CC BY
38УДК 628.3:504
ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ — ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
© 2011 г. В.И. Аксенов1, И.И. Ничкова1, В.А. Никулин2, С.С. Пецура2, О.Д. Линников3
1 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург
2 Закрытое Акционерное общество «Химические системы», г. Екатеринбург
3 Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург
Ключевые слова: водное хозяйство промышленных предприятий, замкнутые системы водопользования, очистка промышленных стоков.
Дан краткий обзор развития замкнутых систем водопользования в отечественной и зарубежной промышленности. Приведены примеры технологических схем обработки промышленных стоков в системах замкнутого водопользования. Проанализирована их структура, дана характеристика составляющих.
В конце XX в. большинство развитых стран мира начали осуществлять переход водного хозяйства (ВХ) промышленных предприятий всех отраслей на замкнутое водопользование. Факторами, обуславливающими начало широкого создания замкнутых систем водопользования (ЗСВ) является, с одной стороны, катастрофическое загрязнение природных водоемов промышленными, бытовыми и сельскохозяйственными стоками вследствие значительного роста производства промышленной и сельскохозяйственной продукции при возрастании потребностей населения и промышленности в чистой воде. С другой стороны, появление разнообразного технологического оборудования (многокорпусные выпарные установки, оборудование обратного осмоса и др.), применение которого позволяет замкнуть цикл водопользования. Сегодня применение ЗСВ является единственным рациональным решением проблемы использования воды в промышленности. Более того, в перспективе ЗСВ найдут широчайшее применение в коммунальном и сельском хозяйстве, для этого имеются объективные предпосылки. Формально началом такого перехода можно считать 1991 г., когда на всемирном конгрессе энергетиков в Австралии замкнутые системы водного хозяйства (по зарубежной терминологии — предприятия с нулевым сбросом сто-
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
Таблица. Развитие и распространение ЗСВ на промышленных предприятиях СССР (данные 1990 г.)
Отрасль промышленности Водо-оборот в отрасли, % Число предприятий
С ЗСВ Приближающихся к ЗСВ С элементами ЗСВ Со строящимися ЗСВ С проектированными ЗСВ
Черная металлургия 88 24 14 12 9 3
Цветная металлургия 84 15 10 12 1 4
Химическая 83 6 14 10 2 8
Нефтехимическая 89 7 6 5 5 2
Производство
минеральных удобрений 88 4 — 1 1 1
Целлюлозно-бумажная 65 3 3 7 1 1
Машиностроительный
комплекс 72 13 11 6 11 7
Энергетика 63 17 8 6 — 3
Прочие — 11 10 11 5 5
ков) были провозглашены единственным путем реконструкции ВХ в промышленности [1].
В статье приведены примеры технологических схем обработки промышленных стоков в системах замкнутого водопользования, проанализирована структура, дана характеристика составляющих их инженерных сооружений.
Основное стратегическое направление реконструкции — создание замкнутых систем водопользования. Первая в мире ЗСВ была введена в строй в 1973 г. на Верх-Исетском металлургическом заводе (г. Свердловск), а к 1990 г. на территории бывшего СССР были сооружены более 350 замкнутых систем на предприятиях и промузлах (таблица). В период после 1990 г. эта работа, к сожалению, не велась, некоторое оживление стало наблюдаться в начале XXI в., вплоть до экономического кризиса 2008 г.
Строительство ЗСВ предусматривает: внедрение эффективных, прежде всего, физико-химических методов очистки сточных вод; установление научно обоснованных предельно допустимых концентраций солей, нефтепродуктов и других компонентов в оборотной воде с учетом ее эпидемиологической и токсикологической безопасности для каждого замкнутого цикла; создание максимально возможного количества локальных замкнутых циклов с многократным использованием во-
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
Товарный продукт
Сырье
Подпиточная (свежая) вода
Производство
Вспомогательные
материалы
Очищенная вода
Отходы (в т. ч. стоки)
_А_
Переработка (в т. ч. ЗСВ)
I
Вторичное сырье
Полезный товарный продукт
Рис. 1. Технологическая схема безотходного производства с замкнутой системой
водопользования.
ды в них; извлечение из сточных вод ценных компонентов; переработку в целях утилизации выделенных осадков и засоленных вод [2—4].
Замкнутые системы водопользования представляют собой химико-технологический комплекс (цех) по производству чистой воды внутри предприятия. В целом, безотходное производство с ЗСВ можно проиллюстрировать схемой, представленной на рис. 1. В этом случае ЗСВ является неотъемлемой и одной из главных составных частей любого безотходного производства.
Отличительной особенностью замкнутых бессточных и безотходных систем водного хозяйства является необходимость иметь в их составе, так называемые хвостовые установки, наличие которых позволяет сделать систему замкнутой. К ним относятся установки переработки и утилизации концентрированных отработанных технологических растворов, обезвоживания и сушки осадков, стабилизационные, биоинженерные, деминерализационные, сжигания, доочистки сбросных продувочных вод. Наличие таких установок усложняет и удорожает систему, которая, по существу, представляет собой химико-технологический комплекс (цех) по производству чистой воды. Кроме повышенных капитальных и эксплуатационных затрат, необходимо высокопроизводительное оборудование (механического обезвоживания, обессоливания и др.), оборудование контроля и автоматического управления технологи-
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
ческим процессом и, главное, высококвалифицированный обслуживающий персонал. В этом случае цех водоснабжения на предприятии становится основным, а не второстепенным.
Организация ЗСВ требует одновременной проработки всех элементов водного хозяйства промышленных предприятий в их взаимосвязи, а не только отдельных частей (чистых и грязных оборотных циклов, локальных сооружений по очистке стоков и др.). Действительно, в системе очищаются и используются ливневые воды, на хвостовых установках перерабатываются отходы от локальных циклов и др. Все это должно быть увязано в едином хозяйстве. Для создания замкнутой системы необходимы совместные усилия специалистов различных направлений: водников, технологов, экономистов, гигиенистов и др. Первые установки по типу ЗСВ у нас в стране были построены для очистки жидких отходов с низким уровнем радиоактивности, за рубежом — станция доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на оз. Тахо (США) и комплекс по переработке засоленных шахтных вод в Верхней Силезии (Польша).
Весь опыт строительства и эксплуатации ЗСВ промышленных предприятий и промузлов условно можно разбить на три этапа: 1973—1990, 1991—2000, 2001 — по наше время. Первый этап, особенно 1980-е годы, характеризовался бурным сооружением ЗСВ. Следует отметить, что в этот период создаются достаточно мощные многоцелевые комплексы ЗСВ, успешно работающие и в настоящее время. Строили их, в основном, за счет государства (тогда еще СССР).
Была обоснованная надежда, что к началу нового века положение дел в водном хозяйстве промышленности страны принципиально изменится. Но после распада СССР в 1991 г. практически прекратились работы по созданию ЗСВ. Справедливости ради можно отметить, что определенная работа продолжалась на уральских предприятиях: Первоуральском новотрубном заводе, Нижнетагильском металлургическом комбинате и др. Однако общая картина от этого не менялась, так продолжалось до 2000 г., когда появились серьезные признаки восстановления промышленности и проявления интереса к созданию ЗСВ. Речь не идет о сооружении крупных комплексов по обработке и повторному использованию всех сточных вод предприятия; для этого нет необходимых средств.
За рубежом строительство ЗСВ началось практически немногим более двадцати лет назад, поскольку считалось, что строго регламентированный сброс очищенных стоков сохранит водоприемники в «первозданной чистоте». Ничего этого не произошло, особенно в перенаселенной Европе, и «регламентированный сброс» срочно сменили на прекра-
водное хо;
Водное хозяйство России
щение любого сброса. Следует отметить, что мы прогнозировали такое развитие событий [3].
В российской практике финансовые возможности (вернее, их отсутствие) предприятий точно определили те направления в развитии современных ЗСВ, которые как-то удовлетворяли бы природоохранные требования к промышленности. Стало очевидным, что первоочередное направление работ следует сосредоточить на локальных замкнутых установках по обработке отработанных концентрированных технологических растворов; сооружениях переработки выделяемых осадков (отходов); установках глубокой очистки продувочных вод; малогабаритных установках очистки и повторного использования особо опасных стоков небольшого расхода [5]. Все эти установки предприятия должны дополнить необходимыми «технологическими приемами»: максимальным использованием оборотного водоснабжения; внедрением способов экономии воды и уменьшения поступления загрязняющих веществ в сточные воды (ванны-ловушки, каскадная промывка, сухие градирни и др.); заменой особо опасных (токсичных) веществ, попадающих в стоки, на менее опасные. Все установки и технологические приемы требуют сравнительно небольших затрат. Выбор таких установок оправдан: так, например, в отработанных растворах и в осадках гальванических производств сосредоточено более 80 % растворимых соединений, поэтому переработка только этих субстанций в значительной мере решает проблему загрязнения окружающей среды.
Технологические схемы обработки стоков и осадков в ЗСВ могут быть разнообразными, но в них как составные части должны применяться многофункциональные блок-модули, которые вошли в практику обработки производственных сточных вод в 1970-е годы и постоянно совершенствуются и внедряются сегодня [6]. Их преимущества — компактность, быстродействие, умеренные цены и, главное, возможность переработки таких стоков, для которых (при использовании обычной схемы) необходимо строительство сложных и дорогостоящих очистных комплексов. Примерами таких компактных комплексов являются блок «Элион» для гальванических стоков, модули для удаления нефтепродуктов НИИводгео, «Промконтакт», «Сибпроект» и др. Практика показала, действительно, компактные блок-модульные установки хорошо решают отдельные локальные задачи, но они никогда не могут осуществить полную переработку стоков и образующихся осадков с возвратом воды в производство и с утилизацией выделенных загрязняющих веществ (твердых, жидких и газообразных). При этом их дальнейшая разработка и совершенствование должны продолжаться, т. к. они остаются составными частями общих технологических схем обработки стоков.
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
Блок-модульные установки на промышленных предприятиях рационально использовать, прежде всего, для обработки сложных агрессивных стоков, содержащих ионы тяжелых и цветных металлов, различных маслосодержащих (в том числе окалиномаслосодержащих) стоков, большинства отработанных концентрированных технологических растворов. На рис. 2 приведена обобщенная технологическая схема обработки агрессивных стоков различного состава.
10
На утилизацию
Рис. 2. Схема модуля обезвреживания агрессивных стоков (пояснения к рисунку приведены в тексте статьи).
Водное хозяйство России
Схема включает следующие узлы: узел усреднения—накопления стока с использованием интенсивного перемешивания воздухом (1); узел реагентной (химической, физико-химической, физической, биотехнологической) обработки стока с разрушением токсичных и выделением в виде взвеси вредных (агрессивных) примесей (2); узел хлопье-образования (флокуляции) для интенсификации процесса удаления взвеси из стока (3); узел осветления (отстаивания) обработанного стока в скоростных (многополочных) отстойниках (4); узел доочистки осветленной воды на зернистых фильтрах с использованием местных фильтрующих материалов — отходов производства типа шлаков (5). При необходимости получения чистой воды (конденсата) доочищен-ную воду направляют в выпарную установку (6), а получающийся концентрат — на утилизацию, образующийся при отстаивании осадок — в узел кондиционирования (7), где его, при необходимости, дополнительно обрабатывают реагентами или нагревом. Подготовленный кондиционированный осадок поступает в узел механического обезвоживания (8) на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах или центробежных аппаратах. Обезвоженный осадок подают в узел термической обработки (9) — сушилку, гранулятор, сборник (10), при необходимости, расфасовывают и отправляют на утилизацию.
Такие схемы внедрены на Верх-Исетском металлургическом, Кыш-тымском медеэлектролитном заводах и еще на многих предприятиях.
На рис. 3 приведена технологическая схема обработки окалиномас-лосодержащих стоков и осадков, часто образующихся на металлургических и металлообрабатывающих предприятиях. Такая схема разработана и предложена для ряда трубных заводов Урала (Синарский трубный завод и др.). В настоящее время эта проблема получила дальнейшее развитие в работах Ю.А. Галкина (Группа компаний «ЭКО-ПРОЕКТ», г. Екатеринбург) [7, 8].
Представленные технологические схемы, которые могут быть дополнены и другими узлами, являются основой системы водного хозяйства промышленного предприятия, имеющего соответствующие стоки. Наиболее важными (определяющими) узлами этих схем являются блоки обессоливания (выпарная установка), обработки осадков — механической (обезвоживания) и термической (сушки, прокалки). Именно они позволяют получить замкнутые системы.
Предложенные модули позволяют создавать на различных предприятиях локальные замкнутые системы очистки промышленных вод и повторного использования стоков, которые обеспечат значительную экономию свежей воды при снижении ее потребления до уровня безвозвратных потерь; утилизацию выделяемых из стоков загрязняющих ве-
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
Рис. 3. Технологическая схема локальной замкнутой системы водного хозяйства предприятий черной металлургии и машиностроительного комплекса: I — исходный окалиномаслосодержащий сток; II — рабочий раствор флокулянта; III — всплывающее масло; IV — окалиномаслосодержащий осадок; V — обезвоженный окалиномаслосодержащий осадок; VI — осадок отстаивания флокулированного фугата; VII — концентрат из горизонтально-трубного пленочного испарителя; VIII — осветленный фугат; IX — профильтрованный фугат; X — конденсат в производство; XI — мелкодисперсная прокаленная окалина; XII — сток газоочистки на очистные сооружения; XIII — промывная вода с зернистых фильтров; XIV — осветленная вода в грязный оборотный цикл завода; XV — промывная вода для зернистых фильтров.
I — радиальный отстойник; 2 — сгуститель; 3 — центрифуга типа ОГШ; 4 — сборник фугата; 5 — зернистый фильтр; 6 — горизонтально-трубный пленочный испаритель; 7 — сборник обезвоженного осадка; 8 — печь псевдоожиженного слоя; 9 — система газоочистки; 10 — узел приема-фасовки мелкодисперсного оксида железа;
II — сборник отфильтованного фугата.
ществ (полезное использование, уничтожение, складирование) и позволят прекратить все сбросы стоков в окружающую среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов В.И., Аксенов В.И., Щеклеин С.Е., Подберезный В.Л. и др. Водное хозяйство
промышленных предприятий: справочное издание. Книга 4. / под ред. В.И. Аксенова. М.: Теплотехник, 2007, 239 с.
2. Аксенов В.И. Замкнутые системы водного хозяйства металлургических предприятий.
М.: Металлургия, 1983, 112 с.
3. Аксенов В.И. Создание замкнутых систем водоснабжения металлургических предпри-
ятий // Сталь, 2005. < 9. С. 83—85.
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
4. Аксенов В.И., Балкирев В.Ф., Филиппенков А.А. Проблемы водного хозяйства метал-
лургических, машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий. Екатеринбург: НИСО УрО РАН. 2002. 268 с.
5. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных
предприятий, комплексов и районов. М.: Стройиздат, 1984. 272 с.
6. Аксенов В.И. Использование локальных замкнутых систем водного хозяйства на про-
мышленных предприятиях. Сб. докладов конгресса ЭКВАТЭК-2008, (электронный ресурс) М.: 2008.
7. Галкин Ю.А. Инновационные технологии водоподготовки для основных переделов
черной металлургии. Сталь. 2009, < 3. С. 92—93.
8. Галкин А.Ю. Разработка и результаты применения отстойников-флокуляторов для
очистки оборотной воды металлургических заводов России и Украины. 2010. < 2. С. 5—9.
Сведения об авторах:
Аксенов Валентин Иванович, к. т. н., профессор, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 17; e-mail: anikin-upi@yandex.ru
Ничкова Ирина Ивановна, к. т. н., доцент, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, Екатеринбург; e-mail: anikin-upi@yan-dex.ru
Никулин Валерий Александрович, к. т. н., доцент, директор по НИР, «Инженерная компания «Химические системы», 620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 37, оф. 402/3; e-mail: va.nikulin@mail.ru
Пецура Сергей Станиславович, ведущий специалист, «Инженерная компания «Химические системы», г. Екатеринбург; e-mail: pecura@k66.ru
Линников Олег Дмитриевич, к. х. н., ведущий научный сотрудник, Институт химии твердого тела УрО РАН, 620990, Екатеринбург, ул. Первомайская, 91; e-mail: lin-nikov@mail.ru
Водное хозяйство России № 2, 2011
Водное хозяйство России
