Эколого-экономическое обоснование внедрения электрофлотатора для очистки сточных вод от меди
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н.Туполева - КАИ
Кафедра Общей химии и Экологии
Курсовая работа
по дисциплине «Экономика природопользования и природоохранной деятельности»
Эколого-экономическое
обоснование внедрения электрофлотатора
для очистки сточных вод от меди
Гоголь Э. В.
2013
Содержание
Существующая в настоящее время система организации промышленных производств обусловила большие потоки химических элементов из техносферы в биосферы. Среди наиболее распространенных, а также наиболее эффективным способ минимизации выбросов в окружающую среду является система экономических рычагов, использование которых приводит к разумному снижению выбросов в окружающую среду.
Таким действенным механизмом в
современных условиях является широкое
применение экономических административных
ресурсов. Иными словами, речь идет о разработке
и непрерывном совершенствовании многоуровневой
системы платежей за ущерб в ходе осуществления
той или иной хозяйственной деятельности.
Наиболее значимыми подходами являются
расчеты нормативов допустимого антропогенного
воздействия на окружающую среду.
Цель работы: Проведение анализа способов минимизации платежей за негативное воздействие за сброс промышленных сточных вод процесса меднения.
Задачи:
- описать опасные свойства загрязнителей.
- произвести расчет платежей за негативное воздействие от производственных стоков.
- рассмотреть способы минимизации платежей.
I. Характеристика производственного процесса меднения с точки зрения образования сточных вод, их количественного и качественного состава
Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.
Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора, а также цианидные соединения.
Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.
Ежегодно в сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тысяч тонн меди, 3,3 тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерь соединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооружений гальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему.
Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод.
Установлено, что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозят развитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие на водную фауну.
Медные покрытия чаще всего применяют для экономии никеля как подслой при никелировании и хромировании. Вследствие промежуточного покрытия стали и чугуна медью достигается лучшее сцепление между основным металлом и металлом покрытия и уменьшается вредное влияние водорода. Медные покрытия широко применяются также для местной защиты при цементации и в гальванопластике. Медные покрытия хорошо полируются, что имеет значение при декоративно-защитных покрытиях. Хорошо оснащенные гальванические цехи имеются почти на всех машиностроительных и металлообрабатывающих заводах России.
Каждый технологический
процесс гальванического
1. Подготовительные работы. Их цель - подготовка металла (его поверхности) для нанесения покрытия гальваническим путем. На этой стадии технологического процесса проводится шлифование, обезжиривание и травление.
2. Основной процесс, цель которого заключается в образовании соответствующего металлического покрытия с помощью гальванического метода.
3. Отделочные операции. Они применяются для облагораживания и защиты гальванических покрытий. Наиболее часто для этих целей применяют пассивирование, окраску, лакирование и полирование.
В обычных условиях для меднения применяется электролит такого состава (в г/л):
Хлорид меди
Соляная кислота 400-550
Уксусная кислота
При работе с повышенной плотностью тока применяется электролит такого состава (в г/л):
Фторборат меди 400
Борфтористоводородная кислота
Борная кислота
Можно выделить 2 основных системы водообеспечения промышленных предприятий: прямоточная и последовательная система. При прямоточной системе (рис. 1.1.1) вся забираемая из водоема вода Qист после участия в технологическом процессе (в виде отработавшей – Qсбр) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве (Qпот).
Qпот
- вода чистая ненагретая
- cточная вода нагретая
- то же, ненагретая и загрязненная
- то же, очищенная
Рис. 1.1.1. Прямоточная система водообеспчения
Количество отводимых в водоем сточных вод составляет:
Qсбр = Qист - Qпот.
Следует отметить, что сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем могут проходить через очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается, поскольку часть воды отводится со шламом (Qшл). По схеме водообеспечения с последовательным использованием воды (рис. 1.1.2), которое может быть двух - трехкратным, количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с потерями на всех производствах и на очистных сооружениях:
Qсбр
= Qист - ( Qпот1 + Qпот2 + Qпот3
) .
Qпот1
ПП - 1 ПП - 2
Qист
Рис. 1.1.2 Последовательная система водообеспечения
Повторное
использование сточных вод
Рис. 1.1.3 Рис. 1.1.4 Рис. 1.1.5
Qпот
ПП
Qоб
ОУ Qун
Qист
Qсбр
Qист
Qсбр
Qист
- сточная вода загрязненная
- оборотная вода
ОУ - охладительная установка
Qоб - оборотная вода
Qун - вода, теряемая при испарении и уносе из охладит. установки
Если в системе оборотного водоснабжения промышленного предприятия вода является теплоносителем и процессе использования лишь нагревается, то перед повторным применением ее предварительно охлаждают в пруду, брызгальном бассейне, радирне.
Если вода служит средой, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси и в процессе производства загрязняется ими, то перед повторным применением вода проходит очистку на очистных сооружениях; при комплексном использовании сточной воды перед повторным применением сточные воды подвергаются очистке и охлаждению.
При таких системах оборотного водоснабжения для компенсации безвозвратных потерь воды в производстве, на охладительных установках (испарение с поверхности, унос ветром, разбрызгивание), на очистных сооружениях, а также потерь воды, сбрасываемой в канализацию, осуществляется подпитка из водоемов и других источников водоснабжения. Количество подпиточной воды определяется по формуле:
Qист = Qпот + Qун + Qшл + Qсбр .
Подпитка систем оборотного
водоснабжения может
Химические методы очистки сточных вод гальванических отделений основаны на применении химических реакций, в результате которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, превращаются в соединения, безопасные для потребителя, или легко выделяются в виде осадков. Очистка сточных вод гальванического производства от ИТМ происходит в 2 стадии:
- Образование труднорастворимых соединений.
- Выделение этих соединений в осадок.
Нейтрализация ионов тяжелых металлов осуществляется при добавлении в сточные воды растворимых в воде щелочных реагентов. ИТМ при нейтрализации превращаются в труднорастворимые гидроксиды, которые выпадают в осадок.
Процесс идет в соответствии с реакцией:
Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2;
Ni2+ + 2OH- = Ni(OH)2. (б)
Для лучшей и более полной и быстрой коагуляции гидроксидов используют флокулянт (полиакриламид)
Сточные воды
- Нейтрализатор
- Флокулянт
- Отстойник
- Шламонакопитель
- Обезвоживание
Сточные воды подпадают в нейтрализатор
1. для образования нерастворимых гидроксидов. После нейтрализации стоки направляются в отстойник
3. куда подается флокулянт. Из отстойника шлам попадает в шламонакопитель
4. откуда подается на обезвоживание
5. Обезвоживание проводится в вакуум-фильтрах, фильтр-прессах и центрифугах.
Вышеописанный метод (реагентный) в настоящее время получил наибольшее распространение в отечественной практике обезвреживания сточных вод гальванических цехов. Основное его достоинство - крайне низкая чувствительность к исходному содержанию загрязнений, а основной недостаток - высокое остаточное солесодержание очищенной воды. Это вызывает необходимость в доочистке.
Объектом исследования в данной работе выступает предприятие:
ОАО «Электросоединитель» Ютазинского района
Процессы:
- меднение;
- цинкование с хроматированием и хромитированием;
- нанесение покрытия сплавом «олово-висмут»;
- блестящее никелирование;
- многослойное покрытие «медь-никель-хром»;
- химическое никелирование;
- анодирование алюминия и его сплавов;
- пассивирование меди и медных сплавов;
- оксидирование стали;
- покрытие драгоценными металлами (золочение).
Специализация - гальванические покрытия и обработка поверхности металлов и сплавов.
Процессы металлизации отверстий на предприятии являются неотъемлемой частью производства печатных плат (ПП) и от качества их выполнения в значительной степени зависит надежность изделий. Зарубежные специалисты в области надежности сквозных и глухих межслойных соединений показали, что долговременная надежность в значительной степени определяется качеством и однородностью меди, осажденной в отверстии. При этом критическим фактором успешного осаждения однородного слоя меди в сквозном или глухом отверстии является процесс металлизации, предшествующий нанесению гальванической меди.
Именно процесс так называемой предварительной металлизации, при котором в отверстиях образуется тонкий проводящий слой, определяет сплошность гальванической меди и адгезию столба металлизации к стенкам отверстий. Для получения тонкого проводящего слоя может использоваться процесс химического меднения или процесс «прямой металлизации». Каждый из этих процессов имеет свои особенности.
В течение последних нескольких десятков лет в промышленности печатных плат для придания проводимости отверстиям, в основном, использовалась химически осаждаемая медь.
Процесс химического меднения всегда сопровождается выделением водорода, объем которого эквивалентен количеству осажденной меди. Это указывает на совмещенность процессов выделения меди и водорода. Протекание последнего при потенциалах более положи тельных, чем потенциал водородного электрода в растворах меднения, свидетельствует о том, что выделение водорода происходит не по электрохимическому механизму из молекул воды, а обусловлено реагированием формальдегида на поверхности металла с образованием электрохимически активного промежуточного вещества и атомарно го водорода.
Согласно данным этого автора анодная стадия процесса химического меднения суммарно может быть выражена реакцией:
СН2О + 2ОН- - е →
→ НСОО- + 0,5Н2 + Н2О.
Суммарная же полезная реакция процесса химического меднения записывается уравнением:
Cu2+ + 2СН2О + 4ОН- → Cu + Н2 + 2НСОО- + 2Н2О.
Формальдегид расходуется
еще при реакции его
2СН2О + NaOH→
→ HCOONa + СН3ОН.
Эта реакция протекает как при эксплуатации ванн меднения, так и при их бездействии. При правильно организованном процессе химического меднения доля расхода формальдегида на полезный процесс меднения будет составлять более 90%.
II. Описание опасных свойств загрязнителей
При одновременном присутствии в сточных водах гальванопроизводства нескольких вредных компонентов проявляется их совместное, комбинированное действие на организм человека, теплокровных животных, флору и фауну водоемов, на микрофлору очистных сооружений канализации, выражающееся в синергизме (эффект действия больше простого суммирования); антагонизме (действие нескольких ядов меньше суммированного) и в аддитивности (простое суммирование).
Медь
Медь - один из важнейших микроэлементов. Физиологическая активность меди связана главным образом с включением её состав активных центров окислительно- восстановительных ферментов. Недостаточное содержание меди в почвах отрицательно влияет на синтез белков, жиров и витаминов и способствует бесплодию растительных организмов. Медь участвует в процессе фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. Вместе с тем избыточные концентрации меди оказывают неблагоприятное воздействие на растительные и животные организмы.
Для меди ПДК (по иону меди) установлена 1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности- органолептический) ПДК- 0,001 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности- токсикологический).
Хлориды
Хлориды присутствуют практически
во всех пресных поверхностных и
грунтовых водах, а также в
питьевой воде в виде солей металлов.
Если в воде присутствует хлорид натрия, она имеет соленый вкус уже при
концентрациях свыше 250 мг/л; в случае хлоридов
кальция и магния соленость воды возникает
при концентрациях свыше 1000 мг/л. Именно
по органолептическому показателю – вкусу
установлена ПДК для питьевой воды по
хлоридам (350 мг/л), лимитирующий показатель
вредности – органолептический. Большие
количества хлоридов могут образовываться
в промышленных процессах концентрирования
растворов, ионного обмена, высоливания
и т.д., образуя сточные воды с высоким
содержанием хлорид аниона.
Высокие концентрации хлоридов в питьевой воде не оказывают токсического воздействия на человека, хотя соленые воды очень коррозионно активны по отношению к металлам, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.
Цианиды
В поверхностные воды
цианистые соединения поступают
с промышленными сточными водами
гальванических цехов, рудообогатительных
фабрик, предприятий золотопромышленнос
Цианиды встречаются в природных водах в форме ионов или в виде слабодиссоциированной и весьма токсичной цианистоводородной кислоты. Кроме того, в воде могут присутствовать комплексные цианиды с металлами.
Уменьшение концентрации простых цианидов может происходить под воздействием угольной и других кислот, в результате окисления и гидролиза, а также образования нерастворимых соединений и сорбции взвешенными веществами и донными отложениями.
Цианистые соединения чрезвычайно ядовиты. Для водных объектов ПДКв составляет 0.1 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности — санитарно-токсикологический), ПДКвр 0.05 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности — токсикологический).
Железо
Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.
Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Eh и в некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную форму выделяют частицы с размером более 0.45 мк. Она представляет собой преимущественно железосодержащие минералы, гидрат оксида железа и соединения железа, сорбированные на взвесях. Истинно растворенную и коллоидную форму обычно рассматривают совместно. Растворенное железо представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрирует главным образом Fe(II), а Fe(III) в отсутствие комплексообразующих веществ не может в значительных количествах находиться в растворенном состоянии.
Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.
В результате химического и биохимического (при участии железобактерий) окисления Fe(II) переходит в Fe(III), который, гидролизуясь, выпадает в осадок в виде Fe(OH)3. Как для Fе(II), так и для Fe(III) характерна склонность к образованию гидроксокомплексов типа [Fe(OH)2]+, [Fe2(OH)2]4+, [Fe(OH)3]+, [Fe2(OH)3]3+, [Fe(OH)3]- и других, сосуществующих в растворе в разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние системы железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe(III) в поверхностных водах являются комплексные соединения его с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом гумусовыми веществами. При рН = 8.0 основной формой является Fe(OH)3. Коллоидная форма железа наименее изучена, она представляет собой гидрат оксида железа Fe(OH)3 и комплексы с органическими веществами.
Содержание железа в поверхностных
водах суши составляет десятые доли миллиграмма,
вблизи болот - единицы миллиграммов. Повышенное
содержание железа наблюдается в болотных
водах, в которых оно находится в виде
комплексов с солями гуминовых кислот
- гуматами.
Наибольшие концентрации железа (до нескольких
десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3)
наблюдаются в подземных водах с низкими
значениями рН.
Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры в водоеме.
Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды. Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окислением Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3.
Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe/л значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования в технических целях. ПДКв железа составляет 0.3 мг Fe/дм3 (лимитирующий показатель вредности — органолептический), ПДКвр для железа - 0.1 мг/дм3.
Хром
В поверхностные воды соединения трех- и шестивалентного хрома попадают в результате выщелачивания из пород (хромит, крокоит, уваровит и др.). Некоторые количества поступают в процессе разложения организмов и растений, из почв. Значительные количества могут поступать в водоемы со сточными водами гальванических цехов, красильных цехов текстильных предприятий, кожевенных заводов и предприятий химической промышленности. Понижение концентрации ионов хрома может наблюдаться в результате потребления их водными организмами и процессов адсорбции.
В поверхностных водах соединения хрома находятся в растворенном и взвешенном состояниях, соотношение между которыми зависит от состава вод, температуры, рН раствора. Взвешенные соединения хрома представляют собой в основном сорбированные соединения хрома. Сорбентами могут быть глины, гидроксид железа, высокодисперсный оседающий карбонат кальция, остатки растительных и животных организмов. В растворенной форме хром может находитьсяв виде хроматов и бихроматов. При аэробных условиях Cr(VI) переходит в Cr(III), соли которого в нейтральной и щелочной средах гидролизуются с выделением гидроксида.
В речных незагрязненных и
слабозагрязненных водах
Соединения Cr(VI) и Cr(III) в повышенных количествах обладают канцерогенными свойствами. Соединения Cr(VI) являются более опасными.
Содержание их в водоемах санитарно-бытового использования не должно превышать ПДКв для Cr(VI) 0.05 мг/дм3, для Cr(III) 0.5 мг/дм3. ПДКвр для Cr(VI) - 0.001 мг/дм3, для Cr(III) - 0.005 мг/дм3.
Хром обнаруживается в растительных и животных организмах. В организме взрослого человека содержится примерно 6г Сr (0,1%). В отличие от большинства микроэлементов уровень хрома в тканях с возрастом снижается. Легкие - единственный орган, в котором содержание хрома по мере старения возрастает. В различных географических местностях отмечались существенные колебания, что связано с региональными различиями поступления хрома в организм с пищей. Содержание хрома в пищевых продуктах существенно колеблется от 0,57 мг/кг в щавеле до 0,01 мг/кг в рисе [3].
Металлический хром нетоксичен, а соединения Сr (III) и Сr (VI) опасны для здоровья. Они вызывают раздражение кожи, что приводит к дерматитам.
Соединения хрома широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Они применяются в кожевенной и текстильной промышленностях, используются для хромирования металлических изделий, для производства спичек, красок, кино и фотопленок. В химической промышленности соединения хрома применяются как окислители. Ряд соединений хрома применяется в химических лабораториях в качестве реактивов. Ввиду токсичности соединений хрома они не применяются в медицине [4].
Из соединений хрома,
применяемых в различных