V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

Охрана и рациональное использование водных ресурсов представляет собой весьма многогранную проблему, решением которой занимаются инженерно-технические работники различных специальностей.

При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими и минеральными веществами, в том числе токсичными и ядовитыми, способными уничтожить в определенных условиях всякую жизнь в естественных водах или сооружениях биологической очистки коммунальных сточных вод. Одним из источников загрязнения окружающей среды вредными веществами и в первую очередь тяжелыми металлами, являются гальванические производства.

Гальванические покрытия используются практически во всех отраслях промышленности. В Российской Федерации по оценке специалистов существует сегодня около 7000 таких цехов. Гальваническое производство является одним из крупных потребителей цветных металлов и достаточно дорогих химических реактивов [3]. Оно потребляет не менее 15% никеля, 50% цинка, 70% меди, производимых в нашей стране. Основной набор электролитов и технологических растворов можно считать сложившимся и в ближайшее время вряд ли следует ожидать радикальных изменений в области создания электролитов, которые вызвали бы резкий скачок в развитии гальванотехники.

В тоже время в обществе происходит понимание того, что дальнейшее развитие техники и технологии по пути создания новых продуктов с новыми качествами часто приходит в противоречие с условиями самой жизни на земле, с нормальным функционированием природной среды. Поэтому получили развитие природоохранные технологии и в первую очередь для наиболее экологически вредных производств, в том числе гальванического производства [1].

Не смотря на существенные различия в технологии металлопокрытий различных изделий, все они создают в процессе эксплуатации отходы, которые могут находиться в жидком, твердом, пастообразном или газообразном состоянии, представляя собой различную степень опасности и токсичности для окружающей среды человека.

Источниками загрязнения окружающей среды в гальванотехнике являются не только промывные воды, но и отработанные концентрированные растворы. Выход сырья рабочих растворов происходит по различным причинам накопления в электролитах посторонних органических и неорганических веществ и нарушения соотношения основных компонентов гальванических ванн. Сбросы отработанных растворов по объему составляют 0,2-0,3% от общего количества сточных вод, а по общему содержанию сбрасываемых загрязнений достигают 70%. Залповый характер таких сбросов нарушает режимы работы очистных сооружений, приводит к безвозвратным потерям ценных материалов.

Попадание неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод и других видов отходов, содержащих цветные металлы, в водные объекты наносит ущерб народному хозяйству и окружающей природе не только из-за потерь, используемых в производстве металлов, но и вследствие огромного негативного воздействия на окружающую среду.

Одним из путей решения данной проблемы является создание малоотходных и безотходных экологически безопасных технологических процессов нанесения гальванических покрытий и очистки сточных вод, при которых достигается минимальный расход цветных металлов и минимальное негативное воздействие на окружающую природную среду.

Вопросы предотвращения загрязнения водоемов производственными сточными водами тесно связаны с разработками мероприятий по сокращению потребления свежей воды на технологические нужды производства и уменьшению количества сбрасываемых стоков. Один из наиболее рациональных путей для достижения этих целей - создание локальных систем очистки с извлечением ценных компонентов и использованием очищенных сточных вод в оборотном цикле [3].

В настоящее время сложилось два направления: развитие гальванотехники и разработка средств и методов очистки сточных вод, причем последнее направление получило свое развитие в сравнительно недавнее время. К сожалению оба направления развиваются самостоятельно и зачастую независимо друг от друга. На практике это привело к тому, что технологи - гальваники в силу своего образования и стоящих перед ними задач не имеют четкого представления о способах уменьшения вредного воздействия гальванопроизводства на окружающую среду, а специалисты - экологи рассматривают гальваническое производство как «черный ящик», выходными параметрами которого являются сточные воды самого разнообразного состава. Следовательно, ясно стоит задача объединения достижений как в области гальванопроизводства, так и в области экологических технологий [1].

Целью данной дипломной работы является разработка и сравнение альтернативных вариантов технологических решений очистки сточных вод гальванического производства и выбор наиболее предпочтительного варианта.

Задачи дипломной работы:

1. Анализ особенностей образования сточных вод гальванического производства;

2. Определение основных технологических решений очистки сточных вод гальванического производства;

3. Разработка и подбор основного оборудования для гальванического цеха;

1. Особенности гальванического производства как источника образования загрязнённых сточных вод

1.1. Технологические особенности гальванического производства

Коррозия - это разрушение металлов вследствие химических и электрохимических взаимодействий с внешней средой. Как показывает статистика, из общего количества выплавляемых в нашей стране черных металлов около 10% ежегодно теряется в результате коррозии, 50% готовых металлических изделий преждевременно выходит из употребления.

Защита металлических изделий от коррозии, а также придание им требуемого декоративного вида или необходимых свойств поверхностному слою деталей (твердости, износостойкости, электропроводности, теплостойкости и т.д.) обеспечиваются с помощью металлических или неметаллических покрытий.

Гальванические покрытия основаны на выделении металлов из водных растворов их солей под действием электрического тока. Металл осаждается на детали, подключенной к отрицательному полюсу. Гальваническим способом достигается покрытие деталей чистыми металлами или сплавами при минимальных их потерях.

Нанесение гальванических и химических покрытий производится обычно в специальных ваннах, конструкция которых определяется видом покрытий, формой и размерами деталей и технологическим процессом [5].

Процесс нанесения покрытий состоит из последовательных операций: подготовительные, нанесение покрытий и окончательная обработка. К подготовительным операциям относятся: механическая обработка деталей, обезжиривание в органических растворителях, химическое и электрохимическое обезжиривание, травление и полирование. Окончательная обработка покрытий включает в себя обезводороживание, осветление, пассивацию, пропитку, полирование. После каждой операции изделие промывают в холодной проточной воде, а после обработки в щелочных растворах - последовательно в горячей и холодной воде. На заключительной стадии обработки изделие последовательно промывается в холодной и горячей воде и сушится. На всех стадиях контролируется качество выполнения основных операций.

Схема технологического процесса нанесения покрытий выбирается в зависимости от покрываемого материала, его поверхности, вида покрытий, требований, предъявляемых к нему, условий эксплуатации.

Гальваническое производство тесно связано с потреблением воды в качестве технологического сырья. Основным потребителем воды, как было отмечено выше, являются промывочные операции.

Основное назначение промывки - снижение концентрации раствора на поверхности обрабатываемых деталей, выносимого из технологических ванн.

1.2. Воздействие гальванопроизводства на окружающую среду

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.

Многие химические вещества, поступающие в окружающую среду, в том числе и в водоёмы, а через питьевую воду в организм человека, помимо токсического действия обладают канцерогенным (способны вызвать злокачественные новообразования), мутагенным (могут вызвать изменения наследственности) и тератогенным действием (способны вызвать уродства у рождающихся детей). Ионы тяжёлых металлов (хрома, никеля, меди, кадмия, цинка, свинца) нарушают работу кальмодулина - одного из основных регуляторов процессов жизнедеятельности организма и других важнейших белков. Токсикологическое действие тяжёлых металлов - сердечно-сосудистые расстройства, рак, наследственные болезни, дебильность, паралич, эпилепсия. Канцерогенное действие на теплокровных животных при поступлении в организм с питьевой водой оказывают мышьяк, селен и палладий, а при поступлении в организм другими путями - хром, бериллий, свинец, ртуть, кобальт, никель, серебро, платина. Разные виды организмов неодинаково переносят действие неорганических соединений. Так, ЛК50 кадмия составляет для циклопов 3,8 мг/л, а для дафний - 0,055 мг/л.

В крупных городах и промышленных центрах вредные вещества поступают в водоёмы в виде различных соединений и смесей, оказывающих совместное, или так называемое комбинированное действие на организм человека, теплокровных животных, флору и фауну водоёмов, на микрофлору очистных сооружений канализации. Это может быть:

1) синергизм или потенционирование, когда эффект действия больше простого суммирования; 2) антагонизм, когда действие нескольких ядов бывает меньше суммированного и 3) аддитивное или простое суммирование. Нередко наблюдаются и отступления от этой схемы. Кадмий в сочетании с цинком и цианидами в воде усиливает их действие, мышьяк является антагонистом селена. Часто одни и те же элементы могут выступать как синергисты для одних функциональных систем организмов и как антагонисты для других. Так, марганец и медь проявляют синергизм в процессах кроветворения и антагонизм при воздействии на центральную и периферическую нервные системы.

Физико-химические свойства воды - температура, содержание кислорода, жёсткость и рН - влияют на токсичность многих неорганических веществ. С повышением температуры воды увеличивается обмен веществ водных организмов и они получают больше яда. При увеличении общей жесткости воды с 20 до 260 мг/л по карбонату кальция средние летальные концентрации (ЛКср) различных соединений кадмия, меди, олова и свинца увеличиваются примерно в 100 раз. Увеличение рН с 6,6 до 8,0 также снижает токсичность многих веществ. Таким образом, в водоёмах с малой жёсткостью воды ядовитое действие металлов, как правило, будет больше, хотя и бывают исключения из этой закономерности. Поэтому снижение жёсткости водопроводной воды может повысить токсичность содержащихся в ней металлов.

Концентрации загрязняющих сточные воды примесей при поступлении их в водоём постепенно уменьшаются за счёт разбавления, осаждения на дне и химического взаимодействия примесей с веществами, присутствующими в воде водоёма, а также вследствие разложения многих примесей (главным образом органических) с помощью аэробных микроорганизмов, всегда имеющихся в воде водоёма. Способность водоёмов к ликвидации загрязняющих примесей и восстановлению природных качеств воды водоёма называется самоочищающей способностью водоёма. Процессы биологического самоочищения связаны с потреблением кислорода, растворенного в воде водоёма. Для предотвращения нарушения кислородного режима водоёма количество органических веществ и соединений тяжёлых металлов, попадающих со сточными водами в водоём, не должно превышать определенной величины, соответствующей количеству кислорода, поступающего из атмосферы. В противном случае содержание кислорода в воде водоёма начнет снижаться, что приведет к гибели флоры и фауны.

В настоящее время тяжёлые металлы занимают лидирующее место среди наиболее опасных факторов в общем загрязнении окружающей среды. Серьёзную опасность представляет сброс в водоёмы, особенно малопроточные (озёра, водохранилища), сточных вод, загрязненных биогенными элементами (соединениями фосфора и азота). В воде, содержащей органические вещества и биогенные элементы, происходит интенсивное размножение микроскопических сине-зелёных водорослей. Временами поверхность воды покрывается сплошным слоем водорослей ядовито-зелёного цвета, происходит цветение водоёмов. Некоторые сине-зелёные водоросли выделяют в воду токсичные вещества. Отмирая, сине-зелёные водоросли полностью обескислороживают воду водоёма и загрязняют её продуктами разложения.

Основные характеристики загрязняющих веществ гальванического производства заданного состава приведены в табл. 1 [17].

Таблица 1

Характеристика загрязняющих веществ

№	Вещество	ПДК (мг/л)	Класс опасности	Источники поступления	Воздействие на организм
1	Медь Cu2+	0,5	3	Гальванический цех, меднение	Мутагенное и токсичное действие. Оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки верхних дыхательных путей.
2	Цинк Zn2+	2	3	Гальванический цех, цинкование	Вредно действует на сельскохозяйственные культуры. Малотоксичен для людей и теплокровных животных и во много раз токсичнее для рыб. Токсическое действие: Язва желудка, анемия, лихорадка, тошнота, рвота, дыхательная недостаточность.

 

 

Продолжение таблицы 1

3	Кадмий Cd2+	0,001	2	Гальванический цех, кадмирование, коррозия труб с гальваническим покрытием	Болезнь «итай-итай», увеличение кардио-васулярной заболеваемости (КВЗ), почечной, онкологической заболеваемости, нарушение ОМЦ, течение беременности и родов, мертворождаемость, повреждение костной ткани.
4	Никель Ni2+	0,5	3	Гальванический цех, никилирование	Повышение возбудимости центральной и вегетативной нервной системы, отеки легких и мозга, тахикардия, анемии, рак легких.

1.3. Классификация сточных вод гальванического производства

Сточные воды гальванического производства различают по составу загрязнений, режиму сброса и концентрации.

По режиму сброса стоки подразделяются на постоянно поступающие разбавленные воды от проточных ванн после промывки в них деталей - промывные воды и периодически сбрасываемые из непроточных ванн - отработанные концентрированные электролиты и растворы.

По составу загрязнений сточные воды делятся на четыре группы: кислотно-щелочные, циансодержащие, хромосодержащие, фторсодержащие. Их характеристики приведены в табл. 2 [17].

Таблица 2

Классификация сточных вод гальванических цехов по химическому составу загрязнений

Группа сточных вод	Основные технологические процессы образования сточных вод	Состав загрязнений	pH среды
Кислотные	Предварительное травление, кислое меднение, никелирование, цинкование	pSO4, HCl, HNO3, H3PO4 и др.	< 6,5
Щелочные	Обезжиривание	NaOH, KOH, Ca(OH)2 и др.	>8,5
Содержащие соли тяжелых металлов	Поверхностная металлообработка и нанесение гальванопокрытий	Fe 2+, Fe 3+ , Zn 2+, Al 3+, Cu 2+ и др.	<6,5
Циансодержащие	Цианистое меднение, цинкование, кадмирование, серебрение	KCN, NaCN, CuCN, Fe(CN)2, [Cu(CN)2] -, [Cu(CN)4] 3, [Zn(CN)4] 2- и др.	2,8-11,5
Хромосодержащие	Хромирование, пассивация, травление деталей из стали и др.	Cr 3+, Cr6+, Zn 2+, Cu2+, Fe 2+, Fe 3+ и др.	2,3-8,8

 

По концентрации загрязнений сточные воды можно разделить на 3 категории:

1. Воды после промывки изделий в проточных ваннах. При обычной сменяемости воды в ванне промывки 0,5-2 объема в час концентрация загрязнений в сточной воде составляет 0,5-3% концентраций раствора технологической ванны.

2. Воды после промывки изделий в непроточных ваннах, каскадной промывки, растворы после регенерации ионообменных фильтров (регенераты) с концентрацией загрязнений от 1 до 20 мг/л.

3. Отработанные технологические растворы и электролиты с концентрацией растворенных веществ более 100 г/л [2].

1.4. Требования к производственным сточным водам, принимаемым в городскую канализацию

В городскую канализацию разрешается принимать только такие производственные сточные воды, которые не приведут к нарушению работы канализационных сетей и сооружений, не представляют опасности для обслуживающего персонала и могут быть очищены на станциях аэрации совместно с бытовыми сточными водами.

1. Не разрешается сбрасывать в городскую канализацию производственные сточные воды, содержащие:

- соединения, которые могут выделять опасные для человека газы (сероводород, окись углерода, цианистый водород, сероуглерод, пары легколетучих углеароматических углеводородов и др.);

- горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси;

- радиоактивные вещества;

- опасные бактериальные загрязнения;

- вещества, оказывающие разрушающее воздействие на сооружения городской канализации;

- загрязнения, засоряющие сооружения городской канализации (трубы, колодцы, решетки и т. п.) или откладывающиеся на них (окалина, известь, песок, гипс, металлическая стружка, волокна, мездра, каныга и т. п.);

- вещества, ухудшающие биологическую очистку сточных вод на станциях аэрации;

- нерастворимые масла, смолы и мазут;

- биологически трудно окисляемые органические вещества;

- биологически «жесткие» поверхностно-активные вещества;

- вещества, для которых не установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) в воде водоемов культурно-бытового водопользования.

2. Не подлежат сбросу в городскую канализацию:

- концентрированные маточные и кубовые растворы;

- дренажные воды и нормативно-чистые производственные сточные воды;

- поверхностный сток с территорий промышленных предприятий (дождевые, талые, поливомоечные воды и др.);

- осадки из локальных очистных сооружений, грунт, строительный и бытовой мусор, отходы производства;

- производственные сточные воды, содержащие только минеральные вещества или механические загрязнения (в том числе и воды от установок водоподготовки ТЭЦ и котельных).

3. В системах водоотведения абонентов не допускается объединение производственных сточных вод, взаимодействие которых может привести к образованию эмульсий, ядовитых или взрывоопасных газов, а также большого количества нерастворимых веществ (например, содержащих соли кальция или магния и щелочные растворы; соду и кислые воды; сульфид натрия и воды с чрезмерным содержанием щелочи; хлор и фенолы и т. д.).

4. Сброс производственных сточных вод в городскую канализацию должен осуществляться через самостоятельные выпуски с устройством за пределами территории предприятия контрольного колодца.

Контрольные колодцы оборудуются приспособлениями (автоматическими пробоотборниками, измерительными устройствами и, в случае необходимости, пломбируемыми автоматическими устройствами) для постоянного контроля за расходом и составом сточных вод по каждому выпуску.

Общие требования, предъявляемые к сточным водам для сброса их в канализацию представлены в табл. 3 [7].

Таблица 3

Общие требования к сточным водам, принимаемым в канализацию

Показатель состава и свойств сточных вод	Максимальное допустимое значение
Взвешенные вещества,	500
Зольность взвешенных веществ, %	30
	500
	800
	6,5-8,5
Температура	< +40
Порог цветности	1:16
Плотный остаток,	2000
В том числе:
- Хлориды	350
- Сульфаты	500
- Эфироизвлекаемые вещества	20

ПДК некоторых тяжелых металлов в производственных водах, принимаемых в городскую канализацию в г. Москвы приведены в табл. 4 [7].

Таблица 4

ПДК вредных веществ в производственных сточных водах принимаемых в канализацию в г. Москве

№ п/п	Наименование вещества	ПДК, мг/л
1.		1
2.		0,1
3.		0,5
4.		3
5.		2
6.		0,5
7.		0,001
8.		1
9.		0,1
10.	Нефтепродукты	4

1.5. Создание экологически безопасного гальванопроизводства

Современные тенденции роста народонаселения и ускорения индустриализации ведут к тому, что отходы и загрязняющие вещества образуются быстрее, чем Земля может их перерабатывать и усвоить, а природные ресурсы потребляются более быстрыми темпами, чем воспроизводятся.

Достижение устойчивого развития возможно лишь путем переориентации промышленных процессов производства товаров и услуг на новые модели, которые будут способствовать снижению нагрузки на окружающую среду и повышению эффективности промышленного производства. Необходимо внедрение экологических технологий, обеспечивающих создание чистых и безопасных для окружающей среды производств, предотвращающих загрязнение природы и обеспечивающих более эффективное использование сырья. Экологически безопасное производство при минимальном объеме отходов и предотвращении загрязнения - единственный путь к преодолению антагонистического противоречия между такими процессами, как защита окружающей среды и экономическое развитие.

В гальваническом производстве имеется два основных источника образования отходов - они же основные потребители ресурсов: обработка поверхности и промывка деталей [1].

Итак, усилия по снижению экологической опасности должны быть в первую очередь направлены на проведение (в технически обоснованных случаях) следующих мероприятий, снижающих объем и токсичность образующих отходов:

1 - замена токсичных растворов и электролитов менее токсичными:

1.1. - цианистых электролитов на бесцианистые;

1.2. - кадмирования на цинкование с дополнительной обработкой или на нанесение покрытий сплавами;

1.3. - электролитов хромирования на основе шестивалентного хрома на электролиты на основе трехвалентного хрома, а также на электролиты для нанесения сплавов, не содержащих в своем составе хром;

1.4. - пассивирующих растворов на основе шестивалентного хрома на растворы на основе трехвалентного хрома;

1.5. - хромосодержащих компонентов на другие добавки в процессах электрохимического и химического полирования;

1.6. - меднения на никелирование стальных деталей в качестве первого слоя;

1.7. - высококонцентрированных растворов и электролитов на менее концентрированные;

2 - продление сроков службы растворов и электролитов путем:

2.1. - внедрения средств и методов очистки технологических растворов от загрязняющих веществ;

2.2. - организации схем рекуперации, т.е. повторного использования отработанных технологических растворов в гальванопроизводстве;

2.3. - внедрения средств и методов контроля технологических параметров гальванообработки и анализа состава растворов и электролитов;

2.4. - повышения культуры производства;

3 - сокращение расхода воды на промывочные операции путем:

3.1. - замены прямотока на противоток;

3.2. - увеличения количества ступеней (каскадов) промывок;

3.3. - изменения последовательности операций промывок;

3.4. - вторичного использования промывной воды для промывки после предыдущих и/или менее ответственных операций с помощью обвязки трубопроводами с эрлифтами, сифонами и т.п.;

3.5. - организации периодически непроточного режима работы промывных ванн;

3.6. - сокращения величины уноса технологических растворов с поверхностью деталей;

3.7. - использования охлаждающей воды (в отсутствии оборотной системы);

4 - улучшения условий для последующей очистки сточных вод путем:

4.1. - рационализации водопотребления с целью адаптации гальванопроизводства и очистных систем;

4.2. - унификации растворов и электролитов, в т.ч. их ионного состава;

4.3. - замены компонентов, мешающих или неподвергающихся очистке (высокоэффективные лиганды мешают реагентной очистке от ИТМ, биологически жесткие ПАВы плохо разлагаются на городских станциях биологической очистки, высокое содержание хлоридов приводит к разрушению анодных материалов и образованию токсичных продуктов при электрохимических методах очистки и т.д.).

Во вторую очередь необходимы работы по следующим направлениям, связанным с переработкой отходов:

5 - организация систем локальной обработки промывных вод:

5.1. - на основе средств и методов концентрирования компонентов технологических растворов;

5.2. - на основе средств и методов выделения ионов тяжелых металлов и ценных компонентов в виде, пригодном для возврата в технологическую ванну, в том числе воды для организации водооборота;

5.3. - на основе средств и методов выделения тяжелых цветных металлов и других компонентов в виде, пригодном для утилизации в других видах производств;

6 - организация систем очистки сточных вод, в первую очередь с использованием таких средств и методов, которые образуют отходы, годные либо для утилизации, либо для выделения из них цветных компонентов.

7 - внедрение средств и методов переработки нерегенирируемых отработанных технологических растворов и твердых отходов (шламов) с выделением ценных компонентов в виде, пригодном для утилизации, и/или образованием нетоксичных продуктов, годных для захоронения;

8 - внедрение средств и методов контроля технологических параметров обработки отходов, а также контроля за предельно допустимыми величинами сбросов и выбросов [1].

2. Сравнительный анализ методов очистки сточных вод гальванического производства

Разнообразный ассортимент применяемых гальванических покрытий в гальванотехнике обуславливает многообразие загрязнений, находящихся в сточных водах. Исходя из фазового состояния вещества в растворе, все загрязнения можно подразделять на четыре группы:

- взвесь в виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий;

- коллоиды и высокомолекулярные соединения;

- соли, кислоты, основания, растворенные в воде.

Для каждой из групп загрязнений существуют свои методы очистки. Так, для очистки воды от веществ первой группы загрязнений наиболее эффективны методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для второй группы - коагуляционный метод. Загрязнения третьей группы наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе адсорбционной очистки, а загрязнения четвертой группы, представляющие собой электролиты, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или методы обессоливания.

Если за основу классификации методов принять превалирующий процесс (или основное устройство) того или иного метода, то методы очистки можно разбить на семь групп:

1) механические;

2) химические (реагентные);

3) коагуляционно-флотационные;

4) электрохимические;

5) сорбционные;

6) мембранные;

7) биологические [1].

Однако один из указанных методов самостоятельно не обеспечивает в полной мере выполнение современных требований: очистка до норм ПДК, особенно по ионам тяжелых металлов; возврат 90-95% воды в оборотный цикл; невысокая себестоимость очистки; малогабаритность установок, утилизация ценных компонентов (кислот, щелочей, металлов).

2.1. Механическая обработка

Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами.

Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.

Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.

Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками. Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и другие.

Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.

Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.

Метод отстаивания применяют для осаждения из сточных вод крупнодисперсных систем. Взвеси сточных вод состоят из полидисперсных систем, скорость осаждения которых различна. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители.

Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц 200-250 мкм. Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости.

Песколовки делятся на горизонтальные, в которых жидкость движется в горизонтальном направлении, с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, в которых жидкость движется вертикально вверх, и песколовки с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды. Последние в зависимости от способа создания винтового движения разделяются на тангенциальные и аэрируемые [2].

Горизонтальные отстойники - прямоугольные резервуары глубиной 1,5 - 4 м, длиной 12 - 48 м, шириной коридора 3 - 6 м. Скорость движения вод 10 - 12 мм/с. Продолжительность отстаи­вания 1 - 3 ч. Их используют при расходах сточных вод 15 тыс. м3/час.

Эффективность отстаивания 60% [2].

Вертикальные отстойники - цилиндрические резервуары с ко­ническим днищем диаметром до 10 м и производительностью до 3 тыс. м3/час (рис. 3.). Скорость потока 0,5 - 0,6 м/с. Высота зоны осаждения 4 - 5 м. Уклон конической части не менее 45 - 50°, что обеспечивает сползание осадка. Эффективность осаждения на 10 - 20% ниже, чем в горизонтальном или радиальном отстойнике [2].

Радиальный отстойник - круглый резервуар диаметром до 60 м, вода в которых движется по радиусу от центра к периферии (рис. 4.). При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м3/час. Глубина проточной части 1,5 - 5м, отношение диаметра к глубине 6:30. Продолжительность пребывания сточных вод 1,5-2 часов. Эффективность их осаждения составляет 60% [2].

Осветлители применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, в частности, осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

2.2. Реагентные методы

Наиболее распространенный метод, заключающийся в переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков. В качестве реагентов используют гидроксиды кальция и натрия, сульфиды натрия, феррохромовый шлак, сульфат железа(II), пирит. Наиболее широко для осаждения металлов используется гидроксид кальция, который осаждает ионы металла в виде гидроксидов:

Me n+ + nOH - = Me(OH)n

В табл.5. представлены значения рН осаждения гидроксидов металлов и остаточные концентрации ионов металлов в сточной воде.

Таблица 5

Значения величины осаждения гидроксидов металлов

и остаточная концентрация ионов металлов

Формула гидроксидов	начала осаждения гидроксидов	полного осаждения гидроксидов	начала растворения гидроксидов	Остаточная концентра-ция иона наблюда-емая на практике при 8,5-9,0 мг/г
Fe(OH)2	7,5	9,7	13,5	0,3-1,0
Fe(OH)3	2,3	4,1	14,0	0,3-0,5
Zn(OH)2	6,4	8,0	10,5	0,1-0,05
Cr(OH)3	4,9	6,8	12,0	0,1-0,05
Ni(OH)2	7,7	9,5-10,0	-	0,25-0,75
Al(OH)3	4,0	5,2	7,8	0,1-0,5
Cd(OH)2	8,2	9,7-10,5	-	2,5
Cu(OH)2	5,5	8,0-10,0	-	0,1-0,15
Mn(OH)2	8,8	10,4	14,0	1,8-2,0

Практикой очистки сточных вод установлено, что при совместном осаждении гидроксидов двух или нескольких металлов при одной и той же величине достигаются лучшие результаты, чем при раздельном осаждении каждого из металлов. При локальном обезвреживании кадмий-, никель-, цинксодержащих потоков в качестве щелочного реагента рекомендуется использовать известь. При этом расход извести составляет на 1 весовую часть (в.ч.) кадмия - 0,5 в.ч. СаО, никеля - 0,8 в.ч. СаО, цинка - 1,2 в.ч. СаО.

Осаждение образующихся в процессе реагентной обработки нерастворимых соединений осуществляется в отстойниках. Число отстойников принимается не менее двух, оба рабочие. Продолжительность отстаивания составляет не менее 2-х часов.

Для ускорения осветления нейтрализованных сточных вод рекомендуется добавлять к ним синтетический флокулянт - полиакриламид (в виде 0,1 %-ного раствора) в количестве 2-5 г на 1 м3 сточных вод в зависимости от содержания ионов металлов (чем меньше суммарная концентрация ионов металлов, тем больше доза флокулянта). Добавление полиакриламида к сточным водам рекомендуется проводить перед их поступлением в отстойник (после их выхода из камеры реакции).

Влажность осадка после отстойников 98-99,5%. Для снижения его влажности осадок подается на узел обезвоживания (вакуум-фильтрация, фильтр-прессование, центрифугирование). Влажность осадка после вакуум-фильтра типа БОУ и БсхОУ составляет 80-85%, после центрифуги типа ОГШ: 72-79%, после фильтр-пресса типа ФПАКМ: 65-70%.

С целью достижения наилучших показателей очистки сточных вод рекомендуется использовать едкий натр (NaOH), поскольку он обладает высокой реакционной способностью; осадки, полученные с его использованием, относительно чисты, легче отмываются, перерабатываются и эффективно разделяются при осветлении [1].

Достоинства метода:

1) Широкий интервал начальных концентраций ИТМ;

2) Универсальность;

3) Простота эксплуатации;

4) Отсутствует необходимость в разделении промывных вод и концентратов.

Недостатки метода:

1) Не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов;

2) Громоздкость оборудования;

3) Значительный расход реагентов;

4) Дополнительное загрязнение сточных вод;

5) Невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания;

6) Затрудненность извлечения из шлама тяжелых металлов для утилизации.

2.3. Электрохимические методы

В настоящее время электрохимические методы выделения тяжелых цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства находят все более широкое применение. К ним относятся процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа [2]. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через раствор постоянного электрического тока.

Проведенные исследования по очистке сточных вод гальванического производства в условиях электрохимической неравновесности установили, что восстановительные процессы в сточных водах протекают при взаимодействии сольватированных электронов с гидратированными и связанными в комплексные соединения ионами металлов. Показано, что содержание Zn,Cu,Cd,Mo,Co в сточных водах после обработки в условиях электрохимической неравномерности не превышает, а в ряде случаев значительно ниже ПДК [5].

Метод электрокоагуляции

Электрокоагуляция - образование агрегатов частиц дисперсной фазы под воздействием внешнего электрического поля.

При использовании в качестве анода железных или алюминиевых электродов происходит их электро­литическое растворение, при кото­ром в сточную воду переходят ионы этих металлов, превращающиеся в гидроксиды, или основные соли металлов, обладающие коагулиру­ющей способностью. Именно на этом прин­ципе основан процесс электрокоа­гуляции загрязнений сточных вод.

Свежеобразованные гидроксиды железа обладают высокой сорбционной активностью к катионам, которые удаляются из сточных вод при контакте с гидроксидом при . При увеличении, названные катионы образуют гидроксиды металлов, которые при наличии в сточной воде гидроксидов железа значительно быстрее коагулируются и отделяются от жидкости.

Электрокоагуляцию применяют для удаления из сточных вод тонкодиспергированных примесей, например, масел и нефтепродуктов, органических взвесей и т.д. Для удаления из воды истинно растворенных веществ этот метод не используют. Рекомендуется применять этот метод для очистки сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию среды (). Поскольку для осуществления электрокоагуляции требуются значи­тельные затраты электроэнергии и листовой металл, ее можно рекомендовать для локальных схем очистки небольших количеств сточных вод (30-50 м3/ч).

При очистке электрокоагуляцией сточные воды сначала пропускают через электролизер, а затем направляют в аппараты для выделения продуктов реакций. Продолжительность электрообработки в электролизере определяется свойствами загрязнений и в среднем может изменяться в пределах 0,5-5 мин.

Электрокоагулятор обычно представляет собой корпус прямоугольной или цилиндрической формы, в которой помещают электродную систему - ряд электродов. Обрабатываемая вода протекает между электродами.

На рис. 5. представлена принципиальная схема электрокоагуляционной очистки хромсодержащих вод. Электрокоагулятор 3 включает в себя две секции: пластинчатый электролизер вертикального исполнения с подводом очищаемой воды снизу вверх и осветлитель. В качестве осветлителя используют отстойники, флотаторы-отстойники, флотаторы-осветлители. Так как в электродной секции происходит усиленное насыщение воды пузырьками выделяющегося водорода, то в осветлителе часть скоагулированной твердой фазы всплывает на поверхность воды, а часть оседает на дно [1].

Достоинства метода:

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr (VI);

2) Высокая производительность;

3) Простота эксплуатации;

4) Малые занимаемые площади;

5) Малая чувствительность к изменениям параметров процесса;

6) Получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами.

Недостатки метода:

1) Не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения;

2) Значительный расход электроэнергии;

3) Значительный расход металлических растворимых анодов;

4) Пассивация анодов;

5) Невозможность извлечения из шлама тяжелых металлов из-за высокого содержания железа;

6) Невозможность возврата воды в оборотный цикл из-за повышенного солесодержания;

7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов [5, 9].

Метод электрофлотации

Методы электрофлотации, разработанные сравнительно недавно, позволяют очищенную сточную воду вернуть в производство и рекуперировать ценные компоненты. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц происходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды и использовании растворимых электродов. На аноде возникают пузырьки кислорода, на катоде - водород. Поднимаясь в сточной воде, пузырьки флотируют взвешенные частицы. Метод обеспечивает очистку сточных вод гальванопроизводства от ионов тяжелых металлов до ПДК, также очищает от жиров и масел. Проводятся эксперименты по извлечению ионов тяжелых металлов из сточных вод гальванопроизводства при помощи нерастворимых анодов. Метод внедрен на ряде предприятий.

Разработчики и изготовители: РХТУ им. Менделеева, ОАО "Импульс" (Москва).

Достоинства метода:

1) Очистка до требований ПДК;

2) Незначительный расход реагентов;

3) Простота эксплуатации;

4) Малые площади, занимаемые оборудованием;

5) Возможность возврата ИТМ до 96%;

6) Возможность очистки от жиров, масел и взвешенных частиц;

7) Высокая сочетаемость с другими методами;

8) Отсутствие вторичного загрязнения.

Недостатки метода:

1) Незначительное (до 30%) снижение общего солесодержания очищаемых стоков;

2) Аноды из дефицитного материала;

3) Необходимость разбавления концентрированных вод;

4) Большой расход электроэнергии, ее дороговизна [10].

Метод электролиза

Электрохимическое окисление протекает на положительном электроде - аноде, которому ионы отдают электроны. Вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием более простых и нетоксичных веществ, которые можно удалять другими методами. В качестве анодов используют различные электрически нерастворимые вещества: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу. Катоды изготавливают из молибдена, сплава железа с вольфрамом, сплава вольфрама с никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Метод используется на многих предприятиях.

Применению электролиза до последнего времени препятствовала низкая производительность аппаратов с плоскими электродами. Перспективы решения этой проблемы открылись с разработкой и внедрением в практику достаточно простых и надежных электролизеров с проточными объемно-пористыми волокнистыми электродами. Они позволяют ускорить процесс извлечения металлов более чем в 100 раз за счет высокой удельной поверхности и повышенного коэффициента массопередачи (до 0,05 - 0,1 м3/с). Применяются и другие типы аппаратов с развитой электродной поверхностью, например псевдоожиженного типа, разрабатываемые в Киеве и Санкт-Петербурге [1].

Работы в этом направлении также требуют дальнейшего развития: поиск путей увеличения доступной электролизу внутренней поверхности электродов; оптимизация стадии регенерации осажденного металла и анодных процессов; разработка более компактных, дешевых и экономичных электролизеров, а также стойких и дешевых анодных материалов.

Достоинства метода:

1) Отсутствие шлама;

2) Незначительный расход реагентов;

3) Простота эксплуатации;

4) Малые площади, занимаемые оборудованием;

5) Возможность извлечения металлов из концентрированных стоков.

Недостатки метода:

1) Не обеспечивает достижение ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения;

2) Аноды из дефицитного материала;

3) Неэкономичность очистки разбавленных стоков [10].

Существуют также электролитические методы, к которым относится метод гальванокоагуляции.

Метод гальванокоагуляции

Достоинства метода:

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr(VI);

2) В качестве реагента используются отходы железа;

3) Малая энергоемкость;

4) Низкие эксплуатационные затраты;

5) Значительное снижение концентрации сульфат-ионов;

6) Высокая скорость процесса.

Недостатки метода:

1) Не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения;

2) Высокая трудоемкость при смене загрузки;

3) Необходимость больших избытков реагента (железа);

4) Большие количества осадка и сложность его обезвоживания [10].

2.4. Мембранные методы

Методы мембранного разделения, используемые в технологии выделения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства, условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности выделения цветных металлов достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа [1].

Обратный осмос, ультрафильтрация

Процессы обратного осмоса и ультрафильтрации основаны на способности молекул воды проникать через полупроницаемые мембраны. При обратном осмосе отделяются вода и частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых сравнимы с размерами молекул воды (диаметр частиц 0,0001-0,001 мкм). В обратноосмотических установках используют полупроницаемые мембраны толщиной 0,1-0,2 мкм с порами 0,001 мкм под давлением 6-10 МПа.

При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше (диаметр частиц 0,001-0,02 мкм). В ультрафильтрационных установках применяют полупроницаемые мембраны с порами 0,005-0,2 мкм под давлением 0,1-0,5 МПа.

При очистке промышленных стоков гальванических производств используются мембраны на основе акрилового сополимера с добавлением найлона для придания прочности.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации стоков: для одновалентных солей не более 5-10 %; для двухвалентных: 10-15 %; для многовалентных: 15-20 %. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости движения жидкости вдоль поверхности мембраны.

С целью дальнейшего уменьшения содержания остаточных солей включается еще одна ступень очистки - установка полного обессоливания (чаще всего фильтры смешанного действия). Обратный осмос как метод обработки воды применяется, как правило, в непрерывных процессах. Опресненная вода поступает в резервуар, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Из этого резервуара опресненная вода подается потребителю при помощи насоса, изготовленного из высококачественной стали.

Схема очистки сточных вод с использованием процессов ультра- и гиперфильтрации представлена на рис. 6.

Аппараты для ультра- и гиперфильтрации подразделяются по способу укладки мембран на четыре типа: фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими элементами; с рулонными или спиральными фильтрующими элементами; с мембранами в виде полых волокон [1].

Достоинства метода:

1) Возможность очистки до требований ПДК;

2) Возврат очищенной воды до 60% в оборотный цикл;

3) Возможность утилизации тяжелых металлов;

4) Возможность очистки в присутствии лигандов, образующих прочные комплексные соединения;

5) Высокая экологическая безопасность.

Недостатки метода:

1) Необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики, взвешенных веществ;

2) Дефицитность и дороговизна мембран;

3) Сложность эксплуатации, высокие требования к герметичности установок;

4) Большие площади, высокие капитальные затраты;

5) Отсутствие селективности;

6) Чувствительность мембран к изменению параметров очищаемых стоков [1].

Электродиализная очистка сточных вод

Метод электродиализа применяется для выделения (регенерации) ценных компонентов из высококонцентрированных сточных вод (отработанных травильных и других технологических растворов), образующихся при химической и электрохимической обработке стали и цветных металлов. В результате удаления из этих растворов катионов металлов или анионов кислот можно получить растворы кислот и щелочей и снова их использовать в производстве.

Сущность процесса электродиализа заключается в том, что разделение идет с помощью электрозаряженных (анионитных и катионитных) мембран. На рис. 7. представлена схема процесса регенерации отработанных растворов хромовой кис­лоты. Регенерация осуществляется в двухкамерном электролизере периодического действия с катионитовой мембраной. Отработанным раствором хромовой кислоты заполняют анодную камеру, а 3-5%-м раствором серной кислоты - катодную камеру.

Электролиз отработанных растворов хромовой кислоты проводят при анодной плотности тока 500-1000 А/м2 с использованием свинцовых анодов и стальных катодов. Производительность установок составляет 0,5-5 м3/час. Один цикл регенерации продолжается 8-12 ч. Регенерацию проводят до остаточной концентрации ионов металлов (медь, железо и др.) 0,5-1,0 г/л [7].

Процесс электродиализа может применяться не только для очистки хромсодержащих стоков, но и для обессоливания воды. В этом случае строение электродиализной камеры меняется. Типичная схема такой камеры представлена на рис. 8. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими те же чередующиеся концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (диэлюатные) камеры. Через такую систему пропускается постоянный ток, под действием которого катионы, двигаясь к катоду ("-"), проникают через катионитовые мембраны,но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода ("+"), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер, например, из ряда четных камер, ионы обоих знаков выводятся в смежный, нечетный, ряд камер.

Таким образом, происходит очистка загрязненной ионами воды, которая из четных камер собирается в один поток, а сконцентрированные соли из нечетных камер - в другой поток. На рис. 9. представлена принципиальная схема электродиализной очистки промывных и сточных вод. Катоды в электродиализаторах изготавливаются из нержавеющей стали или титана, аноды - из платинированного титана или графита. Анионитовые и катионитовые мембраны марок МА-40 и МК-40 выпускаются серийно.

Достоинства метода:

1) Возможность очистки до требований ПДК;

2) Возврат очищенной воды до 60% в оборотный цикл;

3) Возможность утилизации ценных компонентов;

4) Отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии;

5) Возможность проведения при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

6) Простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода:

1) Необходимость предварительной очистки стоков от масел, ПАВ, органики, растворителей, солей жесткости, взвешенных веществ;

2) Значительный расход электроэнергии;

3) Дефицитность и дороговизна мембран;

4) Сложность эксплуатации;

5) Отсутствие селективности;

6) Чувствительность к изменению параметров очищаемых вод [1].

2.5. Сорбционные методы

Сорбционные методы являются наиболее распространенными для выделения хрома из сточных вод гальванопроизводства. Их можно условно поделить на три разновидности:

1) Сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен);

2) Сорбция на ионитах (ионный обмен);

3) Комбинированный метод.

Адсорбционный метод

Адсорбционный метод является одним из эффективных методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства. В качестве сорбентов используются активированные угли, синтетические сорбенты, отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.).

Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции хрома из сточных вод используются мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли, однако они должны обладать определенными свойствами:

- слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами;

- быть относительно крупнопористыми;

- иметь высокую адсорбционную емкость;

- обладать малой удерживающей способностью при регенерации;

- иметь высокую прочность;

- обладать высокой смачиваемостью;

- иметь малую каталитическую активность;

- иметь низкую стоимость.

Достоинства метода:

1) Очистка до ПДК;

2) Возможность совместного удаления различных по природе примесей;

3) Отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод;

4) Возможность рекуперации сорбированных веществ;

5) Возможность возврата очищенной воды после корректировки рН.

Недостатки метода:

1) Дороговизна и дефицитность сорбентов;

2) Природные сорбенты применимы для ограниченного круга примесей и их концентраций;

3) Громоздкость оборудования;

4) Большой расход реагентов для регенерации сорбентов;

5) Образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки [1].

Метод ионного обмена

Во многих случаях для обессоливания воды используют метод ионного обмена. Он также применяется для глубокой доочистки промывных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов. В связи с тем, что растворенные соли диссоциированы в воде на катионы и анионы, процесс полного обессоливания воды происходит в двух различных стадиях: вначале катионы замещаются ионами водорода, затем анионы на гидроксид-ионы. В итоге остается вода - . Таким образом, для полного обессоливания воды требуется два самостоятельных типа ионного обмена: катионитовый фильтр и анионитовый фильтр. В обоих случаях существует множество вариантов, которые в значительной степени различаются селективной способностью ионообменной смолы.

В процессе очистки сточных вод происходят следующие реакции:

фильтр катионитовый:

фильтр анионитовый:

Регенерацию катионитов осуществляют 2-8 %-ми растворами минеральными кислот, регенерацию анионитов - 2-6 %-ми растворами щелочей.

Растворы, образующиеся при регенерации ионитов (элюаты), подвергают дальнейшей переработке с целью обезвреживания или утилизации содержащихся в них токсичных или ценных компонентов. Синтетические ионообменные смолы представляют собой гели полиэлектролитов и обычно состоят из пространственной сетки углеводородных цепей с фиксированными на ней активными ионогенными группами. При набухании активные группы диссоциируют на подвижные противоионы и неподвижные, связанные с матрицей, фиксированные ионы.

На рис. 10. представлена принципиальная схема очистки промывных и сточных вод ионообменным методом при начальной концентрации ионов тяжелых металлов до 300 мг/л [19]. При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентные количества ионов раствора. В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная смола, различают -форму, -форму, -форму и т.д. для катионитов и соответственно -форму,-форму и т.д. для анионитов. Катиониты в -форме представляют собой твердые поликислоты, аниониты в -форме - полиоснования. Различают сильно- и слабокислотные катиониты и сильно- и слабоосновные аниониты. К сильнокислотным катионитам относятся катиониты, содержащие сульфогруппу () или фосфорнокислую группу (), такие катиониты способны к обмену в широком диапазоне . Слабокислотные катиониты - содержащие карбоксильную группу и фенольную. К сильноосновным относятся аниониты, содержащие в качестве фиксированных ионов: четвертичные аммониевые основания (), к слабоосновным - содержащие первичные, вторичные и третичные аминогруппы ().

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной ёмкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объёма ионита.

Обменная ёмкость сильнокислотных катионитов и сильноосновных анионитов по отношению к различным ионам остается постоянной в широком интервале значений . Обменная емкость слабокислых катионитов и слабоосновных анионитов в большой степени зависит от величины и максимальна для первых в щелочной среде (), а для вторых - в кислой среде ().

Ионообменные смолы применяются в процессе водоподготовки раздельно друг от друга (в двухступенчатых или многоступенчатых фильтрах), а также в фильтрах смешанного действия (катионовые фильтры).

Установки полного обессоливания воды обеспечивают возможность контроля электропроводности воды (эквивалент солесодержанию). Они подвергаются регенерации в случае достижения определенного максимального значения контролируемого показателя. Учитывая применение различных материалов для регенерации, установки полного обессоливания воды должны быть стойкими к воздействию кислот и щелочей. При этом полностью обессоленная вода в коррозионном отношении является крайне агрессивной, так как растворяет многие содержащие металл материалы. Вследствие этого глубоко очищенная вода вызывает в большей или меньшей степени ущерб для теплопередающей поверхности оборудования и труб. Избежать этого можно, применяя соответственно другие коррозионно-стойкие материалы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, высококачественная сталь). Во многих случаях необходимо производить кондиционирование полностью обессоленной воды, например, при ее использовании в качестве питательной воды для котлов. Очень кислые и очень щелочные элюаты, а также воду после промывки фильтров необходимо нейтрализовать перед их сбросом в канализационную сеть.

Достоинства метода:
1) Возможность очистки до требований ПДК;
2) Возврат очищенной воды до 95% в оборот; 3) Надежность;
4) Способность работать при резко меняющихся параметрах питающей воды;
5) Возможность утилизации тяжелых металлов.

Недостатки метода:

1) Необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики;

2) Большой расход реагентов для регенерации ионитов и обработки смол;

3) Необходимость предварительного разделения промывных вод от концентратов;

4) Громоздкость оборудования, высокая стоимость смол;

5) Высокие требования к герметичности оборудования;

6) Образование вторичных отходов-элюатов, требующих дополнительной переработки.

Комбинированные методы

Наиболее распространенным из всех разновидностей сорбционного метода является комбинированный метод, который заключается в использовании и угля, и ионитов одновременно для извлечения хрома. Суть его такова: сточные воды подаются на гравийно-угольный фильтр, затем последовательно на сильнокислый катионит, слабоосновной анионит и далее - сильноосновной анионообменник. После прохождения всего комплекса выделения хрома через ионообменные колонны, вода имеет высокую степень чистоты и может использоваться повторно. Извлеченный хром может быть направлен на утилизацию в кожевенную промышленность для дубления кож [1].

Английскими химиками исследована эффективность извлечения хрома из сточных вод гальванопроизводств коллоидной флотацией в присутствии гидроксида железа (III) и ПАВ. Гидроксид железа вводили в раствор в виде предварительно полученного геля, либо его образование происходило непосредственно в обрабатываемом растворе при гидролизе добавляемого нитрата железа. В качестве ПАВ использовали натрийлаурилсульфат или смесь его с лауратом натрия (ЛН). Изучена зависимость степени флотационного извлечения хрома от дозы и способа введения гидроксида железа, количества и вида используемого ПАВ. Установлено, что наибольшая степень извлечения хрома, равная 94 - 98% достигается при использовании смеси ЛН (30 - 50 мг/л) и НЛС (60 - 100 мг/л). Оптимальное рН составляет 7 - 8, доза гидроксида железа 25 мг/л. Содержание хрома после флотации снижается с 74 - 80 мг/л до 1,2 - 4,7 мг/л. Более глубокое извлечение ионов хрома из растворов достигается на второй ступени флотации [10]. В последние годы определенный интерес приобретает так называемая ионная флотация с додециламином, когда в объем раствора вводят гидролизирующиеся коагулянты, флокулянт, а затем флотируют образовавшиеся хлопья. Ионы хрома сорбируются на хлопьях и удаляются с ними из воды. При этом степень их извлечения составляет 80% [1].

Для выделения тяжелых металлов, в том числе и хрома, из сточных вод гальванопроизводства учеными было предложено использовать хелатообразующий реагент с дитиоаминогруппами. Последний получают путем смешения одинаковых количеств органических диаминосоединений и CS2 при пониженной температуре в течение нескольких часов с последующей нейтрализацией щелочным раствором и удалением непрореагировавшего CS2. Образующийся после интенсивного перемешивания в течении 20 - 120 минут осадок хелата хрома удаляют седиментацией или фильтрацией. В мировой практике применяется технология извлечения хрома путем сочетания ионообменного и мембранного методов (ультрафильтрации) [3].

К комбинированным методам следует также отнести сочетание ионообменного или экстракционного отделения металлов с их последующим электроэлюированием, т.е. электролизом элюэнта, непрерывно циркулирующего между ионообменником и электролизером. Это существенно снижает количество сбросов в процессе регенерации ионообменника [2].

2.6. Обоснование вариантов технологических решений очистки сточных вод гальванического производства

При выборе того или иного метода водоочистки предпочтение отдаётся методу, наиболее соответствующему комплексным требованиям водоочистки, таким как:

- очистка от загрязняющих примесей до;

- рациональное водопотребление и организация водооборота;

- сокращение твердых отходов и их централизованная утилизация;

- регенерация, утилизация жидких отходов и их повторное использование;

- минимальная себестоимость очистки.

Реагентный метод - является представителем традиционных методов, был выбран исходя из следующих соображений: низкие требования к качеству поступающих на очистку стоков; высокая степень очистки; отсутствие промежуточных, токсичных соединений; возможность использования воды в оборотном цикле; возможность автоматизации процесса.

В настоящее время методы электрохимической очистки сточных вод наиболее эффективные, прогрессивные. Установки по реализации этих методов достаточно компактны, высокопроизводительны, значительно упрощают технологические схемы очистки воды, процессы управления и эксплуатации сравнительно просто автоматизируются. Кроме того, электрохимическая очистка при правильном сочетании её с другими способами очистки воды позволяет успешно очищать сточные воды от ряда примесей различного состава и дисперсности, корректировать физико-химические свойства воды, концентрировать и извлекать из сточных вод ценные химические продукты и металлы. Одним из наиболее перспективных электрохимических методов очи­стки сточных вод является электрофлотация. Очистка сточных вод электрофлотацией одновременно сопровождается такими процессами, как снижение концентрации загрязнений (растворенных и коллоидных), бактерий и микроорганизмов, цветности, а также значений ХПК и БПК, что способствует более глубокой очистке вод, улучшает их общее санитарное состояние.

Среди методов очистки сточных вод гальванических производств, кроме уже упомянутых, особого внимания заслуживают ионитовые методы очистки, как более современные, нежели классический химический метод. Данный метод получил широкое распространение за рубежом [19]. Основное его преимущество состоит в возможности нейтрализации концентрированных сточных вод, в получении ценных электролитов и чистой воды, пригодной для повторного использования.

3. Пути решения сложившихся проблем гальванического производства

3.1. Оценка экологической опасности гальванопроизводства

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 (a):

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: ЭК<1.

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 (a) [29].

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. Наибольшей экологической опасностью обладают ионы тяжелых цветных металлов. Среди кислотных остатков при одинаковой концентрации наибольшей экологической опасностью обладают фторидные, цианидные и йодидные компоненты, наименьшей - сульфаты, хлориды и нитраты. Аммонийные и пирофосфатные соединения занимают промежуточное положение.

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.

Замена основного иона металла возможна лишь в очень ограниченных случаях, так как это приводит к изменению качества и свойств покрытия. Так, например, возможны замены: меднения в случае нанесения первого слоя на стальные детали на никелирование; электролитов на основе шестивалентного хрома на электролиты на основе трехвалентного хрома в случаях тонкослойного декоративного хромирования; защитно-декоративное или просто декоративное хромирование на блестящее никелирование и иногда цинкование.

В то же время замена комплексообразователей, блескообразователей и других добавок не так сильно влияет на качество и свойства покрытий, поэтому здесь возможностей больше. Так, например, в подавляющем большинстве случаев допускается замена цианистого электролита цинкования на слабокислые или щелочные цинкатные электролиты с выравнивающими и блескообразующими добавками (при этом необходимо учитывать возможности очистных сооружений) [32].

Из всего перечня особо опасных для окружающей среды компонентов растворов и электролитов замена на менее токсичные вызывает наибольшие затруднения для ионов металлов, ионов фтора и цианистых электролитов кадмирования, серебрения и золочения. В то же время снижение концентрации токсичного компонента прямо пропорционально снижает экологическую опасность электролита. Если замена токсичных электролитов на менее токсичные ограничена требованиями к получаемым покрытиям, то сокращение расхода воды на промывку возможно в широком диапазоне. При этом огромное значение имеет где осуществляется сокращение водопотребления: в действующем, реконструируемом или строящимся цехе [29].

3.2. Основные способы эффективной промывки изделий

Основными способами промывки изделий являются погружной и струйный. Струйные промывки более экономичны по сравнению с промывкой погружным способом, однако воздействие струи имеет явно выраженную направленность, поэтому струйная промывка применима только для промывки деталей простой конфигурации. Основной областью применения струйной промывки является производство печатных плат, в гальванических цехах вследствие большого разнообразия форм и конфигурации обрабатываемых деталей ванны струйной промывки в настоящее время практически не нашли применения.

Наиболее распространенным является погружной способ промывки, который может осуществляться в непроточных и проточных условиях.

При промывке в проточной воде применяют три основные схемы: одноступенчатая промывка в одной ванне; многоступенчатая прямоточная промывка в нескольких последовательно устанавливаемых ваннах (ступенях) промывки, оборудованных самостоятельной системой подачи и слива воды; многоступенчатая (многокаскадная) противоточная промывка, при которой направление потока воды противоположно направлению движения деталей. Многокаскадная противоточная промывка, при прочих равных условиях, обеспечивает в несколько раз меньший расход воды, но большие концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку. Увеличение площади, занимаемой гальваническими линиями и цехом в целом, при проектировании новых или реконструкции существующих цехов гальванопокрытий перекрывается сокращением площади, требуемой под станцию очистки сточных вод, так как для очистки меньшего объёма сточных вод требуется оборудование с меньшими габаритами.

Промывка в непроточной ванне с периодическим сливом промывной воды (периодически непроточный режим промывки) осуществляется при мелкосерийном производстве с большими интервалами времени между промывками, а также в случае малых, нерегулируемых (менее 50 л/ч) расходах воды; последовательная промывка в нескольких непроточных ваннах может использоваться на более производительных линиях, при этом продолжительность непроточного периода может составить до нескольких суток и даже недель. Перевод проточных ванн в периодически непроточный режим промывки позволяет сократить расход воды на 30-50%. Однако, не это является главным преимуществом периодически непроточного режима работы ванн промывки; периодически непроточный режим является одним из способов организации нормированного водопотребления взамен установки расходомеров, автоматизации регулирования расхода воды в зависимости от загрузки линии, формирования заинтересованности работников цеха в сокращении водопотребления. Расход воды на промывку в данном случае определяется частотой смены воды в промывных ваннах и объемом этих ванн [19].

Если есть возможность установить более трех ванн непроточной промывки, то можно организовать бессточные операции хромирования и никелирования. Количество ванн улавливания определяется двумя ограничениями: концентрация хрома и никеля в последней ванне улавливания не должна превышать предельно допустимую концентрацию отмываемого компонента - 0,01 г/л, а расход воды на промывку не должен превышать величины потерь воды на испарение и унос в вентиляцию. На рис. 11 представлен материальный баланс бессточных операций хромирования с пятью ваннами улавливания (а) и никелирования с четырьмя ваннами улавливания (б) с производительностью 3 м2/ч на подвесках в стандартных электролитах при температуре 50 °С.

В этом случае пять ванн улавливания после хромирования и четыре ванны улавливания после никелирования обеспечивают полный возврат промывной воды в ванну нанесения покрытий. При этом практически только через 50 рабочих смен (1,5 месяца работы) промывная вода из первой ванны улавливания сливается в сборник для последующей корректировки уровня электролита в технологической ванне, из второй ванны улавливания вода переливается в первую ванну, из третьей - во вторую и т.д., в последнюю ванну улавливания наливают дистиллированную воду или конденсат. При увеличении температуры электролитов и организации нагрева в ваннах улавливания или в сборнике промывной воды из первой ступени, а также при уменьшении производительности ванн или уноса раствора уменьшается количество ванн улавливания. Возможно использовать схему бессточной промывки без установки сборника [29].

3.3. Мероприятия по рационализации водопотребления в гальваническом цикле

Но как уменьшить расход воды на промывку, если нет денег на реконструкцию цеха или нет свободных площадей для установки дополнительных или каскадных ванн промывки? К тому же любая передвижка ванн влечет за собой перемонтаж металлоконструкций гальванической линии, вентиляционной и канализационной систем, водопровода и паропровода. Снижение водопотребления в этом случае можно обеспечить мероприятиями, осуществление которых не требует дополнительных капитальных затрат, но которые значительно рационализируют существующие в цехе системы промывки. К таким мероприятиям относятся сокращение выноса раствора из технологических ванн, использование охлаждающей воды, интенсификация промывки, подпитка технологических ванн водой из ванн улавливания, изменение последовательности промывок, многократное использование промывной воды.

Сокращение выноса раствора из технологических ванн осуществляется за счет выбора оптимальных конструкций подвесок, барабанов и деталей, устройства между технологическими и промывными ваннами козырьков с наклоном в сторону технологических ванн, выдерживание деталей над поверхностью ванны максимально возможное время, а также применением обдува, встряхивания и т.п. Только увеличение времени выдержки деталей над ваннами с 4 до 16 с сокращает вынос раствора в 3 раза.

Использование воды из систем охлаждения и нагревания возможно в случае отсутствия на предприятии оборотного водоснабжения в системах охлаждения и нагрева [25].

Интенсификация промывки заключается в оборудовании промывных ванн подвесочного типа перемешивающими устройствами, предпочтительно барботажного типа. Рекомендуемая продолжительность промывки деталей на подвесках составляет 40-90 с в каждой ванне (в зависимости от свойств отмываемых растворов и температуры промывной воды). При промывке барабанов применяют не менее, чем двукратное погружение вращающегося барабана в ванну промывки на 10-15 с и выдержку его над ванной до полного стекания жидкости.

Подпитка технологических ванн из ванн улавливания осуществляется в том случае, если суточное уменьшение объема электролита в технологических ваннах составляет не менее 20 % объема ванны улавливания. Основной причиной уменьшения объема раствора в технологической ванне является нагрев электролитов. Так, например, при температуре электролита 50 °С за 1 час с 1 м2 поверхности зеркала раствора испаряется около 2 л воды, а при температуре 60 °С немногим менее 4 л. Подпитка может осуществляться как вручную, так и с помощью простейшего воздушного эрлифта. Если в действующем цехе после никелирования и хромирования имеется несколько ванн улавливания, то в зависимости от производительности ванн и температуры электролитов с помощью подпитки технологических ванн водой из ванн улавливания можно организовать бессточные операции никелирования и хромирования, как описано выше [25].

Изменение последовательности промывочных операций заключается в том, что после технологической операции детали дополнительно промывают в ваннах промывки после предыдущей (рис.12 а), либо после последующей технологической операции (рис.12 б), либо и там и там (рис.12 в). В первом и во втором вариантах изменения последовательности промывки фактически увеличивается число прямоточных ступеней промывки на одну, в третьем - на две.

а) Дополнительная промывка деталей в промывной ванне, установленной перед технологической ванной

б) Дополнительная промывка деталей в промывной ванне, установленной после последующей технологической ванны

в) Дополнительная промывка в ваннах промывки после предыдущей и после последующей технологических ванн

В первом случае в качестве рассматриваемой технологической ванны могут служить ванны декапирования (активирования), бесцианистого меднения и никелирования, при этом расход воды на промывку сокращается в 20 раз для декапирования, в более 30 раз для меднения и никелирования. Во втором случае в качестве рассматриваемой технологической ванны могут служить ванны обезжиривания (расход воды снижается в 15 раз), декапирования перед никелированием (расход воды снижается в 13 раз), декапирования перед щелочным цинкованием и кислого кадмирования (расход воды снижается в 20 раз), никелирования перед хромированием и цинкования (расход воды снижается в 33 раза) и осветления цинковых и кадмиевых покрытий перед их хроматированием (расход воды снижается в 5 раз). Третий случай применим для ванны никелирования перед хромированием (расход воды снижается в 100 раз) и осветления цинковых и кадмиевых покрытий перед их хроматированием (расход воды снижается в 10 раз). Таким образом, без каких-либо затрат можно в десятки раз сократить водопотребление только за счет изменения маршрута движения деталей [30].

Многократное использование промывной воды заключается в том, что промывная вода после основных операций в процессах покрытия используется вторично в ваннах промывки после подготовительных операций перед этими же основными операциями по схеме на рис.13. Вода перекачивается из ванны в ванну либо с помощью воздушных эрлифтов, либо переливается самотеком при соединении ванн по схеме сообщающихся сосудов с помощью гибкого шланга.

Вода подается в ванну промывки после основной ванны нанесения покрытия (цинкования, кадмирования, меднения, никелирования, оловянирования, нанесения сплавов олова, фосфатирования, оксидирования и анодирования), затем промывная вода последовательно проходит через ванны промывки после подготовительных операций (декапирования, обезжиривания, осветления и травления алюминия), после чего сбрасывается на очистные сооружения. В этом случае общий расход воды определяется потреблением воды на промывку после нанесения покрытий. Экономия составляет сумму расходов промывной воды после обезжиривания и декапирования для нанесения гальванических покрытий - 700 л/м2 и после травления и осветления при анодировании алюминия - 1500 л/м2.

Многократное использование промывной воды по приведенной схеме позволяет снизить расход воды по отдельным линиям покрытия в 2-4 раза в зависимости от количества и типа последовательно соединенных ванн промывки. Внедрение повторного использования воды требует лишь незначительных работ по изменению обвязки трубопроводов на ваннах промывки [25].

Как при изменении последовательности промывок, так и при многократном использовании воды происходит смешение компонентов нескольких технологических ванн в одной промывной воде. В некоторых случаях это может привести к ухудшению качества обработки деталей. Например, осуществление дополнительной промывки деталей с цинковым покрытием в промывной ванне после декапирования может привести к растравливанию цинкового покрытия, при объединении промывочных ванн после кислого декапирования и щелочного обезжиривания, содержащего силикаты, на поверхности деталей может образовываться пленка нерастворимой кремниевой кислоты, которая будет препятствовать дальнейшему нанесению покрытия. Кроме того, недопустимо повторное использование промывной воды после обработки деталей в цианистых электролитах для промывки после обработки в кислых растворах, а также необходимо учитывать раздельную обработку хромсодержащих стоков на очистных сооружениях.

Я рассматривал два фактора, влияющих на экологическую опасность гальванического производства: снижение токсичности применяемых растворов и рационализацию водопотребления. Теперь рассматриваю третий фактор: повышение эффективности очистки сточных вод.

Так как гальваническое производство характеризуется значительным разнообразием технологических процессов, составов растворов и электролитов, широкой гаммой обрабатываемых деталей, то и образуются сточные воды достаточно разнообразные как по качественному, так и по количественному составу. Для очистки таких стоков необходимы в значительной мере универсальные, с малой и средней производительностью и достаточно эффективные и недорогие очистные установки. Однако, до сих пор не создано очистное оборудование, удовлетворяющее всем этим требованиям. В сегодняшних условиях рыночной экономики (когда на первый план выходят не монотонность и ритмичность, а гибкость производства, не производство любой ценой, а получение прибыли или просто выживаемость) требование повышения универсальности и производительности очистного оборудования еще в большей степени усиливается [29].

3.4. Возможные схемы промывки в гальваническом цикле

Что же делать, когда существующее на предприятии очистное оборудование не обеспечивает эффективную очистку стоков, а новое оборудование по своим характеристикам не подходит для очистки конкретных сточных вод? Традиционный подход к решению такой задачи заключается в применении очистного оборудования со значительным запасом как по производительности, так и по универсальности, что вступает в противоречие с экономическими возможностями заводов.

Однако выше было показано, что на реальном гальваническом производстве заменой компонентов применяемых электролитов на экологически более безопасные, а также за счет применения различных схем и режимов промывки можно резко изменить как состав, так и объем сточных вод, то есть стоки конкретного гальванического цеха не являются раз и навсегда заданными даже при условии неизменной производственной программе. А раз можно изменить объем и состав стоков, значит можно изменить требования, предъявляемые к очистному оборудованию. Следовательно, расширяется выбор и облегчается внедрение нового очистного оборудования, появляется более широкая возможность организации локальных систем очистки и существенно облегчается совершенствование работы существующих на предприятии станций очистки. В этом и заключается ответ на поставленный вопрос - варьированием составом и объемом промывных и сточных вод производится адаптация гальванического производства практически к любому очистному оборудованию. А что происходит в большинстве случаев на российских предприятиях в настоящее время? Литература рекламного или информационного характера по очистному оборудованию поступает на предприятие в лучшем случае в отдел охраны окружающей среды, в худшем - к главному энергетику. В большинстве случаев такая литература отправляется в дальний угол, так как очень редко качественный состав и объем стоков конкретного предприятия по всем параметрам совпадают с техническими характеристиками предлагаемого оборудования. Локальные методы очистки сточных вод как правило вообще не рассматриваются. Поэтому просто необходимы работы по адаптации гальванопроизводства и очистных сооружений.

Проиллюстрирую проведение адаптации на действующем гальваническом цехе, планировка которого представлена на рис. 14. В этом цехе отсутствуют свободные производственные площади, линии составлены из стационарных ванн, расположенных поперек оси линии, и снабжены механизированным устройством для перемещения подвесочных приспособлений. Производственная программа включает 16 м2/ч цинкования, 25 м2/ч никелирования, 3 м2/ч хромирования, 6 м2/ч обработки алюминия, 12 м2/ч электрополирования нержавеющей стали и 10 м2/ч нанесения покрытия сплавом олово-висмут [29].

Решение очистки А - реагентная очистка кисло-щелочных и хромсодержащих стоков. Отличие этого решения для различных схем промывки состоит в размерах применяемых установок.

Решение очистки Б для схемы промывки 1 - электрофлотационная очистка цинк-, никель- и оловосодержащих стоков отдельными потоками, а также гальванокоагуляционная очистка хромсодержащего стока.

Решение очистки Б для схемы промывки 2 - электрофлотационная очистка цинк- и оловосодержащих стоков отдельными потоками, замкнутая обратноосмотическая очистка никельсодержащего стока, а также гальванокоагуляционная очистка хромсодержащего стока.

Решение очистки Б для схемы промывки 3 - электрофлотационная очистка кисло-щелочного стока и электрокоагуляционная очистка хромсодержащего стока.

Решение очистки В для схемы промывки 3 - гальванокоагуляционная очистка кисло-щелочных стоков совместно с хромсодержащими стоками.

Решение очистки Г для схемы промывки 3 - замкнутая обратноосмотическая очистка цинк-, никель- и оловосодержащих стоков отдельными локальными потоками и электрокоагуляционная очистка хромсодержащего стока.

Самым ресурсосберегающим и экологически безопасным является измененная схема промывок (схема 3), а также замкнутая обратноосмотическая очистка цинк-, никель- и оловосодержащих стоков отдельными локальными потоками и электрокоагуляционная очистка хромсодержащего стока (решение Г очистки сточных вод).

Полный водооборот не должен быть самоцелью, т.к. с точки зрения как экологической безопасности гальванического производства, так и экономической целесообразности главной целью должны быть рационализация водопотребления и оптимизация системы очистки. Его целесообразно организовывать после рационализации водопотребления и оптимизации системы очистки при локальной очистке стоков от отдельных технологических операций или общего уже очищенного от токсичных загрязнений стока небольшого объема.

Заключение

Современное общество предъявляет все больше требований к качеству гальванических покрытий. Технологические процессы, применяемые в гальваническом производстве, весьма разнообразны и напрямую определяют качество наносимых покрытий.

Однако, выбор оборудования обуславливается не только технологией и характером обрабатываемых деталей, но и производственной программой.

Предотвращение загрязнения водоемов производственными сточными водами тесно связаны с разработкой мероприятий по сокращению потребления свежей воды на технологические нужды производства и уменьшению количества сбрасываемых стоков. Один из наиболее рациональных путей для достижения этих целей - создание локальных систем очистки с извлечением ценных компонентов и использованием очищенных сточных вод в оборотном цикле.

В данной дипломной работе проведен анализ литературных данных по методам и способам очистки сточных вод гальванического производства. В результате анализа научно-технической и патентной литературы становится очевидно, что не существует универсального, т.е. эффективного и дешевого метода очистки сточных вод гальванического производства.

Наиболее широко применяемый реагентный метод, достаточно прост и дешев, однако не решает проблему утилизации ценных компонентов, которые безвозвратно теряются с осадками.

В результате сравнения вариантов основных технологических решений также стоит отметить вариант очистки сточных вод с использованием более современного метода ионного обмена, нежели классического химического подхода, как наиболее предпочтительного варианта с точки зрения технико-экономических и эколого-экономических показателей. Данный метод получил широкое распространение за рубежом. Основное его преимущество состоит в возможности нейтрализации концентрированных сточных вод, в получении ценных электролитов и чистой воды, пригодной для повторного использования.

Помимо рассмотренных возможны и другие решения по очистке сточных вод, основанные на электродиализном методе, который хорошо проявляет себя при локальной обработке малых объемов промывных вод.

Впрочем, показать все возможные решения очистки сточных вод не является в нашем случае главным; основной целью данной работы является показать многовариантность решений очистки стоков, вытекающую из гибкости водопотребления, достигаемой применением различных схем промывок.

Создание полного водооборота не должно быть самоцелью, т.к. с точки зрения как экологической безопасности гальванического производства так и экономической целесообразности главной целью должны быть рационализация водопотребления и оптимизация системы очистки. Водооборот целесообразно организовывать после рационализации водопотребления и оптимизации системы очистки при локальной очистке стоков от отдельных технологических операций или общего уже очищенного от токсичных загрязнений стока небольшого объема.

Список литературы

1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство/ С.С. Виноградов; под ред. проф. В.Н.Кудрявцева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Глобус, 2002. - 352 с.
2. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник/ А.С. Тимонин. - Калуга.: издательство Н.Бочкаревой, 2003. - Том 2. - 917 с.
3. Колесников В.А. Экология и ресурсосбережение в электрохимических производствах. Механические и физико-химические методы очистки промывных и сточных вод: Учеб. пособие/ В.А. Колесников, В.И. Ильин. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева¸ 2004. - 220 с.
4. Родионов А.И. Защита биосферы от промышленных выбросов. Основы проектирования технологических процессов/ А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, Г.С. Соловьев. - М.: Химия, КолосС, 2005. - 392 с.
5. Смирнов Д.Н. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов/ Д.Н. Смирнов, В.Е. Бенкин. - М.: Металлургия, 1980. - 195 с.
6. Колесников В.А. Экология и ресурсосбережение в электрохимических производствах. Электрофлотационная технология очистки сточных вод: Учеб.пособие/ В.А. Колесников, В.И. Ильин. - М.: ИЦ РХТУ им. Д.И. Менделеева¸ 2003. - 104 с.
7. Савранская Т.М. Правила приема производственных сточных вод в московскую городскую канализацию/ Т.М. Савранская, Ю.Ф. Эль, Л.Н. Алексеева. - М.: Мосводоканал, 1992. - 19 с.
8. Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам и очистке воды: в 2-х частях/ Л. А. Кульский, И.Т. Горонский [и др.]. - Киев.: Наукова думка, 1980. - 1206 с.
9. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод/ С. В. Яковлев. - М.: Строиздат, 1985. - 337 с.
10. Колесников В.А. Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий/ В.А. Колесников, В.И. Ильин, Ю.И. Капустин [и др.]; под ред. В.А. Колесникова. - М.: Химия, 2007. - 304 с.
11. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологи: Учебное пособие для вузов/ К. Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.
12. Луценко М.М. Совершенствование технологии очистки стоков гальванических производств от ионов меди и никеля. - Санкт-Петербург, 2004. - 165 с.
13. Бейгельдруд Г.М. Технология очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов/ Г.М. Бейгельдруд. - М.: Строиздат, 1999. - 445 с.
14. Быкова Я.П. Задача оптимального проектирования системы очистки сточных вод гальваничского производства/ Я.П. Быкова, Б.В. Ермоленко// Химическая технология. - 2009. - № 10. - с. 623-631.
15. Красногорская Н.Н. Физико-химическое сопоставление реагентных методов очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов/ Н.Н. Красногорская, Е.Н. Сапожникова, А.Т. Набнев и др.// Успехи современного естествознания. - 2004. - № 2. - с.114-115.
16. Киселева Н.В. Реагентная очистка сточных вод гальванического производства от ионов тяжелых металлов/ Н.В. Киселева. - Казань, 1999. - 237 с.
17. Назаров М.В. Очистка прородных и сточных вод с применением электрохимических методов - Уфа, 2008. - 184 с.
18. Селицкий Г.А. Электрокоагуляционный метод очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов/ Г.А. Селицкий. Охрана окружающей среды: Обзор. информ. // ЦНИИцветмет экономики и информации. - М, 1987. - вып. №2. - с. 24.
19. Лебедев К.Б. Иониты в цветной металлургии/ К.Б. Лебедев, Е.И. Казанцев, В.М. Розманов [и др.]. - М., 1975. - 352 с.
20. Методические указания по расчету эколого-экономических и технико-экономических показателей
21. Отраслевое тарифное соглашение по организациям химической, нефтехимической, биотехнической и химико-фармацевтической промышленности РФ на 2007-2009 годы
22. Министерство экономики РФ, письмо № МВ-6/6-17 «Разъяснение о применении единых норм амортизационных отчислений» от 6 января 2000 г.
23. Тарасова Н.П. Охрана окружающей среды в дипломных проектах и работах/ Н.П.Тарасова, Б.В. Ермоленко, В.А. Зайцев, С.В. Макаров. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2006. - 218 с.
24. Маринина Л.К. Учебно-методическое пособие по разделу "Охрана труда" в дипломных проектах и работах/ Л. К. Маринина, А. Я. Васин, Е. Б. Аносова. - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2009. - 103 с.
25. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод и канализация зданий, введ.28.01.1991.
26. Сайты электронной сети Internet, поисковые системы Yandex, Google
27. http://www.reactiv.ru/catalog/
28. http://www.tehlit.ru/
29. http://www.galvanicrus.ru/ Виноградов С.С. Экология гальванических производств
30. http://www.c-o-k.com.ua/content/view/599/ Анапольский В.Н. Современные технологии очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов
31. http://www.eikos.ru/?menu=page&id=76
32. http://www.galvanicline.ru/show.php?page=297
33. http://www.ecologistica.ru/show.php?page=419
34. http://www.galvanicworld.com/orgpr/

Код для цитирования: Скопировать