Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Разработка способа и технологии рекультивации нарушенных земель при открытых горных работах с использованием осадков сточных вод (ОСВ) 11
1.1 Анализ состояния земельных ресурсов в горнодобывающих регионах на примере Кузбасса 11
1.2 Восстановление нарушенных земель 16
1.2.1 Технический этап рекультивации нарушенных земель 16
1.2.2 Биологический этап рекультивации нарушенных земель 18
1.3 Анализ использования осадков сточных вод на опытных участках 20
1.4 Разработка технологии рекультивации с использованием отходов и применением брикетов из ОСВ 32
1.5 Цель, задачи и методы исследования 38
Выводы 39
Глава 2 Исследование сырьевой базы промышленных отходов для производства бесцементных твердеющих смесей для закладки открытых горных выработок 43
2.1 Анализ сырьевой базы промышленных отходов для бесцементных твердеющих смесей на примере Кемеровской области 43
2.2 Разработка методики формирования составов бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов 54
2.3 Разработка методики контроля прочности формирования твердеющей закладки 68
2.4 Разработка способа приготовления бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов 78 Выводы 82
Глава 3 Анализ технологий переработки шламов и илов сточных вод 84
3.1 Анализ химико-минералогического состава осадков сточных вод 84
3.2 Анализ направлений использования осадков сточных вод 94
3.3 Анализ способов и технологий переработки осадков сточных вод 105
3.4 Исследование свойств осадков сточных вод и разработка рецептуры составов конечного продукта 130
3.4.1 Анализ физико-химического состава осадков сточных вод 130
3.4.2 Разработка рецептуры составов конечного продукта из осадков сточных вод 131
3.4.3 Методика исследования процесса переработки осадков сточных вод 132
3.4.4 Результаты исследований переработки осадков сточных вод 135
Выводы 141
Глава 4 Разработка технологии переработки осадков сточных вод 143
4.1 Разработка технологической схемы переработки осадков сточных вод 143
4.2 Методика расчета параметров технологических процессов переработки сточных вод 149
4.3 Моделирование процесса снижения концентрации загрязняющих веществ конечного продукта 152
4.4 Выбор технических средств переработки осадков сточных вод для ЗАО «Водоканал» 165
4.5 Расчет экономической эффективности технологии переработки осадков сточных вод 163
Выводы 168
Заключение 170
Список использованных источников 172
- Анализ использования осадков сточных вод на опытных участках
- Разработка методики формирования составов бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов
- Анализ способов и технологий переработки осадков сточных вод
- Разработка технологической схемы переработки осадков сточных вод
Введение к работе
Актуальность работы. Темпы рекультивационных работ в горнодобывающих регионах отстают от объемов нарушения земель. Например, за время эксплуатации Кузнецкого угольного бассейна восстановлено менее 20 %. Ситуация осложняется тем, что более их половины (примерно 30 тыс. га) осталось от закрытых и закрывающихся предприятий и вероятность их восстановления в ближайшие десятилетия минимальна.
При переработке полезных ископаемых в горной промышленности 30-40 % и более добытой горной массы идет в отвалы. Вынесенные на поверхность породы могут быть стерильными и токсичными для фауны и флоры, при этом площади горного отвода превращаются в безжизненные пространства, выбывают из хозяйственного оборота, становятся очагами загрязнения окружающей среды и на 60-80 лет превращаются в территории с экстремальными условиями.
Для многих населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий важной задачей является переработка и утилизация шлаков котельных, золы уноса ТЭЦ, осадков сточных вод (ОСВ), которые в необработанном виде в течение десятков лет хранятся на временных площадках, что приводит к нарушению экологической безопасности и ухудшению условий жизни населения.
Ежегодный прирост шлаков, биомассы активного ила составляет несколько миллионов тонн, поэтому возникает необходимость в разработке новых способов переработки, захоронения и утилизации отходов.
Наиболее перспективным направлением использования шлаков и осадков сточных вод является брикетирование с последующей утилизацией по различным направлениям, а также захоронение при рекультивации открытых горных выработок с использованием отходов и осадков сточных вод. Разработка способа захоронения отходов, рекультивации земель и обоснование их параметров является актуальной научной задачей.
Целью работы является выявление и корректировка зависимостей прочности твердеющей закладки от времени и величины разрядного тока, прочности брикетов от количества связующего полученных с использованием твердых промышленных отходов и осадков сточных вод, что повышает эффективность производства получения закладоч-
4 ной массы и брикетов, отвечающих требованиям защиты окружающей среды.
Идея работы заключается в разработке рецептуры, требований и условий к закладочной массе, брикетам из осадков сточных вод и обоснования параметров рекультивации открытых горных выработок.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Анализ и разработка способов рекультивации открытых горных выработок с использованием твердых бытовых, промышленных отходов, и осадков сточных вод.
-
Анализ физико-химического состава осадков сточных вод для разработки рецептуры брикетной массы и технологии их переработки.
-
Разработка технологии переработки осадков сточных вод.
-
Обоснование параметров технологических звеньев переработки осадков сточных вод.
-
Оценка эффективности технологии переработки осадков сточных вод.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий: анализ направлений, требований, способов, технологий и технологических средств использования осадков сточных вод и промышленных отходов, обобщение научно-технических разработок и практического опыта в области переработки отходов; синтез и конструирование для разработки технологии и технологических средств брикетирования осадков сточных вод; химические и физические методы для исследования осадков сточных вод, состава и прочностных характеристик брикетов; методы моделирования для разработки методики расчета параметров технологии переработки ОСВ; обобщение и синтез для разработки рекомендаций по использованию промышленных отходов и осадков сточных вод городов, поселков, сел, промышленных и сельскохозяйственных предприятий.
Основные научные положения заключаются в следующем: 1. Разработанные на основании результатов экспериментов использования ОСВ способы рекультивации нарушенных земель открытых горных выработок, включающие заполнение выработанного пространства до уровня затопления подземных вод вскрышными породами, отделяемого водоупорным слоем глины мощностью 0,8–1 м, обеспечивают захоронение твердых бытовых и промышленных отходов, необработанных ОСВ для закладки оставшегося выработанного про-
5 странства, формирование с применением переработанных ОСВ плодородного или потенциально плодородного слоя почвы, отделяемого от заполненного пространства слоем глины мощностью 0,2–0,5 м, для биологической рекультивации земель, что позволяют сократить сроки восстановления нарушенных земель 1,5–3 раза и возвратить их в природопользование по различным направлениям.
-
Физико-химический состав осадков сточных вод отвечает требованиям ГОСТР 17.4.3.07 на удобрения по количеству и набору микроэлементов и позволяет повысить плодородие почвы и восстановить рекультивируемые земли за 3–4 года при использовании их в качестве подстилающего слоя или внесении в плодородный слой в виде брикетов удобрения.
-
Внесение 10–25 % древесных опилок или золы уноса в шихту брикетной массы ОСВ снижает количество тяжелых металлов до уровня ПДК, добавка 5–10 % гашеной извести устраняет их запах, а тепловая обработка брикетов в печах СВЧ уничтожает бактерицидное загрязнение и приводит к экологической безопасности применения брикетов в качестве удобрения.
-
Разработанная методика расчета параметров переработки осадков сточных вод позволяет выбрать технологическое оборудование для различных объемов производства и оптимизировать технологическую схему производства брикетов по критерию минимума затрат или максимальной производительности технологической схемы.
-
Математическая модель снижения концентрации загрязняющих веществ брикетной массы обеспечивает рациональные параметры работы дозаторов и смесителя, что предотвращает его переполнение и задает прочность брикетов для длительного хранения и транспортировки.
Новизна основных научных и практических результатов состоит:
в разработке способа рекультивации нарушенных земель с применением промышленных отходов и ОСВ;
в исследовании химического состава промышленных отходов и осадков сточных вод и разработке на их основе твердеющей закладки и брикетной массы;
в разработке технологии утилизации промышленных отходов и переработки осадков сточных вод с использованием печей СВЧ;
в разработке методики исследования прочности твердеющей закладки для переработки осадков сточных вод;
в разработке математической модели снижения концентрации загрязняющих веществ в брикетной массе;
в обосновании параметров технологических звеньев переработки остатков сточных вод.
Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается:
положительными результатами исследования брикетов на прочность и влагоустойчивость;
соответствием характеристик брикетов ГОСТам;
восстановлением нарушенных земель за 3-4 года;
- положительными результатами исследования брикетов на хими
ческий состав, в котором содержание тяжелых металлов не превышает
ПДК, а бактерии группы кишечной палочки отсутствуют.
Практическое значение работы состоит в использовании промышленных отходов и осадков сточных вод для предотвращения проседания почвы, прорывов подземных вод и повышения плодородия земель, ликвидации временных площадок хранения отходов, а также проектировании технологии переработки остатков сточных вод в удобрение различной мощности.
Реализация работы. Научные и практические результаты были включены в учебно-методические материалы по курсам «Геоэкология» и «Разведка и разработка полезных ископаемых» для студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в Новокузнецком институте (филиале) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных симпозиумах имени академика М.А. Усова, Томск (2010–2011 гг.), Всероссийских научно-практических конференциях «Современные проблемы методологии и инновационной деятельности», Новокузнецк (2010–2012 гг.), Международной научно-практической конференции «Управление отходами–основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе», Новокузнецк (2010 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Исследования молодых – регионам», Новокузнецк (2011–2012 гг.), Международной научно-технической конференции «Устойчивое развитие. Рациональное природопользование. Технологии здоровья», Тула (2012 г.), Всероссийской молодежной научной школе «Государство, природные ресурсы и рыночные институты», Новокузнецк (2012 г.), на научно-
7 практической конференции с международным участием «Твердые полезные ископаемые: технологические и экологические проблемы отработки природных и техногенных месторождений», Екатеринбург (2013 г.), «Неделя горняка – 2017», г. Москва, на Сибирском Экологическом форуме, Новокузнецк (2017 г.).
Личный вклад заключается в обобщении существующей базы по использованию бытовых, промышленных отходов и осадков сточных вод при рекультивации открытых горных выработок, проведении натурных наблюдений и исследований, разработке методик, математических моделей и алгоритмов, для обоснования параметров технологических процессов рекультивации и брикетирования осадков сточных вод.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе в источниках, рекомендованных ВАК – 4, патент РФ – 1, заявка на изобретение – 1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 186 страницах печатного текста, включающего 40 таблиц, 36 рисунков и списка литературы из 122 наименований.
Анализ использования осадков сточных вод на опытных участках
На пяти опытных участках дамбы шламохранилища ОАО «ЗСМК» в 1999-2000 гг. осуществлен демонстрационный проект рекультивации с использованием осадков сточных вод – отходов очистных сооружений ЗАО «Водоканал», г. Новокузнецк [77].
Научно-исследовательская работа выполнена в рамках Федеральной Целевой Программы «Интеграция» специалистами лаборатории утилизации промышленных отходов (ЛПО ОАО «ЗСМК»), сотрудниками ЗападноСибирского испытательного центра (ЗСИЦ), кафедры ботаники КузГПА, Центра санитарно-эпидемиологического надзора, Комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов, НПП «Экоуголь» (г. Новокузнецк), Института почвоведения и агрохимии СО РАН (ИПА СО РАН), г. Новосибирск, кафедры геоэкологии НФИ КемГУ, в том числе и автором диссертации [120].
Поверхность террас и внешних откосов дамбы шламохранилища ОАО «ЗСМК» подвержена ускоренной водной и ветровой эрозии. Высокий градиент температур на каждый слой грунта активизирует физико-химические процессы в теле дамбы. Меняются состав и свойства пород, механическая прочность и фильтрационные характеристики.
Создание почвенно-растительного слоя на техногенных породах шла-мохранилища (задернение поверхности) сокращает дефляцию, стабилизирует физико-химические процессы, укрепляет грунт дамбы. Почвенно растительный слой служит «теплоизолирующей подушкой», снижает миграцию воды, создаются условия для упрочнения подстилающих пород.
Естественному формированию дернины на поверхности техногенных пород шламохранилища препятствуют:
- высокая плотность субстрата (1,8 г/см3);
- отсутствие тонкодисперсных фракций (фракций физической глины) в породе дамбы;
- дефицит соединений азота (0,2-0,3 %) и фосфора (0,3-0,4 %).
Для снятия лимитирующих факторов целесообразна рекультивация с применением почвоулучшителей. К категории ресурсов, пригодных для такой рекультивации, относятся осадки сточных вод – отходы от очистки городских канализационных стоков [13].
При рекультивации шламохранилища ОАО «ЗСМК» перспективно применение осадков сточных вод.
На иловых картах очистных сооружений г. Новокузнецка общей площадью свыше 27,5 га накоплено не менее 300 тыс. т ОСВ, поэтому постоянно возникает задача их размещения. ОСВ относятся к отходам IV класса опасности и их использование в качестве ресурса для рекультивации возможно после изучения состава и свойств.
При большом содержании N, P, Ca, Mg, необходимым для нормального развития растений микроэлементов, а так же B, Co, Cu, Mn, Se, Zn остатки сточных вод классифицируется, как органоминеральное азотно-фосфорное удобрение.
Агрохимические свойства ОСВ, оценка которых проведена в ИПА СО РАН, характеризуются рН водной вытяжки 7,32-7,36 и содержанием доступных для растений форм элементов, мг/100 г: NH4+ - 3,5-12,3; NO3- - 59-111; K2O – 38-62; P2O5 – 20-40; процентное содержание С, - 1,98-18,52.
Гранулометрический состав ОСВ по отдельным фракциям, мм: 1-0,25 мм – 11-29 %; 0,005-0,001 мм – 6-13 %; 0,25-0,05 мм – 7-9 %; 0,001 мм – 10-25 %; 0,05-0,01 мм – 20-40 %; 0,01 мм – 21-43 %; 0,01-0,005 мм – 5-20 %.
Гранулометрический состав ОСВ колеблется от супесчаного до сред-несуглинистого, он пригоден для повышения содержания фракций физической глины в техногенном грунте и позволяет комбинировать водно-физические и физические свойства органоминеральных субстратов.
Негативное свойство ОСВ – засоленность, фитотоксичность по шкале Н.И. Базилевич до трех баллов, обусловлена высокой концентрацией хлоридов (легко вымываемые из корнеобитаемого горизонта, не влияющие на возможность использования ОСВ для рекультивации земель).
ОСВ могут содержать значительное количество тяжелых металлов, что опасно при почвенном размещении нетрадиционного почвоулучшителя.
В таблице 1.1 представлены данные о нормах предельно-допустимого содержания тяжелых металлов в осадках сточных вод, согласно требованиям СанПин 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения». Приведены усредненные результаты исследования химического состава ОСВ очистных сооружений ЗАО «Водоканал», г. Новокузнецк.
Анализ данных таблицы 1.1 показал, что концентрация тяжелых металлов в ОСВ г. Новокузнецка ниже нормативной и не препятствует использованию нетрадиционного почвоулучшителя для рекультивации.
Порода, слагающая дамбу шламохранилища, состоит из крупнодисперсных фракций с преобладанием частиц размерностью более 5 мм. Мелкозем и фракции физической глины практически отсутствуют.
Породы террасы дамбы бескарбонатные, пятнами встречаются карбонатные. Реакция среды колеблется от близкой к нейтральной (рН 6,5) до щелочной (рН 8,3 и выше). В таблице 1.2 приведен анализ водной вытяжки пород дамбы шламохранилища.
В целом, агрохимические параметры породы дамбы шламохранилища не способствуют развитию фитоценозов. Содержание доступных растениям форм фосфора и соединений азота невелико.
Концентрация калия в породе дамбы достаточная, агрохимическая характеристика породы приведена в таблице 1.3.
Анализ состава и свойств пород дамбы показал, что развитию фитоценозов и формированию дернового горизонта препятствуют факторы: высокая плотность субстрата (1,8 г/см3); отсутствие в породе тонкодисперсных фракций (особенно фракций физической глины); неблагоприятные агрохимические свойства - дефицит соединений азота (0,2-0,3 %) и фосфора (0,3-0,4 %).
Рекультивация с применением ОСВ перспективна в связи с их основными преимуществами перед породами шламохранилища:
- гранулометрический состав ОСВ тяжелый. При смешении пород различного гранулометрического состава формируются техноземы с заданными параметрами;
- повышенное содержание элементов зольного питания и азота в субстрате ОСВ. Смешение субстратов с разными агрохимическими показателями приводит к их усреднению, росту потенциального плодородия, активному биологическому освоению толщи этих пород;
- различия в степени засоления пород. Смешение пород с различной соленостью ведет к усреднению степени засоления и трансформации солевого состава растворов, и в целом к снижению фитотоксичности пород.
Нанесение ОСВ слоем 0,10-0,20 м на спланированную поверхность дамбы нивелирует лимитирующие свойства техногенных пород шламохра-нилища: снижается плотность сложения с 1,8 до 1,2-1,4 г/см3; возрастает содержание фракций физической глины до 9,5-13,5 %; повышается содержание азота до 0,5-0,6 %, фосфора до 0,9-1,7 %.
На территории дамбы шламохранилища в 1999-2000 гг. были заложены пять рекультивационных площадок общей площадью 5 га путем «почвенного» размещения ОСВ (объемом 12 тыс. м3).
Разработка методики формирования составов бесцементных твердеющих смесей из промышленных отходов
Анализ сырьевой базы показал целесообразность применения в качестве компонентов твердеющих смесей следующие материалы:
- вяжущее - нефелиновый шлам АГК;
- заполнитель - гранулированный шлак ЗСМК, золошлаковые отходы электростанций, отходы бытовых и промышленных котельных, горелые породы шахтных отвалов, известняк, породы из шахт;
- активизатор - фторогипс АГК.
Все материалы, кроме известняка, представлены отходами промышленных производств. Задачей исследований является определение оптимального соотношения компонентов, а также влияния качества заполнителей на свойства твердеющих смесей. Поставленная задача решается графоаналитическим методом с корректировкой установленных соотношений компонентов бесцементных твердеющих смесей по стоимости исходных материалов.
Сущность графоаналитического метода заключается в следующем.
Первоначально строятся зависимости прочности твердеющей смеси от времени твердения при различных видах заполнителя. По полученным зависимостям определяется оптимальное время твердения смеси, при котором прочность твердеющего массива достигает величины не менее нормативной 4,0 МПа. По данному показателю определяются соотношения объемов составов твердеющих смесей, из которых затем с помощью принципа «минимизации стоимости закладочного массива» устанавливаются оптимальные соотношения компонентов.
Твердеющие смеси с заполнителем из гранулированного шлака ЗСМК готовились в соотношении (вяжущее: заполнитель) 1:6, 1:4, 1:3, при этом расход вяжущего (нефелинового шлама) составляет соответственно 250, 350, 450 кг/м3. Основные результаты лабораторных исследований представлены в таблице 2.9 и на рисунке 2.1. Первым этапом исследований предусматривается изучение влияния тонкости помола компонентов на прочностные характеристики смесей. Расход активизатора твердения (фторогипса) принимался равным 5-20 % от веса вяжущего.
Анализ результатов исследований (таблица 2.9) показал, что нормативная прочность твердеющей смеси (4 МПа и более) достигается при 7-14-суточном сроке твердения:
- при расходе вяжущего 250 кг/м3 и тонкости помола 40,6-55,5 % ;
- при расходе вяжущего 350 кг/м3 и тонкости помола 16,9 -37 %;
- при расходе вяжущего 450 кг/м3 и тонкости помола 31,4 -44,7 %. Гранулированные шлаки, представлены двух- и однокальциевыми си ликатами, в незначительном количестве алюмосиликатами; нефелины в своей основе содержат минерал белит, т.е. двухкальциевый силикат, поэтому в твердеющей смеси (граншлак + «нефелин») гидравлические вяжущие свойства активно проявляют оба материала, особенно после помола.
Тонкость помола зависит от типоразмера промышленных мельниц, величины измельчающей загрузки и консистенции пульпы. В мельницах, работающих в открытом цикле, тонкость помола характеризуется выходом фракции 0,08 мм в пределах 30-60 %. Из практического опыта работы таких мельниц известно, что фактическая тонкость помола составляет 35-55 % остатка на сите № 008, что зависит от колебаний загрузки и размалываемости компонентов. При проведении второго этапа исследований по определению влияния расхода активизатора твердения (фторогипса) на прочностные свойства смесей тонкость помола принимали в указанных пределах.
Анализ результатов исследований (таблица 2.10) показал, что при расходе вяжущего от 250 до 450 кг/м3 с добавлением активизатора твердения от 5 до 20 % от веса вяжущего происходит увеличение прочности твердеющих смесей после трехсуточного режима твердения. Нормативная прочность твердеющей смеси (4 МПа и более) достигается в 7-ми суточном режиме затвердения при вводе 10 % добавки фторогипса.
Анализ прочностных характеристик составов (таблица 2.9) показывает, что добавка фторогипса является ускорителем твердения и позволяет увели чить прочность в трехсуточном режиме затвердения с 0 до 1,5 МПа, аналогичная зависимость наблюдается при различных сроках твердения. Максимальная прочность твердеющих смесей с заполнителем из граншлака при нормальных условиях твердения (без пропарки) составляет 32,0 МПа.
Полученные результаты показывают необходимость применения фто-рогипса в качестве активизатора твердении смеси («нефелин» + граншлак). Для промышленного использования может быть рекомендован состав № 4 с расходом вяжущего (нефелинового шлама) в количестве 250 кг/м3 и добавкой фторогипса 25 кг/м3 (10%), при этом достигается прочность смеси 4,4 и 7,8 МПа при 7-ми и 14-тисуточном режимах затвердения. Исследуемые смеси отвечали условиям транспортабельности (Кр 1,0), не расслаивались и представляли текучую однородную массу [11]. Лабораторные исследования прочностных свойств твердеющих смесей с различными заполнителями проводились по известным методикам определения прочностных характеристик и транспортабельности твердеющих смесей. Разработка составов проводилась на основе нефелинового шлама с активизатором затвердения - фторо-гипсом (отходы АГК) и заполнителями из золошлаковых отходов Томусин-ской и Беловской ГРЭС. Анализ химического состава этих отходов показал их идентичность, поэтому при лабораторных исследованиях были использованы только отходы Томусинской ГРЭС (таблица 2.11). Учитывая, что в промышленных условиях тонкость помола компонентов составляет 35 50 % остатка на сите № 008, при лабораторных исследованиях эта величина была принята за основу и варьировалась в указанных пределах. В качестве активи-затора твердения использовался фторогипс АГК. Исследования по определению оптимального расхода активизатора показали, что добавка его в количестве 15 % от общего веса смеси дает наибольшую прочность (таблица 2.11).
Анализ способов и технологий переработки осадков сточных вод
В настоящее время наибольшую технологическую и экологическую сложность представляет не очистка сточных вод, а проблема обработки и утилизации их твердой фазы.
Брикетирование илов и шламов сточных вод является экологически более чистым и имеет широкий спектр применения.
На рисунке 3.1 представлены брикеты осадков сточных вод различных форм и размеров.
При брикетировании создаются дополнительные сырьевые ресурсы из отходов производства (золы уноса ТЭЦ), использование которых малоэффективно или затруднительно.
В зависимости от исходного материала, брикетирование производится со связующими (цементирующими, клеящими) веществами при средних давлениях и без связующих веществ под высоким давлением.
Для получения брикетов высокого качества, материал, направляемый на прессование, должен отвечать определённым требованиям (фракционный состав, влажность, температура и пр.).
По физическим свойствам брикеты должны обладать [9]:
- атмосфероустойчивостью (при хранении на воздухе не подвергаться влиянию температур и влажности, не разрушаться от сырости, тепла и холода);
- механической прочностью, которая может сопротивляться удару и истиранию (выдерживать перевозку и перегрузку с образованием минимального количества мелочи и пыли);
- достаточной пористостью;
- содержать минимальное количество влаги;
- быть термоустойчивыми.
Основной процесс брикетирования – прессование, можно представить следующим образом.
При небольшом давлении происходит внешнее уплотнение материала за счёт пустот между частицами. Затем уплотняются и деформируются частицы, между которыми возникает молекулярное сцепление [27].
Высокое давление при прессовании приводит к переходу упругих деформаций частиц в пластические, структура брикета упрочняется и сохраняется заданная форма, а характер деформаций влияют физико-химические свойства исходного материала [93].
В настоящее время разработаны технологии холодного брикетирования с различными связующими (сульфатные щелока, сульфит-спиртовая барда, чугунная стружка, жидкое стекло и др), горячего брикетирования без связующих, термобрикетирования с различными восстановителями [78].
Брикеты могут быть использованы [10] как:
- субстрат для озеленения территорий, пересыпки полигонов бытовых отходов, рекультивации нарушенных земель;
- топливо;
- добавка при изготовлении строительных материалов.
Существует большое количество различных способов и технологий обработки осадков сточных вод, которые обладают рядом преимуществ и недостатков, затрудняющих их применение.
В работе [25] рассматривается способ рекультивации земель минерально-органической смесью на основе кварц-глауконитового песка.
Минерально-органическая смесь наносится на основе кварц-глауконитового песка в подготовленную поверхность с сапропелевой массой в весовом соотношении 70–80:20–30 для рекультивации нарушенных земель, содержащая активные вещества.
Технология отличается тем, что для формирования плодородного слоя на рекультивируемых землях, используются активные вещества в кислотно-растворимой форме, доступные для растений в соотношениях, %: Р2O5 – 3,05-5,50; К2O – 2,25-4,5; SiO2 – 50,0; МgO – 0,5-1,5; СаО – 4,2-9,5; МnО – 0,1-0,2; Nа2O – 0,1-0,12; Аl2O3 – 0,9-5,5; Fе2O3+FеО – 6,3-12,0; Органика – 2,5-4,5. Недостатком способа является сложность рецептуры и необходимость ее контроля.
Способ обработки биоорганических шламов [23] позволяет на неограниченный период времени и независимо от климатических условий добиться получения нерастворимых осадков за счет создания значительной популяции микроорганизмов. Обезвоженный шлам, который не подвергался обработке, а также пастеризованный или стерилизованный шлам, находящийся в жидком состоянии, содержащий 12–30 % твердых веществ, или в твердом состоянии, содержащий 30–60 % твердых веществ, смешивают с щелочным адсорбционным веществом для удаления запаха и увеличения процентного содержания твердых веществ, рН доводят до мягких щелочных условий и регулируют ионную проводимость, которая способствует быстрому созреванию штамма. Процесс обработки щелочью снижает величину рН, до приемлемого значения в интервале 7,0–9,5 рН или повышает значение рН, обработанных кислотами шламов до уровня, на котором получают развитие микроорганизмы, обеспечивающие стабилизацию. Для облегчения протекания карбонизации и общего процесса сушки смеси может подводиться тепло. Гранулированный продукт, за счет активной популяции микроорганизмов полезен в качестве сельскохозяйственного продукта для внесения в верхние слои почвы [36].
Недостатками способа являются сложность поддержания температурных режимов для сохранения штамма и необходимость сушки брикетов.
В работе [22] рассматривается способ получения субстрата для рекультивации нарушенных земель, который получают путем компостирования обезвоженного ила с измельченной древесной корой, взятых в весовых соотношениях (0,5–1,5):1. Компост после укладки на рекультивируемую поверхность засыпают сверху слоем песка или почвы толщиной 5–10 см.
Способ позволяет увеличить продуктивность культурного фитоценоза и одновременно улучшить санитарно-экологические свойства субстрата за счет изменений в нужных направлениях рецептур компостов из ила и коры. Недостатком способа является сложность транспортировки смеси.
Способ рекультивации нарушенных земель [46], для улучшения агрохимических свойств и биологической активности почвогрунтов и сокращения срока прорастания семян заключается в следующем. Нарушенные земли, в результате ведения горных работ, разравнивают, проводят их планировку и удаляют камни. На специальной площадке готовят смесь из угольных отходов, древесных опилок и семян. Семена предварительно (за сутки до приготовления смеси) замачивают в препарате гуминовых кислот, инокулиро-ванном штаммом Azotobacter chroococcum К-1 № 34. Приготовленную смесь перемешивают и разбрасывают по поверхности нарушенных земель с последующим боронованием.
Положительным эффектом способа является – улучшения агрохимических свойств и биологической активности почвогрунтов и сокращение сроков прорастания семян. Недостатком способа является сложность технологического процесса.
В работе [47] рассматривается способ подготовки шихты из жидких шламов для последующего брикетирования, сущность которого заключается в смешивании компонентов шихты и осуществляют путем подачи в струю сливающихся шламов угольной пыли, извести и золы-уноса теплоэлектростанций, а повторное перемешивание отбираемой увлажненной шихтовой массы осуществляют с одновременным введением в зону отбора дополнительного количества золы-уноса, увлажненной до 4–6 %, и составляющей 40– 50 мас.% от 100 мас. отбираемой шихты, шихтовые компоненты на первой стадии смешивания вводят в шлам в количестве (на 100 мас.% шлама), мас.%: зола-унос 40–50; известь 15–20; угольная пыль до 7, при этом осуществляют периодическое смещение слива, изменяя направленность и длину сливной трубы.
Способ позволяет эффективно получить брикеты с высокими экологическими параметрами. Недостатками способа являются: сложность транспортировки смеси, небольшое количество органики в составе брикета, что затрудняет его применение при рекультивации земель.
Разработка технологической схемы переработки осадков сточных вод
Технологическая схема обработки осадков сточных вод включает (рисунок 4.1) следующие технологические процессы.
В традиционной технологии очистки сточных вод обезвоживание осадков производят на вакуум-фильтрах или пресс-фильтрах с последующей выдачей осадка на иловые площадки, где в течении многих лет проходит его обеззараживание за счет воздействия микрофлоры и бактерий, а в зимнее время замораживания.
Для переработки можно использовать осадки на иловых площадках, но подобный подход не устраняет поступление новых.
Начинать переработку осадков после обезвоживания целесообразно с вовлечением осадков с иловых площадок.
Для обезвоживания осадков по предлагаемой технологии рекомендуется использовать комплексный способ безреагентной очистки сточных вод и брикетирования ила [59], разработанный на кафедре экологии и естествознания НФИ КемГУ, включающий подвод стоков в отстойник с механизированной выгрузкой, обезвоживание, брикетирование и обеззараживание осевшего ила, отвод очищенной воды из отстойника, очистку стоков от различных видов загрязняющих веществ с использованием безреагентных способов и технических устройств очистки и аккумуляции воды, отличаетсятем, что способ разделен в пространстве и во времени на две стадии: грубой и тонкой очистки воды [67].
Первую стадию очистки (рисунок 4.2) реализуют последовательными процессами: распределенного сброса воды в поверхностный слой воды механизированного отстойника; разделения взвешенных частиц и несмешивае-мых жидкостей по плотности выше и ниже плотности воды; аккумуляции и удержание взвешенных частиц и несмешиваемых жидкостей с плотностью ниже воды в верхнем слое потока; перепуска взвешенных частиц и несмеши-ваемых жидкостей с плотностью выше воды на дно отстойника; интенсивного осаждения взвешенных частиц и несмешиваемых жидкостей с плотностью выше воды на дно отстойника; физико-электрической обработки и изменения молекулярной структуры воды; осаждения тонкодисперсных взвешенных частиц и поддержания ламинарного движения потока воды и ее уровня путем последовательной установки кассетных технических средств по длине отстойника с механизированной выгрузкой осевшего ила скребковым обезвоживающим конвейером в смеситель, куда добавляют связующее, наполнитель и нейтрализатор, перемешивают и подвергают прессованию, а полученные брикеты обеззараживают в печах СВЧ.
Вторую стадию очистки воды реализуют каскадом технических устройств обеспечивающих дополнительную физико-электрическую обработку, изменение структуры и закрепления «памяти» воды, механическую очистку от взвешенных частиц, аэрацию и озонирование воды, рассредоточенный сбор осевшего в устройствах ила, который возвращают в отстойник с механизированной выгрузкой ила первой стадии очистки воды.
Распределенный сброс в отстойник с механизированной выгрузкой производят плоской струей с трамплина в верхний слой воды для погашения энергии потока в направлении движения воды в отстойнике, где на расстоянии 3-5 м установлена водонепроницаемая поперечная перемычка, обеспечивающая одновременное ведение процессов: разделения взвешенных частиц и несмешиваемых жидкостей по плотности выше и ниже плотности воды; аккумуляции и удержания взвешенных частиц и несмешиваемых жидкостей в верхнем слое потока воды с плотностью ниже воды; перепуска взвешенных частиц и несмешиваемых жидкостей с плотностью выше воды под нижней своей кромкой на дно отстойника.
За водонепроницаемой перемычкой на расстоянии не более 0,5 м устанавливают последовательно и каскад модульных наклонных устройств для очистки воды типа «жалюзи», обеспечивающих интенсивное осаждение взвешенных частиц и несмешиваемой жидкости с плотностью выше воды на дно отстойника с механизированной выгрузкой ила.
За каскадом модульных наклонных устройств для очистки воды типа «жалюзи» на расстоянии не более 0,5 м друг от друга устанавливают, электроды устройств физико-электрической обработки воды постоянным пульсирующим током, изменяющим молекулярную структуру воды и ионов загрязняющих химических веществ, насыщая их орбиты недостающими электронами, при этом устройства физико-электрической обработки через каждые 60 минут меняют полярность электродов.
За каскадом устройств физико-электрической обработки воды постоянным пульсирующим током устанавливают каскад тонкослойных осветлителей на расстоянии не более 0,2 м между собой до затопленного конца скребкового обезвоживающего конвейера.
За скребковым обезвоживающим конвейером устанавливают кассетные устройства для перепуска воды, работающее по принципу сообщающихся сосудов, разделяющее в отстойнике с механизированной очисткой рабочую и аккумулирующие зоны, имеющее на центральной перегородке продольное отверстие выше уровня воды в отстойнике для перепуска воды верхом, свидетельствующее о необходимости очистки устройства.
Для поддержания ламинарного потока воды и ее уровня на выходе отстойника с механизированной выгрузкой ила, в зоне, где аккумулируют очищенную воду и устанавливают устройство для сброса и регулирования глубины забора воды и аварий водосброс, через которые воду самотеком или насосами подают в промежуточный отстойник, служащий для согласования производительности очистки воды первой и второй стадий и имеющий по длине конусные днища, отделенные от отстойника решетками.
Вторую стадию очистки воды реализуют каскадом автономных устройств, собранных в систему с помощью трубопроводов и воздуховодов с запорной арматурой, обеспечивающих физико-электрическую обработку воды, механическую ее очистку, аэрацию и озонирование, для закрепления молекулярной структуры воды, удаления растворенных газов, органических веществ и насыщения очищенной воды кислородом, а так же брикетирования обезвоженного осевшего ила.
В автономное устройство физико-электрической обработки воды, представляющее емкость, внутри которой располагают электроды, с конусным днищем, отделенным от емкости решеткой, а воду в устройство подают насосами из промежуточного отстойника первой стадии под давлением 0,5-1,0 МПа для увеличения производительности второй ступени.
В автономное устройство механической очистки воды, представляющее закрытый желоб, имеющий наклон 15-25 , внутри которого располагают устройство для очистки воды типа «жалюзи», пластины которого закреплены шарнирно и могут колебаться с амплитудой на концах пластин 3-5 мм, с конусным днищем, отделенным от емкости решеткой, а вода поступает из автономного устройств физико-электрической обработки воды под давлением 0,5-1,0 МПа.
В автономное устройство аэрации, представляющее емкость, внутри которой располагают форсунки для диспергации воды, с конусным днищем и отделенным от емкости решеткой, при этом над решеткой днища располагают воздуховод, соединенный с вентилятором, имеющим эжектор для подачи избытка озона от реактора, а на верху устройства имеется труба для отвода газов, а вода в устройство поступает под давлением 0,5-1,0 МПа из устройства механической очистки воды.