Е С Матлак, Е Л Огородник - Анализ проблемы деминерализации шахтных вод и перспективных направлений её решения - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 622.457.2

 

Е.С. МАТЛАК (канд. техн. наук, проф.), Е.Л. ОГОРОДНИК (студент) Донецкий национальный технический университет

 

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД И ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ЕЁ РЕШЕНИЯ

 

Проанализирована динамика этапов решения проблемы деминерализации шахт ных вод в условиях Донбасса. Предложены технико-экономические направления для разработки программы предотвращения сбросов неочищенных шахтных вод на основе их комплексной переработ ки и использования в народном хозяйстве, получаемых экологически чистых жидких и твердых продуктов. Рассмотрены пути повышения инвестиционной активности в регионе для реализапии предложенных направлений.

деминерализация, ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, дистилляция, освет ление шахтных вод

 

Постановка проблемы. Взвешенные вещества, содержащиеся в шахтных сбросах, - это прямой результат производственной деятельности. Их концентрация и гранулометрический состав в значительной степени зависят от уровня технологической и производственной дисциплины, соблюдения регламента работы во всех звеньях цепи очистных сооружений, а также от культуры содержания шахтных водосборных и водосбросных систем.

Снижение концентрации взвесей и солей происходит преимущественно лишь в результате разбавления шахтных вод более чистой водой в водоприемниках или атмосферными осадками. Однако процесс осаждения тонкодисперсных взвесей без их реагентной обработки требует длительного времени, исчисляемого десятилетиями и более.

Значение высокой степени осветления шахтных вод велико как с позиции охраны поверхностных водных объектов от загрязнения или заиливания, так и для обеспечения надежной работы деминерализационной технологической аппаратуры на стадиях очистки вод от солей. В связи с этим, а также возросшими требованиями правил охраны водных объектов при сбросе в них сточных (в том числе шахтных) вод, актуальным является совершенствование методов осветления шахтных вод, поиск новых подходов к оптимизации решения проблемы. В этом направлении с целью повышения эффективности очистки шахтных вод от взвешенных веществ, упрощения состава наземных очистных сооружений и их эксплуатации при минимальных энергозатратах особенно целесообразным является применение профилактических и очистных мероприятий в подземных горных выработках шахт. В работах ДонНТУ [1, 2] раскрыты предпосылки целесообразности реализации такого подхода и предложена технологическая схема снижения загрязненности шахтных вод в подземных условиях. Такая схема рассматривается как первая ступень очистки. Глубокая доочистка вод от взвесей осуществляется методом прямого фильтрования (в безреагентном или реагентном режимах) на поверхности земли в рамках второй ступени.

В естественных условиях в водных объектах имеют место процессы биологического самоочищения воды от ионов тяжелых металлов с помощью гидробионтов и водовоздушных растений при наличии определенных условий (невысокий уровень засоления сбросов, малые объемы сбросов), однако их роль невелика. При этом следует иметь в виду, что хотя в процессе биосамоочищения водаосвобождается от металлов, но последние осаждаясь в виде металлоорганических комплексов, накапливаются в донных отложениях, что создает возможность их перехода в толщу воды, т.е. вторичного загрязнения. Следовательно, рассматривать способность водоемов к самоочищению как реальный инструмент для увеличения ресурса опресненной воды, инвестируя средства на активизацию развития в водоемах, например, гидробионтов либо других водовоздушных растений, представляется неперспективным. Данный вывод коррелирует с мнением ДонУГИ [3]. Не следует надеяться, что положение с минерализацией водных ресурсов Донбасса улучшится в связи с процессом закрытия неперспективных шахт. Некоторое улучшение будет иметь место лишь в части снижения загрязненности водных объектов взвешенными веществами и бактериальными примесями, в то же время проблема минерализации речного стока с повестки дня не снимается. Это объясняется тем, что минерализованная вода из консервируемых шахт по-прежнему будет изливаться на поверхность земли. Она будет либо непосредственно откачиваться из закрываемых шахт (при использовании метода «сухой» консервации), либо перераспределяться на другие действующие шахты (при применении метода «мокрой» консервации), усиливая на последних концентрацию сбросов солоноватой и соленой шахтной воды.

Целью статьи является анализ проблемы деминерализации шахтных вод, а также поиск перспективных путей её решения.

Материалы и обсуж дения. Применение для очистки от солей шахтных вод известных технических методов деминерализации, использующихся в отечественной и мировой практике, либо не всегда дает необходимый эффект, либо не является экономически оправданным. Анализ позволяет заключить, что положительное решение этой актуальной проблемы может состояться, во-первых, в результате технического совершенствования методов деминерализации, а во-вторых, в рамках комплексной переработки шахтных вод. Именно комплексная переработка является радикальным направлением возврата шахтных вод в хозяйственных оборот региона и защиты природных водных объектов от загрязнения. Она позволяет использовать кондиционированную осветленную и опресненную шахтную воду на собственные нужды шахт, орошение сельхозугодий, коммунальные нужды городов и поселков, а также позволит перерабатывать жидкие рассолы в сухие товарные солепродукты, которые можно утилизировать. Лишь благодаря комплексной переработки шахтных вод попутно решаются очень важные народнохозяйственные вопросы: компенсация дефицита пресной воды (шахтные воды превращаются в ресурс промышленного водоснабжения); расширение ресурсов минерального сырья для нужд народного хозяйства путем извлечения солей из вод; переход промышленных предприятий на оборотное водоснабжение, обеспечивающее охрану качества воды в поверхностных водных объектах, в том числе Азовского моря.

Конечно, выделение, разделение и очистка солей до товарных продуктов часто является весьма трудной технологической задачей и на первый взгляд не всегда оказывается экономически целесообразной. Однако, учитывая вред, который наносится рассолами пресным водным объектам, комплексная переработка минерализованных шахтных вод неизбежна. Рентабельность процесса деминерализации может быть обеспечена путем реализации в качестве товара очищенной шахтной воды, а также извлеченных из нее солепродуктов (в сухой, твердой или сгущенной фазах).

Рассмотрим более детально научно-технический уровень решения проблемы деминерализации шахтных вод.

Можно констатировать, что стадия подготовки исходной воды перед концентрированием включает операции, вид которых определяется составом стоков, а также способом концентрирования. В общем случае она может включать очистку исходной воды путем ее осветления и обеззараживания, умягчения (с раздельным осаждением из воды карбоната кальция и гидроксида магния), стабилизации, нейтрализации, деаэрации, нагрева и другие операции.

Предварительная очистка исходной воды от взвесей необходима как уже отмечено выше для обеспечения эффективной и надежной работы всей технологической аппаратуры. Содержание взвешенных веществ в опресняемой воде должно отвечать нормам, принятым для питьевой воды (1,5 мг/л). Такой уровень осветления достигается коагуляцией взвесей (сульфатом алюминия Al2(SO4)3 и другими реагентами) с последующим осаждением и фильтрованием.

Умягчение опресняемой воды с раздельным выделением карбоната кальция СаСО3 и гидроксида магния Mg(OH)2 имеет различную актуальность и степень выделения в зависимости от используемого в схеме конкретного метода опреснения воды, начальной минерализации воды и химического состава минеральных солей. Оно может проводится в два этапа:1) частичное умягчение воды методами известкования с использованием гашеной извести СаСО3; содоизвесткования с Ca(OH)2 и Na2SO3; обработкой едким натром NaOH; (на этом этапе осаждаются соединения: карбонат кальция и гидроксид магния); 2) глубокое доумягчение методами ионного обмена (по схеме двухступенчатого натрий-катионирования); фосфатирования (второй этап проводится лишь при применении электродиализного метода опреснения воды).

С целью оптимизации рН исходной воды после первого этапа умягчения проводится его нейтрализация раствором технической соляной кислоты.

На стадии разделения солей перечень операций определяется взаимной растворимостью водно-солевой системы. В общем случае, эта стадия может включать упаривание или охлаждение с кристаллизацией, сгущение и отделение кристаллов в зависимости от используемого вида оборудования.

К опресненной воде, используемой потребителями, могут предъявляться различные требования. Так, если вода используется в качестве подпиточной или добавочной для водогрейных котлов, то опресненная вода не требует дополнительной обработки. Однако для хозяйственно-бытовых нужд, орошения эту воду необходимо подвергать стабилизационной обработке или кондиционировать. С этой целью опресненную воду, дочищают, пропуская через фильтры, загруженные мраморной крошкой или полуобожженным доломитом (магно-массой). Можно использовать также для этой цели гранулированный карбонат кальция, получаемый при декарбонизации или декальцировании воды; осуществлять предварительное насыщение воды углекислым газом.

На стадии обработки полученных солей осуществляется их обезвоживание, сортировка, упаковка, а также другие операции, обеспечивающие получение продуктов, удовлетворяющих либо нормативным требованиям (ГОСТ, ТУ), либо конкретных потребителей.

Несмотря на кажущуюся общеизвестность перечисленных методов основные процессы комплексной переработки шахтных вод требуют новых научно-технических решений, направленных на разработку специальной аппаратуры или модернизацию ранее употребляющейся, а также применения необычной для водоподготовки последовательности использования физико-химических методов обработки вод. В качестве же вспомогательных в технологических схем используются типовые химико­технологические процессы, хорошо отработанные и аппаратурно оформленные в промышленности. К таким процессам относятся: обжиг части карбоната кальция для получения извести; электролиз некоторого количества раствора хлорида натрия с получением едкого натрия, хлора, водорода; карбонизация части раствора едкого натрия для получения раствора соды и другие.

Кроме общности структурных признаков технологические схемы переработки минерализованных вод имеют некоторые общие технические особенности. Так, для получения чистых кристаллов растворы перед кристаллизацией в случае необходимости подвергают очистке от загрязняющих их примесей - охлаждением последних в виде нерастворимых соединений. Например, загрязняющие раствор ионы металлов осаждают в виде гидроксидов. Эффективность этого процесса зависит, в основном, от рН раствора. Известно, что для каждого металла имеется узкая область значений рН, в пределах которой происходит осаждение его иона из разбавленного раствора.

Для получения чистых веществ из водных растворов смесей на практике необходимо прибегать к многократной перекристаллизации. Кратность кристаллизации и оптимальную технологическую схему выбирают для каждого конкретного процесса на основе материальных и энергетических расчетов.

После кристаллизации в аппаратах любой конструкции полученные кристаллы отделяют от маточного раствора в отстойниках, вакуум-фильтрах и фильтрующих центрифугах, затем их промывают, сушат и используют как готовую продукцию или перерабатывают в другие вещества. Маточный раствор и промывные воды возвращаются на стадию концентрирования или направляются на доочистку с целью дальнейшего использования.

Технология комплексной переработки, обеспечивающая принцип безотходности путем разделения загрязненных вод на деминерализованную воду и соли в виде утилизируемых продуктов, а также выбор аппаратов и схем их компоновки определяются свойствами водно-солевой системы, наличием и возможностями выпускаемого оборудования, требованиями к качеству обессоленной воды, технико-экономическими показателями способа.

Положительное значение этих разработок заключается в том, что они позволили, во-первых, выбрать из большого количества известных до настоящего время в мировой практике традиционных методов деминерализации соленых вод наиболее приемлемые для очистки шахтных вод; во-вторых, предложить на их основе технологические схемы опреснения шахтных вод.

Выбор методов деминерализации осуществляется с использованием известного принципа решения главной задачи - разделение исходной воды на обессоленную воду и в минимальном объеме концентрат (рассол), пригодный к утилизации с выделением сухих солепродуктов или захоронению. При этом установлено, что для опреснения шахтных вод наиболее перспективными являются метод ионного обмена, мембранные методы (электродиализ и обратный осмос) и дистилляционный метод.

Результаты сравнительного анализа избранных методов по себестоимости опреснения шахтных вод и определение области их использования приведены на рисунке /9/ Видно, что технологически наиболее универсальным из перечисленных методов является дистилляционный.

Особенно экономичными дистилляционные установки являются при солесодержании более 10 г/л, производительности порядка 4000 м3/ч и наличии бросовой теплоты. Однако рассредоточенность источников сброса минерализованныхшахтных вод, их относительно незначительный объем (в среднем 300 м3/ч) и малое солесодержание (в среднем 3,5 г/л по каждому источнику) ограничивают возможность применения больших дистилляционных установок даже для групп шахт. Кроме того, непостоянство химического состава шахтных вод и их высокая жесткость создают дополнительные трудности при опреснении вод дистилляцией (так как шахтные воды необходимо вначале очищать от солей жесткости, т.е. умягчать). Поэтому все большее распространение получают мембранные методы опреснения шахтных вод.

Окончательно выбор метода опреснения рекомендуется осуществлять в зависимости от солесодержания шахтной воды, производительности опреснительной установки, количества получаемых рассолов, стоимости и расхода топлива, электроэнергии, реагентов, местных условий.

Область применения каждого метода может быть рекомендована следующим образом: опреснение шахтных вод с содержанием солей до 3,0 г/л наиболее экономично проводить с помощью метода ионного обмена; опреснение воды с концентрацией солей 3,0...8,0 г/л - обратным осмосом и электродиализом; с концентрацией 8,0.. .18,0 г/л - обратным осмосом; опреснение воды с солесодержанием выше 18,0.20,0 г/л - дистилляцией.

Но в любом случае при солесодержании исходной воды в диапазоне от 2,0 до 10,0 г/л метод обратного осмоса применять предпочтительнее по следующему важному признаку: он позволяет получить наименьшее количество концентрата по сравнению с другими методами, и следовательно, хвостовая часть переработки рассолов потребует значительно меньших капитальных и эксплуатационных затрат.


0         5        10        1S        20        25        30        35 40

Соле содержание, г/л


Кроме того, применение мембранной технологии на основе метода обратного осмоса имеет также целый ряд дополнительных преимуществ, которые заключаются в следующем:

1. Низкая энергоемкость способа, по сравнению с известными методами деминерализации, поскольку вода не претерпевает фазовых превращений (испарения или замораживания).


Рисунок Себестоимость опреснения шахтных
1,2 f~                         вод различными способами

2.      Высокая эффективность способа, благодаря высокой (96%) селективности мембран, особенно полиамидных, устойчивых к гидролизу в широком диапазоне рН от 4 до 11.

3.      Отсутствие (благодоря низкой температуре процесса, разделения смесей, близкой к температуре окружающей среды) следов разложения или полимеризации компонентов, содержащихся в смксях

4.      Полная бактерицидная обработка воды, благодаря малости диаметра пор мембран, не пропускающих бактерии.

5.      Простота технологической схемы, легко поддающаяся автоматизации, малая площадь, занимаемая установками.

6.      Технически простой контроль качества очищенной воды (например, по ее удаленной электропроводности).

7.      Низкие эксплуатационные затраты

Хотя капитальные затраты на реализацию способа обратного осмоса относительно велики, однако в перспективе имеют тенденцию к снижению благодаря действию следующих факторам.

Во-первых, поскольку мембранные технологии получают все большее развитие в мировой практике не только для очистки воды, но также для достижения других целей в химической, электронной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, то неизбежно прогрессирующее развитие техники способа, что позволяет прогнозировать совершенствование и удешевление его конструктивных элементов, в том числе производства пока еще дорогостоящих мембран.

Во-вторых, как известно, с увеличением производительности обратноосмотических установок капитальные затраты также существенно снижаются. Это означает, что на практике необходимо стремиться к сооружению не индивидуальных (по отдельным шахтам) деминерализационных установок, а «кустовых», т.е. для групп (от двух до четырех шахт). Для этого должна быть разработана программа создания и размещения станций комплексной переработки шахтных вод с обратноосмотическими установками в пределах Донецкого промышленного региона.

Наконец, в-третьих, следует отметить, что в процессе работы низкие эксплуатационные расходы при использовании метода обратного осмоса способствует быстрой окупаемости установки.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что чисто технические вопросы проблемы деминерализации шахтных вод, несмотря на их сложность, могут быть успешно решены. Вопрос заключается в том, в состоянии ли угольная промышленность экономически осуществить полномасштабную деминерализацию шахтных вод, например, в пределах Донбасского региона?

Как известно в настоящее время эта отрасль находится в кризисном состоянии, ее финансовые ресурсы ограничены, в связи с чем отраслевая экологическая политика не может соответствовать в полной мере требованиям природоохранного (в том числе водоохранного) законодательства страны. Поэтому можно прогнозировать, что проблема охраны малых рек Донбасса от их засоления шахтными водами силами угольной промышленности не будет решена, видимо, даже в ближайшие десятилетия. Проблема деминерализации шахтных вод является в настоящее время в большей мере экономической, нежели технической проблемой.

С учетом этого прогнозного вывода можно заключить, что обществу (нооценозу) необходимо осознать глубину возникшего в угольной отрасли кризиса и искать новыеэкономические подходы для решения проблемы деминерализации шахтных вод. В каком направлении искать эти подходы?

Выбор типа стратегии осуществляется на основе характера решаемой проблемы, сформулированных задач и специфических особенностей той реальной ситуации, в которой находятся объекты и субъекты, участвующие в решении проблемы.

Специфической особенностью Донбасса является то, что в нем сложилась парадоксальная ситуация: регион испытывает острый дефицит питьевой воды, а попутно-добываемые в огромном количестве шахтные воды не используются для его преодоления и вызывают значительные негативные экологические последствия в окружающей гидрографической сети.

Анализ сложившейся достоверной ситуации в регионе подсказывает, что стратегия поиска выхода из нее должна быть рациональной и проявляться в решении одновременно двух задач:

         охрана местных водных ресурсов от загрязнений путем очистки шахтных вод;

         использование очищенных шахтных вод в качестве ресурса промышленного водоснабжения региона.

Постановка второй задачи требует предварительно ответа на вопрос: можно ли использовать шахтные воды по их качественным (санитарно-гигиеническим и техническим) показателям для максимального вовлечения в хозяйственное водоснабжение?

Положительный ответ на этот вопрос содержится в результатах работ ДонНТУ, ДонУГИ, ОАО «УкрНТЭК», ВНИИОСуголь и других институтов по оценке качества откачиваемых из шахты вод на содержание в них полезных и вредных примесей. Так, например, анализ химического состава сбрасываемых шахтных вод, а также требований к качеству воды, необходимой для использования в системах промышленного водоснабжения предприятий, выполненный УкрНТЭК, показывает, что около 80% шахтных вод после их очистки и кондиционировании могут быть использованы в качестве источника технического водоснабжения.

Кондиционирование шахтных вод необходимо для корректировки ионного состава воды (умягчения, т.е. устранение жесткости, уменьшения концентрации содержащихся солей, подкисления или подщелачивания). Целесообразность проведения этой стадии объясняется тем, что зачастую для повторного использования шахтных вод экономически невыгодно проводить их глубокое обессоливание или опреснение. Если минерализация шахтной воды превышает требуемую потребителем, то для кондиционирования реальны два пути: разбавление ее атмосферными осадками в прудах или смешивание с водопроводной водой.

При этом благодаря кондиционированию вод во многих случаях (например, на северо-востоке Донецкой области , где концентрации солей в шахтных водах не превышает 1,5-2 г/л) не потребуется строительство дорогостоящих опреснительных станций. По предварительной оценке, с учетом территориального расположения шахт, а также возможных потребителей технической воды, объем использования очищенных и кондиционированных шахтных вод может составить 150-200 млн. м3/год. При достижении такого объема использования шахтных вод экономия воды питьевого качества составит величину, эквивалентную потребности 1,5-2,0 млн. человек.

Строительство мощных опреснительных установок, обеспечивающих доведение качества воды до питьевого уровня, позволит еще полнее увеличить объем использования шахтных вод не только в качестве ресурса промышленного водоснабжения региона, но также для хозяйственно- питьевых целей.

Таким образом, очистка и использование очищенных шахтных вод позволит одновременно предотвратить загрязнение поверхностных водных объектов и уменьшит дефицит питьевой воды в Донбассе.

Определим подходы для эффективного решения поставленных задач. Их правильный выбор и обоснование в настоящее время возможны только с учетом современных мировых экономических тенденций, а также изменений в народном хозяйстве Украины, для которого в настоящее время характерно становление рыночных отношений.

Обратимся вначале к международному опыту. Коммерческая необходимость, в связи с ограниченностью природных ресурсо, вызвала к жизни понятие «зеленый имидж» («экологическая бизнес-этика»), который подталкивает промышленно развитые страны, предприятия, фирмы проводить свою хозяйственную политику на основе экологосбалансированных целей, «смотреть далеко вперед», чтобы защитить свой бизнес.

Многие западные фирмы осознали, что современная политика осуществления экологически обоснованного подхода к бизнесу является своего рода капиталовложением, ориентированным, в том числе, и на завоевание обширного рынка. Такой подход вместе с другими технико-экономическими подходами способствует формированию в экономике государств шестого технологического уклада, ресурсосберегающего и безотходного с использованием нанотехнологий. В структуре экономики Украины преобладают пока производства третьего технологического уклада (горное, металлургическое, энергетическое, неорганическая химия, общее машиностроение, железнодорожный транспорт) и частично присутствует четвертый. Доля шестого уклада составляет не более 0,1%.

К числу практических мер (как показывает опыт развитых стран), способствующих переходу экономики Украины к более высокому технологическому укладу на принципах инновационно-прорывной стратегии, относится совершенствование экологического (ресурсосберегающего) механизма экономической политики государства. При этом с позиции современного ресурсосберегающего подхода Украине целесообразно не догонять развитые страны в технологиях пятого технологического уклада, который в мировой практике уже устаревает, а сосредоточить внимание на становлении ключевых направлений шестого уклада. В этом сущность инновационного технологического прорыва

Новая современная идеология природопользования, возникшая в мировом экономическом развитии, подразумевает определенную последовательность действия приоритетов в экологизации экономики и решении экологических проблем:

1)     использование альтернативных вариантов решения экологических проблем (структурная перестройка экономики, изменение экспортной политики, конверсия);

2)     развитие малоотходных и ресурсосберегающих технологий, технологические изменения;

3)     прямые природоохранные мероприятия (строительство различного рода очистных сооружений, рекультивация земель и др.).

Анализируя приведенные приоритеты, можно заключить, что отдельным, но тесно примыкающим к безотходному производству процессом, является использование (или переработка) попутных отходов. К ним относятся попутно-добываемые шахтные воды, использование которых необходимо определять как приоритетное направление экологизации экономики Донбасса.

Мировой опыт показывает также, что решение проблем устойчивого экономико-экологического развития особенно актуально для тех регионов, где остро стоят глубоко назревшие вопросы охраны природных ресурсов и экосистем. Таким регионом Украины является Донбасс, который имеет ярко выраженные черты территориально-промышленного комплекса (ТПК) с развитой инфраструктурой хозяйства. Именно при наличии развитой инфраструктуры ТПК создаются наиболее благоприятные возможности для развития малоотходного и безотходного производства, в том числе использования попутно-добываемых шахтных вод.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Е С Матлак, Е Л Огородник - Анализ проблемы деминерализации шахтных вод и перспективных направлений её решения