Модульный принцип построения гибких замкнутых водоочистных систем для промышленных предприятий в бассейне озера Байкал Хантургаев, Герман Анатольевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Современное состояние промышленного производства, а также постепенное увеличение водопотребления на хозяйственно-питьевые нужды населения вызывают необходимость решения проблемы отрицательного воздействия человеческой деятельности на окружающую среду, в том числе защиты водоемов от загрязнения сточными водами.

До сих пор большинство промышленных предприятий решают проблему очистки сточных вод с использованием классических схем - механической и биохимической очистки. Для предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, основного органического синтеза, производства лаков, красок, пластмасс, пестицидов характерно использование традиционных способов очистки сточных вод, включающих механическую, биохимическую, химическую или реагентную очистку.

Указанные способы очистки сточных вод имеют ряд существенных недостатков, одним из которых является сложность перенастройки очистных сооружений при изменении номенклатуры выпускаемой продукции и мощности производства, а также в случае перепрофилирования.

Как показывает мировой опыт переналадка классических схем очистки связана с большими сложностями и капитальными затратами, а перепрофилирование предприятия, использующего традиционные способы очистки - процесс длительный. Вместе с тем, производства должны быть экологически чистыми и ресурсосберегающими. Отсюда следует необходимость по новому решать задачи технологических процессов очистки сточных вод с учетом изменения характера производства на базе быстро перенастраиваемых технологических схем и оборудования.

Актуальным и перспективным направлением технического перевооружения является разработка'модульного принципа создания гибких автоматизированных замкнутых систем переменной структуры с использованием в качестве элементной базы специализированных модулей и блоков.

Работа выполнялась в рамках постановлений Правительства РФ п Республики Бурятия по охране и рациональному использованию природных ресурсов бассейна озера Байкал - региона, где действует режим особого природопользования.

Цель работы. Разработка научно-обоснованных технических и технологических решений построения гибких замкнутых водоочистных систем переменной структуры для промышленных предприятий с использованием системного анализа и новой блочно-модульной техники, внедрение которых учитывает специфические особенности технологии промышленного предприятия и позволяет по новому решить проблему очистки сточных вод.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

-реализация системного подхода к организации и функционированию замкнутых, систем водоочистки;

разработка гибких, много вариантных систем очистки сточных вод;

создание автоматизированных систем контроля и управления качеством сточных вод;

разработка модульного принципа построения аппаратурно-технологических систем очистки сточных вод;

реализация модульного принципа создания систем водоочистки для промышленных предприятий в бассейне озера Байкал.

Научная новизна.

1. Принципиальной методологической и концептуальной новизной работы является выдвигаемое положение о том, что организационные, технические и технологические мероприятия по созданию современных водоочистных систем строятся на основе совмещения 'и взаимного дополнения пяти основных фундаментальных принципов: 1) принципа замкнутости; 2) принципа гибкости и многовариантности; 3) принципа управляемости; 4) принципа модульности; 5) принципа эколого-экономической эффективности природно-промышленных систем.

2. Замкнутость водоочистной системы является основополагающим принципом современной концепции в организации водообеспечения промышленных предприятий. Реализация данного принципа основывается на анализе поэлементного сосгава схем водоочистки, связей между типовыми элементами, синтезе оптимальных схем с помощью машинного моделирования и вычислительного эксперимента, на разработке специальных приемов и методов физико-механико-химического воздействия на обрабатываемую среду в замкнутом водообороте'.

3. Введено понятие гибкой системы очистки сточных вод (ГСОСВ) и разработана стратегия синтеза гибких, многовариантных, перенастраиваемых схем водоочистки промышленных предприятий на базе систематизации и формализации свойств обрабатываемых сред; физико-механико-химических воздействий, применяемых при водоочистке; типовых стандартных элементов очистного оборудования; типов функциональных аппаратов для описания аппаратурных модулей водоочистных систем; требований к многофункциональности и эколого-экономической эффективности проектируемых водоочистных установок.

Применительно к бассейну озера' Байкал обоснована организация многоступенчатой замкнутой водоочистной системы в виде следующей последовательности стадий очистки: 1) реагентная обработка - первая ступень кондиционирования воды, обеспечивающая осаждение примесей; 2) грубая очистка - многослойная фильтрация на керамзите, перлите, минеральной вате и т.п.; 3) микрофильтрация - реализация на спецоборудовании; 4) обессоливание - реализация на спецоборудовании; 5) дистилляция -

реализация на спецоборудовании;'6) биохимическая очистка - реализация на спецоборудовании.

4. Многовариантная гибкая система оборотного водообеспечения промышленного предприятия проектируется и функционирует совместно с локальными и глобальными системами контроля, автоматизации и управления, совокупность которых образует автоматизированную систему управления сточными водами (АСУ СВ) с многоуровневой иерархической структурой. АСУ СВ интегрирована в автоматизированную систему управления предприятием (АСУП) и функционирует совместно с ней.

5. Выдвинута и обоснована концепция аппаратурно-технологической модульности к созданию и организации водоочистных систем: структура сложной системы очистки воды допускает декомпозицию на отдельные, относительно самостоятельные и независимые подсистемы (структурные модули), функционирующие автономно в рамках единой системы, координирующей функции составляющих структурных модулей. Модуль водоочистной системы - это компактная, как правило; малогабаритная и мобильная водоочистная установка, полностью оснащённая КИПом, автоматикой, локальными системами регулирования, управления, а также каналами связи с верхним уровнем управления системой (центральной диспетчерской и ВЦ). Принцип модульности обеспечивает возможность независимой разработки аппаратуры и оптимизации технологических режимов отдельных подсистем, входящих в общую сложную водоочистную систему. При этом значительно сокращаются затраты времени и труда на разработку аппаратурно-технологического оформления системы очистки, ее моделирование и оптимизацию, используя процедуру агрегирования модулей в единую систему.

6. Компактность и малогабаритность модулей обеспечивается путем создания принципиально новых очистных установок. Высокая производи- " тельность и низкая материалоемкость достигается за счет перехода от статических к динамическим режимам очистки. До сих пор существующие очистные установки, например, такие как микрофильтрация, ультрафильтрация, обессоливание с использованием мембран, а также вакуумно-испарительные установки основывались на статическом принципе действия и не обеспечивали выдвигаемых требований к производительности и материалоемкости. Положив в основу создания новых конструкции очистных модулей динамических подход, автором созданы высокоэффективные аппараты, например, установки микрофильтрации, ультрафильтрации, обессоливания на вращающихся мембранных элементах; установки дистилляции на вращающихся роторно-дисковых вакуумных испарителях и др. Динамический принцип действия, реализуемый в конструкциях водоочистных установок, позволяет избежать отложений на поверхности фильтрующих элементов, их закупорки и резко увеличить скорость фильт-

_4-

рования, а в случае установок дистилляции - резко увеличить скорость массоотдачи.

7. Выдвинут принцип эколого-экономической эффективности водоочистной системы, состоящий в том, что глобальный критерий оптимизации системы "предприятие - очистное сооружение" носит эколого-экономический характер и является универсальным показателем, который характеризует эффективность производства с двух сторон - экономики и экологии. Удовлетворяя требованиям экономики и экологии, данный критерий полностью согласуется с критерием народнохозяйственной эффективности. Он может быть выражен либо как максимизация эколого-экономической эффективности, либо как минимизация приведенных эко-лого-экономических затрат.

8. Теоретические обобщения разработанной методики построения гибких замкнутых водоочистных систем переменной структуры легли в основу создания замкнутых технологических схем очистки сточных вод промышленных предприятий в бассейне озера Байкал и конструирования новых очистных модулей.

Практическая значимость.

1. Разработаны новые конструкции водоочистных модулей и приемы гидродинамического воздействия на обрабатываемые среды для снижения концентрационной поляризации мембран при проведении процессов микрофильтрации, ультрафильтрации и гиперфильтрации.

2. Создана проектная документация, изготовлены промышленные образцы аппаратов по следующим видам блочно-модульного оборудования: блок для очистки красильных сточных вод, состоящий из обратноос-мотических рулонных элементов ЭР-450, блок с полупромышленной установкой кассетного типа с рулонными мембранными элементами ЭРР-800, блок с ульграфильтрационным модулем с вращающейся мембраной для очистки маслоэмульсионных. сточных вод, блок с микрофильтрацией и ультрафильтрацией для очистки сточных вод от синтетических поверхностно-активных веществ, блок с роторно-вакуумным пленочным испарителем.

Роторно-пленочный вакуумный испаритель ' изготовлен на Улан-Удэнском авиационном заводе, микрофильтр с вращающимися мембранными элементами изготовлен на Тамбовском заводе химического машиностроения (Комсомолец).

3. Решена проблема утилизации твердых отходов и активного ила
Селенгинского целлкжозно-картонного' комбината,коммунального хозяй
ства г. Улан-Удэ и свинокомплекса с последующим использованием их в
народном хозяйстве. Термическая обработка (сушка) активного ила про
изводится в аппаратах кипящего слоя на инертных телах, с осадками пер
вичных отстойников и коагулянтами.

4. Разработан и внедрен ряд гибких замкнутых водоочистных техно
логических комплексов различной структуры. Так, в ПО"Бурятхимчистка"
внедрен комплекс для очистки красильных сточных вод, состоящий из мо
дулей с мембранами МГА-95. Там же создан комплекс для очистки сточ
ных вод от синтетических поверхностно-активных веществ и внедрен
опытный образец разработанного микрофильтра.

На МП "Механик" при Улан-Удэнском моторном заводе внедрена конструкция ультрафильтрационного модуля с вращающейся мембраной для очистки маслоэмульсионных сточных вод.

На Селенгинском ЦКК проведены полупромышленные испытания ультрафнльтрационного комплекса для создания системы замкнутого во-дооборота для обессоливания реальных сточных вод.

Предложен новый эффективный способ обогащения минерального сырья, основанный на использовании металлокерамических полупроницаемых мембран для концентрирования, разделения и извлечения металлов из технологических растворов.

5. На базе головных образцов аппаратов проектным институтом Бу-
рятагропромпроект разработан для кожевенно-'меховых предприятий
г.Улан-Удэ, г.Благовещенск, г.Дархан (Монголия) проект создания замк
нутого цикла водооборота при очистке сточных вод. По проектным доку
ментам строятся очистные сооружения в г.Улан-Удэ мощностью от 60 до
120 и от 600 до 1000 м³/супси.

Разработана проектно-сметная документация для очистных сооружений Благовещенского мясокомбината.

Разработаны проекты для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов и банно-прачечных хозяйств.

6. Технология многослойной фильтрации по патенту № 1303175 передана 15 организациям бывшего СССР.

7. Результаты аналитических н экспериментальных исследований включены в учебное пособие и методические разработки для лабораторных работ и практических занятий в ВУЗах.

8. Разработанные аппараты и модули используются в пищевой промышленности и производстве растительных масел (совхоз "Облепиховый", Республика Бурятия).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на всесоюзной научной конференции "Современное состояние и проблема очистки промышленных и бытовых сточных вод в бассейне озера Байкал" (Улан-Удэ, 1978 г.), Республиканской конференции "Внедрение новой техники и передовой технологии на основе содружества предприятий и институтов Республики" (Улан-Удэ, 1981 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Эффективность безотходной технологии в молочной промышленности" (Ставрополь, 1983 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Теория и оборудование для

-.-6 -

селективного разделения жидких сред с использованием полунепроницаемых мембран" (Москва, 1983 г.), Всесоюзной научной конференции "Повышение эффективности технологии, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Харьков, 1985 г.), Республиканской научно-практической конференции "Научно-технический прогресс проблемы окружающей среды в бассейне озера Байкал" (Улан-Удэ, 1987 г.), первой Всесоюзной школе-симпозиуме молодых ученых и специалистов "Мембранные процессы разделения жидких смесей" (Юрмала, 1989 г.), научной конференции "Исследования в области химии, физики, информатики" (Улан-Удэ, 1989 г.), Всесоюзном научно-практическом семинаре-школе "Мембранная технология в решении экологических проблем" (Улан-Удэ, 1990 г.), 4-ой Московской конференции молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 1991 г.), секции "Процессы и аппараты химической технологии очистки промышленных сточных вод" научно-технического совета ВНИИБ ВЙПО Бумпрома (Ленинград, 1981-84 гг.), научно-техническом совете по программе "Сибирский лес" (Красноярск, КГТА, 1971-92 гг.), научно-технических конференциях ВСГТУ (Улан-Удэ, 1974-96 гг.), экспертном совете Госкомэкологии Республики Бурятия (Улан-Удэ, 1991-95 гг.), научно-практической конференции "Проблемы химико-лесного комплекса" (Красноярск, 1993), Международной конференции "Экологически чистые технологически процессы в решении проблем охраны окружающей среды" (Иркутск, 199бг), Международной научно-практической конференции "Человек. Среда. Вселенная" (Иркутск, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 90 печатных работ, в том числе 20 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, заключительных выводов, списка используемых литературных источников. Общий объем работы составляет 317 страниц машинописного текста, 86 рисунков, 48 таблиц и 161 наименования литературных ссылок.