Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка состояния и защита природной среды на основе рациональной технологии переработки избыточного активного ила узла биологической очистки предприятий ТЭК

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка состояния и защита природной среды на основе рациональной технологии переработки избыточного активного ила узла биологической очистки предприятий ТЭК"

На правах рукописи 005043927

ЛУКИНА Ксения Анатольевна

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И ЗАЩИТА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА УЗЛА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

(в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 май 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005043927

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор

кандидат технических наук, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт имени А.Н.Карпинского», старший научный сотрудник отдела методики государственного геологического картографирования и геологосъемочных работ

Ведущая организация - ЗАО «НПК «Механобр-техника».

Защита состоится 28 мая 2012 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (boguslEI@yandex.ru), ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Пашкевич Мария Анатольевна

Официальные оппоненты:

Петров Георгий Валентинович

Синькова Елена Алексеевна

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

БОГУСЛАВСКИЙ Э.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ежегодно на предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в России складируется более 150 млн.т избыточного активного ила. На 01.01.2011 г. по данным Госкомстата РФ на этих предприятиях занято нерекультивированными хранилищами отходов свыше 200 тыс. га. Реализация резолюции Генеральной ассамблеи ООН по борьбе с опустыниванием и деградацией земель от 20.09.2011и Федерального закона «Об охране окружающей среды» требует снижения воздействия предприятий ТЭК на земельные и водные ресурсы до принятых нормативов путем применения наиболее эффективных средозащитных технологий.

Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергаются компоненты природной среды на территориях складирования избыточных илов и осадков, образующихся при биологической очистке сточных вод. Отсутствие современных технологий их ликвидации и обезвреживания превратило значительное число хранилищ из средства предотвращения загрязнения в угрозу крупномасштабного загрязнения компонентов природной среды (почв, подземных и поверхностных вод, атмосферы). В этой связи для сокращения площадей, занятых иловыми картами возникает необходимость переработки образующихся избыточных илов и осадков.

Проблемы обезвреживания отходов производства нашли отражение в трудах ученых разных стран (Гавич И.Н., Гальперин A.M., Гольцова Н.И., Демин A.M., Кехлинг Р., Мироненко В.А., Моторина JI.B., Певзнер М.Е., Плотников Н.И., Томаков П.И., Ферстер В., Фишер В., Шеф Х.Ю., Шуберт Р.). Тем не менее, современные способы утилизации избыточного ила узлов биологической очистки не способны полностью изолировать илы от окружающей среды. При складировании отходов происходит трансформация их состава, в ряде случаев с повышением класса опасности, а в случае утилизации илов методом пиролиза повышается степень летучести.

Таким образом, несмотря на высокую экологическую

опасность отходов узлов биологической очистки до сих пор не разработаны технологические решения, позволяющие с высокой эффективностью и минимальным техногенным воздействием их обезвреживать и утилизировать.

Цель работы - оценка и снижение негативного воздействия накопителей избыточного ила узлов биологической очистки вод предприятий топливно-энергетического комплекса.

Основные задачи работы:

- анализ воздействия иловых карт на окружающую среду;

- исследование трансформации отходов очистных сооружений предприятий ТЭК в зоне гипергенеза за 20- летний период эксплуатации хранилища;

- обоснование применения метода физико-химического разложения органоминеральной матрицы отходов, заскладированных в иловых картах;

- разработка технического решения для промышленного обезвреживанияизбыточных активных илов;

эколого-экономическая оценка технологии утилизации отходов очистных сооружений предприятий ТЭК.

Основная идея работы. Для снижения негативного воздействия отходов водоочистных сооружений на природную среду и здоровье человека рекомендуется использовать физико-химическое разложение органоминеральной матрицы с последующим экстрагированием элементов, извлечение которых является экономически целесообразным.

Научная новизна работы:

• установлена зависимость трансформации техногенных массивов вследствие гипергенных преобразований избыточных активных илов под влиянием срока хранения отходов, технологии образования отходов и количества примесных элементов в илах;

• установлены закономерности трансформации избыточных активных илов в зависимости от различных температурных режимов, влажности отходов, содержания в них неорганических и органических примесей при обезвреживании отходов очистных сооружений.

Защищаемые положения

1. Оценка экологической опасности отходов органоминеральной структуры должна производиться методом атомно-абсорбционной спектрометрии с печной атомизацией, с учетом многообразия неорганических включений, а также их содержания в следовых концентрациях.

2. Снижение экологической опасности избыточных активных илов должно обеспечиваться внедрением рациональной технологии утилизации, основанной на кислотном разложении органической матрицы с последующим извлечением катионов металлов.

3. Снижение негативного воздействия избыточных активных илов на компоненты природной среды должно производиться в соответствии со следующей аппаратной схемой: реакторные блоки — осадительные блоки - центрифуга -экстрактор перекрестного действия.

Методы исследований.

• системно-структурный анализ зоны воздействия иловых карт предприятий ТЭК на природную среду;

• аналитические, ландшафтно-геохимические, экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях;

• системный анализ промышленных методов обезвреживания отходов;

• методы аналогового и численного моделирования с использованием программы ЭкологЗ.О;

• экспериментальные исследования технологии обезвреживания активных илов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием значительного объема исходных материалов и применением современных методов анализа. Полученные результаты подтверждены комплексом лабораторных и натурных экспериментов. Приведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с новейшими данными, опубликованными другими авторами.

Практическая значимость работы:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в районах складирования отходов узлов биологической очистки предприятий ТЭК;

• проведено эколого-экономическое обоснование метода обезвреживания отходов;

• разработаны технологические решения по минимизации воздействия на природную среду иловых карт.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно осуществил:

- постановку цели, формулировку задач и разработку методики исследований,

- эколого-экономическую оценку воздействия иловых карт на природную среду,

разработку методики проведения лабораторных исследований проб активного ила,

- разработку методики проведения испытаний разработанной технологии обезвреживания отходов очистных сооружений,

- обобщение и систематизацию результатов лабораторных исследований испытаний.

Автор принял участие в осуществлении:

- полевых исследований в зоне влияния иловых карт,

- лабораторных исследований состава и свойств отходов,

- разработки оптимальной технологии обезвреживания отходов очистных сооружений.

Апробация работы. Основные и отдельные положения работы, разработанные в процессе её выполнения докладывались и обсуждались на Международных, Российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, в том числе: на Международных научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2008 г.), на III Межвузовской молодёжной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на Международном симпозиуме им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2009, 2010, 2011 г.), на Международных конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург,

2008 г., 2009 г., 2010 г.)

Реализация результатов работы

научные и практические результаты работы планируются к использованию в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного университета в процессе учебных и производственных практик студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды», «Городской кадастр», «Технология добычи нефти и газа»

- методика оценки класса опасности отходов очистных сооружений внедрена в деятельность Центра коллективного пользования СПГГУ.

Публикации: по теме работы опубликовано 14 печатных трудов, в том числе 4 в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России. Положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2011123300 от 23.05.2011 «Способ обработки илового осадка»

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 173 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 21 таблиц и список литературы из 82 наименований.

Автор искренне благодарен проф. М.А.Пашкевич за научное руководство работой, коллективу кафедры Геоэкологии за ценные научные консультации и моральную поддержку.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Оценка экологической опасности отходов органомипералыюй структуры должна производиться методом атомно-абсорбционной спектрометрии с печной атомизацией, с учетом многообразия неорганических включений, а также их содержания в следовых концентрациях.

В настоящее время на предприятиях ТЭК образуется свыше 0,870 млн.тонн избыточного активного ила.

Биологическая очистка является распространенным способом очистки сточных вод от органических и тонкодисперсных примесей низкой токсичности. Это объясняется, во-первых, высокой

эффективностью данного метода очистки, а, во-вторых, невысокими эксплуатационными затратами.

Однако, этому методу присущ крупный недостаток - это избыточная биомасса активного ила, образующаяся после завершения цикла очистки. Конечная масса илов является величиной эмпирической, поскольку даже малейшее изменение в заданной системе может привести к значительному увеличению объема избыточного активного ила.

Для хранения избыточного активного ила используются специально оборудованные иловые карты. Согласно СНиП 2.04.03-85: Канализация. Наружные сети и сооружения (рис 1):

• иловые площадки допускается проектировать на естественном основании с дренажем и без дренажа, на искусственном асфальтобетонном основании с дренажем, каскадные с отстаиванием и поверхностным удалением иловой воды, площадки-уплотнители;

• при проектировании иловых площадок надлежит принимать: рабочую глубину карт — 0,7—1 м; высоту оградительных валиков — на 0,3 м выше рабочего уровня; ширину валиков поверху — не менее 0,7 м, при использовании механизмов для ремонта земляных валиков 1,8 — 2 м; уклон дна разводящих труб или лотков — по расчету, но не менее 0,01; число карт — не менее четырех.

Усломшс обозначения:

ж Г- | - Всрхннб слой «фаю. моадияетыо О. I м

— иисоаанш» глими с /«н'вдйкой I ИКС.!

I !!•: • • »1 - среяи) слов жрана. «омиоенчо<>. 1 м.

^ чмалля Монос>7*ы|тд железа и торф.

I - Нижний слой жрани могажмлмо ж менее о.2 м. . I -—дёлюмяямтя глина.

Рис. 1. Схема илового карта по СНиП 2.04.03-85

Однако, на практике ни одно из вышеперечисленных требований не соблюдается (рис. 2). Результаты проведённых

мониторинговых исследований в зоне воздействия ООО «КИНЕФ» показали, что:

• на предприятии при конструировании иловых карт не соблюдается рабочая глубина (средняя глубина карта - 7 метров), отсутствуют оградительные валики, отсутствует искусственная изоляция дна;

• происходит формирование техногенного гидрогеохимического потока на реках Черной и Волхов в створах ниже по течению местоположения иловых карт, контрастных по тяжелым металлам, взвешенным веществам, аммонийному азоту, поверхностно-активным вещества;

• в подземных водах, подстилающих хранилища отходов очистных сооружений, вследствие инфильтрации загрязнений, происходит формирование гидрогеохимических ореолов загрязнения площадью 5 км2 по тем же загрязнителям. Контрастность загрязнения в гидрогеохимических ореоле и потоке достигает 45 - 20 единиц.

Рис. 2. Схема илового карта на предприятии ООО «КИНЕФ»

Таким образом, иловые карты являются источниками, поступления в окружающую среду таких токсичных соединений, как, соли марганца, свинца, никеля, железа, меди и др (рис. 3). Тем не менее, одной из причин, по которой в настоящее время на предприятии ТЭК не занимаются проблемой утилизации избыточных активных илов, это отнесение данных отходов к 3 - 4 классам опасности (умеренно и малоопасные, согласно ГОСТ 12.1.007-76).

В настоящее время определение токсичности и класса опасности избыточных илов производится экспериментально.

Экспериментальные методы позволяют определять класс опасности отхода как единого целого с учетом комбинированного, комплексного действия его компонентов и продуктов их трансформации на здоровье человека и среду его обитания. В основе экспериментальных методов лежит количественный химический анализ (КХА) и биотестирование, которые позволяют в короткий срок оценить токсичность отходов и выявить лимитирующие факторы их воздействия на

среду и человека.

Недостатком существующего метода КХА является его низкая чувствительность - он позволяет выявить лишь валовые содержания компонентов в концентрациях более 1 мг/дм . Метод биотетирования заключается в установлении токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Органоминеральные комплексы представляют собой трудно разлагающуюся систему, что не позволяет в лабораторных условиях в полной мере выявить их воздействие на тест-объект, следовательно, класс опасности отхода оказывается заниженным. Кроме того, данные методы не учитывают трансформацию отходов во времени, что является их существенным недостатком.

Проведенный анализ существующих аналитических физико-химических методов показал, что для оценки токсичности отходов биологической очистки оптимальным является атомно-абсорбционная спектрометрия. Данный метод имеет ряд преимуществ:

• точность метода в определении загрязняющих элементов;

• исключение ошибки оператора;

• селективность;

• простота в подготовке образца.

В ходе мониторинговых исследований на хранилищах илов биологической очистки ООО «КИНЕФ» были отобраны пробы избыточных илов из накопителей различных сроков эксплуатации (5, 10, 15, 20 лет) и свежие отходы - с установки обезвоживания.

В каждом накопителе пробы отбирались в 4-х точках с поверхности и глубины 1, 3 и 4 метра. С установки обезвоживания проба отбиралась для определения класса опасности. Для выбора способа консервации проб была определена влажность и рН образцов.

Поскольку подготовка образца для атомно-абсорбционной спектрометрии с печной атомизацией не требуется, то вязкие жидкости могут напрямую анализироваться без специальной пробоподготовки в графитовой печи. Высокая чувствительность метода исключает стадии экстракции и предварительного концентрирования пробы (рис. 4). Наличие солей тяжелых металлов в составе избыточных активных илов объясняется используемыми в технологическом процессе катализаторами и ингибиторами.

Показатель степени опасности компонента отхода (К!) рассчитывается как соотношение концентраций компонентов отхода (О) с коэффициентом его степени опасности для окружающей среды (\У1). Коэффициент степени опасности компонента отхода — условный показатель, численно равный количеству компонента отхода, ниже значения, которого он не оказывает негативного воздействий на окружающую природную среду (табл. 1). Размерность коэффициента степени опасности для окружающей среды условно принимается как мг/кг. Расчеты показали, что избыточный активный ил относится к II классу опасности.

Таблица 1.

Расчет класса опасности отхода

Элемент Концентрац Концентра Степени Степени

ия элемента, цня опасности для опасности

мг/л элемента, окружающей компонента

мг/кг (СО среды (\У0 отхода (Ю)

Марганец 26000 65000 537,0 121,3

Никель 18000 36000 128,8 300,0

Медь 16000 32000 358,9 90,0

Свинец 5800 11600 33,1 350,5

2. Снижение экологической опасности избыточных активных илов должно обеспечиваться внедрением

11

рациональной технологии утилизации, основанной на кислотном разложении органической матрицы с последующим извлечением катионов металлов

На сегодняшний день разработано множество способов утилизации отходов данного генезиса. Все способы можно разделить на термические, химические, физико-химические,

биологические.

Термические методы представлены, в основном пиролизом. Минус технологии заключается в потере ценных компонентов - катионов металлов, содержащихся в илах, а также увеличивается нагрузка на атмосферный воздух за счет продуктов сгорания. При внедрении данной технологии необходимо увеличивать степень обезвоживания илов.

Химические методы обезвреживания избыточных илов отходов заключаются в добавлении к нейтрализуемой массе химических реагентов. В зависимости от типа химической реакции происходит осаждение, окисление-восстановление, замещение, комплексообразование. В рассматриваемом случае химические методы не решают проблему извлечения ценных компонентов, а способствуют образованию более сложных

токсичных соединений.

Применяемые в настоящее время физико-химические методы образуют наиболее представительную группу и заключаются в создании физических полей в пористых средах. Данные методы являются наиболее затратными. При утилизации отходов биологической очистки внедрение физико-химических методов невозможно в связи с несоответствием физико-химических характеристик илов технологическим требованиям.

Биологические методы или биодеструкция являются чувствительными к составу разлагаемых отходов и к условиям окружающей среды что затрудняет их применение для

обезвреживания илов.

Анализ перечисленных методов выявил, что для решения проблемы обезвреживания избыточных илов необходимо разработать технологию, которая будет являться комбинацией нескольких методов, что существенно повысит

Рис. 4. Зависимость содержания металлов в избыточны илах в зависимости от срока хранения в накопителях (за нулевую точку принята концентрация элементов в илах с установки обезвоживания). Заштрихованная область указывает возраст избыточного ила целесообразного к переработке.

эффективность извлечения ценных компонентов.

Полученные результаты показали, что в осадках содержатся катионы в количестве (табл. 2).

Таблица 2.

Содержание основных загрязняющих элементов в избыточных активных илах _

Элемент Концентрация, г/л

Марганец 26,0

Никель 18,0

Медь 16,0

Свинец 5,8

Железо 4,0

Для извлечения металлов с минимальными потерями необходимо разложение органических цепочек путем подкисления осадков.

Первая стадия технологии обезвреживания отходов заключается в растворении катионов. Эксперименты показали, что данный процесс протекает при рН= 2-3, что обуславливает выбор кислот для осуществления первой стадии технологии (табл.3).

Таблица 3

Выбор кислоты для осуществления первой стадии технологии

утилизации

Кислота Время протекания процесса на 50 г осадка Дополнительные условия Полнота растворения осадка

НС1 5м 10 мин Нагревание на 20и 99%

НС1 1м 12 мин Нагревание на 20й 99%

НГЮ3 5м 17 мин Нагревание на 30и, добавление пероксида водорода 90%

Ш03 1м 25 мин Нагревание на 30й, добавление пероксида водорода 90%

Н2804 5м 17 мин Нагревание на 50° 80%

При растворении катионов металлов из осадка происходит разрушение органических соединений, с образованием газообразных веществ.

При использовании органических кислот возможно образование токсичных газов, что значительно ухудшило экологические и экономические показатели разрабатываемой технологии.

Результаты исследований показали, что соляная кислота является оптимальным подкислителем. Поскольку содержание твердого вещества сравнительно не высоко не требуется применение концентрированной соляной кислоты, достаточной будет концентрация 1 - нормальная.

При окислении избыточного активного ила катионы металлов (марганец, железо, свинец, никель и медь) переходят в хлоридную форму, органические соединения разрушаются до углекислого газа. Для ускорения процесса необходимо повысить температуру до 70°, при таких условиях реакция протекает по схеме:

МеЯ2 + 2НС1 —» МеС12+21Ж Ме - катионы металлов, найденных в осадках (N1,

Си, Бе)

Я — органическая часть молекулы, в состав которой входит металл.

Образование хлорида свинца будет происходить по схеме:

РЬ2- + 2С1'-»РЬС12 -

По завершении процесса в делительной воронке образуется гетерофазная система. Жидкая фаза, содержит раствор хлоридов марганца, двухвалентного железа, никеля и меди. Твердая фаза представлена осадком хлорида свинца (РЬС12), в виде кристаллов белого цвета. Разделение фаз производится фильтрованием.

На второй стадии хлориды металлов (марганца, железа двухвалентного, никеля и меди) переводятся в гидроксидную форму путем добавления гидроксида натрия. Количество гидроксида натрия должно обеспечить повышение рН до 6,5-7,5

ед. В результате получается осадок сероватого оттенка, содержащий гидроксиды марганца, железа, меди, никеля, кобальта, который переходит на следующую ступень.

МеСЬ+ИаОН —» Ме(ОН)2+№С12

Разделение жидкой и твердой фазы на данном этапе производится центрифугированием и/или прессованием. С целью снижения временных затрат на разделение смеси гидроксидов должно производится обезвоживание

Жидкая фаза после разделения представляет собой водный раствор с массовой долей примесей не более 2-3%. Данный раствор может использоваться в замкнутой системе водооборота предприятия или на стадии растворения хлорида свинца.

На третьей стадии осадок окисляется нагретой до 40-50°С азотной кислотой и гидроксидом аммония с целью разделения смеси. При повышении температуры выше 55°, равновесие реакции может сместиться в сторону обратной.

Образующаяся двухфазная система, содержит раствор катионов Ре2+ и Мп3+ и осадок, содержащий связанные катионы Си2+ и №2+. Осадок связанных катионов меди и никеля представлен крупными кристаллами, поэтому максимальная степень разделения фаз достигается фильтрованием.

На четвертой стадии осуществляется экстракция катионов металлов из жидкой и твердой фазы. Проведенный анализ существующих экстрагентов показал, что оптимальны к применению нафтеновые или высшие жирные кислоты.

3. Снижение негативного воздействия избыточных активных илов на компоненты природной среды должно производиться в соответствии со следующей аппаратной схемой: реакторные блоки - осадителыше блоки - ленточный пресс — центрифуга — экстрактор перекрестного действия.

Преимущества предлагаемой технологии с точки зрения обезвреживания высоковлажных отходов обусловливаются возможностью не только утилизации илов, но и извлечение ценных компонентов с целью получения экономической выгоды.

На основании проведенных экспериментов и анализа данных об отходах, аналогичным по составу поступающим, выполнен расчет нормативов образования отходов. В результате расчета установлено, что максимальное годовое количество отходов, планируемое для ликвидации, составляет 245 т/год (рис. 5).

При внедрении предлагаемой технологии

предусматриваются мероприятия, исключающие возможность загрязнения и нарушения поверхностных и подземных вод:

• организация системы оборотного водоснабжения, что позволяет сократить расход свежей воды и исключает сброс производственных стоков,

• использование оборотной воды на нужды теплоснабжения установки (съем избытка тепла), что позволяет существенно сократить объем водопотребления,

• организация отвода поверхностного стока с территории установки с его дальнейшей очисткой на очистных сооружениях завода,

Для осуществления первой стадии процесса требуется реакционный блок с подогревом и вертикальной мешалкой. Поскольку реакция среды - кислая, то необходимо учесть антикоррозионное покрытие на блоке. На входе из блока устанавливается стеклянный фильтр для отделения осадка хлорида свинца (стеклянный фильтр отличается наименьшей пористостью и повышенной химустойчивостью).

Вторая стадия осуществляется в емкости с коническим дном и отводом водного раствора на циркуляцию в технологическую цепочку. Поскольку на этой стадии происходит осаждение хлоридов марганца, железа, меди и никеля гидроксидом натрия также необходимо дополнительное футировочное покрытие.

На третью стадию смесь попадает проходя ленточный пресс и центрифугирование для избавления от лишней жидкости. Третья стадия осуществляется в емкости с коническим дном и отводом раствора катионов. Происходит подкисление смеси гидроксидов, а затем разделение смеси раствора катионов Мп2+ и Ре2+ и осадка с катионами Си2+ и №2+. Катионы марганца и железа

водный раствор на рецик

Двухфазная система с катионами Ре, Мп, Си и N1

На очистку Раствор с у и Рецикл катионами Си и №

Рис. 5. Принципиальная схема предлагаемой технологии утилизации активного ила

разделяются на экстракторе перекрестного действия.

Список необходимого вспомогательного и основного оборудования (рис.5):

1. сборник вертикальный с мешалкой - 1 шт (объём - 140 м3, материал корпуса - стеклопластик фугированный изнутри полиэтиленом высокого давления);

2. емкость с подогревом и мешалкой - 2 шт (внутренний объём ёмкости- 8,9 м3, основной материал- сталь антикоррозионная);

3. комбинированный ЭСОК-РС-3.5-2.7 - 1 шт (производительность по сумме фаз 0:В=1:1 - 17 м3/час, площадь расслаивания - 3.5 м2, рабочий объем -10 м3, основной материал -полипропилен, Р\Т)Р, сталь нержавеющая).

Определение капитальных затрат на установку нового оборудования осуществляется по формуле:

где 30боруд - стоимость оборудования, 780 тыс. руб.; Зсмр - затраты на строительно-монтажные работы, 407 тыс. руб;

Зпроч - прочие затраты 90 тыс. руб.

Величину амортизационных отчислений на полное восстановление определяем по балансовой стоимости оборудования и нормам амортизационных отчислений по формуле

где а - норма амортизационных отчислений в %, определяется в зависимости от нормативного срока службы оборудования.

К - балансовая стоимость техники, руб.

+ 3,

проч '

(1)

а-К 0,2-780000

= 153/иыс. руб/год

100 100

Учитывая амортизационные и текущие расходы, затраты на эксплуатацию установки составят - 2,7 млн. руб/год

Оценка величины предотвращенного ущерба от загрязнения водной среды осуществляется по формуле:

Увпрг=Ууд-мп-кэ (3)

У* - эколого-экономическая оценка величины

предотвращенного ущерба водным ресурсам в рассматриваемом г-том регионе, тыс. руб./год;

Ууг) - показатель удельного ущерба (цены загрязнения)

водным ресурсам, наносимого единицей (условная тонна) приведенной массы загрязняющих веществ на конец расчетного периода для .¡-го водного объекта в рассматриваемом г-том регионе, руб./усл. тонну, 9470,2 р/усл.т.

Мп - приведенная масса загрязняющих веществ, снимаемых (ликвидируемых) в результате природоохранной деятельности и осуществления соответствующих водоохранных мероприятий в г-том регионе в течение расчетного периода, 3,9 тыс.усл.тонн/год. Кэ - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам основных рек, 1,8.

увпРг =Ууд-Мп-Кэ= 9470,2-3.9 1,8 = 6,6млн.руб / год

По предварительным расчетам на установку поступает 30,5 кг/ч сырья, рабочая смена 20 часов, следовательно за сутки будет переработано 610 кг ила, значит за год - 3,9 тыс. тонн, исходя из стоимости 1 кг металла, прибыль от реализации составит 1,9 млн.руб./год. Отсюда экономический эффект от внедрения мероприятия составит:

Ээф =Ув„рг - Зжсп + прибыль от продажи = = 6600000-1500000 + 1900000 =7$ млн.руб. I год

Таким образом суммарный предотвращенный ущерб, наносимый компонентам природной среды, от внедрения установки утилизации составит более 6,6 млн.руб/год, а прибыль от реализации составит 7,0 млн. руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной научно-производственной задачи снижения негативного воздействия отходов водоочистных сооружений на природную среду и здоровье человека путем физико-химического разложения органоминеральной матрицы с последующим экстрагированием элементов, извлечение которых является экономически целесообразным.

Основные научные и практические выводы:

1. На основе многолетних натурных наблюдений за состоянием природной среды в Киришском районе Ленинградской области установлены закономерности формирования техногенных ореолов и потоков в зонах воздействия иловых карт, определяющиеся экспоненциальным распределением концентраций загрязняющих компонентов.

2. Исследованиями физико-химического состава и физико-механических свойств отходов, проведена оценка трансформации техногенных отложений, заключающаяся в определении химического состава илов, а также характера трансформации в зависимости от срока хранения

3. Обосновано применение метода физико-химического разложения органоминеральной матрицы отходов, заскладированных в иловых картах, заключающегося в необходимости извлечения катионов металлов.

4. Разработана рациональная технология обезвреживания отходов производства, илов и основанная на разложении органоминеральной матрицы с извлечением катионов, дальнейшем их разделении путем осаждения и экстракции.

5. Эколого-экономическими расчетами определен эффект

применения установки физико-химического разложения органо-минеральной матрицы отходов на основе определения суммарной величины снижения экологических платежей, предотвращенных ущербов от воздействия на компоненты природной среды и получения прибыли от производимой продукции, составляющий более 6 млн.руб./год

Основные положения диссертации опубликованы в следующих наиболее значимых работах:

• в изданиях рекомендованных Перечнем ВАК Минобрнауки России

1. Моисеева К.А. (Лукина К.А.) Оценка воздействия хранилищ нефтесодержащих отходов ООО «КИНЕФ» на водные объекты// Труды XII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 100-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири и 90-летию создания Сибгеолкома в России, Томск, 2008, стр. 180-182

2. Моисеева К.А. (Лукина К.А.) Разработка рациональной технологии обезвреживания био- и нефтешламов предприятия ООО «КИНЕФ» путем извлечения ценных компонентов// Записки Горного института, том 186, Санкт-Петербург, 2010, стр. 68-71

3. Моисеева К.А. (Лукина К.А.) Подходы к определению класса опасности отработанных илов узла биологической очистки вод предприятия нефтеперерабатывающей отрасли//Записки Горного института, том 190, Санкт-Петербург, 2011, стр. 135 - 142

• в прочих изданиях:

4. Моисеева К.А. (Лукина К.А.) Оценка воздействия хранилищ нефтесодержащих отходов ООО «КИНЕФ» на водные объекты// Труды XII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 100-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири и 90-летию создания Сибгеолкома в России, Томск, 2008, стр. 180-182

5. Моисеева К.А. (Лукина К.А.) Способы снижения негативного воздействия техногенных массивов на компоненты природной среды на примере ООО «КИНЕФ»/ М.В. Гвоздецкая, К.А. Моисеева, И.Р. Левчук // Труды XIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, Томск, 2009, стр. 216 — 217

РИЦСПГГУ. 24.04.2012.3.291 Т. 100 экз. 199106 Санкт-ГГетсрбург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лукина, Ксения Анатольевна, Санкт-Петербург

61 12-5/3274

Федеральное государственное бюджетное ойразовательное учреждение высшего

профессионального образования _"Санкт-Петербургский государственный горный университет"_

На правах рукописи

ЛУКИНА Ксения Анатольевна

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И ЗАЩИТА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА УЗЛА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пашкевич Мария Анатольевна

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Современные проблемы образования и утилизации отходов на предприятиях топливно-энергетического комплекса.......................................9

1.1. Классификация отходов ТЭК.........................................................................9

1.2. Отходы биологической очистки сточных вод............................................18

1.3. Химический состав активных илов.............................................................31

1.4. Анализ методов утилизации избыточного активного ила.......................34

1.4.1. Краткая характеристика методов утилизации.........................................34

1.4.1.1 Термические методы........................................................................34

1.4.1.2. Физико-химические.........................................................................45

1.4.1.3. Химические методы........................................................................50

1.4.1.4. Биологические методы....................................................................51

ГЛАВА 2. Исследование воздействия хранилищ избыточного активного ила на природную среду.........................................................................................60

2.1. Анализ формирования хранилищ избыточного активного ила.............60

2.2. Общие сведения о районе расположения предприятия............................64

2.3. Геологическое и гидрогеологическое описание района...........................65

2.3.1. Геологическое строение............................................................................65

2.3.2. Климатическая характеристика................................................................67

2.3.3. Поверхностные воды..................................................................................68

2.3.4. Подземные воды.........................................................................................69

2.3.5. Почвенный покров.....................................................................................71

2.3.6. Растительность............................................................................................72

2.4. Краткая характеристика производственных процессов.......................73

2.4.1. Краткая характеристика предприятия......................................................73

2.4.2. Цех водоснабжения и канализации..........................................................73

2.4.3. Сети канализации.......................................................................................74

2.4.4. Характеристика отходов, поступающих на иловые карты....................77

2.5. Мониторинг атмосферного воздуха..............................................................80

2.6. Программа мониторинга поверхностных вод............................................82

2.7. Оценка воздействия на население................................................................88

2.8. Химический анализ избыточного активного ила......................................92

2.8.1. Определения класса опасности избыточного активного ила................92

2.8.2. Отбор и анализ проб активного ила.........................................................98

ГЛАВА 3. Исследование закономерностей извлечения компонентов из

активного ила.........................................................................................................108

3.1. Строение и состав активного ила...............................................................108

3.1.1. Бактерии....................................................................................................108

3.1.2. Водоросли и грибы...................................................................................111

3.1.3. Простейшие...............................................................................................112

3.1.4. Саркодовые...............................................................................................113

3.1.5. Жгутиковые...............................................................................................114

3.1.6. Инфузории.................................................................................................................115

3.1.7. Черви..........................................................................................................117

3.1.8. Водные клещи...........................................................................................118

3.2. Проблема обезвоживания избыточного активного ила.........................119

3.3. Физико-химические аспекты аккумуляции катионов металлов активным илом......................................................................................................123

3.3.1. Лабораторные испытания и подбор оптимальных условий извлечения

металлов из избыточных активных илов..............................................................130

ГЛАВА 4. Разработка технологии утилизации избыточного активного ила ...................................................................................................................................140

4.1. Оценка пригодности отходов очистных сооружений ООО «КИНЕФ» для утилизации......................................................................................................140

4.2. Подбор аппаратной схемы утилизации избыточных активных илов. 144

4.3. Расчет экономической эффективности внедрения установки..............158

4.3.1. Определение годовых эксплуатационных расходов на реализацию мероприятия.............................................................................................................159

4.3.2. Оценка предотвращенного ущерба........................................................160

4.3.3. Определение годового экономического эффекта от внедрения

мероприятия.............................................................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................164

Библиографический список............................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время ежегодно на предприятиях топливно-энергетического комплекса в России складируется более 150 млн.т избыточного активного ила. На 01.01.2011 г. по данным Госкомстата РФ на этих предприятиях занято нерекультивированными хранилищами отходов свыше 200 тыс. га. Реализация резолюции Генеральной ассамблеи ООН по борьбе с опустыниванием и деградацией земель от 20.09.2011и Федерального закона «Об охране окружающей среды» требует снижения воздействия предприятий ТЭК на земельные и водные ресурсы до принятых нормативов путем применения наиболее эффективных средозащитных технологий.

Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергаются компоненты природной среды на территориях складирования избыточных илов и осадков, образующихся при биологической очистке сточных вод. Отсутствие современных технологий их ликвидации и обезвреживания превратило значительное число хранилищ из средства предотвращения загрязнения в угрозу крупномасштабного загрязнения компонентов природной среды (почв, подземных и поверхностных вод, атмосферы). В этой связи для сокращения площадей, занятых иловыми картами возникает необходимость переработки образующихся избыточных илов и осадков.

Проблемы обезвреживания отходов производства нашли отражение в трудах ученых разных стран (Гавич И.Н., Гальперин A.M., Гольцова Н.И., Демин A.M., Кехлинг Р., Мироненко В.А., Моторина JI.B., Певзнер М.Е., Плотников Н.И., Томаков П.И., Ферстер В., Фишер В., Шеф Х.Ю., Шуберт Р.). Тем не менее, современные способы утилизации избыточного ила узлов биологической очистки не способны полностью изолировать илы от окружающей среды. При складировании отходов происходит трансформация их состава, в ряде случаев с повышением класса опасности, в случае утилизации илов методом пиролиза повышается степень летучести.

Таким образом, несмотря на высокую экологическую опасность отходов узлов биологической очистки до сих пор не разработаны технологические решения, позволяющие с высокой эффективностью и минимальным техногенным воздействием их обезвреживать и утилизировать.

Цель работы: оценка и снижение негативного воздействия накопителей избыточного ила узлов биологической очистки вод предприятий топливно-энергетического комплекса.

Основная идея работы. Для снижения негативного воздействия отходов водоочистных сооружений на природную среду и здоровье человека рекомендуется физико-химическое разложение органоминеральной матрицы с последующим экстрагированием элементов, извлечение которых является экономически целесообразным.

Основные задачи работы:

- анализ воздействия иловых карт на окружающую среду;

- исследование трансформации отходов очистных сооружений предприятий ТЭК в зоне гипергенеза за 20- летний период эксплуатации хранилища;

- обоснование применения метода физико-химического разложения органоминеральной матрицы отходов, заскладированных в иловых картах;

- разработка технического решения для промышленного обезвреживанияизбыточных активных илов;

- эколого-экономическая оценка технологии утилизации отходов очистных сооружений предприятий ТЭК.

Научная новизна работы: •установлена зависимость трансформации техногенных массивов вследствие гипергенных преобразований избыточных активных илов в зависимости от срока хранения отходов, степени этих преобразований, технологии образования отходов и количества примесных элементов в илах;

•установлены закономерности трансформации избыточных активных илов в зависимости от различных температурных режимов, влажности отходов,

содержания в них неорганических и органических примесей при обезвреживании отходов очистных сооружений.

Защищаемые положения

1. Оценка экологической опасности отходов органоминеральной структуры должна производиться методом атомно-абсорбционной спектрометрии с печной атомизацией, с учетом многообразия неорганических включений, а также их содержания в следовых концентрациях.

2. Снижение экологической опасности избыточных активных илов должно обеспечиваться внедрением рациональной технологии утилизации, основанной на кислотном разложении органической матрицы с последующим извлечением катионов металлов.

3. Снижение негативного воздействия избыточных активных илов на компоненты природной среды должно производиться в соответствии со следующей аппаратной схемой: реакторные блоки - осадительные блоки -центрифуга - экстрактор перекрестного действия.

Методы исследований:

• системно-структурный анализ зоны воздействия иловых карт предприятий ТЭК на природную среду;

• аналитические, ландшафтно-геохимические, экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях;

• системный анализ промышленных методов обезвреживания отходов;

• методы аналогового и численного моделирования с использованием программы ЭкологЗ.О;

• экспериментальные исследования технологии обезвреживания активных илов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

обеспечена использованием значительного объема исходных материалов и применением современных методов анализа. Полученные результаты подтверждены комплексом лабораторных и натурных экспериментов.

Приведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с новейшими данными, опубликованными другими авторами.

Практическая значимость работы:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в районах складирования отходов узлов биологической очистки предприятий ТЭК;

• проведено эколого-экономическое обоснование метода обезвреживания отходов;

• разработаны технологические решения по минимизации воздействия на природную среду иловых карт.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно осуществил:

- постановку цели, формулировку задач и разработку методики исследований,

- эколого-экономическую оценку воздействия иловых карт на природную среду,

- разработку методики проведения лабораторных исследований проб активного ила,

- разработку методики проведения испытаний разработанной технологии обезвреживания отходов очистных сооружений,

- обобщение и систематизацию результатов лабораторных исследований испытаний.

Автор принял участие в осуществлении:

- полевых исследований в зоне влияния иловых карт,

- лабораторных исследований состава и свойств отходов,

- разработки оптимальной технологии обезвреживания отходов очистных сооружений.

Апробация работы. Основные и отдельные положения работы, разработанные в процессе её выполнения докладывались и обсуждались на

Международных, Российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, в том числе: на Международных научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2008 г.), на Международных конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2008 г., 2009 г., 2010 г.), на III Межвузовской молодёжной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на Международном симпозиуме им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2009, 2010,2011 г.).

Реализация результатов работы

- научные и практические результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного горного университета в процессе учебных и производственных практик студентов специальности «Инженерная защита окружающей среды», «Городской кадастр», «Технология добычи нефти и газа»

- методика оценки класса опасности отходов очистных сооружений внедрена в деятельность Центра коллективного пользования СПГГУ.

Публикации по теме работы опубликовано 17 печатных трудов, в том числе 4 в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России. Положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2011123300 от 23.05.2011 «Способ обработки илового осадка»

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 173 страницы машинописного текста, 26 рисунков, 21 таблиц и список литературы из 82 наименований.

Автор искренне благодарен проф. М.А.Пашкевич за научное руководство работой, коллективу кафедры Геоэкологии за ценные научные консультации и моральную поддержку. Родителям и мужу за поддержку и терпение.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И

УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА 1.1. Классификация отходов ТЭК

Согласно ФЗ «Об отходах производства» от 24 июля 1998 года под отходами производства и потребления понимаются остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий и продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства.

Единой системы классификации отходов производства и потребления до сих пор не существует: она на стадии формирования (создается Федеральный классификационный каталог отходов (ФККО), государственный реестр объектов размещения опасных отходов). Отсутствие единообразия в классификации связано с тем, что отходы сложны по своему физико-химическому составу, различны по агрегатному состоянию, источникам образования, токсичности для компонентов окружающей среды, возможности их использования, способности отходов к обезвреживанию.

Это приводит к несогласованности в части отнесения отходов производства и потребления к классу опасности в ряде областей и регионов России. Для удобства в сфере обращения с отходами наиболее часто применяется общие принципы разделения и классификации отходов.

Основной Российский документ «Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов» (утвержден Минздравом СССР от 13.05.1987 года № 4286-87) и Федеральный классификатор (1997 г.) были построены также по отраслевому принципу в виде сводной номенклатуры вторичных материальных ресурсов (BMP). В нем отходы классифицируются по наиболее опасному компоненту, то есть по санитарной токсичности. Такая классификация не учитывает другие наиболее важные свойства отходов для

окружающей среды и имеет ориентировочный характер. Практическая значимость данных кадастров отходов была не велика, адаптировать и провести классификацию отходов ТЭК не представлялось возможным, что приводило к недостоверной оценке класса опасности отходов и создавало проблемы по удалению и размещению отходов.

Построение кодификатора отходов базируется на

промышленном происхождении отходов. При такой классификации в одну группу входили отходы от первого до 4 класса опасности от различных производств, но одинакового происхождения (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Выборка перечня отходов из регионального кодификатора^ 4].

Класс группа Код Наименование отходов

Ш-1У 013 00 отходы узла биологической очистки

IV 013 01 осадки очистных сооружений автотранспорта

IV 013 02 осадки очистных сооружений ливневых стоков

Ш-1У 013 03 эмульсии от маслоловушки компрессорной

II 013 10 нефтешламы при зачистке резервуаров

пыу 013 13 фильтры, загрязненные нефтепродуктами

пыу 013 15 бумага, загрязненная нефтепродуктами

III 013 20 нефтешлам после мойки деталей и оборудования

В данную группу включены все виды отходов, загрязненных различными нефтепродуктами. В нем практически не отражено агрегатное состояние отхода, которое играет немаловажную роль при оценке негативного воздействия отходов на окружающую среду и при способах размещения.

Кроме того, по методическим рекомендаци�