Реферат: Cols=2 gutter=52> российская федерация

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ




(19)

,(13)

2 293 063 С2

(51) МПК

C02F 1/66 (2006.01)

C02F 103/10 (2006.01) . -

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА

ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,

ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21), (22) Заявка: 2005106659/15, 14.03.2005

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 14.03.2005

(43) Дата публикации заявки: 20.08.2006 (45) Опубликовано: 10.02.2007 Бюл. № 4

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1792924 А1, 07.02.1993. RU 2064528 С1, 27.07.1996. RU 2186038 С2, 27.07.2002. RU 2211187 С1, 27.08.2003. СМИРНОВ Д.Н., ГЕНКИН В.Е. Очистка сточных вод в процессах обработки металлов, М., Металлургия, 1980, С.20-25. SU 789419 А, 23.12.1980. JP 04-094792 А, 26.03.1992. US 4814074 А, 21.03.1989.

Адрес для переписки:

614990, г.Пермь, ул. Букирева, 15, ПермГУ, Патентное бюро "ОНОРИН", Пат. пов. А.А. Онорину, per. № 126

(72) Автор(ы):

Максимович Николай Георгиевич (RU), Басов Вадим Наумович (RU), Холостое Сергей Борисович (RU)

(73) Патентообладатель(и):
^ Федеральное государственное научное
учреждение "Естественнонаучный институт"

(RU)

(54) СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ ШАХТНЫХ ВОД И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к нейтрализации кислых шахтных вод, например, Кизеловского угольного бассейна. Способ нейтрализации кислых шахтных вод заключается в том, что в качестве нейтрализующего карбонатсодержащего материала используют пульпу из шлама отхода Березниковского содового завода, состоящую из мелкодисперсного карбоната кальция не менее 80 мас.% и приготовленную в смесителе с использованием воды из шахтного самоизлива, при этом пульпу подают дозированным сливом в зону реакции - канал самоизлива кислых шахтных вод - с последующей подачей очищенных стоков в отстойник. Приготовление пульпы в смесителе ведут в течение 12-20 минут. Пульпу берут из

расчета 1,2-1,8 кг на 1 м3 сточных шахтных вод. Температуру дозированного слива пульпы в зимних условиях предпочтительно поддерживают равной температуре слива шахтных вод. Установка для нейтрализации кислых шахтных вод, включает последовательно установленные смесители для приготовления реагента, подключенные своими входами посредством трубопроводов к погружному насосу подачи сточной воды и выходами через реагентопроводы к насосам-дозаторам подачи реагента в канал самоизлива кислых шахтных вод, пруд-отстойник, а также блок управления. Способ и установка обеспечивают удешевление процесса нейтрализации, а также упрощение технологии и конструкции установки для ее реализации. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Стр.: 1



Стр.: 2

RU 2 293 063 C2

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к нейтрализации кислых шахтных вод, например, Кизеловского угольного бассейна.

Известен способ нейтрализации и обезжелезивания кислых железосодержащих вод путем введения известковых материалов, аэрации и перемешивания. В качестве 5 известковых материалов используют отходы производства стройматериалов следующего состава, мас.%: СаО-15,0-16,5; МдО-17.5-19.0; SiO2 -4.0-7.0; SO3 - 2.5-3.5; Fe2O3-1,5-2,0; органическая часть - остальное, с размерами частиц не более 0,08 мм в количестве 3-5 г/л (см. а.с. СССР №1792924, МПК С 02 F 1/66, бюл. №5, 1993). Данный способ взят в качестве прототипа для предлагаемого технического решения.

10 Недостатками известного реагента является очень незначительное количество действующего начала, большой расход реагента, длительность процесса.

Известен способ нейтрализации оборотных вод, которые фильтруют через : '■; карбонатсодержащий материал, фильтрацию осуществляют через дренажную дамбу, а в качестве карбонатсодержащего материала используют известняк крупностью 15-20 см. 15 Расход известняка 30-32 г на 1 м3 оборотной воды (см. а.с. СССР №977401, МПК С 02 F 1/66, бюл. №44, 1982 г.). Данный состав является для предлагаемого реагента прототипом. Недостатками известного способа является длительность процесса 15-20 суток. Известны способ и установка для нейтрализации стоков, описанные в а.с. СССР №789419, МПК С 02 F 1/66, 1979 г. Известный способ включает заполнение накопительных 20 емкостей кислыми и щелочными стоками соответственно, последующую одновременную подачу стоков из емкости в реактор-смеситель, непрерывное измерение рН среды в реакторе смесителе и регулировку расхода одного из нейтрализуемых стоков. Устройство включает две накопительные емкости, соединенные через насосы и магистрали подачи со входами реактора-смесителя, выход которого является выходом устройства. В реакторе 25 смесителе размещен измеритель рН среды, выход которого соединен со входом блока управления, выход которого подключен к управляющему входу одного из насосов подачи. Данная установка взята в качестве прототипа для предлагаемого устройства.

Однако в известном решении производительность ограничена временем экстенсивного протекания реакции в смесителе, а также значительной постоянной времени управления. зо Кроме, того, эффективность нейтрализации невысока из-за запаздывания в цепи

управления, что приводит к существенным колебаниям рН среды на выходе. Недостатком является быстрое зарастание реактора-смесителя и выходной магистрали нерастворимыми и малорастворимыми отложениями.

Раскрытие изобретения

35 Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения является удешевление процесса нейтрализации кислых шахтных вод, упрощение технологии и конструкции устройства для его реализации.

Указанный технический результат достигается способом нейтрализации кислых шахтных вод, предусматривающим введение в стоки карбонатного материала. В качестве 40 карбонатсодержащего материала используют пульпу из шлама отхода Березниковского содового завода, приготовленную в смесителе с использованием воды из шахтного самоизлива, при этом пульпу подают дозированным сливом в зону реакции - канал самоизлива кислых шахтных вод - с последующей подачей очищенных стоков в остстойник.

Предлагается приготовление пульпы в смесителе вести в течение 12-20 минут. 45 Рекомендуется пульпу брать из расчета 1,2-1,8 кг на 1 м3 сточных шахтных вод.

Кроме того, температуру дозированного слива пульпы в зимних условиях предпочтительно поддерживают равной температуре слива шахтных вод.

Авторами для отхода Березниковского содового завода (далее БСЗ) разработаны временные ТУ-9023-01-5903003548-2002 - реагент карбонатный.

50 По данным рентгеноструктурного анализа преобладающим минералом складированных отходов БСЗ является кальцит, находящийся как в кристаллическом (до 58%), так и в скрытокристаллическом состоянии (до 70%). Общее его количество находится в пределах 79-97%, причем наибольшее содержание характерно для верхнего слоя, мощностью 1-1,5

Стр.: 3

RU 2 293 063 C2

м.

Помимо кальцита в шламе в небольших количествах также присутствуют другие карбонаты, которые могут принимать участие в нейтрализации кислых вод. Это арагонит -1-2% и доломит - до 1%.

5 Исследование отходов БСЗ показало, что они относятся к 5 классу опасности.

Оптимальными для нейтрализации составом и свойствами обладает шлам верхнего 1,5 м слоя шламонакопителя. Водородный показатель вытяжки рН составляет 9-12. Содержание 38 определенных спектральным анализом микроэлементов не превышает ПДК валового содержания в почвах. Вредных органических примесей в шламе не обнаружено. Объем

ю шлама, готового к использованию в качестве реагента для нейтрализации шахтных вод без какой-либо подготовки, превышает 1 млн.м3.

Установлено, что вода самоизлива за весь период наблюдений имеет сильнокислые значения рН - 2,6-2,9 (таблица 1). Минерализация изменяется от 385 до 875 мг/л. Состав воды сульфатно-железисто-кальциевый. Содержание сульфатов изменяется в пределах

15 292-660, железа трехвалентного - 22-109, алюминия - 8-23 мг/л. Содержание двухвалентного железа может достигать 11 мг/л.

При смешивании шахтной воды с шламами БСЗ происходит повышение рН за счет взаимодействия с карбонатом и гидроксидом кальция, которые являются основными компонентами отходов БСЗ. При этом происходит частичная очистка воды от ряда

20 загрязнителей, которые хорошо мигрируют в кислой среде и малоподвижны в нейтральной и щелочной. К ним относится большинство катионогенных металлов, таких как Fe, AI, Мп, Со, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Ti и др. При повышении рН растворов, в которых присутствуют ионы этих металлов, происходит их осаждение в виде гидроксидов.

Для каждого из металлов характерны определенные значения рН среды, выше которых

25 начинается осаждение их гидроксидов. В таблице 2 приведены рН начала осаждения гидроксидов металлов, концентрации которых в шахтных водах Кизеловского бассейна превышают ПДК.

Указанный технический результат достигается с помощью установки для нейтрализации кислых шахтных вод, которая включает последовательно установленные смесители для

зо приготовления реагента, подключенные своими входами посредством трубопроводов к погружному насосу подачи сточной воды и выходами через реагентопроводы к насосам-дозаторам подачи реагента в канал самоизлива кислых шахтных вод, пруд-отстойник, а также блок управления.

Пример осуществления способа.

35 Для проведения лабораторных исследований произведены отбор шахтной воды и отходов шламонакопителя БСЗ.

Вода для лабораторных экспериментов была отобрана из штольни шахты им. 40 лет Октября в летнюю межень. В этот период для нее характерны максимальные значения минерализации и концентрации загрязнителей.

40 Исследования включали серии опытов по определению оптимального количества *
расхода реагента и времени, требующегося для нейтрализации шахтной воды.
Определялся также химический состав воды до и после нейтрализации. '

К 0,5 л шахтной воды добавлялась определенная навеска отходов БСЗ и интенсивно перемешивалась в течение 5 минут. После чего вода отстаивалась в течение 20 минут и

45 производилось измерение рН. Проведены две серии опытов с шахтной водой. В каждой серии для контроля параллельно проводилось два опыта. Результаты эксперимента представлены в таблице 3. Установлено, что оптимальное количество отходов БСЗ для повышения рН шахтной воды до значений 6,5-7,0 составляет 1,2-1,8 г/л.

Другим лабораторным экспериментом устанавливалась зависимость повышения рН

50 шахтной воды от времени контакта с отходом БСЗ. Для этого к 1 л шахтной воды

добавляли оптимальное количество реагента -1,35 г и производили перемешивание. Через определенные интервалы времени проводили измерение рН. Установлено, что при интенсивном перемешивании нейтрализация происходит достаточно быстро. Более 90%

Стр.: 4

RU 2 293 063 C2

10

15

20

25

30

35

40

45

50

повышения рН наблюдается в первые 20 минут проведения опыта.

Лабораторные эксперименты включали также определение химического состава воды до и после проведения нейтрализации установленным оптимальным количеством отходов (таблица 4).

Минерализация воды до нейтрализации составляла 801-867 мг/л, водородный показатель - 2,8-2,9. Содержание сульфатов превышало ПДКВ в 1,2 раза, железа - в 326-372 раза, алюминия - 36-37 раз.

В результате нейтрализации произошло повышение рН до 6,4-7,0. Содержание железа и
алюминия находится в пределах ПДКВ. Повышение содержания сульфатов, хлоридов,
соединений азота не наблюдается либо незначительно. , . ,,, ..;..,.., ,, , ,

Таким образом, проведение лабораторных экспериментов показало, что для нейтрализации 1 м3 шахтной воды необходимо 1,2-1,8 кг отхода, при этом происходит повышение рН до нейтральных значений, очистка воды от железа и алюминия. Содержание хлоридов, сульфатов, кальция, натрия увеличивается незначительно и не превышают ПДК.

Поставленная задача решается с помощью установки, схема которой изображена на
чертеже. ... ,, ...:

Установка для нейтрализации кислых шахтных вод включает последовательно установленные площадку 1 для складирования реагента, смесители 2, 3 для приготовления реагента, подключенные своими входами посредством трубопроводов 4 к погружному насосу 5 подачи сточной воды и выходами через реагентопроводы 6 к насосам-дозаторам 7, 8 подачи реагента в канал самоизлива кислых шахтных вод 9, пруд-отстойник 10, а также блок управления 11.

Установка снабжена рН-метрами 12, 13, подключенными к блоку управления 11.

Установка для реализации вышеописанного способа работает следующим образом.

Доставка реагента от шламохранилища производится автотранспортом.

Реагент складируется на открытой площадке 1 размерами в плане 8,0x8,0 м, рассчитанной на прием продукта, на десятидневный запас. Смесители 2, 3 имеют горизонтальное исполнение смесительной камеры, оснащены шнековым перемешивающим устройством и ковшовым разгрузочным устройством. Приготовление пульпы в смесителе 2, 3 ведут в течение 12-20 минут. Для предотвращения замерзания суспензии и для улучшения условий транспортировки суспензии по трубопроводам в холодный период года предусмотрен обогрев корпуса смесителя(на черт, не показан). Температуру дозированного слива пульпы в зимних условиях предпочтительно поддерживают равной температуре слива шахтных вод.

В смеситель 2 реагент с площадки хранения 1 подается автопогрузчиком 14 (например, ПУМ-500 с емкостью ковша 0,4-0,5 м3). Для приготовления суспензии реагента ввиду нецелесообразности организации системы оборотного технического водоснабжения и упрощения установки используются шахтные сточные воды, подаваемые с помощью погружного насоса 5 (типа ГНОМ 10-10). Погружной насос 5 с целью снижения коррозионного воздействия кислых шахтных вод устанавливают в канале сточных вод 9, прошедших обработку реагентом. Насосы размещаются в блок-контейнере 15.

Реагент (пульпу берут из расчета 1,2-1,8 кг на 1 м3 сточных шахтных вод) насосом-дозатором 7, 8 подают по трубопроводу 6 в зону реакции - канал самоизлива 9 длиной 70 метров - с последующей подачей очищенных стоков в остстойник 10. С помощью блока управления 11 осуществляют измерение рН среды и дозированную подачу реагента. В результате применения предлагаемого способа рН шахтной воды повышается с 2,6-2,9 до нейтральных значений. Суммарное содержание железа с 30-40 снижается до 0,2-0,3 мг/л, что не превышает ПДКВ. После нейтрализации алюминия в шахтной воде не обнаружено, тогда как до нейтрализации его содержание составляло 10-14 мг/л. Содержание бериллия, лития, никеля, кадмия, кобальта и титана, которые в шахтных водах превышали нормативные концентрации, снижается до значений, не превышающих ПДКВ. Нейтрализованная вода после отстаивания удовлетворяет требованиям ПДКВ.

Образующийся осадок представляет смесь тонкодисперсных частиц гидроксидов

Стр.: 5

RU 2 293 063 C2

железа, частично не прореагировавшего карбоната кальция и примеси гипса. Он имеет нейтральную реакцию среды. Подвижных форм железа, алюминия, марганца, свинца, кобальта и др. практически не обнаружено. Вследствие этого образующийся в результате нейтрализации шахтных вод осадок не является источником вторичного загрязнения

5 водных объектов. )

Для проведения профилактических ремонтных работ на технологических линиях подачи реагента, промывки оборудования, в аварийных ситуациях предусмотрена дренажная система 16. Разгрузка смесителей 2, 3 производится через выпускной нижний штуцер с установленной запорной арматурой, сброс суспензии или сточных вод от промывки - через

15

20

25

30

ю дренажный коллектор в канал шахтных вод. Промывка насосов осуществляется через устанавливаемые на всасывающем и напорном трубопроводах штуцера с запорной арматурой и узлами присоединения рукавов. Стоки от промывки насосов также сбрасываются в канал самоизлива 9.

Таблица 1. Химический состав шахтной воды, изливающейся из штольни шахты им.40 пет Октября, мг/л

№ пробы

Дата

so2-4

ci-

NO3"

NO2-

Са2+

Мд2*

Na++K+

Н*

NH4+

Fe2*

Fe3+

А|3+

Минерализация

РН

КУБ 2/02

06.06.02

470,70

16,66

0,90

н.о.

28,06

22,48

6,90

1,62

0,35

Н.О.

55,85

18,89

622,41

2,79

КУБ 10/02

20.06.02

584,05

13,83

н.о.

н.о.

30,06

15,79

8,28

1,86

0,63

11,17

97,74

16,73

780,14

2,73

КУБ 11/02

21 06.02

602,79

10,99

н.о.

н.о.

28,06

17,01

9,89

1,74

1,32

8,38

103,32

17,81

801,31

2,76

КУБ 13/02

24.06.02

660,42

19,14

н.о.

0,18

28,06

17,01

12,18

2,84

0,98

8,38

108,91

17,38

875,48

2,55

КУБ 14/02

01.07.02

631,12

16,66

н.о.

0,13

28,06

17,01

8,97

2,77

0,96

1,40

100,53

19,48

827,09

2,56

КУБ 16/02

09.07.02

527,38

38,29

н.о.

0,01

32,06

17,01

16,78

1,27

0,54

1,40

97,73

15,65

748,12

2,90

КУБ 17/02

16.07.02

546,11

30,14

н.о.

0,01

32,06

17,01

17,17

1,27

0,54

1,40

103,32

14,03

763,06

2,90

КУБ 18/02

23.07.02

631,12

16,66

н.о.

0,02

40,08

18,23

17,24

2,53

0,24

н.о.

100,53

12,95

839,60

2,82

КУБ 19/02

29.07.02

546,11

27,65

н.о.

0,02

40,08

18,23

4,60

2,26

0,42

н.о.

97,74

7,55

744,66

2,65

КУБ 24/02

02.08.02

593,18

19,14

н.о.

0,02

40,08

18,23

6,00

1,97

0,53

н.о.

100,53

15,65

795,53

2,71

КУБ 15/02

28.08.02

602,79

46,80

н.о.

Н.О.

40,08

18,23

41,15

1,27

0,57

н.о.

97,74

18,35

866,98

2,90

КУБ 25/02

19.10.02

442,84

26,94

0,75

н.о.

32,06

13,37

1,38

1,59

1,22

н.о.

55,85

23,20

599,20

2,80

КУБ 27/02

20.10.02

357,83

22,69

1,70

н.о.

36,07

12,15

4,37

1,42

1,00

н.о.

40,49

15,10

492,82

2,85

КУБ 30/02

21.10.02

292,02

11,34

2,30

0,02

24,05

9,72

6,67

1,36

0,68

н.о.

22,34

14,03

384,53

2,87

КУБ 31/02

22.10.02

376,56

9,93

1,00

0,01

24,05

14,58

25,98

1,59

0,08

н.о.

30,71

12,41

496,90

2,80

КУБ 32/02

23.10.02

329,49

5,67

1,60

0,06

24,05

12,15

9,89

1,56

0,40

н.о.

30,72

10,79

426,38

2,81

КУБ 36/02

24,10.02

355,43

21,27

1,70

н.о.

36,07

12,15

32,72

1,42

1,00

н.о.

40,00

14,39

516,35

2,85

КУБ 39/02

25.10.02

320,37

14,18

1,55

0,03

24,05

12,15

4,14

1,30

0,74

2,90

32,11

14,03

427,55

2,89

КУБ 46/02

14.11.02

451,97

14,18

0,30

0,02

28,06

17,01

10,58

1,52

1,08

н.о.

61,44

15,11

601,27

2,82

Примечания: НСОз* и СОз2' химическим анализом не обнаружено; н.о. - не обнаружено.

35

40

45

50


Таблица 2. Значения рН начала осаждения гидроксидов из разбавленных растворов солей и произведение растворимости (ПР) гидроксидов при 25-С (по А.И.Перельману)

Гидроксиды

рН

ПР

Ti(OH)4

1,4-1,6

1х10-30

Fe(OH)3

2,48

4хЮ-38

А1(ОН)з

4,1

1.9Х10-42

Zn(OH)2

5,2

4,5хЮ-17

Cr(OH)3

5,3

7хЮ-31

Cu(OH)2

5,4

1,6х10"19

Fe(OH)2

5,5

4,8хЮ-10

Ве(ОН)2

5,7

1x10-20

РЬ(ОН)2

6,0

7хЮ"16

Ni(OH)2

6,7

8,7хЮ-19

Со(ОН)2

6,8

1,3x10"15

Мп(ОН)2

9,0

4,1х10"14

Таблица 3.

Результаты экспериментов по повышению рН воды из штольни шахты им.40 лет Октября отходом старой карты БСЗ с естественной влажностью

(61%)

Серия опытов 1 (дата отбора воды 21.06.02)

Серия опытов 2 (дата отбора воды 28.08.02)

Стр.: 6

RU 2 293 063 C2

10


Опыт 1

Опыт 2

Опыт 1

Опыт 2

Количество отхода, г/л

рН

Количество отхода, г/л

рН

Количество отхода, г/л

рн

Количество отхода, г/л

рН

0

2,76

0

2,76

0

2,90

0

2,90

0,22

3,12

0,25

3,04

0,18

3,02

0,16

3,11

0,45

3,63

0,44

3,34

0,45

3,15

0,22

3,28

0,69

4,62

0,56

4,49

0,87

4,22

0,54

4,12

1,02

5,77

1,12

6,13

1,05

6,22

0,68

5,99

1,25

6,46

1,32

6,56

1,22

6,66

1,02

6,42

1,86

6,93

1,44

6,89

1,38

6,84

1,43

6,93

1,98

7,29

1,54

6,94

1.42

6,98

1,51

7,02

2,45

7,55

1,88

7,09

1,53

7,22

1,64

7,29

2,86

7,76

2,32

7,33

1,89

7,34

2,01

7,44

3,42

7,94

3,22

7,48

2,45

7,52

2,32

7,56

3,88

8,11

3,45

7,5

2,66

7,58

2,88

7,61

4,02

8,22

3,77

7,66

3,05

7,68

3,23

7,82


15

20


Таблица 4. Химический состав воды из штольни шахть

им.40 лет Октября до и после проведения лабораторной нейтрализации отходами БСЗ,

мг/л

Дата отбора воды

Условия опыта

нсо-3

SO42"

Cl-

NO"3

Са2+

Мд2+

Na++K+

Н +

NH4+

Fe2+

Fe3+

А|3+

Минерализация

рн

21.06.02

До нейтрализации

н.о.

602,79

10,99

н.о.

28,06