Методология выбора способа очистки воды от органических соединений с использованием параметров экологического риска Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 504:001+504.06+504.064.2

А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич, А.А. Гущин, Н.А. Пластинина

МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА СПОСОБА ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА

(Ивановский государственный химико-технологический университет)

e-mail: [email protected]

Предложена методика экологической оценки способов очистки воды от органических соединений (в частности фенолов) с использованием в качестве основных критериев показателей экологического риска эксплуатации объекта. Приведены результаты расчётов по предложенной методике и показано, что из рассмотренных методов очистки воды от фенолов наиболее приемлемыми, с точки зрения величины их потенциальной опасности, являются совмещённый с озонированием электрохимический метод и плазменная обработка.

Предупреждение неблагоприятных экологических последствий при современном развитии промышленных технологий является в настоящее время важной проблемой и решается не только на региональном уровне, но и на международном [1]. Поэтому процесс выбора способа и технологии удаления органических соединений (в частности, фенолов - критериальных загрязнителей природных и сточных вод) из сточных вод (СВ), а также водоподготовки при наличии множества методов весьма затруднителен. Традиционная оценка экологической эффективности технологий ориентирована на более выгодную по экономическим показателям [2]. Поэтому в настоящее время при выборе способов очистки воды учитываются только эколого-экономические показатели, но не принимается во внимание такая важная характеристика, как уровень техногенного риска неблагоприятных экологических последствий при эксплуатации проектируемого оборудования. Отметим, что собственно анализ риска - это научный метод сопоставления опасностей и процесса разработки стратегии безопасного развития общества [1]. Следовательно, используя методы этого анализа можно [3]:

1) определить негативные экологические воздействия, связанные, в первую очередь, с техногенной деятельностью и выделяемыми при этом веществами и/или энергией;

2) сравнить новые и уже используемые технологии с целью определения эффективности различных мер, направленных на снижение экологического (и других видов) риска;

3) выбрать оптимальное, с экологической точки зрения, размещение потенциально опасных производств и других объектов;

4) выбрать приоритетный вариант для принятия управленческих решений с учетом пра-

вовых, экономических, производственных и экологических факторов.

Поэтому, основными целями работы были:

- оценка применимости предлагаемой методики выбора необходимого способа очистки СВ от растворённых в них органических соединений на примере фенола;

- сравнение существующих, наиболее часто применяемых схем очистки воды от фенола, с учётом параметров экологического риска.

Для очистки СВ от органических загрязнителей в настоящее время широко используются методы окисления и сорбции. Выбранные в данной работе для сравнения способы очистки СВ относятся к широко известным и перспективным деструктивным (электрохимическая деструкция, озонирование, низкотемпературная плазменная обработка барьерным разрядом (БР), УФ обработка) и регенеративным (сорбция) методам очистки.

Все расчёты для анализируемых методов очистки выполнены для расхода воды 5 м3/ч, что соответствует среднему объёму СВ предприятий. Начальная концентрация фенола в СВ принималась равной 5 мг/л, что составляет 500 ПДКр.х.

Для оценки величины уровня техногенного риска эксплуатации оборудования использовали интегральный показатель - математическое ожидание ущерба от прекращения работы оборудования [3, 4]. В таком случае, относительная общая польза, приносимая объектом, может быть оценена по формуле:

W = V/(G + B) (1)

где V - величина предотвращенного ущерба (У=Увпр, руб., оценка величины предотвращённого экологического ущерба от загрязнения водных ресурсов и атмосферы); G - затраты на предотвращение и снижение уровня техногенного риска, руб.; В - уровень техногенного риска, руб., кото-

рыи можно интерпретировать как математическое ожидание ущерба от этого риска.

Соответственно, чем выше величина W, тем более относительно безопасна и эффективна та или иная технология (водоочистки в нашем случае).

Отметим, что формула (1) является модификацией формулы, приведённой в работе [3] по которой польза, приносимая объектом (W), рассчитывалась как разность величины предотвращенного ущерба (V) и суммы затрат на предотвращение и/или снижения уровня техногенного риска и уровня техногенного риска (В):

V - ^ + B) (2)

Если рассчитывать общую пользу, приносимую любым оборудованием по выше приведённой формуле, она всегда будет иметь отрицательное значение и выбор наиболее безопасного метода очистки воды с её помощью становится затруднительным.

Уровень техногенного риска (В) в стоимостном выражении (математическое ожидание ущерба) рассчитывался следующим образом:

В = Р . У + Р У (3)

А ав ав 1 А регл рег

где Рав, Ррегл - вероятность возникновения опасного для окружающей среды (ОС) события при аварии и регламентной работы оборудования соответственно; Уав, Урег - ущерб от возникновения опасного для ОС события в аварийной ситуации и от регламентной работы соответственно, руб.

Исходя из предположения, что наихудшим событием для окружающей среды при оценке опасности оборудования является снижение эффективности очистки (или её прекращение), ущерб от указанной аварийной ситуации будет складываться из величины предотвращённого ущерба и наносимого для ОС ущерба при штатной работе оборудования и будет одинаковым при оценке ущерба водным объектам для всех рассматриваемых схем:

Ув = (Ув + Ув ). К = Ув . М • Кв • Кв • К (4)

ав ч-' пр ^ регл/ ^и уд ±у±фенол ^э ^и у '

Оценка величины экологического ущерба от загрязнения ОС при регламентной и аварийной работе проектируемого оборудования проводилась согласно [5] на основе региональных (Ивановская область) показателей удельного ущерба (в ценах на 1 января), представляющих собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведённой массы загрязняющих веществ. В расчётах принималось, что при работе оборудования наихудшим событием для ОС в оценках опасности его эксплуатации будет снижение эффективности (или вообще прекращение) процесса очистки.

Для определения вероятностей неблагоприятных событий для окружающей среды при использовании систем очистки СВ использовался метод построения и анализа "деревьев отказов" (АДО) [6] технологических процессов - как наиболее часто используемый, наглядный и рекомендуемый. Пример построения "дерева отказов" представлен в [7]. "Деревья отказов" были построены для элементов систем очистки, имеющих максимальный индекс потенциальной опасности, который рассчитывался по формуле, приведённой в Директиве "Seveso" (Директива ЕС № 82/500/ЕЕС от 24.06.1982 г. "Об опасностях крупных аварий, свойственных некоторым видам промышленной деятельности"):

Q/Qпор

I = c •

(5)

^/100)Р

где Q - количество вещества в установке, кг; QпoP -пороговое количество вещества (минимальное количество вещества, которое при определенных условиях может вызвать аварию с возможной гибелью людей, находящихся в момент аварии на расстоянии 100 м от исследуемого устройства), кг; С - поправочный коэффициент, учитывающий отличие от стандартных условий, (за стандартные условия принимают следующие: вещество находится в рабочей установке, а не в хранилище на товарном складе; установка расположена на открытом воздухе; вещество находится в жидком состоянии при атмосферном давлении; температура окружающей среды равна 25 °С; при данных условиях С = 1); R - расстояние от человека до установки, м (принимаем R = 1 м); р - показатель ослабления вредного воздействия с расстоянием (Р = 2 - для токсичных веществ, р = 3 - для взрывчатых веществ, р = 1 - для неопасных веществ).

Кроме того, индекс (показатель) потенциальной опасности был оценен также и по формуле, приведённой в [8]:

I = -0- (6)

Q пор

Если в установке (аппаратах и др. оборудовании) могло находиться несколько веществ, участвующих в технологическом процессе, индекс потенциальной опасности определялся как сумма индексов I по этим п веществам:

п

I (7)

i=1

Капитальные и эксплуатационные расходы оценивались исходя из технико-экономических показателей выбранного для сравнения оборудования. Ниже приведено краткое описание выбранных для сравнения методов очистки СВ от фенола.

1. Озонирование.

Типовая технологическая схема очистки СВ озонированием приведена в [9]. Озонирование - один из наиболее перспективных способов во-доподготовки и очистки СВ. Его высокая эффективность (до 95 %) обусловлена высокой реакционной способностью 03, что позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов, запахов и обеззараживание. Среди недостатков метода следует отметить высокие энергозатраты на получение 03, а также высокую коррозионную активность и токсичность озона, относящегося к веществам первого класса опасности (ПДКрз = 0,1 мг/м3), что ведёт к усложнению аппаратурного оформления процесса.

2. Электрохимическая деструкция.

Сущность метода электрохимической деструкции заключается в обработке СВ в аппарате с нерастворимыми в условиях анодной поляризации электродами. Промышленные установки для электрохимической обработки СВ отличаются высокой производительностью и эффективностью, компактностью и простотой аппаратурного оформления, возможностью полной автоматизации технологического процесса. Основной недостаток метода - высокий расход электроэнергии. Схема установки для электрохимической деструкции фенола представлена в [9, 10].

3. Адсорбция.

Применение сорбентов для удаления из воды растворенных органических веществ оправдано тем, что при этом загрязняющие вещества не разрушаются, т.е. отпадает опасность появления нежелательных продуктов деструкции. Но из-за большого расхода сорбента применение этого метода целесообразно, только если вещество обладает хорошими сорбционными свойствами при небольшом удельном расходе адсорбента. Особенно эффективно связываются с сорбентами гидрофобные соединения в молекулярном виде. Активированные угли для очистки СВ должны быть достаточно крупнопористыми (с эффективным радиусом пор 0,8 - 5,0 нм), чтобы обеспечивать извлечение из СВ крупных органических молекул. Процесс адсорбционной очистки ведут при интенсивном перемешивании адсорбента со СВ, при фильтровании через слой адсорбента или в псев-доожиженном слое на установках периодического или непрерывного действия с перекрестным или противоточным движением адсорбента и СВ. Процесс проводят в одну или несколько ступеней, в последнем случае эффективность очистки возрастает и может достигать 80 - 95 %. Кроме того, использование многоступенчатой схемы непрерывного действия позволяет существенно снизить

расход адсорбента (типовая технологическая схема приведена в [9]).

4. Очистка СВ с помощью ультрафиолетового излучения.

Наиболее распространёнными и широко известными в настоящее время источниками ультрафиолетового излучения являются ртутно-кварцевые лампы высокого давления ПРК и РКС-2.5. Ртутно-кварцевые лампы высокого давления (примерно 0,05 - 0,1 МПа) с температурой оболочки при работе лампы до 250 - 300 °С являются мощными источниками видимого света и ультрафиолетовых лучей с максимумом излучения линий при 253,7 - 366,3 мкм.

УФ облучение приводит к образованию в воде активных частиц и соединений, в частности O3, синглетного кислорода и свободных радикалов. Промышленные установки УФ обеззараживания большой производительности содержат много ламп-излучателей. Для поддержания эффективности обеззараживания требуется частая очистка их поверхности от химических и биологических наслоений, что существенно осложняет их эксплуатацию (типовая технологическая схема очистки приведена в [11, 12]).

5. Очистка воды от фенола с помощью плазмы поверхностно-барьерного разряда.

Описание и схема установки для очистки воды с помощью БР от органических соединений приведена в [13].

6. Электрохимия совместно с озонированием.

Описание и технологическая схема установки по очистке СВ от фенола представлены в

[14].

7. Импульсный коронный разряд (ИКР).

Степень превращения фенола составляет

92 %. Подробное описание принципа действия очистки водного раствора фенола с помощью импульсного коронного разряда описано в [15].

Результаты расчёта величин предотвращенных ущербов, обоснование величин затрат на предотвращение и снижение уровня техногенного риска основных аппаратов, а также вероятностей возникновения опасных для окружающей среды событий и ущербов от их возникновения приведены в таблице.

Отметим, что величина ущерба от аварии отличается, ввиду того что время восстановления после данного события для каждого метода будет отличаться, как и время работы оборудования с нарушенной системой очистки (Тнэ). В первом приближении оно принималось как Tнэ=Pав•T, где T - время прогнозирования (Т = 1 год).

Таблица

Оценка потенциальной опасности эксплуатации оборудования для очистки сточных вод от фенола. Table. Potential danger estimation of equipment for

s Ущерб, тыс.руб./год

Метод очистк P 1 ав Предотвращённый При регламентной работе При аварии Цена очистки СВ, руб./м3 G, тыс. руб./год B, тыс.руб./год W

М, 95 0,21 997,9 1750,8 763,12 0,64 28,17 1911,05 0,5

М2 92 0,13 966,2 143,6 472,41 8,80 385,48 205,01 1,6

М3 90 0,07 945,2 363,4 254,37 20,66 904,69 361,21 0,8

М4 99 0,07 1039,9 1511,6 254,37 1,20 52,56 1529,41 0,7

М5 99,5 0,14 1045,1 87,4 508,75 2,45 107,29 158,63 3,9

М6 99 0,19 1039,9 162,6 690,44 2,51 109,93 293,78 2,6

М7 92 0,13 966,2 290,7 472,41 2,45 107,29 352,11 2,1

Обозначения в таблице: М1 - озонирование; М2 - элекро-химическая деструкция; М3 - адсорбция; М4 - УФ обработка; М5 - плазма поверхностно-барьерного разряда; М6 - электрохимическая деструкция и озонирование; М7 -импульсный коронный разряд.

Высокие величины вероятностей возникновения аварийной ситуации для установок озонирования, электрохимической обработки, совместного воздействия электрического поля и озона, а также в системах с использованием ИКР и БР связаны с применением в данных схемах сложного электрооборудования, надёжность которого зависит как от самого оборудования, так и от квалификации обслуживающего персонала [16]. Кроме того, для плазмохимической установки при аварии нельзя исключить выделение в воздух озона, но ущерб из-за загрязнения атмосферы будет много меньше, чем при озонировании, благодаря присутствию в системе паров воды, снижающих выход 03 [17]. Анализ данных таблицы показывает, что наиболее эффективным способом очистки СВ от фенола является обработка в кислородной плазме БР, но вероятность того, что установка перестанет функционировать в регламентном режиме равна 14,1 %, что примерно в 10 раз больше, чем при эксплуатации наиболее надёжной системы обезвреживания - адсорбционной, но в 2 раза меньше, чем при озонировании. Оценки показали, что из рассмотренных способов очистки воды от фенола наиболее приемлемыми, с точки зрения параметра экологического риска, является комбинированный метод (озонирование + электрическое поле) очистки СВ от фенола, который характеризуется относительно низкой вероятностью возникновения аварийной ситуации по сравнению,

Кафедра промышленной экологии

например, с озонированием, так и наибольшей общей пользой (по отношению к другим сравниваемым методам) - W, приносимой данной установкой.

Таким образом, при выборе наиболее экологически приемлемой технологии или метода очистки воды возможно применение методологии анализа, использующей в качестве основных критериев показатели экологического риска (потенциальной опасности) эксплуатации объекта и величины предотвращённого ущерба.

Работа выполнена в рамках проекта T-JEP-

2006.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваганов П.А. Человек. Риск. Безопасность. Изд-во СПбГУ. 2002. 160 с.

2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Изд-во МГУ. 1996. 680 с.

3. Измалков В.И. Методология системного анализа источников радиационной опасности, прогнозирования и оценки радиационной обстановки и уровней риска. Изд-во СПб. НИЦЭБ. 1994. 80 с.

4. Тарасова Н.П. и др. // Химическая промышленность.

1994. № 6. С. 20-24.

5. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. Госкомэкология РФ. М.: 1999. С. 71.

6. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов № РД 03-418-01, утв. Постановлением Госгортехнадзора России от 10.07.2001 г. № 30. Срок введения в действие 01.10.2001 г.

7. Бубнов А.Г., Гриневич В.И., Гущин А.А. // Инженерная экология. 2006. № 2. C. 3-7.

8. Федеральный закон РФ № 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных промышленных объектов" от 21 июня 1997 года.

9. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности. // Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 3-е изд., перераб. и доп. Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой. 2000 г. 800 с.

10. Краснобородько И.Г. Деструктивная очистка сточных вод от красителей. Л.: Химия. 1988. 192 с.

11. Бутин В.М. и др. // Водоснабжение и санитарная техника. № 12. 1996. С. 18-20.

12. Архипова М.Б. и др. // Охрана окружающей среды и ресурсосбережение: Межвуз. сб. научн. тр. СПбГУТД.

1995. С. 164 - 169.

13. Bubnov A.G. at al. // Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 26. N 1. 2006. P. 19-30.

14. Бубнов А.Г. и др. // Журнал прикладной химии. 2004. T. 77. № 3. С. 399-403.

15. David R. at al. // Chemical Engineering Journal. 2001. N 82. P. 189-207.

16. Ильин Ю.А. Надёжность водопроводных сооружений и оборудования. М.: Стройиздат. 1985. 240 с.

17. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ. 1989. 176 с.