Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на сравнительно небольшие объемы сточных вод, сбрасываемых отдельными предприятиями радиоэлектронной и приборостроительной промышленности* в канализацию, затраты на проектирование, строительство и эксплуатацию очистных сооружений, предназначенных для их обезжиривания, сопоставимы, а иногда и превышают затраты на создание основного производства. Это связано со сложностью технологических процессов обработки сточных вод, высокой стоимостью технологического оборудования, отсутствием унифицированных комплектующих изделий, агрегатов и систем водопользования в целом. Суммарный расход сточных вод, сбрасываемых ежегодно предприятиями приборостроения страны составляет от160,9до200млн.м3.
Предприятия приборостроения по характеру технологических процессов и режиму водопользования существенно отличаются от производств других отраслей промышленности. Производства компактны, выпускают большой ассортимент изделий, требуют для технологических целей воду высокого качества, в некоторых случаях деионизированную. Кроме того, основная технология приборостроения имеет высокий уровень гибкости и автоматизации, что требует соответственно разработки автоматизированных технологий очистки промстоков.
Производственные сточные воды приборостроения относятся к одним из наиболее токсичных отходов промышленных предприятий. Они содержат в своем составе различные виды и классы органических примесей (красители, СПАВ), ионы тяжелых металлов, цианиды, кислоты, щелочи, соединения мышьяка, фтора, отходы механической и химической обработки полупроводниковых изделий. Со сточными водами уносится и безвозвратно теряется до 30% используемого в производстве исходного сырья. Вместе с тем, по экспертным оценкам группы специалистов ООН
* В дальнейшем для сокращения будем пользоваться условно-обобщенным названием - приборостроение.
запасы органических и минеральных ресурсов земли близки к истощению. Мировые запасы цинка, свинца, олова, вольфрама истощатся, по их выводам, уже к концу столетия. Несмотря на уникальность территории нашей страны по разнообразию и запасам полезных ископаемых, они в настоящее время близки к истощению.
Технико-экономическая оценка действующих в стране и за рубежом систем очистки промстоков предприятий приборостроения показала, что эффективность очистки не отвечает современным технологическим санитарно-гигиеническим требованиям, в водоемы поступает большое количество токсичных веществ, безвозвратно теряется огромное количество ценного производственного сырья.
Большая роль в развитии теории и практики очистки сточных вод приборостроительной отрасли принадлежит проф. В.В.Найденко, идеи которого во многом определили основные направления диссертационной работы.
Отдельные аспекты проблемы создания систем водопользования приборостроения освещены в трудах ученых С.В.Яковлева, Б.Г.Мишукова, Ю.А.Ильина, В.Г.Пономарева, Ю.А.Феофанова, М.И.Алексеева, Ю.М.Ласкова, В.И.Кучеренко, А.П.Нечаева, Р.Я.Аграноника, В.М.Рогова, Ф.Н.Карелина, Н.С.Серпокрылова, А.Д.Смирнова, В.Д.Гребенюка; процессов фильтрования Р.А.Аюкаева, М.Г.Журбы, Д.М.Минца, Г.И.Николадзе, С.А.Шуберта, А.М.Фоминых и др.
Актуальнейшей проблемой сегодняшнего дня в области очистки сточных вод приборостроения является создание высокоэффективных, надежных, гибких автоматизированных малоотходных и безотходных технологических систем водопользования, обеспечивающих извлечение и утилизацию ценных компонентов сточных вод, исключающих загрязнение окружающей среды.
Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись автором в соответствии с планами важнейших НИР Минвуза РСФСР, Госстроя
РСФСР и СССР в период 1976-1991 г.г., Государственного комитета РФ по высшему образованию по научно-технической программе "Строительство" (1992-1996 г.г.), а также по бюджетным и хозяйственным договорам с научными, проектными организациями и промышленными предприятиями.
Цель работы. Целью диссертационной работы является решение важной народно-хозяйственной задачи, заключающейся в научном обосновании, разработке методов исследований и создании высокоэффективных систем водопользования предприятий приборостроения, исключающих загрязнение водоемов и обеспечивающих высокий уровень извлечения и утилизации ценных компонентов промстоков.
Для достижения поставленной цели в процессе проведения научно-исследовательских работ решены следующие задачи:
- созданы научные основы математического прогнозирования режимов
сброса и колебаний концентраций загрязнений промстоков
приборостроительных производств с разработкой программного обеспечения
для практических расчетов на ЭВМ при проектировании производственных
систем;
выполнен функционально-стоимостной анализ существующих
отечественных и зарубежных систем обезвреживания промстоков предприятий приборостроения;
разработана и практически реализована на ЭВМ математическая модель унификации технологических агшаратов и модулей, предназначенных для очистки производственных сточных вод;
разработаны основы теории создания гибких автоматизированных систем очистки производственных сточных вод с учетом динамики технического перевооружения основных технологических процессов;
созданы и внедрены в производство конструкции напорных фильтров из пористой нержавеющей стали, разработана методика расчета фильтров для условий фильтрования суспензий с полидисперсной твердой фазой;
- б -
разработаны, испытаны и внедрены в производство унифицированные модули ультрафильтрационной регенерации технологических растворов участков обезжиривания гальванических производств;
созданы замкнутые системы обезвреживания мышьяка, оптимизированы пределы применимости каждой системы в зависимости от конкретных условий производства;
разработаны и внедрены в практику модули электрохимической экстракции ионов тяжелых металлов, позволяющие стабилизировать режим покрытия деталей, выделять из технологических растворов цветные металлы, значительно сокращать сброс токсичных загрязнений с промышленными стоками;
создана и внедрена в производство замкнутая система водопользования гальванического цеха, включающая многостадийное обезвреживание реагентами, разделение на фильтрах из пористой нержавеющей стали, умягчение на ионитовых фильтрах, сорбционную очистку от органических загрязнений, обессоливание электродиализом;
- созданы и испытаны замкнутые системы водопользования участков
никелирования, цинкования и хромирования с утилизацией металлов;
созданы и испытаны системы обезвреживания фторсодержаших сточных вод;
теоретически обобщен отечественный и зарубежный опыт в области создания технологий обезвреживания промстоков предприятий приборостроения, что позволило классифицировать методы очистки с учетом эффективности, установить сферу применимости каждого метода, минимизируя затраты.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта, а также результатов собственных исследований в области очистки промстоков предприятий приборостроения, разработаны научные основы оптимального проектирования систем водопользования, при которых структура и
технологическая эффективность каждой стадии и системы в целом обеспечивают выполнение экологических требований к качеству воды с одновременной минимизацией экономических затрат.
Такой подход к решению проблемы позволяет успешно решить ряд важных прикладных задач, а именно:
оптимизировать нагрузку на локальные и общегородские очистные сооружения;
создавать технологические модули-спутники основной технологии, обеспечивающие рациональное использование природных ресурсов и повышающие уровень и надежность управления природоохранной техникой и технологией;
создавать малоотходные и безотходные технологические процессы с замкнутыми системами водопользования.
Созданы математические модели, обеспечивающие прогнозирование режимов сброса и колебаний концентраций загрязнений промстоков приборостроительных производств с разработкой программного обеспечения для практических расчетов на ЭВМ при проектировании систем очистки.
Осуществлен функционально-стоимостной анализ систем водопользования и очистки сточных вод предприятий приборостроения, создающий основы для оптимального проектирования производств, при которых технологическая эффективность отдельных стадий процессов обеспечивает вьшолнение заданных требований к уровню очистки, регенерации, утилизации отходов с одновременной минимизацией затрат.
Разработана методология многоуровневой унификации систем и
сооружений очистки сточных вод на основе декомпозиции на системы, технологические модули, функциональные блоки, элементы функциональных блоков, компоненты блоков. Как показали результаты практической реализации предложенной математической модели унификации, автором впервые решены три важные для практики проектирования задачи:
- є -
определять оптимальные параметрические ряды аппаратов и сооружений водообработки, исходя из потребности отрасли, группы отраслей;
синтезировать аппараты, сооружения и системы очистки сточных вод при автоматизированном проектировании на ЭВМ;
совершенствовать конструкции аппаратов и сооружений.
Разработаны теоретические основы проектирования гибких
автоматизированных систем очистки сточных вод (ГАСОСВ),
функционирование и развитие которых адекватно функционированию и развитию основной технологии промышленного производства. В основу теории создания ГАСОСВ положены принципы оптимизации систем очистки природных и сточных вод, разработанные проф. В.В.Найденко.
Изучены закономерности процесса фильтрования неоднородных жидкостей, содержащих полидисперсные взвеси (кристаллические-несжимаемые; аморфные гидроксидные - сжимаемые), через пористые металлические тонкостенные цилиндрические мембраны. Оценка характера процесса фильтрования осуществлялась по методологии, разработанной В.И.Жужиковым, Т.А.Малиновской для плоских фильтровальных перегородок.
Разработаны методы восстановления фильтрующей способности пористых цилиндрических элементов на основе гидравлических и химических методов с обеспечением автоматического режима управления процессом фильтрования. Созданы математические модели процесса фильтрования неоднородных систем, разработана методика расчета фильтров на основе цилиндрических фильтрующих элементов.
Созданы принципиально новые технологические системы очистки сточных вод предприятий приборостроения, включая гальванические цеха, производства полупроводниковых изделий, металлообрабатывающие производства. Изучен процесс формирования и очистки мышьяк - и фторсодержащих сточных вод на основе разработанных автором принципов унификации и оптимизации систем, обеспечивающих соответствующий основному процессу уровень гибкости.
Созданы высокоэффективные конструкции аппаратов и технологические модули очистки сточных вод - фильтры из пористых металлов, унифицироваиньш ряд ультрафильтрационных модулей на основе трубчатых и волоконных элементов, модули регенерации промывных вод и утилизации ценных компонентов концентрированных стоков операций никелирования, меднения, хромирования, цинкования и др.
Научная новизна разработанных автором решений подтверждена 21 авторским свидетельством на изобретение.
Реализация результатов работы. Результаты научно-
исследовательских и проектно-конструкторских работ использованы проектными организациями: НИПКИ "Терминал", ЛГПИ (Ленинград), ВНИИ ВОДГЕО (Москва), (Киев), Промстройпроект (Пенза), Сантехпроект (Нижний Новгород) и др., промышленными предприятиями: Орбита, "Салют", НИИТОП, ВНИИИС, им.Фрунзе, ГАЗ (Нидашй Новгород), ЗИЛ (Москва), ВАЗ (Тольятти), ПО "Орион" (Киев), завод "Медоборудование" (Пенза), "Автоприбор" (Владимир), заводами г.г. Арзамаса, Чебоксар и др.
Разработанная замкнутая система водопользования гальванического цеха внедрена на заводе "Орбита" (Н.Новгород). Модули доочистки сточных вод, прошедших реагентную обработку внедрены при реконструкции сооружений на заводах НИИТОПа, "Орбита", ВНИИИС, ГНИИРС, им.Фрунзе (Н.Новгород) и др. системы очистки и регенерации обезжиривающих растворов внедрены на ПО "Автоприбор" (Владимир), ПО "Эркон" (Н.Новгород).
Технология очистки сточных вод от производства арсина и механической обработки полупроводников реализована на предприятии ГИ "Салют" (г.Нижний Новгород). Рекомендации по созданшо малоотходных технологических систем водопользования участков обезжиривания, нанесения гальванопокрытий, утилизации металлов из осадков переданы более чем 30 предприятиям отрасли.
Фактический годовой экономический эффект от внедрения разработок, выполненных автором составляет более 30 млрд.руб.
Ожидаемый экономический эффект только от унификации обратноосмотического оборудования в масштабах отрасли составит 800 тыс.руб. (в ценах 1986 года).
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке высокоэффективных замкнутых, безотходных технологических систем водопользования предприятий приборостроения, базирующихся на блочно-модульном принципе их формирования, многоуровневой унификации, построении оптимальных параметрических рядов для серийного производства, функционально-стоимостном анализе и оптимизации технологий водопользования и очистки.
Практическая значимость работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют практически реализовать замкнутые безотходные технологические системы очистки сточных вод, регенерации отработанных растворов и утилизации ценных веществ, организовать серийный выпуск унифицированных гибких автоматизированных модулей и комплексов для приборостроительной отрасли.
Разработаны технологические регламенты на проектирование и строительство локальных прицеховых систем водопользования для: гальванических производств - операций обезжиривания, нанесения покрытий, крашения изделий и др.; процессов эпигаксии, механической и химической обработки полупроводников.
Разработаны рекомендации по созданию общецеховых, заводских комплексных замкнутых систем очистки на основе реагентньк методов, ионного обмена, электродиализа, фильтрационных мембран и др.
На основе параметрических рядов разработана проектно-конструкторская документация на ультрафильтрационные и электроэкстракционные модули регенерации растворов и утилизации металлов, фильтрационные модули доочистки сточных вод, прошедших стадию реагенгной очистки.
Разработаны алгоритмы и программы расчета на ЭВМ концентрации загрязнений в ваннах промывки, определений оптимального параметрического
- II -
ряда технологического оборудования, характера и режима фильтрования через пористые тонкостенные перегородки.
Разработаны рекомендации по проведению многоуровневой унификации аппаратов и систем очистки сточных вод.
Результаты исследований используются научными и проектными организациями, а также службами эксплуатащш соответствующих систем очистки.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, рассмотрены и обсуждены на научных конференциях НАСА (1976-199бг.г.), ЛИСИ (1976, 1983, 1986г.г.), Всесоюзных научно-технических конференциях (г.Харьков, 1986г.), Тбилиси (1987г.), Всесоюзном научно-практическом семинаре (г.Ровно, 1986г.), УП Всесоюзном симпозиуме (г.Таллин, 1985г.), Втором международном симпозиуме (НРБ, 1989г.), расширенном заседании Бюро НТС Госстроя СССР (г.Москва, 1989г.), научно-технических конференциях (г.Куйбышев, 1982, 198бг.г.), Ростов-на-Дону (1987г.), Пенза (1988г.), Иркутск (1975г.), НИПКИ "Терминал" (г.Ленинград, 1980, 1984, 1985г.г.), ЛГПИ (г.Ленинград, 1988г.), Сантехпроект (1987, 1988г.г.), Промстройпроект (г.Нижний Новгород, 1986г.), Минэкологии Чувашской АР (1992-1996г.г.)идр.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 140 научных работах, получено 21 авторское свидетельство на изобретения.
Структура И объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, содержит 296 страниц машинописного текста, 146 рисунков, 33 таблицы, 8 приложений. Список литературы включает 297 работ.