Анализ и оценка эффективности технологий очистки гальванических стоков

Работа основана на примере Санкт-Петербургского завода гальванических покрытий №1.
В курсовой присутствуют формулы, схемы, сводные таблицы.

Оценка-отлично ...

Введение
1. Теоретические основы оценки эффективности технологий очистки гальванических стоков
1.1 Общая характеристика производства
1.2 Сущность и особенности гальванических стоков
1.3 Воздействие очистки гальванических стоков на окружающую среду и здоровье человека
1.4 Способы очистки гальванических стоков
1.5 Методологические подходы к оценке эффективности очистки гальванических стоков
2. Анализ эффективности очистки гальванических стоков на Санкт-Петербургском заводе гальванических изделий
2.1 Динамика основных показателей очистки гальванических стоков
2.2 Эффективность существующих технологий очистки гальванических стоков на Санкт - Петербургском заводе гальванических покрытий
3.Совершенствование технологий эффективности очистки гальванических стоков на Санкт-петербургском заводегальванических покрытий
3.1 Направления совершенствования
3.2 Оценка эффективности развития технологий очистки гальванических стоков
Заключение
Список литературы

Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решать многие задачи, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Коррозия металлов, то есть разрушение их вследствие электрохимического или химического воздействия среды причиняют народному хозяйству огромный ущерб. Ежегодно вследствие коррозии выходит из употребления до 10-15% годового выпуска металла в виде ценных деталей и конструкций, сложных приборов и машин. В отдельных случаях коррозия приводит к авариям.
Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: .....

Второй недостаток - для создания соответствующего окислительно-восстановительного потенциала восстановитель вынуждены вводить в реакцию в избытке и чем ниже концентрация гальваностока, тем избыток больше (до семикратного). Тем самым проблема еще больше обостряется. Дешевый, но крайне неэффективный осадитель в виде гидроокиси кальция (извести) довершает дело. В его присутствии вода становится жесткой и не может применяться в водообороте. В силу своей неэффективности, известь применяют в десятикратном избытке. После осаждения получаются большие объемы токсичного, но экономически не интересного гальванического шлама. Все эти проблемы попытались решить методом очистки электрокоагуляцией на растворимых железных или алюминиевых электродах. Восстановитель и осадитель убрали. Возникли новые проблемы - железо и алюминий тоже являются загрязнителями, обладают токсичностью, а кроме того, способны к образованию коллоидных растворов, которые не могут удержать ионообменные фильтры. Проблемы эти настолько осложнили ситуацию в экологии крупных городов, что все вздохнули с облегчением после краха машиностроительной отрасли в России во время экономических реформ. Но актуальности задача очистки стоков от тяжелых металлов не потеряла, так как даже меньшие объемы стоков все равно приводят к биоаккумуляции токсичных металлов в растениях, животных и отравлению человека.Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексе соединения с органическими веществами почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям. Поэтому дренажные системы, регулирующие водный режим, способствуют преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и тем самым снижению их миграционных характеристик. Растения могут поглотать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи «почва - растение - животное - человек».Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев - избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт - перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди — для вероники и лишайников. Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые из них образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость. Особый интерес представляет изучение животных, являющихся чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем. Почвенные животные, особенно сапрофитные группы, благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территорией обитания могут быть хорошими индикаторами химического загрязнения биосферы. Среди животных такими индикаторами могут быть европейский крот, бурый медведь, лось, рыжая полевка. Располагая сведениями о содержании тяжелых металлов у млекопитающих, можно прогнозировать их влияние на организм человека.Соединения металлов, выносимые сточными водами гальванического производства, весьма вредно влияют на экосистему водоем–почва–растение–животный мир–человек.Они обладают токсическим, канцерогенным (вызывают злокачественные новообразования — As, Se, Zn, Pd, Cr, Be, Pb, Hg, Co, Ni, Ag, Pt.), мутагенным (могут вызвать изменения наследственности — ZnS), тератогенным (способны вызвать уродства у рождающихся детей — Cd, Pb, As, Co, Al и Li) и аллергенным действием (соединения Cr6+).1.4 Способы очистки гальванических стоковГальванические стоки могут быть очищены различными способами. Классификация способов очистки гальванических стоков зависит от выбранного критерия. Общепринятой считается классификация по способу очистки гальванических стоков: - Механический способ. Сущность механического способа состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы, в зависимости от размеров, улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.- Реагентный способ.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 осадок с последующим извлечением осадка из стока.Для проведения химических реакций необходимы соответствующие условия. Например, в гальванотехнике выделяется несколько типов стоков: циансодержащие; хромсодержащие; содержащие соли тяжелых металлов; кислотно-щелочные.Для применения реагентного метода очистки этих стоков на предварительной стадии необходимо провести коррекцию pH среды. Затем проводятся химические реакции, которые переводят металлы в нерастворимую форму.- Электрохимический способ.Этот способ 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 ниже плотности воды, что обеспечивает его всплытие и накопление на поверхности очищаемой воды. Флотошлам периодически удаляется из электрофлотатора автоматическим устройством сбора шлама.- Ионообменный способ.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.- Мембранный способ (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. Поскольку поток фильтрата прямо пропорционален площади поверхности мембраны и обратно пропорционален ее толщине, при проектировании обратноосмотических установок следует подбирать мембраны с максимально возможной площадью и минимально возможной толщиной на единицу объема аппарата (рис.1).Рис. 1. Принцип обратного осмосаНадежность 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.Гальванические стоки, как правило, содержат не только механические, но и химические загрязнения. Поэтому механическая очистка гальванических стоков без какой-либо химической (или иной) очистки практически не используется. Каждый из известных способов очистки гальванических стоков имеет свои преимущества и свои недостатки. Гальванические стоки имеют в своем составе различные компоненты, удаление которых вызывает необходимость сочетать различные способы очистки. Очистка гальванических стоков от ионов шестивалентного хрома и тяжелых металлов производится обычно реагентным или электрохимическим методами. Эти методы не позволяют очищать воду до необходимых требований по содержанию вредных компонентов, поэтому в сочетании с ними применяются другие методы.Для сокращения количества гальванических стоков, подлежащих очистке на очистных сооружениях, используются системы локальной очистки гальванических стоков. Для локальной очистки используются ионообменные и мембранные методы. Гальванические стоки, прошедшие локальную очистку, используются повторно для промывки деталей. Для локальной очистки гальванических стоков непосредственно около гальванических ванн и линий выпускаются установки ОВ-100 и ОВ-300.Установки очистки гальванических стоков ОВ-100 и ОВ-300 предназначены для извлечения из промывных вод катионов металлов и анионов, обессоливания водопроводной воды.1.5 Методологические подходы к оценке эффективности очистки гальванических стоковДля основных элементов очистки на основе анализа расчетных формул СНиП были определены параметры, от которых зависит эффективность очистки, а затем проведена статистическая обработка данных части предприятий, которые представили ее в полном объеме. Фактическая эффективность очистки определялась по формуле: Эфакт = Свх - С вых / С вх где,Свх - концентрация загрязняющих веществ в сточной воде,Свых - то же, на выходе из элемента.Расчетная эффективность Эстат определялась с помощью методов регрессионного анализа.Выведенные функциональные зависимости отражают средний уровень эффективности работы элементов систем очистки по отношению к сложившемуся в практике диапазону изменения параметров элементов. При этом предприятия можно распределить на три группы: - Эстат < Эфакт (эффективность выше среднего уровня)- Эстат > Эфакт (эффективность ниже среднего уровня)- Эстат ≈ ЭфактК первой группе относятся предприятия, где, возможно, лучше налажена эксплуатация, либо проведена модернизация, реконструкция элемента, улучшающая работу элемента очистки.Ко второй группе относятся предприятия, где используется устаревшая технология очистки или плохая эксплуатация, либо состав сточных вод не соответствует проектному.Могут быть и другие причины, влияющие на эффективность. Применение регрессионных уравнений позволяет значительно сузить круг элементов для более подробного и обстоятельного изучение с целью определения наилучших из имеющихся в практике элементов очистки с одной стороны, а с другой - для определения первоочередных объектов, требующих капитальных вложений на модернизацию.Выведенные регрессионные зависимости между эффективностью очистки и параметрами элементов очистных сооружений позволяют оценить уровень эффективности существующих или проектируемых элементов очистки.Проведенные исследования могут быть использованы при дальнейшей разработке нормативных документов, которые будут определять процесс оценки эффективности действующих очистных сооружений.В экологическом законодательстве отсутствуют правовым образом, установленные общие экологические ограничения на природопользование с учетом принципов и требований обеспечения устойчивого развития территорий и экологической безопасности. Установление экологических ограничений на использование водно-ресурсного потенциала согласуется с положением о необходимости достижения баланса экологических и экономических интересов общества.Для оценки экологической опасности гальванического производства служит экологический критерий (ЭК), который определяется как отношение конечной концентрации компонента раствора в сбрасываемой (очищенной) воде (Скон) к его ПДК в воде рыбохозяйственных водоемов и прямо пропорционально зависит от концентрации компонента в технологическом растворе (С0), кратности разбавления промывными водами выносимого из ванны раствора (q/Q) и обратно пропорционально зависит от степени очистки сточных вод ():Чем больше экологический критерий, тем большую экологическую опасность представляет тот или иной технологический раствор, гальванический цех; суммарно по всему гальваническому цеху с учетом работы очистных сооружений экологический критерий не должен превышать единицы: ЭК1.Представленная зависимость показывает, что снижение отрицательного воздействия гальванического производства на окружающую среду достигается снижением экологической опасности применяемых растворов и электролитов (С0/ПДК), рационализацией водопотребления (q/Q) и повышением эффективности очистки сточных вод ().Таким образом, при проведении работ по снижению экологической опасности гальванопроизводства в первую очередь необходимо проанализировать номенклатуру применяемых растворов и электролитов и по возможности произвести замену токсичных растворов на менее токсичные либо снизить концентрацию токсичных компонентов в применяемых растворах.При замене растворов и электролитов необходимо учитывать эффективность очистных сооружений по очистке образующихся при этом стоков. Так, например, при замене цианистого электролита цинкования на сернокислый при одинаковой концентрации ионов цинка и неизменных системах промывки деталей и очистки кисло-щелочных стоков экологический критерий технологии цинкования ухудшается в сотни раз из-за практически полной очистки стоков от цианидов (до ПДК) и незначительной степени очистки сточных вод от сульфатов (до 30%). Поэтому в случае надежной системы обезвреживания цианистых стоков проблема замены цианистых электролитов определяется не столько степенью воздействия на окружающую природу, сколько санитарно-гигиеническими условиями труда при приготовлении и эксплуатации этих электролитов, а также необходимостью организации отдельных систем обезвреживания циансодержащих сточных вод и другими технико-экономическими моментами. Если же заменять цианистые электролиты на аммиакатные, то это может вызвать дополнительные трудности при очистке сточных вод, содержащих медь.2. Анализ эффективности очистки гальванических стоков на Санкт-Петербургском заводе гальванических изделий2.1 Динамика основных показателей очистки гальванических стоковСточные воды, поступающие на централизованную заводскую станцию очистки, содержат комплекс неорганических и органических соединений с различными физико-химическими свойствами. Анализ состава сточных вод производства, дает следующие усредненные концентрации вредных ингредиентов в этих сточных водах (мг/л): общая минерализация - до 2000; взвешенные вещества - до 400; азот аммонийный - до 30; сульфаты - до 500; хлориды - до 1000; жиры и масла - до 25; железо - до 50; медь - до 35; никель - до 40; цинк - до 25; хром+3 - до 130; хром+6 - до 120; кадмий - до 2; фтор - до 2; цианиды - до 100. Такое разнообразие веществ и диапазонов их концентраций требует применения совокупности различных способов очистки сточных вод. Однако до сих пор для нейтрализации стоков гальванических производств используется традиционный способ с применением растворов извести, при котором образуется большое количество солей кальция в осадке, что обусловливает трудности в переработке последнего.Анализ организации промывки деталей в гальваническом производстве показывает, что проточная схема нерациональна по следующим причинам:- вода подается в ванну промывки деталей независимо от процесса нанесения гальванических покрытий. На очистные сооружения сбрасывается вода независимо от концентрации солей тяжелых металлов в ней. Затраты воды в таком технологическом процессе неоправданно большие; - практически отсутствует замкнутый цикл водооборота на производствах. Финансовые средства затрачиваются как на организацию процесса очистки, так и на водопользование.Более целесообразной представляется организация локальной очистки воды для каждой ванны промывки деталей по схеме замкнутого оборота воды. При этом отсутствуют:- потери электролита, уносимого деталями на своих поверхностях;- практически отсутствуют сбросы воды на заводские очистныесооружения и др. Выбор схемы и параметров установки очистки зависит от динамики поступления солей тяжелых металлов в ванну для промывки деталей. Данные по динамике поступлений солей тяжелых металлов в воду при наличии оборудования очистки в замкнутой схеме водооборота практически отсутствуют. Были проведены исследования динамики изменения концентрации солей тяжелых металлов в такой схеме. Характерные изменения концентрации солей тяжелых металлов в ванне для промывки деталей в течение периода наблюдений на примере никеля приведен на рис. 2.Рис. 2. Динамика изменения концентрации солей никеля в ванне для промывки деталей после гальванического процесса нанесения защитного покрытияДля других солей тяжелых металлов (Cr, Cu, и др.) характер изменения концентраций практически не отличается. Изменяется только абсолютное значение концентрации солей тяжелых металлов, которое зависит от интенсивности и технологических особенностей процессов нанесения гальванических покрытий.Анализ данных рис. 2 показывает, что при объеме ванны до 0,7 м3 и расходе воды на установку очистки до 20 л/ч концентрация никеля в ванне не превышала 7 мг/л. В результате обобщения экспериментальных данных по динамике изменения концентрации солей тяжелых металлов в ваннах для промывки деталей после нанесения гальванических покрытий в замкнутой схеме водооборота, включающей установку очистки воды, получена номограмма (рис. 3) для определения кратности циркуляции воды в системе " ванна для промывки деталей - установка очистки".Рис. 3 Номограмма для определения кратности циркуляции воды в системе " ванна для промывки деталей - установка очистки".Зная среднюю периодичность промывки деталей в ванне, эффективность очистки воды от солей тяжелых металлов в установке очистки , объем воды в ванне (V) для заданного значения снижения концентрации солей тяжелых металлов в ванне в период между двумя промывками детали(Соi/Со), помощью номограммы (см. рис.3) достаточно просто определить необходимый расход воды через установку очистки (v) .Эти данные индивидуальны для каждого технологического процесса. Поэтому до разработки технического решения по очистке промывной воды на гальванических участках необходимо предварительно определить динамику изменения концентрации солей тяжелых металлов в ванне для промывки деталей. На основе вышеприведенной оценки системы "ванна для промывки деталей - установка очистки воды" были отработаны технологические режимы для локальной системы замкнутого водооборота ванны промывки деталей после хромирования. Концентрация Cr+6 в воде колебалась в пределах от 10 до 120 мг/л. Потери Cr+6 с оставшейся водой на поверхности детали были минимальны не более 0,1 мг/м2 поверхности детали.Показатели по использованию воды и сбросу загрязняющих веществ в водные объекты за 5 лет представлены в таблице 2. 1Таблица 2.1ПоказателиЕдиницыизмерения2006г2007г2008г2009г2010гЖелезотонн1,71,62,82,12,7Цинктонн4,63,42,81,341,70Медьтонн1,42,259,24,723,89Никельтонн5,39,758,77,11,66Хромтонн3,83,93,82,42,5Азот аммонийныйтонн2,12,61,61,62,0Сульфатытонн2,82,55,67,31,1Жиры и маслатонн3,63,92,83,43,7Хлоридытонн2,062,333,471,803,27Кадмийтонн7,72,080,010,2410,01Взвешенные веществатонн3,40,3402,70,712.