Эколого-экономическая оценка применения электробаромембранных методов в технологии очистки сточных вод гальванических предприятий

Полный текст

Введение 

Интенсивное развитие промышленного производства оказывает все более возрастающую нагрузку на окружающую среду и здоровье человека. Гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения из-за большого количества образующихся сточных вод, содержащих высокие концентрации тяжелых металлов (меди, железа, никеля, кадмия, хрома, алюминия, свинца, цинка и др.), которые не поддаются биологическому разложению. В биотопах каждый тяжелый металл играет свою роль, проявляя токсическое действие, и аккумулируется в пищевых цепях, вызывая неизбежный ущерб [1].

Поэтому в условиях стремительной глобальной индустриализации постоянно предпринимаются меры по совершенствованию цикла использования воды и защите водных ресурсов. Федеральный закон от 07.12.2011 № 416-ФЗ (ред. от 13.06.2023) «О водоснабжении и водоотведении» устанавливает требования к составу и свойствам сточных вод, сбрасываемых в водные объекты организациями, осуществляющими водоотведение, которые определяются в соответствии с законодательством в области охраны окружающей среды и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, а также комплекса правовых норм, определяющих правовой режим водных ресурсов страны, порядок их использования и охраны [2].

Совершенствование методов очистки сточных вод промышленных предприятий необходимо не только для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду, но и для сокращения потребления чистой воды из природных источников. В некоторых случаях традиционные методы очистки неэффективны из-за стойкой природы присутствующих загрязняющих веществ. Поэтому современной альтернативой внедрения малоотходных технологий на промышленных предприятиях являются электрохимическая обработка и мембранные методы очистки [3, 4].

Цель исследования – эколого-экономическая оценка внедрения электробаромембранных технологий в систему очистки сточных вод гальванических предприятий.

Проведен сравнительный расчет очистки сточных вод гальванического цеха АО «Тамбовмаш» традиционными реагентными методами и при внедрении мембранного оборудования. Завод «Тамбовмаш», не имея собственных технологических линий для очистки сточных вод, содержащих гальванические и органические примеси, отправляет свои стоки для нейтрализации на АО «Пигмент», за что осуществляет оплату в размере 561 р. за тонну сточных вод.

Разработанное мембранное оборудование позволило бы не только утилизировать собственные жидкие отходы, но и использовать очищенную воду для хозяйственных нужд, тем самым осуществляя замкнутый цикл водоснабжения.

Этап обезвреживания сточных промывных вод 

На рисунке 1 представлен модернизированный фрагмент технологической схемы комплексных очистных сооружений с установкой приготовления деминерализованной воды КОС-65 [5] на этапе обезвреживания сточных промывных вод гальванических линий с применением электронанофильтрации и нанофильтрации, а также обезвреживания концентрированных стоков.

 

Рис. 1. Модернизированный фрагмент технологической схемы комплексных очистных сооружений с установкой приготовления деминерализованной воды КОС-65 на этапе обезвреживания сточных промывных вод гальванических линий с применением электронанофильтрации и нанофильтрации

 

В процессе обезвреживания промывных сточных вод происходит окисление, восстановление и нейтрализация стоков. После этого промывная вода поступает в накопительную емкость 1 на электробаромембранное и баромембранное разделение.

При достижении среднего уровня в емкости 6, которая соединяется с емкостью 2, как сообщающиеся сосуды, при включенной кнопке на панели управления включается установка электронанофильтрации 3, на которой

проходит электробаромембранное разделение. Установка электронанофильтрации 3 имеет один контур обработки, который снабжен своим повысительным насосом. Ретентат поступает в емкость 1, а также в накопительную емкость для технической воды после электронанофильтрации (на рис. 1 не показана), откуда повторно используется в производственном цикле. Прианодный и прикатодный пермеат накапливается соответственно в емкостях 6 и 7. При отсутствии нижнего уровня в емкости 2 или наличии верхнего уровня в емкостях 1 и 4, а также 6 и 7, установка электронанофильтрации 3 отключается.

При достижении среднего уровня в емкостях 6 и 7 и при включенной кнопке на панели управления включается установка нанофильтрации 8, в которую входят два независимых контура обработки и один общий контур промывки. Каждый контур обработки снабжен своим повысительным насосом. Два контура обрабатывают прианодный и прикатодный пермеат установки электронанофильтрации 3 из емкостей 6 и 7 соответственно и ретентат после нанофильтрации из емкостей 4 и 5.

Пермеат двух контуров установки нанофильтрации 8 поступает в накопительные емкости 9 и 10, которые соединены между собой как сообщающиеся сосуды, а ретентат в емкости 1, 4 и 11. Таким образом, создается рецикл. Работа насосов блокируется при наличии верхнего уровня в емкостях 9 и 10, а также отсутствии нижнего уровня в емкостях 6 и 7.

Ретентат обоих контуров установки нанофильтрации 8 разделяется на два потока. Первый поток поступает в емкость 1, а второй возвращается в емкости 4 и 11 на рецикл. Работа насосов также блокируется при наличии верхнего уровня в емкостях 9 и 10, а также отсутствии нижнего уровня в емкостях 6 и 7.

При наличии нижнего уровня в емкости 9 и включенной кнопке на панели управления, автоматически включается насос 12, который пополняет емкость накопления воды II категории (на рис. 1 не показана) до верхнего уровня обессоленным пермеатом из емкостей 9 и 10. При наличии верхнего уровня в емкости накопления воды II категории или при отсутствии нижнего уровня в емкости 8 насос 12 отключается.

При наличии нижнего уровня в емкости 9 и включенной кнопке насоса 13 на панели управления, он автоматически включается, пополняя емкость накопления технической воды (на рис. 1 не показана) до верхнего уровня обессоленным пермеатом из емкостей 9 и 10 на последующую деминерализацию. При наличии верхнего уровня в емкости накопления технической воды или при отсутствии нижнего уровня в емкости 9 насос 13 отключается. Далее обработка проводится на этапе приготовления деминерализованной воды.

Сконцентрированный раствор методами электробаромембранного и баромембранного разделения накапливается в емкости 11, снабженной мешалкой и pН-метром, в которую при необходимости осуществляется подача прианодного (кислого) или прикатодного (щелочного) пермеата из емкостей 6 и 7 соответственно для поддержания необходимого pН = = 6,5…8,5. Также величина pН контролируется в емкостях 1 и 2, при необходимости осуществляется подача прианодного (кислого) или прикатодного (щелочного) пермеата из емкостей 6 и 7 соответственно для поддержания необходимого рабочего диапазона pН = 2…12 для нанофильтрационных мембран.

Эколого-экономический расчет 

Для проведения оценки экономической эффективности разработанной инженерной схемы очистки сточных вод АО «Тамбовмаш» проведены следующие расчеты (на основе данных по заводу и полученных результатов по сорбционным параметрам мембранных процессов в производстве разделения промышленных растворов).

Стоимость утилизации сточных вод по данным завода составляет 561 р./т. Объем технологических растворов предприятия 18 780 м³/год или 1 565 т/месяц = 1 878 т/месяц (оборудование нужно 85 т/сут., берем с запасом) с учетом коэффициента перевода для шламов (1,2).

Рабочий режим предприятия: 5 дней в неделю по 8 часов, 1 смена, 22 рабочих дня в месяц.

Цена очистных сооружений, модернизированных мембранными модулями, производительностью 100 м³/сут. (4 м³/ч – 450 000) [6], а также монтажных и пуско-наладочных работ, включая подготовку обслуживающего оборудование персонала в ценах на 2023 г. составит примерно 6,9 млн р.

Расчет затрат на очистку сточных вод АО «Тамбовмаш» при электробаромембранной технологии (в ценах 2023 г.):

1. Среднемесячные затраты на реагенты с учетом объема отработанных технологических растворов предприятия и стоимости реагентов, используемых на 1 т, составят
   З_р = 1 565 т · 64 р. = 100 160 р.

2. Расходы на оплату электроэнергии в одну смену и за месяц работы предприятия (стоимость 1 кВт по Тамбовской области для предприятий – 8,3 р.) соответственно:
   Р_эл = (4∙40 кВт/ч ∙ 8 ч + 2∙65 кВт/ч ∙ 8 ч)∙8,3 р. =
   = (1 280+1 040) ∙8,3 р. = 19 256 р.
   Р_эл.м = 19 256∙22 = 423 632 р.

3. Рассчитаем затраты на заработную плату в месяц персонала предприятия, премиальные выплаты, различные страховые производственные выплаты. Для обслуживания электробаромембранных модулей необходим следующий персонал (но так как на предприятии есть такой штат сотрудников, учтем только доплаты к заработной плате за дополнительную нагрузку):

• • аппаратчик (з/п 15 000 р./мес.);
  • технолог (оклад 17 000 р./мес.);
  • слесарь (оклад 15 000 р./мес.);
  • лаборант (17 000 р./мес.).

Суммарные затраты по данной статье расходов составят
З_сум = (15 000∙1+17 000∙1+15 000∙1+17 000∙1)∙ 1,34¹ = 85 760 р.

4. Годовое обслуживание одной промышленной нанофильтрационной установки по данным изготовителя-поставщика (включая химпромывку) – от 20 000 р, число модулей в технологической схеме – 3:
   О_м = 60 000 р./12 мес. = 5 000 р.

5. Рассчитаем амортизационные расходы в месяц при сроке окупаемости в 10 лет, где 6 900 000 р. – первоначальная стоимость объекта на начало года:
   АР = 6 900 000/10 лет/12 мес. = 57 500 р.

6. Рассчитаем себестоимость очистки всего объема отработанных технологических растворов в месяц
   С = 100 160 + 423 632 + 85 760 + 5 000 + 57 500 = 672 052 р./мес,
   соответственно на 1 т она составит 430 р.

Сводные данные расчета затрат на очистку сточных вод представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 Расчет затрат на очистку сточных вод АО «Тамбовмаш» при использовании электробаромембранной технологии 

Издержки	Затраты на очистку 1 т, р.	Затраты на очистку в месяц, р.
Реагенты	64	100 160
Энергоносители	270	423 632
Зарплата персонала	102	160 800
Обслуживание электробаромембранного модуля	4	5 000
Амортизация	21	33 333
Себестоимость	430	672 052

 

При внедрении на предприятие технологической схемы с использованием мембранного оборудования снижение себестоимости очистки 1 т сточных вод составит 561 – 430 = 131 р. Сравнительная оценка традиционной и электробаромембранной технологий очистки технологических растворов на АО «Тамбовмаш» приведена в табл. 2.

 

Таблица 2 Сравнительная оценка традиционной и электробаромембранной технологий очистки технологических растворов на АО «Тамбовмаш» 

Показатели	Технология очистки
	существующая	предлагаемая
Объем сточных вод в месяц, т	1 565	1 565
Капитальные затраты	0	6 900 000
Эксплуатационные затраты на 1 т сточных вод, р.	561	430
Экономический эффект от внедрения новой технологии, р.:	0
на 1 т сточных вод		131
на месячный объем сточных вод		672 052

 

Разработанное баромембранное и электробаромембранное оборудование предложено на АО «Тамбовмаш» для концентрирования растворов, содержащих катионы металлов. При разделении технологических растворов на электробаромембранном оборудовании образуется два потока: подкисленный и подщелоченный пермеат. Эти жидкости можно использовать в качестве реагентов для нейтрализации сточных вод в усреднительной емкости, тем самым снижая себестоимость очистки 1 т жидких отходов.

Отходы на АО «Тамбовмаш» относятся ко II классу опасности, по которым норматив платы за размещение отходов производства и потребления установлен 2 507 р./т (2023 г.). Сумма за размещение отходов определяется по их классу опасности.

Размещение отходов может проводиться как в пределах установленного лимита, так и сверх него, в связи с чем порядок расчета платы будет отличаться:

– в пределах установленного лимита

П = С · М ·2 ·7,42, (1)

где С – ставка оплаты за вывоз 1 т (1 м³) отходов; М – масса (объем) отходов к вывозу, т (м³); 2 – почвенный коэффициент; 7,42 – коэффициент инфляции в 2023 г.

В результате деятельности АО «Тамбовмаш» в месяц образуется примерно 1500 т сточных вод II класса опасности в границах лимита.

Рассчитаем плату за сброс сточных вод в канализацию [7]

П_ст = К · Т · Q, (2)

где К – коэффициент компенсации (5, 10 или 25); Т – тариф на водоотведение, р./м³; Q – объем сточных вод, м³.

П_ст = 5 · 32,94 · 1500 м³ · 12 мес. = 2 964 600 р./г.

Данную сумму можно считать экономической выгодой при внедрении технологической схемы, модернизированной мембранным оборудованием.

Доход:

10 535 580 р./г. (за утилизацию на АО «Пигмент») – 8 075 400 р./г. (при самостоятельной очистке) = 2 460 180 р./г.

Зная, что с помощью мембранного оборудования можно вернуть в оборотный цикл около 50 % использованной воды, рассчитаем дополнительную прибыль (ДП) от внедрения мембранного оборудования

ДП = 18 780 т/2 ∙ 32,94 р. = 309 306 р./г.

Экономический эффект в год

Э_г = 2 460 180 р. + 309 306 р. = 2 769 486 р.

Денежный поток будет равен экономическому эффекту.

Рассчитаем срок окупаемости капитальных вложений

$T_{\text{окуп}}=\frac{ТK_{доп}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{Т}ДП\frac{\text{1}}{{\left(\text{1}+E\right)}^1}}}$, (3)

где Е – норма дисконта, %; Т – число шагов расчета.

Тогда 

Т_окуп = 6 900 000 / 2 769 486 ≈ 2,5.

Результаты экономического расчета базового и проектного вариантов представлены в табл. 3.

 

Таблица 3 Результаты экономического расчета базового и проектного вариантов 

Технико-экономические показатели	Затраты на очистку 1 т, р.		Затраты на весь объем, р.	Изменение величины
	существующие	предлагаемые
Себестоимость	561	430	10 535 580	2 460 180
Прибыль от использования оборотного водоснабжения	–			309 306
Плата за размещение отходов (экологический эффект), р./г.	10 535 580	8 075 400	–	2 460 180
Экономический эффект, р.	–			2 769 486
Срок окупаемости, лет	–			2,5

 

Заключение 

Предложена технологическая схема комплексных очистных сооружений с установкой приготовления деминерализованной воды КОС-65. После обезвреживания сточных промывных вод гальванических линий поток поступает на электробаромембранное и баромембранное разделение, что позволяет осуществлять замкнутый цикл водоснабжения на производстве. Дополнительная прибыль от внедрения мембранного оборудования составит 309 306 р./г. Ожидаемый экономический эффект от предложенной технологической схемы составит 2 769 486 р. в год, экологический – 2 460 180 р. в год. Срок окупаемости составляет 2,5 года, что экономически выгодно.

Работа выполнена в рамках проведения исследований по государственному заданию, проект № FEMU-2024-0011.

 

¹ Тарифы страховых взносов в 2023 г.: пенсионное страхование – 22 %; социальное страхование – 2,9 %; медицинское страхование – 5,1 %; страхование от несчастных случаев на производстве – 0,4 % (класс предприятия – 3).

Об авторах

Дмитрий Николаевич Коновалов

ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Email: nauka2613@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии автомобильного транспорта»

Россия, Тамбов

Ирина Владимировна Хорохорина

ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Email: nauka2613@mail.ru

доктор технических наук, доцент кафедры «Природопользование и защита окружающей среды»

Россия, Тамбов

Ольга Сергеевна Филимонова

ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: nauka2613@mail.ru

старший преподаватель кафедры «Природопользование и защита окружающей среды»; аспирант кафедры «Механика и инженерная графика»

Россия, Тамбов

Сергей Иванович Лазарев

ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»

Email: nauka2613@mail.ru

доктор технических наук, профессор

Россия, Тамбов

Список литературы

Дополнительные файлы