Актуальность проблемы. Одной из особенностей крупных химических и нефтехимических комплексов в настоящее время является диверсификация производственной деятельности, выражающаяся в-расширении ассортимента и освоении новых видов выпускаемой продукции, а также вертикальная интеграция с целью обеспечения максимально возможной глубины переработки углеводородного сырья. Следствием данной стратегии развития, обусловленной необходимостью повышения конкурентоспособности предприятия в условиях постоянно меняющихся внешних экономических факторов, кроме всего прочего, является также усложнение качественного состава отходов производства, и, в частности, сточных вод. В результате на очистные сооружения промышленных предприятий поступают многокомпонентные и непостоянные по количеству" и качеству сточные воды. Эти стоки содержат различные классы органических соединений, нередко характеризующихся высокой токсичностью и биорезистентностью. Вдобавок к этому при смешении в общей канализационной сети предприятия сточных вод различных производств часто проявляется эффект синергии, что в некоторых случаях приводит к многократному повышению токсичности стоков. Поэтому при разработке концепции развития и реализации новых проектов реконструкции и модернизации производственных процессов всегда необходимо принимать во внимание проблему очистки сточных вод и необходимость поэтапного снижения отрицательного воздействия промышленных предприятий на природные водоприемники.
Очистка промышленных сточных вод химических и нефтехимических предприятий представляет собой сложную научно-техническую и технолого-инженерную задачу, особенно, учитывая всё возрастающие требования к глубине очистки от специфичных компонентов, представляющих повышенную опасность для гидробионтов водоемов рыбохозяйственного назначения. Попадание этих загрязнителей в водоемы сопровождается перестройкой биоценоза и приводит к нарушению экологического равновесия. Традиционные очистные сооружения производственных сточных вод крупнотоннажных производств, в основной своей массе спроектированные и построенные в 60−80-х годах прошлого столетия, зачастую объективно не могут обеспечить выполнение современных требований к качеству очистки. Даже кратковременные залповые сбросы токсичных загрязнителей органической природы могут нарушить ход течения биохимических процессов в аэротенках на продолжительное время. Используемые на стадии физико-химической очистки реагенты (коагулянты, флокулянты, нейтрализаторы и т. п.) нередко приводят к вторичному загрязнению сточных вод и сами могут представлять повышенную экологическую и техногенную опасность. При этом в России установлены одни из самых жестких требований к качеству очистки сточных вод, например, ПДК летучих фенолов для водоемов рыбохозяйственного назначения составляет 0,001 мг/дм .
Всё это обуславливает актуальность и первостепенное значение решения задачи снижения экологической нагрузки от производственной деятельности промышленных предприятий, что в полной мере относится и к проблеме очистки сточных вод. С точки зрения экономической целесообразности необходимо изыскивать способы интенсификации очистки сточных вод на существующих очистных сооружениях, без значительных капитальных затрат.
В настоящей диссертационной работе исследована возможность и целесообразность внедрения ресурсосберегающих способов обезвреживания щелочных многокомпонентных сточных вод предприятий основного органического и нефтехимического синтеза для решения задачи оптимальной подготовки стоков к их последующей биологической очистке.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной программой «Эффективное потребление энергоресурсов» и программой «Энергоресурсоэффективность в Республике Татарстан на 2006;2010 г. г.».
Цель работы состоит в создании благоприятных условий для биоценозов очистных сооружений и снижении антропогенного воздействия на природные водоприемники на основании данных мониторинга состава и количества примесей многокомпонентных производственных сточных вод щелочного характера с разработкой ресурсосберегающих способов их обезвреживания.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение комплексного мониторинга состава и количества примесей многокомпонентных щелочных стоков, поступающих на очистные сооружения предприятия.
2. Исследование возможности и целесообразности использования газообразного диоксида углерода для нейтрализации щелочных стоков взамен используемой в настоящее время концентрированной серной кислоты.
3. Разработка технологической схемы для промышленного внедрения нейтрализации многокомпонентных щелочных сточных вод диоксидом' углерода.
4. Разработка и реализация алгоритмов математического описания исследуемых процессов.
5. Исследование адсорбционного метода очистки многокомпонентных сточных вод, в том числе при «залповых» поступлениях загрязняющих компонентов, с использованием в качестве адсорбента промышленного отхода — отработанного перлита.
Научная новизна.
1. Впервые исследована нейтрализация щелочных многокомпонентных сточных вод производств основного органического и нефтехимического синтеза газообразным диоксидом углерода и экспериментально установлены оптимальные параметры процесса нейтрализации.
2. Разработана оригинальная математическая модель процесса нейтрализации многокомпонентных щелочных сточных вод диоксидом углерода.
3. Получены новые экспериментальные данные адсорбционной обработки многокомпонентных стоков с использованием промышленного отхода — отработанного перлита.
Практическая значимость.
1. Разработан технологически обоснованный способ обезвреживания многокомпонентных щелочных сточных вод с целью их оптимальной подготовки к последующей биологической очистке, эффективно заменяющий и дополняющий традиционные методы обработки промышленных стоков.
2. Проведены опытно-промышленные испытания разработанной, технологии нейтрализации многокомпонентных щелочных сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез». При этом суммарный экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии нейтрализации с учетом капитальных и эксплуатационные затрат, а также предотвращенного экологического ущерба составит около 20 млн. руб/год.
3. Предложен способ использования отхода производства разделения воздуха — отработанного перлита в качестве эффективного адсорбента токсичных и биорезистентных загрязнителей многокомпонентных сточных вод.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: V Межрегиональной конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2009), XIII Международной конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений — V Кирпичниковские чтения» (Казань, 2009), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2010).
Публикации.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в печати в 6 статьях и 2 тезисах докладов.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, включающего 124 наименования. Работа проиллюстрирована 25 рисунками и 18 таблицами. Приложение занимает 2 страницы.
Выводы.
1. На основании данных мониторинга состава и концентрации примесей многокомпонентных щелочных сточных вод и последующих экспериментальных исследований доказано, что использование газообразного диоксида углерода в качестве альтернативного нейтрализующего агента будет способствовать созданию благоприятных условий для последующей биологической очистки сточных вод.
2. Показано, что замена используемой в настоящее время серной кислоты на диоксид углерода позволит исключить вторичное загрязнение очищаемой сточной воды сульфатами, а также снизит объемы хранения и потребления опасного вещества 2 класса — концентрированной серной кислоты.
3. На основании результатов опытно-промышленных испытаний доказана возможность внедрения нейтрализации многокомпонентных щелочных сточных вод диоксидом углерода на действующих очистных сооружениях, без существенных капитальных вложений.
4. Суммарный экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии нейтрализации с учетом капитальных и эксплуатационных затрат, а также предотвращенного экологического ущерба, составит около 20 млн. ру б/год.
5. Для выявления теоретических закономерностей построена оригинальная математическая модель нейтрализации диоксидом углерода щелочных сточных вод и выполнена её программная реализация. Относительная погрешность результатов моделирования и экспериментальных данных составила 3 — 4%.
6. На основании расчетов абсорбции газообразного диоксида углерода показано, что поверхность массообмена превышает теоретически необходимую более чем в 1,6 раза, а время растворения пузырька газа в 2 раза меньше времени его существования. Таким образом, можно утверждать, что будет использоваться весь объем С02, то есть исключается возможность, вторичного загрязнения окружающей среды.
7. Экспериментально показана целесообразность использования промышленного отхода — отработанного перлита для адсорбции экотоксикантов и биорезистентных соединений, например н-СПАВ, из многокомпонентных сточных вод перед их биологической очисткой в периоды «залповых» сбросов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Обеспечение максимальной окислительной мощности очистных сооружений промышленных предприятий, представляющих собой составную часть водоохранного комплекса, особенно в условиях расширения производственной деятельности и освоения новых видов выпускаемой продукции, имеет первостепенное значение и решение этой задачи становится возможным только при использовании комплексного подхода, включающего в себя анализ работы как очистных сооружений, так и промышленного (предприятия в целом. Наличие в сточных водах биорезистентных и токсичных компонентов, а также широкий диапазон колебания их концентраций приводит к неустойчивой работе биологических очистных сооружений и формированию биоценоза активного ила, не обладающим достаточно высоким окислительным потенциалом. Стадия биохимического окисления загрязняющих компонентов имеет, конечно же, важнейшее значение, однако, её возможности объективно ограничены. Поэтому стабильность и глубина очистки сточных вод в целом напрямую зависит от степени нивелирования в сточных водах комплекса возмущающих факторов, обусловленных производственной деятельностью, ещё до стадии биологической обработки.
К основным выводам по результатам настоящей диссертации, направленной на решение важнейшей экологической задачи — снижение негативной нагрузки на окружающую среду от производственной деятельности крупных химических и нефтехимических комплексов, можно отнести следующие:
