Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы переработки отходов производств Байкальского региона и экологическая оценка их влияния на объекты окружающей среды 10
Глава 2. Методы исследований и анализа 47
Глава 3. Геоэкологическая оценка ареала природно-техногенных комплексов предприятий Байкальского региона и их карт-щламонакопителей 55
3.1. Исследование физико-химических и бактериологических свойств осадков карт-шламонакопителей и геоэкологическая оценка их влияния на обьекты окружающей среды 55
3.2. Исследование физико-химических свойств зол осадков карт шламонакопителей как техногенного сырья 76
Глава 4. Исследование и развитие научных основ экологических технологий комплексной переработки осадков карт- шламонакопителей 87
4.1. Оценка эффективности рециклинга отходов производств целлюлозно-бумажной промышленности для экологических технологий 87
4.2. Развитие научных основ и разработка математической модели процесса фильтрации коллоидных осадков карт-шламонакопителей 110
4.3. Развитие теории дальнего и ближнего гидродинамческого взаимодействия в процессах тонкослойной напорной флотации осадков карт-шламонакопителей 135
4.4. Исследование сорбционно-коагуляционного механизма действия золы осадков карт-шламонакопителей при очистке высокоцветных лигносульфонатных сточных вод 150
4.5. Исследование механизма биохимического окисления линосульфонатных сточных вод в отторгнутом и прикрепленном биоценозе 176
Глава 5. Технико-экономические обоснования и результаты промышленных испытаний экологических технологий комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей 194
5.1. Технологическая схема и расчет технико-экономических показателей технологии комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей 194
5.2. Результаты промышленных испытаний технологии коагуляционно-сорбционной очистки высокоцветных лигносульфонатных сточных вод с использованием золы осадков карт-шламонакопителей 202
5.3. Результаты промышленных испытаний технологии тонкослойного флотационного уплотнения коллоидных осадков карт-шламонакопителей 210
5.4. Результаты промышленных испытаний технологии биофильтрации лигносульфонатных сточных вод 215
Основные выводы 221
Библиографический список 224
- Исследование физико-химических и бактериологических свойств осадков карт-шламонакопителей и геоэкологическая оценка их влияния на обьекты окружающей среды
- Оценка эффективности рециклинга отходов производств целлюлозно-бумажной промышленности для экологических технологий
- Исследование сорбционно-коагуляционного механизма действия золы осадков карт-шламонакопителей при очистке высокоцветных лигносульфонатных сточных вод
- Технологическая схема и расчет технико-экономических показателей технологии комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей
Введение к работе
Состояние проблемы
Современное природопользование развивается с применением ресурсосберегающих технологий, позволяющих не только максимально извлекать все имеющееся в ресурсе компоненты, но и сводить к минимуму техногенную нагрузку на окружающую среду. Тем не менее к настоящему времени накоплено огромное количество различных отходов, которые следует рассматривать как техногенное сырье. Ежегодно в России образуется до семи миллиардов тонн отходов и лишь два из них используется как вторичное сырье, при этом отходы целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) составляют 15 %. Основную массу отходов, не утилизируемых в настоящее время, составляют осадки шлам-лигнина, образующиеся при биологической и физико-химической очистке сточных вод предприятий и складируемые в картах-шламонакопителях. На предприятиях Байкальского региона, расположенных в районах прибрежной зоны озера Байкал, Братского и Усть-Илимского водохранилищ, складировано более 30 млн. м3 осадка - многотоннажного экологического балласта, наносящего огромный ущерб окружающей среде региона.
В мировой практике отсутствуют данные о рекультивации площадей, занятых отходами, подобными шлам-лигнину. Это объясняется ограниченным применением физико-химической очистки на предприятиях, производящих целлюлозу, трудностями расшифровки взаимодействия веществ в ходе физических, химических и биологических процессов, протекающих в этом антропогенном субстрате. Недостаточно изучено воздействие на эти процессы факторов окружающей природной среды. Нет полных данных по оценке её геоэкологического состояния. Не разработаны эффективные технологии переработки, отсутствует практический спрос на возможную товарную продукцию, получаемую при переработке шлам-лигнина. Между тем состав донных отложений осадков карт-шламонакопителей представлен широким спектром элементов (алюминий,
5 кремний, углерод, железо и т.д.), которые при определённой технологической переработке представляют собой ценное промышленное сырье.
Диссертационная работа посвящена развитию научных и практических основ экологических технологий комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей предприятий Байкальского региона, ядром которого является озеро Байкал - участок всемирного природного наследия.
Идея работы
Развитие научных и практических основ экологических технологий переработки техногенного сырья - осадков карт-шламонакопителей по типу кругооборота веществ, происходящих в природе.
Актуальность работы
На современном этапе взаимодействия человека с окружающей средой выдвигается на первый план вопрос устойчивого развития регионов и страны в целом, который можно решить путем резкого сокращения потребления природных ресурсов и энергии. Единственно приемлемый путь следует рассматривать как путь ресурсосбережения, когда тот же эффект достигается при гораздо меньших ресурсо- и энергозатратах.
Идея индустриального метаболизма, подсказанная природой, которая сегодня приобретает законодательную базу в России, в значительной степени изменяет приоритеты в решении проблемы обращения с отходами. На первый план выходит проблема рециклинга каждого конкретного отхода, и только при отсутствии экономически реально осуществимых решений просматриваются пути захоронения и уничтожения отходов.
В России разработана Федеральная целевая программа «Отходы», которая состоит из двух функционально и логически взаимосвязанных блоков, первый из которых содержит меры по развитию системы управления отходами, второй - непосредственные инвестиционные проекты по созданию возможностей по переработке и обезвреживанию отходов.
В дополнение к относящимся к сфере обращения с отходами статьям действующего законодательства (закон «О санитарно-эпидемиологическом благопо-
лучии населения», «Об охране окружающей среды», «Об отходах производства и потребления») разрабатывается закон «О ликвидации мест захоронения отходов». Особенно акцент делается на многотоннажные экологически опасные отходы - осадки карт-шламонакопителей -, расположенные в прибрежной зоне озера Байкал и непосредственной близости от населенных мест («Закон об охране озера Байкал»).
На сегодняшний день ситуацию, сложившуюся с образованием, использованием, хранением и захоронением отходов, можно определить как критическую, требующую неотложных мер. Накопленные отходы производства и потребления привели к возникновению необратимых процессов в природных средах и представляют глобальную угрозу всему человечеству. Кроме того, накопленные и неиспользуемые отходы - это практически безвозвратно теряемые материальные ресурсы, места захоронения или складирования отходов - это исключенные из хозяйственного оборота земельные ресурсы. Поэтому проблема обращения с отходами относится к числу первоочередных территориальных проблем, требующих специальных инструментов регулирования, управления, концентрирования научных и технических ресурсов.
С учетом особенностей режима природопользования в бассейне озера Байкал, определяемого необходимостью сохранения его уникальной экосистемы, что отражено в декларации «Сохранение биоразнообразия экосистемы озера Байкал», развитие научных и практических основ экологических технологий комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей является крайне актуальной задачей.
Цель работы
Развитие научных и практических основ экологических технологий комплексной переработки многотоннажного техногенного сырья - осадков карт-шламонакопителей - с рециркуляцией полезных компонентов (коагулянта -сернокислого алюминия - и сорбента - золы шлам-лигнина) и их использованием в ресурсосберегающих технологиях.
7 Задачи исследований:
выполнить комплексную геоэкологическую оценку состояния природных экосистем, подверженных антропогенному воздействию карт-шламонакопителей, с возможной рекультивацией занимаемых земель;
исследовать физико-химические и бактериологические свойства многотоннажных промышленных отходов Байкальского региона как техногенного сырья с целью выявления в нем полезных компонентов;
обосновать и разработать научно-технические решения комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей с получением из них коагулянтов и сорбентов для повторного использования в очистке сточных вод сложного состава, выполнить эколого-экономическую оценку предлагаемых технологий.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Результаты исследований состава и физико-химических свойств осадков карт-шламонакопителей как техногенного сырья для получения сорбентов и коагулянтов.
Механизм и математические модели процессов тонкослойной напорной флотации и фильтрации осадков карт-шламонакопителей.
Сорбционно-коагуляционный механизм действия сорбента - золы шлам-лигнина (ЗШЛ) - при очистке высокоцветных лигносульфонатных сточных вод и математическая модель процесса.
Математическая модель процесса биохимического окисления лигносульфонатных сточных вод в отторгнутом и прикрепленном биоценозе.
Технологическая схема и экологические технологии комплексной послойной переработки осадков карт-шламонакопителей с рециклингом коагулянта (сернокислого алюминия) и сорбента (золы шлам-лигнина) и их использованием для очистки сточных вод сложного состава.
Научная новизна
- Впервые выполнена комплексная геоэкологическая оценка состояния природных экосистем, подверженных антропогенному воздействию предприятий ЦБП и карт-шламонакопителей Байкальского региона.
Установлены фазовый состав осадка карт-шламонакопителей, его основные физико-химические и бактериологические характеристики, определены основные компоненты и физико-химические свойства сорбента ЗШЛ.
Разработаны математическая модель фильтрации сжимаемых осадков, описывающая механизм изменения структурных внутренних характеристик, соотношение иммобилизованной и свободной влаги в осадках карт-шламонакопителей от внешних факторов, и методика определения удельного сопротивления сжимаемых осадков, позволяющая разработать оптимальный технологический режим обезвоживания осадка.
С позиции теории дальнего и ближнего гидродинамического взаимодействия обоснован механизм флотационного выделения органических полидисперсных частиц анизодиаметрического строения. Предложена математическая модель, описывающая влияние размеров и формы частиц на эффективность процесса пенной и тонкослойной напорной флотации. Впервые при флотации и обезвоживании осадка шлам-лигнина установлена закономерность действия гомологов катионных гидрофобизаторов диэтанол- и моноэтаноламинов.
Разработана математическая модель, описывающая кинетику биохимического окисления загрязнений сточных вод биоплёнкой в отторгнутом и прикрепленном биоценозе, позволяющая выбрать оптимальный технологический режим биофильтрации лигносульфонатных сточных вод.
Установлен сорбционно-коагуляционный механизм действия сорбента ЗШЛ при очистке высокоцветных лигносульфонатных сточных вод и разработана математическая модель, позволяющая выбрать оптимальный технологический режим процесса.
Практическая значимость
Разработана комплексная технология переработки иловых вод и осадков карт-шламонакопителей в зависимости от их физико-химического состава. Дана оценка эффективности различным методам утилизации и установлен технологический режим рекуперации осадков карт-шламонакопителей.
Разработаны технико-экономические обоснования, высокоэффективные экологические технологии и режимы тонкослойной напорной флотации иловых вод и осадка шлам-лигнина, биофильтрации и сорбционно-коагуляционной
9 очистки высокоцветных сточных вод, а также технология получения коагулянта на основе сернокислого алюминия из осадков карт-шламонакопителей.
Предложено использовать регенерируемые из осадков карт-шламонакопителей сорбент (ЗШЛ) и коагулянт на основе сернокислого алюминия, а также отходы производств ЦБП (шлам «зеленого» щелока и талловый пек) для интенсификации процессов обезвоживания коллоидных осадков и очистки сточных вод сложного состава.
Решена межрегиональная научно-техническая и экологическая народнохозяйственная проблема рециклинга многотоннажного техногенного сырья -осадков карт-шламонакопителей.
Реализация результатов
Полученные результаты исследований подтверждены в промышленных условиях и приняты к внедрению на ОАО БЦБК, ОАО Усть-Илимский лесопромышленный концерн, ОАО Братсккомплексхолдинг, жилищно-коммунальном комплексе п. Урик Иркутского р-на, на ОАО Масложиркомбинат Иркутска, турбазе «Геолог» пос. Исток (республика Бурятия). Экономический и экологический эффекты от внедрения предлагаемых технологий только на ОАО БЦБК составят 28,43 и 341,116 млн. руб. в год соответственно. Материалы исследований использованы в лекционных и лабораторных курсах «Техника защиты окружающей среды» и «Прогнозирование и контроль качества объектов окружающей среды» для студентов по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» в Иркутском государственном техническом университете.
Объем и структура работы
Диссертационная работа содержит 275 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 37 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка из 231 наименования и трех приложений.
Исследование физико-химических и бактериологических свойств осадков карт-шламонакопителей и геоэкологическая оценка их влияния на обьекты окружающей среды
В литературе широко обсуждается вопрос о том, в какой мере данные об острой токсичности стоков для рыб (норматив LC965o, принятые в ряде стран, как официальный) отражают возможность хронического влияния тех же (или других) ядов на рыб и других гидробионтов:
порог физиологического воздействия неочищенных, разбавленных промстоков на рыб лежит в области 0,03 - 0,05 от LC965o ( для неочищенных стоков производства беленной сульфатной целлюлозы С%5о колеблется в пределах 0,02 - 0,7, т.е. для достижения гибели 50% рыб за 96 ч достаточно разведение стоков в 50 - 1,4 раза; иногда наблюдаются тератогенное воздействие (например, на личинки устриц) при очень сильном разведении стоков (100 раз); беспозвоночные животные менее чувствительны, чем рыбы, к токсикантам производства беленой сульфатной целлюлозы (за исключением соединений двух валентной серы) [35]. Сведения о реакциях избегания и предподчения у рыб несколько противоречивы - отмечается как избегание сильно разбавленных стоков, так и предпочтение разными рыбами в разные периоды жизненного цикла.
В табл.5 даны сведения об изменении активности некоторых ферментов печени рыб, выдержанных в течение 11 дней в имитированных разбавленных стоках (0,15 - LC965o) производства небеленой сульфатной целлюлозы, приготовленных из сульфатного мыла. Обращают на себя внимание повышение уровня билирубина (количественный признак общего отравления), а также резкое падение гликогена (энергетический ресурс) [36].
Ряд жирорастворимых компонентов промстоков производства беленой сульфатной целлюлозы отличается мутагенной активностью. Последнюю определяют чаще всего в так называемом тесте Эймса.
В [36] приводится список веществ - стоков с мутагенной (не очень высокой) активностью. Упомянем некоторые из них: четыреххлористый углерод, хлороформ, тетрахлор - 2 - пропен, дихлорметан, трихлорметан, тетрахлорэтан, флюорантрен, пирен, хлорацетальдегид, 1,3 - дихлорацетон, 1,1,3 - трихлор-ацетон, 1,1,3,3 - тетрахлорацетон, 2,4,6 - трихлоргваякол, тетрахлоргваякол, несабиетиновая кислота.
Хлоррастворимые токсиканты, и в особенности вещества хлоррастворимого ряда, могут сильно концентрироваться в организмах водных животных. Именно это обстоятельство ставит в ряд приоритетных экотоксикантов хлоргваяколи и другие хлорофенолы, хотя их концентрации в сточных водах после биологической очистки далеки от остро токсичных [37].
В [38] отмечается, что сброс стоков от ОАО БЦБК ничтожно мал по сравнению с огромным объемом водных масс Байкала (23 тыс. км3) и составляет 0,2 % годового речного стока в озеро. Однако на наш взгляд это еще не говорит о ненанесении ущерба его экосистеме, что подтверждается заключениями национальных экспертов для комиссии ООН по промышленному развитию [39]. Бо 25 лее того, в связи с тем, что водообмен в Южном Байкале составляет 200-300 лет, происходит постоянное накопление загрязняющих веществ, что, в свою очередь, может привести к крупномасштабной перестройке всей экосистемы озера.
По данным центральной заводской лаборатории ОАО БЦБК нами была проанализирована динамика сброса вредных веществ в озеро Байкал от ОАО Байкальского ЦБК за период с 1990 по 2004 гг. Превышение ПДС наблюдается по следующим веществам (в среднем, т): БПКПолн - 533/89,7; нефтепродукты -4,5/2,13; взвешенные вещества - 227/54; хлориды - 5278/2023; сульфаты -9536/674; алюминий - 3,5/2,7; фурфурол - 2,3/0,67; фенолы летучие - 0,6/0; азот аммонийный - 29,7/2,7; СПАВ - 5,2/0,007; метанол - 13,9/6,7; ртуть -0,02/0,0046.
Во взвешенном веществе, сбрасываемом в озеро с очищенными сточными водами ОАО Байкальского ЦБК, содержится до 35 % целлюлозы и до 32 % лигнина. Изменение естественного режима органических кислот в водоеме приводит к развитию чуждой для экосистемы микрофлоры, усилению процессов брожения и возникновению вторичного загрязнения продуктами деструкции [40,41].
На прилегающей к БЦБК акватории озера по данным гидрохимических съемок зарегистрированы максимальная концентрация нефтепродуктов до З ПДК, серы несульфатной - 5,3 ПДК, ртути - до 4 ПДК. По сравнению с предшествующим годом возросло: среднее содержание взвешенных частиц, нефтепродуктов и серы несульфатной в 2 раза, кремния - в 1,7 раза, растворенного в воде кислорода - в 1,1 раза; снизились: значения показателя цветности в 1,1 раза, концентрация углерода органического - в 1,4 раза [210]. В 2005 г., как и в предшествующие годы, загрязнение серой несульфатной обнаруживалось и за пределами контролируемого полигона (35 км ), распространяясь во всех направлениях и достигая везде высоких концентраций. В западном направлении загрязнение серой несульфатной прослеживалось до района рек Утулик-Безымянная (концентрации 0,10-0,43 мг/дм ); в сторону открытого Байкала концентрации доходили до 0,10-0,13 мг/дм3; в восточном направлении загрязнение обнаруживалось в Хара-Муринской банке до 0,30 мг/дм3 и далее (кон-центрации 0,10-0,23 мг/дм ) - самый дальний створ наблюдений. Наблюдения проводились в районе действия сточных вод ОАО БЦБК. Присутствие феноло-кисляющих бактерий обнаружено в 16-35% проб, углеводородокисляющих - в 57-100%, целлюлозоразрушающих - в 34-100% отобранных проб [28,43].
Оценка пространственно-временной динамики пятен загрязнения на дне озера в районе сбросов сточных вод ОАО БЦБК, выполненная по данным наблюдений Гидрохимического института СО РАН и Иркутского УГКС за период с 1990 по 2000 гг. показала, что пятна загрязнения формируются в донных отложениях вблизи выпуска промстоков, образуя зоны очень высокого загрязнения (суммарное содержание лигногумусовых веществ и целлюлозы достигает 35 - 40%), вытянутые по направлению в глубь озера и достигающие в настоя-щее время приблизительно 20 км [44].
Поступление дренажных вод, транспортирующих загрязняющие вещества в озеро Байкал, происходит со всей территории промплощадки, расположенной вдоль береговой линии, но наиболее вероятно оно вблизи шламонакопителей, золошламоотвалов и бассейнов-накопителей сточных вод. Результаты обследования воды контрольных скважин, расположенных по срезу воды, свидетельствуют о загрязнении подземных вод в результате дренажа. Например, содержание ртути и общего органического хлора - специфических ингредиентов сточных вод ОАО Байкальского ЦБК - превышают концентрации очищенных сточных вод, сбрасываемых в озеро Байкал, на два порядка [44, 45].
Оценка эффективности рециклинга отходов производств целлюлозно-бумажной промышленности для экологических технологий
Проявление первых признаков роста произошло через 1,5 мес. после введения пробы в питательную среду (густой желатин). У частиц шлама без питательной среды признаков роста микроорганизмов не обнаружено. На глубине 3-4 м живых организмов не обнаружено.
Приготовление проб для микробиологических организмов затруднено из-за плотности шлама и его консистенций. На этой глубине шлам имеет уплотненную твёрдую структуру коричневого цвета. Обнаружено незначительное количество спор. Введение проб шлама глубинных слоев в питательную среду (в течение 4 мес.) результатов не дало, т.е. роста микроорганизмов не обнаружено.
Исследования велись методом пассивной биоиндикации. В шламе с карт был найден значительный процент не переработанной активным илом клетчатки, это объясняется снижением целлюлозотической активности, которая является показателем разложения растительной биомассы. По данным [35,98] целлюло-зотическая активность тормозится производными ациламидами, анилина и бензойной кислоты, а уже малые концентрации параквата подавляют многие цел-люлозоразлагающие грибы. Каптан резко подавляет у некоторых грибов образование фермента целлюлозы. Можно предположить, что на глубине 4 м и выше идёт активный процесс газообразования. Выделенные микроорганизмы в большинстве случаев находятся в стадии спорообразования или в анабиозе. Исследования велись только на электронном микроскопе, так как посев на чистые культуры результатов не дал. На сегодняшнем этапе работы точных данных по составу в шламе микроорганизмов нет в связи с невозможностью получения чистых культур. Ближе к поверхности карты на глубине 0,5-1,5 м выделяется слой слизи буро-зелёного цвета, в котором кроме отмерших анаэробов и других микроорганизмов (остатков активного ила) находятся живые формы актиноми-цетов и сине-зелёных, зелёных и диатомовых водорослей. Именно эта плёнка не позволяет газам полностью выходить на поверхность. Слизь является преградой для проведения мероприятий по утилизации отходов, т.к. закупоривает фильтры и насосы. Предлагается перед забором верхних слоев шлама в насос не допускать прохождения в него однородной слизистой массы. На основании полученных данных можно сделать заключение о неоднородном физико-химическом составе осадка карт-шламонакопителей по его вертикальному срезу, что делает возможным применение различных технологических процессов при его рекуперации. С этой целью были проведены исследования по картированию осадконакопителей по горизонтальным и вертикальным срезам.
Первые исследования по изучению степени уплотнения осадка в картах-шламонакопителях были проведены в НИИ ГИПРОБУМ в 1968 г. после их эксплуатации в течение 1 года [99]. Установлено, что: за 12 месяцев не обнаружено влияния волокна и активного ила, сбрасываемых на карты вместе с осадком, на санитарные показатели осветленной на картах воды. Это объясняется низкими значениями рН воды на картах, которые в значительной степени подавляют все анаэробные процессы; показатели осветлённых вод, сбрасываемых с карт-осадконакопителей, кроме минеральной части плотного осадка и низких значений величины рН, находятся, как правило, в пределах норм, установленных ля сбрасываемых в оз. Байкал очищенных сточных вод; отводимые с карт-осадконакопителей осветлённые воды из-за содержания в них остаточного алюминия отрицательно влияют на качество сбрасываемых в оз. Байкал очищенных вод, т.к. за счёт гидроокиси алюминия и частичной коагуляции повышают содержание в воде взвешенных веществ; накопление осадка по длине карты происходит неравномерно, что практически исключает быстрое (в течение 2-3 мес.) их заполнение; уплотнение осадка в картах происходит неравномерно и зависит от степени их заполнения; график заполнения карт, выданный в феврале 1968 г. Водоканалпроектом, нецелесообразен. При сравнении данных по карте 8 за 1968 г. и результатов наших современных исследований выявлено, что содержание микроорганизмов и волокна в шламе осталось на прежнем уровне -15 %. Активного роста и особых мест скопления бактерий и актиномицетов не отмечается. В шламе подавлены основные ферментативные процессы; идёт только газообразование в нижних слоях карты, что может быть объяснено постоянной эксплуатацией карты до настоящего времени. Были проведены исследования карты 8 для выяснения содержания твёрдого в осадке, зольности и химического состава шлама по горизонтам и площадям. Для передвижения по водной поверхности карт при отборе проб использовали резиновую надувную лодку. Пробу массой 3,5 кг отбирали специальным пробоотборником, который состоит из комплекта винипластовых труб, соединяющихся между собой муфтами и поршнем, служащего при отборе пробы для фиксации высоты столба отбираемой пробы. Установлено, что уплотнение шлама резко выражено, начиная с 3 м от поверхности зеркала. Максимально возможная глубина отбора осадка составила 4,5 м. При дальнейшем углублении пробоотборник забивался, что свидетельствует о повышении содержания твёрдого вещества в шламе. На рис. 15, 16 приведены усредненные содержания твёрдого вещества и зольность в осадке в зависимости от глубины [100]. Увеличение зольности шлама по глубине свидетельствует об отложении минеральных веществ в придонных слоях осадка. В результате исследования донных отложений осадка было установлено колебание рН на разных глубинах в пределах 5,5-6,5. В табл.11 приведены усреднённые значения влажности осадка, полученные при опробовании остальных карт, где также наблюдается его уплотнение по глубине отбора проб.
Исследование сорбционно-коагуляционного механизма действия золы осадков карт-шламонакопителей при очистке высокоцветных лигносульфонатных сточных вод
Из результатов рентгенофазового анализа установлено наличие в составе ЗШЛ ОАО СЦКК и ОАО БЦБК соединений: у - А1203 - 44,83 %, а - Si02 -21,8%, а - Fe203 - 9,5% в тонкодисперсной форме. Данные оксиды являются высокоэффективными сорбентами, применяемыми при очистке сточных вод и в процессах водоподготовки в промышленном масштабе. В статическом режиме в нейтральной среде удаление растворенных органических веществ под действием тонкодисперсных частиц данных оксидов, кроме сорбции происходит и за счет процесса гетерокоагуляции. Аналогичные результаты одновременно протекающих процессов сорбции и коагуляции были получены В.П. Семеновым [69] при исследовании процессов обесцвечивания сточных вод после ступени щелочения в производстве сульфатной целлюлозы активированным углем, полученным из коры хвойных пород.
Наличие в ЗШЛ CaS04 до 13,35%, который в результате гидролиза образует гидроксид кальция и при рН 8 проявляет коагуляционные свойства. Влияние добавок известкового молока на процессы структурообразования коллоидов имеет важное значение для водоочистки и отмечено в [199-204]: при смешении минеральных суспензий с гидроокисью кальция на поверхности частиц минералов формируется слой гидросиликата кальция, обеспечивающий упрочение поверхностных контактов и повышение прочности коагуляционных структур. Наличие в ЗШЛ Na2OAl203 6Si02 (17,5 %) - муллита, или полевого шпата, который в чистом виде применяется в качестве замутнителя или используется как сорбент, и Ко.8(Н30)о.2]і.о-АІ2.оі [(Si3.25Alo.75)4.oOio](OH)2 (9%) - гидрослюды, или иллита, применяемого аналогично муллиту, также способствует процессу очистки сточных вод.
В практике очистки питьевых и сточных вод в качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, соли железа или их смеси в разных пропорциях. Из рассмотренных литературных и патентных источников нами не установлено применение в мировой практике регенерированных ионов алюминия из отходов ЦБП (осадков шлам-лигнина) с целью повторного их использования для химической очистки сточных вод. В то же время имеются сведения о повторном использовании ионов алюминия, извлеченных из осадка водопроводных станций, при обработке его кислотами или основаниями. За рубежом регенерация ионов алюминия серной кислотой применяется в промышленных масштабах на предприятиях Темпа (США), Орли (Фанция), Асака (Япония) и др.
Наличие в осадках карт - шламонакопителях порядка 20 % А1203, а также около 5 % A SQ (часть непрореагировавшего глинозема при химической очистке воды) предопределяет возможность его использования после обработки серной кислотой для производства коагулянта. В работе была также исследована возможность получения коагулянтов из золы ОАО Селенгинского ЦКК и ОАО Байкальского ЦБК, так как сжигание шлам-лигнина приводит к концентрированию минеральных компонентов в золе, в частности, оксида алюминия (его содержание в золе ОАО БЦБК и ОАО СЦКК, составляет 75 и 60 % соответственно).
Целью представленного в данной главе исследования являлось определение активности регенерированного сульфата алюминия по сравнению с товарным реагентом и выбор его оптимальной дозы. Объектом исследования служила модельная вода цветностью 875ХКШ и рН = 7,86. Оценку эффективности коагулянтов проводили по методике пробного коагулирования. Для установления необходимого количества шлам-лигнина влажностью 85% и золы для получения сульфата алюминия был проведен стехиометрический расчет содержания в них оксида алюминия и необходимого количества серной кислоты. Навески шлам-лигнина, золы ОАО СЦКК и золы ОАО БЦБК обрабатывали 10 % рас 158 твором серной кислоты при интенсивном перемешивании, время контакта - 25 мин. Полученные суспензии отфильтровывали на воронке Бюхнера, фильтрат представляет собой концентрированный раствор соли сернокислого алюминия, отфильтрованный осадок - деминерализованный шлам-лигнин, результаты представлены на рис.47.
В ходе эксперимента было установлено, что наилучшие коагуляционные свойства показала соль сульфата алюминия, регенерируемая из золы ОАО Се-ленгинского ЦКК, что может быть объяснено содержанием в ней до 9,5 % Fe203, в результате чего в процессе коагуляции происходит образование двух солей - AhtSOb и Fe2(S04)3 - и их взаимодействие, так как, гидролизуясь, в большей мере соли железа являются центрами коагуляции, на которых образуются плотные, крупные и достаточно прочные хлопья [143,205].
Из полученных результатов видно, что оптимальная доза солей, полученных из зол ОАО СЦКК и ОАО БЦБК, составила 30 мг/г. Значительно хуже проявляет коагуляционные свойства соль, полученная из шлам-лигнина ОАО БЦБК. Это связано с наличием в нем до 75% органических веществ, на разложение которых расходуется значительное количество серной кислоты и происходит не-доизвлечение ионов алюминия; оптимальная доза - 43 мг/г. Во всех случаях доза товарного сульфата алюминия была меньше дозы исследуемых коагулянтов и составляла 24 мг/г. При равных качественных показателях процесса коагуляции доза товарного коагулянта A12(S04)3 также незначительно меньше, в 0,55 раза, по отношению к регенерируемой соли из ЗШЛ, что говорит об экономической целесообразности применения технологии регенерации сульфата алюминия.
В настоящее время на ОАО БЦБК при химической очистке общего стока за-вода объемом 120000 м /сут. при цветности 600С применяют коагулянт АІ2(804)з и флокулянт Lt - 27 в количестве 200 кг/1000 и 2кг/1000м соответственно. После внедрения предлагаемой технологии локальной сорбционной очистки сточных вод ступени щелочения варочного цеха в объеме 5500 м3 с показателем цветности 14000С цветность общих стоков комбината, поступающих на химическую очистку, снизится в 2 раза (расчет степени смешения приведен на с. 214-215.
Технологическая схема и расчет технико-экономических показателей технологии комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей
При разработке технологии рекуперации осадков карт-шламонакопителей (на примере ОАО Байкальского ЦБК) прежде всего основывались на использовании имеющегося базового оборудования комбината.
Технология послойной рекуперации осадков карт-шламонакопителей заключается в следующем (рис. 63): сбрасывается верхний слой осветленной воды на пруды-аэраторы комбината, оставшаяся обводненная часть осадка влажностью 95- 99,5% по существующим трубопроводам поступает на обезвоживание в ЦПО, где по разработанной технологии подвергается напорной флотации с последующим центрифугированием и сжиганием по существующей схеме. Фугат и осветленная вода по разработанной технологии подвергаются биофильтрации и сбрасываются в пруд - аэратор комбината. Донный осадок влажностью 85-95% машинами перевозится на сжигание, минуя ЦПО [218-223]. В настоящее время на ОАО БЦБК работает печь фирмы Hitachi (Япония) производительностью 60 т/сут. по а.с.в (с образованием 3 т/сут. золы) и 4 центрифуги фирмы Gumboet Vetage, производительностью 40 т/сут., одна из которых находится в резерве. Таким образом, существует возможность использования печи на полную мощность и одной центрифуги для переработки осадка с карт-шламонакопителей без ущерба для основного производства.
Проведенный анализ карт-шламонакопителей показал, что в среднем длина карты, имеющей трапециевидную форму в объеме, составляет 1000 м, ширина-100 м и глубина -4 м. При этом слой осадка с влажностью в среднем 95 % со 195 ставляет 2,5 м, а рассчитанный объем данного слоя в одной карте - 191 300 м3. Для переработки одной карты при работе ЦПО в 3 смены по существующему режиму понадобится 240 сут.
Так как производительность печи составляет 60 т/сут. по а.с.в., то часть осадка влажностью в среднем 88,5 % в количестве 20 т/сут. по а.с.в (174 т/сут.) можно подвозить с карт непосредственно к стадии сжигания. Глубина слоя, занятого уплотненным осадком, по нашим расчетам составляет 0,5 м, объем в одной карте - 26600 м3. Выемка осадка из карт и подача на автомашины может осуществляться при помощи шнекового транспортера.
Одна машина КАМАЗ грузоподъемностью 10 т способна перевозить за смену (8 ч) 80 т осадка влажностью 88,5 %. Для перевозки осадка с одной карты на двух машинах на полную производительность работы печи необходимо 196 дней. Переработка всех 11 карт Солзанской площадки без увеличения нагрузки на основное производство ЦПО займет 4,5 года. При планируемом в 2006г. перепрофилировании комбината на замкнутый водооборот высвобождаются мощности ЦПО, что значительно сократит время переработки оставшегося осадка карт-шламонакопителей. Капитальные вложения по предлагаемой технологии рекуперации осадка составляют затраты на приобретение только необходимого оборудования. Так, в технологии использования ЗШЛ в качестве сорбента приобретаемым оборудованием являются сорбционные колонны. При внедрении технологии получения из ЗШЛ соли сернокислого алюминия необходимым является приобретение тонкослойных отстойников. Таким образом, из приведенных расчетов видно, что использование предлагаемой схемы рекуперации осадка карт-шламонакопителей экономически целесообразно. Экономический эффект за счет снижения доз реагентов при сорбци-онной очистке составляет 22,67 млн. руб./год; в случае использования ЗШЛ в качестве коагулянта - 14,74 млн. руб./год. Предотвращенный экологический ущерб рассчитывался по [80, 81]. Экологический эффект от рекультивации земель, занятых картами-шламонакопителями, складывается из предотвращенного ущерба почвам и ликвидации размещенных отходов и равен 278,428 млн.руб. Высвободившиеся от осадка карты после их специальной зачистки и обработки можно использовать как искусственные бассейны для разведения молоди рыб ценных пород, что также принесет существенную экономическую прибыль и пополнит биоресурс водоемов региона [224]. По результатам проведенных исследований предлагается также технология производства коагулянта - сернокислого алюминия из отхода производства -ЗШЛ, полученного при сжигании осадка шлам-лигнина, образующегося в результате химической очистки сточных вод, а также возможной переработки осадка шлам-лигнина, складируемого в картах. Размещение производства по получению сернокислого алюминия непосредственно на ОАО Байкальском ЦБК обуславливает: наличие необходимого оборудования и коммуникаций; емкостного парка и схемы выгрузки и хранения серной кислоты, а также наличие закрытой площадки хранения сырья - осадка шлам-лигнина. В настоящее время потребность ОАО Байкальского целлюлозно-бумажного комбината в коагулянте АЦБО з- 18 т/сут. Аналогичное производство коагулянта, потребность в котором на СЦКК составляет 4 т/сут., может быть размещено и на Селенгинском целлюлозно-картонном комбинате после включения в производство цеха переработки и сжигания осадка. Проектируемое на ОАО БЦБК производство A SO должно быть размещено на второй очереди существующего узла хранения глинозема. Очистные 198 сооружения включают существующий узел выгрузки коагулянта, снабженный грейферным краном, и закрытый склад хранения сырья (рис. 64). При помощи шнекового транспортера производится выемка осадка из карт и осуществляется погрузка его в автомашину и доставка в ЦПО. В настоящее время на ОАО БЦБК образуется 3 т/сут. ЗШЛ, которая по предлагаемому проекту выгружается на закрытую площадку складирования, расположенную в существующем складе хранения глинозема. Там же устанавливаются два реактора периодического действия и мерники серной кислоты. В технологии регенерации сернокислого алюминия из ЗШЛ необходимо использовать тонкослойные отстойники для осаждения оставшейся после обработки серной кислотой взвеси. Получаемый фильтрат поступает в растворные баки для приготовления 10 %-ного раствора и затем подается в производство. Отделенный в отстойнике осадок направляется на дальнейшую утилизацию и может быть использован в качестве добавочного компонента в строительных и дорожных работах.
