плахотнік олег миколайович

УДК 628.474

ТЕХНОЛОГІЯ ОРГАНО-МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ

З ОСАДІВ МІСЬКИХ СТІЧНИХ ВОД

Спеціальність 05.17.01 – технологія неорганічних речовин

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології неорганічних речовин Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

Волошин Микола Дмитрович,

Дніпродзержинський державний технічний університет

Міністерство освіти і науки України,

завідувач кафедри технології неорганічних речовин | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Півоваров Олександр Андрійович,

Український державний хіміко-технологічний університет,

професор кафедри обладнання та технології харчових виробництв | Доктор технічних наук, професор

Столяренко Геннадій Степанович.

Черкаський державний технологічний інститут,

Міністерство освіти і науки України,

завідувач кафедри хімічної технології неорганічних речовин | Провідна установа: | Національний політехнічний університет “Київський

політехнічний інститут” |

Захист відбудеться 08.06. 2006 р. о __14______годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.078.02 при Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою:49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8, ауд. 220.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету.

Автореферат розіслано 06.05. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Мельников Б.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Проблема утилізації осадів стічних вод (ОСВ) залишається до кінця не вирішеною і дуже актуальною перш за все тому, що запропоновані технології все ще залишаються дорогими, по друге тому, що зростає дефіцит органо-мінеральних добрив і палива. Головними напрямками утилізації осадів стічних вод є одержання органо-мінеральних добрив та комбінування процесу одержання добрив з виробництвом енергії, виготовлення будівельних виробів тощо. Незалежно від напрямку утилізації ОСВ необхідно піддавати зневодненню і знезараженню. В Україні відсутні технічні умови і стандарти на якість добрив з ОСВ. Але вже розроблені правила дозування різних добрив, в тому числі і з ОСВ, в ґрунт, а також налічується контроль за вмістом важких металів в ґрунті. За рубежем знаходять розповсюдження так звані інтенсивні технології одержання органо-мінеральних добрив з ОСВ, які базуються на зневодненні ОСВ в центрифугах, прес-фільтрах, вакуумних фільтрах, сушінні і знезараженні. Якість ОСВ в значній мірі залежить не тільки від технології і обладнання очисних споруд, але від складу вихідних стічних вод, вмісту в них важких металів, поверхнево-активних речовин. Досвіт свідчить про те, що в кожному конкретному місті, регіоні повинна бути власна технологія переробки і утилізації ОСВ, яка б забезпечувала найменші капітальні вкладення та експлуатаційні витрати. Ще не вичерпані можливості більш глибокого зневоднення сирого осаду і ущільненого мулу безпосередньо на очисних спорудах до потрапляння їх на мулові майданчики, в метантенки або в вузол інтенсивної технології зневоднення шляхом центрифугування чи фільтрування. Отже, розробка енергозберігаючої та екологічно чистої технології одержання органо-мінеральних добрив є актуальним, важливим завданням, яке має велике економічне і екологічне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедри технології неорганічних речовин Дніпродзержинського державного технічного університету, виконувалась за планом “Теоретичні і технологічні основи переробки осадів міських стічних вод” згідно з

науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України (номер Державної реєстрації 0104U000811).

Мета і задачі дослідження. Розробити технологію органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод шляхом встановлення нових закономірностей процесів зневоднення, сушіння, і термофільного компостування і обґрунтувати відповідні технологічні і конструктивні рішення на основі цих досліджень з урахуванням місцевих умов. Для цього було необхідно вирішити наступні задачі:

1. Оцінити вплив попереднього вакуумування на процеси відстоювання, центрифугування, фільтрування, термофільного компостування і сушіння осадів стічних вод.

2. Скласти математичне описання процесу фільтрування в умовах відстоювання активного мулу, що ущільнюється. Провести випробування тканинних фільтрів на мулових ущільнювачах і мулових майданчиках.

3. Удосконалити і реалізувати технологію збору плаваючих речовин в первинному відстійнику з ціллю зменшення кількості води, яка потрапляє з ними на мулові майданчики.

4. Визначити якість і мінеральний склад ОСВ і органо-мінеральних добрив з ОСВ і скласти матеріальний баланс очисних споруд по деяких металах.

5. Випробувати дію органо-мінеральних добрив на основі осадів стічних вод на схожість і ріст пшениці.

6. Розробити технологічну схему одержання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод на базі діючих очисних споруд, яка включає вузол попереднього вакуумування активного мулу з наступним його зневодненням.

7. Виконати економічні розрахунки щодо реалізації пропозицій з технології одержання органо-мінеральних добрив і їх застосування для рекультивації радіоактивних сховищ в м. Дніпродзержинську.

Об’єкт дослідження – осади міських стічних вод м. Дніпродзержинська.

Предмет дослідження – розробка технології одержання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод шляхом встановлення нових закономірностей процесів зневоднення, сушіння, термофільного компостування і кондиціювання і обґрунтування відповідних технологічних і конструктивних рішень на основі цих досліджень з урахуванням місцевих умов.

Методи дослідження – для характеристики властивостей осадів стічних вод та отриманих зразків добрив використовували стандартні аналітичні й експериментальні методики. Моделювання процесів відстоювання, фільтрування, компостування і випробування моделей пристроїв в промислових умовах здійснювали на підставі законів фізичної гідродинаміки, хімії розчинів високомолекулярних сполук. Крім фізико-хімічних та хімічних методів аналізу в роботі застосовано спектрофотометричний аналіз металевих домішок в осадах стічних вод. Планування експериментів і теоретичні розрахунки та обробку одержаних даних виконували за допомогою комп’ютерної техніки.

Наукова новизна отриманих результатів. При проведенні комплексних досліджень були розроблені нові підходи до технології одержання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод, а саме:

- встановлені кінетичні закономірності процесів зневоднення активного мулу шляхом відстоювання, фільтрування і центрифугування, сушіння та анаеробного бродіння після його попереднього вакуумування;

- складено математичне описання процесу фільтрування в умовах відстоювання активного мулу, що ущільнюється;

- досліджено розподіл основних металевих компонентів, які привносяться зі стічними водами на міські очисні споруди, серед сирих осадів, плаваючих речовин, в активному мулі, мулових майданчиках, біоставках і очищених стоках; показано наявність значної неоднорідності осадів в межах мулового майданчику за вмістом металів.

- визначено позитивний вплив органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод з добавкою карбаміду на схожість і ріст рослин на прикладі пшениці.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено і впроваджено в КП “Дніпродзержинськводоканал” новий пристрій для вловлювання плаваючих речовин в первинному відстійнику, який дозволяє значно зменшити вміст води в потоці плаваючих речовин, що потрапляють на муловий майданчик або у вузол зневоднення осадів стічних вод.

Впровадження розробленої технологічної схеми одержання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод із застосуванням вакуумної обробки активного мулу зробить економічною технологію утилізації осадів стічних вод, дозволить скоротити забруднення навколишнього середовища парниковими газами, важкими металами.

Експериментально показано, що виготовлені органо-мінеральні добрива з осадів стічних вод м. Дніпродзержинська за розробленою технологією значно підвищують схожість пшениці та прискорюють її ріст.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що він брав активну участь у постановці завдання, проведенні промислових випробувань, обговоренні результатів досліджень, їх інтерпретації, у математичному описанні процесу фільтрування в умовах відстоювання активного мулу, що ущільнюється, у розробці технологічної схеми установки одержання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод та техніко-економічному обґрунтуванні розробок. Особисто здобувачем визначені мета, задачі та методи дослідження. Здобувач виконав аналіз сучасного стану утилізації осадів стічних вод. Формулювання висновків проводилося разом з науковим керівником.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, які сформульовані в дисертації, обґрунтовані з використанням апробованих методів досліджень, перевіркою кількості виконаних експериментальних замірів на їх показовість, не протиріччям отриманих теоретичних результатів, їх достатньою подібністю з результатами експериментів та виробничої практики (відхилення не перевищували 10-15%), позитивними результатами перевірки технічних рішень і рекомендацій у промислових умовах.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи було представлено на Міжнародному конгресі „ЕТЕВК-2003” (м. Ялта, 27-31 травня 2003 р.) та трьох конференціях, а саме: ІІІ міжнародної науково-практичної конференції „Екологічна та техногенна безпека” (м. Харків, 21 квітня 2004 р.), міжнародної науково-практичної конференції „Комплексне використання сировини, енерго- та ресурсозберігаючі технології у виробництві неорганічних речовин”(м. Черкаси, 27-29 травня 2004 р.); V Всеукраїнської науково-методичної конференції з міжнародною участю „Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій” (м. Дніпродзержинськ, 13-15 жовтня 2004 р.).

Публікації. Зміст дисертаційної роботи викладено в 9 наукових працях, серед яких 4 статті у фахових наукових збірках та журналах, 4 праці – матеріали конференцій. За темою дисертації отримано 5 патентів України, з яких 4 – деклараційні.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел на 9 сторінках, і викладена на 123 сторінках основного тексту, містить 69 рисунків, 18 таблиць, 5 додатків на 16 сторінках. У списку літератури 135 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані її мета, задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність одержаних результатів. Наводяться основні наукові положення, які виносяться на захист, дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів досліджень.

У першому розділі викладено аналіз літературних джерел про існуючу проблему утилізації осадів міських стічних вод в Україні та за рубежем. Зроблено висновок про невичерпність можливості більш глибокого зневоднення сирого осаду і ущільненого мулу безпосередньо на очисних спорудах до надходження їх на мулові майданчики або у центрифуги чи фільтрпреси. В цьому розділі обґрунтовано основні завдання роботи та вибрані напрямки їх вирішення.

У другому розділі дано короткі характеристики очисних споруд м. Дніпродзержинська, наведені дані про якість осадів, що потрапляють на мулові майданчики, якість органо-мінеральних добрив, які можливо отримати за запропонованою технологією. Приведені основні методи дослідження та аналізу якості осадів стічних вод, такі як вологість і сухий залишок, щільність, водневий показник рН, вміст азоту, сірки, вуглецю, зольність, вміст важких металів і ін.

У третьому розділі наведені результати дослідження із зневоднення мулу шляхом відстоювання, фільтрування і центрифугування.. Встановлено, що активний мул під час його відстоювання на протязі 2 діб на відкритому повітрі у мірному циліндрі об’ємом 250 мл чорніє і розшаровується на верхній і нижній шари чорного осаду та середній світлий шар, який можна умовно назвати водним (рис. 1). Витримка мулу під вакуумом викликає збільшення нижнього шару і зменшення верхнього. Різниця водного шару при вакуумуванні і без нього спочатку дуже помітна, а з часом зменшується.

Встановлено шляхом розглядання мулу під мікроскопом, що вакуум пригнічує та знищує деякі мікроорганізми, переважно великих розмірів, та десорбирує пухирці газу, що знаходяться в оклюдованому стані на поверхні, а можливо і усередині мікроорганізмів.

Рис. 1. Кінетика відстоювання активного мулу без попереднього вакуумування при атмосферному тиску (а) і після вакуумування при вакуумі 8900 Па і протягом 5 хвилин через кожну добу (б)

На підставі проведених досліджень обґрунтовано висновок про доцільність підвищити ступень зневоднення активного мулу на стадії його ущільнення шляхом застосування фільтру безпосередньо в радіальному ущільнювачі. Для такого випадку було зроблено припущення, що фільтрувальну перегородку проходять тільки ті частки, ефективний діаметр яких менше розміру пори, було отримано теоретичне рівняння

,

де Q – лінійна швидкість рідини, м3/(с..м2); - перепад тиску на фільтрувальній перегородці, кПа; 1 – площа фільтрувальної перегородки, м2; C1 - концентрація твердої речовини в осаді, який піддається фільтруванню; 1 - швидкість протікання фільтрату через перегородку, м/с.; - в’язкість фільтрату, Па.с; K1 і K2 – константи фільтру, які залежать від форми і розмірів пор фільтрувальної перегородки; за експериментами К1 = 1,33, К2 = 95,1; - час, с.

Експериментальні дослідження фільтруючих перегородок з розміром пор 0,3х0,3 мм дозволили встановити, що об’єм отриманого фільтрату описується логарифмічної функцією такого вигляду

Qфт =0,91ln(1+),

в якої коефіцієнт детермінації дорівнює R2 = 0,9704.

Кондиціювання осаду здійснювали додаванням в осад хлорного заліза, сірчанокислого алюмінію, сірчанокислого заліза. Доза складала від 1 до 20% маси сухої речовини осаду. Встановлено, що з досліджених коагулянтів найбільш ефективними є сульфати двовалентного заліза і алюмінію. Встановлено, що вакуумування активного мулу знижує його питомий опір (табл.1). Зниження питомого опору активного мулу за рахунок вакуумування і за рахунок підвищення температури пояснюється послабленням зв'язків між окремими живими істотами активного мулу.

Таблиця 1

Вплив вакуумування на питомий опір активного мулу

Умови вакуумування |

Питомий опір, см/г.10-10

Температура, оС | Вакуум, Па

20 | 88200 | 226

20 | 78400 | 240

20 | 70200 | 250

25 | 8820 | 213

30 | 8820 | 210

Дослідили вплив часу і числа обертів центрифуги на процес розподілу ущільненого мулу. Дослідження впливу часу і числа обертів на вихід освітленої рідини в процесі розподілу мулу центрифугуванням представлені на рис.2. Видно, що зневоднення мулу протікає найбільш інтенсивно в перші 6 хвилин роботи центрифуги, потім швидкість розділення твердої і рідинної фаз помітно зменшується.

Рис. 2. Залежність вологості осаду від

часу центрифугування при кількості

обертів центрифуги, об/хв.: 1 – 3000;

2 – 4000; 3 - 5000

Також видно, що число обертів ротора центрифуги значно впливає на процес відокремлення осаду від води. Встановлено, що в практичних умовах швидкість обертання ротору центрифуги повинна бути не менш за 3000 об/хв.

Дослідили вплив попереднього вакуумування активного мулу на швидкість його зневоднення шляхом центрифугування. Результати дослідів надані в таблиці 2. Результати досліджень показали, що з підвищенням вакууму до 78400 – 88200 Па можна суттєво знизити вологість осаду. Це означає, що попереднє вакуумування може знизити або зовсім припинити витрати флокулянтів при центрифугуванні осадів стічних вод і тим самим зменшити собівартість органо-мінерального добрива з осадів стічних вод.

Таблиця 2

Вплив попереднього вакуумування ущільненого мулу на його зневоднення

шляхом центрифугування

Умови зневоднення | Вологість активного мулу, % мас

Температура, оС | Кількість обертів центрифуги, об/хв | Вакуум, Па | Час центрифугування, хв..

20 | 5000 | 88200 | 6,5 | 53,1

20 | 5000 | 78400 | 6,5 | 54,2

20 | 5000 | 70200 | 6,5 | 56,3

22 | 5000 | 60300 | 6,5 | 57,0

20 | 5000 | 0 | 6,5 | 58,2

Досліджено кінетику сушіння активного мулу на відкритому повітрі. Встановлено (рис. 3), що попередня витримка активного мулу під вакуумом прискорює процес сушіння його в інтервалі вологості від 1 до 12%. За межами цього інтервалу різниці в швидкості сушіння мулу як після вакуумної обробки, так ї без неї не спостерігається.

Рис. 3. Динаміка сушіння

активного мулу без вакуумної

обробки (1) і після вакуумної

обробки (2)

На підставі проведених досліджень розроблена технологична схема зневоднення осадів на мулових майданчиках (рис. 4). Особливістю цієї схеми є те, що процес зневоднення передбачено проводити під вакуумом.

Рис. 4. Принципова схема зневод-

нення мулу шляхом фільтрування на

піщано-гравійному фільтрі: 1- засувка; 2 –

відфільтрована вода; 3 – проміжна

ємність; 4 – вакуумний насос; 5 – при-

ямок для готового зневодненого осаду; 6 –

зневоднений осад на виготовлення добрива; 7 – піщано-гравійний фільтр; 8 – насос; 9 – ущільнений активний мул; 10 – повітрядувка; 11 - повітря

Застосування такого пристрою дає наступні переваги. По-перше, в багато разів скорочується термін зневоднення і сушіння осаду на муловому майданчику. По-друге, зберігається вміст вуглецю в майбутньому добриві і зменшується 2 рази за рахунок цього вміст металів. З впровадженням цієї схеми виникає можливість скорочення розмірів вдвічі земельної ділянки, на якій розташовані мулові майданчики.

У четвертому розділі приведені результати дослідження процесу газовиділення з ущільненого мулу і осад з мулових майданчиків їх термофільному зброджуванні при температурі 50°С. На рис. 5 і 6 представлена динаміка виділення біогазу з активного мулу. Після першої доби вона починає знижуватися, і через 5-8 діб практично дорівнює нулю, а в проміжку часу від 9 до 20 доби досягає максимуму, після чого поступово знижується. При вивченні процесу виділення биогаза з осаду мулових майданчиків виявлено, що загальна кількість біогазу, що виділився, в 2-3 рази менше, ніж з осаду мулоущильнювачів.

Рис. 5. Динаміка виділення біогазу з ущільненого активного мулу

Швидкість виділення біогазу (рис.6) з цього мулу відрізняється істотною нерівномірністю. Спостерігається максимальна швидкість створення і виділення біогазу приблизно в інтервалі часу від 20 до 22 діб. Після 40 діб швидкість виділення біогазу значно зменшується.

Рис. 6. Швидкість віддалення біогазу з ущільненого активного мулу

На рис.7 представлені результати анаеробного зброджування активного мулу, який був відібраний з вторинного відстійника і підданий попередньому зневоднюванню шляхом відстоювання до остаточної вологості 96%, а потім фільтруванням через тканинний фільтр до вологості 94%. Зневоднений мул був поділений на дві проби, одна з якої була піддана анаеробному окисленню, а інша проба спочатку була витримана під вакуумом 8800 Па, а потім піддана анаеробному окисленню за такими ж умовами, що і перша проба. Видно, що попереднє вакуумування призводить до зниження виходу біогазу в в 5 разів і більше. Мабуть вакуумування пригнічує або знищує ті мікроорганізми і простіші, які ведуть процес анаеробного окислення мулу.

Практичний висновок з цього досліду - ущільнений мул і сирий осад, який скидається на мулові майданчики, доцільно піддавати вакуумуванню.

Рис. 7. Динаміка виділення біогазу із мулу, що спливає, без попередньої витримки під вакуумом (1) і обробленого під вакуумом (2)

Це дасть змогу на довгий час загальмувати процес анаеробного окислення осадів на мулових майданчиках і тим самим зменшити втрати органічної частини осадів і зменшити забруднення атмосферного повітря парниковими газами СО2 та СН4.

П’ятий розділ присвячений експериментальній перевірці ефективності використання осадів міських стічних вод в якості органно-мінерального добрива. Агрохімічні властивості ОСВ вивчали за такими показниками, як вологість, сухий залишок, зольність, вміст органічної речовини, величина рН, вміст металів. Властивості і склад осадів наведено у табл. 3.

Видно, що ущільнений мул значно відрізняється від осаду з мулових майданчиків більшим вмістом вуглецю і меншою зольністю.

Муловий майданчик № 6 було умовно поділено на 6 дільниць і з кожної з них відібрано пробу осаду з метою визначення в них вмісту основних металів – цинку, заліза, міді та марганцю.

Таблиця 3

Властивості і склад осадів стічних вод м. Дніпродзержинська

Показники | Одиниця вимірювання | Активний мул після мулоущільнювача | Осад з мулових майданчиків

Вологість | % | 98,06 | 53,35

рН | 5,44 | 7,01

Сухий залишок | г/л | 22,11 | 47,12

Зольність | % | 13,76 | 68,66

Вуглець | % | 31,60 | 16,40

Результати аналізу розподілу металів надано в табл. 4.

Таблиця 4

Вміст металів в осаді з мулового майданчику, мг/кг сухої речовини

Номер проби | Zn | Fe | Cu | Mn

1 | 1026 | 14883 | 219 | 355

2 | 1328 | 14960 | 176 | 301

3 | 830 | 16765 | 213 | 319

4 | 893 | 18407 | 186 | 287

5 | 2234 | 17260 | 206 | 302

6 | 1173 | 20862 | 215 | 312

Середнє значення | 1247 | 17189 | 202 | 313

Максимальне ухилення від середнього значення, % | 79,1 | 21,4 | 8,4 | 13,4

За вмістом металів проби осаду доволі сильно відрізняються один від одного. Цей факт пояснюється тим, що на якість осадів, що знаходяться на мулових майданчиках, сильно впливає якість стічних вод, що потрапляють на очисні споруди, а також погодні умови.

Було виготовлено ряд композицій ґрунту з різними добавками осаду стічних вод і фосфогіпсу і здійснено перевірку на схожість пшениці. Встановлено, що в присутності в ґрунті добрив з осадів стічних вод значно підвищується ступінь схожості пшениці. Для сільськогосподарських угідь оптимальною являється наступна композиція: 80-90% ОСВ і 10-20% фосфогіпсу.

Виконана експериментальна перевірка впливу органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод з добавкою карбаміду на швидкість росту пшениці. При додаванні в ґрунт тільки осаду висота ростків пшениці після 28 діб збільшилася в 3,3 рази в порівнянні зі зразком, де немає добрива в ґрунті, і в 2 рази спостерігається збільшення росту зразка, куди був внесений карбамід. Взаємний вплив на прискорення росту пшениці з боку ОСВ і карбаміду може бути пояснено тим, що ці два компоненти доповнюють один одного за вмістом азоту і інших харчових речовин, таких як фосфор, калій, вуглець, мікроелементи. При збільшенні кількості осаду в ґрунті за 10% ріст рослин зменшується, хоча він залишається високим у порівнянні з контрольним зразком.

Перевірялась схожість пшениці в залежності від кількості доданого осаду. Результати показано в таблиці 5.

Таблиця 5

Схожість пшениці в залежності від кількості доданого осаду

Час, доба | 5 | 8 | 13

Кількість осаду , що додано в ґрунт, % | Схожість пшениці, %

0 | 10 | 50 | 90

6,4 | 20 | 30 | 90

12,8 | 20 | 30 | 80

19,2 | 20 | 50 | 80

Схожість пшениці при додаванні осаду спочатку зростає, а при кількості добавленого осаду 12,8% і більш трохи зменшується.

У шостому розділі надані рекомендації щодо створення технологічної схеми установки одержання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод. Ці рекомендації складаються з двох напрямів: 1) поглиблене зневоднення осадів стічних вод на самих очисних спорудах і одержання органо-мінеральних добрив; 2) застосування осадів стічних вод для рекультивації радіоактивних хвостосховищ.

Рекомендації щодо внесення змін до технологічної схеми очисних споруд з метою підвищення ступеню зневоднення осадів в процесі біологічної очистки відображені на рис 8.

Ці рекомендації базуються на висновках, які здобуті в даній роботі, а саме: застосування безперервно діючого пристрою для збору плаваючих речовин на первинному відстійнику, який забезпечує зниження в них води в 2 рази; встановлення пристрою для вакуумної обробки надлишкового активного мулу перед подачею його на ущільнення, що забезпечує підвищення швидкості процесів відстоювання та фільтрування, а також викликає гальмування анаеробних процесів розкладання органічної складової осадів стічних вод; встановлення на ущільнювачах фільтрів і здійснення ущільнення в аеробному режимі, що дасть змогу знизити вологість осадів на виході з ущільнювача; впровадження на мулових майданчиках вакуумних дренажів, які значно прискорюють віддалення вологи і скорочують час перебування осадів на мулових майданчиках.

Рис. 8. Технологічна схема установки отримання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод: 1, 6, 12, 33 – фільтрат, який повертається на повторну біологічну очистку; 2 – резервуар ущільненого мулу і сирого осаду; 3, 5 фільтри; 4 – радіальний мулоущільнювач; 7, 8 – вакуумні насоси; 9,13, 23 – газові викиди в атмосферу; 10 – вакуумні дренажі; 11 – муловий майданчик; 14 – вузол вакуумування активного мулу і сирого осаду і плаваючих речовин; 15 – добавки тирси, соломи, лігніну, фосфогіпсу; 16 – зневоднений осад міських стічних вод; 17 – активний мул; 18 – метантенк; 19 – двигун, що працює на біогазі, з генератором електричного струму; 20, 21 – насоси; 22 – сирий осад; 24 – проміжна ємність для плаваючих речовин; 25 – пристрій для усереднення стічних вод в первинному відстійнику; 26 – первинний відстійник; 27 – вихідні міські стічні води; 28 – майданчик для компостування осадів; 29 – готовий компост; 30 – центрифуга; 31 – пристрій для усереднення стічних вод; 32 – стічні води в аеротенк; 34 – збезводнений осад; 35 – вузол кондиціювання і пакування добрива; 36 – готове органо-мінеральне добриво до користувача

В схемі передбачено: впровадження комбінованої технології анаеробного окиснення осадів і котельної установки, що слугує для опалення виробничих приміщень очисних споруд; впровадження дільниці з переробки осадів стічних вод на органо-мінеральні добрива, яка включає зневоднення їх на сучасному обладнанні шляхом центрифугування або фільтрування, знезаражування, сушіння та кондиціювання і пакування добрива як готового продукту. Для додання більшої гнучкості технології пропонуємо впровадження дільниці одержання добрив з осадів стічних вод шляхом компостування. Техніко-економічні переваги даної технології: зменшення вологості осадів в 2 рази на стадії очищення стічних вод, підвищення вмісту органічного вуглецю в готовому продукті.

В технологічну схему зневоднення осадів стічних вод включено попереднє вакуумування їх. Такий спосіб дає змогу зменшити об’єм осаду на стадії ущільнення вдвічі і таким чином скоротити наполовину кількість апаратів для згущення чи центрифугування. На підставі проведених досліджень пропонується технологічна схема фільтрувального зневоднення осадів на мулових майданчиках. Особливістю цієї схеми є те, що цей процес передбачено проводити під вакуумом. Це дасть змогу звільнити мулову карту від зайвої вологи за 2 – 3 тижні і скоротити викиди парникових газів і мати більш високий вміст вуглецю в отриманому добриві. Розроблено спеціальний пристрій сифонного типу, який може бути застосований на первинному відстійнику для вловлювання плаваючих речовин при одночасному зниженню вмісту в них вологи. За рахунок впровадження вакуумної обробки активного мулу перед подачею його на ущільнення і встановлення фільтру в ущільнювачі можна скоротити об’єм ущільненого осаду вдвічі. Це означає зниження вологості осаду на стадії ущільнення з 98% до 96%.

Обґрунтовано доцільність використання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод для рекультивації приміських земель, в першу чергу тих, що мають радіоактивне забруднення. Їхня площа 1792,6 тис. га забрудненої речовини з радіоактивністю 77600 Кі. Щоб засипати таку площу осадом необхідно 10 років. Товщина засипки прийнята у відповідності з тією обставиною, що вміст важких металів у кореневому шарі багаторічних рослин, що будуть посаджені слідом за рекультивацією, не буде перевищувати норму і рослинам буде забезпечено нормальні умови для росту. Визначено склад робітників при виготовленні органо-мінеральних добрив, потреба в засобах механізації, вартість комплекту обладнання для зневоднення осадів.

Загальні висновки

В дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і розв’язана актуальна науково-практична задача, яка полягає в розробці технології одержання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод шляхом встановлення нових закономірностей процесів зневоднення, сушіння, термофільного компостування і кондиціювання і обґрунтування відповідних технологічних і конструктивних рішень на основі цих досліджень з урахуванням місцевих умов.

Найбільш важливі наукові і практичні результати, висновки та рекомендації:

1. Аналіз відомих методів одержання добрив з осадів міських стічних вод показав, що основною складністю в розробці технології є стадія зневоднення цих осадів, яка викликає великі капітальні, експлуатаційні і транспортні витрати. В останні роки спостерігається тенденція до зниження вмісту важких металів в осадах міських стічних вод і підвищення в них амонійного азоту та фосфатів. В дренажних водах мулових майданчиків вміст амонійного азоту сягає 150-300 мг/дм3 та фосфатів - 100-200 мг/дм3.

2. Досліджено вплив основних технологічних факторів, в тому числі попереднього вакуумування, на процеси відстоювання, центрифугування, фільтрування, термофільного компостування і сушіння осадів міських стічних вод. Встановлено, що попередня витримка активного мулу під вакуумом не менш як 80 кПа в продовж 5 - 6 хвилин при температурі 20оС викликає пригнічення мікроорганізмів і простіших, наслідком чого виникає можливість інтенсифікувати швидкість зневоднення активного мулу шляхом відстоювання, фільтрування, центрифугування, сушіння.

3. Вивчено динаміку термофільного компостування активного мулу, відібраного на виході з радіальних ущільнювачів і на мулових майданчиках лівобережних очисних споруджень міста Дніпродзержинська. Попередня витримка активного мулу під вакуумом значно гальмує процес анаеробного зброджування його.

4. За рахунок впровадження вакуумної обробки ущільненого мулу перед подачею його на мулові майданчики і встановлення фільтру в ущільнювачі можна скоротити об’єм ущільненого мулу вдвічі при зниженні вмісту в ньому вологи з 98 до 96 % та загальмувати процес анаеробного розкладання осадів на муловому майданчику і як наслідок цього скоротити втрати вуглецевої частини одержаного добрива і зменшити потрапляння в атмосферне повітря парникових газів – СО2, СН4.

5. Досліджено якість і мінеральний склад осадів міських стічних вод і органо-мінеральних добрив з них і складено матеріальний баланс очисних споруд по металам. За вмістом важких металів осади стічних вод м. Дніпродзержинська можливо використовувати як сировину для одержання органо-мінеральних добрив. Показано наявність значної неоднорідності осадів в межах мулового майданчику за вмістом металів.

6. Встановлено, що при роздільному додаванні до ґрунту органо-мінеральних добрив і карбаміду темпи росту пшениці в лабораторних умовах на початкової стадії збільшуються відповідно в 3,3 і 2 рази в порівнянні з контрольними зразками. А при додаванні органо-мінерального добрива з осадів стічних вод сумісно з карбамідом темпи росту пшениці зростають у 7,5 рази. Застосування органо-мінерального добрива сумісно з добавкою карбаміду в лабораторних умовах позитивно впливає на схожість пшениці.

7. Удосконалено технологію безперервного збору плаваючих речовин у вихідних стічних водах, які поступають на очисні споруди, і запатентовано і впроваджено пристрій в первинному відстійнику, що дозволяє зменшити потрапляння води з плаваючими речовинами на мулові майданчики, а також пристрій, який слугує для усереднення вихідних стічних вод.

8. Розроблено технологічну схему одержання органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод на базі очисних споруд, до якої крім стадій зневоднення, кондиціювання, устрою дренажу на мулових майданчиках і компостування додано вузол вакуумування ущільненого мулу перед подачею його на мулові майданчики або на зневоднення за інтенсивною технологією (центрифугування, фільтрування).

9. Виконано техніко-економічні розрахунки з організації виробництва органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод в складі очисних споруд м. Дніпродзержинська і їх застосування для рекультивації радіоактивних хвостосховищ в м. Дніпродзержинську та його передмісті. Впровадження запропонованої технології дозволить в значній мірі вирішити важливу соціальну і екологічну проблему міста - переробку й утилізацію осадів міських стічних вод з рекультивацією радіоактивних хвостосховищ.

У додатках дисертації надано: акт впровадження пристрою для збору плаваючих речовин у первинному відстійнику (додаток А); акт про випробування фільтру на мулоущільнювачі та муловому майданчику (додаток Б); протокол аналізу вмісту радіонуклідів в осадах стічних вод (додаток В); протокол дослідження виробів з полімерних і інших матеріалів (додаток Д); економічні розрахунки з технології органо-мінеральних добрив і їх застосування для рекультивації радіоактивних сховищ (додаток Е); копія договору про продаж ліцензії на право користування патентами (додаток Ж).

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Плахотнік О.М., Волошин М.Д., Журавльова А.В. Дослідження осадів стічних вод з метою отримання органо-мінеральних добрив//Вопросы химии и хим. технологии. – 2004. - №2 – с. 210-213.

Здобувачеві належить узальнення отриманих результатів лабораторних дослідів.

2. Плахотнік О.М., Волошин М.Д., Журавльова А.В., Клименко Т.К. Дослідження кінетики зневоднення активного мулу//Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. – Випуск 4 (33). – Дніпропетровськ: Системні технології, 2004. – С. 82-89.

Здобувачем виконано обробку результатів експериментів.

3. Плахотнік О.М., Коробочка О.М., Волошин М.Д. Рішення рівняння сумісного фільтрування і відстоювання осадів стічних вод в процесі отримання органно-мінеральних добрив. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. Випуск 5 (34). – Дніпропетровськ: Системні технології, 2004. – с. 47-54.3.

Здобувачем виконане рішення рівняння фільтрування і визначені його коефіцієнти

4. Плахотнік О. М., Волошин М.Д., Черненко Я.М., Зеленська Л.О. Використання активного мулу як добавки до мінеральних добрив// Науковий вісник будівництва. Вип. 27. Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ, 2004. – с. 113 – 118.

Здобувачем запропоновано ідею та методику проведення досліджень.

5. Волошин М.Д., Полянчиков О.І., Плахотнік О.М. Оцінка впливу міських очисних споруд на довкілля//Вісник харківського інституту соціального прогресу. Матеріали ІІІ міжнародної науково-практичної конференції “Екологічна і техногенна безпека”. Вип.1 (6) – 2004. –– с. 11 – 16.

Здобувачем зібрано і узагальнено дані, які стосуються складу матеріальних потоків на очисних спорудах.

6. Волошин М.Д., Плахотнік О.М., Панченко М.І., Сухореброва С.С. Зневоднення осаду стічних вод шляхом відстоювання і фільтрування і скорочення його вологості до потрапляння на мулові майданчики.// Вестник национального технического университета „ХПИ”. Тематический выпуск № 37 “Химия, химическая технология и экология”. - Харьков, 2004. – с. 94-97.

Здобувачеві належать розрахунки і обробка результатів дослідів.

7. Плахотнік О.М., Волошин М.Д., Михайленко Г.А. Удосконалювання очисних споруд м. Дніпродзержинська// Збірка доповідей Міжнародного Конгресу „ЕТЕВК-2003”. Під загальною редакцією проф.. І.А. Абрамовича. - Харьков: Вокруг цвета, 2003. – с. 269-272.

Здобувачем узагальнено дані з якості стічних вод на очисних спорудах.

8. Плахотнік О.М., Волошин М.Д., Проценко О.В. Отримання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод і зниження тиску на довкілля з боку очисних споруд//Збірник наукових праць міжнародної науково-практичної конференції “Комплексне використання сировини, енерго- та ресурсо-зберігаючі технології у виробництві неорганічних речовин”. – Черкаси: Вертикаль, ПП Кандич С.Г., 2004. – с. 237 – 238.

Здобувачеві належить ідея використання добрив для рекультивації ґрунтів, які забруднені радіоактивними відходами та розробка принципової схеми зневоднення осадів стічних вод.

9. Муловий майданчик. Патент 73657. Україна.7 С02F11/12, B01D24/24/ Волошин М. Д., Плахотнік О. М., Ктітаров А. С., Панченко М. І., Лосенко І. М. Заявл. 06.11.2003. опубл. 16.08.2005. Бюл. №8, 2005 – 2 с.

Здобувачеві належить ідея застосувати фільтрацію в циклічному режимі і встановити проміжну ємність для зберігання фільтрату.

10. Радіальний відстійник для відстоювання побутових стічних вод. Деклараційний патент 64230А. Україна. 7 B01D21/00/ Плахотнік О.М., Ктітаров А. С., Смирнова Т.В., Волошин М.Д., Черненко Я. М. Заявл. 08.04.2003. опубл. 16.02.2004. Бюл. №2, 2004 – 2 с.

Здобувачеві належить остаточна конструкція радіального відстійнику.

АНОТАЦІЇ

Плахотнік О.М. Технологія органо-мінеральних добрив з осадів міських стічних вод. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.17.01. – Технологія неорганічних речовин. – Український державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 2006.

Захищаються результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних для розробки технологічного процесу обезводнення осадів стічних вод і одержання органо-мінеральних добрив з цих осадів. Досліджено вплив попереднього вакуумування на процеси відстоювання, центрифугування, фільтрування, метанування і сушіння осадів стічних вод. Встановлено, що застосування органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод з добавкою карбаміду позитивно впливає на схожість і ріст пшениці. Розроблено комплексну технологічну схему одержання органо-мінеральних добрив з осадів стічних вод на базі очисних споруд, до якої крім стадій зневоднення, компостування, кондиціювання і устрою дренажу на мулових майданчиках додано вузол вакуумування активного мулу перед його ущільненням. Обґрунтовано використання добрива за розробленою технологією для рекультивації радіоактивних ділянок. Матеріал дисертації викладено у 8 друкованих роботах.

Ключові слова: активний мул, добриво, очисні споруди, стічні води, муловий майданчик, центрифугування, фільтрація, зневоднення, вакуумування.

Плахотник О.Н. Технология органо-минеральных удобрений с осадков городских сточных вод. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.01. – Технология неорганических веществ. – Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2006.

Защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку технологического процесса обезвоживания осадков сточных вод и получения органо-минеральных удобрений из этих осадков. Исследовано влияние основных технологических факторов, в том числе предварительного вакуумирования, на процессы отстаивания, центрифугирования, фильтрования, метанирования и сушку осадков городских сточных вод. Установлено, что предварительная выдержка активного ила под вакуумом не менее чем 80 кПа в течение 5-6 минут при температуре 20оС вызывает угнетение микроорганизмов и крупных простейших, следствием чего возникает возможность интенсифицировать обезвоживание активного ила. Усовершенствована технология беспрерывного сбора плавающих веществ в исходных сточных водах, которые поступают на очистные сооружения. Запатентовано и внедрено устройство в первичном отстойнике, которое обеспечивает существенное уменьшение попадания воды с плавающими веществами на иловые площадки, а также устройство, которое служит для усреднения исходных сточных вод в первичном отстойнике. Установлено, что применение органо-минеральных удобрений из осадков бытовых сточных вод с добавкой карбамида положительно влияет на всхожесть и рост пшеницы. Разработана комплексная технологическая схема получения органо-минеральных удобрений из осадков сточных вод на базе городских очистных сооружений, в которой кроме стадий обезвоживания, кондиционирования и устройства дренажа на иловых площадках, предусмотрен узел вакуумирования активного ила перед его уплотнением. Обоснована целесообразность использования удобрения по разработанной технологии для рекультивации радиоактивных участков в г. Днепродзержинске и его окраинах. Внедрение предложенной технологии позволит в значительной мере решить важную социальную и экологическую проблему города - переработку и утилизацию осадков городских сточных вод