Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОДОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Корнев А.В. 1 Федорова Е.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Выполнена оценка экологической опасности сточных вод водоемких технологий гальванического производства, характерных для Нижегородской промышленной зоны. Проведен экологический мониторинг водоемких технологических процессов обработки поверхности деталей и корпусов радиоэлектронной аппаратуры, рассмотрены и проанализированы составы сточных вод, поступающих на локальные очистные сооружения предприятий, оценена экологическая опасность компонентов производственных сточных вод. На основании проведенных расчетов сформулированы рекомендации по снижению отрицательного воздействия водоемких технологических процессов гальванического производства, а также предложены технологии локальной очистки сточных вод и утилизации гальваношлама.
производственные сточные воды (ПСВ)
ионы тяжелых металлов (ИТМ)
гальваношлам
приборостроение
коэффициент экологической опасности
1. Найденко В.В., Губанов Л.Н. Очистка и утилизация промстоков гальванического производства: учеб. для вузов. – Н. Новгород: ДЕКОМ, 1999. – С. 305.
2. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения: Приказ Федерального агентства по рыболовству от 18.01.10 № 30. – М.: Росрыболовство, 2010. – 40 с.
3. Об утверждении условий приема загрязняющих веществ со сточными водами предприятий в систему канализации города Нижнего Новгорода: Постановление администрации города Н. Новгорода от 25.01.07 № 229. – Н. Новгород, 2007. – 24 с.
4. Семенов В.В. Снижение экологической опасности шламов гальванический производств методом ферритизации: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 03.00.16. – Ульяновск, 2004. – 19 с.
5. Федорова Е.А. Экологическая экспертиза водных объектов. // Междунар. журнал экспериментального образования. – 2011. – № 4. – С. 95–96.
6. Федорова Е.А. Экологическая экспертиза водных объектов: учебное пособие для вузов. – Н. Новгород: изд-во ННГАСУ, 2009. – 92 с.
7. Федорова Е.А. Экологический мониторинг и совершенствование работы локальных очистных сооружений предприятий Нижегородской промышленной зоны. // Приволжский научный журнал. – 2013. – № 4. – С. 136–143.

В современной промышленности реальную опасность представляет большое количество водоемких технологических процессов, сопровождающихся образованием токсичных производственных сточных вод (ПСВ), содержащих вредные примеси соединений тяжелых металлов, органических добавок, неорганических кислот и щелочей. Такие стоки могут оказывать вредное, в том числе канцерогенное, воздействие на организм человека, а также привести к нарушению экологического баланса окружающей среды (ОС). Чтобы избежать вредных последствий хозяйственной деятельности предприятия, необходимо проводить экологическую оценку воздействия на ОС, ужесточать контроль по соблюдению действующих предельно допустимых концентраций (ПДК) на сброс [2, 3], принимать соответствующие меры по их устранению.

Нижегородская промышленная зона характеризуется большим количеством промышленных предприятий приборостроения и точного машиностроения, ПСВ которых несут потенциальную экологическую опасность загрязнения бассейна реки Волги – источника питьевого водоснабжения для более чем 20 млн человек [7].

Разнообразная номенклатура защитно-декоративных и функциональных покрытий, наносимых на поверхность деталей и корпусов изделий радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обуславливает накопление на предприятиях приборостроения концентрированных сточных вод, содержащих широкий спектр высокотоксичных загрязняющих веществ. К ним в первую очередь относятся ионы таких тяжелых металлов (ИТМ), как хром, олово, медь, висмут, никель, а также высокоопасные органические примеси (уротропин) в составе производственных стоков (табл. 1, 2).

В настоящее время на предприятиях приборостроения и точного машиностроения ужесточаются требования к созданию замкнутых ресурсных оборотов, повышению эффективности очистки ПСВ и снижению отрицательного воздействия производственных сбросов и неорганизованного складирования гальванических отходов на водные объекты. Возникает необходимость разработки новых модулей локальной очистки моностоков, модернизации действующих локальных очистных сооружений (ЛОС) предприятия, утилизации и переработки гальваношламов, образующихся в процессе обезвреживания промышленных стоков гальванических производств (ГП).

Целью данной работы явилась оценка экологической опасности сточных вод применяемых водоемких технологий ГП, характерных для Нижегородской промышленной зоны. Был проведен экологический мониторинг водоемких технологических процессов обработки поверхности деталей и корпусов РЭА, рассмотрены (табл. 1, 2) и проанализированы (табл. 2, 3) составы сточных вод, поступающих на ЛОС предприятий, оценена экологическая опасность компонентов ПСВ. На основании проведенных расчетов сформулированы рекомендации по снижению отрицательного воздействия водоемких технологических процессов гальванического производства, а также предложены технологии локальной очистки сточных вод и утилизации гальваношламов.

Экологическая оценка уровня опасности стоков, поступающих на ЛОС предприятий приборостроения, производилась с помощью программы EcologyDanger [5, 6]. Данная компьютерная программа основана на определении коэффициента экологической опасности (Кэк.оп) компонентов сточных вод. Физический смысл Кэк.оп – объем воды, необходимой для разбавления ПСВ до требований предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в зависимости от условий сброса ПСВ.

kor01.wmf м3/м2 (1)

где Сi – концентрация вещества в i-ом стоке, кг/м3; N – количество стоков, в которых присутствует данное вещество; ПДКв – допустимая концентрация данного вещества в водоеме, кг/м3; Wi – объемный расход i-ого стока, м2/год; Q – годовая программа выпуска продукции, м2/год.

Таблица 1

Состав загрязняющих веществ водоемкого технологического процесса нанесения покрытия олово-висмут

№ п/п

Тип ванны

Число ванн

Вредное вещество

ПДКр/х*, мг/л

Концентрация, г/л

Число сливов ванны в год

Объём сливов, л

1

Обезжиривание хим.

2

NaOH

50**

30

12

400

2

Обезжиривание хим.

2

Na3PO4

0,2

10

12

400

3

Обезжиривание хим.

2

Na2SiO3

10

20

12

400

4

Промывка

1

NaOH

50**

0,3

12

400

5

Промывка

1

Na3PO4

0,2

0,1

12

400

6

Промывка

1

Na2SiO3

10

0,2

12

400

7

Обезжиривание

электрохим.

2

NaOH

50**

30

12

400

8

Обезжиривание

электрохим.

2

Na3PO4

0,2

10

12

400

9

Обезжиривание электрохим.

2

Na2SiO3

10

20

12

400

10

Промывка

1

NaOH

50**

0,3

12

400

11

Промывка

1

Na3PO4

0,2

0,1

12

400

12

Промывка

1

Na2SiO3

10

0,2

12

400

13

Травление хим.

2

HCl

80**

200

6

400

14

Травление хим.

2

уротропин

0,5

40

6

400

15

Промывка

1

HCl

80**

2

12

400

16

Промывка

1

уротропин

0,5

0,4

12

400

17

Олово-висмут

2

SnSO4

0,112

40

1

400

18

Олово-висмут

2

BiSO4

0,1

1,0

1

400

19

Олово-висмут

2

H2SO4

100

100

1

400

20

Промывка

2

SnSO4

0,112

0,4

12

400

21

Промывка

2

BiSO4

0,1

0,01

12

400

22

Промывка

2

H2SO4

100

1

12

400

Таблица 2

Состав загрязняющих веществ водоемкого технологического процесса хромирования

№ п/п

Тип ванны

Число ванн

Вредное вещество

ПДКр/х*, мг/л

Концентрация, г/л

Число сливов ванны в год

Объём сливов, л

1–16

Аналогично данным табл. 1

           

17

Меднение

2

CuSO4

0,004

200

2

650

18

Меднение

2

H2SO4

100

60

2

650

19

Промывка

1

CuSO4

0,004

2

12

650

20

Промывка

1

H2SO4

100

0,6

12

650

21

Никелирование

блестящее

2

NiSO4

0,01

250

2

650

22

Никелирование

блестящее

2

NiCl2

0,01

40

2

650

23

Никелирование

блестящее

2

H3BO3

0,5

40

2

650

24

Промывка

1

NiSO4

0,01

2,5

12

650

25

Промывка

1

NiCl2

0,01

0,4

12

650

26

Промывка

1

H3BO3

0,5

0,4

12

650

27

Хромирование

2

CrO3

0,002

350

1

650

28

Хромирование

2

H2SO4

100

3

1

650

29

Хромирование

2

NaOH

50**

50

1

650

30

Промывка

1

CrO3

0,002

3,5

12

650

31

Промывка

1

H2SO4

100

0,03

12

650

32

Промывка

1

NaOH

50**

0,5

12

650

Примечание. ПДКр/х* – предельно допустимая концентрация в водоемах рыбохозяйственного назначения [2]; ** – условия приема загрязняющих веществ со сточными водами предприятий в систему канализации города Нижнего Новгорода [3].

Таблица 3

Массы экологически опасных загрязняющих веществ в составе ПСВ

Вещество

Масса, кг

КЭО, (м32)

ЛПВ*

При нанесении сплава олово-висмут

Na3PO4

233,4

349,36

сан.

SnSO4

116,6

204,14

токс.

уротропин

274,7

109,34

сан-токс.

При проведении технологии хромирования

CuSO4

939,6

46490,00

токс.

Na3PO4

707,9

1059,92

сан.

уротропин

707,9

282,38

сан-токс.

CrO3

1216,6

118580,00

токс.

NiCl2

187,9

3719,20

токс.

NiSO4

1174,5

23245,00

токс.

Примечание. *Лимитирующий признак вредности (ЛПВ) – санитарно-гигиенический показатель, токс. – прямое токсическое воздействие на водные биологические ресурсы; сан. – нарушение экологических условий, ухудшение способности самоочищения водоемов рыбохозяйственного назначения; сан-токс. – действие вещества на водные биологические ресурсы и санитарные показатели водоемов рыбохозяйственного назначения.

При анализе полученных данных (табл. 3) установлено, что загрязняющими компонентами в составе ПСВ с наибольшими коэффициентами экологической опасности являются ионы металлов Cr6+, Ni2+, Сu2+, органическая добавка уротропин и фосфат-ионы PO43-.

Для повышения экологической безопасности и ресурсосбережения гальванических производств, содержащих водоемкие операции обезжиривания, химического травления, хромирования, покрытия олово-висмут и др., предлагаем проводить селективное извлечение ценных компонентов из ПСВ [6, 7] и дальнейшую комплексную доочистку на ионообменных фильтрах (рис. 1).

В предложенной схеме ценные металлы с положительным (ионы Cu2+) и незначительным отрицательным (ионы Ni 2+) значением электродного потенциала локально выделяются из стоков на отрицательно заряженных электродах (Kt:) электролизеров (рис. 1, п. 6) и возвращаются в производство. Химический процесс электролиза включает

Kt: Me2+ + 2 e → Me0 (2)

An: 2Н2О – 4 e → О2 + 4Н+ (3)

2MeSO4 + 2Н2О →2Me 02 + 2H2SO4 (4)

Локальной очистки также требуют и соединения Cr6+, поскольку являются высокотоксичным компонентом, при вдыхании паров которого возникает высокая опасность развития раковых опухолей. Перед общецеховой очисткой в составе ЛОС ионы Cr6+ необходимо локально восстановить до менее токсичных ионов Cr3+, что осуществляется в электрокоагуляторе (рис. 1, п. 7).

Химический процесс электрокоагуляции:

при

ph < 5,5: Cr2O72- + 14H+ + 6e  = 2Cr3+ + 7H2O (5)

при

ph > 5,5: Cr2O72- + 4H2O + 3e = 2Cr(OH)3↓ + 5OH- (6)

Прошедший электрохимическую очистку сток, совместно с нейтрализованными кислотно-щелочными сточными водами направляется на дальнейшую доочистку на ионообменных фильтрах (рис. 1, пп. 14, 15). Установки обессоливания на ионообменных фильтрах позволяют добиться качества воды, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 9.314.90 к использованию в качестве промывных вод деталей и корпусов в ГП.

Гальванические отходы, образующиеся на различных стадиях очистки, являются многокомпонентными, качественный состав их может сильно изменяться (табл. 4). Как оптимальный метод для утилизации гальваношлама сложного состава предложен метод ферритизации [4] с последующим механическим обезвоживанием на вакуум-фильтрах. Данный метод позволяет не только полностью обезвредить гальваношлам, но и использовать его в качестве сорбента при очистке ПСВ, что обеспечит повышение эффективности процессов осветления при нейтрализации и сорбционной доочистке сточных вод (рис. 2).

korn1.tif

Рис. 1. Технологическая схема очистки ПСВ предприятия приборостроения: 1 – накопитель стоков, 2 – насос, 3 – механический фильтр, 4 – сорбционный фильтр, 5 – выпрямитель, 6 – электролизер, 7 – электрокоагулятор, 8 – дозатор р-ра хлорида натрия, 9 – дозатор щелочного р-ра, 10 – дозатор флокулянта, 11 – дозатор р-ра кислоты, 12 – отстойник, 13 – осветлитель, 14 – катионитовый фильтр, 15 – анионитовый фильтр, 16 – резервуар чистой воды, 17 – реактор нейтрализации

Таблица 4

Усредненный состав гальваношламов [1]

Показатель

Содержание, г/кг

Соотношение в %

 

Показатель

Содержание, г/кг

Соотношение в %

Влажность

800

80 %

 

Медь (II)

81

0,81 %

Железо (общее)

77,5

7,75 %

 

Цинк (II)

21

0,21 %

Кальций (II)

68,4

6,84 %

 

Алюминий (III)

1,7

0,17 %

Хром (III)

25,8

2,58 %

 

Др. металлы

5

0,50 %

Никель (II)

11,4

1,14 %

 

Размер частиц, d*

0,7–1,4 мкм

Примечание. * – размер твердых частиц осадка соответствует диаметру гидроксидов после электрохимического или реагентного осаждения.

korn2.tif

Рис. 2. Технологическая схема процесса ферритизации: 1 – реактор ферритизации, 2 – мешалка, 3 – уровнемерное стекло, 4 – рН-метр, 5 – термометр, 6, 7 – емкости с растворами сульфата железа (II) и едкого натра, 8 – ротаметр, 9 – насос, B1...В9 – вентили

Химический процесс ферритизации делится на 2 этапа:

– образование смешанных гидроксидов (при добавлении раствора соли Fe(II))

3-n Fe 2+ + nMe 2+ + 6OH- → MenFe 3-n(OH)6 (7)

– образование ферритов (при последующем окислении кислородом воздуха)

MenFe 3-n (OH)6 + O2 → MenFe 3-n O4  + 2H2O + 2OH- (8)

Выводы

● Проведенная экологическая оценка потенциальной опасности сточных вод предприятий приборостроения и точного машиностроения обусловила необходимость разработки новых модулей локальной очистки моностоков, модернизации действующих локальных очистных сооружений, утилизации и переработки гальваношламов, образующихся в процессе обезвреживания промышленных стоков;

● применение локальных установок обезвреживания экологически опасных компонентов в стоках в составе ЛОС предприятия, систем замкнутого ресурсо- и водооборота и переработки отходов на промышленных предприятиях помимо улучшения экологической обстановки в Нижегородском регионе будет способствовать и уменьшению ресурсоемкости основных производств;

● обезвреживание гальваношламов сложного состава методом ферритизации позволит значительно уменьшить вымываемость ионов тяжелых металлов из гальваношламов, что резко снижает их экологическую опасность для окружающей среды;

● реализация вышеперечисленных мероприятий позволит не только снизить существующие объемы опасных производственных стоков без глобального изменения схемы очистки и увеличения площадей, но и уменьшить потребление химических реагентов на очистку; на 25–40 % сократить количество вновь образуемых твердых отходов после очистки ПСВ; утилизировать ценные компоненты из отходов с возвратом их в производство.


Библиографическая ссылка

Корнев А.В., Федорова Е.А. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОДОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-1. – С. 48-53;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35668 (дата обращения: 17.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074