Научно-технические основы совершенствования системы мониторинга, управления экологической безопасностью и процессами биоочистки сточных вод предприятий нефтехимического комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, доктор технических наук Кирсанов, Владимир Васильевич

• Кирсанов, Владимир Васильевич
• доктор технических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор технических наук Кирсанов, Владимир Васильевич

Список условных сокращений.

Введение.

Глава 1. Система мониторинга природоохранной деятельности предприятий нефтехимического комплекса.

1.1. Комплексная оценка воздействия на водоем сточных вод нефтехимических производств.

1.2. Двухстадийный мониторинг природоохранной деятельности предприятий нефтехимического комплекса.

1.3. Оценка воздействия загрязняющих веществ водоема рыбохозяйственного назначения на здоровье населения.

Глава 2. Экологическая безопасность, как единая структурная составляющая промышленной безопасности предприятий нефтехимического комплекса.

2.1. Надежность и безопасность техногенных систем.

2.2. Промышленная безопасность продуктопроводных систем.

2.3. Анализ факторов риска в нефтехимическом комплексе и обоснование мероприятий по обеспечению эколого-промышленной безопасности.

2.3.1. Система оценок аномальных производственных ситуаций. Новая шкала градации инцидентов и аварий.

2.3.2. Новый подход к проблеме классификации химически опасных объектов.

2.4. Анализ аварийного риска, определяющего выбросы загрязняющих веществ на химически опасных объектах.

2.5. Обоснование мероприятий по совершенствованию экологической безопасности на базе промышленной безопасности.

2.5.1. Трехступенчатая технико-профилактическая работа по обеспечению эколого-промышленной безопасности.

2.5.2. Методика расчета оценки технико-профилактической работы по обеспечению эколого-промышленной безопасности.

2.5.3. Система подготовки и двухэтапной проверки знаний технологического персонала как составная часть обеспечения экологической безопасности.

Глава 3. Методология адаптации очистных сооружений производств нефтехимического комплекса в связи с расширением ассортимента и объемов производств.

3.1. Исследование влияния равномерно рассредоточенного распределения потоков активного ила и химстока на эффективность биоочистки в аэротенках.

3.2. Влияние соотношения подачи активного ила и химстока, времени аэрации на эффективность биоокисления загрязняющих веществ химстока

3.3. Влияние подачи кислорода, температурного режима и дозы активного ила в аэротенках на эффективность биологической очистки сточных вод химического предприятия.

3.4. Прогнозирование степени биоочистки сточных вод по достижению сорбционно-десорбционного равновесия между сточной водой и поверхностью активного ила.

3.5. Исследование влияния на биоочистку сточных вод применения полиэтиленоксида и штамма дрожжей Rhodotorula mucilaginosa.

3.6. Влияние возраста активного ила на эффективность биодеструкции в условиях повышенных нагрузок предприятий нефтехимического комплекса.

3.7. Безреагентное обеззараживание сточных вод комплексным последовательным воздействием избыточного активного ила и химстока по трехстадийной технологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-технические основы совершенствования системы мониторинга, управления экологической безопасностью и процессами биоочистки сточных вод предприятий нефтехимического комплекса»

Идеология решения проблем окружающей природной среды, вызванных антропогенной деятельностью все больше склоняется к реализации предотвращения образования отходов в самом производстве (Prevention Pollution) В этом аспекте следует обратить внимание на возможность возникновения и предотвращения чрезвычайных ситуаций на производствах.

Проблема защиты от чрезвычайных ситуаций, связанных с производственной деятельностью человека, вызывающих многократное превышение предельно-допустимых концентраций поллютантов, возникла одновременно с появлением опасных химических производств. Впервые серьезное внимание к крупным промышленным авариям было привлечено после аварий 1970-80х гг. на химических предприятиях, в результате которых пострадали сотни людей, нанесен непоправимый ущерб природной среде.

Резолюция третьей Всероссийской конференции «Новые приоритеты национальной экологической политики в реальном секторе экономики» констатирует:

В России отсутствует единая государственная политика и государственное регулирование в сфере охраны окружающей среды, касающаяся экологического мониторинга, экологического нормирования, экологического образования. Все еще продолжается распределение функций и полномочий в данной сфере между, как минимум, одиннадцатью ведомствами (МПР, Росприроднадзор, Ростехнадзор, Росгидромет, Россельхознадзор, Росрыболовство, Минпромэнерго, Минэкономразвития, Минсельхоз, Росземкадастр), многие функции оказались вне их компетенции» [1].

Исследования показывают, что 60-80% отклонений от регламентных режимов, обуславливающих образование и выбросы (сбросы) ЗВ происходят по вине самих работающих; из-за неудовлетворительного технического состояния оборудования; неудовлетворительной организации и проведения опасных видов работ; нарушения технологической, трудовой дисциплины; при пуске установок после ремонта. Последнее часто проявляется в виде пиковых нагрузок на работе очистных сооружений. Вклад химической и нефтехимической промышленности в суммарном загрязнении ОПС всей промышленностью РФ в период с 2000 по 2005гг. выражается следующими цифрами [2]:

Воздействие на окружающую среду в 2005 году, тыс.т Табл.1

Отрасль экономики Отходы Сбросы Выбросы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ 2634,9 18534,5 20491,3

Промышленность 2599,4 5664,0 16732,5

Нефтедобывающая 1442,9 1329,9 4195,0

Цветная металлургия 459,3 1126,1 3287,1

Электроэнергетика 429,0 685,1 3257,7

Черная металлургия 133,2 609,5 2202,6

Угольная 57,5 445,5 757,3

Газовая 34,0 443,0 650,7

Нефтеперерабатывающая 15,8 413,8 581,2

Промышленность строительных материалов 12,9 210,3 474,0

Химическая и нефтехимическая 7,9 108,5 407,6

Машиностроение и металлообработка 1,0 95,9 340,1

Лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная 0,6 56,9 303,5

Пищевая 0,3 10,7 142,6

Легкая 0,1 3,7 26,6

Жилищно-коммунальное хозяйство 14,5 11432,3 991,2

Сельское хозяйство 12,5 1282,7 119,4

Транспорт 8,4 155,5 2136,9 в т. ч. трубопроводный транспорт общего пользования 2634,9 18534,5 1826,0

Прочие отрасли экономики 2599,4 5664,0 511,3

Кажущаяся положительная тенденция снижения в процентах поступления ЗВ в окружающую среду на самом деле не отражает истинного положения, ибо объем их увеличивается. ч

Одной из проблем, связанных с разработкой оперативных, текущих и перспективных технологических мероприятий, обеспечивающих нормативные сбросы стоков, является объективная и комплексная оценка не только поингредиентная количественная характеристика состава, но и метод биомониторинга, позволяющий подойти к объективному методу нормирования — предельно допустимой экологической нагрузке. Значительная доля (-30%) заболеваемости населения основными нозологическими формами обусловлена экологическими факторами [1]. В связи с этим, актуальным является проведенная в настоящей работе санитарно-гигиеническая оценка влияния на здоровье населения территории прилегающей к промышленным предприятиям воздействия производных хлора, образующихся при обеззараживании стоков производств органического синтеза хлором. Бесспорно, актуальной нужно считать разработку альтернативной, безреагентной технологии обеззараживания стоков сапрофитной микрофлорой АИ на основе естественных природных процессов.

Фиксируемый на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности страны уровень аварийности, вызывающий неблагополучное состояние ОПС требует анализа, и разработки системы мер для предотвращения чрезвычайных ситуаций (ЧС). Следует отметить, что методологические аспекты решения проблем ОПС в связи с возможностью возникновения ЧС требуют детальной проработки.

Расширяющийся ассортимент выпускаемой продукции наряду с увеличением объемов производства на предприятиях органического синтеза усложняет работу очистных процессов, осуществляемых в аэротенках. Селективная адаптация биоценоза АИ не позволяет достичь требуемых параметров сточных вод, направляемых в поверхностные воды.

Актуальным в связи с этим является последовательный анализ, разработка и применение методологии реконструкции биоочистных сооруэюений производств органического синтеза, сконструированных изначально для решения задач очистки сточных вод с более ограниченной номенклатурой поллютантов и объемов производственных стоков.

Увеличивающаяся антропогенная нагрузка на водоемы страны и существующая оценка воздействия сточных вод на водоемы по ПДК требует изменения концепции экологического контроля — применения комплексного физико-химического и биологического мониторинга района выпуска сточных вод предприятий НХК. Интегральная оценка воздействия на водоем сточных вод системой комплексного мониторинга позволит оценить санитарное состояние водоема, определить степень, характер загрязнения, пути его распространения в водоеме и дать количественную характеристику протекания процессов естественного самоочищения.

На основе анализа процессов биоокисления поллютантов производственных стоков объединения «Казаньоргсинтез», являющимся одним из крупных и типичных по технологии предприятием НХК, разработана методология интенсификации очистки в аэротенках, использующая основные факторы, обусловливающие степень биодеструкции в условиях штатного режима и залповых сбросов ЗВ.

Разработан двухэтапный пятиуровневый мониторинг за источниками сбросов ЗВ по всей цепочке распространения - начиная от технологической установки до водоприемника с учетом времени распространения.

Дан анализ разработанной шкалы оценок аномальных производственных ситуаций, позволяющей классифицировать нештатные события по классам, уровням, границам распространения, что в свою очередь дает возможность оценить степень безопасности предприятия и на основе ее разработать для последующей реализации целенаправленные организационно-технические, мероприятия по повышению безопасности производства, влекущую за собой экологическую безопасность.

Практическая реализация разработанного методологического обеспечения мероприятий по экологической безопасности внедрена на крупнейшем химическом предприятии страны ОАО «Казаньоргсинтез».

Актуальность проблемы. Возросший на предприятиях НХК страны уровень аварийности, вызывающий неблагополучное состояние ОПС является следствием многих причин, основными из которых являются следующие:

1. Отсутствие единого государственного органа по разработке, внедрению и координированию всех направлений комплекса научно-исследовательских, проектно-конструкторских работ, обеспечивающих экологическую безопасность технологий ХОО;

2. Уменьшение инновационной, инвестиционной деятельности, снижение уровня НИОКР для введения новых производств, разработок в нефтехимической технологии, обеспечивающих экологическую безопасность;

3. Законодательно установленные в стране две градации нештатных производственных ситуаций на опасных химических объектах — инцидент и авария, не позволяют идентифицировать аномальные события в различных разновидностях их проявлений, предшествуюгцих инциденту и классификации аварии, так как аварии по уровням, границам распространения и воздействиям на ОПС в реальности бывают совершенно разные; необходима разработка новой шкалы ог{енок преданомалъных и аномальных ситуаций;

4. Действующая в стране система экологического контроля, включая нормирование, прогноз и управление, основанная на концепции предельно допустимых концентраций ЗВ (ПДК), экологически не обоснована, так как не учитывает антропогенную нагрузку на водоем по гидробиологическим показателям;

5. Отсутствие на предприятиях отрасли комплексной системы экологического мониторинга, основанного на поэтапном контроле за сбросами ЗВ, начиная от источника - технологической установки и до сброса в водоем, основанного на: а) учете времени прохождения по всем этапам и непрерывности, минимизирующих время принятия оперативных превентивных мер по локализации; б) приоритетности мониторинга технологической установки, как источника сбросов; в) участии в экологическом мониторинге технологического сменного персонала, в том числе рабочих; г) идентификации сбросов, выбросов поллютантов.

6. Негативное влияние на водоем и человека хлорпроизводных соединений, обладающих высокой токсичностью, мутагенностью и концерогенностью и отсутствие в отрасли безреагентных методов обеззараживания сточных вод, основанных на естественных природных процессах;

7. Отсутствие методологии интенсификации биологической очистки, адаптированной к возросшим нагрузкам по количеству сточных вод и концентрации ЗВ на предприятиях НХК и возникшей необходимости достижения концентрации поллютантов в сбросных водах ниже фоновых в водоеме.

Целью исследования является, прежде всего, многоуровневый анализ статистических данных экологической безопасности, как составляющей, промышленной безопасности на предприятиях «Казаньоргсинтез», «Нижнекамскнефтехим», «Нефтехимсэвилен», «Казанский завод синтетического каучука» и других предприятиях отрасли;

- технологических проблем, препятствующих снижению уровня сбросов загрязнений в ОПС;

- разработка многоуровневой системы мониторинга загрязнений на всех этапах их образования на ХОО от источника — технологического аппарата, установки - до «хвостового» сброса ЗВ;

- контроля воды водоприемника помимо физико-химических методов анализа дополнением системой гидробиологических методов анализа;

- разработка шкалы оценок предаварийных и аварийных ситуаций, позволяющей прогнозировать и минимизировать количество аварий, инцидентов, сопровождающихся сбросами, выбросами ТХВ;

- разработка методологии повышения степени биодеградации трудноокисляемых ингредиентов промышленного стока химического предприятия в условиях штатного технологического режима и в нештатных ситуациях малозатратным и эффективным регулированием возраста АИ, коррелируемым концентрацией загрязнений в поступающем водном стоке;

- определение влияния хлорорганических и иных соединений образующихся при обеззараживании сточных вод методом хлорирования на здоровье населения в месте сброса стоков предприятий (на примере г.Казани) и разработка безреагентного способа обеззараживания сточных вод предприятий органического синтеза, основанного на естественных условиях жизнедеятельности микроорганизмов;

- разработка метода определения степени биоочистки сточных вод по достижению сорбцгюнно-десорбционного равновесия концентрации ЗВ в очищенной воде и в фугате;

- разработка методологии интенсификации процессов биоочистки регулированием концентрации АИ, кислорода, способом распределения подачи химстока, АИ и их соотношением.

Научная новизна.

Впервые на основании исследования состава, свойств основных ЗВ сточных вод предприятия НХК разработан многоуровневый мониторинг сбросов загрязняющих веществ со сточными водами по технологической цепочке - от источника загрязнения до водоема - с учетом времени распространения, позволяющий проследить изменение поллютантов во времени и на основании индекса экологической значимости, определенного по разработанной методике, оценить экологическую безопасность компонентов СВ для сброса в водоем:

• Разработана схема определения допустимой антропогенной нагрузки со сточными водами предприятия НХК на водоем по результатам комплексного физико-химического и биологического мониторинга очищенных сточных вод.

• Впервые разработана система оценок преданомальных и аномальных производственных ситуаций предприятий НХК по расширенной шкале, позволяющая минимизировать развитие отклонения в технологическом процессе в инцидент и предотвращающего загрязнение окружающей среды.

• Для предприятия НХК разработана методика трехступенчатой технико-профилактических мероприятий по систематизации и повышению уровня экологической и промышленной безопасности.

На основании исследования биотических, абиотических факторов, конструкции аэротенков, определяющих эффективность биоочистки и по результатам комплексного многоуровневого мониторинга сбросов ЗВ со сточными водами впервые разработана методология интенсификации биоочистки химстоков, заключающаяся в следующем:

• Впервые исследовано и методически обосновано влияние равномерно — рассредоточенного распределения потоков химстока и активного ила в аэротенках, позволяющее выровнять распределение кислорода, сорбцию загрязняющих веществ активным илом. Применение указанного метода для интенсификации биоочистки позволило снизить ХПК на 15,7 %, токсичность — на 18,0%, фенол - на 0,002 мг/дм , скорость окисления увеличить на 0,39 мг ХПК г/час.

• Впервые для предприятий НХК разработан промышленный способ безреагентного обеззараживания сточных вод, позволяющий исключить обработку хлором и повысить эффективность обеззараживания.

• Выявленная закономерность зависимости эффективности биоочистки от возраста АИ с учетом введенного поправочного коэффициента, позволила оперативно регулировать работу аэротенков в различных технологических режимах.

• На основании исследования влияния концентрации кислорода, АИ, температуры, соотношения подачи в аэротенк АИ и химстока, периода аэрации, выявлены оптимальные их значения для эффективной биоочистки сточных вод предприятия НХК.

• Исследованы сорбционные свойства АИ определением кинетики биохимического окисления основных ЗВ химстока, по результатам которых определен оптимальный период окисления отдельных поллютантов и показана возможность применения данного способа для оперативной оценки полноты биоокисления ЗВ.

Практическая значимость.

• В соответствии с международным стандартом ИСО 14001 (ГОСТ Р ИСО 14001-2007) разработан двухстадийный пятиуровневый мониторинг сбросов, выбросов загрязняющих веществ по технологической цепочке образования и трансформации ЗВ с учетом времени распространения, основанный: на непрерывном круглосуточном мониторинге за сбросами, выбросами на технологической установке; периодическом комплексном мониторинге на конечной стадии распространения в водоеме; на расчетном определении индекса экологической значимости (1э.3.) сбросов, выбросов.

Указанный мониторинг позволяет стабилизировать экологическую ситуацию в условиях повышенных нагрузок на технологические установки способом оперативного выявления и локализации источников сбросов, выбросов.

• На основании проведенных комплексных исследований по физико-химическим и биологическим показателям водоема в месте выпуска сточных вод показано, что разработанный способ мониторинга позволяет определить уровень антропогенной нагрузки, базируясь на котором необходимо принимать целенаправленные (точечные) инженерные решения по минимизации сбросов.

• Проведенный мониторинг заболеваемости населения, проживающего в районе сброса сточных вод, позволяет оценить влияние на здоровье населения загрязняющих веществ, в том числе хлоропроизводных, образуемых при обеззараживании хлором сточных вод предприятий.

• Впервые разработанная для предприятий НХК трехступенчатая технико-профилактическая работа по систематизации и повышению эколого-промышленной безопасности, позволяет стабилизировать работу технологических установок и уменьшить сбросы, выбросы загрязняющих веществ.

• Впервые разработанная методика двухэтапной проверки знаний, включающая теоретическую проверку и реализацию технологического процесса в соответствии с требованиями экологических норм позволяет повысить эколого-промышленную безопасность.

• Разработан способ безреагентного обеззараживания сточных вод малозатратным, безопасным, эффективным применением естественных процессов взаимоотношений микроорганизмов по трехстадийной технологии позволяющий достичь эффективности по ОКБ до 97,5%, ТКБ до 99,4%.

• Впервые предложенная расширенная градация оценок преданомалъных и аномальных производственных ситуаций предприятий НХК позволяет идентифицировать инциденты и аварии для разработки технико-профилактических мероприятий; введение градации - предотклонение минимизирует развитие отклонения в технологическом режиме в инцидент и далее в аварию и предотвратить сброс, выброс загрязняющих веществ в ОПС.

• Для определения возраста активного ила на основании проведенных в работе исследований использован поправочный коэффициент, учитывающий колебания нагрузок, характерные для предприятий НХК. Выявленная закономерность изменения степени деструкции от возраста ила позволило оперативно регулировать работу аэротенка при залповых сбросах химстоков изменением количества отводимого избыточного ила.

• Определенное в результате исследований оптимальное соотношение подачи активного ила и химстока в аэротенк, позволило применить для регулирования биоочистки в штатных и аномальных режимах работы технологических установок.

• В результате исследования влияния на процесс биоочистки концентрации активного ила, кислорода, температуры показаны оптимальные их значения для стабилизации работы аэротенков в различных условиях по сбросам загрязняющих веществ.

• Показана возможность применения сорбционно-десорбционных свойств активного ила для оперативного определения полноты биоокисления отдельных поллютантов и выявления оптимального времени окисления.

Реализация работы. Основные положения работы использованы:

1) в процессе планирования и последующего внедрения технических мероприятий по интенсификации процессов биоокисления СПАВ, этиленгликоля, фенола, ХПК в аэротенках по результатам двухстадийного мониторинга по пяти уровням распространения сбросов с учетом времени запаздывания;

2) при биообеззараживании (безреагентной обработке) сточных вод избыточным активным илом вместо реагентного способа хлорированием;

3) в процессе систематического численного определения индекса экологической значимости природоохранной деятельности подразделений предприятия, по результатам которого разрабатываются и внедряются технические организационные мероприятия по уменьшению экологической опасности;

4) система комплексного мониторинга по физико-химическим и гидробиологическим показателям места сброса сточных вод в водоем, используется для оценки влияния поллютантов на планктон, ДО, планирования и реализации последующих технологических решений по корректирующим мероприятиям;

5) в разработке методологии интенсификации биоочистки ЗВ сточных вод предприятий НХК используется регулирование возраста АИ, концентрации АИ, кислорода, равномерно-рассредоточенное распределение потоков химстока и АИ в аэротенках, метод определения периода биоочистки с помощью адсорбционной способности АИ для повышения степени биоокисления в условиях штатных режимов эксплуатации и при аномальных сбросах;

6) в процессе осуществления ежесменного круглосуточного мониторинга сменным технологическим персоналом, руководителями и специалистами за экологической безопасностью технологического процесса.

Материалы диссертации используются в:

1. ЗАО «Технориск», г. Саратов;

2. МП «Тепловодоканал», г. Братск;

3. ТОО «Атырауский нефтеперерабатывающий завод», г. Атырау, Республика Казахстан;

4. ОАО «Нефтехимсэвилен», г. Казань;

5. ОАО «Нижнекамскнефтехим», г. Нижнекамск;

6. ООО «Центр безопасности и гигиены труда», г. Москва;

7. ОАО «Генерирующая компания», г. Казань;

8. ОАО «Хитон», г. Казань;

9. ООО НЛП «Нефтехимия», г. Москва;

10. в учебном процессе кафедры инженерной экологии Казанского Государственного технологического университета, кафедры общей химии и экологии Казанского Государственного технического университета им. Туполева, кафедры прикладной экологии Казанского Государственного университета, г. Казань.

В результате использования указанных в диссертационной работе методических разработок по интенсификации биоочистки сточных вод предприятия НХК вследствие снижения антропогенной нагрузки на водоем получен эколого - экономический эффект в размере 512 011 559 руб.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были доложены на Международной конференции «Глобальные проблемы экологизации в Европейском сообществе», г. Казань, 2006; региональной научной конференции «Актуальные проблемы защиты окружающей среды», Чебоксары, 2006; Научной конференции «Промышленная экология и безопасность», Казань, 2006; второй научно-практической конференции «Современные тенденции и направления в химических производствах», Екатеринбург, 2006; на научных семинарах кафедры промышленной безопасности КГТУ; кафедре общей химии и экологии КГТУ им. А.Н. Туполева; ОАО «Казаньоргсинтез».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 44 работы, из них 16 работ в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России, в журналах «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе», «Химическая промышленность сегодня», «Экология урбанизированных территорий», «Химическая промышленность», «Химическая технология», «Экология и промышленность России», «Компрессорная техника и пневматика», «Безопасность жизнедеятельности», «Безопасность труда в промышленности», «Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева», «Известия Самарского научного центра Российской академии наук», «Рециклинг отходов», «Журнал экологии и промышленной безопасности», «Вестник татарстанского отделения российской экологической академии», «Нефть, Газ, Промышленность», Сборнике материалов научно-практической конференции «Итоги и перспективы научных исследований по проблеме экологии человека и гигиены окружающей среды», тезисах докладов на конференциях, 2 монографии. Результаты исследования защищены двумя патентами РФ на изобретения и тремя авторскими свидетельствами РФ на изобретения.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов работы, выводов, списка литературы, приложений. Материалы диссертации изложены на 249 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 55 таблиц, 14 приложений. Список цитируемой литературы включает 256 наименования.