Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих методов оценки и восстановления нарушенных территорий 10
1.1. Виды, состав и свойства ШВХ, а также условия их размещения в геосреде 11
1.2. Существующие методы обработки шламов водного хозяйства перед их размещением в геосреде 16
1.3. Существующие методы утилизации ШВХ 25
1.4. Существующие методы оценки состояния нарушенных территорий 28
ГЛАВА 2. Методическое обеспечение геоэкологической оценки и восстановления территорий, нарушенных накопителями ШВХ 36
2.1. Накопители ШВХ, используемые в качестве объектов исследования 36
2.2. Подходы к оценке геоэкологического состояния и аппарат обработки экспериментальных данных 40
2.3. Методическое обеспечение исследования ГКО 47
2.4. Методическое обеспечение исследования минерализации шламов 52
2.5. Методическое обеспечение исследований по упрочнению ШВХ 57
ГЛАВА 3. Геоэкологическая оценка территорий с применением анализа многомерных данных 62
3.1. Оценка геоэкологического состояния территорий при помощи МГК 62
3.2. Верификация результатов МГК и поэтапный отбор накопителей ШВХ, как источников сырья для производства ГРМ
3.2.1. Геоэкологический критерий отбора 70
3.2.2. Ресурсно-технологический критерий отбора 73
3.2.3. Геомеханический критерий отбора 75
3.3. Интерпретация состояния шламового образования в виде цифровых матриц и 3-D модели 76
ГЛАВА 4. Исследование методов восстановления геосреды и обработки шламовых образований 79
4.1. Технологические подходы к восстановлению геосреды и утилизации шламовых образований 79
4.2. Геоконтейнерное обезвоживание 80
4.3. Минерализация шламов, содержащих органическое вещество 85
4.4. Повышение прочности шламовых образований 90
Выводы по главе 4 92
ГЛАВА 5. Изучение прочностных свойств шламов и обоснование направлений восстановления геосреды 94
5.1. Разработка технологической схемы поэтапной обработки шламов в ГРМ 95
5.2. Реализация методов восстановления территорий в промышленных условиях 97
5.3. Направления восстановления геосреды в зависимости от свойств ГРМ 104
5.4 Строительно-технологическое оформление и технико-экономическая оценка комплекса производства ГРМ 109
Выводы по главе 5 114
Заключение 115
Список сокращений 117
Библиографический список
- Существующие методы утилизации ШВХ
- Подходы к оценке геоэкологического состояния и аппарат обработки экспериментальных данных
- Верификация результатов МГК и поэтапный отбор накопителей ШВХ, как источников сырья для производства ГРМ
- Минерализация шламов, содержащих органическое вещество
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Деятельность ЖКХ и промышленных предприятий сопровождается формированием накопителей шламов водного хозяйства (ШВХ), включающих шламы химводоочистки котельных, осадки подготовки питьевой и технической воды, шламы оборотного водоснабжения. Суммарная площадь шламовых образований накопителей и созданных под их влиянием природно-техногенных ландшафтов составляет сотни гектар. Помимо выведения из строительно-хозяйственной деятельности значительных территорий, накопители шламов оказывают комплексное негативное воздействие на геологическую среду.
Как правило, восстановление подобных территорий ограничивается изоляцией поверхности шламового образования, что снижает его воздействие на геосреду, но не возвращает территорию в строительно-хозяйственную деятельность. Восстановление нарушенных накопителями территорий предпочтительно с ликвидацией шламовых образований, однако известные направления утилизации ШВХ сопряжены с необходимостью глубокой обработки и не применимы для шламов из накопителей. В то же время восстановление территорий в большинстве случаев требует использования привозных грунтов, взамен которых возможно использование грунтоподобных рекультивационных материалов (ГРМ) на основе шламов из накопителей после обработки и соответствующей геоэкологической оценки. В настоящее время оценка территорий сводится к выполнению инженерных изысканий, которые не рассматривают все геоэкологические аспекты размещения шламов в окружающей среде, потребности восстанавливаемой территории в рекультивационных материалах, структурную неоднородность шламовых образований, требующую поиска универсальных методов обработки.
Таким образом, актуальной задачей является разработка научно обоснованной методики геоэкологической оценки территорий, нарушенных накопителями, и их восстановление с применением рекультивационных материалов на основе шламов водного хозяйства.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие методов оценки и восстановления нарушенных территорий внесли отечественные ученые: Д.Е. Быков, Я.И. Вайсман, М.В. Графкина, Е.А. Гудкова, В.В. Гутенев, И.М. Евграфова, В.Н. Коротаев, И.И. Мазур, О.О. Новикова, А.Д. Потапов, А.М. Сафаров, Л.Б. Сватовская, Т.Г. Середа, М.Ю. Слеса-рев, Д.Ю. Ступин, О.В. Тупицына, Е.В. Щербина и др. Проблемам обращения со шламовыми отходами и непосредственно ШВХ посвящены работы Р.Я. Аграноника, А.С. Керина, В.М. Любарского, И.С. Туровского, Б.Н. Фрога, Г.Г. Ягафаровой, С.В. Яковлева и многих других.
Оценка территорий, нарушенных накопителями ШВХ, связана с производством трудоемких и длительных инженерных изысканий (бурение, отбор и анализ образцов). Сократить затраты на изыскания, стоимость проектных и рекультивационных работ возможно с применением современных методов пофрагментной оценки накопителей с использованием моделирования и анализа многомерных данных. Подобные методы применительно к накопителям изучены недостаточно. Отсутствует подход к оценке накопителей, как многокомпонентных систем, направленной на выбор универсальных методов обработки для утилизации шламовых образований в качестве ГРМ восстановления нарушенных территорий.
Обработка шламов, в общем виде, требует применения капитальных и энергоемких цехов центрифугирования, фильтр-прессования, термической сушки, сжигания, компостирования, брикетирования и частично реализуется непосредственно на сооружениях водоподготовки. В условиях накопителей более рациональным выступает применение универсальных методов обработки: гравитационного обезвоживания через мембраны односторонней проводимости - геоконтейнерного обезвоживания (ГКО), а также слоевой аэробной минерализации. Кроме того, актуальна совместная обработка ШВХ с отходами, сопутствующими водному хозяйству - зо-лошлаковыми отходами (ЗШО) и шламами оборотного водоснабжения (ШОВ). Данные методы могут быть реализованы непосредственно на поверхности накопителя. При этом восстановление нарушенных территорий сопряжено с созданием на основе накопителей шламов специализированных предприятий по производству грунтоподобных рекультивационных материалов.
Целью настоящей работы является геоэкологическая оценка и методы восстановления территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства, с ликвидацией негативных воздействий шламового образования и одновременной утилизацией отходов в качестве грунто-подобных рекультивационных материалов.
Основные задачи работы:
-
Обзор и анализ существующих методов оценки нарушенных территорий и их восстановления с использованием рекультивационных материалов.
-
Геоэкологическая оценка территорий, нарушенных накопителями ШВХ, как объектов восстановления и потенциальных источников сырья производства грунтоподобных рекультивационных материалов.
-
Изучение технологических особенностей и совершенствование обработки ШВХ с использованием методов геоконтейнерного обезвоживания и слоевой минерализации.
-
Исследование прочностных свойств шламов на разных стадиях обработки и определение возможности использования в качестве рекультивационных материалов, применяемых в различных направлениях восстановления нарушенных территорий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана научно обоснованная методика геоэкологической оценки территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства, для их освоения в качестве производств рекультивационных материалов, используемых при восстановлении нарушенной геосреды.
-
Впервые применен при геоэкологической оценке территорий, нарушенных накопителями, анализ многомерных данных, который позволил определить возможность их вовлечения в строительно-хозяйственную деятельность с созданием производств грунтоподобных рекультивационных материалов для восстановления геосреды.
-
Предложены методы интенсификации процессов обработки шламов водного хозяйства, включающие обезвоживание с золошлаковыми отходами и минерализацию со шламами оборотного водоснабжения.
-
Выявлены зависимости прочностных свойств шламов на разных стадиях обработки и обоснована возможность использования рекультивационных материалов в различных направлениях восстановления геосреды.
Объект исследования. Геоэкологическая оценка и методы восстановления территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства.
Предмет исследования. Геоэкологическая оценка и методы восстановления территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства, с ликвидацией негативных воздействий шламового образования и одновременной утилизацией отходов в качестве грунтоподобных рекультивационных материалов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Исследованные процессы обезвоживания и минерализации шламов водного хозяйства расширили научное представление о водоотдающих свойствах осадков и биохимическом разложении органо-минеральных отходов.
Предложенная в работе методика оценки позволила определить состояние более 20 накопителей ШВХ Самарской области с позиции возможности восстановления и строительно-хозяйственного освоения нарушенных территорий.
Методы интенсификации процессов геоконтейнерного обезвоживания и слоевой минерализации позволяют восстанавливать территории с минимальным воздействием на компоненты геосреды.
Исследованные зависимости изменения прочностных свойств грунтоподобных рекультивационных материалов на основе шламового сырья позволили обосновать их применение для различных направлений восстановления нарушенной геосреды.
Практическая реализация работы. Исследования по обработке шламов водного хозяйства из накопителей, а также вновь образующихся шламов легли в основу создания регламента обращения с отходами водного хозяйства АО «Куйбышевский НПЗ» с конструктивно-технологическим оформлением комплекса производства ГРМ непосредственно на поверхности
накопителя шламов водного хозяйства. Полученный расчетный среднегодовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии составляет 6,812 млн.руб./год в ценах 2012 года.
Методология и методы исследований. Исследования проведены с использованием современных методов анализа многомерных данных, верифицированных при помощи поэтапного критериального отбора, матрично-цифровой интерпретации данных и трехмерного моделирования, а также известных методов многофакторного математического анализа.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная методика геоэкологической оценки территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства, и методы их восстановления с созданием комплексов производства ГРМ.
-
Примененный при геоэкологической оценке территорий, нарушенных накопителями шламов водного хозяйства, анализ многомерных данных.
-
Предложенные методы интенсификации и результаты исследований методов обработки шламов водного хозяйства, включающие обезвоживание, минерализацию и упрочнение.
-
Выявленные зависимости изменения прочностных свойств шламов при последовательной обработке и обоснование возможности их использования для восстановления геосреды.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты работы получены автором лично. Лабораторные и промышленные испытания выполнены при участии автора во время работы в Научно-аналитическом центре промышленной экологии ФГБОУ ВПО «СамГТУ» в должности инженера-эколога. Основная часть диссертационных исследований проведена в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: «Разработка комплексной технологии обезвоживания и конверсии шлама в рекультивационно-строительный материал» (50-10/10-0620-НИОКР), «Разработка технологии утилизации шлама оборотного водоснабжения» (293/11/11-0476-2-НИОКР-1) для АО «Куйбышевский НПЗ». Часть задач была решена при поддержке Министерства Образования и Науки РФ в рамках базовой части государственного задания № 2014/199 в сфере научной деятельности: «Разработка ресурсосберегающих технологий утилизации отходов производства и потребления».
Достоверность полученных результатов. Исследования проведены в объеме, допускающем погрешность результатов не более 5% при доверительной вероятности - 0,95. Изучение зависимостей обработки шламов проводили с использованием как лабораторного, так и промышленного оборудования. Все анализы проведены в аккредитованных лабораториях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на III Международном экологическом конгрессе (V Международной научно-технической конференции) «Проблемы и инновационные решения в области инженерного обеспечения экологической и промышленной безопасности», Тольятти, 2011; 69-ой Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2012; III Международном конгрессе «Чистая вода. Казань», Казань, 2012; 70-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика», Самара, 2012; IX и X Международных научно-практических конференциях «Ашировские чтения», Туапсе, 2012, 2013; XV International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2014», Zvenigorod, 2014.
Материалы работы используются автором в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий по курсам «Геоэкология» и «Промышленная экология», а также в курсовом проектировании при подготовке студентов по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 152 листах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений, библиографического списка из 245 наименований, содержит 24 рисунка, 20 таблиц и 4 приложения.
Существующие методы утилизации ШВХ
Увеличение объемов шламов потребовало создания на станциях подготовки воды сооружений обработки и размещения шламов [75, 199]. Появление цехов механического обезвоживания было вызвано дефицитом земельных ресурсов. Первыми сооружениями обезвоживания шламов на ВОС были установки вакуум-фильтрации [80, 191]. Проектная стоимость подобных сооружений составляла до 30% от общей стоимости насосно-фильтровальной станции. Вакуум-фильтрация шламов требует использования хлорного железа, обладающего коррозионными свойствами [107]. Постоянный срыв вакуума и необходимость замены фильтрующего полотна послужили причиной отказа от вакуум-фильтров для обезвоживания шламов. Метод вакуум-фильтрации применялся, в основном до 80-х годов XX века на КОС для обработки осадков сточных вод [107].
Следующим этапом обработки ШВХ выступило использование центрифуг и фильтр прессов [3, 191]. Центрифугирование применялось, в основном, для обезвоживания шламов с низким содержанием беззольного вещества, а фильтр 17 прессование для шламов органической природы [80, 191]. В Европе данные методы получили распространение, как предварительный этап подготовки к длительному хранению шламов.
Учитывая низкую водоотдачу, предполагалось кондиционирование шламов с помощью присадок, а также периодического искусственного замораживания и оттаивания [80, 191]. Данный метод энергозатратен и требует дополнительной обработки отжимной воды.
Одним из направлений подготовки шламов перед утилизацией выступает термическая обработка. К сооружениям термообработки относят вакуум-выпарные установки и сушильные аппараты [56, 69, 71, 198, 213]. Распространенными методами термического воздействия на ШВХ за рубежом являются сжигание и пиролиз в температурном диапазоне от 400 до 800оС. Последний метод наиболее применим для шламов органической природы в случае получения на их основе ценных продуктов: пирокарбона, кокса, смол, присадок и др. [26, 79]. Термические методы обработки ШВХ энергозатратны и сопровождаются дополнительным негативным воздействием на окружающую среду. Примером служит установка термосушки [96]. Шламы с влажностью 97,0-99,0 % направляются в сушильный аппарат, где обрабатывается до влажности 5,0 - 15,0 %, однако, подобные сооружения потребляют до половины от всей энергии, отпускаемой водопроводным очистным сооружениям и водоподготовительным установкам.
Сжигание - один из распространенных методов обработки шламов в США и других развитых государствах, которые отказываются от захоронения отходов. Однако в этом случае возникает проблема очистки газовых выбросов, а необходимость депонирования отходов не исчезает, так как остается минеральная часть шлама [96].
Перспективным методом подготовки ШВХ к утилизации выступает геоконтейнерное обезвоживание. Метод наиболее актуален на площадках рекультивируемых накопителей, удаленных от развитой транспортно-технологической инфраструктуры. ГКО включает обезвоживание мелкодисперсных суспензий в замкнутых фильтрующих оболочках на основе полимерного полотна односторонней проводимости [2, 11, 106, 133, 186, 216, 217, 223]. Обезвоживание суспензий при ГКО происходит под действием гравитационных сил и испарения влаги с поверхности контейнера. По сравнению с механическим обезвоживанием на вакуум, пресс-фильтрах или центрифугах, ГКО-технологию отличают низкие энергозатраты и отсутствие металлоемких механизмов. Выделяемый в процессе ГКО фильтрат характеризуется пониженным содержанием загрязняющих веществ из-за дополнительной очистки, слоем, постепенно намываемым на внутренней поверхности оболочки. ГКО-метод применятся, в основном, для обработки осадков станций аэрации, озерных илов, а также буровых шламов [2, 11, 106, 186, 216, 217, 223,].
В отличие от большинства рассмотренных отходов, ШВХ обладают иным и зачастую более широким диапазоном структурно-механических и химических свойств. Это вызвано сезонными колебаниями состава ШВХ, особенностями технологии водоподготовки и различным составом и типами сооружений. Тонкодисперсная структура ШВХ, приближает их свойства к труднофильтруемым суспензиям [80]. Минеральная составляющая ШВХ, в отличие от буровых шламов, донных или активных илов станций аэрации, имеет более широкий диапазон содержания беззольного вещества, что связано с сезонным цветением водоемов или, наоборот, подавлением биологических процессов в холодное время года. Указанные обстоятельства могут, как способствовать, так и затруднять обработку ШВХ в геоконтейнерах. Между тем, сведения об условиях обработки, кинетике геоконтейнерного обезвоживания, минерализации и упрочнения ШВХ в существующей литературе отсутствует. Также не представлена информация о конструктивно-технологическом оформлении данных технологий в условиях территорий, нарушенных накопителями ШВХ, когда предполагается их освоение с переводом в комплексы производства ГРМ.
Обезвоживание выступает в качестве предварительного этапа утилизации шламов и на большинстве водоподготовительных станций оно является единственным методом их обработки. Учитывая наличие большого количества беззольного вещества в ШВХ вторым, после обезвоживания, этапом обработки выступает минерализация.
Известно, что наличие органического вещества в грунтах природного и техногенного происхождения снижает их прочностные свойства, как оснований для строительства [160].Для примера в табл. 1.1 представлены данные корреляции значений содержания беззольного вещества и отдельных прочностных характеристик.
Подходы к оценке геоэкологического состояния и аппарат обработки экспериментальных данных
Новые переменные ta называются главными компонентами. Число столбцов – ta в матрице T, и pa в матрице P, равно A, которое называется числом главных компонент. Эта величина заведомо меньше числа переменных J и числа образцов I.
МГК можно интерпретировать как проекцию исходных данных X на пространство меньшей размерности A. Набор ti из I векторов-строк (размерностью A), составляющих матрицу T, представляет проекции исходных образцов (J – мерных векторов x1,…,xI) на новое подпространство (А-мерное). Строки t1,…,tI матрицы T – это координаты образцов в новой системе координат.
Матрица нагрузок P – это матрица перехода из исходного пространства переменных x1, …xJ (J-мерного) в пространство главных компонент (A-мерное). Каждая строка матрицы P состоит из коэффициентов, связывающих переменные t и x (2.1). Например, a-я строка – это проекция всех переменных x1, …xJ на a-ю ось главных компонент. Каждый столбец P – это проекция соответствующей переменной xj на новую систему координат.
Набор ta из A векторов-столбцов матрицы T представляет проекцию всех образцов на a-ю ось главных компонент. В результате преобразования появляется возможность представить сложные данные о накопителях в более простом виде, так чтобы исследователь смог «увидеть» результаты экспериментов в простой графической интерпретации.
На графике счетов (рис. 2.4) каждый образец изображается в координатах (ti, tj). Чаще всего используют первые две ГК – (t1, t2). Близость двух точек-образцов на таком графике означает их схожесть, т.е. положительную корреляцию. Точки, расположенные под прямым углом, являются некоррелированными, а расположенные диаметрально противоположно – имеют отрицательную корреляцию.
График нагрузок применяется для исследования роли переменных. На нем каждая исходная переменная отображается точкой в координатах (pi, pj), например (p1, p2). Анализируя его аналогично графику счетов, можно понять, какие переменные связаны, а какие независимы.
В основе пошаговых вычислений главных компонент лежит NIPALS-алгоритм, который на каждом шагу вычисляет одну компоненту [226]. Сначала исходная матрица X преобразуется (например, центрируется) и превращается в матрицу E0, при a=0. Далее применяют алгоритм, основанный на выборе начальных векторов и проверке сходимости.
Декомпозиция матрицы X является последовательным, итеративным процессом, который можно оборвать на любом шаге a=A. Получившаяся матрица -Х =ТРt отличается от матрицы X. Разница между ними Е = Х - Х называется матрицей остатков. Перед выполнением декомпозиции, матрица X должна быть преобразована с помощью центрирования и/или нормирования [212]. Целью такой предварительной подготовки является преобразование исходных данных в форму, наиболее удобную для анализа. Центрирование - это вычитание из исходной матрицы X матрицы M, т.е. X =X–M. Обычно центрирование проводится по столбцам: для каждого вектора xj вычисляются среднее значение.
Число главных компонент, A, выбирается с использованием различных критериев. Одним из них является величина объясненной дисперсии, которая вычисляется по матрице остатков E.
Величина объясненной дисперсии обычно изображается на графике в зависимости от числа главных компонент; тогда ее резкое изменение указывает на нужное значение числа главных компонент A.
Практическое применение МГК при отнесении объектов исследования к выделенной области освоения представлено в разделе 3.1.
МГК является объективной системой оценки и классификации накопителей. Однако формализация, заложенная в его основу, не учитывает такие значимые особенности, как условия расположения, присутствие неоднородных фрагментов в шламовом образовании, ресурсные возможности по потенциальному сырью и возможность использования в качестве основания для строительства объектов пониженного уровня ответственности. В связи с этим, помимо использования аппарата многомерных данных для оценки пригодности накопителей к освоению, предлагается система их поэтапного отбора и метода матрично-цифровой интерпретации техногенных образований. Поэтапный отбор проводится с использованием геоэкологического, ресурсно-технологического и геомеханического крите 47 риев (см. материалы раздела 3.2 настоящей работы). Разработка данных критериев проведена с использованием известной методологической базы оценки состояния ПТС адаптированной к накопителям ШВХ, как частным случаям нарушения геосреды объектами размещения отходов [58, 185, 204].
После прохождения накопителем критериального отбора необходимо его детальное исследование с выявлением неоднородных фрагментов. Результаты данных исследований предлагается представлять в виде цифровых матриц состояния и 3-D моделей. Такой способ представления данных позволяет эффективно принимать решения в части методов и последовательности производства работ по обработке и утилизации шламов [61, 150].
Состояние шламового образования в процессе пребывания в выемке с использованием матрично-цифрового метода оценивалось по показателям влажности и содержания беззольного вещества. Определение вышеперечисленных показателей производили известными методами анализа образцов с разных глубин шламона-копителя.
Бурение шурфов с отбором образцов на объектах исследования осуществляли в теплое время года с учетом требований [153]. Содержание беззольного вещества, влажность и плотность определяли по стандартным методикам [42, 45, 84, 85, 117].
Результатом аналитического исследования явились цифровые матрицы шламового образования, которые легли в основу создания трехмерной модели основного объекта исследования (шламонакопитель ТЭЦ Куйбышевский №1), представленной в Разделе 3.3.
Верификация результатов МГК и поэтапный отбор накопителей ШВХ, как источников сырья для производства ГРМ
Предлагаемая технология ГКО шламов в смеси с ЗШО, как отходами производств, сопутствующих водной индустрии, могут быть применена для производства большого набора материалов восстановления нарушенной геосреды. При этом в процессе обработки такие свойства материала, как консистенция, плотность и другие геомеханические характеристики приобретают подобие с аналогичными свойствами природных грунтов.
Одним из основных аспектов применения технологии ГКО для обезвоживания ШВХ является его относительно малые капитальные и энергетические затраты. Это позволяет применять данную технологию в условиях удаленных накопителей, на территориях с ограниченной производственной инфраструктурой.
Целью исследований ГКО являлось изучение возможности производства однородных ГРМ из шламов различного генезиса, полученных различными методами обработки поверхностных и подземных вод: механическим отстаиванием, реагент-ной обработкой в присутствии коагулянтов и флокулянтов, ионообменной очисткой.
В исследованиях использованы как свежие шламы, так и образцы различных продолжительностей пребывания в накопителях, подвергнутые многократному промораживанию и оттаиванию, а также вторичному обводнению поверхностным стоком (табл. 2.4).
В ходе проведения исследований по геоконтейнерному обезвоживанию решались следующие задачи: 1. Изучение интенсивности обезвоживания различных образцов шламов. Выделение стадий обезвоживания и определение их продолжительностей; 2. Определение рационального диапазона массовых соотношений «ШВХ – кондиционирующая добавка» для последующего обезвоживания шламовых смесей; 3. Исследование готовности обезвоженных шламов к утилизации или к дополнительной обработке;
Первым этапом исследований выступало определение водоотдающей способности исходных образцов шламов без внесения кондиционирующей добавки. Процесс обезвоживания шламов в лабораторном геоконтейнере для различных шламов представлен на рис. 4.1.
Эффект обезвоживания в лабораторном геоконтейнере для различных образцов шламов (Т=20-25 оС). Условные обозначения: 1.1 – 8.1 – номер серии эксперимента (табл. 2.4); I, II, III – стадии обезвоживания. На графике выделено три стадии обезвоживания: I - стадия интенсивного обезвоживания (свободное обезвоживание под действи ем гравитационных сил); II - стадия стесненного обезвоживания (интенсивное водоотделение прекращает ся, движущей силой процесса обезвоживания выступает испарение с поверхности фильтрующей оболочки). На данной стадии материал постепенно приобретает пла 82 стические свойства при достижении влажности близкой к влажности на границе текучести; III - стадия пластификации, характеризующаяся постепенным изменением консистенции грунта из текучепластичного к твердому состоянию.
На первой стадии отделяется свободная вода с эффектом снижения влажности – (20,0-55,0)±5,0%. Наиболее интенсивно обезвоживание на первой стадии характерно для образцов минеральных шламов (образцы 5, 6, табл. 2.3), а также для ШВХ многолетнего пребывания в накопителе (образец 8, табл. 2.3). Для органо-минеральных шламов, сформированных при обработке воды коагулянтом на основе сульфата алюминия (образцы 2 и 4, табл. 2.3), эффект снижения влажности составил не более (45±5,0%). Это объясняется коллоидной гелеобразной структурой шлама, сплошностью его дисперсной фазы, которая препятствует свободному отделению воды, содержащейся в ячейках геля.
Продолжительность стадии стесненного обезвоживания в лабораторном эксперименте составляла для минеральных шламов и ШВХ из бездействующего накопителя от 5 до 7 сут. (образцы 5, 6, 8, табл. 2.3); для шламов, образованных при обработке воды железным купоросом, и ШВХ из действующего накопителя - от 7 до 8 сут.
На стадии стесненного обезвоживания эффект снижения влажности на 7 сутки составил для легкофильтруемых минеральных шламов – 60-65 %; для ШВХ на железа и шлама из действующего накопителя – 50-55%, а для шламов содержащих алюминий – 40 %.
В шламе, отобранном из накопителя с временем пребывания от 1-3 мес. (образец 7, табл. 2.3), обезвоживание в геоконтейнере происходило со средней интенсивностью. Это связано со смешением шламов различной природы в накопителе, а также увеличением водоотдающих свойств, обусловленным «старением» ШВХ, перепадами температур, дополнительным обводнением атмосферными осадками с вымыванием мелкодисперсных фракций из твердой фазы.
Наиболее интенсивно, отделение механически связанной воды произошло в образцах шламов, сформированных при ионообменной доочистке воды и последова 83 тельно прошедшей механическую и физико-химическую обработку. Также следует отметить влияние органического вещества на процесс обезвоживания. Так, глубина обезвоживания у шламов минеральной природы, образованных в зимнюю межень (образцы 1 и 2, табл. 2.3) больше (до 5 %), чем у их органо-минеральных аналогов периода весеннего половодья и летнего цветения, включающих беззольное вещество в количестве до 55 % (образцы 3 и 4, табл. 2.3). Это обусловлено высокой влагоем-костью частиц органического происхождения, высокой площадью их гидратных оболочек и кольматажем пор геотекстильной мембраны.
График обезвоживания ШВХ из действующего накопителя с низкими фильтрационными характеристиками и его смесей с кондиционирующей добавкой (образцы 7.1 - 7.5, табл. 2.3) приставлен на рис. 4.2. Графики обезвоживания «свежих» минеральных и органо-минеральных шламов с низкой водоотдающей способностью и их кондиционированных смесей (образцы 2.1 - 2.5 и 3.1 - 3.5, табл. 2.3) представлены на рис. П6 и рис. П7 в Приложениях.
Минерализация шламов, содержащих органическое вещество
Определяющей выступает первая фаза минерализации (фаза индукции). Чем быстрее происходит развитие неспороносной мезофильной микрофлоры-инокулята, тем интенсивнее разложение органики на стадии II и тем короче ее продолжительность [28].
Строго определить продолжительности стадии дозревания для различных образцов не удалось, в связи с замедлением биохимических процессов в смесях, где произошло исчерпание доступного субстрата. Однако, практически во всех образцах, на 40-45 сутки наблюдения график минерализации приобретает вид трактрисы, асимптотически приближающейся к оси абсцисс, что свидетельствует о затухании процесса разложения органики.
Степени распада беззольного вещества за время наблюдения (60 сут.) составили 15-85%, причем наибольшие значения наблюдаются при максимальных дозах ШОВ. При этом наиболее интенсивно биодеструкция проходила при дозах ШОВ-инокулята в диапазоне соотношений 1:0,05 (0,1), что соответствовало стартовой дозе микрофлоры-редуцента в пределах 108 кл/кг. Снижение дозы ниже 1:0,05 увеличило продолжительность минерализации с сократило степень распада до 30-50%. Увеличение стартовой дозы ШОВ 1:0,07 не привело к существенному уменьшению продолжительности обработки при окончательном эффекте распада беззольного вещества не отличающегося от рациональных доз. Это объясняется пределом роста микробиальной популяции редуцирующей микрофлоры, конкуренции, самоокисления, а также исчерпанием субстрата.
В контрольных образцах проб (серии экспериментов 2.1, 3.1 и 4.1 в табл. 2.6) без внесения ШОВ также наблюдалась частичная минерализация. Это объясняется частичным самоокислением и разрушением структуры клеток микроорганизмов и остатков высшей водной растительности (основной шламоформирующий фрагмент).
Наиболее интенсивно минерализация происходила в образцах шлама из действующего накопителя (рис. 4.3) и его обезвоженных смесей с ЗШО (рис. П8, Приложение В) со достижением степени минерализации 85%. Разложение органики в данных пробах характеризуется наибольшей степенью распада беззольного вещества, минимальными продолжительностями фаз индукции и интенсивной биодеструкции. Повышенная степень минерализации в образцах ШВХ в смеси с ЗШО по всей видимости связана с благоприятными аэрационными характеристиками смеси с более крупнодисперсными частицами ЗШО. Менее интенсивно минерализация проходила в шламах из бездействующего накопителя (рис. П9, Приложение В). Это объясняется частичной минерализацией легкоокисляемой органики в естественных условиях при длительном пребывании ШВХ в накопителе и, как следствие, снижение концентрации беззольного вещества доступного для минерализации под действием ферментов ШОВ. Резкое падение скорости минерализации свидетельствует о переходе процесса в стадию стабилизации.
В ходе минерализации исследовалась зависимость некоторых физических параметров и механических характеристик от концентрации ШОВ (табл. 4.2).
Анализ табл. 4.2 показывает, что наиболее интенсивно, деструкция органического вещества произошла в образцах шламов, инокулированных ШОВ с дозой 1:0,07 – 1:0,1. В этих же образцах наблюдаются самые высокие значения плотности по окончании процесса. Повышение плотности образцов связано как с деструкцией менее плотного беззольного вещества, так и со снижением влажности. Уменьшение влажности с 55-65 % до 30-40 %, при минерализации, объясняется дополнительным испарением влаги при рыхлении слоя, образованием пор и капилляров в шламах и их смесях в результате биохимического разложения органики. Кроме того, распад беззольного вещества способствует отделению связной воды, центрами концентрирования которой являются частицы органики. Снижение влажности и содержания беззольного вещества сопровождается увеличением прочности. Также увеличение прочностных характеристик ШВХ возможно искусственным путем, непосредственно в накопителе.
Экспериментальные данные показали, что увеличение массовой доли ЗШО способствует более глубокому обезвоживанию ШВХ, увеличению плотности частиц, снижению пористости и, очевидно, достижению высоких значений прочностных свойств. Однако технологические особенности обезвоживания и минерализации не позволяют вносить золу в исходный ШВХ с долей более 0,2 массы.
Кроме того, продолжительность обработки, составляющая около 1 года, а также разуплотнение при извлечении из контейнера и рыхлении для создания аэробных условий препятствуют формированию кристаллизационных связей в шламовых композитах.
Соблюдение принципа минимизации площадей, отводимых под комплексы ГРМ (см. раздел 1.4 настоящей работы) предполагает размещение части сооружений непосредственно на поверхности накопителя. При этом фрагменты шламовых образований, на поверхности которых предполагается строительство, необходимо подвергать упрочнению. Между тем, извлечение крупных партий шлама из выемок для по 91 следующей подачи в геоконтейнер или их перенос на площадку минерализации затруднены по технологическим причинам.
При проведении работ по рекультивации шламонакопителя ТЭЦ Куйбышевский №1 на участках с толщиной шлама более двух метров и значением модуля деформации (Ep) менее 1-3 МПа происходили порывы изолирующей мембраны при передвижении строительной техники. Для минимизации просадки шламового образования в период строительства и эксплуатации комплекса необходимо усиление несущей способности шламов. С целью изучения упрочнения поверхности шламового тела на участках, перспективных для расположения функциональных площадок комплекса в проведен долгосрочный промышленный эксперимент.
Полевые исследования по упрочнению неустойчивых фрагментов шламовых тел в выемке без извлечения проведены в период 2010-2014 гг. на опытных делянках шламонакопителя ТЭЦ Куйбышевский №1 в соответствии с методикой, представленной в главе 2.