Создание оборотного водоснабжения на станции очистки гальванических стоков

сточный очистка вода гальванический

Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, поверхностной электропроводности и улучшения внешнего вида изделий. Но гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды. Главным образом поверхностных и подземных водоёмов, ввиду образования большого объёма сточных вод, содержащих вредные примеси тяжёлых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений, а также большого количества твёрдых отходов, особенно от реагентного способа обезвреживания сточных вод, содержащих тяжёлые металлы в малорастворимой форме [10- с.68].

Современное состояние промышленного производства и экологическая ситуация в Российской федерации требует создания нового подхода к рациональному и быстрому выбору технологий очистки сточных вод и систем оборотного водоснабжения. Особенно это актуально для крупных металлообрабатывающих предприятий. Сточные воды — это самый большой по объему фактор, постоянно влияющий на ухудшение качества окружающей среды. Поэтому сегодня перед промышленными предприятиями и городскими службами российской федерации стоит задача использования новых технологий очистки воды и современного инновационного оборудования, позволяющего, организовать оборотное водоснабжение и сделать наши города, реки, озера чистыми и пригодными для здоровой жизни [13- с.113].

Компания «Татпроф» образована в 1990 году и первое название, которое было дано предприятию в те далекие годы — «Профиль-Холдинг». Сегодня компания «Татпроф» — лидер среди отечественных производителей алюминиевых профилей методом экструзии. Высокоэффективное производство обеспечено современными автоматизированными прессовыми комплексами, общей производительностью 5000 тонн алюминиевого профиля в месяц, покрасочными линиями, обеспечивающие суммарную площадь высококачественного покрытия 260 тыс. м² в месяц, современной линией анодирования, производительностью до 200 тонн профиля. Высокое качество и гарантированная стойкость декоративного покрытия обеспечивается семиступенчатой подготовкой поверхности профиля. В результате деятельности линии анодирования на предприятии ежедневно образуются 89,6 м³ сточных вод, содержащих вредные примеси ионов тяжелых металлов, неорганических кислот, щелочей, взвешенных веществ и других загрязнителей .

Целью дипломного проекта является разработка рекомендаций по реконструкции существующей станции очистки в целях создания оборотного водоснабжения.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

— изучить способы очистки сточных вод гальванического производства;

— дать общую характеристику предприятия и рассмотреть особенности производственных процессов;

— изучить техногенное влияние предприятия ООО «УК Татпроф» на окружающую природную среду;

— предложить лучший способ реконструкции станции очистки, позволяющий сократить объемы расхода воды;

— рассчитать технико-экономическую эффективность;

— рассмотреть охрану труда и безопасность жизнедеятельности на ООО «УК Татпроф».

1. Способы очистки гальванических стоков

Гальваника — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д. Получаемые гальванические покрытия — осадки — должны быть плотными, а по структуре — мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока.

Гальваническое покрытие металла — это прекрасный способ избегания многих проблем и увеличить срок службы оборудования, агрегатов и прочих устройств. Нанесение гальванических покрытий методом хромирования или никелирования требует специального производственного процесса и квалифицированного персонала.

Нанесение гальванических покрытий представляет собой электрохимический процесс, при котором происходит осаждение слоя металла на поверхности изделия. В качестве электролита используется раствор солей наносимого металла. Само изделие является катодом, анод — металлическая пластина. При прохождении тока через электролит соли металла распадаются на ионы. Положительно заряженные ионы металла направляются к катоду, в результате чего происходит электроосаждение металла [14 — c. 51].

Толщина, плотность, структура гальванических покрытий могут быть разными в зависимости от состава электролита и условий протекания процесса — температура, плотность тока. Так, например, варьируя соотношением этих двух параметров можно получить блестящее или матовое хромовое покрытие, для блестящего никелирования в электролит добавляют блескообразователи — сульфосоединения.

Декоративные покрытия имеют небольшую толщину, мелкозернистую структуру и достаточную плотность. Для обеспечения прочности сцепления покрытия с изделием необходимо проводить тщательную подготовку поверхности, которая включает механическую обработку (шлифовка и полировка), удаление окислов и обезжиривание поверхности. После нанесения покрытия изделие промывают и нейтрализуют в щелочном растворе.

Каждый технологический процесс гальванического нанесения металлических покрытий состоит из ряда отдельных операций, которые можно разделить на 3 группы:

1. Подготовительные работы. Их цель — подготовка мет (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.

Очистка сточных вод гальванического производства и сокращение поступления гальванических отходов в окружающую среду является важной задачей промышленных предприятий, на которых в технологическом процессе производится обработка поверхности металлов и пластиков и нанесение гальванических покрытий.

Использование в гальваническом производстве и производстве печатных плат электролитов различного состава для нанесения гальванических покрытий, с целью придания изделиям требуемых технических характеристик, создает многообразие загрязнений промывных и сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Исходя из фазового состояния вещества в сточной воде, все загрязнения можно подразделить на четыре типа:

— взвеси в виде тонкодисперсных эмульсий и суспензий;

— высокомолекулярные соединения и коллоиды;

— растворенные в воде органические вещества;

— растворенные в воде соли (кислоты, щелочи).

Для каждого типа загрязнений существуют свои методы очистки сточных вод. Так, для очистки воды от взвешенных веществ наиболее эффективными являются методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для очистки воды от коллоидов и ВМС эффективен метод коагуляции. Органические вещества наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе очистки на сорбционных фильтрах и установках нанофильтрации. Растворимые неорганические загрязнения, представляющие собой электролиты, удаляют из сточных вод гальванического производства переводом ионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или мембранные методы обессоливания (обратный осмос, электродиализ) [21-c.38].

Проблема обеспечения высококачественной очистки сточных вод гальванического производства должна решаться путем упрощения технологической схемы, конструктивного оформления и эксплуатации водоочистных сооружений при одновременном повышении степени очистки, универсальности, надежности, а также экологической безопасности технологического процесса, возможности максимальной и даже полной автоматизации его.

Загрязнение окружающей среды, в том числе источников водоснабжения, представляет собой реальный фактор, оказывающий существенное негативное влияние на здоровье человека. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) от использования недоброкачественной питьевой воды ежегодно в мире страдает каждый десятый житель планеты. До 50% речного стока мира ежегодно подвергается антропогенному воздействию, в том числе и в результате сброса 420*10⁹ м³ сточной жидкости. Высокая загрязнённость источников воды и неэффективные технологии водоподготовки — основные причины неудовлетворительного качества питьевой воды. По её физико-химическим и микробиологическим показателям отмечены случаи нарушения требований ГОСТ во всех субъектах Российской Федерации. Из всего объёма сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, более 90% сбрасываются загрязнёнными.

Очевидно, что на качество воды большое влияние оказывают вещества, которые находятся в воде в различных концентрациях и фазовых состояниях. Избыточная концентрация некоторых из них может оказывать негативное влияние как на человека, так и на биологическую обстановку в природном водоёме. Поэтому при сбросе воды после технологического процесса необходимо проводить извлечение многих загрязняющих веществ и добиваться установленной предельно допустимой концентрации ПДК в стоке.

Все химические соединения, присутствующие в воде, можно разделить на органические и неорганические, а также классифицировать по их фазовому состоянию в растворе. Наиболее удачной считается классификация загрязнителей, предложенная академиком Л. А. Кульским (таблица1).

Таблица 1- Классификация и методы извлечения веществ

Для очистки определённых типов загрязнителей применяется своя группа методов. Используя классификацию по фазовому состоянию веществ в растворе, можно сгруппировать методы обработки сточных вод [17 — c.163].

По технологическим процессам и, соответственно, применяемому оборудованию, методам очистки сточных вод гальванического производства можно дать следующую классификацию:

· механические / физические (отстаивание, фильтрация, выпаривание);

· химические (реагентная обработка);

· коагуляционно-флотационные (флотация, флокуляция, коагуляция);

· электрохимические (электрофлотация, электродиализ, электролиз);

· сорбционные (сорбционные фильтры, ионообменные фильтры);

· мембранные (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, электродиализ);

· биологические.

При значительных объемах промышленных сточных вод на очистных сооружениях целесообразно применять электрохимические и мембранные методы очистки воды (электрофлотация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос), а общую систему очистки сточных вод создавать комбинируя технологии: предварительную реагентную обработку, электрофлотацию, фильтрацию, сорбцию, мембранное концентрирование, вакуумное выпаривание.

При малом объеме производства предпочтение рекомендуется отдать локальным системам очистки на базе сорбционных, ионообменных и мембранных технологий.

1.1 Реагентный метод Является, одним из основных методов очистки сточных вод, или химический способ. В его основе лежат химические реакции, которые переводят вредные загрязнители в воде из раствора в нерастворимый 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.

Сущность реагентной очистки заключается в переводе ионов тяжелых металлов, содержащихся в стоках, в нерастворимые гидроксидные формы при добавлении различных реагентов с последующим их выделением в виде осадков.

Наиболее часто обработку сточных вод проводят щелочными реагентами (известь, едкий натр, сода, отходы ацетиленового производства и другие). При этом в зависимости от рН среды в процессе обработки образуются различные нерастворимые соединения тяжелых металлов. Так, при осаждении цинка из сульфатных растворов при рН 7,0 осаждается ZnSO₄ * 3Zn (OH)₂, при рН 8,8 ZnSO₄ * 5Zn (OH)₂, при рН 10 Zn (OH)₂, а при рН 11 происходит растворение осадка с образованием цинкатов [Zn (OH)₂]^2-. Оптимальным для осаждения цинка является рН 8−9, для никеля — 10,5, меди — 9,0 и так далее. Процесс идет в соответствии с реакцией:

Cu²⁺ + 2OH^- = Cu (OH)₂; (a) Ni²⁺ + 2OH^- = Ni (OH)₂. (б) При совместном осаждении нескольких металлов при одной и той же величине рН могут быть достигнуты лучшие результаты, чем при осаждении каждого из металлов в отдельности. Это связано с образованием смешанных кристаллов и адсорбцией ионов металлов на поверхности твердой фазы.

Гидравлическая крупность частиц, образующихся в процессе нейтрализации составляет 0,1 — 0,4 мм/с.

Эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов может быть повышена путем их перевода в соединения с меньшим произведением растворимости.

Значительно меньшими, чем гидроокиси, произведениями растворимости обладают гидроксокарбонаты тяжелых металлов. Они образуются при нейтрализации сточных вод содой или низкосортной известью. Осаждение основных карбонатов начинается при более низких значениях рН, чем соответствующих гидроокисей. Расход соды на осаждение выше, чем при использовании извести или едкого натра, так как при осаждении тяжелых металлов содой процесс идет через стадию образования гидрокарбонатов и для завершения реакции требуется избыток реагента. Выделение углекислого газа ведет к всплыванию части осадка и выносу его из отстойников.

Эффективным является использование сульфида натрия. Произведения растворимости сульфидов тяжелых металлов значительно ниже, чем у соответствующих гидроксидов, поэтому осаждение сульфидов происходит в более широком диапазоне рН, например, сульфид цинка осаждается при рН 1,5, сульфиды никеля и кобальта — при рН 3,3.

Повышение степени очистки сточных вод, прошедших реагентную обработку и осветление, возможно обработкой силикатом натрия дозой, в 5 — 30 раз превышающей стехиометрическое количество. После отделения силикатов тяжелых металлов и кремниевой кислоты очищенная вода может быть возвращена на повторное использование. В некоторых случаях рекомендуется последовательная обработка хлористым кальцием и содой.

При этом происходит соосаждение карбонатов и гидроксокарбонатов тяжелых металлов и карбоната кальция. Образующийся осадок легко осаждается и легко обезвоживается. Одновременно происходит умягчение воды, что делает иногда возможным ее использование в системах оборотного водоснабжения.

Для выделения из сточных вод взвешенных веществ гидроксидного характера в настоящее время применяются следующие методы:

— гравитационное разделение;

— разделение в центробежном поле;

— фильтрование через зернистую загрузку или пористую перегородку;

— флотация.

Для эффективного удаления из сточных вод гидроксидов и гидрооксокарбонатов тяжелых металлов следует принимать во внимание специфические особенности суспензий — аморфность и низкую гравитационную крупность агрегатов твердой фазы.

Практически на всех станциях очистки сточных вод гальванического производства применяется реагентный метод. Главными загрязнителями таких стоков являются ионы тяжелых металлов. Остаточная концентрация ионов тяжелых металлов, как рассчитанная из произведения растворимости соответствующих гидроксидов, так и наблюдаемая на практике, представлена в таблице 2.

Таблица 2 — Эффективность реагентного метода очистки сточных вод от тяжелых металлов

* - данные по Cr⁶⁺ не приводятся, т.к. на стадии обезвреживания хромсодержащих стоков реакция химического восстановления Cr⁶⁺ до Cr³⁺ протекает полностью.

Для лучшей и более полной и быстрой коагуляции гидроксидов используют флокулянт (полиакриламид). Сточные воды подпадают в нейтрализатор, для образования нерастворимых гидроксидов. После нейтрализации стоки направляются в отстойник, куда подается флокулянт. Из отстойника шлам попадает в шламонакопитель, откуда подается на обезвоживание. 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.

Данные зарубежных исследований показывают, что значительного повышения эффективности реагентного способа можно добиться оптимизацией технологии очистки, предусматривающей смешение реагентов с водой, а также подбором используемых коагулянтов и флокулянтов.

Наибольшее применения в качестве коагулянтов получили сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия и хлорид железа (III). В несколько меньшем масштабе используются сульфаты железа, смешанные коагулянты в виде солей алюминия и железа. Заметно в меньших количествах используют алюмоаммонийные и алюмокалиевые квасцы. Возрастает использование коагулянтов, в первую очередь, железа и алюминия, получаемых электрохимическим способом.

1.2 Электрохимические методы Электрохимические методы очистки сточных вод гальванического производства обладают рядом преимуществ: простая технологическая схема при эксплуатации оборудования, удобство автоматизации его работы, сокращение производственных площадей под размещение очистных сооружений, возможность очистки сточных вод без предварительного разбавления, снижение солесодержания и уменьшение объема осадка, образующегося в процессе очистки.

Электрофлотация — это процесс очистки сточных вод, в при котором электролитически полученные газовые пузырьки, всплывая в объеме жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность образующегося в электрофлотаторе пенного продукта (флотошлама) ниже плотности воды, что обеспечивает его всплытие и накопление на поверхности очищаемой воды. Флотошлам периодически удаляется из электрофлотатора автоматическим устройством сбора шлама.

Электрокоагуляция (гальванокоагуляция) — устаревшие технологически методы, которые до настоящего времени используются на машиностроительных и металлообрабатывающих предприятиях для очистки сточных вод гальванического производства (в основном для очистки хромсодержащих сточных вод от ионов хрома Cr⁶⁺). В данных методах по электрохимическому механизму растворяют железо, и образовавшиеся ионы Fe²⁺ восстанавливают шестивалентный хром Cr⁶⁺ до трёхвалентного Cr³⁺ с последующим образованием гидроксида хрома. Различие электрокоагуляции и гальванокоагуляции заключается в способе растворения железа. В электрокоагуляционном методе железо растворяется электрохимически при наложении на стальные аноды потенциала от внешнего источника питания. В гальванокоагуляционном методе железо растворяется гальванохимически за счет разности потенциалов, возникающей при контакте железа с медью или коксом. Следовательно, оба метода различаются движущей силой процесса растворения металлического железа, что и определяет их технологические различия.

Катодное восстановление применяют для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичные соединения или в легко выводимую из воды форму (осадок, газ). Его можно использовать для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов Pb²⁺, Sn²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, As²⁺, Cr⁶⁺, Катодное восстановление металлов происходит по схеме:

Meⁿ⁺ + ne^- Me⁰

При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы. Например, при восстановлении соединений хрома была достигнута высокая степень очистки: концентрация снижалась с 1000 до 1 мг/л. Расход электроэнергии на очистку составил 0,12 кВт-ч/м³. При электролизе сточных вод, содержащих Н₂СrО₇, оптимальное значение рН=2, а плотность тока 0,2—2 А/дм². Реакция восстановления протекает следующим образом:

Cr₂ O₇^2-+ 14H⁺+12з 2 Cr + 7H₂O

Очистку сточных вод от ионов Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺ проводят на катодах, состоящих из смеси угольного и сернистого порошков в соотношении C: S от 80:20 до 20:80 при рН<7 и плотности тока 2,5 А/дм². Осаждение этих ионов происходит в виде нерастворимых сульфидов или бисульфидов, которые удаляют механически.

Примером реакции, обеспечивающей удаление загрязнения в газовую фазу, является очистка от нитрата аммония. При постановлении нитрата аммония на графитовом электроде он превращается в нитрит аммония, который разлагается при нагревании до элементного азота:

NH₄NO₃ + 2H⁺ + 2 з NH₄NO₂ + H₂O

NH₄NO₂ N₂+ 2H₂O

Рассмотрим процесс анодного растворения на примере железа. В щелочной среде реакция идет в две стадии:

Fe — з + OH^- Fe (OH)_n

Fe (OH)_n — з + OH^-HFeO₂^- + H⁺

Fe (OH)_n — 2з + OH^- Fe=O-OH + H⁺

На первой ступени, включающей адсорбцию гидроксида на железном электроде и потерю первого электрона, образуется промежуточное кислородсодержащее соединение одновалентного железа. На второй стадии реакция протекает по двум возможным направлениям и завершается образованием двухили трехвалентного железа. Общая скорость процесса анодного растворения лимитируется второй стадией.

В кислой среде протекают следующие реакции:

Fe — з + OH^- Fe (OH)_n, Fe (OH)_n + Fe Fe (FeOH)_n

Fe (FeOH)_n— 2з + OH^- Fe (OH)_n+ Fe (OH⁺)

Fe (OH⁺)+H⁺ Fe²⁺+ H₂O

Процессы анодного окисления используются также для обесцвечивания сточных вод от различных красителей, а также для очистки сточных вод целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других заводов [12- с.34].

Электрокоагуляция и гальванокоагуляция имеют огромное количество недостатков, основными среди которых являются следующие:

— трудность в обслуживании электрокоагуляторов за счет засорения межэлектродного пространства, которое необходимо постоянно прочищать скребками;

— трудность в обслуживании гальванокоагуляторов определяется необходимостью поддержания соотношения стальной стружки и кокса или стальной и медной стружки, неудобством засыпки загрузки, необходимостью тщательной фильтрации от мелкодисперсной фазы, состоящей из частиц кокса и оксидов железа;

— оба метода требуют огромного количества химических реагентов;

— оба метода создают огромное количество практически не утилизируемых твердых отходов — смесей гидроксидов железа и хрома.

Рисунок 1 — Электрокоагуляторы на очистных сооружениях металлообрабатывающего предприятия — общий вид Ежегодно, посещая в ходе работы предприятия, которые внедрили очистные сооружения на базе электрокоагуляторов (и / или гальванокоагуляторов) и общаясь с инженерами и аппаратчиками ОС, нашими специалистами было сделано заключение, что соблюдение всех технологических режимов процесса для качественной и эффективной очистки гальванических сточных вод — задача достаточно сложная для действующих (как правило устаревших) электрохимических производств. Также большие сомнения вызывает использование очищенной воды для создания систем оборотного водоснабжения предприятий, требующих воду категорий 2 и 3 по ГОСТ 9.314−90 для получения качественных гальванических покрытий [18-c.37].

Рисунок 2 — Электродные блоки электрокоагулятора Перечисленные проблемы были успешно решены специалистами благодаря внедрению на очистных сооружениях промышленных предприятий электрофлотационных модулей.

Электрофлотация — метод очистки сточных и промывных вод, технологических растворов гальванического производства и производства печатных плат от загрязнений в виде взвешенных веществ, фосфатов и гидроксидов металлов, суспензий, смолистых веществ, эмульгированных веществ, нефтепродуктов, индустриальных масел, жиров и поверхностно-активных веществ. Для интенсификации процесса электрофлотации и повышения эффективности очистки, обычно, существует предшествующая стадия нейтрализации кислых или щелочных компонентов, перевод ионов металлов в труднорастворимые соединения, т. е. образование твёрдой фазы, флокуляция и (или) коагуляция.

Электрофлотатор оборудование для очистных сооружений сточных вод гальванических производств.

Очищенная вода после электрофлотатора подается на мембранную установку гиперфильтрации для создания оборотного водоснабжения или сбрасывается в систему канализации. Электрофлотатор работает на основе процесса выделения микропузырьков электролитических газов и флотационного эффекта.

Электрофлотатор с блоком нерастворимых электродов входит в состав электрофлотационного модуля, который укомплектован системой сбора шлама, источником постоянного тока, вспомогательными емкостями из полипропилена для загрязненной и очищенной воды, насосами и дозирующим оборудованием [19 — c.273].

Таблица 3 — Сравнительная характеристика методов очистки

Очистка сточных вод от тяжелых металлов: меди, хрома, цинка, никеля, железа, алюминия, кадмия, свинца, нефтепродуктов, спав и взвешенных веществ производится в непрерывном режиме.

Рисунок 3 — Электрофлотатор на очистных сооружениях

Преимущества использования электрофлотационных модулей:

— высокая эффективность извлечения дисперсных веществ (гидроксидов и фосфатов тяжелых металлов и кальция, нефтепродуктов, поверхностно-активных и взвешенных веществ);

— высокая производительность (1 м² оборудования — 4 м³/ч очищаемой воды);

— отсутствие вторичного загрязнения воды благодаря примению нерастворимых электродов ОРТА;

— низкие затраты электроэнергии от 0,5 до 1 кВт· ч/м³;

— отсутствие заменяемых материалов (электродов, фильтров, сорбентов и пр.);

— шлам менее влажный (94−96%), в 3−5 раз легче обезвоживается и может быть использован при изготовлении строительных материалов и / или пигментов для красителей.

1.3 Сорбционные методы

Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция — это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующимина поверхности твердой фазы — ионита. Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (для нашего случая это медь и никель), очищать воду до ПДК с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

Единственным практически осуществимым методом возвращения промывных вод является ионный обмен, с помощью которого возвращается обессоленная вода, а сорбированные загрязнения извлекаются из ионообменных смол при регенерации. Целесообразность использования ионного обмена как технологии очистки и возвращения 85−95% воды ограничивается приростом содержания солей от 50 до 250 мг/л. Что необходимо учитывать при определении или разработке режима водопотребления в гальваническом производстве. При многоступенчатой каскадной промывке в нескольких ваннах, в связи с высокой концентрированностью промывных вод, применение технологии ионного обмена является нецелесообразным, а предпочтителен метод обратного осмоса.

Промышленные фильтровальные установки для очистки сточных вод от тяжелых металлов созданы на основе ионообменных смол с макропористой полистиролыюй матрицей и иминодиуксусными хелатообразующими группами. Ионообменные фильтры предназначены для удаления ионов тяжелых металлов из промышленных стоков. Эти ионы могут быть выделены из растворов, содержащих высокие концентрации одновалентных ионов (как правило, натрия), а также двухвалентные катионы (такие как кальций). Смолы могут работать как в слабокислых, так и в слабоосновных растворах. Фильтры с загрузкой данных смол находят применение в процессах извлечения металлов из руд, стоков гальванических производств и производств печатных плат, различных промышленных рассолов и стоков даже в присутствии щелочноземельных металлов (кальция и магния). Другая важная область применения заключается в рафинировании соляных растворов переходных и благородных металлов, а также в очистке различных органических и неорганических химических продуктов удалением следов тяжелых металлов (обычно из водных растворов).

Ионообменные фильтры применяются для извлечения тяжелых металлов из сточных вод и концентрированных растворов. Склонность к комплексообразованию смол с различными катионами соответствует следующему ряду:

Сu > Ni > Zn > Со > Cd > Fe (II) > Mn > Са.

Практикуется последующее обессоливание и повторное использование промывных вод в технологическом цикле.

Ионообменные фильтры могут быть использованы для снижения содержания тяжелых металлов до уровня ниже максимально допустимой концентрации, который часто значительно ниже получаемого методом осаждения. Данное оборудование может быть использовано для удаления тяжелых металлов из обессоленных промывных вод гальванического производства в замкнутых циклах оборотного водоснабжения предприятий (безотходная технология).

Фильтровальные установки с селективными ионообменными смолами применяются также для разделения и концентрирования тяжелых металлов в процессах гидрометаллургии. Они особенно подходят для случаев с низкой концентрацией металлов. Процесс разделения различных металлов может проводится в соответствии с приведенным выше рядом селективности. Однако следует иметь в виду, что приведенная последовательность может меняться в зависимости от рН среды и присутствия определенных анионов (включая повышенные концентрации хлоридов и сульфатов). Последовательность селективности ионов, приведенная в данном описании применима для нейтральных и слабокислых растворов.

При экологической оценке ионообменной очистки промывных вод необходимо учитывать, что возврат их в производство сопровождается по меньшей мере утроенным сбросом солей по сравнению с приростом в актах технологического использования воды и традиционных методах очистки. В связи с этим ионообменная очистка отработанных электролитов перед сбросом в канализацию представляется бессмысленной как с экономической, так и экологической точек зрения. Ионообменная очистка электролита целесообразна только в случае его возвращения в производство. Во всех остальных — отработанный электролит перед сбросом надо обезвреживать, дозируя в небольших количествах в сточные воды, поступающие на электрофлотатор для очистки.

Рисунок 4 — Ионообменные фильтры

Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен — это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации.

В промывных водах гальванического содержится до 30 различных ионов: катионы Cu, Zn, Ni, Сr, Fe, Cd и пр., анионы SO₄, Сl^-, NO₃, F^- и других кислот. Это необходимо учитывать при подборе типа ионообменных смол, условий регенерации, кондиционирования и других факторов.

В зависимости от технологии производства применяются различные методы очистки сточных вод: локальная очистка воды каждой ванны с помощью переносных ионообменных фильтров, очистка усредненных кислотно-щелочных сточных вод.

Выбор метода определяется характером гальванического цеха и химизмом взаимодействия ионообменных смол с загрязняющими веществами и их соединениями.

Стоки, содержащие масла, ПАВ и другие органические вещества, не могут непосредственно подаваться на ионообменные фильтры. Их предварительно очищают, обрабатывая флокулянтами, а затем извлекая образовавшиеся дисперсные вещества методом электрофлотации, фильтрации либо сорбции на активированных углях. Циансодержащие сточные воды обезвреживают гипохлоритом натрия.

Главный недостаток технологии ионного обмена состоит в том, что для выделения из воды элементов или солей необходимы регенерирующие кислоты или щелочи, которые впоследствии в виде солей поступают в окружающую среду, вызывая вторичное загрязнение последней [22 — c.74].

1.4 Мембранные методы Мембранная технология основана на применении мембран, которые способны задерживать практически все многовалентные катионы. Для удаления ионов никеля и меди может применяться гиперфильтрация (обратный осмос). Процесс гиперфильтрации состоит в отделении воды от ИТМ через полупроницаемую мембрану. Диаметр пор такой мембраны составляет 0,001 мкм. Вода подается под давлением 60 — 100 атм. Гиперфильтр задерживает 50−70% примесей. Поэтому применение мембран для очистки промывных сточных вод и регенерации электролитов представляется наиболее перспективным.

1) Обратный осмос — мембранный процесс очистки воды, для осуществления которого применяются мембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, благодаря чему из воды удаляются все растворенные ионы и молекулы. Рабочее давление процесса в зависимости от солесодержания раствора составляет от 10 до 70 бар. Наиболее эффективно использование обратного осмоса для очистки воды.

Рисунок 5 — Принцип обратного осмоса Установки обратного осмоса обеспечивают возможность очистки воды одновременно от растворимых неорганических (ионных) и органических загрязняющих примесей, высокомолекулярных соединений, взвешенных веществ, вирусов, бактерий и других вредных примесей [24 — c.41].

Рисунок 6- Обратноосмотическая установка Надежность установок обратного осмоса повышают благодаря установке резервного оборудования, с возможностью его многофункциональное применения, оптимизации количества мембранных элементов в каждой секции аппарата, а также повышая надежность фильтрующих элементов и оснащая компьютерной системой поиска отказавшего мембранного элемента и модуля.

2) В технологии используются мембранные модули следующих основных конструкций:

— половолоконные;

— плоские;

— трубчатые.

а б в Рисунок 7 — Мембранные модули, а — половолоконный; б — плоскорамный; в — трубчатый В таблице 4 приведено краткое качественное сопоставление различных типов мембранных модулей, основанное на их конструктивных особенностях.

Таблица 4 — Сопоставление мембранных модулей различных конструкций

Как видно из таблицы, половолоконные мембранные модули обладают наиболее высокой плотностью упаковки, низкой материалоемкостью и минимально стоимостью. Видимо, именно в связи с этим они находят наиболее широкое применение как в режиме безнапорной погружной, так и в режиме традиционной напорной фильтрации.

Плоскорамные мембранные элементы представляют собой две плоские мембраны, разделенные дренажом и загерметизированные по периметру. Одной из уникальных особенностей мембранных модулей на основе плоскорамных элементов является возможность их эффективной работы под действием гравитационных сил. Таким образом, они обладают оптимальным набором эксплуатационных характеристик и на их основе могут проектироваться как комплектные (блочно-модульные), так и стационарные очистные сооружения высокой производительности.

Мембранные методы очистки: рулонный мембранный элемент для установки обратного осмоса состоит из трубки с прорезями для прохода пермеата и герметично присоединенного к ней пакета мембран, расположенного между ними дренажного листа и сетки-сепаратора, образующей межмембранные каналы. В процессе скручивания пакета для герметичного разделения напорной полости и полости сбора пермеата кромки дренажного листа пропитывают специальным клеем [15 — c.17].

Рулонный мембранный элемент для установки обратного осмоса состоит из трубки с прорезями для прохода пермеата и герметично присоединенного к ней пакета мембран, расположенного между ними дренажного листа и сетки-сепаратора, образующей межмембранные каналы. В процессе скручивания пакета для герметичного разделения напорной полости и полости сбора пермеата кромки дренажного листа пропитывают специальным клеем.

Рулонные мембранные элементы для установок обратного осмоса работают по принципу тангенциальной фильтрации. В процессе обессоливания, воды, она разделяется на два потока: фильтрат (обессоленная вода) и концентрат (раствор с высоким солесодержанием). Разделяемый поток воды движется в осевом направлении по межмембранным каналам рулонного элемента, а фильтрат спиралеобразно по дренажному листу в направлении отвода фильтра. Концентрат выходит с другой стороны мембранного модуля обратного осмоса.

Рисунок 8 — Рулонный модуль Преимущества установок обратного осмоса с мембранными элементами рулонного типа:

— удобство монтажа и демонтажа мембранного элемента в корпусе мембранной установки обратного осмоса;

— низкая стоимость и простота конструкции напорного корпуса мембранной установки;

— относительно низкие потери давления в установке;

— использование для изготовления разделительных элементов плоской мембраны, качество которой может быть предварительно проконтролировано несложными способами.

Вода, прошедшая процесс предварительной очистки, подается на мембранную установку обратного осмоса. Обратноосмотические мембранные элементы задерживают все загрязнения диаметром более 0,1 нм. Мембрана пропускает молекулы растворителя (воды) и задерживает ионы растворимых солей: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, SО₄²⁺, Cl^- и полный спектр органических веществ и коллоидов с размером, значительно превышающим диаметр пор мембран, в том числе вирусы и бактерии [31 — c.92].

1.5 Вакуумное выпаривание Вакуумный выпариватель — это установка для индустриальной очистки стоков, в результате которой получается чистая деминерализованная вода, которую можно повторно использовать, и концентрированный остаток, который в 10−60 раз меньше исходного объема стоков и содержит все загрязняющие вещества. Кроме очистки воды, в ряде производств вакуумный вакуумно-выпарная установка может быть использована для восстановления исходных растворов, применяемых в технологическом процесc (например, при обработке промывочных вод после гальванических ванн можно концентрировать и возвращать в рабочие ванны драгоценные металлы (Ni, Cr, Cu, Ag), электролиты и другие активные растворы. Важной характеристикой данных установок является их способность значительно уменьшать объемы отходов переработки, что приводит в свою очередь к уменьшению затрат на их утилизацию.

Современные вакуумные выпарные установки представляют собой экономичные, малогабаритные установки, позволяющие эффективно решать проблемы водоочистки в различных отраслях промышленности.

Принцип действия вакуумно-выпарных установок, базируется на физических закономерностях, связанных с различием температур кипения разных растворов. Вода, достигнув температуры кипения, испаряется, освобождаясь таким образом, от растворенных и нерастворенных примесей. Пар поднимается вверх, а растворенные химические вещества, достигая предела растворимости, выпадают в осадок и могут быть концентрированы и затем удалены. Образовавшийся пар охлаждается, конденсируется и превращается снова в воду. Эта вода является высокоочищенной и может быть вновь использована.

Рисунок 9 — Выпарная установка Важной особенностью вакуумных выпарных установoк является то, что oни функционируют с использованием вакуума (в отличии от традиционных систем, работающих с применением высоких температур). Это позволяет достигать процесса кипения уже при 20−35 градусах (a не при 100 градусах, как это происходит в условиях нормального атмосферного давления). Как следствие этого происходит резкое снижение энергозатрат (более 75%) — чтобы выпарить 1 литр воды при нормальном атмосферном давлении требуется — 600 Вт, чтобы выпарить 1 литр воды с помощью вакуум-выпарной установки с тепловым насосом требуется 160 Вт, и 90 Вт в случае установки с высокой степенью энергосбережения.

Важной особенностью вакуумной выпарной установки является eё способность:

— очищать одновременно различные стоки;

— очищать стоки даже с высокой концентрациeй загрязняющих веществ (что довольно проблематично при многих других методах очистки);

— очищать стоки, содержащие агрессивные жидкости. В результате очистки получается очищенная деминерализованная вода, которую можно снова использовать (или сливать в канализацию) и концентрированый отход. Вода, очищенная с помощью вакуумно-выпарной установки обладает удельной электропроводимостью ниже, чем 10мкСименс/см и является высокоочищенной (сравнима с дистиллированной водой, электропроводимость которой порядка 5 мкСименс/см).

Рисунок 10 — Технология работы выпарной установки

При обработке вод после гальванических ванн можно осуществлять концентрирование и восстановление драгоценных металлов (никель, хром, медь, серебро) из промывочных вод и возвращать их снова в рабочие ванны, а очищенный дистиллят в свою очередь напрявляется снова в промывочные ванны. Так как процесс кипения осуществляется при низких температурах, не происходит кроме того разложения органических добавок, присутствующих в активных растворах.

Способность вакуумной выпарной установки концентрировать, для ряда производств может быть использована для восстановления растворов, что позволяет возвращать их в технологический процесс.

2. Общая характеристика предприятия и основные производственные процессы

2.1 Производственная деятельность предприятия Основной деятельностью ООО «УК Татпроф» является изготовление алюминиевого профиля и производство строительных конструкций и изделий из алюминия. Профили изготавливаются методом горячего прессования, согласно ГОСТ 22 233–2001 из алюминиевых сплавов системы алюминиймагний-кремний.

Завод входит в корпорацию «Расстал», но функционирует как самостоятельное предприятие, имеет собственную территорию и, расположенную к ней производственный корпус с технологическим оборудованием.

Фактический и юридический адрес предприятия 423 802, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, пр. М.Джалиля, 78, ИНН предприятия 1 650 089 015, код ОКПО 27 854 486, код ОКВЭД 28.1, 36.6.

Производственные корпуса предприятия расположены к югу от города Набережные Челны на территории базы строительной индустрии (БСИ). Удаленность предприятия от жилых массивов составляет: от пос. Сидоровка — 2 км, от пос. ГЭС — 4 км, от пос. ЗЯБ — 5 км. С восточной стороны на расстоянии 80 метров предприятие граничит с территорией ДСК; севернее на расстоянии 100 метров расположены предприятия по производству товаров народного потребления ООО «Сатурн», ООО «ДИЕВ»; с западной стороныпустырь; с юга расположены корпуса ЖБИ-210.

Общая площадь промплощадки составляет 3,1921 га, в т. ч. кровли — 2,599 га, асфальтобетонных покрытий — 0,12 га, грунта — 00,4731 га.

Санитарно-защитная зона — 300 метров согласно р.4.1.2 СанПиН 2.2.½.1.1.1200−03 «Машиностроительное и металлообрабатывающие предприятия с применением литья под давлением из алюминиевых сплавов» [7-c. 5].

Временной режим работы 365 дней в году.

Численность данного предприятия составляет 487 человек, в том числе: производственный персонал — 462 человек, административно-управленческий персонал — 25 человек.

Предприятие осуществляет производственную деятельность в пределах одной промплощадки.

2.2 Производство на предприятии ООО «УК Татпроф»

Для производства алюминиевого профиля используется высококачественное сырье, соответствующее требованиям ГОСТ 4784–97 и международным стандартам DIN 1725. На предприятии действует стопроцентный входной контроль поступающего сырья.

На всех предприятиях компании ТАТПРОФ разработана, сертифицирована и успешно функционирует система качества на основе требований международных стандартов ИСО 9000−2001.

В состав ООО «УК ТАТПРОФ» входят следующие структурные подразделения:

— литейное производство;

— цех изготовления профилей (прессовый комплекс);

— цех механической обработки;

— цех полимерно-порошкового покрытия;

— автостоянка [12 — c.7].

2.2.1 Литейное производство В литейном производстве используется стационарная отражательная печь плавления. С одной стороны плавильной печи установлены две двойные регенеративные автономные промышленные газовые горелки высокой мощности, расположенные под наклоном для обеспечения наибольшей степени теплоотдачи, что ускоряет процесс плавки алюминиевой шихты внутри плавильной печи. Для достижения наибольшей эффективности горения около горелок установлены дутьевые устройства. Система горения полностью автоматизирована и управляется регуляторами допустимой температуры, которые с помощью температурных датчиков автоматически отключает систему при температуре, превышающей допустимую.

Основные рабочие циклы печи: подогрев > загрузка сырья > жидкая плавка > шлак > дегазация и флюсование > плавка > загрузка при температуре на разлив.

Запуск литья слитков производиться в следующей последовательности:

— металл разогревается в печи до температуры 735−745 ⁰С;

— открываются электрозадвижки подачи охлаждающей воды;

— на пульте управления выставляется скорость литья;

— открывается задвижка сброса воды и задвижка подачи воды в коллектор;

— открывается вентиль подачи аргона из системы газоснабжения;

— подается расплав из печи в приемные блок металлопровода, лигатурный пруток направляется в металлопровод;

— расплавом заполняется металлопровод, блоки дегазации и фильтрации, приемный распределительный желоб коллектора до верхнего уровня заслонок.

Далее управление прессом литья может осуществляться в ручном или автоматическом режимах. В результате получается слитки заданной длины. При завершении литья слитков прекращается подача металла в металлопровод, остатки металла сливаются в специальные емкости. Остатки окислов и шлака вычерпываются из блока дегазации с помощью шумовок в специальные емкости. Слитки после остывания вынимаются мостовым краном. Укладка слитков производиться на специальные подкладки [12 — c.8].

2.2.2 Цех изготовления профилей (прессовый комплекс) Изготовление алюминиевого профиля из стандартного цилиндрического слитка — осуществляется на прессовых комплексах: Р-150 с усилием прессования 1500 тонн; Р-280 с усилием прессования 2800 тонн; Р-188 с усилием прессования 1705 тонн; Р-146 с усилием прессования 1320 тонн; Р-147 с усилием прессования 1320 тонн; Р-200 с усилием прессования 2000 тонн.

Для всех комплексов характерен высокий уровень автоматизации производственного процесса производства алюминиевого профиля, включающего несколько этапов: нагрев слитка с созданием градиента температур по длине > резка слитка в размер, необходимый для прессования > собственно прессование с натяжением > закалка полученного профиля правка профиля с помощью правильно-растяжного устройства > резка профиля > окончательная термообработка (старение) в специальных автоматических газовых печах.