Reduction of anthropogenic impact alumina production on water bodies

全文:

В глиноземном производстве важны водоохранные мероприятия, которые способствуют рациональному использованию водных ресурсов [1-3]. Перспективы рационального использования водных ресурсов в промышленных районах обусловлены взаимозависимостью факторов, формирующих запасы пресных вод и определяющих их качество. В результате не эффективной неправильной очистки производственных сточных вод, недостаточного контроля за их сбросом и неустойчивого размещения промышленных предприятий возникают серьезные проблемы, которые в зависимости от ситуации с разной степенью тяжести отрицательно сказываются на качестве речной воды.

Водные объекты используются для целей водопотребления и водоотведения в глинозёмном производстве, а также для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения технических и технологических объектов, сброса сточных вод передачи тепловой энергии от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) [1-3].

В следствии вода подсистемы градирен осуществлено экологическое мероприятие: ликвидирован выпуск сбросных вод ТЭЦ с пруда-охладителя, а сам пруд переоборудован под новую шламовую карту для размещения нефелинового шлама и золошлаковых отходов глиноземного комбината.

Цель исследования. Обосновать снижение выбросов загрязняющих веществ в водную экосистему реки Чулым до уровня нейтральности, обеспечивающего баланс природно- экологических и техногенных факторов глинозёмного производства.

Задачи исследования. Исследовать принцип работы и закономерности технологических циклов водопотребления и водоотведения в глинозёмном производстве г. Ачинска за 2021 год на примере ТЭЦ и других технических объектов, а также шламового хранилища.

Объект и методы исследований. Методологической основой исследований стал принцип нейтральности по выбросу загрязняющих веществ, который в авторской интерпретации для глинозёмного производства означает минимизацию до уровня 0,15 г/с. Использованы утверждённые схемы и процедуры мониторинга высокотехнологического развития при обеспечении экологической безопасности [7; 9].

Для имитации процессов водопотребления и водоотведения в глинозёмном производстве использована система компьютерной математики Maple.

Результаты исследования. Осуществлено экологическое мероприятие по минимизации отрицательного воздействия глинозёмного производства на окружающую среду посредством формирования оборотной подсистемы водоснабжения, снижению забора речной воды. Введена в эксплуатацию новая градирня, которая заместила пруд-охладитель, имеющий прежде щелочную реакцию до 9,5 ед. на новую шламовую карту [5; 6; 8].

Существенное влияние на систему водопотребления и водоотведения в глинозёмном производстве оказывает работа ТЭЦ. Принцип работы ТЭЦ заключается в следующем. Исходная вода из реки по двум напорным циркуляционным водоводам подается в турбинное отделение котлотурбинного цеха ТЭЦ. Циркуляционная вода отводит тепло от оборудования и после подогрева охлаждается в градирнях [4].

Аналитическая модель включает в себя модельное представление обобщённого показателя качества (степени загрязнения) воды, структурно-функциональную схему технологических циклов водооборота с заданными интенсивностями материальных потоков, адаптированную под аппарат дифференциальных уравнений Колмогорова А.Н. и систему дифференциальных уравнений состояний технических объектов (звеньев) системы водооборота, а также содержит обоснованный критерий нейтральности техногенного выброса, по обобщённой оценке, качества воды.

Оценка качества (степени загрязнения) речной воды по обобщённому показателю при воздействии технологических циклов водооборота (водопотребления и водоотведения) в глинозёмном производстве. Обобщённый показатель H представлен свёрткой квадратов показателей содержания загрязняющих веществ: металлов $h_1^1, h_2^1,$ ... (железа, меди и др.), нерастворимых неорганических веществ $h_1^2, h_2^2,$ ... (песок, глина и др.), органических веществ $h_1^3, h_2^3,$ ... (химических соединений и примесей), содержание микроорганизмов $h_1^4, h_2^4,$ ... (бактерий, вирусов) и учитывает радиоактивность воды $h_1^5,$ температуру $h_2^5,$ кислотность pH $h_3^5,$ и щёлочность $h_4^5,$ жёсткость воды $h_6^5, h_7^5, h_8^5,$ ... (концентрация хлора, кальция и магния и др.), кислородное число воды $h_1^6$ (количество кислорода необходимое для окисления органических веществ в воде), а также органолептические свойства $h_6^7, h_7^7, h_8^7$ (запах, вкус, прозрачность):

$H=\sqrt{\underset{k,r}{\sum {\alpha }_k^r·{\left(h_k^r\right)}^2}}.$ (1)

Здесь ${\alpha }_k^r$, (k, r =1, 2, ...) – неотрицательные   весовые   коэффициенты   частных показателей качества воды $h_k^r$, определённые экспертным путём, которые удовлетворяют условию нормировки:

$\underset{k,r}{\sum {\alpha }_k^r=1.}$ (2)

Информационно-логическая модель технологических циклов водопотребления и водоотведения отражает принцип формирования потоков и водного баланса для ТЭЦ, других технических объектов и шламового хранилища (рис. 1). В проектном решении для глинозёмного комбината циркуляционная вода используется на собственные нужды ТЭЦ и основного производства. В результате ввода построенных градирен был ликвидирован выпуск сбросных вод ТЭЦ с пруда-охладителя, а сам пруд переоборудован под новую шламовую карту для размещения нефелинового шлама и золошлаковых отходов комбината.

Рис. 1. Структурно-функциональная схема технологических циклов водооборота (водопотребления и водоотведения) в глинозёмном производстве с условными обозначениями технических объектов (звеньев) и потоков

Состояние каждого j -го объекта (звена) $X_j$ системы водооборота с вектором управления p задаётся посредством функции состояния $H_j(p,t)$ – обобщённый показатель качества воды в j -м объекте в заданный момент времени t .

Взаимодействие звеньев _{$x_i$} и $X_j$ представляется интенсивность потока из i-го объекта _{$x_i$} в j-й объект $X_j$

${\lambda }_j^i÷X_i\to X_j.$

Согласно закону Колмогорова А.Н., изменение состояния каждого j-го объекта (звена) $X_j$ системы, с одной стороны, определяется производной функции состояния $\frac{д}{дt}{H}_j(p,t),$ а с другой стороны, разностью входящего

$\underset{}{\sum _k{\lambda }_i^k·H_k(p,t)}$ и исходящего $\underset{}{\sum _k{\lambda }_k^j·H_j(p,t)}$ потоков для j -го объекта:

${}_{дt}{}^{д}H_j(p,t)=\underset{k}{\sum {\lambda }_j^k}·H_k(p,t)-\underset{k}{\sum {\lambda }_j^k·H_j(p,t).}$ (3)

Заметим, что при данном подходе, входящий поток – это водопотребление, а исходящий поток – водоотведение.

Критерий нейтральности по обобщённому показателю качества (степени загрязнения) водного объекта (река Чулым):

$H<U_{кр}.$ (4)

Экспертно-аналитическим методом на примере глинозёмного комбината обоснован уровень техногенного выброса (по шкале 0…1):

$H_0\left(t\right)<U_{кр}=0.15 балл.,$

достаточный для поддержания баланса между техногенными факторами глинозёмного производства и природно-экологическими факторами среды, обеспечивающего её самовосстановление.

Вычислительный эксперимент показал, что вследствие экологического мероприятия после установки градирен, обобщённый показатель качества (загрязнения) речной воды $H_0(p_6, p_{11}, p_{12}, t)$ существенно    снижается    и    его    верхняя    оценка    не    превосходит необходимого уровня нейтральности (рис. 2).

Рис. 2. Имитация динамики обобщённого показателя качества речной воды при её загрязнении выбросом глинозёмного производства: до (синяя линия) и после (зелёная) экологического мероприятия на 12 месяцев; критериальный уровень нейтральности выброса (красная пунктирная линия)

Предложенное проектное решение позволило более чем в 2 раза сократить забор чистой речной воды: до внедрения забор чистой речной воды составлял 63,4 млн м³ /год, после внедрения – 37,5 млн м³/год. Достигнута существенная экономия на платежах за пользование водными ресурсами.

На основе выявленных закономерности технологических циклов водопотребления и водоотведения в глинозёмном производстве на примере ТЭЦ и других технических объектов комбината обоснованы проектное решение по переводу энергетического оборудования ТЭЦ на замкнутую систему водоснабжения. Вычислительный эксперимент показал, что степень загрязнения речной воды существенно снижается и его верхняя оценка не превосходит необходимого уровня нейтральности выброса глинозёмного производства.

作者简介

O. Pilyaeva

编辑信件的主要联系方式.
Email: uni@nvsu.ru
俄罗斯联邦, Achinsk

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Structural and functional diagram of technological cycles of water circulation (water consumption and water disposal) in alumina production with symbols of technical objects (links) and flows

下载 (93KB)

索引源数据

3. Fig. 2. Simulation of the dynamics of a general indicator of river water quality at its pollution by emissions from alumina production: up to (blue line) and after a (green) environmental event for 12 months; emission neutrality criterion level (red dotted line)

下载 (31KB)

索引源数据