Зниження рівня екологічної небезпеки скиду забрудненої шахтної води в водойми на основі її ефективного очищення

Abstract

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача, що полягає у встановленні залежності рівня екологічної небезпеки скиду забрудненої шахтної води в поверхневі водойми підприємствами вугільної промисловості від компле- ксу гідрохімічних показників якості води. Встановлена залежність є основою для розробки способу зниження рівня екологічної небезпеки скиду забрудненої шахтної води у водойми на основі її ефективного очищення та обґрунтування необхідності впровадження технічного рішення, що дозволяє підвищити рівень екологічної безпеки скиду шахтної води підприємствами вугільної промислово- сті в прилеглі водні об'єкти відповідно до вимог державних санітарних правил і норм охорони поверхневих вод від забруднення. Встановлено залежність рівня екологічної небезпеки скиду забрудненої шахтної води в поверхневі водойма підприємствами вугледобувної промисло- вості від комплексу гідрохімічних показників якості води. Розроблено матема- тичну модель оптимізації параметрів процесу освітлення шахтної води, що пе- редбачає відстоювання в горизонтальному відстійнику вдосконаленої констру- кції, з урахуванням його геометричної форми й конструктивних особливостей. Розроблено спосіб та технічне рішення для зниження рівня екологічної небез- пеки скиду шахтної води, забрудненої механічними домішками полідисперсно- го складу, що дозволяє підвищити ефективність очищення шахтної води від за- вислих речовин та знизити рівень екологічної небезпеки її скиду в прилеглі по- верхневі водойма. Вдосконалено методику визначення раціональних параметрів процесу освітлення шахтної води при реалізації запропонованого способу її очищення.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключаю- щаяся в установлении зависимости уровня экологической опасности сброса за- грязненной шахтной воды в поверхностные водоемы предприятиями угольной промышленности от комплекса гидрохимических показателей качества воды. Установленная зависимость послужила основой для разработки способа снижения уровня экологической опасности сброса загрязненной шахтной воды в во- доемы на основе ее эффективной очистки и обоснования необходимости внед- рения технического решения, что позволяет повысить уровень экологической безопасности сброса шахтной воды предприятиями угольной промышленности в близлежащие водные объекты в соответствии с требованиями государствен- ных санитарных правил и норм охраны поверхностных вод от загрязнения. Установлено, что освоение угольных месторождений в сложных гидрогео- логических условиях, а также переход горных работ на более глубокие гори- зонты приводят к увеличению объема откачиваемой на поверхность шахтной воды и повышению уровня ее загрязненности различными веществами. Отли- чительной особенностью шахтных вод, которая затрудняет их очистку, являет- ся наличие мелкодисперсных (менее 10 мкм) агрегативно-устойчивых угольных и породных частиц, количество которых может достигать 50-70% от общей массы дисперсной фазы. В целом же содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 99%. Взвешенные вещества, содержащиеся в шахтной воде, играют существенную роль в загрязнении близлежащих поверхностных водое- мов, поскольку они либо содержат в себе многие химические загрязнители, ли- бо адсорбируют тяжелые металлы, что указывает на важность эффективного отстаивания шахтной воды. На основании результатов химического анализа содержания загрязняющих веществ в откачиваемой на поверхность шахтной воде угледобывающими предприятиями, выполнена оценка опасности загрязнения близлежащих по- верхностных водоемов по комплексу гидрохимических показателей качества воды. Проведенные теоретические исследования качества шахтной воды и вод р. Самара в пределах промышленной зоны Западно-Донбасского региона диф- ференциальным и комплексным методами позволили установить зависимости уровня экологической опасности сброса загрязненной шахтной воды в поверх- ностные водоемы от комплекса гидрохимических показателей качества воды. Установлено, что по большинству анализированных гидрохимических показа- телей, характеризующих качество воды, наблюдается значительное превыше- ние принятых ПДК (нормативных значений). Показано, что концентрации за- грязняющих веществ в р. Самара после сброса загрязненной шахтной воды из прудов-накопителей увеличиваются на величину до 30% и более, превышая установленные нормативы от 1,2 до 4,2 ПДК. Уровень загрязнения близлежащих поверхностных водоемов зависит от количества загрязняющих веществ, содержащихся в откачиваемой воде, объе- мов сбрасываемых шахтных вод и эффективности способов и средств их очист- ки. В результате анализа существующих средств и методов очистки шахтной воды сделан вывод о необходимости их усовершенствования в направлении ин- тенсификации процесса оседания наиболее мелких взвешенных частиц и, как следствие, повышение уровня экологической безопасности за счет сброса в по- верхностные водоемы высокоосветленной шахтной воды. Результаты физического моделирования гидравлического режима течения воды, выполненные на действующем макете, показали, что эффективность гра- витационного оседания частиц взвеси повышается за счет транспортирующей способности потока, который при сужении отстойника в плане направляется в возрастающую глубину, перенося туда частицы. В результате физического моделирования процесса оседания механиче- ских примесей, выполненного в лабораторных цилиндрах-седиментаторах, по- лучены кривые выпадения частиц взвеси в зависимости от продолжительности отстаивания при разных уровнях воды (на разной глубине макета) и средней скорости оседания взвешенных частиц (или их гидравлической крупности). Разработана математическая модель процесса осветления шахтной воды при реализации предложенного способа ее очистки, предусматривающего от- стаивание в горизонтальном отстойнике усовершенствованной конструкции, позволяющая оптимизировать его основные геометрические параметры и кон- структивные особенности, а также прогнозировать эффективность очистки за- грязненной воды от механических примесей по реальным данным водоотлива угольной шахты. Усовершенствована методика определения рациональных параметров про- цесса осветления загрязненной шахтной воды, что позволяет определить про- гнозируемую эффективность очистки верхнего слоя шахтной воды с учетом глубины оседания частиц взвеси определенной гидравлической крупности. Разработан способ и техническое решение для снижения уровня экологи- ческой опасности сброса загрязненной шахтной воды в поверхностные водоемы на основе повышения эффективности ее очистки от механических примесей в горизонтальном отстойнике усовершенствованной конструкции. Предложенная форма отстойника обеспечивает эффективное гашение турбулентных завихре- ний на входе в отстойник, придает потоку однонаправленный ламинарный ха- рактер течения и слив верхнего слоя осветленной воды при минимальном ее взаимодействии с осадком. В конечном итоге, разработанный способ снижения уровня экологической опасности сброса загрязненной шахтной воды в близле- жащие водные объекты, позволит повысить коэффициент объемного использо- вания отстойника в 1,6 раз, эффективность гравитационного оседания взвешен- ных частиц в 3 раза (до 90%), по сравнению с традиционными отстойными со- оружениями, а также снизить концентрацию ионов тяжелых металлов, а имен- но: марганца, никеля, свинца, хрома на 10-28%, железа, меди, цинка на 77-93%. При этом, уровень экологической опасности сброса шахтной воды в поверх- ностные водоемы после реализации предложенного способа ее очистки снижа- ется на 62-65%.

The dissertation is devoted to solving an actual scientific problem that consists in identifying dependence of the level of environmental hazard caused by discharge of mine water into surface reservoirs by coal industry enterprises on the complex of hydrochemical characteristics of water quality. The laws for changes in the level of environmental safety from the discharge of mine water into surface water ponds by coal industry enterprises according to com- plex hydrochemical parameters of its content are established. The technique for reducing environmental hazard from discharge of mine water polluted by suspended solids by their gravitational sedimentation in a horizontal set- tling tank of advanced design is elaborated. This technique allows increasing effi- ciency of mine water treatment from suspended solids that reduces the level of envi- ronmental hazard of its discharge into adjacent surface water ponds. The technique of calculating the basic structural and technological parameters of horizontal settling tank of improved design is elaborated. The two-dimensional CFD-model for optimization of the process parameters re- garding mine water treatment from suspended solids in the proposed horizontal set- tling tank with consideration of its geometry and design features is developed.