Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы утилизации илового осадка от очистки сточных вод 10
1.1. Классификация и обзор методов утилизации илового осадка 10
1.1.1. Удобрения и структурообразователи почв 12
1.1.2. Энергоносители 16
1.2. Оценка потребителей продуктов переработки илового осадка 32
1.3. Выбор эффективного продукта 41
Выводы по главе 1: 49
Глава 2. Технические методы переработки илового осадка в топливные брикеты 50
2.1. Метод переработки илового осадка в топливные брикеты 50
2.2. Подготовка илового осадка к приготовлению топливных брикетов 52
2.3. Приготовление топливных брикетов из подготовленного илового осадка 54
Выводы по главе 2: 59
Глава 3. Технические средства подготовки полигонов к переработке илового осадка в топливные брикеты 60
3.1. Ограничения по безопасности и контролю 60
3.2. Метод функционального синтеза технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов 65
3.3. Синтез технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов 71
3.4. Функционально-диверсионный анализ технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов 83
Выводы по главе 3: 97
Глава 4. Технико-экономическое обоснование на примере полигонов депонирования иловых осадков г. Санкт-Петербурга 98
4.1. Характеристика полигонов для складирования осадков сточных вод г. Санкт-Петербурга 98
4.2. Прогнозирование текущего состояния полигонов 104
4.3. Технико-экономическое обоснование внедрения технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов 115
Выводы по главе 4: 127
Заключение 128
Список используемой литературы 131
Приложения 146
- Удобрения и структурообразователи почв
- Приготовление топливных брикетов из подготовленного илового осадка
- Метод функционального синтеза технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов
- Характеристика полигонов для складирования осадков сточных вод г. Санкт-Петербурга
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена обострением экологической обстановки в России и жесткими требованиями, предъявляемыми к промышленным предприятиям, которые используют в своем составе биологическую очистку вод. В мировой практике около 95 % сточных вод очищается биологическими методами (рис. 1) [1, 2]. Основной, наиболее эффективной стадией процесса очистки хозяйственно-бытовых стоков является биологическая очистка в аэротенках [3]. Более 2,3 млрд м сточных вод ежегодно очищается на современных станциях аэрации, образуя свыше 11 млн м осадков [4]. В этом случае образуется избыточное количество илового осадка (активный ил), который складируется на полигонах депонирования, оказывая в дальнейшем отрицательное воздействие на окружающую природную среду и человека [5].
Даар»»<имі сіоос
Сырой осада» Ип Осада* Я Газ №< «ex*»»««oro Обезвожены» осада» Полигон авгониреввм»»
овиммаия
Рис. 1. Схема очистки городских стоков [1].
Одним из остростоящих является вопрос эффективной утилизации избыточного ила промышленных и бытовых отходов с влажностью не более 80 %.
Современный полигон представляет собой сложную систему, оборудованную с целью не допущения контакта отходов с окружающей
средой, вследствие чего разложение отходов затруднено, и они представляют собой серьезную экологическую угрозу [6, 7].
При недостатке кислорода органические отходы подвергаются анаэробному брожению [8], что приводит к формированию горючего газа. В недрах полигона также образуется весьма токсичная жидкость (фильтрат) [9], попадание которой в водоемы или в подземные воды крайне нежелательно [10].
Иловый осадок от очистки городских стоков содержит в себе патогенную микрофлору, паразитные агенты, болезнетворные вирусы, кишечные палочки и палочки Коха, а также дурнопахнущие вещества [11]. Все это создает угрозу проникновения в почву, грунтовые и поверхностные воды токсичных органических соединений и соединений тяжелых металлов [12, 13], патогенной микрофлоры и яиц гельминтов [1, 5].
Таким образом, очевидно, что складирование илового осадка сточных вод следует признать не эффективным способом утилизации отходов и существует острая необходимость в разработке новых технических методов и средств подготовки полигонов депонирования к эффективной утилизации иловых осадков.
Целью работы является повышение эффективности утилизации иловых осадков сточных вод путем разработки геоэкологических научно обоснованных технических методов и средств, обеспечивающих переработку иловых осадков в топливные брикеты.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи исследования:
исследованы и классифицированы методы и средства утилизации иловых осадков в топливные и органоминеральные продукты;
оценен рынок потребителей продуктов переработки илового осадка;
предложены технические решения для переработки илового осадка сточных вод, хранимого на полигонах депонирования, в топливные брикеты;
предложена методика оценки эффективности разработанных технических решений;
выполнен геоэкологический анализ текущего состояния полигонов складирования илового осадка сточных вод «Волхонка-2» и «Северный» г. Санкт-Петербурга;
выполнен расчет экономической целесообразности деятельности по переработке депонированного илового осадка в топливные брикеты. Объектом исследования являются иловые осадки сточных вод,
топливные продукты, получаемые на их основе.
Предметом исследования являются технические методы и средства переработки илового осадка сточных вод.
Научная новизна работы состоит в том, что автором предложены:
классификация методов и средств утилизации илового осадка сточных вод и критерии выбора наиболее эффективного продукта переработки, позволяющие выделить наиболее перспективное направление утилизации илового осадка;
технологические основы подготовки осадка к брикетированию и технология брикетирования подготовленного осадка, позволяющие снизить энергетические потери процесса переработки и улучшить характеристики готовых брикетов;
геоэкологические и научно-технические решения, повышающие эффективность утилизации илового осадка сточных вод, позволяющие минимизировать энергетические потери, связанные с перемещением осадка на полигоне.
Практическая значимость работы. Предложенная геоэкологическая концепция рекультивации полигонов складирования илового осадка подтвердила свою работоспособность в результате экспериментальной проверки (апробации) в ООО «Институт инновационного проектирования» (ИнИП, г. Красноярск) и в ООО «Завод Ламель» (г. Кириши).
Геоэкологические и научно-технические результаты работы включены в научно-исследовательские отчеты в ГОУ ВПО «Северо-Западный государственный заочный технический университет» (договор № 01/09, название НИР «Разработка технических методов и средств подготовки полигонов депонирования иловых осадков для приготовления топливных брикетов») и ООО «Завод Ламель» (договор № 03/а, название НИР «Повышение эффективности утилизации отходов деревообработки»).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по специальностям 240401.65 «Химическая технология органических веществ» и 220100.62 «Системный анализ и управление» ГОУ ВПО «Северо-Западный государственный заочный технический университет» (СЗТУ, г. Санкт-Петербург).
Достоверность и обоснованность представленных результатов обоснована применением известных методов физико-химического анализа, а также системным анализом экспериментальных и расчетных данных. Результаты подтверждены опытными данными, полученными с использованием современных проверенных средств измерения и методов их обработки.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
обоснование наиболее перспективного направления утилизации иловых осадков сточных вод - переработка их в топливные брикеты;
технология утилизации иловых осадков с получением топливных брикетов, позволяющая снизить энергетические потери процесса
переработки и улучшить характеристики готового продукта; - геоэкологические и научно-технические решения, направленные на
переработку иловых осадков сточных вод в топливные брикеты.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях в СЗТУ: VII Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов (2006 г.); VIII Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов (2007 г.).
Результаты работы докладывались и обсуждались на заседании научно-технического совета кафедры химической технологии органических веществ, а также на секции теории, методов и средств управления в Доме ученых им. Горького РАН в октябре 2009 года.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе одна в ведущих реценцензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Удобрения и структурообразователи почв
Существует множество способов получения гуминовых веществ из илового осадка, однако наиболее распространенные решения можно сгруппировать по трем направлениям, выбрав в качестве критерия тип воздействия на осадок.
Первое направление - путем тепловой обработки (также в сочетании с давлением и использованием химических реагентов) предварительно подсушенного (до влажности 85-90%) осадка [23].
Обработку производят в герметичной камере (реакторе) при давлении 3,5-4 МПа и температуре 240-250С в течение 1,5-2 мин. Технология подразумевает добавление серной кислоты и доведение ее концентрации до 0,5-0,6%. Затем добавляют щелочь до уровня рН 10 и производят борбатирование кислородосодержащим газом при температуре 150-220С в течение 60-90 мин при давлении не менее 2 МПа [24].
Полученный продукт разделяют на жидкую фазу, представляющую собой раствор гуминовых веществ, и нерастворимый твердый осадок. Другим отработанным подходом является переработка осадка с использованием, преимущественно, химических реагентов (часто флокулянтов или гоагулянтов), которые в некоторых случаях являются вторичными продуктами переработки других видов отходов [25]. Например, обработка осадка аминокислотными и аминопептидными реагентами, произведенными из белкосодержащих отходов кожевенной, пищевой и птицеперерабатывающей промышленности [26]. Примеры обеззараживания и детоксикации осадка от очистки сточных вод приведены в таблице 1.1. Расход реагентов для детоксикации влажного (95-98%) осадка составляет 0,17-0,23 кг/м3. Расход реагентов для обеззараживания и дегельминтизации влажного осадка составляет 0,23-0,33 кг/м . [26] При этом обработка осадка на полигоне может производиться по одной из трех технологических цепочек: - реагент вводится в массу осадка с помощью специальной распределительной системы, последовательно на разных уровнях глубин, затем производится выемка всего обработанного осадка [27]; - поверхность полигона орошается реагентом, затем верхний слой осадка удаляется, орошается следующий слой. Таким образом, слой за слоем весь осадок удаляется с полигона [28]; - необработанный осадок постепенно вынимается из чаши полигона и обрабатывается на стационарной установке [29, 30]. Выбор той или иной технологической цепочки должен, осуществляется исходя из условий конкретного полигона (химического состава хранимого осадка, размера полигона, механической прочности поверхностного слоя и т.д.). Третьим подходом является использование биологического воздействия на осадок. Например, использование червей Eisenia fetida spp для обработки смешенного с отходами деревообработки активного ила, с получением в результате вермикомпоста с содержит подвижных форм азота - 1,5 г/кг сухого вещества, кальция - 5-6 г/кг сухого вещества, фосфора в пересчете на Р2О5 — 5-6 г/кг сухого вещества, подвижного калия (К20) - 0,20-0,25 г/кг сухого вещества при рН 6,0-6,5. [31]. Применение методов утилизации осадка с получением гуминовых веществ или органоминеральных композиций могло бы помочь в решении проблемы перевода осадка из категории токсичных отходов в безопасный продукт, предназначенный для рекультивации земель, использования в городском хозяйстве, при дорожном строительстве и производстве органоминеральных удобрений. Недостатком данных методов является невозможность (или сильная ограниченность [32, 33]) применения полученного удобрения при выращивании пищевых агрокультур во многих промышленно-развитых мегаполисах (например, в Санкт-Петербурге [5]) из соображений экологической безопасности (наличие солей тяжелых металлов в исходном осадке [34, 35, 36, 37]). Засыпных материалы на основе осадка называют также грунтами техногенными укрепленными (ГУТ). Это связано с тем, что в процессе приготовления формируются устойчивые к механическому воздействию структуры (называемые также блоками), с заданными прочностными характеристиками. ГУТов на основе осадка технологически похоже на приготовление удобрений [38]. Для обеспечения экологической безопасности готового продукта, содержащиеся в осадке опасные компоненты (соли тяжелых металлов и прочие) связываются в устойчивые соединения. Данный подход блокирует также естественное брожение осадка с выделением горючего газа [39]. Основным методом приготовления ГУТов из осадков является смешивание предварительно высушенных осадков со связующими компонентами. Например, с жидким стеклом и минеральной кислотой (например, борной кислотой). Полученные из образующейся смеси блоки по истечении определенного времени приобретают жесткую структуру [37]. Процесс затвердевания готового продукта называется литификацией (окаменением) [40]. Для ускорения этого процесса и, тем самым, уменьшения миграции загрязнителей в окружающую среду, осадок подвергают гидроразмыву щелочной суспензией гидролизованных алюмосиликатов, а в исходную смесь добавляется также до 10% извести, до 5% золы от сжигания осадка и до 20% портландцемента [41, 42]. Полученный в результате продукт может быть подвергнут захоронению или депонированию, или использован в дальнейшем для технических целей:
Приготовление топливных брикетов из подготовленного илового осадка
При адаптации методов подготовки и переработки илового осадка в топливные брикеты, необходимо учитывать различные надсистемные требования и ограничения, связанные с организацией работ на полигонах депонирования. Одними из основных требований являются требования экологической безопасности производимых работ и эксплуатации полигонов.
Рассмотрим систему правил эксплуатации полигона, направленных на обеспечение этих требований. При осуществлении деятельности по подготовке полигонов необходимо выполнять требования следующей регламентирующей документации: - федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», законодательных и нормативных правовых актов, издаваемых для реализации этого закона; - проектной и исполнительской документации по гидротехническим сооружениям полигонов для складирования осадков сточных вод; - актов обследования полигонов для складирования обезвоженных осадков сточных вод; - технических отчетов научно-исследовательских организаций; - нормативно-технической документации (СНиПы 2.06.05-84, 2.06.06.85 [90, 91], рекомендации, методические указания, инструкции, правила и т.д.); - документации по обеспечению градоэкологических обоснований (ГО) и предотвращению чрезвычайных ситуаций (ЧС) на полигонах; - научно-технической литературы. Полигон депонирования иловых осадков сточных вод представляет собой емкость, образованную в слабопроницаемых суглинистых грунтах в полувыемки-полунасыпи (с заглублением до 10 м ниже поверхности земли), состоит из одной или нескольких секций и огражден дамбами высотой до 10 метров [92]. Цокольная часть резервуара расположена в покровной части суглинистых грунтов большой мощности, борта которой представляют собой полувыемку-полунасыпь, образуя контурную ограждающую дамбу, выполненную, так же как и дно чаши, слабопроницаемыми суглинистыми грунтами с коэффициентом фильтрации К 0,0001 м/сут [93]. Для обеспечения статической устойчивости суглинистого тела дамбы с ее низовой стороны отсыпана песчаная упорная призма. Для контроля состояния ограждающих дамб контрольно-измерительная аппаратура и программа контрольных наблюдений часто не предусмотрена и, в связи с этим, на сооружениях отсутствуют. Контроль состояния гидротехнических сооружений (ГТС) и их механического оборудования производится ежедневно при визуальном осмотре сооружений службой эксплуатации полигона. Состав осадков сточных вод отнесен к IV классу опасности [74]. Возможная авария на полигоне (прорыв дамбы, например) приведет к ЧС, которая может вызвать загрязнение прилегающей территории осадками сточных вод, нанести экологический ущерб третьим лицам. В связи с этим, обязательному декларированию подлежат ограждающие дамбы полигона. Система контролируемых показателей состояния сооружения: Для оценки состояния ГТС и соответствия этого состояния требованиям безопасной эксплуатации сооружения используются: — качественная оценка, осуществляемая при визуальном контроле сооружения и его элементов; - количественная оценка, осуществляемая путем определения расчетных показателей состояния сооружения (коэффициента устойчивости плотины, действующих градиентов напора, напряжений, деформаций и т.д.) и сравнения их значений с нормативными, являющимися в этом случае критериями безопасности; - определение расчетных показателей состояния сооружения производится с использованием данных проектных материалов, исполнительной документации, а также результатов обследования сооружений. Объектами визуальных наблюдений ГТС полигона являются: - откосы (верховой и низовой) и гребень ограждающих дамб; - зона у подошвы низового откоса по периметру полигона; - откосы дренажной канавы; - водосбросные сооружения (шахтные колодцы); - водоотводящие коллекторы. При визуальном осмотре полигона фиксируются следующие возможные нарушения: - локальные обрушения откосов ограждающих дамб; выходы сосредоточенной фильтрации на наружный откос и у подошвы откоса в виде ключей и грифонов; мутность профильтровавшейся воды; - появление выноса частиц грунта или частиц складируемого осадка в профильтровавшейся воде; - появление мокрых пятен, зон влаголюбивой растительности; появление наледей в зонах выхода фильтрационного потока; наличие признаков морозного выветривания материала ограждающих дамб; - наличие ходов землеройных животных; - наличие трещин различного направления на гребне ограждающих дамб, бермах, откосах, наличие морозобойных трещин; выпор грунта на откосе, у подошвы откоса; - деформации водосбросных сооружений (переносы колодцев и т.п.); - отсутствие герметичности стыков водоотводящих коллекторов; неравномерность заполнения емкости и др. нарушения условий складирования. В соответствии с требованиями нормативных документов (СНиП 2.06.05-84 и СНиП 2.06.06-85 [90, 91]), предъявляемыми для грунтовых сооружений П класса, основными количественными измеренными показателями для полигона являются: - геометрический контур ограждающих дамб полигона; характеристики материала дамб; отметка уровня заполнения полигона; положение поверхности депрессии в створах; химический состав и свойства профильтровавшейся воды; величина фильтрационного расхода в местах выхода фильтрационного потока; - объем заполнения намытым материалом; - геометрические размеры дренажной канавы, пропускная способность, уклоны, скорости течения. Для оценки состояния сооружений также контролируются действующие на сооружение нагрузки и воздействия, к которым относятся: - температура окружающего воздуха; - температура илового осадка;
Метод функционального синтеза технической системы подготовки полигонов депонирования к приготовлению топливных брикетов
В практике системного анализа существует значительное количество методов, направленных на анализ технических систем. Большинство этих методов подразумевает количественную оценку показателей системы [95] и практически не проработана часть теории, связанная с синтезом технических систем, причем синтезом на качественном уровне.
Небольшое количество методов можно найти в литературе по инженерному творчеству [96, 97], однако, в основной своей массе, задачу синтеза новой технической системы они решают путем комбинаторики (использование морфологических ящиков, построение И-ИЛИ деревьев и т.д.). Лишь несколько малоизвестных методов подразумевают направленный синтез технической системы (решения) в заданном направлении, значительно снижая потери времени на перебор вариантов [98, 99].
На основе одного из таких методов, автор выполнил собственную разработку метода функционального синтеза новых технических систем (ТС). Метод [100] состоит из следующих шагов: 1. Определить главную функцию синтезируемой системы. Действие главной функции направлено на ту потребность, для удовлетворения которой и создается техническая система. Определить продукт, для изменения (создания) которого предназначается синтезируемая система. Определить продукт, получаемый на выходе. Сформулировать общие требования к системе. 2. Определить последовательность выполнения функций, непосредственно создающих главный продукт, т.е. необходимых для выполнения главной функции системы. Сформулировать их списком без указания носителей. 3. Для каждой функции определить один или несколько элементов подсистемы, ответственных за ее выполнение. 4. Построить функционально-потоковую модель взаимодействий на верхнем иерархическом уровне. 5. Выполнить синтез и оценку вариантов наиболее сложных подсистем: - определить главную функцию подсистемы; - найти принципы действия или готовые инженерные решения, направленные на выполнение главной функции. Поисковые запросы необходимо формировать на основе функционального описания подбираемых подсистем; - если вариантов подсистем несколько - выбрать критерии сравнения и провести ранжирование. Наиболее эффективный вариант использовать при построении итоговой модели системы. 6. Построить компонентно-потоковую модель полученного устройства, с детализацией подсистем. 7. Представить эскизную модель системы. Дополнительные иллюстраций лягут в основу дальнейшей инженерной проработки конструкции. Метод является модификацией метода Кислова А.В. [101], включающая в себя следующие отличия: - изменен переход от функциональной к компонентной модели, что позволило сделать более наглядную схему работы по методу; - проведена формализация шага 5, что позволило устранить многовариантность при выборе вариантов подсистем. Математизация этого шага основана на методе морфологических матриц, подробнее описанного далее; - введен шаг эскизного моделирования, что должно упростить переход к дальнейшему проектированию системы. Схема работы по методу представлена на рисунке 3.1. Применение рассмотренной метода синтеза ТС ведет к существенной экономии времени, так как позволяет двигаться по заранее обозначенному, оптимальному пути, исключая бесконечные пробы и ошибки. Рассмотрим далее методологическую основу выполнения шага 5, сравнения отдельных вариантов подсистем (ПС). В наиболее общем случае задача сравнения ПС укладывается в следующую схему: существует m сравниваемых между собой ПС, ПСь ПСг,...., ПС/,..., ПСт, в соответствие которым может быть поставлен ряд показателей качества (ПК), ПК і, ПКг,...., ПК/,..., ПК„, определяющих предпочтительность той или иной ПС. Предпочтительность с позиции учета одного ПК, ПК/, определим показателем Х , подразумевающим одну конкретную характеристику ПС.
Характеристика полигонов для складирования осадков сточных вод г. Санкт-Петербурга
В ходе системного анализа существующих методов и средств утилизации илового осадка была разработана наглядная классификация, основанная на физико-химических свойствах осадка, и группирующая все методы по получаемым на основе осадка продуктам. Двумя крупнейшими группами являются топливные и органоминеральные продукты.
Выполненная для каждого из продуктов оценка рынка потенциальных потребителей показала, что продукты обладают хорошим рыночным потенциалом.
Поэтому, для минимизации возможной ошибки, процедура выбора наиболее эффективного продукта была формализована на основе системы критериев в сочетании с использованием метода парных сравнений. В результате анализа наиболее эффективным продуктом утилизации илового осадка сточных вод являются топливные брикеты.
В ходе исследования было выявлено, что, в большинстве случаев, в предлагаемых технологических решениях этап обезвоживания осадков перед брикетированием обладает теми или иными (часто взаимоисключающими) недостатками. Наиболее существенным является энергозатратность удаления коллоидно-связанной воды из частично обезвоженных иловых осадков или сложность мер по компенсации избыточной влаги осадков.
Разрешить эти сложности было предложено с помощью введения дополнительной технологической операции - предварительной подготовки осадка путем диспергирования с эффектом кавитации. Проведенные испытания показали, что эта мера позволяет значительно снизить энергопотери связанные с обезвоживанием осадка.
В рамках выполнения диссертационной работы была разработана и обоснована экспериментально схема утилизации илового осадка с получением топливных брикетов, которая позволил снизить энергетические потери на брикетирование, а также улучшить характеристики готовых брикетов.
Для адаптации разработанной автором схемы утилизации к требованиям выполнения работ и эксплуатации полигонов был применен метод функционального синтеза новых ТС, который позволил снизить временные затраты при разработке концепции системы подготовки полигонов депонирования иловых осадков к приготовлению топливных брикетов.
Также был применен, адаптированный автором, метод функционально-диверсионного анализа, что позволило выявить и устранить латентные недостатки разработанной системы.
Разработанное в результате техническое решение представляет собой систему из двух мобильных технологических платформ, перерабатывающих осадок непосредственно на полигоне депонирования. Компактность и мобильность установок позволяет при необходимости легко менять их месторасположение и быстро разворачивать работу на новом участке.
Одним из главных преимуществ предложенной концепции является отсутствие необходимости в фундаментальных постройках, что позволяет рассчитывать на меньший объем необходимой согласовательной документации, минимальную инженерную подготовку территории, минимальные пуско-наладочные работы (в сравнении с традиционными решениями). Выполненный в ходе исследования геоэкологический анализ полигонов депонирования «Волхонка-2» и «Северный» г. Санкт-Петербурга показал актуальность задачи полной утилизации хранимого на данных полигонах илового осадка сроком не позднее 2014 года.
На примере полигонов «Волхонка-2» и «Северный» г. Санкт-Петербурга было также выполнено технико-экономическое обоснование, которое обосновало экономическую целесообразность внедрения описанного в работе способа утилизации отходов с получением топливных брикетов. Экономический эффект в случае реализации предложенной технологии переработки иловых и древесных отходов составляет более 70 млн руб.
Не смотря на то, что диссертация представляет собой завершённый, научный труд, она является только началом дальнейших научных исследований в области технических методов и средств эффективной утилизации экологически опасных промышленных и бытовых отходов.
