Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Совершенствование системного экологического мониторинга сточных вод гальванических производств

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование системного экологического мониторинга сточных вод гальванических производств"

На правах рукописи

СЮЛИН Павел Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза - 2014

005559087

005559087

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» на кафедре «Автоматизация и управление».

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Прошин Иван Александрович.

Официальные оппоненты:

Перелыгин Юрий Петрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Химия»; Плохое Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет имени P.E. Алексеева», профессор кафедры «Нанотехнологии и биотехнологии».

Ведущая организация -

ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова», г. Белгород.

Защита состоится 24 декабря 2014 г., в 15 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 за базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» и на сайте www.penzgtu.ru.

Автореферат разослан 30 октября 2014 г.

Ученый секретарь ^ЛйО^^/7^-—

диссертационного совета tf&jr'l Корост елева Анна Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отличительная особенность антропогенного воздействия на окружающую среду гальванических производств состоит в значительном многообразии как источников загрязнения, так и загрязняющих веществ, характеризующихся высокой токсичностью и представляющих значительную экологическую опасность. Это существенно осложняет проведение мониторинга, анализа, контроля и управления природно-техническими системами с гальваническими производствами.

Интенсивное развитие химической и нефтехимической промышленности, расширение объемов гальванических производств, возрастающее количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и природные водоёмы приводит к противоречиям между усиливающимся загрязнением окружающей среды и существующими технологиями производства, информационными возможностями имеющихся систем мониторинга и контроля, методами исследования и проектирования, обуславливают необходимость их постоянного развития и совершенствования.

Перечисленные противоречия и проблемы обуславливают постановку и решение научной задачи - совершенствования и разработки методов оценивания экологического состояния окружающей среды и сточных вод, обеспечивающих повышение эффективности научных исследований технологических систем гальванических производств, системного экологического мониторинга и управления экологической безопасностью электрохимических производств.

Цель исследования - совершенствование методов системного экологического мониторинга, обеспечивающих достоверность и сопоставимость данных наблюдений о состоянии сточных вод гальванических производств и повышающих результативность комплексного оценивания и исследования технологий их очистки.

Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи.

1. Провести комплексный анализ методов оценивания, прогнозирования и исследования состояний сточных вод гальванических производств и технологий их очистки.

2. Произвести выбор принципов, разработку механизмов и обобщённой структуры, проведение системного экологического мониторинга сточных вод гальванических производств.

3. Разработать методы, математические модели и методику синтеза индикаторов экологического состояния объектов гальванических производств.

4. Создать методику исследования, провести исследования и оценить экологическое состояние сточных вод гальванических производств.

5. Разработать практические рекомендации по применению созданной системы индикаторов и методик оценки экологического состояния технологических систем гальванических производств.

Объект исследований - сточные воды гальванических производств и технологии их очистки.

Предмет исследования - принципы и механизмы системного экологического мониторинга, методы экологических исследований технологических процессов очистки сточных вод гальванических производств.

Методы исследования - принципы системного анализа сложных многокомпонентных систем, лабораторные и производственные методы химического анализа состава сточных вод, методы математического и имитационного моделирования, статистического анализа.

Научная новизна результатов исследования,

1. Проведено обобщение принципов и разработаны метод и структура системного экологического мониторинга, отличающиеся тем, что результаты наблюдений об экологическом состоянии разнородных компонент преобразуют в единую область значений, обеспечивающие достоверность и сопоставимость оценок экологических состояний сточных вод гальванических производств.

2. Разработан метод синтеза экологических показателей, состоящий в выборе общих и элиминации специфических свойств, формировании целостной генеральной совокупности признаков и единицы анализа экосистемы, позволяющий формировать системы сопоставимых индикаторов оценки разнородных компонент сточных вод гальванических производств.

3. Введён индикатор экологического состояния, получены математические модели, обеспечивающие его вычисление для систем, показатели которых заданы наибольшими и наименьшими предельно-допустимыми значениями, а также диапазоном минимально и максимально предельно-допустимых значений, позволяющие повысить результативность мониторинга, оценить качество и экологический риск гальванических производств в единой области состояний.

4. Введен компонентный портрет экологического качества природно-технических систем и разработана методика его построения, обеспечивающие оценку результатов наблюдений о свойствах сточных вод гальванических производств и окружающей среды в пространстве идеальных и предельно-допустимых экологических состояний.

5. Разработана методика исследования технологий очистки сточных вод гальванических производств, основанная на анализе и ранжировании результатов наблюдений по группам допустимых значений, определении индикаторов и построении многокомпонентных портретов экологических состояний природно-технических систем, обеспечивающая повышение результативности, расширение возможностей мониторинга и прогнозирования экологического риска, научных исследований и проектирования технологических систем гальванических производств.

Практическая значимость результатов исследования.

1. На основе разработанной системы индикаторов, методов и методик проведены исследования технологий очистки и дана оценка состояний сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод», ОАО «Пензенское производственное объединение электронной вычислительной техники» (г. Пенза), показавшие достоверность и сопоставимость введённой системы оценок индикаторов и эффективность применения разработанных методов и методик.

2. Разработанная система индикаторов учитывает разнородность объектов и обеспечивает оценку их степени экологической безопасности и риска в единой области значений с наглядным представлением результатов наблюдений и прогнозов в виде многокомпонентных портретов, что позволяет рекомендовать её для практического использования в системах экологического мониторинга и прогнозирования экологических состояний, при разработке технологий переработки отходов и очистки сточных вод гальванических производств.

3. Практическое использование введённых экологических индикаторов и компонентного портрета состояний, разработанных методов и методик при проведении исследований сточных вод подтверждает адекватность разработанных методов и свидетельствует об их высокой эффективности.

Внедрение результатов работы.

Разработанные комплекс показателей и методика оценки экологической безопасности, система экологического мониторинга внедрены при создании АСУТП объектов водоотведения в ООО «Научно-производственная фирма «КРУГ», при выполнении НИР «Разработка критериев экологической безопасности промышленных объектов» №45/05-05-13 от 07.06.2013 г. и в учебном процессе кафедры «Автоматизация и управление» Пензенского государственного технологического университета.

Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов подтверждается данными экспериментальных исследований и моделирования, сопоставимостью с результатами исследований других авторов, внедрением на промышленных предприятиях, апробацией на международных научных конференциях.

Личный вклад автора состоит в проведении физических и вычислительных экспериментов, в разработке и проверке адекватности математических моделей, обработке по разработанным методикам экспериментальных данных, в анализе и обобщении полученных результатов.

На защиту выносятся.

1. Метод и структура экологического мониторинга, состоящие в оценивании разнородных элементов природно-технических систем с гальваническими производствами в едином пространстве экологических состояний.

2. Метод и методика синтеза индикаторов экологического состояния сточных вод гальванических производств и окружающей среды, основанные на принципах экологической генерализации.

3. Комплекс индикаторов и математических моделей экологического состояния окружающей среды и технологических систем гальванических производств в единой области экологических состояний.

4. Компонентный портрет экологических состояний и методика его построения, обеспечивающие оценку состояния окружающей среды и технологических систем гальванических производств в пространстве идеальных и предельно-допустимых экологических состояний.

5. Методика исследования, основанная на разработанных методах, экологических индикаторах, математических моделях и компонентных портретах экологических состояний, обеспечивающая повышение эффективности

проектирования технологических систем и исследования влияния абиотических факторов технологических процессов гальванических производств на окружающую среду.

6. Результаты исследования технологий очистки и мониторинга сточных вод гальванических производств в пространстве экологических состояний, подтверждающие адекватность введённой системы индикаторов и результативность применения разработанных методов и методик исследования и проектирования технологических систем гальванических производств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на научно-технической конференции с международным участием «Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении» (Самара, 2012), IX Международной научно-практической конференции «Проблемы современной биологии» (Москва, 2013), III Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное общество, образование и наука» (Тамбов, 2013), III Международной конференции «Science and Education» (Germany, Munich, 2013), XXII Всероссийской научно-практической конференции «Образование, наука, технологии» (Майкоп, 2013), Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития технических наук» (Уфа, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, включая 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Содержит 186 страниц машинописного текста, в том числе 51 рисунок и 21 таблицу. Библиографический список включает 234 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведены комплексный анализ и систематизация методов исследования сточных вод гальванических производств и окружающей среды. Приведена структура экологического мониторинга, отражающая совокупность действий по решению задач наблюдения, оценки и прогноза состояния гальванических производств с целью выделения антропогенной составляющей изменений окружающей среды на фоне природных процессов.

Сформулированы и обоснованы основные требования, предъявляемые к показателям экологического состояния технологических систем гальванических производств и окружающей среды, важнейшее из которых - единство разнородных показателей и возможность оценки экологического совершенства

многокомпонентных объектов прнродно-техннческих систем с гальваническими производствами в единой области значений.

Проведенный анализ существующих показателей, индикаторов и индексов оценки экологического состояния показал, что, несмотря на значительное их разнообразие, отсутствует единая система показателей для разнородных многокомпонентных экосистем, отражающая экологическое состояние сточных вод и технологических систем гальванических производств, окружающей среды в едином пространстве состояний. По результатам анализа проведено обоснование цели и задач исследования.

Второй раздел направлен на обобщение принципов и механизмов экологического мониторинга, разработку методов оценивания состояний сточных вод гальванических производств, создание методов и методик системных экологических исследований окружающей среды и технологических систем гальванических производств.

Выбор и обоснование метода оценивания и прогнозирования состояния сточных вод гальванических производств проведены на основе процедуры, включающей в себя выбор общего принципа (единства, целостности и совершенства), оценки на его основе отличительных (разнородность объектов и показателей) и объединяющих (три группы нормирования показателей) признаков, выбор единицы анализа (фоновые значения (ФЗ), предельно-допустимые концентрации (ПДК), разность между фоновыми значениями и ПДК), элиминацию отличительных признаков (преобразование всех показателей в единую область значений) с образованием генеральной совокупности в виде единой системы математических моделей для трёх групп показателей, трансформирующих исходные показатели в единую область пространства.

Оценка и прогнозирование состояний сточных вод гальванических производств проводятся в контексте выбранной генеральной совокупности с концентрацией всех показателей в целостную систему индикаторов и индексов.

Разработанный метод оценивания экологического состояния сточных вод гальванических производств состоит в распределении всех показателей, независимо от отражаемых ими свойств, по способу нормирования на три группы с заданием их наибольших, наименьших и диапазона допустимых значений. Значения показателей каждой группы подвергаются преобразованию в единую область пространства состояний, отражающую степень экологического совершенства сточных вод гальванических производств и однозначно определяющую состояние исследуемого объекта относительно идеальной системы, характеризуемой индикатором экологических состояний (ИЭС) - коэффициентом степени совершенства, равным единице.

По результатам анализа различных технологических процессов и моделей показателей качества объектов экологического исследования примем за основу построения математических моделей показателей и технологических систем гальванических производств следующие шесть видов преобразования координат: прямо пропорциональное X =х, обратно пропорциональное X = 1/х, логарифмическое Х=1пл, экспоненциальное Х-ех, полиномиальное Х=хп

и нахождения абсолютной величины X =|*|. При однократном преобразовании двух переменных с использованием приведенных шести видов преобразования координат, взятых в качестве основных, можно синтезировать набор из 36-ти линейно независимых функций.

Основной результат раздела - обоснование принципов и механизмов системного экологического мониторинга окружающей среды и технологических систем гальванических производств, разработанный метод синтеза индикаторов экологических состояний, обеспечивающий трансформацию разрозненных показателей природно-технических систем в единую область значений, целостность системы показателей для разнородных компонент объектов экологического прогнозирования и построение прогнозирующих моделей состояния с использованием выбранных видов преобразования координат, методика системной организации научных исследований технологий очистки сточных вод гальванических производств.

Третий раздел посвящен разработке системы математических моделей и методики оценивания, исследования и прогнозирования в пространстве экологических состояний природно-технических систем с гальваническими производствами.

Пусть экологическое состояние сточных вод гальванических производств задано множеством разнотипных показателей х,-, / = 1,л, среди которых выделим группы показателей, задаваемые тремя областями значений: предельно-допустимыми значениями хпд , ограничивающими их наибольшие значения

XI <хпд, д,-е [0, с( ]; предельно-допустимыми значениями хпД , ограничивающими их наименьшие значения х1 > хп д , х{е [с,-, х0( ], где Лд,- - предпочтительное значение показателя; предельно-допустимыми значениями, ограничивающими их наименьшие и наибольшие значения хт(п < х1 < д:тах, х{ е [а,-, ¿>(].

Введём для оценки экологических состояний относительные безразмерные величины г|(-, определяющие степень экологического запаса исследуемого объекта относительно нормативного значения хп д по каждому (' -му показателю:

п.=£С13. = 1_^ = 1_5.. (1)

с, с,-

Примем за максимальный относительный запас экологической безопасности значение показателя, равное единице: =1, соответствующее экологически идеальной системе. Тогда (1) определяет модель индикатора экологических состояний первой группы.

Введём индикатор экологических состояний как меру запаса экологической безопасности системы. Его значение определяет уровень запаса экологической безопасности относительно нормативного значения заданного компонента и идеальной экосистемы, для которой т|(=1.

Сформулируем задачу, решаемую в третьем разделе. Задано множество показателей X разнородных групп. Требуется разработать и обосновать: математические модели зависимостей г|=р(х); математические модели зависимостей Х=Р '(п); систему отображения информации об экологических состояниях объекта. Полученные математические модели приведены на рисунке 1.

Коэффициент экологической безопасности

3,-<1

8,- е [0,1]

0 < 5,- < 1 80; = —~ е [0,1]

_, 1(8,-50,)-(1-250,.)|(8,.-50,.)|| 5 И

8;>1

5, е[1,оо], 80

П/

_ (8; ~ 2 + 80,-) -|8,- -50,| 8.=а

2(80,-1)

5;>1

8,е[1,°°], у.

ч ^ * 1 Г.

8; >1

8,-б[1,Н

^-Ц.-^-!) 5 = —

" ' с,

10 V/

"ОЭБ 8,-

Рисунок 1 - Система моделей оценивания экологического состояния природно-технических систем с гальваническими производствами

Разработанная система моделей t\=f(x) обеспечивает решение задач исследования сточных вод и технологических систем гальванических производств, мониторинга, прогнозирования, эколого-экономического анализа, контроля и управления природно-техническими системами с гальваническими производствами в едином пространстве экологических состояний. Построена

система моделей обратных зависимостей X=Fr' (г|).

С целью повышения эффективности оценивания и исследования рассматриваемых объектов разработан компонентный портрет экологических состояний, представляющий собой графическую систему координатных осей, на каждой из которых отображаются значения индикатора экологических состояний соответствующих компонент с выделением областей экологической безопасности - областей неотрицательных значений индикатора состояний, и областей экологической опасности - областей его отрицательных значений.

Выделены характерные области значений для рассматриваемых групп показателей и проведена проверка адекватности разработанных моделей для множества возможных сочетаний X .

Разработана методика оценки экологического состояния природно-технических систем с гальваническими производствами, которая включает следующие этапы.

¡.Анализ показателей, характеризующих экологическое состояние системы, выбор нормативных значений этих показателей, распределение показателей на группы по виду задания предельно-допустимых значений.

2. Выбор и объединение в группу показателей с предельно-допустимыми значениями хп д , ограничивающими их наибольшие значения л,- < хп д ,

Xjе [0,с,]. Вычисление коэффициента экологической безопасности г|(- по каждому показателю группы

_ хп.д. ~ xi _ Cj ~Xj __ . Xj 'Ii 1

-*-п.д. ci ci

или в относительных величинах

где 5,=*(/хп.д. = xjci - относительная величина /-й компоненты в исследуемом объекте.

3. Выбор и объединение в группу показателей с предельно-допустимыми значениями хп д , ограничивающими их наименьшие и наибольшие значения

■*imn — xi — -'•max >

xi^[ahbi\- Вычисление коэффициента экологической безопасности т|,- по каждому показателю группы Ь; -а;

п,=1-

~ai){bi ~Xqi)

или в относительных величинах

(Xi - х0:) ' , Х°'-L\xi - x0i I

1(5/-5o;H1-25q,)|(S,.-5q,.)|| 280/(1-80,)

где 5/--!-L, —— - относительные величины /-й компоненты и её

А/-а,- 6,-а,-

предпочтительного значения.

4. Выбор и объединение в группу показателей с предельно-допустимыми значениями хпа , ограничивающими их наименьшие значения xi>xna=ci,

xi6 [CI> -^max ] c предпочтительным значением di или у,- =Г|( |Х =0 . Вычисление коэффициента экологической безопасности г)г- по каждому показателю группы {xl-2cl+di)-\xl-dl\ _ (yf -Xj -(у,- +1)с,)+|у,- -х, ~(у, -1)с,1

2(d,-c,) Ц-

или в относительных величинах

|(^-5о,)-(1-280;)|(8,.-80,.)11 (¥,.-5,.-(у,.+1)) + [у,..5,.-(у,.-1)| 260/(1-50,.) 2 '

г. Xj Xj d: (I:

где Oj=-= — и б0/=-=--относительные величины г'-й компоненты и

•"■п.д. ci хч.д. ci

её предпочтительного значения.

При использовании в моделях экспоненциальной функции индикатор экологических состояний вычисляют по формуле

или в относительных величинах

^-е-ЧИ'.Хб,-!).

5. На основе найденных значений т], вычисление индикаторов экологического качества и риска:

Xi =ец'~1, Щ=\-ец>~1.

6. Ранжирование и выделение критичных по минимуму запаса экологической безопасности показателей (отрицательные и наименьшие положительные значения индикатора экологических состояний). Формирование вектора экологических состояний многомерной системы ri = [гц ц2 ... t],,]1.

7. Вычисление и формирование вектора необходимой степени повышения экологической безопасности Е экосистемы

Ё = [е, е2 ... е„]Т, каждую составляющую которого вычисляют по формуле

4,-1

и

8. Вычисление усреднённых и интегральных оценок индикаторов экологических состояний.

9. Построение компонентного портрета экологических состояний многомерной системы в пространстве вектора экологических состояний

т^ = ["П1 »12 ••• Лл]Т и вектора необходимой степени повышения экологической

безопасности Е = [б! е2 ... £„]Т-

10. Комплексный анализ степени экологического совершенства системы по векторам и компонентным портретам экологических состояний и необходимой степени повышения экологической безопасности по усреднённым индикаторам экологических состояний.

Применение разработанных принципов к известному индикатору с квадратичной функцией преобразования координат для оценки результатов наблюдений с интервальным заданием нормативных значений х1 е [я,, ¿>,]

позволяет получить модифицированный индикатор, обеспечивающий оценку свойств исследуемого объекта относительно идеальной системы в области пространства (-оо,1] соответственно в абсолютных и относительных величинах

{Ь1~аП

сопоставимый с оценками для показателей, задаваемых другими способами.

Таким образом, главный результат третьего раздела - разработанные математические модели индикаторов экологических состояний, методики построения компонентных портретов и оценки экологических состояний сточных вод и технологических систем гальванических производств - представляет собой математико-методологическую основу разработанного во втором разделе механизма системного экологического мониторинга, проведения научных исследований природно-технических систем с гальваническими производствами в пространстве экологических состояний.

Четвёртый раздел отражает результаты исследования и оценки на основе разработанных во втором и третьем разделах диссертации методов, моделей и методик в пространстве экологических состояний сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод», ОАО «Пензенское производственное объединение электронной вычислительной техники» (г. Пенза).

Результаты расчёта согласно разработанной методике экологического состояния сточных вод ОАО «Радиозавод» представлены в таблице 1 и наглядно отображены на рисунке 2 в виде компонентных портретов экологических состояний и необходимой степени очистки (НСО).

Внутренняя область компонентного портрета (область экологической опасности) охватывает отрицательные значения индикатора состояний, к которым относятся с первого по четвёртый компоненты: медь (т|2=-5,4;

Е02 =0,844), никель (г)3=-0,47; Е03 = 0,32), цинк (т]4=-0,34; Е04 = 0,254) и натрий (г]ц =-0,278; Е0ц =0,218). Для этих компонент определены значения необходимой степени очистки, отражённые на компонентном портрете (рисунок 2, б).

Таблица I - Индикатор экологических состояний и необходимая степень очистки сточных вод (ОАО «Радиозавод»)___

№ Наименование показателей Методика ПНД Ф Утвержденные нормативы Единица измерения ОАО «Ра (Отбор п щиозавод» роб № 939)

Результаты аиализа ИЭС НСО

1 Медь 14.1:2:4.214-06 0,006 мг/дм3 0,0384±0,0077 -5,4 0,844

2 Никель 14.1:2:4.214-06 0,010 мг/дм3 0,0147+0,0044 -0,47 0,32

3 Цинк 14.1:2:4.214-06 0,03 мг/дм~' 0,0402±0,0080 -0,34 0,254

4 Натрий 14.1:2:4.138-98 50 иг/дм3 63,9+9,6 -0,278 0,218

5 Свинец 14.1:2:4.214-06 0,006 мг/дм3 <0,004 0,333 0,667

6 Железо общее 14.1:2:4.50-96 0,3 мг/дм3 0,190+0,034 0,367 0,633

7 Кальций 14.1:2.95-97 180 мг/дмл 100±11 0,444 0,556

8 Кобальт 14.1:2:4.214-06 0,01 мг/дм"' < 0,005 0,5 0,5

У Калий 14.1:2:4.138-98 50 мг/дм'1 8,5+1,0 0,83 0,17

10 Хром 14.1:2:4.52-96 0,07 мг/дм"' <0,01 0.857 0,143

11 Марганец 14.1:2:4.214-06 0,08 мг/дм" 0,0074±0,0031 0,907 0,93

Наиболее критичной по степени экологической безопасности сточных вод ОАО «Радиозавод» является первая компонента - медь. Концентрация меди превышает предельно-допустимое значение в 6,4 раза. Определяется на компонентном портрете экологических состояний длиной отрезка от -5,4 до 1 (1-(-5,4)=6,4). Построенные компонентные портреты позволяют определить требования к технологиям очистки по требуемой степени очистки.

Рисунок 2 - Индикатор экологических состояний (а) и необходимая степень очистки сточных вод (6) ОАО «Радиозавод» (отбор проб от 10 октября 2012 г.)

В таблице 2 приведены расчёты индикаторов экологических состояний, необходимой степени очистки, качества, риска, а на рисунке 3 показаны компонентные портреты экологического качества и риска для сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод».

Таблица 2 - Индикаторы экологических состояний сточных вод ОАО «Радиозавод»

№ Наименование показателей ОАО «Радиозавод»

Результаты анализа ИЭС л, =1-8/ НСО 1,-1 ИЭК Риск

1 Медь 0,03 84±0,0077 6,4 -5,4 0,844 0,002 0,998

2 Никель 0,0147±0,0044 1,47 -0,47 0,32 0,23 0,77

3 Цинк 0,0402±0,0080 1,34 -0,34 0,254 0,262 0,738

4 Натрий 63,9+9,6 1,278 -0,278 0,218 0,279 0,721

5 Свинец <0,004 0,667 0,333 0,667 0,513 0,487

6 Железо общее 0,190+0,034 0,633 0,367 0,633 0,531 0,469

7 Кальций 100+11 0,556 0,444 0,556 0,573 0,427

8 Кобальт < 0,005 0,5 0,5 0,5 0,607 0,393

9 Калий 8,5+1,0 0,17 0,83 0,17 0,844 0,156

10 Хром " <0,01 0,143 0,857 0,143 0,867 0,133

11 Марганец 0,0074+0,0031 0,093 0,907 0,93 0,911 0,089

Проведенные расчёты и построенные компонентные портреты в пространстве индикаторов экологического качества и риска показывают, что по первым четырём компонентам индикатор экологического качества меньше граничной величины х0 = 0,368, соответствующей предельно-допустимым значениям концентраций отдельных компонент.

Рисунок 3 - Компонентный портрет экологического качества (а) и экологического риска сточных вод (б) ОАО «Радиозавод» (отбор проб от 10 октября 2012 г.)

Для оценки результативности технологии введён коэффициент результативности

х = Ат1, = Щ~Щ П', щ

Применение технологии электрофлотации (ЭФ) для очистки сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» обеспечивает перевод всех загрязняющих компонент сточных вод (Си, №, 7л\, Ш) в пространство допустимых значений с индикатором экологических состояний г); (п, =0,04, г\2 =0,853, г|3 =0,799, г|4 =0,361) и результативностью (^ =1,007, >12=2,815, А3 =3,35, Х4 =2,299) (рисунок 4).

Рисунок 4 - Компонентный портрет экологических состояний (а) и экологической результативности (б) очистки сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» с использованием комбинированной технологии (ЭФ-УФ)

Применение технологии ультрафильтрации (УФ) позволяет перевести сточные воды по этим компонентам в состояния т|, (г)! =0,968, т\2 =0,971, Пз =0,973, г]4 =0,872) с коэффициентами результативности А.,- (X, =1,179, Х2 =3,065, А3 =3,862, =4,137). Из проведённого анализа следует вывод о достаточной степени очистки и результативности применения для очистки сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» от металлов модульных установок с использованием технологий «ЭФ-УФ».

Разработана методика сравнительной оценки эффективности технологий очистки сточных вод гальванических производств (рисунок 5, а). В качестве примера проведено сравнение технологий отстаивания, электрокоагуляции, электрофлотации. Из анализа компонентных портретов эффективности технологий очистки следует, что по найденным показателям и критериям: степени очистки (СО), производительности (П), вторичному загрязнению воды (ВЗВ),

энергозатратам (ЭЗ), вторичному загрязнению твёрдых отходов (ВЗТО), наличию сменных элементов (СЭ), режиму эксплуатации (РЭ), влажности твёрдых отходов (ВТО), электрофлотационная технология очистки сточных вод гальванических производств имеет лучшую интегральную оценку (рисунок 5, б). Интегральные оценки найдены при равенстве всех весовых коэффициентов единице.

а) б)

Рисунок 5 — Методика сравнительной оценки технологий очистки сточных вод гальванических производств (а) и компонентный портрет эффективности технологий (б)

Из проведенных исследований следует, что разработанные комплекс индикаторов и компонентные портреты экологических состояний обеспечивают однозначную оценку экологических свойств разнородных объектов природно-технических систем с гальваническими производствами, повышают эффективность и расширяют возможности научных исследований окружающей среды и технологических систем гальванических производств, упрощают комплексный анализ технологий очистки сточных вод гальванических производств в едином пространстве экологических состояний для разнородных объектов и неоднородных групп показателей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Общий итог работы состоит в обобщении принципов и разработке механизма системного экологического мониторинга, обеспечивающих достоверность и сопоставимость данных о состоянии сточных вод гальванических производств и повышающих результативность комплексного оценивания и исследования технологий их очистки.

При решении поставленных задач получены следующие результаты.

1. Проведено обобщение принципов, введён комплекс индикаторов и компонентный портрет экологических состояний природно-технической системы,

разработаны математические модели индикаторов, метод и структура экологического мониторинга, на основе которых построена методика, обеспечивающая повышение достоверности, расширение возможностей научных исследований и проектирования технологических систем гальванических производств, мониторинга и прогнозирования их экологического риска.

2. В пространстве компонент разработанных индикаторов проведены расчёты и дана оценка состояния и качества сточных вод. Критичными для сточных вод ОАО «Радиозавод» являются: медь г|Си=-5,4, никель г|№=-0,47, цинк т]2п =-0,34, натрий г]Ыа =-0,278, для сточных вод ОАО ППО «ЭВТ» -три компоненты: железо г)Ре = —1,4, марганец Лмп =-0,625, медь г|Си =-0,25. Отрицательные значения индикаторов экологического состояния свидетельствуют о низком экологическом качестве сточных вод по этим компонентам и необходимости их глубокой очистки.

3. Применение комбинированной технологии очистки «ЭФ-УФ» для сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» обеспечивает вторичное использование очищенной воды и снижение техногенного воздействия гальванического производства на окружающую среду. Последовательная реализация технологий электрофлотации и ультрафильтрации для очистки сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» обеспечивает их перевод по загрязняющим компонентам (Си, N1, 2п, N3) в пространство допустимых значений с индикаторами экологических состояний г|(-: для ЭФ (щ =0,04, ц2 =0,853, Пз =0,799, 114=0,361) и для УФ (гц =0,968, ц2 =0,971, П3 =0,973, 114=0,872), а также с результативностью А.,-: для ЭФ (Зц =1,007, 12 = 2,815, =3,35, А.4 = 2,299) и для УФ (X, =1,179, Х2 =3,065, =3,862, >-4 =4,137), что свидетельствует о достаточности степени очистки и результативности применения для очистки сточных вод гальванических производств ОАО «Радиозавод» модульных установок с использованием технологий ЭФ и УФ.

4. На основе проведенных исследований показана высокая достоверность и сопоставимость разработанной системы индикаторов, обеспечивающей оценку степени экологической безопасности и риска разнородных объектов в единой области значений с наглядным представлением результатов наблюдений и прогнозов в виде многокомпонентных портретов, что позволяет рекомендовать её для практического использования в системах экологического мониторинга и прогнозирования экологических состояний, при разработке технологий переработки отходов и очистки сточных вод гальванических производств.

5. Разработанные методы, методики, индикаторы внедрены в учебный процесс и на промышленном предприятии. Результаты исследования технологий очистки и мониторинга сточных вод гальванических производств в пространстве экологических состояний подтверждают адекватность введённой системы индикаторов и результативность применения разработанных методов и методик исследования и проектирования технологических систем гальванических производств.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сюлин, П.В. Компонентный портрет экологической безопасности / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Проблемы региональной экологии. - 2013. - № 6. -С. 151-154.

2. Сюлин, П.В. Методика научных исследований экосистем / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Экологические системы и приборы. - 2013. - № 12. -С. 26-32.

3. Сюлин, П.В. Оценка экологической безопасности многокомпонентных систем / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - № 09 (13). - Т. 1. - С. 144-155.

4. Сюлин, П.В. Оценка качества сточных вод в пространстве вектора экологической безопасности / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - № 09 (13). - Т. 1. - С. 183-189.

5. Сюлин, П.В. Методика структурно-параметрического синтеза математических моделей экосистем / И.А. Прошин, Р.Д. Прошина, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - № 09 (13). - Т. 1. -С. 47-57.

6. Сюлин, П.В. Принципы генерализации в формировании системы информационных индикаторов экодинамики / И.А. Прошин, Р.Д. Прошина, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. -№01 (17).-С. 215-219.

7. Сюлин, П.В. Принципы генерализации в системном экологическом мониторинге / И.А. Прошин, Р.Д. Прошина, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 01 (17). - С. 225-232.

8. Сюлин, П.В. Индикатор экологического состояния в мониторинге сточных вод гальванических производств / И.А. Прошин, Р.Д. Прошина, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 05 (21). -С. 288-299.

9. Сюлин, П.В. Индикаторы экологических состояний в исследованиях природно-технических систем / И.А. Прошин, Р.Д. Прошина, П.В. Сюлин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 05 (21). -С. 319-330.

Публикации в других изданиях

10. Сюлин, П.В. Методика определения экологического состояния экосистем / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Проблемы современной биологии: Материалы IX Международной научно-практической конференции. - Москва: Изд-во «Спутник+», 2013. - С. 24-32.

11. Сюлин, П.В. Методика проведения исследований экосистем / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Теория и практика актуальных исследований: Материалы Ш Международной научно-практической конференции. Сборник научных трудов - Краснодар, 2013. - С. 296-300.

12. Сюлин, П.В. Методика оценки производственных объектов в пространстве вектора экологической безопасности / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Современное общество, образование и наука: Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. - Тамбов, 2013. -Ч. 2.-С. 131-132.

13. Сюлин, П.В. Оценка состояния технических систем в пространстве вектора экологической безопасности / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Образование, наука, технологии: Материалы ХХП Всероссийской научно-практической конференции. - Майкоп, 2013. - С. 65-71.

14. Сюлин, П.В. Принципы обработки информации в системном экологическом мониторинге / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Технические науки - от теории к практике: Сборник научных трудов по материалам XXIX Международной научно-практической конференции. - Новосибирск: НП «СибАК», 2013. — № 12 (25). - С. 44-48.

15. Сюлин, П.В. Метод и алгоритм формирования системы информационных индикаторов экодинамики / И.А. Прошин, П.В. Сюлин // Современное состояние и перспективы развития технических наук: Сборник статей Международной научно-практической конференции.- Уфа: РИЦ БашГУ, 2014. -С. 66-69.

СЮЛИН Павел Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Корректор А.Ю. Тощева Компьютерная верстка Т.А. Антиповой

Сдано в производство 24.10.14. Формат 60x84 '/|6 Бумага типогр. № 1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Уч.-изд л. 1,18. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 2503. Тираж 100

Пензенский государственный технологический университет 440039, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11