Способы очистки химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз»

Способы очистки химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз»

Рост производства металлоизделий неразрывно связан с увеличением потребления воды, что в свою очередь вызывает повышенное количество образующихся сточных вод. Из сточных вод заводов металлоизделий наиболее токсичными для водных объектов и агрессивно действующими на канализационные сооружения являются химически загрязненные сточные воды, образующиеся в процессе обработки поверхности металлоизделий. Все это ставит новые задачи по совершенствованию водного хозяйства заводов металлических изделий. При этом актуальными являются вопросы связанные с принципиальным улучшением качества оборотной воды, подаваемой потребителям; повышением экологичности систем водоочистки; выбором наиболее подходящих способов очистки химически загрязненных сточных вод.

Целью работы является разработка технических решений по достижению нормативных требований химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз»

Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:

Ш по литературным и патентным данным провести анализ проблем в системе отведения и очистки химически загрязненных сточных вод предприятий метизной промышленности;

Ш провести инвентаризацию системы формирования, сбора, отведения и очистки химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз» и выполнить оценку соответствия качества химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз» договорным условиям их приема в водоотводящие сети ОАО «Северсталь»;

Ш разработать технические решения по достижению нормативных требований химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз»;

Ш выполнить эколого-экономическое обоснование разработанных технических решений.

Объектом исследования является система водоотведения и очистки химически загрязненных сточных вод предприятия ОАО «Северсталь-метиз».

Предметом исследования являются методы достижения нормативных требований химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз».

На защиту выносятся:

Ш обоснование необходимости принятия технических решений по достижению нормативных требований химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз».

Ш разработка технических решений по достижению нормативных требований химически загрязненных сточных вод ОАО «Северсталь-метиз».

Ш экологическое обоснование реализации разработанных технических решений.

Ш экономическая оценка разработанных вариантов технических решений.

сточный вода метизный очистка

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Состояние метизного производства в России

Ассоциация «Промметиз» — некоммерческое объединение национального масштаба производителей металлоизделий России. По данным [33,3], крупнейшими компаниями-производителями металлоизделий, входящих в ассоциацию «Промметиз» являются:

· ОАО «Северсталь-метиз»;

· ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»;

· ОАО «Белорецкий металлургический комбинат»;

· ЗАО «Вяртсильский метизный завод»;

· ОАО «Солнечногорский завод металлических сеток Лепсе»;

· ЗАО «Уралкорд»;

· ОАО «Межгосметиз-Мценск»;

· ЗАО «Техника и технология метизного производства»;

· ЗАО «Уральский завод прецизионных сплавов»;

· ЗАО «Универсальный метизный завод»;

Предприятия, входящие в ассоциацию «Промметиз», согласно [3], реализуют около 85% общего объема метизной продукции в России, а по отдельным позициям: проволока пружинная и высокопрочная, канаты стальные и металлокорд- 100%. Эти соотношения позволяют оценить роль ассоциации и ее участников на Российском рынке. В таблице 1 представлены данные о долях в производстве метизной продукции по предприятиям в Российской Федерации.

Таблица 1- Доля в производстве метизной продукции по предприятиям Российской Федерации

Таким образом, наиболее крупным производителем метизной промышленности в России является ОАО «Северсталь-метиз» (28% всей выпущенной продукции). По данным [4], внутренняя емкость российского рынка метизов по разным оценкам колеблется от 2,5 до 3 млн. т. Динамика производства основных видов метизной продукции приведена в таблице 2.

Таблица 2- Динамика производства основных видов метизной продукции в 2001;2007 гг. тыс. т

Сегодня более 30% металлоизделий в России производится на новом или отреставрированном оборудовании по современным отвечающим мировым стандартам технологиям. За последние годы организован широкий выпуск новых видов металлоизделий:

· гвозди в кассетах современной конструкции для монтажных пистолетов;

· электроды с двухслойным покрытием, что значительно улучшает качество сварного шва и снижает его зависимость от квалификации сварщика;

· канаты с трубчатым сердечником, внутри которого пропускаются коммуникационные кабели в бурильные скважины;

· канаты с пластически обжатыми прядями, обладающие большим разрывным усилием, гибкостью и износостойкостью;

· стальная фибра для стяжки железобетона;

· новые конструкции фасонных профилей для строительно-монтажного комплекса;

· арматурная проволока периодического профиля класса В500С размером 6−10 мм;

· сетка сварная из арматурной проволоки размером до 8 мм в картах шириной до 4 метров для дорожного и монолитбетонного строительства;

· высокопрочный монтажный крепеж диаметром более 25 мм для соединения каркасных конструкций;

· стабилизированная арматурная проволока, стабилизированная холоднокатаная арматура и стабилизированные канаты для армирования предварительно напряженных ответственных железобетонных конструкций и железнодорожных шпал;

· сетка двойного кручения и габионы из проволоки с полимерным покрытием для закрепления берегов и оврагов;

· порошковая проволока для раскисления стали;

· путевой удлиненный шуруп с шестигранной головкой, повышающий качество и технологичность укладки железнодорожных путей;

· омедненная сварочная проволока размером 4−5 мм в большегрузных мотках для производства труб большого диаметра.

К современным видам продукции относится возрожденное на Белорецком металлургическом комбинате производство микронной проволокипроволоки в 3−4 раза тоньше человеческого волоса, которая используется для изготовления сетчатых фильтров, в микрохирургии, в авиации и космонавтике.

Объемы производства сварочных электродов постепенно снижаются. Это обусловлено совершенствованием и расширением процессов автоматической сварки. Взамен, увеличивается выпуск широкой номенклатуры омедненной сварочной проволоки в удобной для потребителей упаковке от еврокассет до емкостей по 200−300 кг. Также будут осваиваться новые виды порошковой проволоки.

Потребность в крепежных изделиях удовлетворяется в соответствии с темпами развития российского станкои машиностроения. Объемы железнодорожного крепежа и его новые конструкции осваиваются в соответствии с планами развития и проектами РЖД. Высокопрочный монтажный крепеж — это крепеж унифицированных размеров, в том числе и больших диаметров, объемных партий, используемый в строительстве мостов и эстакад, в монтаже металлических каркасов для новых и реставрируемых зданий. Рынок этой продукции наиболее емкий и развивающийся, для его удовлетворения осваиваются новые технологии, приобретается и монтируется оборудование В этих трех направлениях два основные лидера производства — «ММК-МЕТИЗ» и «Северсталь-метиз». Строительно-отделочный крепеж, саморезы с различными видами покрытийэто молодое, для российской метизной промышленности, направление, освоением кот занимаются УЗПС и «ММК-МЕТИЗ». Виды специального крепежа для автомобильной и мебельной промышленностей, унифицированные и имеющие значительные объемы, планируют осваивать также УЗПС и «ММК-МЕТИЗ».

1.2 Характеристика предприятий метизной промышленности как источника образования сточных вод

Рост производства металлоизделий неразрывно связан с увеличением потребления воды, что в свою очередь вызывает повышенное количество образующихся сточных вод. Согласно [8,37], неблагоприятная экологическая обстановка наблюдается в таких металлургических городах России, как Липецк, Магнитогорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Челябинск, Череповец и др.

Метизная промышленность как подотрасль черной металлургия является одним из потребителей воды. Водопотребление составляет 12−15% общего потребления воды промышленными предприятиями страны. На охлаждение оборудования используется 49% воды, очистку газов и воздуха — 26%, гидротранспорт -11%, обработку и отделку металла — 12%, прочие процессы — 2% воды.

Согласно [40], технологический процесс производства металлоизделий включает термообработку, подготовку поверхности металла к дальнейшей обработке, нанесения горячих и гальванических покрытий. Основным технологическими процессами, связанными с потреблением воды на предприятии является:

ь подготовка поверхности металла к волочению в садочных отделениях;

ь термическая обработка с подготовкой поверхности металла к волочению в протяжных агрегатах;

ь нанесение горячих и гальванических покрытий;

ь обработка металла методом холодной деформации (волочение проволоки).

Очистка поверхности металлоизделий от окалины и иных налетов, по данным [2], является важнейшей технологической операцией и осуществляется в основном путем травления в различных травильных средах— кислотных, щелочных и иных растворах, иногда — расплавах, часто с использованием предварительного механического воздействия (разрушения) на поверхностную пленку. По данным [44], для травления чаще всего используют растворы сильных кислот: серной, соляной и азотной.

В процессе травления образуются сточные воды, содержащие кислоту и продукты реакции. К сточным водам относятся отработанный травильный раствор, вода, использованная для промывки поверхности металла, вода из скрубберов после очистки воздуха, отсасываемого из ванн; кислотосодержащие воды после промывки оборудования и др. Кроме этого, вода используется на мокрую очистку воздуха, отсасываемого из ванн с серной кислотой и омеднения перед выбросом в атмосферу. Вода используется на охлаждение оборудования, промывки металла, приготовление растворов.

Согласно [2], основными производствами, потребляющими воду, является сталепроволочное, железопроволочное, холодной прокатки ленты, калибровочное, крепежное и электродное. Вода в производстве расходуется на: подготовку металла к последующей обработке, на обработку металла методом холодной или горячей деформации, при термической обработке и нанесении покрытий. Кроме того вода потребляется: в крепежных производствах на промывку готовых изделий перед нанесением на них консервационного слоя, в электродных производствах при мойке и сортировке материалов, при приготовлении жидкого стекла, промывке оборудования, мокрой уборке помещений и очистке воздуха, при применении электроустановок, ламповых и высокочастотных генераторов, индикаторов, ртутных выпрямителей, а так же на охлаждение оборудования.

Согласно исследованиям [40], в зависимости от вида обрабатываемых изделий удельный расход сточных вод может колебаться в значительных пределах: от 0,4 м³ на 1 т изделий (травление прутьев) до 50 м³ на 1 т (травление оцинкованных труб). В среднем расход сточных вод травильных цехов составляет 3−3,5 м³ на 1 т изделий, из которых около 85% - промывные стоки. Многократно использованные травильные растворы обогащаются солями железа и выводятся из производства.

По данным [43], на 1 т расходуемой кислоты получается около 10 м³ отработавших растворов и от 100 до 400 м³ промывных вод (в среднем 200 м³). Промывные воды поступают непрерывно с коэффициентом часовой неравномерности 1,3—1,4.

1.3 Характеристика сточных вод в метизной промышленности

Из сточных вод заводов металлических изделий наиболее загрязненными, вредными для водоема и агрессивно действующими на канализационные сооружения являются сточные воды травильных отделений и цехов. При этом образуются сточные воды двух видов — от собственно травления (отработавшие растворы) и от промывки протравленных металлических изделий. Первые являются наиболее концентрированными и сбрасываются периодически, как правило, два-три раза в сутки.

Требования к качеству воды в отдельных циклах метизного производства, по данным [44], приведены в таблице 3.

Согласно [40], стоки ванн травления с содержанием серной кислоты до 5 г/дм³ сливаются в кислотную канализацию. Из некоторых ванн, в которых содержание железного купороса достаточно для производства и варки товарного железного купороса поступают на имеющуюся, на территории предприятия купоросную установку.

В случае применения ступенчатой промывки металла могут быть получены стоки с повышенным содержанием селитры. При значительном количестве такого раствора он может быть использован в сельском хозяйстве для удобрения. Сточные воды от промывки металла после термообработки, содержащие нитрит натрия, не следует сбрасывать в сеть кислотной канализации, так как в этом случае образуются токсичные газообразные оксиды азота.

Таблица 3- Нормативные требования к качеству воды, используемой в метизном производстве Промывные воды содержат 0,5−5,0 г/дм³ кислоты; 0,5−8,0 г/дм³ солей железа и до 300 г/дм³ взвешенных частиц (окалина, песок и другие механические примеси). В таблице 4 представлены данные о качественном и количественном составе сточных вод от травления черных металлов серной кислотой.

Таблица 4 — Состав и концентрация загрязняющих веществ в сточных вод от травления черных металлов серной кислотой

Таким образом, состав промывных вод травильных отделений колеблется, так как он зависит не только от состава рабочего раствора, но и от технологии промывки, а так же от состава и количества исходной воды, подаваемой на промывку. Кроме того, промывные воды после различных технологических операций смешиваются, а в систему канализации иногда сливают и концентрированные растворы. Все эти факторы обусловливают большое разнообразие химического состава и количества промывных вод, как на разных заводах, так и в различное время на одном заводе.

Характеристика сточных вод общего стока метизного производства, согласно [1,44], приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Характеристика сточных вод в общем стоке метизного производства

1.4 Существующие подходы к снижению негативного воздействия производственных сточных вод предприятий метизной промышленности на водные объекты

1.4.1 Методы очистки производственных сточных вод предприятий метизной промышленности

Современная очистка сточных вод подразумевает полное или максимально возможное удаление загрязнений, примесей и вредных веществ. Методы очистки сточных вод полностью зависят от качественного и количественного состава загрязняющих веществ, а также от вредности содержащихся в сточных водах примесей, и в каждом отдельно взятом случае оптимальный метод подбирается в индивидуальном порядке. Выбор метода очистки химически загрязненных сточных вод предприятий метизной промышленности зависит от многих факторов: количества сточных вод различных видов, их расхода, возможности и экономической целесообразности извлечения примесей из сточных вод, требований к качеству очищенной воды при ее использовании для повторного и оборотного водоснабжения и сброса в водоем, наличия районных или городских очистных сооружений.

Все имеющиеся и широко применяемые в настоящее время методы очистки сточных вод, по данным [40, 14, 16], подразделяются на несколько основных видов:

· механический метод очистки сточных вод;

· химический метод очистки сточных вод;

· физико-химический метод очистки сточных вод

1.4.1.1 Методы механической очистки производственных сточных вод предприятий метизной промышленности

Механический метод очистки основан на выделении из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, а поверхностные загрязнения — нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из промышленных сточных вод до 95% нерастворимых примесей. Решетки устанавливают перед местными очистными сооружениями и приемными резервуарами насосных станций. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, частицы которых имеют большую или меньшую плотность, чем плотность воды, применяют отстаивание. Отстаивание является наиболее простым методом выделения грубодисперсных примесей.

1.4.1.2 Методы химической очистки производственных сточных вод предприятий метизной промышленности

Химический метод очистки сточных вод состоит в применении специальных химических реагентов, благодаря которым происходит химическая реакция, способствующая превращению имеющихся загрязнений в нерастворимые осадки. Основными недостатками данного метода являются как низкая фильтрация очищающихся сточных вод, так и высокая стоимость используемых реагентов.

Различают два метода нейтрализации [5]:

— реагентный, когда в сточную воду добавляется реагент в виде раствора или сухого вещества. Сточная вода, содержащая щелочи, может быть использована как реагентный раствор;

— фильтрационный, по данным [20], при котором сточная вода протекает через нейтрализующий материал.

При нейтрализации кислот, кальциевые соли которых хорошо растворимы в воде (например, соли азотной или соляной кислоты), обычно применяется фильтрация как наиболее простой в эксплуатации метод.

Нейтрализация по методу фильтрации для серной кислоты нежелательна, вследствие образования на поверхности зерен фильтрующего материала гипсовой корки, что тормозит последующий ход реакции. Однако при концентрациях серной кислоты менее 0,6—0,8% устройство фильтров из известняка (предпочтительнее из доломита) допустимо, поскольку образующийся гипс в значительной степени растворяется водой. Реагентный метод нейтрализации получил наибольшее распространение для сернокислотных сточных вод.

Комплекс сооружений и оборудования, предназначенный для обработки кисло-щелочных сточных вод называют станцией нейтрализации. Так как на метизных заводах очищают воду в больших количествах, то применяют только станции нейтрализации непрерывного действия. Согласно [39, 5, 19], в состав сооружений для непрерывных станций нейтрализации входят: песколовки (в данном случае они же окалиноуловители), усреднители, смесители, камеры реакции, отстойники или осветлители, шламонакопители, шламовые площадки. Кроме того, в состав станции нейтрализации входит склад реагентов и узел их приготовления. Узел приготовления реагентов представляет собой наиболее сложную часть станции. Он включает в себя механизмы для разгрузки и транспортировки извести, машины и аппараты для дробления, помола и гашения извести, устройства для очистки известкового молока от шлама, баки-мешалки для хранения и заготовки рабочего раствора, насосы для его перекачки и дозирующие устройства. Аппаратуру для контроля и регулирования добавок реагента обычно также располагают в здании реагентного хозяйства. На рисунке 1 представлена технологическая схема обработки кислых железосодержащих сточных вод.

Рисунок 1- Технологическая схема обработки кислых железосодержащих сточных вод: 1—промывные ванны; 2 — усреднитель; 3 —насосная; 4 — смеситель; 5 — камера реакций; 6 — отстойники (осветлители); 7 — сборный резервуар осветленной воды; 8—насосная; 9 — узел приготовления известкового молока; 10—шламовые насосы; 11— шламонакопитель.

Указанный состав сооружений, там где это необходимо, дополняют резервуарами для приема сточных вод перед их обработкой и сбора очищенной воды, насосами для перекачки воды и шлама. Кроме того, станция нейтрализации может быть оборудована узлом для обезвоживания осадка. На некоторых заводах, особенно старых, существуют станции нейтрализации с упрощенными технологическими схемами. Часто в них не предусмотрены песколовки и усреднители. Еще более существенного упрощения достигают там, где вместо отстойников и отдельно шламонакопителей строят пруды-шламонакопители (одноступенчатые станции нейтрализации).

Одноступенчатые станции нейтрализации имеют ряд существенных недостатков. Пруды-накопители занимают большие площади, выделить которые не всегда возможно, особенно в районах, где много промышленных предприятий. Устройство таких прудов возможно лишь на большом расстоянии от завода, что приводит к необходимости иметь трубопроводы большой длины. В прудах-накопителях невозможно избежать неравномерности распределения скоростей движения жидкости и это приводит к недопустимому выносу осадка. Особенно нерациональны станции нейтрализации с прудами-накопителями.

Реагентный метод очистки, представленный в [9], заключается в следующем: отдельно выделяются кислото-щелочесодержащие, хромсодержащие, циансодержащие, фторсодержащие и, если есть, другие стоки. Отработанные растворы при этом обычно поступают на очистные сооружения отдельно от промывных сточных вод. Стоки каждого вида обрабатываются соответствующими реагентами для нейтрализации содержащихся в них вредных компонентов. Например, усредненные хромсодержащие стоки доводятся до определенного рН раствором щелочи или кислоты, обрабатываются раствором бисульфита натрия или другого реагента (вместо реагента иногда применяют электрокоагуляцию) для восстановления Сr⁺⁶ до Сr⁺³, затем снова доводятся до рН осаждения гидроксидов тяжелых металлов и направляются на осветление. Примерно по той же схеме, но с применением в каждом индивидуальном случае своих реагентов осуществляется очистка других стоков. Разделение стоков по видам и подвидам влечет за собой необходимость создания сложной системы подачи их на очистку, установку многочисленных коррозионностойких приемных, промежуточных и усреднительных емкостей и реакторов с коррозионностойкой запорнорегулирующей арматурой, различными датчиками и химическими насосами. Все это дорого, требует значительных площадей для размещения оборудования, увеличивает трудоемкость его эксплуатации и обслуживания. Использование многообразных, в большинстве своем дефицитных реагентов приводит к необходимости создания специального реагентного хозяйства и дополнительного обслуживающего персонала. Кроме того, реагенты увеличивают минерализацию очищаемых стоков, что может привести к превышению ПДК по хлоридам, сульфатам или сухому остатку в случае сброса в канализацию.

Согласно [18], способ нейтрализации и очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов одного вида с большой концентрацией может быть использован на предприятиях металлоизделий и гальванических производств. Очистку сточных вод производят в два этапа, при этом на первом этапе сточные воды обрабатывают торфощелочным реагентом при массовом соотношении ионов тяжелых металлов одного вида к торфощелочному реагенту как 1 — (1 — 1,3), в котором торфощелочной реагент представляет собой фильтратный раствор гидроксида натиря, пропущенный через гранулы торфа, далее обработанные сточные воды перемешивают и отстаивают до рН 6,4 — 6,95, а на втором этапе их обрабатывают известковым молоком до рН 8,75 — 9,25, при перемешивании и отстаивании с отделением образовавшегося осадка и с последующим обесцвечиванием. Для обесцвечивания сточных вод используют метод двухстадийной коагуляции алюминийсодержащими коагулянтами с добавлением флокулянта с последующим отстаиванием, отделением образовавшегося осадка и фильтрованием. Сточные воды могут быть обесцвечены также путем двухстадийного озонирования с последующей сорбцией. Способ обеспечивает нейтрализацию и повышение степени очистки кислых стоков от ионов тяжелых металлов при сокращении расхода щелочных реагентов.

Недостаткам метода является использование известных щелочных реагентов в больших количествах. Другим недостатком также является необходимость строгого соблюдения значений интервала реакции среды обрабатываемого стока, чтобы не создавать условий для растворения амфотерных гидроксидов (например, гидроксидов цинка, гидроксидов меди).

1.4.1.3 Методы физико-химической очистки производственных сточных вод предприятий метизной промышленности

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т. д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях — электролизерах.

Ионообменный способ очистки в чистом виде распространен довольно редко по следующим причинам [9]:

· требуется дорогостоящее и остродефицитное оборудование и материалы;

· слишком велик расход кислоты и щелочи на регенерацию ионообменных смол;

· существует проблема утилизации элюатов;

· необходима предварительная очистка от механических примесей и органических веществ.

Существенным преимуществом способа по отношению к другим является высокая степень очистки по содержащимся в стоках солям, поэтому при особо жестких требованиях к очищенной воде его применение становится не только целесообразным, но и необходимым. Обычно в таких случаях он используется как вторая ступень очистки, так как предварительное снижение солесодержания на первой ступени позволяет существенно сократить расход реагентов на регенерацию ионообменных смол и решить вопрос с элюатами (чем ниже концентрация солей на входе, тем реже требуется регенерация и меньше элюатов).

Согласно [9], относительно новым, перспективным способом очистки является гальванокоагуляция. Известны аппараты барабанного типа, разработанные институтом «Казмеханобр», где для извлечения меди, никеля и других металлов и восстановления шестивалентного хрома реализован метод так называемой динамической гальванокоагуляции. Для этих аппаратов характерны низкий коэффициент использования объема барабана (малая производительность на единицу объема), повышенный уровень шума при работе на них.

Основные преимущества метода:

· исходный сток не требует предварительной коррекции рН;

· не требуется разделения промывных стоков в гальванике (за исключением СN — стоков);

· возможна обработка стоков с повышенными концентрациями металлов;

· расход реагентов существенно ниже, чем в предыдущих методах очистки;

· объем осадков, образующихся в результате очистки, уменьшается в 3−5 раз;

· в результате электрохимической очистки происходит разрушение комплексных соединений металлов, разрушение и последующая флотация эмулированных и свободных масел и нефтепродуктов.

1.4.1.4 Способ очистки сточных вод от сульфат-ионов

По данным [17], способ очистки сточных вод от сульфат-ионов, основанный на нейтрализации сульфатсодержащей сточной воды и введения реагента, заключается в том, что перед введением реагента сточную воду нейтрализуют до рН 8,5−12,1, а в качестве реагента берут смесь извести с гидроксидом алюминия аморфной структуры, извлеченной из кислого раствора алюминиевой соли, и дозируют в нейтрализованную воду с последующей донейтрализацией стоков до рН 12,2−12,8 и далее перемешивают очищаемую воду до завершения осаждения SО^-2₄ в твердую фазу. Предпочтительно смесь извести с гидроксидом алюминия аморфной структуры, извлеченной из кислого раствора алюминиевой соли, берут в соотношении СаО: А1(ОН)₃ не менее 1:1,1. Способ обеспечивает сокращение времени очистки сточных вод от сульфат-ионов до концентрации ниже 100 мг/дм³.

Согласно [17], способ очистки сточных вод от сульфат-ионов, отличается от первого тем, что очищенную от сульфат ионов воду после отделения от осадка подвергают барботажу воздухом или барботажу СО₂. Способ обеспечивает более дешевую технологию очистки сточных вод от сульфат-ионов до концентрации ниже 100 мг/дм³.

Использование в качестве реагента гидроксида алюминия аморфной структуры, извлеченной из кислого раствора алюминиевой соли, в сочетании с предложенной последовательностью операций позволяет достичь высокого качества очищенной воды и исключить повторное ее загрязнение ионами хлора или натрия. Гидроксид алюминия аморфной структуры, извлеченный из кислого раствора алюминиевой соли, — более дешевый реагент для очистки сточных вод от сульфат-ионов по сравнению с металлическим алюминием, что позволяет удешевить технологию очистки и позволяет использовать предлагаемый способ для больших объемов высокозагрязненных сточных вод. Использование гидроксида алюминия аморфной структуры, извлеченной из кислого раствора алюминиевой соли, на существующих и вновь проектируемых очистных сооружениях заводов, шахт, рудников позволяет без дополнительных затрат реализовать очистку стоков от сульфат-ионов до ПДК, регламентируемых для сброса воды в водоемы рыбохозяйственного назначения.

1.4.2 Способы переработки отработанных травильных растворов Следует отдельно рассматривать переработку отработанных концентрированных растворов (ОТР) и слабоконцентрированных промывочных, вентиляционных и других стоков (ПВ). На это есть две основные причины: методы переработки ОТР и ПВ не всегда совпадают; локальные установки переработки ОТР часто ''принадлежат" основным цехам.

1.4.2.1 Кристаллизация хлорида железа (II)

Согласно [2], способ заключается в выделении кристаллов хлорида железа (II) путем концентрирования раствора испарением под низким давлением, или термическим разложением раствора, или добавлением органического растворителя, а также насыщением хлороводородом для понижения растворимости хлорида железа (II). Отделение хлорида железа (II) из раствора позволяет вернуть на травление только свободную соляную кислоту, оставшуюся в отработанном травильном растворе. Для повышения степени регенерации кислоты и улучшения технико-экономических показателей данный способ был усовершенствован путем применения дополнительного обжига кристаллов хлорида железа (II) при 400−500 °С в присутствии паров воды и воздуха. При этом происходит разложение хлорида железа (II). Получающийся оксид железа удаляется, а хлороводород после растворения в воде превращается в соляную кислоту, возвращаемую на травление.

Процесс регенерации с выделением хлорида железа (II) включает следующие операции: очистку отработанного травильного раствора от механических загрязнений с помощью фильтров, насыщение раствора газообразным хлороводородом в абсорбере, охлаждение раствора в холодильнике-кристаллизаторе, отделение кристаллов из раствора в центрифуге, обжиг и разложение кристаллов с выделением хлороводорода и оксида железа (II). Хлороводород используется для насыщения раствора перед выделением хлорида железа (II) и получения требуемой концентрации кислоты, возвращаемой из центрифуги на травление.

Этот способ не дает бесполезных отходов, однако сложен в практике, требует значительного количества оборудования и большого штата обслуживающих рабочих.

Фирмой «Ruthner» предложено отделение хлорида железа (II) выпариванием отработанного травильного раствора почти до точки кристаллизации. Этот способ более прост и требует меньше оборудования, чем отделение кристаллов хлорида железа (II). Однако применение косвенного подогрева в теплообменнике связано с относительно небольшим коэффициентом полезного действия, небольшой скоростью процесса и большим расходом тепла, а главное, в этом случае в паровую фазу поступает значительное количество хлороводорода.

1.4.2.2 Электрохимическая переработка ОТР

По данным [2], в разных странах разработано и опробовано несколько способов электролитического осаждения железа из отработанного травильного раствора. Так, в Германии осаждение железа проводится на металлическую ленту, которая охватывает два вертикально установленных барабана. Обе ветви ленты помещены в ряд последовательно расположенных небольших ванн с уплотнением в местах прохода ленты через стенки ванны.

При медленном вращении барабанов лента в вертикальном положении проходит через ванны, заполненные отработанным травильным раствором, водой для промывки и нейтрализационным раствором. Ванны обогреваются электроэнергией и снабжены крышками. К ленте через щеточные контакты на барабанах подводится постоянный ток от преобразовательных агрегатов. В процессе медленного движения через ванны на ленте, являющейся катодом, осаждается электролитически чистое железо, которое затем промывается, нейтрализуется и сушится. Затем оно отделяется в виде полосы толщиной 0,05−0,3 мм и сворачивается в рулон. После отжига эти полосы обладают достаточно хорошими механическими свойствами. После отделения железа в травильный раствор добавляют кислоту и его вновь используют для травления. Этот процесс пока не получил распространения из-за громоздкости установки при большой производительности и высокой стоимости передела. Так, расход электроэнергии составляет около 6500 кВт· ч на 1 т получаемой полосы.

Одним из возможных методов регенерации отработанных травильных растворов является электролиз с применением ионообменных мембран, при этом схемы проведения процесса могут быть различными.

Кроме этого, был разработан способ регенерации сернокислых и хлористых травильных растворов железа электролизом в диафрагменной ванне с подачей исходного раствора в анодное пространство, а в катодное — более концентрированного раствора той же соли железа при температуре 30−100 °С, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки, электролиз проводят с использованием инертного анода при анодной плотности тока 2,5−10 А/дм².

1.4.2.3 Способ вытеснения HCl

Согласно [2], разработан способ регенерации солянокислотных растворов, заключающийся в добавлении к отработанному раствору концентрированной серной кислоты. При реакции хлорида железа (II) с концентрированной серной кислотой образуется железный купорос и газообразный хлороводород. Процесс протекает при температуре 114−200 °С при максимальной концентрации серной кислоты 40−50%. Маточный раствор, оставшийся после выделения железного купороса, и раствор полученного хлороводорода в воде могут быть возвращены на травление. Необходимость использования серной кислоты и наличие труднореализуемых отходов железного купороса делает этот процесс неперспективным.

1.4.2.4 Термический способ регенерации ОТР

По данным [2], это основной способ, широко применяемый в различных вариантах в значительном количестве стран. Он основан на распылении, испарении и последующем термическом разложении раствора в реакторе под действием горячих газообразных продуктов, образующихся при сгорании горючего газа или жидкого топлива. При температуре примерно 107 °C из травильного раствора испаряется вода и образуются кристаллы хлорида железа (II) в соединении с молекулами воды. При температуре в реакторе 265 °C и выше от молекулы хлорида железа (II) отщепляется и испаряется кристаллизационная вода. Чем выше температура, тем быстрее протекает реакция расщепления. Одновременно при этих температурах и достаточном количестве водяного пара и кислорода идет реакция термического разложения хлорида железа (II). Если имеется избыток кислорода и недостаток водяных паров, то идет реакция с образованием элементарного хлора.

Выделившиеся водяные пары участвуют в разложении хлорида железа (II), а образующийся хлороводород снова превращается в хлор и воду и т. д. Нежелательное выделение хлора в случае нарушения в подаче воды может быть уменьшено за счет увеличения влажности вдуваемого в реактор воздуха. При нормальном содержании воды и чрезмерном вдувании воздуха в реактор элементарный хлор превращает хлорид железа (II) в хлорид железа (III), которое испаряется при 304 °C в виде соединения Fе₂С1₆ и в парообразном виде взаимодействует с парами воды.

Выделяющийся Fе₂О₃ находится в виде мелкой пыли (аэрозолей), осаждение которой связано с трудностями. Поэтому для ведения процесса регенерации с минимальным выделением хлора, пылевидных оксидов и т. д. требуется тщательное регулирование подачи воздуха и воды, а также введение необходимого количества тепла для нагрева реактора, испарения раствора и ведения реакции, протекающей с поглощением тепла.

1.4.3 Методы механической обработки поверхности металлоизделий Механический способ обработки и удаления окалины с поверхности металлоизделий, [12], является благоприятной с точки зрения экологии и затрат альтернативой травлению.

В настоящее время существует 3 способа механической очистки поверхности металла от окалины [15]:

— механическая очистка изгибанием или с помощью щеток;

— механическая очистка с применением дробеструйного метода;

— механическая обработка обточкой.

В зависимости от конкретного готового изделия и цели, могут применяться самые разные способы удаления окалины, в том числе и в виде комбинации способов.

Для зачистки поверхности проката от окалины, по данным [44], наиболее часто применяют обработку ее струями стальной или чугунной дроби, а также абразивов типа песка и других материалов. Струи дроби из дробемётных установок подают на поверхность металла. По зарубежным данным, расходы на дробемётную зачистку прутковой стали на 70% ниже, чем на травление.

Для удаления окалины с поверхности катанки таким способом применяют дробемётные установки двух типов: проходные и периодического действия. Проходные установки, как правило, используют в линиях с дополнительной подготовкой поверхности травлением или в линии волочения.

В зависимости от способа очистки различают установки с 1—3 камерами с поперечным, продольным и спиральным прохождением металла. В установках поперечного типа струя дроби направлена поперек движения ниток металла. Такие установки используют для работы до 40 ниток.

Продольные установки, в которых струя дроби направлена вдоль движения ниток, строят для 1—5 ниток. Они предназначены для размещения их непосредственно перед волочильным станом.

Установки со спиральным прохождением металла применяют в поточных агрегатах для подготовки поверхности катанки и проволоки к волочению. Здесь обработка совершается дольше, чем в других проходных установках, но в данном случае выше КПД оборудования и экономичность процесса. Дробемётная очистка универсальна и по степени удаления окалины не уступает травлению.

Высвобождаемая в процессе дробеметания кинетическая энергия создает желаемый рабочий эффект: разрушение и сбивание окалины, а также выглаживание поверхности или придание ей шероховатости в зависимости от выбранных зерен для струйной обработки и скорости их центрифугирования.

Согласно [44], применение механического удаления окалины позволяет получить большую экономию в результате сокращения расхода дорогостоящих кислот и металла, снижения эксплуатационных расходов и высвобождения рабочей силы. Оно позволяет, кроме того, оздоровить водный и воздушный бассейны и уменьшить производственную площадь для оборудования.

Выводы

На основании проведенного литературного анализа установлено, что при выборе системы сбора и очистки химически загрязненных сточных вод предприятий метизной промышленности необходимо руководствоваться следующими основными положениями:

Ш необходимостью максимального уменьшения количества химически загрязненных сточных вод и снижения содержания в них примесей;

Ш возможностью извлечения из химически загрязненных сточных вод ценных примесей и их последующей утилизации;

Ш повторным использованием сточных вод (исходных и очищенных) в технологических процессах и системах оборотного водоснабжения;

Анализ существующих методов очистки химически загрязненных кислых сточных вод метизной промышленности показал, что для сернокислотных сточных вод наибольшее распространение получил реагентный метод нейтрализации. Разработанные в настоящее время методы очистки сточных вод позволяют в условиях их практической реализации исключить или свести к минимуму поступления загрязняющих веществ в водные объекты.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Характеристика производственной деятельности и структура ОАО «Северсталь-метиз»

Промышленная площадка предприятия ОАО «Северсталь-метиз» г. Череповец, площадью 120 га, расположена в западной части города и граничит с западной и северной стороны с ОАО «Северсталь», с южной стороны — с Устюженской улицей, на которой расположены объекты промышленного назначения, с восточной стороны — с селитебной зоной города. Ближайшие жилые дома находятся на расстоянии 300 м от территории завода. Промышленная площадка ОАО «Северсталь-метиз» вытянута и имеет параллельную застройку в продольном направлении с востока на запад. Карта — схема района размещения завода приведена в приложении 2.

Череповецкий завод ОАО «Северсталь-метиз» — крупнейший российский производитель метизной продукции. В настоящее время предприятие производит широчайший ассортимент металлопродукции, среди которой свыше 26 тысяч видов и типоразмеров металлических изделий следующих наименований: проволока, гвозди, стальная и сварная сетка, сварочные материалы, канаты, машиностроительный, мебельный и железнодорожный крепеж, калиброванная сталь, цепи, стальные фасонные профили, товары народного потребления.

В рамках ОАО «Северсталь-метиз» существуют три производства: метизное, калибровочное, сталепроволочно-канатное, а так же вспомогательные цеха. В состав метизного производства входят цеха: сталепроволочный цех № 1 (СПЦ-1); гвоздильный цех; цех металлических сеток. В состав сталепроволочно-канатного производства входят цеха: сталепроволочный цех № 2 (СПЦ-2); канатный цех. В состав калибровочного производства входят: цех стальных фасонных профилей (ЦСФП); калибровочный цех; крепежный цех. В качестве сырья на ОАО «Северсталь-метиз» используются горячекатаный подкат — катанка и сортовой металл в прутках и бунтах.

Основная деятельность сталепроволочного цеха № 1 (СПЦ-1) — получение проволоки стальной низкоуглеродистой общего назначения, сварочной, с цинковым и полимерным покрытием и без покрытия, проволоки с плотным цинковым покрытием, проволоки для армирования железобетонных конструкций, арматурной, полиграфической, телеграфной, для бронирования электрических кабелей, для воздушных линий связи, а также передельной заготовки для цеха металлических сеток. Исходное сырье — стальная катанка с ОАО «Северсталь». Сталепроволочный цех № 1 оснащен современными высокопроизводительными волочильными станами, термическими агрегатами и средствами для нанесения на проволоку цинковых и полимерных покрытий.

Гвоздильный цех оснащен гвоздильными автоматами зарубежного и отечественного производства, станками для изготовления однои двухосновной колючей проволоки, автоматическими линиями для упаковки гвоздей. Цех выпускает гвозди строительные, толевые, кровельные, тарные, квадратновинтовые, со стержнем периодического и фасонного профиля, проволоку колючую однои двухосновную оцинкованную. Диаметр гвоздей от 0,8 мм до 10 мм. Длина стержня от 8 до 400 мм.

В цехе металлических сеток установлено оборудование, выпускающее тканую, плетеную, каннелированную, частичнорифленую сетку, сетку двойного кручения с шестигранными ячейками и сетчатые конструкции из сетки двойного кручения для ландшафтных работ, а также оборудование для производства сварной сетки.

Сталепроволочный цех № 2 оснащен высокопроизводительными волочильными станами, устройствами для проведения различных видов обработки высокоуглеродистой проволоки, агрегатами для нанесения высокоэффективных защитных покрытий. Цех выпускает проволоку из углеродистой конструкционной стали, сварочную омедненную, канатную светлую и с цинковым покрытием, пружинную, игольную, наплавочную, для пружинных шайб, для армирования железобетонных конструкций, для изготовления рукавов высокого давления, плющеную ленту.

Канатный цех оснащен современным технологическим оборудованием, позволяющим выпускать большинство типоразмеров канатов, по действующему в России и за рубежом стандартам. Сортамент выпускаемой продукции: трех-, шестии восьмипрядные канаты грузовые и грузопассажирские; арматурные пряди для армирования железобетонных конструкций.

Цех стальных фасонных профилей (ЦСФП) оснащен оборудованием, позволяющим производить стальные фасонные профили высокой точности. Это горизонтальные прессы, станы горячей холодной прокатки для работы с бунта и прутка, роликовые и барабанные волочильные и калибровочные станы, термическое и отделочное оборудование, профилегибочные линии и автоматы для производства двухвитковой шайбы. Сортамент выпускаемой продукции: профили стальные фасонные горячекатаные, горячепрессованные и холодногнутые, двухвитковые шайбы для железнодорожного крепежа.

Калибровочный цех (КЛЦ) оснащен технологическим оборудованием для производства калиброванной стали круглого, квадратного, шестигранного сечения, со специальной отделкой поверхности, оборудованием для производства круглои длиннозвенных цепей, машиностроительного крепежа. Исходным сырьем является горячекатаный прокат круглого, квадратного и шестигранного сечения, поставляемый в бунтах или прутках.

Крепежный цех специализируется по выпуску крепежных изделий различного назначения. В цехе установлены автоматические многопозиционные прессы для холодной штамповки болтов австрийской фирмы «ХАТЕБУРГ», гаечные автоматы отечественного производства и печи для закалки крепежа.

Кроме трех основных производств в состав ОАО «Северсталь-метиз» входят вспомогательные цеха:

· энергетический цех, обеспечивающий цеха завода энергоносителями;

· инструментальный цех, обеспечивающий основные цеха технологическим инструментом, запасными частями для ремонта оборудования, грузозахватными приспособлениями;

· тарный цех, обеспечивающий цеха необходимым количеством и видами тары, барабанов, поддонов, бирок и имеет участок по деревообработке.

Технологический процесс производства проволоки и метизов заключается в чередовании различных операций, включающих термическую обработку, подготовку поверхности металла к волочению, волочение, нанесение покрытий и изготовление метизов. В зависимости от свойств готовой продукции применяют различное сочетание этих операций, а также может быть проведен один или несколько циклов обработки. Число повторений всех операций зависит от размеров готовой продукции и от механических свойств, которые необходимо придать метизным изделиям.

Поверхность катанки перед волочением подвергают тщательной подготовке: удаляют окалину и наносят подсмазочный слой, который закрепляет применяемую при волочении смазку и изолирует металл от окисления в окружающей среде.

Основные процессы метизного производства:

· травление металла и подготовка его поверхности;

· деформация металла;

· термическая обработка;

· нанесение защитных покрытий.

Травление металла и подготовка его поверхности необходимы для обеспечения возможности его последующего деформирования при волочении или калибровке. Подготовка заключается в полном удалении окалины с поверхности подката путем травления в растворе кислоты с последующей промывкой и нанесения на нее буры или извести, как для нейтрализации остатков кислоты, так и для создания подсмазочного слоя, обеспечивающего лучшие условия для захвата технологической смазки в процессе волочения. Процесс травления и подготовки поверхности металла периодический, с обработкой садок в ваннах или непрерывный, когда он осуществляется на протяжных агрегатах. Для травления металла применяется, в основном серная кислота.

В метизном производстве используются различные методы деформации: волочение, прокатка, прессование, высадка, накатка. Как правило, обработка металла осуществляется в холодном состоянии: например при производстве проволоки, калиброванного металла, машиностроительного крепежа. В особых случаях используются процессы горячего прессования прокатки, высадки. При волочении металл упрочняется, изменяет свою пластичность и в дальнейшем становится хрупким.

При производстве проволоки или калиброванного металла различного сортамента, профиля свойств и назначения применяют ряд термических обработок, без которых производственный процесс изготовления невозможен. Наиболее распространенными видами термической обработки, применяемыми в метизном производстве, являются: отжиг и патентирование проволоки, отжиг исходного и калиброванного металла, закалка и отпуск крепежа. Термообработка металла заключается в нагреве его до нужной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с определенной скоростью, для нагрева металла используется газообразное топливо и электроэнергия. С целью предотвращения образования окалины и обезуглероживания металла при термообработке, предусматривается применение защитных и контролируемых атмосферТермообработка металла производится в садочных колпаковых или шахтных печах периодического действия, роликовых проходных печах и на протяжных агрегатах. На протяжных агрегатах могут совмещаться в различных сочетаниях процессы термообработки, подготовки поверхности металла и нанесения покрытий горячим или гальваническим способом.