Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оптимизация процессов очистки промышленных сточных вод от многокомпонентных загрязняющих веществ как основа управления водоохранными комплексами

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Нагорнов, Владимир Павлович, Оренбург

/} /

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ КАК ОСНОВА УПРАВЛЕНИЯ ВОДООХРАННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ

11.00.11. - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Р.Т. Абдрашитов

На правах рукописи

Нагорнов Владимир Павлович

Оренбург - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И ОХРАНЫ ВОДНОЙ СРЕДЫ

1.1. Проблемы системного управления охраной окружаю-ющей среды и регулирование водоохранной деятельности в России

1.2. Выбор методов очистки промышленных сточных вод и путей водоохраны

1.3. Анализ формирования общего объема загрязняющих веществ в сточных водах радиаторного производства и оценка концепций оптимизации процессов их обработки

1.4. Аналитические выводы о»состоянии вопроса , постановка цели и формулирование задач исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБОЗНАЧЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ СХЕМЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

2.1. Задача формирования адапивной автоматизированной системы очистки сточных вод промышленных предприятий

2.2. Анализ и оптимизация значений ПДК вредных веществ в сточных водах предприятий

2.3. Поисковое конструирование для синтеза технологических схем очистных сооружений

2.4. Выводы по теоретическим основам оптимизации и синтез католитно-сорбционной схемы очистки многокомпонентных сточных вод радиаторного производства

стр. 4

7

7

12

17

31

34

34

37

57

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЭЛЕКТРОЛИЗУ ВОДЫ, КАТОЛИТНОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ И СОРБЦИОННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ 72

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КАТО-ЛИТНО-СОРБЦИОН НОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД РАДИАТОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА 84

4.1. Оптимизация параметров электролиза воды (выработки католита) как первой ступени католитно-сорбцион-

ной схемы 84

4.2. Оптимизация параметров католитной нейтрализации

как второй ступени католитно - сорбционной схемы 98

4.3. Оптимизация параметров сорбционной фильтрации

как третьей ступени католитно - сорбционной схемы 108

4.4. Количественно - качественный баланс опытной схемы водоочистки 116

4.5. Выводы по 4 главе 120

5. ОЖИДАЕМЫЙ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ КОМПЛЕКСА ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ 121

5.1. Расчет укрупненной оценки предотвращенного ущерба

от загрязнения водных объектов 125

5.2. Укрупненный расчет годового дохода 132

5.3. Расчет разности приведенных затрат на очистку промышленных сточных вод 135

5.4. Расчет годового экономического эффекта от внедрения комплекса водоохранных мероприятий 137

5.5. Выводы по 5 главе 138 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 143 ПРИЛОЖЕНИЯ 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одна из самых острых проблем современности - разрешение противоречия между растущим потреблением воды обществом и обеспечением экологической безопасности среды обитания человека.

Примером типичного предприятия, где обострены вопросы, связанные с охраной вод, является акционерное общество «Радиатор». Функционально узкая специализация и технологическая специфичность производства автотракторных радиаторов, базирующегося на пайке и обработке цветных металлов флюсами, кислотами и щелочами, явились предпосылкой того, что в промышленных сточных водах указанного предприятия концентрируется большое количество ионов тяжелых металлов, отличающихся большой токсичностью. Обезвреживание сточных вод этого и аналогичных ему заводов входит составной частью в систему управления охраной природы в регионе. Актуальность обозначенной проблемы подтверждается также необходимостью усовершенствования целого ряда нормативных водоохранных документов. Данная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Оздоровление экологической обстановки и населения Оренбургской области в 1996-2000 годах».

Цель работы заключается в исследовании закономерностей процессов обработки многокомпонентных промышленных сточных вод и формировании автоматизированных технологий их очистки как основы управления водоохранными комплексами. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи : обобщение отечественного и зарубежного опыта очистки промышленных сточных вод от токсичных загрязняющих веществ; анализ и оптимизация значений ПДК вредных веществ в сточных водах; теоретические и экспериментальные исследования процессов безреагентного осажде-

ния ионов тяжелых металлов и создание банка данных по современным технологиям очистки промышленных сточных вод; разработка метода синтеза технологических цепочек очистки сточных вод; создание рациональной схемы и исследование эффективности очистных сооружений в радиаторном производстве

Объект исследования - технология очистки сточных вод от загрязняющих веществ в системе оборотного водоснабжения на Оренбургском заводе «Радиатор».

Методы исследования. В настоящей работе использованы системный анализ, математическая статистика, математическое моделирование, базирующиеся на факторном анализе; поисковое конструирование.

Научная новизна работы заключается в исследовании закономерностей создания адаптивной системы управления работой очистных сооружений, обеспечивающих экологические требования. Основными новыми научными результатами являются : математическая модель и подход к оптимизации ПДК вредных веществ в сточных водах; метод синтеза технологических цепочек очистки сточных вод; результаты оптимизации конструктивных и режимных параметров католитно-сорбционной схемы очистки сточных вод АО «Радиатор».

Практическую ценность диссертация представляет для . формирования систем управления охраной природы в регионе; проектирования очистных сооружений предприятий, имеющих многокомпонентные сточные воды; разработки и эксплуатации АСУ водоохранными комплексами промышленных предприятий; учебного процесса при подготовке специалистов в области автоматизации машиностроения, инженерной экологии и охраны природы.

Результаты работы использованы Барнаульским институтом «Сибгипросельхозмаш» в экологической части проекта реконструкции Оренбургского завода «Радиатор». Опытно-промышленный блок-модуль

внедрен и прошел испытания на очистных сооружениях АООТ «Радиатор».

Апробация работы производилась :

- на научно-технических советах и советах директоров АО «Радиатор» (Оренбург, Екатеринбург, Бугуруслан, Бузулук, Орск, 1987 -1992 г.г.);

- на научно-практических конференциях Оренбургского государственного университета, областных семинарах и заседаниях правлений Союза научно-инженерных и научно-технических обществ машиностроителей (Оренбург, 1990 - 1991 г.г.); на конференциях и семинарах по проблемам промышленной экологии в г. Лахти (Финляндия, 1991) , в г. Золингене (Германия, 1991), в г. Севастополе (1992), в г. Москве (1993), в г. Екатеринбурге (1994), в г. Санкт-Петербурге (1997), в г. Кронштадте (1997).

На защиту выносятся :

1. Модель представления знаний о технологиях обработки сточных вод.

2. Методика оптимизации значений ПДК вредных веществ в сточных водах.

3. Метод и программные средства синтеза технологических цепочек очистки сточных вод.

4. Технологическая схема католитно-сорбционной очистки сточных вод, как результат поискового конструирования.

5. Результаты оптимизации параметров синтезированной системы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов;

6. Результаты оценки эффективности системы очистки.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И ОХРАНЫ ВОДНОЙ СРЕДЫ

1.1. Проблемы системного управления охраной окружающей среды и регулирование водоохранной деятельности в России

Быстрые темпы развития промышленности все больше ухудшают и до того экологически неблагоприятную обстановку в районах сброса производственных отходов, которые отрицательно влияют на источники хозяйственно-питьевого водоснабжения, часто выводят их из строя, нанося громадный ущерб народному хозяйству [ 7,32,49,52 ].

Источники загрязнения подразделяются на: промышленные, геотехнологические, транспортные, сельскохозяйственные и бытовые.

Промышленные отходы представляют особую опасность для населения (особенно крупных промышленных центров) поскольку оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды, создают трудности для работы коммунальных и других служб.

Анализ литературных источников [ 21,30,40 ] показывает, что:

- чаще всего загрязнение окружающей среды является следствием неудовлетворительного, отстающего развития технологии производства;

- неиспользованные отходы производства, особенно уносимые сточными водами в канализацию, - это потери природных ресурсов.

Главным направлением в борьбе за выживание окружающей среды становятся экологически чистые технологии - совокупность организационно-технических и технологических мер, в том числе, оборудования, материалов и т.п., позволяющих комплексно использовать сырье и его отходы и свести до минимума их отрицательное воздействие [ 33,35,43,57,60 ].

Среди направлений развития экологизированных производств можно выделить следующие:

- совершенствование способов очистки и создание бессточных систем, что позволяет сократить потребление воды, но приводит к появлению твердых осадков или концентрированных отходов. Для переработки этих отходов необходимы специальные методы и оборудование, но использование отходов как вторичных материальных ресурсов приносит ощутимый экономический эффект;

- создание принципиально новых нетрадиционных процессов для получения традиционных видов продукции (с исключением или сокращением операций, выдающих основное количество отходов);

- разработка и создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов с минимумом выбросов .

Выбор одного из этих путей зависит от технологических возможностей и экономических условий в регионе и на предприятии.

В процессе ускоряющегося развития производства наносимый окружающей среде ущерб постоянно растет и становится невозможным преодоление его естественным путем, без использования комплекса законодательных, технологических и других природоохранных мер во всех сферах производственной и иной деятельности человека [ 94 ].

В нашей стране в последние годы сделаны попытки создать централизованные и региональные системы управления охраной окружающей среды, разработать теоретические аспекты и научные основы очистки воды. Анализ усилий в этом направлении позволяет выделить основные положения системы управления природной средой и взаимоотношением человека с природой [ 3,59,67,81,109 ].

Среди этих положений:

- формирование банка данных о характере загрязняющих веществ;

- системный анализ вреда от загрязняющих веществ и определение основных задач улучшения производственной деятельности;

-оценка реальных технических возможностей по обезвреживанию и предупреждению загрязняющих воду веществ;

- исследование и обоснование приоритетных технологий;

- формирование схем комплексного использования и охраны вод с учетом финансовых, социальных и других возможностей;

- разделение экологических задач на тактические и стратегические, поиск рациональных методов решения этих задач на различных уровнях: региональном (на территории области, республики), районном (в пределах промышленных узлов), локальном (в пределах района города или отдельного крупного предприятия);

- координация и оперативный контроль за осуществлением комплексного использования водных ресурсов и др.

Регулирование природопользования и природоохранной деятельности в России осуществляется системой нормативно-технических документов (НТД), среди которых [ 1,25,26,38,46,80 ].

- экологические нормативы, правила, стандарты;

- экологические показатели в нормативно-технической документации на качество и технологию изготовления продукции;

- экологические требования к проектно-изыскательской документации на строительство новых и реконструкцию или модернизацию действующих объектов.

В последнее время приоритетным в регламентации природопользования становится ужесточение действующих и разработка новых экологических норм на хозяйственную деятельность с закреплением этих норм в государственных и республиканских (территориальных) стандартах [ 122 ].

Введение ограничений на вредные выбросы (ПДВ) и сбросы (ПДС) создали предпосылки для научно и технически обоснованного управления качеством природной среды, однако, эти меры не

подкрепляются соответствующими объемами капиталовложений.Отечественная наука не обеспечила своевременную разработку научных концепций и экологических нормативов природопользования и охраны окружающей среды, что затрудняет проектирование и экспертизу проектов в части обоснованной оценки возможных отрицательных экологических последствий.

Существующая в настоящее время в России совокупность природоохранных норм и правил несовершенна. Деятельность многочисленных разработчиков норм не имеет согласованной методической основы и не корректируется. Природоохранные нормы и правила рассредоточены более чем в 800 документах, из них свыше 80% имеют рекомендательный характер. Многие документы разработаны на основе санитарно-гигиенических исследований 60-х годов и требуют уточнений [ 54,71,72,104 ].

Для повышения эффективности использования норм и правил охраны окружающей среды интересен опыт Японии, где работа комиссии по урегулированию экологических проблем оценивается числом жалоб, поступивших по видам загрязнений окружающей среды [ 66 ].

В ходе экспериментальных исследований по оптимизации режима очистки сточных вод в производстве радиаторов для ДВС нами сформирован информационный массив с нормативами, регламентирующими содержание вредных веществ в сточных водах как в масштабах всей страны, так и в пределах отдельных регионов (смотри приложение N 1). Для сравнения приведены стандарты на сброс сточных вод в различных странах. Например, специалисты фирмы "Ай-Эйч-Ай" (Япония) на симпозиуме по системам защиты окружающей среды (Москва, ГКНТ, декабрь 1989 г.) особо отметили, что цель основного закона об охране окружающей среды заключается в следующем:

- установление общих принципов и обязательств предприятий, общественных организаций, местной власти и государства в рамках совместной деятельности по охране окружающей среды;

- обеспечение здоровья людей и экономического развития, согласованного с охраной природы.

На симпозиуме по проблемам экологии в институте НИИТракто-росельхозмаш (Москва, сентябрь 1990 года) специалистами австрийской фирмы "ИПА" изложена концепция, которая в общем схожа с концепциями всех промышленно развитых стран:

- узким кругом специалистов экологические проблемы решить нельзя, нужны совместные действия государственных органов и инженеров;

- практические и теоретические вопросы должны решаться одновременно, т.к. очистка сточных вод дело дорогостоящее и рациональный способ выводится логическим путем после расчетов и экспериментов;

- границы ПДК устанавливаются не совсем точно, поэтому не выдерживаются и к проблемам оценок добавляются экономические проблемы;

- проблематика доведения выбросов до нуля остается нерешенной, но природоохранные органы рекомендуют ПДК, на основе которых создается оборудование. И так от ступени к ступени , постепенно -другого пути нет.

Из всего вышесказанного можно установить, что главными проблемами системного управления охраной окружающей среды являются:

- анализ источников загрязнений и причин их возникновения;

- выработка и реализация главных направлений обеспечения экологической безопасности условий жизнедеятельности человека;

- формирование и оптимизация основных положений системы

управления охраной окружающей среды;

- совершенствование нормативно-правового регулирования природопользованием и природоохранной деятельностью.

Возможные варианты решения этих проблем легли в основу научной работы по выбору оптимальных режимов очистки сточных вод на Оренбургском заводе "Радиатор", выпускающем латунные и медные паянные теплообменники для двигателей внутреннего сгорания (ДВС ).

1.2. Выбор методов очистки промышленных сточных вод и путей водоохраны

Сброс сточных вод с промышленных источников является одной из основных причин загрязнения водной среды и вызывает резкое ухудшение условий жизнедеятельности водных организмов. В результате сбросов жидких вредностей реки и моря загрязняются нерастворимыми веществами; ухудшаются физико-химические свойства воды; изменяется водородный �