CC BY
97
УДК 622.5; 66.081; 66.067; Латина М.А., Фарносова Е.Н.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД
Латина Милена Александровна, студентка 1 курса факультета инженерной химии РХТУ им Д. И. Менделеева, e-mail: [email protected];
Фарносова Елена Николаевна, к.т.н., доцент кафедры мембранной технологии РХТУ им Д. И. Менделеева;
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл. 9
Оценен химический состав высокоминерализованных шахтных вод. Проанализированы с технико-экономической точки зрения основные методы их очистки. Выбраны оптимальные методы очистки высокоминерализованных шахтных вод. Произведен расчет себестоимости 1м3 очистки воды с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
Ключевые слова: очистка шахтных вод, высокоминерализованные шахтные воды, реагентное осаждение, ионный обмен, обратный осмос, нанофильтрация.
TECHNICAL ECONOMICAL ANALYSIS OF METHODS OF MINE WATERS PURIFICATION
Latina M.A., Famosova E.N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The chemical composition of highly mineral mine waters has been estimated. General methods of purification from polluted components have been analyzed. Optimum methods of purification of highly mineral mine waters have been chosen. Calculation of cost price 1m3 has been done due to major and operating costs.
Keywords: Mine water treatment, highly mineralized mine waters, reagent precipitation, ion exchange, reverse osmosis, nanofiltration.
Введение
Задача очистки минерализованных шахтных вод угольной промышленности является актуальной с научной и экологической точки зрения. Ежегодно предприятия угольной промышленности сбрасывают около 410 млн. м сточных вод. В структуре сбрасываемых потоков преобладают шахтные воды. Под шахтными понимают воды, поступающие в подземные горные выработки из
«подрабатываемых» водоносных горизонтов, поверхностных водоёмов и дренажных выработок. Шахтные воды по качественному и количественному составу многообразны. Основные компоненты загрязнения шахтных вод: взвешенные, коллоидные, ионные (растворенные соли) и бактериальные. Отличительной чертой
шахтных вод является большое солесодержание (более 10 г/л), низкое значение рН (до 2), высокие концентрации солей тяжелых металлов (№2+, РЬ2+, Мп2+, Со2+, Zn2+ и др.). Очевидно, что очистка шахтных вод до требований нормативных документов дорогостоящая и требует грамотного инженерного подхода. Но экологическое законодательство обязует предприятия очищать шахтные воды до норм предельно-допустимых концентраций (ПДК) [1], что вызывает больший интерес к данной теме.
Типичный состав высокоминерализованных шахтных вод угольных бассейнов России и ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования представлены в таблице 1.
Таблица 1. Состав шахтных вод некоторых угольных бассейнов России
Основные показатели Кизеловский угольный бассейн [2] Челябинский угольный бассейн [3] ПДК очищенной сточной воды [1]
Минерализация, г/л 2,5-19,0 12 15-17
рН 2,2-3,1 3-4 6.0-9.0
Взвешенные вещества, мг/л 50 - 10
Жесткость, мг-экв/л 12,6 26,5 -
КО3-, мг/л - 4,8 9
С1-, мг/л 7-74 - 300
SO4-, мг/л 644-6174 3786 100
Са2+, мг/л 40-243 - -
Mg , мг/л 17-115 318,7 -
К , мг/л 115-629 - 3
мг/л - 125
А13+, мг/л 29-494 233,4 0,04
Feобщ, мг/л 131-3727 5917 0,1
Мп , мг/л 0,65-33,0 54,5 0,1
№2+, мг/л 0,036-3,89 27,1 0,02
Zn2+, мг/л 0,63-1,10 1,19 0,01
Сг3+, мг/л 0,025-0,102 0,03 0,07
Си2+, мг/л 0,048-0,56 0,06 0,01
Со2+, мг/л 0,067-2,88 1,7 0,01
РЬ2+, мг/л 0,003-0,022 - 0,1
Очевидно, что превышено содержание взвешенных частиц в 5 раз по сравнению с ПДК очищенных сточных вод, концентрация ионов марганца - в 500 раз, никеля - в 1000 раз, цинка и кобальта - в 100 раз.
Методы очистки
Удаление взвешенных и бактериальных примесей можно осуществить «традиционными» методами, такими как осаждение, в том числе, реагентное усиление. Удаление из воды растворенных (молекулярных и ионных) примесей требует применения физико-химических методов очистки: ионного обмена, электродиализа, обратного осмоса, нанофильтрации, адсорбции, выпаривания и др. Выбор того или иного метода должен проводиться на основании технико-экономического анализа. Рассмотрим наиболее типичные способы очистки шахтных вод.
Традиционно очистка шахтных вод проводилась в прудах-накопителях или горизонтальных отстойниках без какой-либо предварительной очистки с последующим сбросом в природные водоемы [4]. Недостаток данного метода в низком эффекте осветления и удаления только взвешенных и бактериальных примесей.
Реагентное осаждение. В качестве реагентов для нейтрализации используют
СаСОз, CaSO4, Са(ОН)2, КОН [5]. Данный метод достаточно эффективен, но высокая стоимость этих реагентов приводит к увеличению эксплуатационных затрат. Недостатком данного способа является образование «белых морей», состоящих из кристаллического кальцита, калиевых полевых шпатов, утилизация которых практически невозможна. Невозможно удаление одновалентных металлов. Подача реагента происходит в избытке, а это дорого и нерационально.
Ионный обмен. Позволяет очищать шахтные воды до требований нормативных документов. С помощью
ионного обмена возможно достичь уменьшение жёсткости шахтных вод с 15 мг-экв/л до 0,5 мг-экв/л, а общее солесодержание с 10 000 мг/л до 10 мг/л [6]. Однако, использование данного метода для высокоминерализованных шахтных вод невыгодно с технико-экономической точки зрения. Необходимо учитывать большой расход реагентов на регенерацию ионитных смол и утилизацию стока регенерации, который в свою очередь содержит те же компоненты, что в исходном потоке, но в меньших объёмах.
Мембранная технология. Перспективными способами очистки шахтных вод являются мембранные, в том числе нанофильтрация или обратный осмос [7,8]. Достоинствами данных методов является низкие энергозатраты, простота и компактность установок, их полная автоматизация. В сравнении с обратным осмосом, нанофильтрация протекает при относительно небольших рабочих давлениях, результатом чего является меньшее потребление электрической энергии. Очищенную воду можно использовать для нужд предприятия, например, в качестве хладагента для теплообменных аппаратов.
Оптимальным решением поставленной задачи является комплексная очистка шахтных вод с использованием как «традиционных», так и мембранных методов, в частности нанофильтрации (рисунок 1). Рекомендуется использование стадии механической очистки, которая удалит взвешенные вещества. Для механической очистки может быть использован фильтр с засыпным материалом кварцевым песком или антрацитовой крошкой.
Рис. 1. Оптимальная технологическая схема процесса
очистки высокоминерализованных шахтных вод [9]
1- емкость для исходной воды, 2- механический фильтр грубой очистки, 3-механический фильтр тонкой очистки (5 мкм), 4-нанофильтрационная установка.
Анализ методов очистки шахтных вод показал наиболее эффективные способы, такие как реагентное осаждение, ионный обмен, нанофильтрация и обратный осмос. Произведем технико-экономический анализ каждого способа очистки шахтных вод Челябинского угольного бассейна и определим себестоимость 1 м3 очищенной шахтной воды [10]. Производительность - 2 м3/ч по исходной воде. При расчете себестоимости учитывалась стадия механической предочистки, а также капитальные и затраты эксплуатационные (топливо и энергия, оплата труда сотрудников, социальные налоги и амортизационные отчисления). Приведенные расчеты были сделаны на основании данных за 2017 г. По оценочному расчету себестоимость 1м3 очищенной воды методом реагентного осаждения составила 17,8 рублей, ионного обмена - 20,1 рублей, нанофильтрации - 24,9 рублей, обратного осмоса - 26,5 рублей.
Из полученных данных можно сделать вывод, что самый дешевый способ очистки - реагентное осаждение, а самые затратные - обратный осмос и нанофильтрация. Однако, реагентное осаждение не очищает до норм ПДК и не удаляет одновалентные ионы металлов. При расчете ионного обмена не была учтена утилизация регенерационных стоков, что значительно повысит себестоимость очищенной шахтной воды. Несмотря на дороговизну, нанофильтрация и обратный осмос являются наиболее эффективными в процессе очистки и позволяют максимально снизить концентрацию загрязняющих компонентов. Данные методы не требуют закупки необходимых реагентов для проведения очистки в отличии от реагентного осаждения и ионного обмена. По сравнению с другими способами, нанофильтрация и обратный осмос осуществляется за меньшее время. Стоит учитывать, что при больших производительностях себестоимость очищенной воды будет меньше, а, значит, целесообразнее использовать данные эффективные методы очистки шахтных минерализованных вод.
Заключение
Очевидно, что применение нанофильтрации и обратного осмоса перспективно. Однако, для долгой и эффективной очистки необходима качественная предподготовка. Возможна комбинация данных процессов. Например, двухступенчатая схема с применением нанофильтрации и доочисткой полученного пермеата на обратном осмосе или двухстадийная очистка на обратном осмосе и подачей концентрата на нанофильтрацию с целью уменьшения объема ретентата. Планируется проведение
экспериментов на кафедре мембранной технологии по очистке высокоминерализованных шахтных вод по изложенным схемам.
Список литературы 1.СП 2.1.5.761-99 Предельно-допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Дополнение N1 к ГН 2.1.5.689-98 и ГН 2.1.5.690-98 2.Орлов Д.С. Экология и охрана гидросферы при химическом загрязнении: Учеб. пособие / Орлов Д.С, Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. - М.: Высшая школа, 2012. - 167 с.
3.Баринов М.Ю., Щербаков С.А., Терентьева А.А. Опытно-промышленные испытания очистки шахтных вод // Строительство-2009: материалы юбилейной международной науч.-практич. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2009. С. 62—65.
4.Максимович Н.Г. Инновационная составляющая природоохранных технологий на основе геохимических барьеров // Инновационный потенциал естественных наук: в 2 т.: труды междунар. науч. конф. / Перм. ун-т; Естественнонауч. ин - т. - Пермь, 2006. - Т.П. Экология и рациональное природопользование. Управление инновационной деятельностью - С.54-59.
5.Свитцов А.А., Копылова Л.Е., Голованева Н.В. Особенности комбинированного реагентно-мембранного метода очистки минерализованных вод / // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. -2015. - № 5 (89). - С. 28-31.
6.Мамченко А.В.; Якимова Т.И. Способ обессоливания воды // Патент России 2072325. 27.01.97.
7.Фарносова Е.Н., Каграманов Г.Г., Канделаки Г.И. Влияние состава раствора на извлечение никеля и цинка из сточных вод. // Перспективные материалы. Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества. Специальный выпуск. 2010, №9, с.272-276.
8.Шитова В.О., Фарносова Е.Н., Каграманов Г.Г. Разработка мембранной технологии очистки шахтных вод / Фаткуллин З.З., Шитова В.О., Фарносова Е.Н., Каграманов Г.Г. // Успехи в химии и химической технологии. - 2015. - Т. 29, № 2 (161). - С. 110-112.
9. Янковский Н. А., Степанов В. А. Способ получения частично деминерализованной воды // Патент России №2286840.2009
10. Свитцов А.А. Основы проектирования производств, использующих мембранное разделение: учеб. пособие. / А.А. Свитцов. - М. РХТУ им. Менделеева, 2013. - 219с.
