Каплунов Ю.В., Климов С.Л., Красавин А.П. Экология угольной промышленности на рубеже XXI века

Подождите немного. Документ загружается.

Основными процессами технологии являются: усреднение расхода и

состава шахтной воды, обработка воды и осадка раствором флокулянта,

отстаивание шахтной воды, фильтрование, обеззараживание, сгущение

промывных вод и осадка, механическое обезвоживание осадка. Для пред-

варительной очистки воды от взвешенных веществ используются наклон-

ные отстойники типа ОН со встроенными камерами смешения и хлопье-

образования. Для глубокой очистки шахтной воды от взвешенных ве-

ществ применяются скорые напорные фильтры типа ФОВ или тонко-

слойные автоматизированные фильтры ФТ-15 конструкции МНИИЭКО

ТЭК. Удельная производительность фильтров типа ФОВ составляет 6—

8 м

/(ч • м

), фильтра ФТ-15 — 10-15 м

/(ч • м

Накопленный опыт по применению аппаратов заводского изготовле-

ния и проектные проработки, выполненные МНИИЭКО ТЭК совместно

с Сибгипрошахт и другими организациями, позволили установить прин-

ципиальную возможность и экономическую целесообразность широкого

промышленного освоения на предприятиях угольной промышленности

технологии очистки, целиком основанной на аппаратах заводского изго-

товления. Основными ее преимуществами по сравнению с традицион-

ными технологиями являются: снижение удельных капиталовложений на

20 — 25%; уменьшение затрат на строительство в 1,5 — 2 раза и на

очистку

воды на 30-35% [1].

Из приведенного анализа видно, что все применяемые технологичес-

кие схемы очистки шахтных вод базируются на традиционных методах,

включающих разделение очищаемых стоков на твердую и жидкую фазу

путем отстаивания и фильтрования, а также обеззараживание и обра-

ботку осадка. Как правило, на второй ступени очистки используются раз-

личного рода фильтры с загрузкой их кварцевым песком. Наиболее ши-

рокое распространение в современной практике получили скорые одно-

слойные открытые и напорные песчаные фильтры, реже применяются

открытые двуслойные фильтры и фильтры с восходящим потоком воды

или контактные осветлители.

В последние годы МНИИЭКО ТЭК совместно с другими научно-ис-

следовательскими и проектными организациями разработаны новые вы-

сокоэффективные технологии очистки шахтных вод от взвешенных ве-

ществ, нефтепродуктов, бактериальных загрязнений. К ним относятся:

технология одноступенчатой очистки с использованием фильтров с

восходящим потоком;

технология биологической очистки на основе промышленного куль-

тивирования макрофитов;

технология очистки с использованием напорной флотации и электро-

флотации;

технология очистки с использованием подземных выработок и выра-

ботанного пространства.

Перечисленные технологии прошли опытно-промышленную или

опытную проверку, обеспечивают довольно высокую эколого-экономи-

ческую эффективность и рекомендованы для промышленного примене-

ния. Однако внедрение этих технологий идет медленно в связи с тем, что

строительство и реконструкция очистных сооружений в последние 10 лет

практически приостановлены.

Заслуживают внимания и широкого распространения многие отдель-

ные технические и технологические решения, направленные на достиже-

ние максимального экологического эффекта в условиях конкретных про-

изводств:

технология глубокой очистки шахтных вод от взвешенных веществ и

нефтепродуктов на гидроботанических площадках с использованием выс-

шей водной растительности (АО «Челябинскуголь»);

установка для очистки сточных вод машиностроительных предприятий

методом электрокоагуляции-флотации (Копейский машиностроительный

завод им. С.М. Кирова);

очистка шахтных вод путем фильтрования через искусственные фильт-

рующие массивы из вскрышных пород (АО «Кузбассразрезуголь»).

Для очистки шахтных и карьерных вод в зарубежных странах, как и

в России, применяются механические (отстаивание, фильтрование) и фи-

зико-химические методы (обработка коагулянтами, флокулянтами, ней-

трализующими и хлорсодержащими реагентами с последующим разде-

лением твердой и жидкой фаз). Применяемые физико-химические мето-

ды, сооружения и аппараты позволяют достаточно эффективно очищать

шахтные воды от взвешенных веществ, нефтепродуктов и бактериальных

загрязнений и обеспечивают сброс их в природные водоемы с соблюде-

нием установленных нормативов. Механические методы очистки имеют

более низкую эффективность.

Промышленность США, ФРГ, Японии, Франции и других развитых

стран располагает широким ассортиментом химических реагентов, что

позволяет осуществлять выбор наиболее эффективных из них с учетом

состава и свойств очищаемой воды. Очистные сооружения в этих странах

отличаются высокой степенью механизации и автоматизации технологи-

ческих процессов, высоким уровнем эксплуатации и культурой произ-

водства.

2.1.2. ОЧИСТКА ОТ МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ

В последние годы, в связи с растущим дефицитом пресной воды и за-

грязнением окружающей среды, все большее значение приобретают со-

временные методы опреснения минерализованных сточных вод. Получе-

ние пресной воды из шахтных вод требует создания методов и оборудо-

мания для их комплексной переработки с выделением, разделением и

очисткой солей до товарных продуктов, что технологически сложно и эко-

номически невыгодно. Однако, учитывая огромный вред окружающей

среде, который могут нанести сбросные рассолы, комплексная перера-

ботка минерализованных вод крайне необходима.

Минерализованные воды предприятий угольной промышленности от-

личаются большим разнообразием как по содержанию солей, так и по

их химическому составу. Шахтные воды с минерализацией свыше 2 —

3 г/дм

, характерные для Восточного Донбасса и Челябинского бассейна,

представляют наибольшую экологическую опасность и подлежат обес-

соливанию.

По химическому составу минерализованные воды делятся на четыре

группы: сульфатно-натриевые и сульфатно-хлоридно-натриевые, суль-

фатно-кальциевые, хлоридно-натриевые, сульфатно-магниевые. Наи-

большей минерализацией, как правило, обладают хлоридно-натриевые

воды.

В соответствии с качественно-количественной характеристикой ми-

нерализованных вод определяющим принципом в подходе к выбору ме-

тода опреснения и технологии комплексной переработки образующихся

рассолов принято исходное солесодержание. Учитываются также хими-

ческий состав вод и сфера возможного применения опресненных вод,

включая связанные с ними гигиенические аспекты обработки и потреб-

ления.

Основными методами очистки сточных вод от минеральных солей,

применяемыми в современной отечественной и зарубежной практике, яв-

ляются:

термические, основанные на изменении агрегатного состояния воды

(дистилляция, вымораживание и др.);

мембранные (обратный осмос, электродиализ);

реагентные (осаждение солей, ионный обмен).

Опыт эксплуатации деминерализационных установок в России и за

рубежом показывает, что дистилляционный метод опреснения целесооб-

разно использовать на крупномасштабных станциях для вод с минера-

лизацией более 15 г/дм

. Этот метод не требует тщательной предвари-

тельной подготовки воды по взвешенным веществам и солям жесткости.

Мембранными методами (электродиализ, обратный осмос) целесообраз-

но опреснять воду с минерализацией 2—15 г/дм

, при этом получать

более дешевую пресную воду по сравнению с дистилляцией. Реагентные

методы опреснения могут быть использованы при обработке воды с со-

лесодержанием до 2—3 г/дм

Исходя из принципов дифференцированного подхода к оценке каче-

ства опресненной воды, предназначенной для питьевого, хозяйственно-

бытового и технического водоснабжения, установлены гигиенические

требования к выбору методов опреснения. Предпочтение отдается мето-

дам в следующей последовательности: обратный осмос, вымораживание,

дистилляция, электродиализ, ионный обмен [4].

На рис. 20 представлена принципиальная схема деминерализации

шахтных вод. Помимо стадий опреснения, в технологии деминерализа-

ции выделены стадии предварительной очистки (удаление взвешенных

веществ, умягчение, обработка осадка) и переработки концентрирован-

ных рассолов, что обеспечивает полное обезвреживание минерализован-

ных шахтных вод в соответствии с действующими экологическими нор-

мами.

В странах СНГ наиболее высокий уровень развития получила дис-

тилляционная техника очистки вод. С 1967 г. в г. Шевченко, затем

в г. Красноводске действуют опреснительные установки производитель-

ностью 15 тыс. м

/сут. В настоящее время опреснительный комплекс

в г. Шевченко достиг производительности 100—150 тыс. м

/сут, при

этом используется тепловая энергия атомных реакторов.

Метод опреснения воды электродиализом получил распространение

в судоходстве и сельском хозяйстве. Электродиализная обработка мине-

рализованной и пресной воды в промышленности используется в основ-

ном при подготовке воды для котлов на ТЭЦ и в концентрировании стоков

ионообменных колонок при утилизации сбросных рассолов. Опыт экс-

плуатации электродиализаторов свидетельствует о высокой эффектив-

ности их для сточных вод с минерализацией до 7 мг/дм

при тщательной

предочистке от взвешенных веществ и солей жесткости. Однако выпус-

каемое отечественное электродиализное оборудование не удовлетворяет

по производительности угольную промышленность с ее большими объ-

емами сбрасываемых вод, требующих деминерализации, и нуждается в

дальнейшем совершенствовании.

Метод опреснения воды обратным осмосом в России не получил ши-

рокого промышленного распространения. Выпускаемые в настоящее

время в ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО обратноосмотические установки имеют

небольшую производительность ( 5 — 40 м

/ч) и не обеспечивают доста-

точной селективности выделения солей, в связи с чем могут применяться

только для опреснения минерализованных вод с солесодержанием не

более 3 — 5 г/дм

. В то же время, согласно технико-экономическим оцен-

кам, применение обратного осмоса наиболее эффективно для обработки

воды с минерализацией 7 — 20 г/дм

, что указывает на необходимость ус-

корения научно-технических разработок по созданию и освоению отече-

ственных обратноосмотических установок требуемых параметров. Зна-

чительный экономический эффект дает также использование обратного

осмоса в качестве предварительной ступени при термическом опреснении

минерализованных вод.

В целом принятое в угольной промышленности России направление

на строительство локальных и групповых обессоливающих установок на

принципах термического и мембранного опреснения согласуется с ми-

ровой практикой. Подтверждением этому может служить опыт Польши,

где с 1975 г. действует опреснительная установка на шахте «Дембень-

ско» производительностью 2200 м

/сут, обеспечивающая получение дис-

тиллята и минеральных солей в уникальных условиях (воды хлоридно-

натриевые с минерализацией до 100 г/дм

) и намечается строительств

-опреснительных установок на других шахтах. На шахтах других европей-

ских государств шахтные воды с высоким содержанием солей не опрес-

няются в связи с большими капитальными и эксплуатационными затра-

тами. Обезвреживание их производится в основном методом регулиру-

емого сброса.

К настоящему времени достаточно подробно исследованы и описаны

как в отечественной, так и в зарубежной литературе биологические ме-

тоды извлечения солей жесткости, ионов металлов и нефтепродуктов из

стоков машиностроительных предприятий, горно-обогатительных фаб-

рик и шахтных вод. К использованию предлагаются три основных метода:

гидроботанический, альгологический и бактериальный.

В отличие от общепринятых методов, основанных на использова-

нии чистой культуры или отдельной трофической группы организмов,

МНИИЭКО ТЭК предложено осуществлять процесс очистки в условиях,

максимально приближенных к естественным, с помощью возможно более

разнообразного комплекса специально подобранных для определенных

условий и характера загрязнений организмов-агентов очистки и создания

для них режима устойчивого существования в водоемах. Состав биоце-

ноза должен быть определен экспериментально для каждой очистной сис-

темы. Лабораторные эксперименты показали принципиальную возмож-

ность развития водорослей и высшей водной растительности на солевых

средах, приближенных по химическому составу к минерализованным

шахтным водам.

Очищающая способность наработанного полиинокулянта была опре-

делена лабораторными исследованиями в статических условиях при ком-

натной температуре и естественном солнечном освещении без дополни-

тельной аэрации и внесения органических добавок (табл. 16).

Эксперименты показали, что наиболее эффективно происходит очист-

ка сточной воды от нефтепродуктов, содержание которых за 48 ч сни-

жается в 4,7 раза, и взвешенных веществ. Параллельно происходит сни-

жение содержания ионов кальция в 3,9, ионов магния в 2, общей жест-

кости в 3,4 раза (с 16,2 до 4,8 мг • экв/дм

; 1 г • экв = 1 молю). Общая

минерализация стоков снижается в 3 раза. В результате выделения в

культурную среду метаболитов и продуктов жизнедеятельности водорос-

лей происходит некоторое повышение рН среды (с 6,2 до 7,9). Таким

образом, экспериментально установлена принципиальная возможность

извлечения загрязняющих компонентов и снижения общей минерализа-

ции биологическим методом.

Вероятность умягчения шахтных вод сульфатно-натриевого типа с ми-

нерализацией до 3 г/дм

экспериментально подтверждена на одной из

шахт Донбасса.

За рубежом биологический метод снижения солесодержания мине-

рализованных вод также является предметом углубленных исследований

и рассматривается как один из перспективных.

2.1.3. ОЧИСТКА ОТ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Образование кислых шахтных вод обусловлено присутствием в них рас-

творенных солей железа и алюминия. Они загрязнены также солями

других тяжелых металлов в виде микроэлементов. В связи с высокой

токсичностью этой категории сточных вод для флоры и фауны природ-

ных водоемов проблема их обезвреживания входит в число первооче-

редных.

В технологическом плане очистка кислых шахтных вод осуществля-

ется в два последовательно проводимых этапа: перевод растворенных

солей металлов в твердую фазу (нейтрализация воды); разделение жидкой

и твердой фаз с последующим обезвоживанием и утилизацией образую-

щегося осадка (рис. 21).

Первый этап очистки от солей тяжелых металлов осуществляется

химическим методом. Для нейтрализации обычно используется из-

весть или известняк в сочетании с известью, подача которых в сточ-

ные воды осуществляется по определенному режиму (двухрежимная

или однорежимная нейтрализация), обеспечивающему интенсифика-

цию последующих процессов осветления воды, уплотнения и обезвожи-

вания осадка. Использование оптимального режима нейтрализации по-

зволяет одновременно снизить не менее чем на 30% расход щелочного

реагента.

Второй этап очистки предусматривает разделение жидкой и твердой

фаз и осуществляется путем последовательного проведения процессов

осветления воды, уплотнения и обезвоживания осадка.

Осветление воды и уплотнение осадка осуществляются с применением

гравитационного или флотационного метода. Интенсификация этих про-

цессов достигается за счет применения флокулянтов, расход которых со-

ставляет 0,5— 1 мг/дм

. После уплотнения осадок подвергается механи-

ческому обезвоживанию. Для этого используется типовое оборудование:

вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги.

Осадок кислых шахтных вод после его обработки может быть ис-

пользован в производстве строительных материалов, сорбента, коагу-

лянта, пигмента, в сельском хозяйстве для борьбы с заболеваниями рас-

тений.

Данная технологическая схема относится к числу безотходных и по-

зволяет очистить кислую воду от тяжелых металлов, в том числе мик-

роэлементов и взвешенных веществ, нормализовать водородный пока-

затель и из образующегося осадка получить широкий ассортимент сырья

и продуктов для различных отраслей промышленности и сельского хо-

зяйства. Технология реализована в проектах очистных сооружений шахт:

им. Ленина, «Шумихинская», «Скальная» АО «Кизелуголь»; им. Ленина

АО «Ростовуголь» и шахтоуправления «Бургустинское» АО «Гуков-

уголь».

Применяемые на этих шахтах варианты очистки кислых вод отлича-

ются между собой методами нейтрализации, осветления воды, уплот-

нения и обезвоживания осадка. Мощность водоочистных сооружений

колеблется от 600 до 2500 м

/ч, диапазон концентраций ионов желе-

за — от 40 до 800 мг/дм

и алюминия — от 10 до 150 мг/дм

, удельные

капитальные затраты — от 0,16 до 0,49 руб/м

(в ценах 1984 г.) [1].

Аналогичные технологичные процессы по очистке кислых шахтных

вод применяются в мировой практике. Так, в штате Пенсильвания (США)

в эксплуатации находится промышленная установка для очистки кислых

шахтных вод производительностью 670 м

/ч. Кислая шахтная вода двумя

параллельными потоками подается в смесители, куда дозируется извест-

ковое молоко. Нейтрализованная шахтная вода из смесителей самотеком

поступает в аэраторы, где происходит интенсивное окисление двухвалент-

ного железа в трехвалентное. Продолжительность аэрации 40 мин. Далее

через распределительную емкость шахтная вода подается в два парал-

лельно работающих отстойника радиального типа, где она отстаивается

в течение 4 ч. Осветленная вода из обоих отстойников собирается в ре-

зервуар очищенной воды, откуда откачивается насосами потребителю или

сбрасывается в реку. Осадок из отстойника насосами подается в сборник

осадка, а затем направляется на складирование в шахту. Часть его ис-

пользуется в виде оборотного осадка и подается насосами в смеситель

или распределительную емкость перед отстойниками.

По технико-экономическим показателям отечественные очистные со-

оружения не уступают лучшим зарубежным образцам. Это создает на-

дежные предпосылки для широкого применения разработанных техно-

логий очистки кислых вод в угольной промышленности.

Интересный опыт накоплен в угольной промышленности по подго-

товке природных железосодержащих вод для питьевых целей. По резуль-

татам выполненных МНИИЭКО ТЭК исследований на Ипполитовском

водозаборе АО «Приморскуголь» внедрена установка по стабилизации

агрессивных железосодержащих вод производительностью 200 м

/ч.

Принятая технология позволяет осуществить удаление из воды агрес-

сивной углекислоты с содержанием до 60 мг/дм

физическим методом

взамен традиционного реагентного метода. При этом сокращается время

на стабилизационную обработку воды в 6—15 раз. За счет исключения

из состава сооружений оборудования, необходимого при реагентном спо-

собе, и в связи с упрощением технологии происходит значительное сни-

жение капитальных и эксплуатационных затрат. Годовой экономический

эффект от внедрения установки составляет 194 тыс. руб., народнохозяй-

ственный эффект — 1,5 млн руб. (в ценах 1984 г.).

Основные положения данной технологии использованы при проекти-

ровании сооружений по подготовке железосодержащих вод для питье-

вых целей на шахтах «Анадырская» и «Беринговская» АО «Северовос-

токуголь».

Представляет интерес опыт разрезов бывшей ГДР по очистке сточных

вод и последующему их использованию для хозяйственных нужд [3].

Более 50% сточных вод, образовавшихся при ведении открытых горных

работ, — кислые, показатель рН изменяется от 7 до 3. Среднее содер-

жание железа (как правило, в сульфатной форме) в этих водах 50 мг/дм

максимальное — до 150 мг/дм

. Все кислые железосодержащие воды

подвергались очистке на станциях нейтрализации с использованием гра-

нулированной извести или гидрооксида кальция (отходы ацетиленового

производства). Известь вводилась в виде известкового молока с актив-

ностью 10%, гидрооксид кальция — в виде суспензии или сухого по-

рошка с активностью 40—60%. Осветление воды после нейтрализации

производилось в прудах-осветлителях, сооруженных в близлежащих от-

работанных разрезах. Осветленная вода с рН 7 — 8 и содержанием железа

до 5 мг/дм

сбрасывалась в поверхностные водоемы или направлялась

потребителям, а железосодержащий осадок (шлам) оставался на месте

выпадения и практически не утилизировался из-за высокой стоимости

обезвоживания. После заполнения осадком и удаления воды поверхность

прудов-отстойников рекультивировалась.

В ряде зарубежных стран (США, Германия, Чехия, Канада и др.) зна-

чительный объем приходится на шахтные воды с кислой активной реак-

цией (рН < 6,5) и высоким содержанием солей железа. Очистка кислых

шахтных вод во всех странах осуществляется по единой технологии,

включающей предварительную аэрацию, обработку нейтрализующими

реагентами (в качестве последних используются известь, известняк, апа-

титы), осветление воды, уплотнение и обезвоживание образующегося

осадка, который затем складируется в специально отведенных местах.

В США были проведены исследования по использованию для очистки

кислых шахтных вод пресноводных водорослей. Опыты, проводившиеся

в горизонтальной горной выработке одной из отработанных шахт, пока-

зали, что удаление металлов (железа и марганца) с помощью водорослей

может оказаться эффективным. Полученные результаты по эффектив-

ности биологического метода нейтрализации кислых вод представляются

весьма интересными и свидетельствуют о необходимости проведения ши-

роких исследований в этой области.

Проблема нейтрализации кислых шахтных вод гидроботаническим ме-

тодом привлекает к себе повышенное внимание в США, Германии, Япо-

нии и других странах. В целях оценки возможности применения гидро-

ботанических методов для нейтрализации кислых шахтных вод МНИИ-

ЭКО ТЭК были проведены лабораторные исследования на специальном

стенде, обеспечивающем приготовление и поддержание стабильности

жидких сред и контроль за изменением их физико-химических парамет-

ров. В процессе исследований с использованием активных макрофитов,

отобранных на основании результатов первичного обследования Кизе-

ловского угольного бассейна, показана возможность увеличения рН

шахтных вод с 4,2 —4,9 до 6,2—6,5 при прямом контакте их с макрофитами

с плотностью культур 200—400 г/дм

. При этом отмечалось одновремен-

ное снижение содержания Fe

на 60—82%, Fe

— на 14 — 28%,

д[3+ — на 42 — 51%, SO

— на 72—86% с осветлением воды и обра-

зованием рыхлого осадка. Вместе с тем, как было установлено в процессе

прямой бионейтрализации, шахтные воды оказывают токсическое воз-

действие на развитие макрофитов, о чем свидетельствовало снижение

прироста биомассы на 20—42%.

В целях изучения механизма бионейтрализации проведены исследо-

вания на кислых средах Gaudeta (с отсутствием поливалентных металлов

и органических веществ), которые показали, что процесс бионейтрали-

лации кислых вод может осуществляться без прямого контакта макро-

фитов с ними. Этими работами была установлена возможность увеличе-

ния рН с 4,2—4,7 до 5,4—6.

В США, Канаде и Австралии получила распространение новая тех-

нология предотвращения закисления и загрязнения токсичными ме-

таллами воды и почвы при разработке угольных месторождений [6]. В ос-

нове технологии лежит использование анионных ПАВ «ПроМак», дей-

ствующих как бактерициды по отношению к тиобактериям (Thiobacillus

6 — 1052