ВВЕДЕНИЕ 4
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 16
1 Обзор методов утилизации и переработки активного ила в отечественной и мировой практиках 18
1.1 Способы использования активного ила за рубежом 18
1.2 Методы применения активного ила в Российской Федерации 22
1.2.1 Активный ил как органическое удобрение 23
1.2.1.1 Применение на отвалах каменного угля 24
1.2.1.2 Опыты на иловатой среднесуглинистой почве с кукурузой 25
1.2.1.3 Применение в условиях радиоактивного загрязнения 26
1.2.2 Использование активного ила в производстве и строительстве 27
1.2.2.1 Производство пластмассовых изделий 27
1.2.2.2 Производство строительных материалов 29
1.2.3 Использование активного ила в качестве биофлокулянта 30
1.2.4 Активный ил - альтернативное топливо 31
1.3 Описание уровня техники, известных аналогов и прототипа 33
2 Анализ проблемы применения активного ила в виде сырья для производства удобрений на ПАО «КуйбышевАзот» 41
2.1 Описание технологического процесса и технологической схемы цеха №39 «Переработка органических и неорганических соединений» 42
2.2 Анализ существующей системы накопления и захоронения стабилизированного ила сточных вод ПАО «КуйбышевАзот» 57
2.3 Анализ требований для использования ила в качестве удобрения 59
2.3.1 Основные нормативные документы, регулирующие требования к составу осадков 59
2.3.2 Требования к составу и свойствам осадков 61
2.3.3 Соответствие состава активного ила предприятия требованиям и нормам 63
3 Организация использования активного ила предприятия ПАО «КуйбышевАзот» в качестве удобрения почв 66
3.1 Компостирование иловых осадков как путь рекультивации нарушенных почв 66
3.2 Основы организации компостирования иловых осадков 69
3.3 Организация компостирования активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» 71
3.3.1 Рекомендации по работе аэротенка предприятия 71
3.3.2 Рекомендации по работе иловых площадок 77
3.4 Рекомендуемая система применения активного ила цеха №39 как сырья для удобрений 79
3.5 Экономические обоснования предлагаемой системы 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 92
ПРИЛОЖЕНИЕ А 99
Купить

Актуальность темы исследования обусловлена рядом факторов. К числу основных можно отнести проблему возврата в окружающую среду продуктов, образующихся в процессе переработки отходов промышленной деятельности человека. К таким продуктам относятся осадки сточных вод, образующиеся в больших объёмах на очистных сооружениях. При этом проектные площади не справляются с образующимися объемами активного ила. Необходимость применения отработанного активного ила в процессе очистки сточных вод обусловлена проблемой охраны окружающей среды и экономическим аспектом. Кроме того, компоненты такого сорбционного материала имеют природное происхождение, а это означает его безвредность. Данный факт является немаловажным при решении проблемы рекультивации загрязненных городских почв.
Процесс минерализации органических сбросов, в основе которого лежит применение активного ила, был впервые разработан в 1914 г. [5]. В настоящее время метод модернизируется и становится более сложным и производительным, ведутся поиски и разработка новых, усовершенствованных способов использования активного ила сточных вод в производстве органических удобрений.
В данный момент на предприятии ПАО «КуйбышевАзот» не применяется такой перспективный метод использования осадков сточных вод как компостирование. Отходы вывозятся на захоронение, что довольно затратно с экономической стороны и нецелесообразно ввиду высокой ценности получаемого из отхода конечного продукта (органического удобрения).
Цель работы - модификация способов применения активного ила, образующегося на очистных сооружениях ПАО «КуйбышевАзот», в качестве сырья для производства органического удобрения.
Цель поставлена ввиду необходимости решения следующих проблем:
• высокая стоимость захоронения стабилизированного активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот»;
• целесообразность использования органического удобрения на собственных полях предприятия;
• необходимость оздоровления городских экосистем и рекультивации техногенных и нарушенных почв г.о. Тольятти ввиду наличия загрязненных и деградированных городских земель.
Объект исследования - отработанный активный ил сточных вод цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот».
Предмет исследования - возможность применения стабилизированного активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» в качестве исходного технологического сырья для производства удобрений.
Задачи. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
• исследовать современное состояние вопроса применения иловых компостов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства;
• изучить требования для использования ила в качестве удобрения;
• провести анализ технологического процесса переработки органических и неорганических соединений цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» г. Тольятти;
• изучить состав стабилизированного ила сточных вод предприятия ПАО «КуйбышевАзот»;
• выявить и проанализировать проблемы утилизации и применения отработанного активного ила сточных вод ПАО «КуйбышевАзот»;
• разработать проект применения отработанного активного ила сточных вод ПАО «КуйбышевАзот» как исходного технологического сырья производства удобрений.
Научная новизна исследования: в работе проведен анализ состава активного ила предприятия и выявлен факт его соответствия заявленным требованиям. В результате исследования рассмотрены затраты на транспортировку и захоронение отхода, определены преимущества изготовления компостного удобрения. Ввиду этого в диссертации впервые разработан проект полевого компостирования активного ила осадков сточных вод с использованием динамичных штабелей, а также спрогнозирован результат его внедрения с экономической и экологической точек зрения.
Методы и методология проведения исследования заключается в применении теоретических методов статистического анализа, синтеза, классификации, обобщения и прогнозирования, а также практических методов сравнения, наблюдения и описания на непосредственной полевой практике в цехе №39.
Теоретическая, научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что на основе проведенного исследования было выявлено соответствие активного ила предприятия требованиям и нормам к применению в качестве сырья для производства удобрения; приведены рекомендации по работе аэротенка и иловых площадок; разработан и обоснован проект полевого компостирования, обеспечивающий обеззараживание ила сточных вод и получение качественного компоста.
Научная обоснованность и достоверность результатов исследования. Достоверность полученных результатов исследования выявлена посредством анализа совокупности теоретико-методологических оснований. С каждым годом вопрос переработки стоков исследуют все большее количество ученых [20, 41-45, 54].
Изучение и анализ научных публикаций по теме исследования показали, что при использовании компостов на основе активного ила для удобрения различных видов почв было выявлено положительное влияние минеральных составляющих продукта на уровень урожайности земель и сопротивляемость растений болезням.
Экспериментальным путем было установлено, что использование активного ила в качестве сырья для производства удобрения благоприятно с экологической и экономической точек зрения. Достоверность результатов исследования подтверждается техническим результатом, который будет получен при осуществлении проекта компостирования иловых осадков: исключение необходимости захоронения, улучшение свойств почв собственных полей предприятия, оздоровление деградированных и загрязненных земель г.о. Тольятти, снижение воздействия на окружающую природную среду.
Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
• применение компостного удобрения оказывает существенное положительное влияние на структуру почв, значительно улучшает их физико-химические, биологические и противоэрозионные свойства;
• активный ил сточных вод цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» пригоден для приготовления компостов по токсикологическим, агрохимическим, физико-механическим, ветеринарно-санитарным и гигиеническим показателям;
• на предприятии возможно производить высококачественный компост в штабелях с ворошением отходов;
• реализация проекта по применению активного ила в качестве органического удобрения позволит увеличить экономический эффект за счет снижения затрат на размещение отхода на полигоне, транспортные расходы и плату за негативное воздействие на окружающую среду.
Апробация результатов.
В результате проведенного исследования работы цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» были выдвинуты следующие практические рекомендации. Для эффективной подготовки активного ила к процессу компостирования необходимо соблюдать правила эксплуатации оборудования, технологический режим работы аэротенков и иловых площадок. Предлагаемая система полевого компостирования может быть реализована при соблюдении следующих условий:
а) предварительное подсушивание осадка на иловых картах до влажности 75-80%;
б) проведение процесса компостирования в удлиненных штабелях;
в) ворошение (перелопачивание) осадка;
г) принудительная аэрация;
д) увлажнение материала в процессе компостирования;
е) стабилизация - выдерживание материала в новых штабелях в течение 1-2 месяцев.
Благодаря реализации проекта полевого компостирования в штабелях будет достигнут экономический эффект за счет экономии ежегодной платы за рекультивацию отхода 67 794,33 руб. (при условии использования для изготовления компоста 25% отработанного активного ила).
Личный вклад автора в исследование.
Автором проведено исследование возможностей применения активного ила; изучены нормативные документы с целью определения требований к составу и характеристикам осадков сточных вод, применяемых в производстве органического удобрения; проведено сравнение данных по составу активного ила предприятия и выявлено их соответствие заявленным требованиям; проанализированы принципы работы аэротенка и иловых площадок предприятия, разработаны рекомендации для повышения эффективности их эксплуатации; впервые разработан проект приготовления компостного удобрения на основе активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот» с применением динамичных штабелей; доказана эффективность внедрения проекта с экономической и экологической точек зрения.
Структура и объем магистерской диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка используемых источников, содержит 100 страницы текста. Основная часть исследования изложена на 74 страницах, текст иллюстрирован 7 таблицами, 14 рисунками, использовано 59 литературных источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе диссертации приведены результаты изучения научных публикаций и исследований на заданную тематику, позволяющие составить общую картину способов использования активного ила в России и за рубежом. Применение иловых осадков и получение органоминерального удобрения на их основе является достаточно обширным направлением для проведения экологических и агрохимических экспериментов на различных видах почв: на иловатой среднесуглинистой почве с кукурузой, на отвалах каменного угля, в условиях радиоактивного загрязнения. Кроме того, исследования показали успешное применение активного ила в производстве пластмассовых изделий, строительных материалов и в качестве альтернативного источника энергии. В разделе рассматривается строение и принципы работы известных аналогов и прототипов, применяемых для очистки сточных вод и получения активного ила: песколовок, метантенков, сушильных установок, аэротенков и иловых площадок. Основные выводы 1 главы:
• в мировой практике одним из основных способов переработки отхода является его использование в качестве органоминерального удобрения; при этом параллельно решается несколько задач: исключается необходимость хранения (захоронения) отходов, повышается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, в меньшей степени загрязняется окружающая природная среда;
• в России большая часть отходов вывозится на захоронение; при этом безвозвратно теряются содержащиеся в них полезные компоненты, а также используются дополнительные площади, что оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду;
• с каждым годом в России растет число исследований и разработок по применению активного ила в строительстве, биоэнергетике и сельском хозяйстве;
• одним из наиболее перспективных методов использования активного ила остается изготовление на его основе органического удобрения.
Во второй главе содержится анализ технологического процесса и технологической схемы цеха №39 «Переработка органических и неорганических соединений», происходящих в нем процессов нитрификации и денитрификации, стадий очистки сточных вод. В разделе рассматривается существующая система накопления и захоронения отработанного ила сточных вод ПАО «КуйбышевАзот». Образующийся в процессе очистки стоков избыточный активный ил отводится на участок обработки осадка. Избыточный ил уплотняется безреагентной флотацией. Образовавшаяся в результате этого процесса флотационная пена, или уплотненный ил, откачивается на иловые площадки. Площадки оборудованы дренажной системой для отвода фильтрата. Далее ил подвергается уплотнению и высыханию в естественных условиях. Ил избыточный биологических очистных сооружений удаляется на иловые карты. Ил стабилизированный биологических очистных сооружений подвергается захоронению. На очистных сооружениях ПАО «КуйбышевАзот» ежегодно образуется порядка 260 тонн избыточного ила, который вывозится на рекультивацию на полигон ЭКОТРАНС.
В главе содержатся данные результатов анализа нормативных документов, регулирующих требования к составу осадков для использования их в качестве удобрения. Условиями для применения осадков сточных вод в приготовлении удобрения являются обеззараживание, предельно допустимое содержание потенциально опасных элементов и веществ, пригодность по физическим свойствам и удобрительная ценность конечного продукта.
Подводя итоги проведенного исследования проблемы использования активного ила сточных вод цеха №39, можно сделать следующие выводы:
• активный ил предприятия полностью соответствует заявленным требованиям и нормам для использования его в качестве сырья для приготовления компостного удобрения;
• после оформления необходимой документации, разработки, внедрения и применения плана использования отхода в качестве удобрения компосты из активного ила можно будет эффективно использовать на полях предприятия ПАО «КуйбышевАзот», заметно сократив ежегодные затраты на транспортировку и захоронение отхода, а впоследствии и на полях г.о. Тольятти, что будет способствовать повышению урожайности земель и общему улучшению агрохимических показателей почв.
В третьей главе приводятся рекомендации по работе аэротенка и иловых площадок предприятия. Необходимым условием для применения активного ила промышленного предприятия в качестве удобрения является его предварительная подготовка. Ввиду этого требуется проведение обеззараживания ила и осадка. Существует немало способов обеззараживания осадка сточных вод, но наиболее доступным и относительно надежным методом является компостирование. На ПАО «КуйбышевАзот» предлагается внедрить проект полевого компостирования илового осадка в штабелях. Проект приготовления компоста несложен в техническом отношении и не требует больших затрат, при этом способен обеспечивать большой обеззараживающий эффект ила сточных вод. Метод предлагается применять с использованием динамичных (с ворошением отходов) штабелей; компостирование должно проходить в условиях принудительной аэрации. Благодаря аэрированию, улучшающему условия жизнедеятельности микроорганизмов, процесс перегнивания отходов значительно ускоряется. В разделе обсуждаются возможности внедрения проекта на предприятии, экономические и экологические обоснования предлагаемой системы.
В разделе приводится расчет платы за рекультивацию активного ила цеха №39 на примере данных 2015 года. Плата за размещение отходов в пределах лимитов ПЛр на полигоне ЭКОТРАНС составила: 166 296,4 руб.
Плата за транспортные расходы: 21 023,56 руб.
Плата за негативное воздействие на окружающую среду: 93 043 руб.
Итого: плата за рекультивацию 268,22 т отхода составила 280 362,8 руб.
Если предположить, что 25% (65 тонн) ила будет использоваться для биокомпостирования, то можно спрогнозировать ежегодную экономию платы за рекультивацию: 67 794,33 руб.
Готовый компост в качестве органического удобрения может найти широкое применение как на собственных полях предприятия, так и на полях г.о. Тольятти. В 3 главе рассмотрена возможность применения компостного удобрения на полях выращивания картофеля. На основании расчетов выявлено, что для обогащения азотом поля под картофель площадью 1 га потребуется внести 845 кг органического удобрения, полученного в результате биотермического компостирования активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот».
Подводя итоги изучения вопросов, связанных с организацией использования отработанного активного ила на предприятии ПАО «КуйбышевАзот» в качестве удобрения почв, можно сделать следующие выводы:
• компостное удобрение на основе активного ила имеет высокую агрономическую ценность, оказывает положительное влияние на структуру и свойства почв; удобрение рекомендуется применять для рекультивации почв, обогащения истощенных земель, для улучшения биологической активности почвы и сопротивляемости растений болезням;
• для эффективной подготовки активного ила к процессу компостирования необходимо соблюдать правила эксплуатации оборудования, технологический режим работы аэротенков и иловых площадок;
• применение проекта приготовления компоста позволит экономить средства предприятия, затрачиваемые на транспортировку, размещение и захоронение отхода, а также получать высококачественный материал для удобрения и восстановления почв.
Основные выводы и результаты.
На основании проведенного исследования проблемы применения отработанного активного ила можно сделать вывод, что одним из наиболее перспективных методов использования активного ила в России и за рубежом является изготовление на его основе органического удобрения.
Изучение деятельности предприятия ПАО «КуйбышевАзот» по применению активного ила выявило, что:
• рассматриваемый активный ил цеха №39 полностью соответствует заявленным требованиям и нормам для использования его в качестве сырья для приготовления компостного удобрения;
• органическое удобрение на основе активного ила имеет высокую агрохимическую ценность, оказывает положительное влияние на структуру и свойства почв; удобрение рекомендуется применять для рекультивации почв, обогащения истощенных земель, для улучшения биологической активности почвы и сопротивляемости растений болезням;
• благодаря применению методов биокомпостирования происходит возврат в почву органических веществ и сокращение использования химических удобрений;
• для эффективной подготовки активного ила к процессу компостирования необходимо соблюдать правила эксплуатации оборудования, технологический режим работы аэротенков и иловых площадок;
В диссертации предлагается система полевого компостирования отработанного активного ила предприятия с соблюдением следующих условий:
• соотношение между степенью загрязнённости сточных вод и количеством активного ила в аэротенке: оптимальная доза ила 4 мг/л;
• рекомендуемый состав сточных вод предприятия: концентрация биологического потребления кислорода (БПКполн) - свыше 500 мг/л; соотношение БПКполн к химическому потреблению кислорода (ХПК) должно быть 1,2;
• рН сточных вод в пределах 6,5 - 8,5, температура сточных вод - не ниже 6°С, количество кислорода в аэротенке 1,0 - 3,0 г/дм3;
• рекомендуется увеличение количества иловых площадок с 4 до 6;
• для повышения продуктивности работы функционирующих иловых площадок рекомендуется проведение уплотнения осадка перед подачей на площадки, механического ворошения и удаления высушенного осадка с площадок, продувания осадка воздухом во время обработки и подогрева осадка на иловых площадках;
• перед компостированием: предварительное подсушивание осадка на иловых картах до влажности 75-80%;
• проведение компостирования в удлиненных штабелях;
• ворошение (перелопачивание) осадка;
• принудительная аэрация;
• увлажнение материала в процессе компостирования;
• повышение пористости компостируемого материала;
• стабилизация - выдерживание материала в новых штабелях в течение 1-2 месяцев.
Экономический эффект предлагаемой системы: при условии использования 25% отработанного активного ила для изготовления компостного удобрения ежегодная экономия платы за рекультивацию составит 67 794,33 руб.
На основании расчетов показано, что для обогащения азотом поля под картофель площадью 1 га потребуется внести 845 кг органического удобрения, полученного в результате биотермического компостирования активного ила цеха №39 ПАО «КуйбышевАзот».
Таким образом, готовый компост рекомендуется применять для удобрения площадей под лесопосадки, посадки кустарников, овощных, плодовоягодных, зерновых, кормовых и цветочных сельскохозяйственных культур.
Компостирование, как способ утилизации осадков сточных вод, отличается простотой, доступностью и достаточно низкой себестоимостью; применение проекта приготовления компоста позволит экономить средства предприятия, затрачиваемые на транспортировку, размещение и захоронение отхода, а также получать высококачественный материал для удобрения и восстановления почв собственных полей предприятия и полей г.о. Тольятти, что будет способствовать повышению урожайности земель и общему улучшению агрохимических показателей почв.
Список публикаций по теме диссертации. По теме исследования в апреле 2019 г. в журнале «Аллея науки» автором была опубликована статья, в которой рассматривался вопрос экологического преимущества применения метода биокомпостирования, а также было описано положительное влияние компостных удобрений на биохимические свойства почвы.
1 Рудакова, А.О. Применение биокомпостирования осадков сточных вод в производстве органических удобрений / А.О. Рудакова // Аллея науки - 2019. - Т.2. - №4(31) - С. 81-84.
Купить