Извлечение полезных веществ из сточных вод

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Кузбасский  государственный технический университет

имениТ.Ф.Горбачева 
 
 
 
 
 

Кафедра строительных конструкций 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

на тему: «Использование производственных сточных вод

      и извлечение из них ценных веществ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                       Выполнил: cт-т гр. ВВ-071

                                                                                Князев В.И.  

 Проверил: доцент Зайцева И.С. 
 
 
 
 
 
 
 

Кемерово 2011

      Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Загрязнение промышленных сточных вод…………………………………….4

2 Извлечение ценных веществ из производственных сточных вод…………...6

     2.1 Применение комбинированного анаэробно-аэробного

         биологического метода biomar для извлечения метана……...……...7

      2.2 Извлечение никеля…………………..…………………………………8

      2.3 Извлечение биотоплива……………....………………………………..9

Заключение……………………………………………………………………….11

Список  литературы……………………………………………………………....13

    Введение 

    Вода - ценнейший природный ресурс. Она  играет исключительную роль в процессах  обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост  городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского

хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых  земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

    Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³. При этом  70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве. Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения.

    Большая часть воды после ее использования  для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод. Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

    На  современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых  технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды [1]. 

     1 Загрязнения промышленных сточных вод 

     Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.

    Загрязнение поверхностных и подземных вод  можно распределить на такие типы:

• механическое - повышение содержания механических примесей,

свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

• химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

• бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных

патогенных  микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

• радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

• тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых ЭС.

     Основными источниками загрязнения и засорения  водоемов является недостаточно очищенные  сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при  разработке рудных ископаемых;  воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов; сбросы водного и  железнодорожного транспорта; отходы  первичной обработки льна, пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т.д.); в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды  и откладывании их на дне водоемов.

     Производственные  сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в т.ч. и токсические, и содержащие яды.

     К первой группе относятся сточные  воды содовых, сульфатных, азотно-туковых  заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные  воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

       Сточные воды второй группы  сбрасывают нефтеперерабатывающие,  нефтехимические заводы, предприятия  органического синтеза, коксохимические и  др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются  органолептические показатели воды [2]. 

     2 Извлечение ценных веществ из производственных сточных вод 

     Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или

удаления  из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения-сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье(сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

     Методы  очистки сточных вод  можно  разделить на механические,  химические,физико-химические  и  биологические, когда же они применяются вместе, тометод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным.Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяетсяхарактером загрязнения и степенью вредности примесей [3].

     Сущность  механического метода состоит в том, что из сточных вод путемотстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсныечастицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения- нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическаяочистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимыхпримесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси,используются в производстве.

     Химический  метод заключается в том, что в сточные воды добавляютразличные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями иосаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигаетсяуменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.

     При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко

     дисперсные  и растворенные неорганические примеси  и разрушаются органические иплохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяетсякоагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находиттакже электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточныхводах и извлечении металлов, кислот и  других неорганических веществ.

     Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах.Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медныхпредприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности [4].

    Загрязненные  сточные воды очищают также с  помощью ультразвука, озона,ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очисткапутем хлорирования.

    Среди методов очистки сточных вод  большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического ифизиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типовбиологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

     В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистогоматериала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленкеинтенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служитдействующим началом в биофильтрах.

     При проектировании канализации промышленных предприятий прежде всего следует решить вопрос о возможности использования сточных вод (всех или частично) для тех или иных производственных целей без сброса их в водоем, а также о возможности извлечения из них ценных веществ. На сегодняшний день эта тема является актуальной. Возможность такого использования определяется составом сточных вод, их количеством и местными условиями.

     Наиболее  часто сточные воды после соответствующей  их обработки используются в системе  оборотного водоснабжения предприятия. Это в первую очередь относится  к воде, которая в производстве только нагревается, а не загрязняется — в необходимых случаях она должна быть охлаждена в градирнях, брызгальных бассейнах и т. д. и вновь подана в производство.

     В том случае когда вода в производстве загрязняется, но не нагревается (мокрое обогащение руды, гидрозолоудаление и др.), она используется вновь в производстве только после очистки (отстаивания).

     Оборотное водоснабжение может быть применено  и при нагретой и загрязненной сточной воде, если она после обработки (обычно после отстаивания и охлаждения) может быть использована вновь для тех же технологических целей. Так, например, часто применяется оборотное водоснабжение цехов газоочистки на металлургических заводах [5]. 

2.1 Применение комбинированного анаэробно-аэробного биологического метода biomar для извлечения метана

     Молокозавод, применив анаэробно-аэробного метод очистки BIOMAR, решает для себя сразу несколько проблем: увеличение производительности очистных сооружений, повышение качества очистки сточной воды, уменьшение образования избыточного ила. За счет использования образующегося на анаэробной ступени биогаза возможно сокращение потребления энергоносителей на предприятии до 15 %. Кроме того, снижение затрат на аэрацию воды на аэробной ступени доочистки и отсутствие неприятного запаха также являются весомыми аргументами в пользу технологии Biomar.

     Сточные воды предварительно проходят механическую очистку на барабанной решетке. Уловленный на данной ступени мусор собирается в отдельном контейнере.  Решетка работает автоматически и обеспечивает надежную защиту от засорения насосов, вентилей, арматуры.

     Далее сточные воды поступают в смеситель-усреднитель. В нем происходит качественное усреднение сточной воды: естественным образом сглаживаются резкие колебания рН при минимальном добавлении реагентов.

После усреднения сточные воды непрерывно подаются на флотационную установку Flomar или Lugan, где из воды удаляются жиры. Степень удаления жиров более 95%.

     Прежде  чем сточная вода попадет в  анаэробный реактор BIOMAR AFB, автоматически в ней устанавливается нейтральное значение pH и температура.

     В метанреакторе BIOMAR AFB протекают анаэробные биологические процессы. Ацетогенные бактерии в процессе гидролизации и закисления превращают находящиеся в сточной воде органические соединения (сахара, спирты, молочную кислоту и т.д.) в уксусную кислоту. На метаногенной фазе уксусная кислота превращается в энергетически ценный биогаз – смесь метана и оксида углерода. В данном реакторе используется неподвижный слой биомассы, закрепленный на специальном материале. Такое устройство обеспечивает увеличение площади поверхности и максимально высокую эффективность работы биоценоза, а также предотвращает вынос ила из реактора. Биогаз направляется на сжигание и использование, например, в паровом котле. Снижение ХПК сточной воды в анаэробном реакторе составляет более 80%.

     Далее сточная вода для доочистки направляется на аэробную ступень доочистки, где  достигаются необходимые параметры  для сброса в водоем или канализацию.

     В аэробном реакторе осуществляется разложение оставшихся в воде органических загрязнений. На этой стадии происходит доочистка  сточной воды до требуемых параметров от ХПК, БПК, соединений азота и фосфора. Аэрация сточной воды в аэротенке осуществляется непрерывно при применении специальной системы аэрации. Воздух подается воздуходувками, работа которых регулируется автоматически при измерении количества кислорода в сточной воде. Образующийся избыточный активный ил автоматически удаляется и обезвоживается [3]. 

     2.2  Извлечение никеля 

     Коноваловым И.Ю. был предложен способ извлечения никеля из сточных вод. Способ относится к области флотации и может быть использовано для концентрирования и извлечения ценных веществ из жидких и газообразных растворов, включая промышленные технологические растворы и пластовые воды нефтяных и рудных месторождений.

     Целью данного изобретения является повышение степени концентрирования и обеспечение извлечения веществ, находящихся в ионной, коллоидной и молекулярной формах не только из водной фазы, но и газовых растворов.Указанная цель достигается тем, что в качестве флотоагента используют частицы с радиусом (1,0-1,6)х10^-7 см и менее или их вакансии, которые образуются при дискретной траектории полета частиц в растворе.

     Изобретение относится к области гидрометаллургии и может быть использовано для извлечения и концентрирования редких металлов флотацией из гидроминерального сырья и пластовых вод при подготовке нефти и воды на промыслах. Для осуществления способа извлечения веществ в ионной, коллоидной и молекулярной формах из водной фазы и газовых растворов в качестве флотоагента используют частицы с радиусом 1.0-1.6·10^-7 см. Частицы могут быть заряжены, скорость их введения изменяют электромагнитным полем. Такими частицами являются протоны и гидроксилы, образованные при униполярной обработке воды или электролитически заряженные пузырьки газа. Частицы могут быть закреплены на носителе в виде твердой, жидкой или газообразной поверхности. Носителем могут быть газовые включения или газовый стержень. При использовании газового стержня в обрабатываемый раствор вводят ионогенное поверхностно-активное вещество с противоположным зарядом относительно извлекаемого компонента, причем движение потока газа может быть однонаправленное или противоположное движению потока. Способ обеспечивает 100% -ное извлечение лития лантана, меди, никеля, серебра, золота, бериллия.

     Концентрирование  вещества достигается путем заряда частиц и мощного искривления межфазной поверхности при вводе флотоагента. При вводе заряженных частиц скорость их введения регулируют и изменяют электромагнитным внешним полем, электрическим или магнитным бегущим полем. Частицы могут быть нейтральными, поляризованными и заряженными магнитным или электрическим зарядом и быть самостоятельно движущимися или предварительно закрепляться на носителе в виде твердой, жидкой (жидкокристаллической) или газообразной поверхности [9]. 

      2.3  Извлечение биотоплива

     Уникальный  способ производства биотоплива из ила и канализационных стоков изобрели  ученые из Сибирского Федерального университета и Института биофизики РАН. Полученное ими топливо, получившее название биодизеля, соответствует всем европейским экологическим стандартам.Ученые считают, что донные отложения и богатые бытовыми жирами сточные воды канализации являются ценным сырьем для производства биологической альтернативы дизельному топливу. Получаемое таким образом вещество не токсично и легко разлагается, а поэтому безвредно для окружающейсреды. "В результате исследования ила мы получили достаточно обнадеживающие результаты и выяснили, что, благодаря составу имеющихся в нем жирных кислот, этот биодизель обладает достаточно хорошими свойствами. Состав жиров, из которых он производится, достигает 14,5 процентов. Это достаточно мощный источник. Жиры, которые сбрасываются нами в канализацию, также могут быть переработаны в биодизель, который соответствует экологическому стандарту Евро-4", - рассказал журналистам один из разработчиков уникальной методики Михаил Гладышев, цитирует РИА Новости.Затраты на производство необычного топлива весьма низки. Подсчитано, что 75 процентов стоимости топлива приходятся на сборку сырья, которое, как напоминают ученые, абсолютно бесплатное, и в одном только Красноярске его вполне может хватить для обеспечения бесперебойной работы нескольких заводов.

     Пока  опытный образец биотоплива был получен в лабораторных условиях из донного осадка с красноярского озера Бугач.Впрочем, идея использования канализационных стоков в энергетике не нова и имеет перспективы коммерческого использования. Например, в 2009 году изральиско-американский научный коллектив основал фирму, производящую метановый газ из нечистот.

     Отметим, что доля "зеленой энергетики" в общем объеме производимой в России энергии сегодня составляет менее одного процента. В июне 2011 на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию о необходимости развивать эту сферу говорил Дмитрий Медведев. "Конечно, у нас существует потенциал традиционных энергетических ресурсов, но мы должны активно двигаться и в направлении использования альтернативной энергетики - и ветровой, и солнечной, и геотермальной", - подчеркнул глава государства, указав на отставание России в области "зеленой энергетики" от стран Евросоюза. Проект сибиряков получил поддержку Программы фундаментальных исследований президиума РАН [6]. 
 
 

     Заключение

     Защита  водных ресурсов от истощения и  загрязнения и их рациональногоиспользования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем,требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляютсямероприятия по охране окружающей Среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

     Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов являетсявнедрение  новых технологических процессов  производства, переход на замкнутые(бессточные)  циклы водоснабжения, где очищенные  сточные воды несбрасываются, а многократно  используются в технологических  процессах.

     Замкнутые циклы промышленного водоснабжения  дадут возможность полностьюликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные  водоемы, а свежую водуиспользовать для пополнения безвозвратных потерь.

     В химической промышленности намечено более  широкое внедрение малоотходных ибезотходных технологических процессов, дающих наибольший экологическийэффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очисткипроизводственных сточных вод.Значительно уменьшить загрязненность воды, сбрасываемой предприятием, можнопутем выделения из сточных вод ценных примесей, сложность решения этих задачна предприятиях химической промышленности состоит в многообразиитехнологических процессов и получаемых продуктов. Следует отметить также, чтоосновное количество воды в отрасли расходуется на охлаждение. Переход от водяного охлаждения к воздушному позволит сократить на 70-90 % расходы воды вразных отраслях промышленности. В этой связи крайне важными  являютсяразработка и внедрение новейшего оборудования, использующего минимальноеколичество воды для охлаждения [7].

     Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод независит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способомбиохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрениеэтого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, можетв определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткойпроизводственных сточных вод.В ближайшей перспективе намечается внедрение мембранных методов для очистки сточных вод.

     На  реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнения иистощения во всех развитых странах выделяются ассигнования, достигающие 2-4 %национального дохода ориентировочно, на примере США, относительные затратысоставляют (в %) : охрана атмосферы 35,2 % , охрана водоемов - 48,0, ликвидация твердых отходов - 15,0, снижение шума -0,7, прочие 1,1. Как видно из примера, большая часть затрат - затраты на охрану водоемов, расходы, связанные с получением коагулянтов и флокулянтов, частично могут быть снижены за счет более широкого использования для этих целей отходов производстваразличных отраслей промышленности, а также осадков, образующихся при очисткесточных вод, в особенности избыточного активного ила, который можно использовать в качестве флокулянта, точнее биофлокулянта.

     Таким образом, охрана и рациональное использование  водных ресурсов - это одноиз звеньев  комплексной мировой проблемы охраны природы [8]. 

     Список литературы 

1 Банников, А. Г. Охрана природы / А.Г. Банников, А.К. Рустамов, А.А Вакулин. – М.: Агропромиздат, 2007

2 Гавич, И.К. Методы охраны внутренних вод от загрязнения и истощения / И.К. Гавич. - М.: Агропромиздат, 2005

3 Дуганов, Г.В. Охрана окружающей природной среды / Г.В. Дуганов. -  Киев.: Высшая школа, 2000

4 Евилович, А.З. Утилизация осадков сточных вод / А.З. Евилович М.: Стройиздат, 1999

5 Капинос, П.И. Охрана природы / П.И. Капинос, Н.А. Панесенко. – Киев.: Высшая школа, 2001

6 Пугачев, Е.А. Проектирование сооружений переработки и утилизации осадков сточных вод с использованием элементов комп. информациионных технологий/ Е.А. Пугачев. – М.: АСВ, 2003

7 Хенце, М. Очистка сточных вод: Биологические и химические процессы    / М. Хенце, Армоэс П., Ля-Кур-Янсей Й. – М.: МИР, 2004

8 Юшманова, О.А. Комплексное использование и охрана водных ресурсов / О.А. Юшманова. - М.: Агропромиздат, 2002

9 Пат.2408540 Российская Федерация,МПК СО2F1/58./Извлечение никеля В.А.Авроров, А.А.Адельшин (RU). -№2009117173/05; заявл. 05.05.2009; опубл. 20.10.2009. -2с