CC BY
210
УЕБТЫНС
мвви
УДК 628.3
Д.В. Павлов, Е.С. Гогина*
ФГБОУВПО «РХТУИМ. Д.И. Менделеева», *ФГБОУВПО «МГСУ»
СОВРЕМЕННАЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Разработана и успешно внедряется на всей территории РФ современная ресурсосберегающая технология очистки сточных вод и оборотного водоснабжения гальванических производств. Представленная технология лишена недостатков традиционных очистных сооружений, позволяет добиться глубокой очистки сточных вод сложного состава, значительно сократить водоотведение и эксплуатационные затраты и, следовательно, повысить рентабельность гальванического производства.
Ключевые слова: электрофлотация, ультрафильтрация, оборотное водоснабжение, очистные сооружения, наилучшие доступные технологии, гальваническое производство.
Отходы производств защитных покрытий (гальванические и окрасочные производства), и печатных плат наносят экологический ущерб с долговременными последствиями, а также экономический ущерб, являясь при этом ценным химическим сырьем.
По экспертным оценкам каждые последующие 10 лет объем нанесения гальванопокрытий будет возрастать в 1,5...2 раза. Такая тенденция соответствует положению в странах СНГ в целом, поскольку альтернативной замены гальваническим покрытиям по широкому спектру их свойств и экономике производства нет.
Специалистами Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева с участием коллег из Московского государственного строительного университета разработана и успешно внедряется современная ресурсосберегающая система очистки сточных вод и оборотного водоснабжения гальванических производств, основанная на методах электрофлотации (ЭФ), ультрафильтрации (УФ) и промышленного обратного осмоса (ОО) (рис. 1). Совершенствование мембранных и флотационных технологий позволяет создавать компактное высокопроизводительное водоочистное оборудование с относительно низкими эксплуатационными затратами, а при необходимости наращивать производительность очистных сооружений за счет модульности их исполнения [1—7].
Принципы, из которых исходили авторы при разработке технологии очистки сточных вод гальванического производства, это ресурсосбережение и снижение эксплуатационных затрат на обслуживание очистных сооружений. На основных из них мы остановимся подробнее:
отсутствие эксплуатационных затрат на замену растворимых электродов по сравнению с электрокоагуляторами, отсутствие вторичного загрязнения воды ионами железа и/или алюминия благодаря применению нерастворимых электродов в электрофлотаторах;
отсутствие отстойников и, соответственно, экономия площади занимаемом очистными сооружениями;
отсутствие эксплуатационных затрат на замену дорогостоящих сорбентов и ионообменных смол и, соответственно, приобретение реагентов для их регенерации;
длительный срок службы конструкционных материалов: полипропилена до 50 лет, нерастворимых электродов электрофлотаторов не менее 5 лет, керамических мембран не менее 5 лет;
относительно низкие энергозатраты благодаря низкому энергопотреблению основного водоочистного оборудования, а также применению диафраг-менных пневматических насосов;
высокое качество очистки сточных вод сложного состава, и, следовательно, снижение капитальных затрат на приобретение установки обратного осмоса для обессоливания воды при организации оборотного водоснабжения гальванического производства.
Рис. 1. Технологическая схема очистных сооружений гальванического производства
В соответствии с технологической схемой (см. рис. 1) кислотно-щелочные сточные воды усредняются, проходят стадию коррекции рН и обработки флокулянтом в реакторе-флокуляторе, затем поступают в электрофлотатор, где происходит извлечение дисперсных веществ. Из электрофлотатора вода подается на установку ультрафильтрации. Фильтрат от процесса ультрафильтрации содержит только растворимые соли №2804, №С1, NN0,,. После нормализации рН фильтрат подается на установку промышленного обратного осмоса с целью обессоливания и возврата на повторное использование в производство не менее 85 % воды от исходного потока. Концентрат от процесса обратного осмоса подается на вакуум-выпарную установку (ВВУ) либо пропорционально дозируется в хозяйственно-бытовые сточные воды предприятия для нормализации солевого состава в соответствии с нормами ПДК анионов $042-, С1-, N03", а затем сбрасывается в городскую канализацию.
Флотоконцентрат из электрофлотатора подается на фильтр-пресс для обезвоживания. Твердый промышленный отход влажностью не более 70 % после
vestnik
MGSU
выгрузки из фильтр-пресса, а также кристаллический продукт влажностью не более 40 % после выгрузки из ВВУ сдается на утилизацию.
Предлагаемая технология предусматривает предварительное обезвреживание хром-, циан- и фторсодержащих сточных вод, при их наличии, в самостоятельных технологических цепочках, с последующим смешением с кислотно-щелочными стоками в усреднителе.
Первый основной модуль очистных сооружений — электрофлотатор с нерастворимыми электродами ОРТА (рис. 2, а). В электрофлотаторе происходит выделение микропузырьков электролитических газов размером 20...70 мкм. Микропузырьки захватывают хлопья дисперсной фазы и поднимают их на поверхность воды, где последние накапливаются в пенном слое флотоконцентра-та. Флотоконцентрат удаляется с поверхности воды автоматическим скимме-ром в накопитель для последующей подачи на фильтр-пресс. Электрофлотатор обеспечивает извлечение не менее 98 % дисперсных веществ от их исходного содержания. Электрофлотаторы отличаются низким энергопотреблением — 0,25 кВтч/мЗ, наличием несменных элементов, позволяют экономить производственные площади.
Рис. 2. Электрофлотатор (а) и установка ультрафильтрации (б) на очистных сооружениях гальванического производства
Второй основной модуль очистных сооружений — установка ультрафильтрации (см. рис. 2, б) на основе керамических мембран с размером пор 0,1.0,07 мкм. Установка работает под давлением 2-3 бар в непрерывном режиме тангенциальной фильтрации. Мембраны задерживают практически все остаточные взвешенные вещества и коллоидные частицы. Керамические мембраны имеют срок службы не менее 5 лет, регенерируются обратной продувкой сжатым воздухом, не требуют химической мойки, обладают высокой биологической, химической и механической износостойкостью. Производительность
УФ снижается в течение всего периода эксплуатации не более чем на 10 %. В отличие от половолоконных полимерных УФ мембран, керамические не подвержены зарастанию колониями микроорганизмов и необратимой адсорбции органических веществ.
Новизна предлагаемой технологии заключается именно в комбинировании процесса электрофлотации на нерастворимых электродах (титан либо ОРТА) и микро-ультрафильтрации на керамических мембранах с диаметром пор 0,1.. .0,07 мкм. Иными словами, в комбинировании технологий, которые ранее применялись отдельно.
Керамические мембраны до настоящего времени очень редко использовались в РФ, причем их применение ограничивалось узкоспециализированными целями (например, молочной промышленностью), при этом во Франции и ЕС в последние годы они активно используются для очистки сточных вод, в т.ч. гальванических производств (например, Компанией Veolia Environnement).
Особенностью технологии является то, что электрофлотатор переводит не менее 96 % дисперсных веществ в твердую фазу и выводит их из процесса очистки, переводя в твердый промышленный отход, а установка ультрафильтрации концентрирует оставшиеся 4 % и при обратной промывке снова возвращает в электрофлотатор, где они доизвлекаются в ТПО. Таким образом, из сточной воды дисперсные вещества удаляются полностью. Данная технология без изменений может применяться для очистки сточных вод транспортных предприятий от взвешенных веществ, нефтепродуктов, АПАВ, железа и, соответственно, снижения ХПК. При модификации — доукомплектации озонатором — данная технология может применяться для очистки сточных вод прачечных предприятий от взвешенных и органических веществ, и, соответственно снижения ХПК.
Представленная в статье современная ресурсосберегающая технология очистки сточных вод и оборотного водоснабжения успешно реализована на ОС гальванических цехов ФГУП «Арктика» (г. Северодвинск), ОАО «Северный пресс» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Рубин» (г. Балашиха), ЗАО «Орбита» (г. Воронеж), ОАО «Алексинстройконструкция» (г. Алексин) и других промышленных предприятий. Среднестатистические результаты очистки сточных вод гальванических производств с применением электрофлотации, ультрафильтрации на керамических мембранах и промышленного обратного осмоса приведены в табл. 1.
Табл. 1. Среднестатистические результаты очистки сточных вод гальванических производств с применением электрофлотации, ультрафильтрации и обратного осмоса
Концентрация, мг/л
Показатель Сточные воды Очищенная вода после ЭФ Очищенная вода после УФ ПДК МСК (ЕС) Оборотная вода после ОО ГОСТ 9.314 (2 Кат.) ПДК РХ
Медь Cu2+ 5.30 0,3.0,8 0,1 0,5 (0,5) 0,04 0,3 0,001*
Никель Ni2+ 5.30 0,2.0,7 <0,04 0,5 (0,5) 0,04 1 0,01*
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология УЕБТЫНС
_мвви
Окончание табл. 1
Показатель Концентрация, мг/л
Сточные воды Очищенная вода после ЭФ Очищенная вода после УФ ПДК МСК (ЕС) Оборотная вода после ОО ГОСТ 9.314 (2 Кат.) ПДК РХ
Цинк 2п2+ 5.30 0,3.0,7 <0,01 2 (0,5) <0,01 1,5 0,01
Хром Сг3+ 5.30 0,5.1,2 0,1 1 (0,5) <0,01 0,5 0,07
Железо Fe3+ 5.30 0,1 0,01 3 (2) <0,01 0,1 0,1
Алюминий А13+ 5.30 0,2 <0,04 1 (1) <0,01 (0,5) 0,04
Свинец РЬ 5.30 1.2 <0,04 0,1 (0,2) <0,01 (0,03) 0,006*
Кадмий Cd2+ 5.30 1.2 0,1 0,01* (0,1) 0,04 — 0,005*
Сульфаты 1000.1500 1000.1500 1000.1500 500 <30 50 —
Хлориды С1- 100.200 100.200 100.200 350 <4 35 —
АПАВ 1.5 0,5.2,5 0,1.1 2,5 <0,01 1 0,25
Нефтепродукты 5.30 0,5.1 <0,05 4 (0,5) <0,01 0,3 0,05
*Требования ПДК недостижимые с применением наилучших доступных технологий (НДТ) [4, 9].
Как видно из табл. 1, технология обеспечивает глубокую очистку сточных вод от тяжелых металлов до уровня 0,04 мг/л и нефтепродуктов до 0,05 мг/л. Однако добиться остаточного содержания ионов меди и кадмия в очищенной воде менее 0,04 мг/л при использовании наилучших доступных технологий (НДТ), которые активно внедрены в настоящее время в странах Евросоюза, практически невозможно. Ситуация подтверждается многолетним опытом авторов статьи в сфере проведения экспертизы существующих очистных сооружений промышленных предприятий, строительства и эксплуатации новых станций очистки сточных вод гальванических цехов на базе представленной системы, и литературными данными [3, 4, 8, 9]. При этом следует отметить, что технология вакуумного выпаривания и создание на ее основе систем оборотного водоснабжения будет рентабельной в гальваническом производстве лишь при сокращении объема промывных вод в среднем до 30 л/м2, при использовании ванн улавливания и многоступенчатых каскадных ванн промывки деталей
[3, 10, 11].
В табл. 2. приведены данные о капитальных затратах на проектирование и строительство очистных сооружений гальванических производств, рассчитанные авторами, исходя из опыта строительства ОС с применением наилучших доступных технологий.
Внедрение на промышленных предприятиях разработанной ресурсосберегающей системы очистки сточных вод и оборотного водоснабжения позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды, существенно снизить нагрузку на канализационные сети, городские очистные сооружения и водные объекты. При этом повышается рентабельность эксплуатации очистных сооружений и, соответственно, гальванических производств.
Табл. 2. Капитальные затраты на строительство очистных сооружений гальванических производств
Производительно сть очистных сооружений, рассчитанных на два потока (КЩ и О6"), м3/ч Капитальные затраты на строительство очистных сооружений гальванических производств под ключ, тыс. р., с учетом НДС*
Очистные сооружения со сбросом воды Очистные сооружения с возвратом 85 % воды на повторное использование Вакуум-выпарная установка для утилизации ОО концентрата данных очистных сооружений
2 4 850 6 200 от 6 200
5 6 000 7 500 от 11 000
10 7 750 10 500 от 14 000
*Стоимость рассчитана авторами при курсе Евро = 42,00 р.
Библиографический список
1. Гогина Е.С., Гуринович А.Д., Урецкий Е.А. Ресурсосберегающие технологии промышленного водоснабжения и водоотведения : справочное пособие. М. : Изд-во АСВ, 2012. 312 с.
2. Колесников В.А., Меньшутина Н.В. Анализ, проектирование технологий и оборудования для очистки сточных вод. М. : ДеЛи принт, 2005. 266 с.
3. EIPPCB «Reference Document on Best Available Techniques for the Surface Treatment of Metals and Plastics», European IPPC Bureau, 2008. 582 p. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://eippcb.jrc.es/reference/stm.html. Дата обращения: 23.10.2012.
4. Arcadio P. Sincero, Gregoria A. Sincero. Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater. CRC Press, 2002, 856 p.
5. Khelifa A., Moulay S., Naceur A.W. Treatment of Metal Finishing Effluents by the Electroflotation Technique. Desalination. 2005, no. 181, № 1—3, рp. 27—33.
6. Fenglian Fu, Qi Wang. Removal of Heavy Metal Ions from Wastewaters : a review. Journal of Environmental Management. 2011, vol. 92, no. 3, pp. 407—418.
7. Hybrid Flotation-membrane Filtration Process for the Removal of Heavy Metal Ions from Wastewater / C. Blocher, J. Dorda, V. Mavrov, H. Chmiel, N.K. Lazaridis, K.A. Matis // Water Research. 2003, vol. 37, no. 16, pp. 4018—4026.
8. Виноградов С.С., КудрявцевВ.Н. Обоснованность и необоснованность применения разных перечней ПДК для стоков гальванического производства // Водоснабжение и канализация. 2010. № 3. С. 113—118.
9. Павлов Д.В., Колесников В.А., Вараксин С.О. Очистка сточных вод различных производств с применением наилучших доступных технологий // Чистая вода: проблемы и решения. 2010. № 2—3. С. 50—59.
10. Тулепбаев В.Б., Дьяченко И.О. Применение вакуумных выпаривателей для очистки сточных вод гальванического производства // Гальванотехника и обработка поверхности. 2008. № 1. С. 40—45.
11. Павлов Д.В., Колесников В.А. Очистка сточных вод гальванического производства: новые решения // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 6. С. 66—69.
Поступила в редакцию в феврале 2013 г.
Об авторах: Павлов Денис Владимирович — кандидат технических наук, заместитель директора Международного института логистики ресурсосбережения и технологической инноватики, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева» (ФГБОУ ВПО «РХТУ им. Д.И. Менделеева»), 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9, info@enviropark.ru;
vestnik
MGSU
Гогина Елена Сергеевна — кандидат технических наук, профессор кафедры во-доотведения и водной экологии, проректор по учебно-методической работе, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, goginaes@mgsu.ru.
Для цитирования: Павлов Д.В., Гогина Е.С. Современная ресурсосберегающая система оборотного водоснабжения гальванического производства // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 175—182.
D.V. Pavlov, E.S. Gogina
THE MODERN RESOURCE SAVING SYSTEM FOR THE ELECTROPLATING INDUSTRY WASTEWATER TREATMENT AND REUSE
The article presents the authors' analysis of the industrial wastewater treatment and recycling technologies based on conventional technologies. It is pointed out that conventional electroplating waste water treatment plants in Russian Federation have several disadvantages, such relatively high operating costs and low wastewater processing efficiency. Thus electroplating wastewater treatment plants have to be modernized according to Best Available Technologies (BAT).
A modern electroplating wastewater treatment and recycling technology based on BAT such as electroflotation, ultrafiltration and industrial reverse osmosis has been developed and successfully implemented at several RF industrial enterprises. The represented system is free from the disadvantages such as conventional wastewater processing technologies have. It allows to achieve integrated treatment of electroplating wastewater from heavy metal ions down to 0,04 mg/l and from oil products down to 0,05 mg/l within low power and chemicals consumptions with further water reuse, significantly reducing water disposal and WWTPs operating costs and thus ensuring the profitability of WWTPs usage and as a result electroplating industry in general.
Key words: electroflotation, ultrafiltration, wastewater reuse, waste water treatment plants (WWTP), best available technologies (BAT), electroplating industry.
References
1. Gogina E.S., Gurinovich A.D., Uretskiy E.A. Resursosberegayushchie tekhnologiipro-myshlennogo vodosnabzheniya i vodootvedeniya: spravochnoe posobie [Resource Saving Techologies of Industrial Water Supply and Water Disposal: Reference Book]. Moscow, ASV Publ., 2012, 312 p.
2. Kolesnikov V.A., Men'shutina N.V. Analiz, proektirovanie tekhnologiy i oborudovaniya dlya ochistki stochnykh vod [Analysis, Design of Technologies and Equipment for Waste Water Treatment]. Moscow, DeLi print Publ., 2005, 266 p.
3. EIPPCb «Reference Document on Best Available Techniques for the Surface Treatment of Metals and Plastics», European IPPC Bureau, 20086 582 p. Available at: http:// eippcb.jrc.es/reference/stm.html. Date of access: 23.10.2012.
4. Arcadio P. Sincero, Gregoria A. Sincero. Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewater. CRC Press, 2002, 856 p.
5. Khelifa A., Moulay S., Naceur A.W. Treatment of Metal Finishing Effluents by the Electroflotation Technique. Desalination. 2005, vol. 181, № 1—3, pp. 27—33.
6. Fenglian Fu, Qi Wang. Removal of Heavy Metal Ions from Wastewaters: A review. Journal of Environmental Management. 2011, vol. 92, no. 3, pp. 407—418.
7. Blocher C., Dorda J., Mavrov V., Chmiel H., Lazaridis N.K., Matis K.A. Hybrid Flotation-membrane Filtration Process for the Removal of Heavy Metal Ions from Wastewater. Water Research. 2003, vol. 37, no. 16, pp. 4018—4026.
8. Vinogradov S.S., Kudryavtsev V.N. Obosnovannost' i neobosnovannost' primeneniya raznykh perechney PDK dlya stokov gal'vanicheskogo proizvodstva [Some Considerations Concerning the Use of Different Standards for Limiting Admissible Concentrations for Waste Water from Plating Shops]. Vodosnabzhenie i kanalizatsiya [Water Supply and Sewerage]. 2010, no. 3, pp. 113—118.
BECTHMK
9. Pavlov D.V., Kolesnikov V.A., Varaksin S.O. Ochistka stochnykh vod razlichnykh proiz-vodstv s primeneniem nailuchshikh dostupnykh tekhnologiy [Wastewater Treatment Using Best Available Techniques in Different Industries]. Chistaya voda: problemy i resheniya. [Pure Water: Problems and Decisions]. 2010, no. 2—3, pp. 50—59.
10. Tulepbaev V.B., D'yachenko I.O. Primenenie vakuumnykh vyparivateley dlya ochistki stochnykh vod gal'vanicheskogo proizvodstva [Vacuum Evaporators Usage for Electroplating Waste Water Processing]. Gal'vanotekhnika i obrabotka poverkhnosti [Electroplating and Surface Treatment]. 2008, no. 1, pp. 40—45.
11. Pavlov D.V., Kolesnikov V.A. Ochistka stochnykh vod gal'vanicheskogo proizvodstva: novye resheniya [Electroplating Industry Wastewater Treatment: Advanced Solutions]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2012, no. 6, pp. 66—69.
About the authors: Pavlov Denis Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Vice-director, International Institute of Logistics of Resource Saving and Technological Inno-vatics D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russian Federation (IILRTI MUCTR), Miusskaya sqr., 9, Moscow, 125047, Russian Federation; info@enviropark.ru;
Gogina Elena Sergeevna — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Waste Water Treatment and Water Ecology, Vice rector for Teaching and Studies, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; GoginaES@mgsu.ru.
For citation: Pavlov D.V., Gogina E.S. Sovremennaya resursosberegayushchaya sistema oborotnogo vodosnabzheniya gal'vanicheskogo proizvodstva [The Modern Resource Saving System for the Electroplating Industry Wastewater Treatment and Reuse]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 175—182.
