтепродукты и фенолы. Как было отмечено, объемы, физико-химический состав и свойства карьерных сточных вод, изменяющиеся в довольно широком диапазоне, даже в пределах одного месторождения, зависят от множества факторов: горно геологических и горнотехнических условий, тектонического строения месторождения, глубины разработки, метода отработки угольных пластов. Такое Vі разнообразие качественных характеристик карьерных сточных вод не позволяет разработать единый подход к очистке сточных вод различных месторождений угля. Поэтому, сложность задачи эффективной очистки карьерных сточных вод заключается в обосновании выбора ее метода для каждого отдельно взятого объекта. Иркутская область, несмотря на общий спад в экономике страны, остается одним из наиболее перспективных регионов, сумевших первыми переломить процесс падения объемов добычи угля. Если угольная промышленность России в 1998 году снизила объем добычи, по сравнению с предьідущим годом, на 14 млн. т т, то Иркутская область за этот же период (таблица 1.3) сумела увеличить добычу с 13,4 млн. т в 1997 году до 14,6 млн. т в 1998 году [111, 72, 16].
Высокомолекулярные соединения, используемые в отечественной и зарубежной практике очистки сточных вод, характеристика наиболее распространенных коагулянтов и флокулянтов
Виброфильтры представляют собой два расположенных на одной металлической раме блока фильтров трубчатой формы со сменными фильтровальными элементами. Фильтровальный элемент перфорирован и снабжен металлической сеткой. Между ними расположен слой толщиной 30 мм из кварцевого песка крупностью 0,08-0,2 мм. Процесс фильтрования происходит под давлением 0,2-0,4 МПа, а регенерацию осуществляют обратным ходом с наложением мощных колебаний частотой 10-12 Гц, производимых поршнем, который в свою очередь приводится в движение электродвигателем через эксцентриковый механизм. Относительный расход воды на промывку составляет 5-8%. Концентрация взвеси в исходной воде - не более 100 мг/л.
Таким образом, применяемые в угольной отрасли различные конструкции фильтров с зернистой загрузкой [20, 57, 90, 100, 115, 117] удовлетворяют предъявляемым требованиям к качеству очистки сточной воды, но их эксплуатация требует большого расхода не дешевого фильтрующего материала, а при недостаточно эффективной регенерации - дополнительных работ по его подготовке и замене. Эффективность фильтрования во многом зависит от свойств фильтрующего материала и геометрической структуры слоя, в особенности от пористости слоя и размера отдельных пор, крупности, формы, шероховатости и однородности зерен [2, 86, 88, 119, 120]. Физико-механические показатели некоторых фильтрующих материалов приведены в табл.2.3.
Использование горелых пород [58, 71, 102] в качестве фильтрующего материала имеет ряд преимуществ, по сравнению со стандартной кварцевой загрузкой фильтров. Этот материал в районах угледобычи оказывается доступнее и дешевле песка. В состав горелых пород входят аргиллиты, алевролиты и песчаники, поверхность зерен шероховатая.
Исследования авторов [18, 56] по замене кварцевого песка дробленым керамзитом также дали положительные результаты. Пористость и коэффициент формы у керамзита выше, а плотность ниже и, кроме того, для достижения одинаковой с песком степени расширения, для керамзита требуется меньшая интенсивность промывки.
Сравнительный анализ работы двухпоточных двухслойных фильтров с керамзитовой и кварцевой загрузками позволил выявить, что производительность керамзитового фильтра выше в среднем в 2,4 раза (вследствие вдвое большей скорости фильтрования и примерно на 20% большей продолжительности цикла), а грязеемкость - в 2,8 раза.
Вулканические шлаки также могут быть использованы в качестве загрузки, так как обладают более высокой, чем песок, пористостью и по механическим характеристикам отвечают требованиям, предъявляемым к фильтрующим материалам. Исследования [17] показали, что при одинаковой крупности зерен, скорости фильтрования и толщине загрузки продолжительность защитного действия шлаковой загрузки в 2,8 раза больше, чем песчаной, а темп прироста потерь напора меньше.
Рекомендовано применение шлаковой пемзы и гранулированного шлака в качестве фильтрующего материала [10, 81, 84]. Кроме того, в качестве фильтрующей загрузки может быть использован кокс, каменный уголь. По мнению исследователей [80, 119, 128] фильтровальные аппараты с загрузкой из каменного угля могут быть использованы для одноступенчатой очистки промышленных стоков различных производств.
Прогрессивным направлением в технологии очистки сточных вод угольных предприятий является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил. Силы, действующие на выделяемые частицы в центробежных устройствах, больше сил тяжести, действующих в отстойниках. Вследствие этого повышается в несколько раз их производительность, уменьшаются их размеры. На горных предприятиях широко распространены напорные конические гидроциклоны [109]. Загрязненная вода подается под давлением 0,05-0,3 МПа внутрь гидроциклона, поступает в цилиндрическую часть и вращательно движется в ней вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Эффективность очистки в гидроциклонах составляет в среднем 70-80%.
В последние годы в угольной отрасли для очистки сточных вод от взвешенных веществ все большее распространение получают новые типы водоочистных сооружений, базирующиеся на аппаратах заводского изготовления [28]. Использование аппаратов заводского изготовления и их комплексная поставка на предприятия позволяют существенно сократить объем и сроки строительства станций очистки вод. При этом все технологическое и вспомогательное оборудование станции размещается в одном производственном здании, что облегчает их эксплуатацию. Преимущества схемы, основанной на аппаратах заводского изготовления, в ее компактности, экономичности строительства и высокой степени очистки вод от взвешенных веществ.
Концентрация взвеси в исходной воде не ограничивается, на выходе же она составляет не более 5 мг/л. Влажность получаемого осадка составляет 50-60%. Производительность может составлять от 100 до 600 м /ч.
Технология, основанная на аппаратах заводского изготовления, состоит из следующих процессов: усреднение расхода и состава сточных вод, фильтрование, обеззараживание, сгущение промывных вод и осадков, механическое обезвоживание осадка. Предварительная очистка происходит в наклонных отстойниках типа ОН со встроенными камерами смешения и хлопьеобразования конструкции ДонУГИ.
Теоретические основы флокуляции дисперсных систем для обоснования применения катионных флокулянтов в процессе очистки карьерных и ливневых вод
Исходная вода сначала поступает в усреднитель, затем насосом подается во входную камеру, где освобождается от плавающих примесей и пузырьков воздуха и под гидростатическим напором, создаваемым в камере, поступает в распределительные устройства фильтров. Перед фильтрами воду обрабатывают сульфатом алюминия с добавлением полиакриламида или катионных флокулянтов (ВПК-402, ВПК-101, М14-ВВ, ППС и др.). Удельный расход коагулянта 20-30 т/и3, катионного флокулянта 0,2-0,5 г/м3. После перемешивания вода фильтруется снизу вверх со скоростью 6-8 м/ч через слой высотой 2,5-2,7 м из кварцевого песка, размер зерен которого 0,7-4 мм и эквивалентный диаметр 1,1-1,4 мм.
Анализ вышеприведенных материалов позволил сформулировать следующее: различие в исходной концентрации, дисперсном и вещественном составе сточных вод угольной отрасли, способность взвешенных частиц к коагуляции и флокуляции под влиянием реагентов в карьерных водах различных бассейнов, месторождений, угленосных районов не дает возможности рекомендовать одну универсальную технологическую схему, которая во всех случаях обеспечила бы необходимую степень очистки и была бы наиболее экономичной и экологичной. В связи с этим разработаны и применяются на практике различные технологические схемы очистки вод от взвешенных веществ. Каждая технологическая схема является эффективной и экономичной только в определенных условиях применения, при определенном качественном составе и свойствах исходной воды [19, 21, 27, 29, 48, 60, 63, 64,103].
На большинстве угольных разрезов, в частности на Мутунском разрезе в Иркутской области, для очистки карьерных вод используются различные типы отстойников, а именно, пруды-отстойники. Такие схемы, включающие один или несколько прудов-отстойников, а также коллекторы для транспортировки к ним карьерных стоков, являются в условиях эксплуатации разреза наиболее экономичными. Но достигаемая при этом степень очистки, как правило, оказывается недостаточной. Введение же в технологические схемы фильтрационных сооружений в качестве II ступени позволит резко повысить эффективность очистки воды по взвешенным веществам, однако, эта мера приведет к резкому увеличению затрат на строительство и усложнит эксплуатацию сооружений.
Поэтому для интенсификации процесса осветления карьерных и ливневых сточных вод Мугунского угольного разреза в существующем пруде-отстойнике необходима детальная проработка аппаратурного оформления и подбор оптимального реагентного режима очистки на основе сравнительного анализа седиментационной активности ряда синтетических флокулянтов с целью их дальнейшего использования в промышленных условиях.
Целью дальнейших исследований является разработка технологических приемов интенсификации очистки карьерных сточных вод от взвешенных веществ, включающей в качестве основной ступени очистки процесс осветления в прудах-отстойниках с применением высокоэффективных [77, 78, 85].
Для обоснования выбора реагентов, позволяющих добиться необходимого эффекта осветления карьерных сточных вод, представляется необходимым кратко рассмотреть наиболее распространенные высокомолекулярные соединения, используемые в отечественной и зарубежной практике очистки сточных вод, и их основные характеристики.
Сущность химической обработки воды коагулянтами заключается в гидролизе коагулянта и взаимодействии нерастворимых в воде продуктов гидролиза (гидроокисей и основных солей) с коллоидными и грубодисперсными загрязнениями воды. Образующиеся в результате этого взаимодействия хлопья легко удаляются из воды путем отстаивания, осветления во взвешенном слое, фильтрования и контактного осветления. Однако, в настоящее время, когда к качеству очищенных вод предъявляются все более строгие экологические требования, становятся очевидными некоторые существенные недостатки коагуляционной очистки сточных вод.
Главный недостаток очистки вод с применением коагулянтов заключается в том, что в условиях постоянно изменяющегося качества воды технологический режим работы очистных сооружений оказывается нерегулируемым. Правильным подбором дозы коагулянта можно достигнуть требуемого эффекта очистки, но при этом в зависимости от изменяющейся концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой воде, ее состава, физико-химических свойств и температуры изменяются эффект работы отстойников, нагрузка на фильтры и т.д.
В периоды относительно малой мутности обрабатываемой воды и при низких ее температурах очистные сооружения, применяющие коагулянты, работают неэффективно. Малая эффективность в работе очистных сооружений во многих случаях объясняется особенностями самого процесса коагулирования: медленным гидролизом коагулянта и малой скоростью хлопьеобразования при низких температурах («вялая» коагуляция); недостаточной прочностью хлопьев, приводящей к выносу загрязнений из загрузки фильтров и разрушению осадка в осветлителях с взвешенным осадком; малой плотностью хлопьев, образующихся при коагуляции.
Для стабилизации и регулирования процесса очистки в дополнение к коагулянту используют известь, шлам из отстойников, бентонитовые глины, производят предварительную обработку воды повышенными дозами хлора. Однако, наилучшие результаты могут быть достигнуты за счет применения некоторых высокомолекулярных веществ, небольшие добавки которых в очищаемую воду, в виде дополнения к коагулянту или вместо коагулянта, способствуют хлопьеобразованию, стабилизируют процессы очистки воды в неблагоприятных условиях, повышают качество очищаемой воды [23].
Высокомолекулярные соединения (ВМС) - наиболее эффективные реагенты для регулирования устойчивости дисперсных систем. Их «гомеопатические» добавки, составляющие десятитысячные, иногда лишь миллионные доли от массы твердой фазы, могут привести к радикальному изменению устойчивости золей, суспензий, эмульсий. При этом один полимер в зависимости от вводимой дозы и способа добавления может вызвать как резкое снижение, так и существенное повышение устойчивости коллоидной системы. Как правило, дестабилизация наблюдается при малых, а стабилизация - при относительно высоких содержаниях ВМС в дисперсии. Благодаря этим уникальным особенностям, а также относительно невысокой стоимости в последнее время резко возросло применение полимеров для решения разнообразных технологических задач и, в первую очередь, для интенсификации разделения фаз в дисперсных системах (ускорения седиментации и фильтрации), улучшения флотационного извлечения частиц после их агрегации, регулирования структуры осадков и почв и т. д [14, 24].
Технико-экономическое сравнение вариантов технологических схем очистки карьерных сточных вод
Определение величины рН исследуемых растворов выполняли потенциометрическим методом на иономере «И-13 0» с автоматической термокомпенсацией. В качестве измерительных электродов использовали стеклянные электроды типа ЭЛС-43-07 и ЭЛС-63-07, предназначенные для преобразования активности ионов водорода (величины рН) водных растворов и пульп в значения электродвижущей силы. Электродом сравнения служил вспомогательный хлорсеребряный электрод ЭВЛ-1МЗ, который подключали к гнезду «ВСП». Eh измеряли тонкослойным платиновым электродом ЭТПЛ.
Сульфат-ионы находили весовым методом в виде малорастворимой соли BaS04. Осаждение проводили из кислого раствора при рН 2 и температуре, близкой к температуре кипения по уравнению реакции:
Прокаливали осадок при температуре 700-800С в течение 40 минут, охлаждали и взвешивали.
Для гравиметрического определения дисперсных примесей их отделяли, фильтруя пробу воды через пористые материалы: бумажные и мембранные фильтры, фильтрующие пластинки.
Метод определения нефтепродуктов основан на экстракции нефтепродуктов из воды одним из неполярных растворителей, отделением углеводородов нефти колоночной хроматографией на оксиде алюминия от полярных соединений примесей воды с последующим спектрофотометрическим определением.
Для электрофоретических измерений была взята мелкодисперсная фракция (d = 1-2 мкм) угольно-породных частиц, полученная отмучиванием суспензий.
Электрофоретическую подвижность частиц измеряли методом микроэлектрофореза в плоской электрофоретической ячейке закрытого типа на стационарных уровнях. Величину электрокинетического потенциала частиц С, из полученных данных о подвижности вычисляли по традиционной формуле Смолуховского [34]:
Оценка эффективности применения реагентов методом пробного коагулирования (флокулирования) проводилась в мерных цилиндрах вместимостью 0,25 л. В цилиндры заливали исследуемый раствор, в каждый из цилиндров добавляли определенный объем раствора флокулянта, соответствующий выбранным дозам реагента. Содержимое цилиндров перемешивали посредством магнитной мешалки в течение 1-3 минут. Время отстаивания составляло 120 минут. После отстаивания отбирали из цилиндров пробы очищенной воды объемом 10 мл, и определяли содержание взвешенных частиц в исследуемой воде. При этом замеряли высоту осветленного слоя воды и высоту осадка в цилиндрах. Кроме того, в ходе исследования определяли скорость оседания образующихся хлопьев [52].
Флокулирующие свойства исследуемого набора седиментационных реагентов оценивали по степени осветления (отношением оптической плотности раствора после отстаивания к исходной оптической плотности, выраженным в процентах) и эффекту осветления (по точке раздела фаз). Остаточные концентрации взвешенных веществ после отстаивания определяли косвенным методом с помощью фотоэлектроколориметрических измерений (измеряли светопропускание (т, %) исследуемой воды и, по заранее построенной калибровочной кривой, определяли содержание в ней взвешенных веществ) и в абсолютных показателях (Свзв, мг/л) гравиметрическим методом [74, 80, 94].
Измерение массовой доли полиакриламида и его сополимеров в водных растворах (от 0,005 до 1,0%) осуществляли титриметрическим методом, основанным на реакции нейтрализации отгоняемого из кипящего щелочного раствора пробы аммиака серной кислотой. Избыток серной кислоты оттитровывали раствором гидроокиси натрия молярной концентрации 0,1 моль/л в присутствии смешанного индикатора. Точку эквивалентности определяли по изменению окраски титруемого раствора из фиолетовой в зеленую.
Метод определения массовой концентрации флокулянта основан на измерении при длине волны 545 нм разности оптических плотностей растворов комплекса флокулянта с эозином и самого эозина в кислой среде при рН=(3,00±0,05). Диапазон измерений массовой концентрации: от 0,2 мг/л до 3,0 мг/л.
Определение концентрации избыточного реагента (коагулянта или флокулянта) в исследуемых системах и фильтратах осуществляли методом флокуляции каолина. Строили калибровочную кривую зависимости времени осаждения от концентрации раствора для исследуемого продукта. Добавляли различные количества перелива или фильтрата, чтобы получить скорости осаждения в соответствующем диапазоне, что позволило рассчитать концентрацию полимера, присутствующего в данном переливе.
Количественный химический анализ представляет собой комплекс экспериментальных операций по определению химического состава. Каждый анализ состоит из ряда последовательных действий (приготовление реактивов, подготовки аппаратуры, калибрование, обработка пробы, выполнение измерения), в ходе выполнения которых неизбежно возникают ошибки. Степень приближения получения результата к истинному значению измеряемой величины называется точностью анализа. Точность характеризуется погрешностью - алгебраической разностью между истинным и измеренным значениями определяемой величины. Погрешность аналитического определения имеет определенную структуру: случайная погрешность (воспроизводимость) и систематическая погрешность (правильность), вызываются определенными факторами. Систематические погрешности могут возникать в результате неверного приготовления стандартного образца, рабочих растворов, неисправности приборов (метрологические характеристики СИ), методических причин, метрологических характеристик, используемых в анализе стеклянных мер вместимости, индивидуальных постоянных особенностей аналитика. Случайные погрешности могут возникать под действием колебаний температуры, освещенности, флуктуации прибора, условий концентрирования проб, особенностей состава проб. Между систематическими и случайными погрешностями при всем их различии нет четкой и однозначной границы. В одних условиях некоторые погрешности могут быть классифицированы как систематические, в других - как случайные.
