Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности ТЭК, с учетом экологической безопасности

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности ТЭК, с учетом экологической безопасности"

На правах рукописи

ГГЙ ОД

2 8 га 2300

КАЗАНЦЕВА Ольга Викторовна

РАЗРАБОТКА БИОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА СНИЖЕНИЯ

УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТЭК, С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

11.00.11 - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности экологического факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Член Корреспондент МАНЭБ, кандидат технических наук, доцент

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Б.Д. Сусленков В.Д. Долгушин

И.А. Ковалев Б.Н. Рахманов

Ведущая организация -

Московский государственный горный университет.

Защита диссертации состоится « 2000 г.

в « /У» на заседании диссертационного совета К 053.22.26 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, Москва, ул. Орджоникидзе, д. Зу $¿¡9. -¿¿Р

С диссертационной работой можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан « ^ » 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцен

рлгушин

^£¿.304. Ъъ,0

Актуальность работы. Современное развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК), который включает в себя ряд отраслей промышленности, ' в том числе: нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, газодобывающую, газоперерабатывающую, угольную и энергетическую характеризуется в связи с распадом СССР снижением их производительности, что отражается на ВВП (валовом внутреннем потреблении) - с одной стороны, и, с другой -уменьшением выбросов метаболитов производства, по этой причине, в окружающую природную среду в виде твердых, жидких и газообразных отходов.

Однако, несмотря на данные объективные причины, доля влияния ТЭК на окружающую среду (ОС) по прежнему остается достаточно высокой и по сравнению с другими отраслями хозяйственной деятельности достигает 67%.

Рассматривая структуру ТЭК по основным показателям влияния его на компоненты биосферы, мы вправе сделать вывод о том, что энергетическая промышленность оказывает наибольшее' влияние. Причем, наиболее значимым элементом влияния на ОС являются твердые отходы, т.к. более 30% энергоустановок используют, в основном, твердое топливо (антрацит, каменные и бурые угли), содержащие в себе до 14% углистых веществ, вследствии неполного сгорания'топлива.

Твердые отходы энергетического комплекса, представленные шлаком и золой, оказывают негативное влияние на состояние здоровья населения и компоненты биосферы.. Данный , факт объясняется тем, что накапливаемые твердые отходы энергетики складируются в виде шлаконакопителей, породных отвалов (конусообразной, хребтовой и плоской форм), а улавливаемая зола складируется в золонакопителях в виде прудов-отстойников.

Основным направлением утилизации твердых отходов энергетики является возможность использования их для производства строительных материалов.

Однако, доля производства строительных материалов ,из данных отходов ограничена вследствии наличия в них непрореагировавших при сжигании углистых веществ.

Отсюда очевидно, что возникает необходимость в изыскании и разработке принципиально новых направлений по снижению углистых вещестз в твердых отходах.

Одним из возможных способов снижения углистых веществ в твёрдых отходах является использование биохимических процессов,

сущность которых заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до элементарного состава, с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат составу самой природы. Поэтому разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых, отходах, энергетической промышленности является актуальной научной задачей.

Цель работь! - разработать биохимический способ, снижения углистых веществ в твердь^, .отходах , энергетической промышленности для повышения эффективности использования техногенных ресурсов.

Идея работы заключается в,,способности определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять деструкцию углеродсодержащих соединений на простые элементы с последующим синтезом из них новых веществ.

Задачи исследований включают: В выполнение анализа состояния накопления и использования

твердых отходов в энергетике; И проведение теоретических исследований протекания

биохимических процессов деструкции углистого вещества; И осуществление лабораторных и стендовых экспериментов для определения параметров и режимов биотехнологий деструкции углистого вещества; ■ выполнение эколого-экономической оценки способа.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. Биохимическая деструкция углистых веществ происходит по четырем основным фазам: первая фаза - гидролиз углистого вещества до жидких продуктов, вторая - метанобразование с частичным накоплением двуокиси углерода, третья метанпотребление, сопровождающееся последовательным переводом метана в метанол, формальдегид, муравьиную кислоту и углекислый газ с накоплением при этом живых клеток метанобразующих и метанпотребляющих бактерий, четвертая фаза -фаза автолиза, характеризующаяся разложением клеток и образованием при этом гумусовых веществ.

Динамика изменения рН среды при биодеструкции углистого вещества подчиняется затухающему колебательному процессу в кислую сторону. Значения констант затухания процесса в щелочной и кислой зонах составляют ст=0,81.

Наивысшая активность биодеструкции углистых веществ наблюдается при размере частиц шлака от 100 до 10 мкм, которые

соизмеримы с размерами клеток.

Оптимальным соотношением твердой и жидкой фаз реализации биохимической деструкции углистого вещества является 1:4 (1 часть шлака, 4 части бактериальной суспензии).

Достоверность научных исследований обусловлена проведением теоретических, лабораторных и натурных исследований с учетом графоаналитического способа планирования экспериментов с оценкой надежности полученных результатов по общепринятым критериям статистических методов исследований.

Научная ценность работы состоит в разработке основных научно-практических положений по применению биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики.

Практическое значение работы заключается: П в разработке рекомендаций для прогнозирования эффективности снижения углистых веществ в твердых отходах с учетом соотношений весовых частей бактериальной суспензии й отходов, а также биологических показателей константы скорости биодеструкции в процессах чанового и кучного бактериального выщелачивания;

п разработана номограмма для определения коэффициента экологических условий жизнедеятельности микроорганизмов при реализации способа; П выполнена экономическая оценка финансовой - стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ и определено снижение экблогического ущерба при снижении углистых веществ в отходах.

Результаты внедрения: рекомендованные процессы чанового и кучного выщелачивания прошли стендовые испытания на Отходах Шатурской ГРЭС-5.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на XXXIV научной конференции Российского университета дружбы народов в 1998 году и на научно-методических заседаниях кафедры экологического факультета Российского университета дружбы народов.

Публикации: Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4-х печатных работах.

Объем и структура диссертации: диссертационная работа • состоит из введения, четырех гла& и заключения, изложенных на 114 страницах машинописного Текста, содержит 18 рисунков, 14 таблиц и списка используемых литературных источников из 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК), который включает в себя, ряд отраслей промышленности, в том числе: нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, газодобывающую, газоперерабатывающую, угольную,

энергетическую, характеризуется в связи с распадом СССР снижением их производительности, что отражается на ВВП (валовом внутреннем потреблении) - с одной стороны, и, с другой -уменьшением выбросов метаболитов производства, по этой причине, в окружающую природную среду в виде твердых, жидких и газообразных отходов.

Однако, несмотря на данные объективные причины, доля влияния ТЭК на окружающую среду (ОС) по прежнему остается достаточно высокой и по сравнению с другими отраслями хозяйственной деятельности достигает 67%.

Рассматривая структуру ТЭК по основным показателям влияния его на компоненты биосферы, мы вправе сделать вывод о том, что энергетическая промышленность оказывает наибольшее влияние. Причем, наиболее значимым элементом влияния на ОС являются твердые отходы, т.к. более 30% энергоустановок используют, в основном, твердое топливо (антрацит, каменные и бурые угли). ,

Твердое топливо, кроме углеводородных компонентов, содержит в себе значительное количество зольных веществ (ср. значение 17%). В результате термического передела углеродсоставляющая угля образует необходимое количество тепла, а зольная часть при этом выпадает в виде шлаков и зольных аэрозолей. Вместе с тем, следует отметить тот факт, что зольная составляющая угля содержит значительное количество редких и редкоземельных элементов - с одной стороны, а с другой -вследствии неполного сгорания органического вещества в топливе, часть его включается в состав твердых отходов (шлаки и золу), величина которой составляет 14% и более. Исходя из общего количества добываемого угля, в последнее время для энергетических целей, общее накопление. твердых отходов, по официальным данным Госкомприроды за последние 5 лет, составляет 9,5 млн. т., по нашим проведенным исследованиям, с учетом зольности угля - 9,7 млн. т., что говорит о достаточной сходимости данных. Учитывая тот факт, что углистые, вещества в них составляют 14%, общее количество угля, сосредоточенного в твердых отходах энергетического комплекса, составляет 1,3 млн." т.

а

Твердые отходы энергетического комплекса, представленные шлаком и золой, оказывают негативное влияние на состояние здоровья населения и компоненты биосферы. Данный факт объясняется тем, что накапливаемые твердые отходы1 энергетики складируются в виде шлаконакопителей, породных отвалов (конусообразной, хребтовой и плоской форм), а улавливаемая зола складируется в . золонакопителях в виде прудов-отстойников. Отсюда, очевидно, что под действием метеорологических условий и биохимических процессов, происходит перенос массы и энергии веществ этих накопителей в ОС и, как правило, на значительные расстояния (от десятков до тысяч километров).

Опираясь на имеющиеся законодательные документы, в том числе на Конституцию РФ, Закон об Охране окружающей природной среды и Нормативно-правовые документы, в энергетической промышленности принимались и принимаются необходимые природоохранные мероприятия по снижению негативного влияния энергетики на окружающую природную среду, к которым прежде всего относятся; повышение КПД энергетических установок; использование более качественного вида топлива; совершенствование систем улавливания и обеззараживания твердых отходов - с одной стороны, и, с другой - разработка технологий и технических средств утилизации твердых отходов при этом, на основе использования современных достижений науки и техники.

В качестве таких мероприятий используются технологии для выщелачивания из. твердых отходов редких и редкоземельных элементов, в количествах необходимых для обеспечения потребностей общества. -

Другим основным направлением утилизации твердых отходов энергетики является их возможность использования для' производства строительных материалов, таких как цемент, щебень, граншлак, пемза, минеральная вата, строительные блоки, штучные изделия и др.

Однако, доля производства строительных материалов из данных отходов ограничена в следствии' наличия в ' них непрореагировавших при сжигании углистых веществ, которые, как ' показывает практика, вследствии химических и биохимических > процессов приводят к разрушению строительных конструкций. Отсюда очевидно,, что для полного использований твердых отходов энергетической промышленности возникает необходимость в предварительном удалении из них углесодержащих веществ. В настоящее время это достигается вторичной термической обработкой (дожиганием углистых веществ), однако это Требует

б

дополнительных энергетических затрат. Поэтому возникает необходимость в изыскании и разработке принципиально новых направлений по снижению углистых веществ в твердых отходах.

Одним из возможных способов снижения углистых веществ в твердых отходах является использование биохимических процессов, сущность, которых заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов в' низкотемпературном режиме осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до элементарного состава, с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат природной, с^с^еме. Поэтому разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности является актуальной научной задачей.

В настоящее время успехи прикладной и технической микробиологии • позволяют решать вопрос . в области Охраны окружающей среды.

Микроорганизмы, способные расщеплять углистые вещества, широко распространены в природе и, в основном, сосредоточены в местах залежей углей (от антрацитов - до бурых), в торфах, отходах целлюлозо-бумажной промышленности, накопителях твердых бытовых отходов (ТБО).

К настоящему времени из естественных и антропогенных источников выделено более 150 штаммов микроорганизмов, способных расщеплять углистые вещества.анаэробных и аэробных условиях при температуре окружающей среды от +4°С до +65°С к, как правило, в нейтральной среде (рН 6,5-7,5), при обязательном наличии жидкой фазы питательной среды, которая представляет собой водный раствор микроэлементов (солей натрия, магния, марганца, магния, кальция, фосфора и др.)

Консорциум микроорганизмов в виде бактериальной суспензии вводится в контакт с углистыми веществами. При этом деструкция углистого вещества биохимическим способом включает в себя 4 основные фазы, которые представлены на рис. 1, и которые соответствуют фазам естественной динамики развития живых компонентов в .биосфере /и включают в себя фазы гидролиза, метанобразования, метанокисления и гумусообразования.

, На процесс деструкции углистого вещества оказывают совокупное влияние экологические факторы (О, рН, соотношения жидкой и твердых фаз и др.)

Поэтому при разработке биохимического способа снижения углистого вещества в тверды* отходах энергетики возникла необходимость в. проведении .специальных лабораторных и

а)

б)

¡т-- 1, 1 1 1 1 1 »СИ4 1 у' 1 / 1 Ц 1" А ! \ 1 »са ' 1 1 " 1 ' 1

1 у — 1 п , 1 ———----1 / 1 1 1 I Г ■ 1 <_2_ 1 ! \ 1 ■ \) и |\ 1 1 1 1 1 1 1 ч . 1

' «9 1 1 т .1. 1=т 1 , 1 " 1 си« |

рН 80 ^

В)

70

60

50!

_ 4_.iiJ._---¡4.

Т || г т I ЧнюН нс°3 1 1

|ДрН вспепствии -угольной кислоты

'1

Кислотообразование (растворенио угля)

.1____

'7'

Гидролиз .■ 'метанооЬраэованиэ| Метанооклслениэ- | Гамусообраэовани» | )час --—:-—-»-Ч-;—М----»-(. '.

, а) кинетика биодеструкции углистого вещества; ">

б) типичная кривая развития микроорганизмов; ..... . .

в) характер изменения рН среды при биодеструкции углистого вещества (фактические лабораторные исследования).

Ри&1; Эпюры биодеструкции углистого вещества в'твердых отхода*' энергетики.'' " 'ч ;"

Ö

стендовых экспериментов, направленных на определение причин и следствий, определяющих кинетику и динамику биохимических процессов при этом.

В соответствии с этим разработаны схемы проведения лабораторных и стендовых экспериментов, направленных на оценку эффективности биодеструкции углистых веществв твердых отходах энергетики. В основу проведения данных экспериментов положены принципы чанового и кучного бактериального выщелачивания с учетом температуры окружающей среды, pH жидкой фазы (бактериальной суспензии), фракционного состава шлака, соотношения жидкой и твердой фаз в биореакторе. Эксперименты базируются на общепринятых методах физико-химических исследований с привлечением математических методов планирования экспериментов и критериальной оценки надежности полученных данных по методикам статистических методов обработки результатов исследований.

Среди бактерий, жизнедеятельность которых приводит к деструкции угля имеются представители различных видов. Однако наиболее активными считаются псевдомонады, спорообразующие бациллы тиобациллы и бактерии Azotobacter chrocococcum и Bazillus megaterium. Данные виды бактерий выделяли из экологической ниши, содержащей углистые вещества, обладающей низкой биологической активностью, которая инокулировалась активными штаммами микроорганизмов, приспособленных к данной среде. Отобранные штаммы выращивались на опробированных к углеотходам питательных средах с частыми (1 сутки) пересевами. Из полученных культур готовился накопительный комплекс для производства необходимого объема бактериальной суспензии. При этом использовался биореактор типа АКМ-75 с рабочим объемом 50 л. В дальнейшем, полученная культура разводилась водным раствором питательной среды до концентрации Ы О6 кл/мл.

Полученная таким образом бактериальная суспензия была подвергнута оценке ее смачиваемости по отношению к шлаковым отходам теплоэлектростанций. При этом установлено, что краевой угол смачиваемости образцов шлаковых отходов по отношению к бактериальной суспензии не превышает (40-53°). Данный, факт говорит о совместимости адгезии контакта бактериальной суспензии с данными видами отходов.

Оценка изменения pH среды культуральной жидкости при биодеструкции углеотходов, как показали лабораторные эксперименты, носит ярко выраженный колебательный характер

а

(рис.1). Причем уменьшение рН среды согласуются с фазами биохимических процессов. В фазе' гидролиза рН уменьшается, в фазе метанобразования - увеличивается, метанпотребления падает и стабилизируется на уровне рН=6,5 в фазе гумусообразования. Данный факт объясняется накоплением в биореакторе углекислого газа, который приводит к образованию в жидкости угольной кислоты, а следовательно и снижению рН.

Кинетическая оценка процесса деструкции углеотходов биохимическим способом показала, что соотношение жидкой и твердой фаз должна соответствовать четырехкратному объему бактериальной суспензии на весовой объем твердых отходов (4:1) (рис.2). Причем, гранулометрический состав твердой фазы должен соответствовать линейному размеру клеток бактериальной суспензии (100-10 мкм). При меньших размерах фракции шлаковых отходов проявляется эффект электростатического потенциала, в результате чего клетки бактерии, имеющей тот же заряд, отталкиваются от субстрата и не включаются в процесс деструкции.

Динамика биодеструкции углеотходов подчиняется закону развития микроорганизмов и поэтому носит ярковыраженный экспоненциальный характер. Однако, на процесс биодеструкции углеотходов оказывают существенное влияние внешние факторы. Поэтому адаптация бактериальной суспензии к процессу деструкции углистого вещества в начальный период, как установлено нами в среднем составляет около .10 , суток. В дальнейшем наблюдается лавинообразный процесс деструкции, соответствующий константе скорости развития клеток.

Оценка совокупного влияния экологических фактороЕ, таких как рН среды, температуры и площади развитой поверхности шлаковых отходов, содержащих углеотходы по плану Шеффе позволила представить схему протекания процесса. При этом не только установлены области влияния данных факторов (рН=б-8, Т=20-40°С, 8=0,1-110'3 м2/т), но и разработана номограмма для прогнозирования процесса деструкции углистого вещества в твердых отходах, в том числе:

Стендовые испытания биодеструкции углистого вещества в режимах чанового и кучного выщелачивания при температуре 35°С; и рН=7 показали, что общая, эффективность при .этом составляет 62% в течение 60 суток. Обработка экспериментальных данных позволила получить прогнозное уравнение эффективности снижения углистых веществ:

Фм*а вяопгвиии - 8 С/Т

Динамика биодеструкции углистого вещества в зависимости от соотношения жидкой и твердой фаз.

Т,"С 40

/ У

1 с г°

6.0 0 3 3.7 7.0 7 3 7.7 ВО Рн

Линия равного выхода коэффициента экологических условий жизнедеятельности бактерий при контакте с твердыми отходами энергетики для

Т,"С <0

25 2 О

поверхности 0,001 м /г,

12 13 14

е.7

л:

3.0 Рн

"Линия равного выхода коэффициента экологических условий жтонедеятелъдасти бактерий при контакте с твердыми отходами энергетики для

поверхности 0,01 м2/г.

Рис. 2. Результаты лабораторных исследований.

Динамика снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики при их биодеструсцни, в зависимости от гранулометрического состава.

,15

2.0

8.7

2.0

2.5

7.7

8.0 Рн

Линия равного выхода коэффициента экологических условий жизнедеятельности бактерий при. контакте с твердыми отходами энергетики для поверхности О, I м5/г.

5.0 4.0

3.0 2.0 1,0

20 25 30 35 40

Номограмма для определения коэффициента экологических условий жизнедеятельности . , бактерий.

Рис.2'. Результаты лабораторных исследований.

г 154

'-л

Данное уравнение служит рекомендованным значением дляч использования биохимического способа в промышленности.

Оценка эколого-экономической эффективности, выполненная на основе рекомендаций Госкомприроды и методиках ГКЗ по показателям .финансовой стоимости шлаконакоЦителя с учетом содержащихся в нем элементов и предотвращению экономического ущерба от уменьшения углистых веществ в. твердых отходах энергетики, которая в последнем случае составляет 0,048 млн. у.е./т

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе решена актуальная научная задача, связанная с разработкой биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах на предприятиях энергетической промышленности ТЭК и получены следующие основные выводы:

1. Топливно-энергетический комплекс РФ оказывает наибольшее влияние на состояние окружающей природной среды (загрязнение атмосферы 47,7%, выброс парниковых газов 70%, загрязнение вод 27%, накопление Твердых отходов 30%).

2. Углистые вещества в твердых отходах энергетики ограничивают их использование для получения продуктов народохозяйственного значения.

3. Одним из возможных способов снижения углистых веществ в отходах является их биохимическая деструкция, которая происходит в низкотемпературном режиме.

4. Эффективность процесса деструкции углистых веществ зависит от совокупного влияния экологических факторов: температуры, рН среды, гранулометрического состава твердых отходов, степени насыщения отходов бактериальной суспензией.

5. Средняя константа скорости биодеструкции углеотходов составляет 0,0345 сут*1.

6. Стендовые испытания биохимического способа с использованием чанового и кучного бактериального выщелачивания показали его техническую пригодность с достижением эффективности снижения углистых веществ в отходах на 62%.

7. Разработана методика прогноза эффективности способа и расчета времени его реализации с учетом исходной и ожидаемой концентрации углистых веществ в твердых отходах.

8. Выполнена оценка финансовой стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ, которая для шлаконакопителя объемом 1,6 млн.м5 составляет 331,24 млн. у.е. Эколого-экон.омическая оценка по. показателю предотвращенного ущерба вследствии, уменьшения углистых веществ в отходах составляет 0,048 млн. у.е./т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: . .

Б.Д.Сусленков, О.В.Казанцева, С.О.Проводникова «Методология взаимодействия предприятий ТЭК с окружающей средой».-U., 2000, -Деп. в МГГУ, 18.01.2000, №325.

Казанцева О.В., Проводникова С.О., Сусленков Б.Д. «Методические подходы к разработке модели оценки ' ' устойчивости взаимодействия в системе производство окружающая среда».--М.,2000, -Деп. в МГГУ, 18.01.2000, №322.

Б.Д.Сусленков, О.В.Казанцева, С.О.Проводникова «Низкотемпературные принципы нейтрализации ,

углеродсодержащих веществ на предприятиях ТЭК и металлургии».-М., 2000, -Деп. в МГГУ, 18.01.2000, №324.

Казанцева О.В.

«Проблемы взаимодействия предприятий ТЭК с окружающей средой».-М., 2000, -Деп. в МГГУ, 18.01.2000, №323.

Казанцева Ольга Викторовна (Россия)

«РАЗРАБОТКА БИОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА СНИЖЕНИЯ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТЭК, С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ»

Доля влияния ТЭК на окружающую среду (ОС) по прежнему остаетс: достаточно высокой и по сравнению с другими отраслями хозяйственно» деятельности достигает 67%.

Энергетическая промышленность оказывает наибольшее влияние Причем, наиболее значимым элементом влияния на ОС являются тверды« отходы, содержащие в себе до 14% углистых веществ вследствие неполной сгорания топлива.

Одним из возможных способов снижения углистых веществ в тверды? отходах является использование биохимических процессов, сущност! которых заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов npv низкотемпературном режиме осуществлять процесс деструкции сложны? углеводородных соединений до элементарного состава, с последующа синтезом из них новых веществ.

KAZANTSEVA OlGA VlCTOROVNA (RUSSIA)

"DEVELOPMENT OF A BIOCHEMICAL WAY OF DECREASE ОГ COAL SUBSTANCES IN FIRM WASTE OF A POWER INDUSTRY FPC, IN VIEW OF ECOLOGICAL SAFETY"

The share of influence FPC on an environment on former remains ratliei high and in comparison with other branches of economic activity reaches 67%.

The power industry renders the greatest influence. And, most considerable an element of influence on an environment are firm waste, containing in itself up to 14 % of coal substances owing to incomplete combustion of fuel.

One of possible ways of decrease of coal substances in firm waste is use ol biochemical processes, which essence consists in property of the certain kinds ol microorganisms at a low-temperature mode to carry out process of decomposing complex of carbo-hydrogenous connections up to elementary structure, with the subsequent synthesis from them of new substances.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Казанцева, Ольга Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

1.1. Общие сведения о топливно-энергетической отрасли Российской Федерации и ее влиянии на окружающую природную среду

1.2. Характеристика твердых отходов тепловых электростанций

1.3. Постановка научных исследований.

ВЫВОДЫ по главе 1.

Глава 2. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЕСТРУКЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ ЭНЕРГЕТИКИ.

2.1. Биодеструкция углеотходов.

2.2. Технологические направления реализации био деструкции углистых веществ в твердых отходах энергетики.

ВЫВОДЫ по главе 2. Г.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БИОДЕСТРУКЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1. Предпосылки лабораторных исследований.

3.2. Схема лабораторной установки.

3.3. Анализ результатов лабораторных исследований

ВЫВОДЫ по главе 3.

Глава 4. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БИОУТИЛИЗАЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ ЭНЕРГЕТИКИ.

4.1. Стендовые испытания технологии биохимической деструкции углистых веществ на основе процесса чанового выщелачивания.

4.2. Стендовые испытания технологии биохимической деструкции углистых веществ на основе кучного выщелачивания.

4.3. Анализ результатов стендовых испытаний биохимического способа.

4.4. Рекомендации по определению основных параметров управления биохимическим процессом деструкции углистых веществ.

4.5. Эколого-экономическая оценка шлаконакопителя и оценка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики.

ВЫВОДЫ по главе 4.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности ТЭК, с учетом экологической безопасности"

Актуальность работы. Современное развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК), который включает в себя ряд отраслей промышленности, в том числе: нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, газодобывающую, газоперерабатывающую, угольную и энергетическую характеризуется в связи с распадом СССР снижением их производительности, что отражается на ВВП (валовом внутреннем потреблении) - с одной стороны, и, с другой -уменьшением выбросов метаболитов производства по этой причине в окружающую природную среду в виде твердых, жидких и газообразных отходов.

Однако, несмотря на данные объективные причины, доля влияния ТЭК на окружающую среду (ОС) по прежнему остается достаточно высокой и по сравнению с другими отраслями хозяйственной деятельности достигает 67%.

Рассматривая структуру ТЭК по основным показателям влияния его на компоненты биосферы, мы вправе сделать вывод о том, что энергетическая промышленность оказывает наибольшее влияние. Причем, наиболее значимым элементом влияния на ОС являются твердые отходы, т.к. более 30% энергоустановок используют, в основном, твердое топливо (антрацит, каменные и бурые угли), содержащее в себе до 14% углистых веществ, вследствии неполного сгорания топлива.

Твердые отходы энергетического комплекса, представленные шлаком и золой, оказывают негативное влияние на состояние здоровья населения и компоненты биосферы. Данный факт объясняется тем, что накапливаемые твердые отходы энергетики складируются в виде шлаконакопителей, породных отвалов (конусообразной, хребтовой и плоской форм), а улавливаемая зола складируется в золонакопителях в основном в виде прудов-отстойников.

Основным направлением утилизации твердых отходов энергетики является возможность использования их для производства строительных материалов.

Однако, доля производства строительных материалов из данных отходов ограничена вследствии наличия в них непрореагировавших при сжигании углистых веществ.

Отсюда очевидно, что возникает необходимость в изыскании и разработке принципиально новых направлений по снижению углистых веществ в твердых отходах.

Одним из возможных способов снижения углистых веществ в твердых отходах является использование биохимических процессов, сущность которых заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до элементарного состава, с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат составу самой природы. Поэтому разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности является актуальной научной задачей.

Цель работы - разработать биохимический способ снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности для повышения эффективности использования техногенных ресурсов.

Идея работы - заключается в способности определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять деструкцию углеродсодержащих соединений на простые элементы с последующим синтезом из них новых веществ. Задачи исследований включают: выполнение анализа состояния накопления и использования твердых отходов в энергетике; проведение теоретических исследований протекания биохимических процессов деструкции углистого вещества; осуществление лабораторных и натурных экспериментов для определения параметров и режимов биотехнологий деструкции углистого вещества; выполнение эколого-экономической оценки способа.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. Биохимическая деструкция углистых веществ происходит по четырем основным фазам: первая фаза - гидролиз углистого вещества до жидких продуктов, вторая - метанобразование с частичным накоплением двуокиси углерода, третья - метанпотребление, сопровождающееся последовательным переводом метана в метанол, формальдегид, муравьиную кислоту и углекислый газ с накоплением при этом живых клеток метанобразующих и метанпотребляющих бактерий, четвертая фаза - фаза автолиза, характеризующаяся разложением клеток и образованием при этом гумусовых веществ.

Динамика изменения рН среды при биодеструкции углистого вещества подчиняется затухающему колебательному процессу в кислую сторону. Значения констант затухания процесса в щелочной и кислой зонах составляют с=0,81.

Наивысшая активность биодеструкции углистых веществ наблюдается при размере частиц шлака от 100 до 10 мкм, которые соизмеримы с размерами клеток.

Оптимальным соотношением твердой и жидкой фазой реализации биохимической деструкции углистого вещества является 1:4 (1 часть шлака, 4 части бактериальной суспензии).

Достоверность научных исследований обусловлена проведением теоретических, лабораторных и натурных исследований с учетом графоаналитического способа планирования экспериментов с оценкой надежности полученных результатов по общепринятым критериям статистических методов исследований.

Научная ценность работы состоит в разработке основных научно-практических положений по применению биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики.

Практическое значение работы заключается: в разработке рекомендаций для прогнозирования эффективности снижения углистых веществ в твердых отходах с учетом соотношений весовых частей бактериальной суспензии и отходов, а также биологических показателей константы скорости биодеструкции в процессах чанового и кучного бактериального выщелачивания; разработана номограмма для определения коэффициента экологических условий жизнедеятельности микроорганизмов при реализации способа; выполнена экономическая оценка финансовой стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ и определено снижение экологического ущерба при снижении углистых веществ в отходах.

Результаты внедрения: рекомендованные процессы чанового и кучного выщелачивания прошли стендовые испытания на отходах Шатурской ГРЭС-5.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Казанцева, Ольга Викторовна

ВЫВОДЫ по главе 4

Проведенные стендовые испытания технологий биоутилизации углистых веществ с использованием чанового и кучного выщелачивания позволили определить константы скорости протекания биохимических процессов (0,036 и 0,033 сут-1) соответственно.

Разработано уравнение для прогнозирования эффективности биохимического способа с учетом биотехнологических параметров.

Рекомендована формула для расчета общего времени реализации биохимического способа с учетом заданной эффективности.

Определена финансовая стоимость шлаконакопителя объемом 1,6 млн. м3 по показателям содержания в нем основных химических веществ, которая составляет 331,21 млн. у.е.

Определен предотвращенный экологический ущерб по снижению углистых веществ в отходах, который составляет 0,048 млн. у.е./т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научная задача, связанная с разработкой биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах на предприятиях энергетической промышленности ТЭК и получены следующие основные выводы:

1. Топливно-энергетический комплекс РФ оказывает наибольшее влияние на состояние окружающей природной среды (загрязнение атмосферы 47,7%, выброс парниковых газов 70%, загрязнение вод 27%, накопление твердых отходов 30%).

2. Углистые вещества в твердых отходах энергетики ограничивают их использование для получения продуктов народохозяйственного значения.

3. Одним из возможных способов снижения углистых веществ в отходах является их биохимическая деструкция, которая происходит в низкотемпературном режиме.

4. Эффективность процесса деструкции углистых веществ зависит от совокупного влияния экологических факторов: температуры, рН среды, гранулометрического состава твердых отходов, степени насыщения отходов бактериальной суспензией.

5. Средняя константа скорости биодеструкции углеотходов составляет 0,0345 суг1.

6. Стендовые испытания биохимического способа с использованием чанового и кучного бактериального выщелачивания показали его техническую пригодность с достижением эффективности снижения углистых веществ в отходах на 62%.

7. Разработана методика прогноза эффективности способа и расчета времени его реализации с учетом исходной и ожидаемой концентрации углистых веществ в твердых отходах.

8. Выполнена оценка финансовой стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ, которая для шлаконакопителя объемом 1,6 млн.м3 составляет 331,24 млн. у. е. Эко лого-экономическая оценка по показателю предотвращенного ущерба вследствии уменьшения углистых веществ в отходах составляет 0,048 млн. у.е./т.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Казанцева, Ольга Викторовна, Москва

1. Горная энциклопедия. Гл. ред. Е.А. Козловский. М.: Сов. энциклопедия. Т. 9, 1991.

2. Гос. доклад «О состоянии окружающей природной среды РФ». -М.: Госкомитет по охране окружающей среды, 1998.

3. Рихтер Л.А. Тепловые электрические станции и защита атмосферы.- М.: Энергия, 1975. 312 с.

4. Расчет выбросов загрязняющих веществ от котлов электростанции./Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 184 с.

5. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1986.- 255 с.

6. Смольчик Х.Г. Структура и характеристика шлаков. В кн.: Седьмой международный конгресс по химии цемента. Париж, 1980, т. 1, с. 3-177.

7. Сборник методик по определению загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

8. Вредные вещества в промышленности. Т. 1-2./Под ред. Лазарева H.B. М.: Химия, 1965. - 708 с.

9. Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч./Сборник методик расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 184 с.

10. Скиннер Б. Хватит ли человечеству земных ресурсов ! М.: Мир.- 1989. 262 с.

11. Эттингер И.Л. Необъятные запасы и непредсказуемые катастрофы.- М.: Наука, 1988. -174 с.

12. Повышение эффективности использования отходов электростанций/ Дубов И.В.// Энерг. стр-во. 1990. - №9. - С. 33-35.

13. Юровский А.З. Минеральные компоненты твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1968. - 214 с.

14. Жабо В.В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.

15. Беляева Л.В., Николаевский B.C. Влияние промышленных газов на рост побегов и ассимиляционные органы древесных растений.//

16. Научн. Труды Московского лесотехнического института. М., 1987, №188, С. 24-27.

17. Влияние энергетики на поверхностные воды. Vliv enrgetiky na povrchove/ Chytie Jvo, Cimbalnikova Barbora.//. Zprav/Vu palivoenry kompiexu. Praha, 1986. - C. 45-48.

18. Ромад Ф. Основы прикладной экологии. Воздействие человека на биосферу: Пер. с фр. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 543 с.

19. Айруни A.A., Су с ленков Б. Д. Оценка влияния породных отвалов на окружающую среду.//Горные машины, №5, 1967. С. 17-18.

20. Иванов Б.А. Инженерная экология. Л.: изд. ЛГУ, 1989. -208 с.

21. Тагасов В.И. Закрепление пылящих поверхностей. М.: Изд-во РУДН, 1996. - 108 с.

22. Адоньев С.М., Рудницкий Я.Н., Сикуляр И.Я. и др. Использование вторичных энергоресурсов и охлаждение агрегатов в горной металлургии. - М.: Металлургия, 1975, №4, С.6-10.

23. Гольдштейн Л.Я., Штейнерт И.П. Использование зол и шлаков при производстве цементов. Л.: Стройиздат, 1977, - 152 с.23а. Справочник по пыле и золоулавливанию. Под ред.

24. A.A. Русанова. М.: Энергоиздат, 1983. - 108 с.

25. Кочан Б.И. Редкие металлы: Состояние и перспективы. М.: Наука, 1979, - 356 с.

26. Рязанов И.В., Юдович Я.Э. К теории связи содержаний элементов-примесей в углях с зольностью углей.//Литология и полезные ископаемые, 1974, №6, С. 53-67.

27. Киряева Э.Е. Влияние добавки электротермофосфатных шлаков на процесс клинкерообразования и свойства цемента: Автореф. диссертации канд. техн. наук. Харьков, ХПИ, 1971. -125 с.

28. Элизом М.П., Васильков С.Г. Топливосодержагцие отходы промышленности производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1976. - 208 с.

29. Юровская Е.М. Микробиологическая очистка промышленных сточных вод. К.: Здоровье, 1984. - 460 с.

30. Калебакин В.Г. Бактериальное выщелачивание сульфидных минералов. Новосибирск.: Наука, СОАН СССР, 1978. - 243 с.

31. Нестеров А.И. Состояние и проблемы угольной микробиологии.//Эколого-экономические проблемы биотехнологии в горной промышленности. М.: ЦПВНТГО, 1990. - С 3-21.

32. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство. М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.

33. Рыбальский Н.Г., Лях С.П. Экобиотехнологический потенциал консорциумов микроорганизмов. М.: ВИНИТИ, 1990. - 178 с.

34. Дрындин В.А., Михина Т.В. Экологические аспекты биоконверсии твердых углеотходов в биогаз./ /Эколого-Экономическиепроблемы биотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО 1990, С. 113-126.

35. Нестеров А.И., Сусленков Б.Д. Теория и практика биотехнологии снижения метана в угольных шахтах./ Эколого-экономические проблемы биогеотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО, 1990. С. 21-55.

36. Перспективные биотехнологии в угольной промышленности /Красавин A.M., Катаева И. В., Лелеко В. А. и др. М.: ЦНИЭИуголь, 1992. - 111 с.

37. Малек И., Фенцл 3. Непрерывное культивирование микроорганизмов. М.: Пищевая промышленность, 1968. - 343 с.

38. Нестеров А.И. Состояние и проблемы угольной микробиологии/ Эколого-экономические проблемы биогеотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО, 1990. С. 3-21.

39. Малков Н.В. Разработка способа получения энергоносителя из углекислого вещества отходов угольной промышленности на основе биотехнологии./ Автореф. канд. диссерт. М.: Фонды РУДН, 1992. - 16 с.

40. Golle Е., Uber die selbstentzundung der Steinkohle./ Zentralbl. Bacteriol. Parasikenk. 1910. Vol 28. P. 461-473.

41. Farrell M.A., Turner H.G. Bacteria in anthracite coal./ Bacterioll. 1932. Vob.23. P. 155-162.1.l

42. Богданова В.И., Могилевскнй Г.А., Телегина Э.П. Зональность распространения микроорганизмов в водах и породах различных осадочных бассейнов./ Микробиол. пром. 1977. №3. С. 6-9.

43. Нестеров А.И., Иванов М.В. Экология метанотрофных бактерий./ Успехи микробиол. 1983. Вып. 10. С. 3-19.

44. Ward В. Lignite-degrading fungi isolated from a ucathered auterop./ System. Appl. Microbiol. 1985. V. 6, P. 236-238.

45. Scott C.D., Strandbergt G.W., Lewis S.N. Microbial solubiliration of coal/ Biotechnol. Prog. 1986. V. 2. P. 131-139.

46. Ackerson M.D., Jonson N.L. Biosolubiliration and liquid fuel prodaction from coal/ Appl. Biochem. And Biotechnol. 1990. V.24-25. P. 913-928.

47. Райхерт Н.Л. Исследование органо-минеральных удобрений из углеотходов для восстановления растительного слоя, нарушенного разработкой угля. М.: деп. ЦНИЭИуголь, №5625/4, 1998. -С. 1-5.

48. Назаренко А.В. Особенности жизнедеятельности метанокисляющих бактерий в условиях контакта с каменным углем, (канд. диссерт. -М.: фонды МГУ, 1974. 125 с.

49. Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез.- М.: Медицина, 1969. 360 с.

50. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. Учебн. пособие.- М.: Изд-во МГУ, 1989. 294 с.

51. Занина И.А. Совершенствование процесса биоконверсии углеотходов в энергоносителе посредством биологически активного комплекса. / Канд. диссерт. М.: фонды РУДН, 1995. - 2 6 с.

52. Gupta Р.К. Spiher J.К., Grawford D.L. Biotransformation of coal by ligninolytic strepfomyces./ Can. J. Microbiol 1988. V. 34. P. 667-674.

53. Трингер К.С. Биология и информация. Элементы биологической термодинамики. М.: Наука. 1964. - 268 с.

54. Сусленков Б.Д. Исследование и разработка параметров микробиологического воздействия на угольный пласт в непрерывном режиме с целью управления его состоянием./ Канд. диссерт. М.: фонды МГГУ, 1976. - 226 с.

55. Иванов М.В. Микробная биотехнология./ Биотехнология металлов. М.: Центр межд. проектов ГКНТ, 1985. С. 369-391.

56. Нестеров А.И.,, Сусленков Б.Д. Старовойтова Г.А. Оптимизация питательного минерального раствора для метанокисляюгцих бактерий./ Прикладная биохимия и микробиология. Т IX, вып. 6, АН СССР. М., 1973.

57. Физическая энциклопедия/ Гл. Ред. A.M. Прохоров. М.: Большая Российская энциклопедия Т 1-5. 1992. - 3060 с.

58. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 267 с.

59. Дж. Росси. Методы выщелачивания. Биогеотехнология металлов.- М.: Центр межд. проектов ГКНТ, 1989. С. 94-108.

60. Якимова Т.И., Маркин В.Е.,, Мальченко A.B. Внутридиффузионная динамика адсорбции растворенных веществ неоднородно-пористыми активными углями./ Химия и техно л. Воды, 1988 -10, №4.

61. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.- 340 с.

62. Математическое моделирование в химической технологии. М.: Химия, 1971. 108 с.

63. Зайцева H.H., Колпакова Г.П., Манакова В.Я. Исследование химической активности руд методом низкотемпературного окисления. Горный журнал. Известия ВУЗов №4, 1975.

64. Кассандровак О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 103 с.

65. Корешков Н.Г., Скакун Т.О. Технологии чанового бактериального выщелачивания в различных режимах культивирования бактерий. Биотехнология металлов. Центр международных проектов ГКНТ.- М.: 1989. С. 188-193.

66. Дж. Росси. Подземное кучное выщелачивание в отвалах. Биотехнология металлов. Центр международных проектов ГКНТ.- М.: 1989. С. 228-327.114

67. Теории подобия и размерностей. М.: Наука, 1968. - с. 366.

68. Пособие по составлению раздела проекта (рабочего проекта) «Охрана окружающей природной среды», (к СНиП 1.02.01-85).- М.: ЦНИИпроект, 1988. 187 с.

69. Харченко В.А. и др. Организация, планирование и управление природопользованием в горной промышленности. М.: Недра, 1990.- 240 с.

70. Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Экологический паспорт промышленного предприятия. Основные положения. ГОСТ 17.0.04 -90. М.: Госкомитет СССР по охране природы, 1990. - 36 с.