Введение к работе
Актуальность. Негативные изменения в окружающей среде предопределяют понимание того, что социально-экономические принципы развития общества должны быть кардинально изменены. По-видимому, необходимо менять стратегию потребления природных ресурсов в пользу сбалансированного развития с использованием наукоемких технологий. Особенно важно следовать этому в таком многотоннажном производстве, каким является водоподготовка. Необходим переход на максимально рациональные технологии потребления воды на промышленных предприятиях, а очищенные сточные воды следует рассматривать как новый дополнительный источник водоснабжения; и их использование как наиболее эффективное мероприятие по сокращению потребления природных ресурсов. Конкретные решения этих проблем необходимо разрабатывать и апробировать в конкретных регионах, на конкретных предприятиях.
Состояние проблемы. Загрязнение воды представляет собой комплекс проблем, связанных с загрязнениями малыми количествами тяжелых металлов и радиоактивных веществ, присутствие которых может оказывать разрушительное действие на живые организмы. Более обычными, но чрезвычайно токсичными, являются такие органические загрязнители, как нефтепродукты, пестициды, ПАВ.
Экспертный анализ проектов природоохранных объектов, представленных на согласование в 1993-Ї996 гг в Госкомитет по экологии республики Бурятия, показал:
проектирование очистных сооружений осуществляется под объемы сточных вод, определяемые заказчиком, без анализа существующего положения на действующих предприятиях и со слабой проработкой мероприятий по сокращению сброса сточных вод, что приводит к завышению мощности проектируемых сооружений и увеличению стоимости строительных работ;
при очистке сточных вод широко используется реагентная обработка, главный недостаток которой заключается в необходимости использования значительного избытка против стехиометрии реагентов, приводящих к вторичному загрязнению воды;
не решается проблема удаления из биологически очищенных сточных вод аммонийного азота до норм, установленных для водоемов рыбохозяйственного назначения;
до сих пор не решена удовлетворительно проблема обеззараживания биологически очищенных сточных вод без применения хлора.
Все сказанное делает актуальным, особенно для новых горно-обогатательных предприятий в условиях легкоранимой природы северных регионов, разработку комплексных технологий, обеспечивающих одновременно и эффективную очистку, и деминерализацию
3 '
сточных вод с возвратом их в производство, а также безопасное обеззараживание воды, сбрасываемой в поверхностные водоемы.
Цель работы. Дальнейшее развитие научных основ разработки комплексных эффективных и экономически приемлемых технологий обезвреживания и кондиционирования сточных вод, технологий, которые будут способствовать решению проблем создания экологически чистых горнодобывающих и горноперерабатывающих производств и, тем самым, решению проблем устойчивого развития регионов при максимальном сбережении природных ресурсов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
созданием модели экологически выгодного и экономически целесообразного водопотребления, основанного на сокращении расхода воды, энергии, реактивов;
изучением физико-химических процессов, протекающих при очистке сточных вод предприятий по добыче и переработке минерального сырья;
разработкой и реализацией новых способов очистки и обеззараживания сточных вод, применимых для обезвреживания токсичных, бионеразлагаемых и дурнопахнущих соединений в широком диапазоне концентраций;
созданием новых эффективных адсорбентов из природного минерального сырья - бентонитовых глин.
Основная научная идея проведенных исследований заключается в том, что экологически состоятельные пути повышения эффективности очистки сточных вод от техногенных загрязнений базируются на комбинации различных методов физического и химического^ воздействия на изучаемые объекты. При этом совместно с традиционными приемами, такими как коагуляция, адсорбция, ионный обмен, используются и методы окислительного катализа, электроннолучевые технологии, УФ-излучение, ультразвук.
Работа выполнена в соответствии с координационным планом СО РАН по проблеме "Биосферные и экологические исследования", постановлением СО АН СССР и Минлеспрома СССР N 215-А-1500-1040 от 31.10.88 г. "О проведении совместных работ Минлеспрома СССР и СО АН СССР на Селенгинском ЦКК в целях создания экологически чистого производства", ГНТП "Экологические процессы химии и химической технологии", РНТП "Цеолиты России"..
Методы исследования. В работе для решения конкретных задач использовались современные физические и химические методы исследования: ультрафильтрация, воздействие акустическими колебаниями, ультрафиолетом и ускоренными электронами, ИК-, УФ^ спектроскопия, фотоколориметрия, ВЭЖХ, ПКХ, гель-хроматография, атом-но-абсорбционная спектроскопия, потенциометрия. Результаты об-
рабатывались с использованием ЭВМ. Технологические эксперименты проведены в лаборатории, на пилотных установках и в промышленных условиях.
Научная новизна защищаемых в диссертации результатов заключается в следующем:
получили дальнейшее развитие научные основы интенсификации процессов очистки и обессоливания производственных сточных вод от тяжелых металлов, солей жесткости, сульфатов и других загрязнителей путем использования эффекта множества микрогальва-нопар, обоснованы и экспериментально подтверждены механизмы взаимодействия компонентов сточных вод в процессе очистки;
установлены закономерности окислительной деструкции органических компонентов, в частности, фенола, пестицидов, красителей, при контакте сточной воды с железо-углеродной (цеолитовой) загрузкой в присутствии кислорода воздуха и пероксида водорода;
установлены закономерности взаимодействия лигносульфо-натов с ионами тяжелых металлов в сточных водах и особенности их концентрирования на ультрафильтрационных мембранах;
для очистки сильнозагрязненных и минерализованных сточных вод разработан эффективный сорбент, полученный путем модификации природного монтмориллонита воздействием акустических колебаний в присутствии Fe(III);
установлены закономерности ионообменной сорбции тяжелых металлов из многокомпонентных растворов природными цеолитами, проведен расчет технологических параметров ионообменной доочистки сточных вод в зависимости от состава растворов, скорости фильтрования, диаметра зерна сорбента;
изучены особенности доочистки биологически очищенных сточных вод (БОСВ) на фильтрах с цеолитовой загрузкой;
показана эффективность применения природных цеолитов для каталитического окисления токсичных сернистых соединений при радиационной обработке сточных вод;
показана эффективность радиационного обеззараживания сточных вод и предложена технология глубокой доочистки БОСВ с применением природных цеолитов и ускоренных электронов;
разработана и экспериментально подтверждена концепция снижения экологической нагрузки на окружающую среду при производстве сульфатной целлюлозы, которая позволяет развить новые подходы для решения экологических проблем, в том числе и предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.
Практическая значимость работы заключается в реализации комплексной модели экологически выгодного и экономически целесообразного водопотребления, основанного на сокращении расхода
воды, энергии, реактивов, в создании и промышленном освоении новых технологий очистки и обеззараживания сточных вод горнодобывающих и других водоемких производств.
По результатам работы реализованы следующие технологии: очистка хромсодержащих и общих стоков гальванического производства з-да "Теплоприбор", локальная система очистки промывных вод производства печатных плат с замкнутым циклом водопотребления на АО "Приборостроительное объединение", локальная система очистки сточных вод участков гальванических покрытий и регенерации аккумуляторов (ЛВРЗ) с замкнутым циклом водопотребления, технология очистки сточных вод окислительного крашения шубной овчины в хозяйстве "Удинское" (Бурятия).
Полученные экспериментальные данные включены в рабочий проект станции очистки карьерных вод рудника по добыче свшщово-цинковых руд. Разработан и реализован рабочий проект станции глубокой доочистки избыточных вод хвостохранилища хвостов флотации (АО "Бурятзолото"). Разработаны и опробованы на очистных сооружениях объединения "Бурятводоканал" режимы фильтрования БОСВ для доочистки от взвешенных веществ и условия извлечения из БОСВ аммонийного азота природными цеолитами.
Проведены испытания камеры облучения стоков, определены режимы обработки и подтверждена эффективность обеззараживания сточных вод и их очистка от серусодержащих соединений при облучении электронами с энергией до 2 МэВ.
Разработана технология обработки щепы ускоренными электронами перед сульфатной варкой. АО "Сибгипробум" с использованием данной технологии разработан рабочий проект опытно-промышленной установки для Селенгинского ЦКК.
На защиту выносятся следующие основные положения: - обоснование принципов организации физико-химических процессов, обеспечивающих при очистке сточных вод комплексное воздействие на изучаемую систему и способствующих созданию экологически чистых горнодобывающих производств;
механизмы взаимодействия неорганических и органических компонентов воды в процессе гальванокоагуляционной очистки.
особенности протекания физико-химических процессов при воздействии ускоренных электронов на влажную щепу;
особенности ионного обмена на природных цеолитах при очистке сточных вод от тяжелых металлов;
способ и механизм модификации монтмориллонита;
- технологии очистки, обессоливания и обеззараживания
сточных вод, позволяющие повысить экологические и технологиче
ские показатели предприятий по переработке минерального сырья.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на региональных конференциях: "Научно-технический прогресс и проблемы охраны природной среды в бассейне о.Байкал" (Улан-Удэ, 1987), "Охрана окружающей среды и человек" (Кызыл, 1988), "II конф. Жидкость: проблемы и решения" (Улан-Удэ, 1996); Республиканских и Всесоюзных конференциях и совещаниях: Y и YI семинары по мембранам и мембранной технологии (Киев - Одесса, 1989 и 1990), "YIII симпоз. по сильноточной электронике" (Свердловск, 1990), Y конф." Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово, 1990), "Интенсификация работы станций очистки сточных вод путем внедрения новейших достижений науки и техники" (Москва-Томск, 1990), "Химия целлюлозы" (Минск, 1990), "IY конф. Водорастворимые полимеры и их применение" (Иркутск, 1991), "II конф. Мембраны и мембранная технология" (Киев, 1991), "Цеолиты России" (Новосибирск, 1991), "YII совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве" (Ленинград, 1992); международных конференциях: конф. соцстран "Исследование и применение природных цеолитов" ^Тбилиси, 1988), конф. NATO Advanced Research Workshop "Sustainable Development of the Lake Baikal Region as a Model Territory for the World"(Ulan-Ude, 1994), "Природные цеолиты в народном хозяйстве России" (Иркутск, 1996), "Экотехнология-96" (Иркутск, 1996), русско-немецком форуме на Байкале "ТеггаТес" (Иркутск, 1996), международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1996), научно-техішческом семинаре "Problems of drinking water supply and means of its solution" (Stockholm, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, в том числе 3 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 305 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 218 наименований, 7 приложений, содержит 62 рисунка, 49 таблиц.