Введение 4
Глава 1 Литературный обзор 9
1.1 Анализ использования осадков сточных вод промышленных
предприятий как вторичного сырья 9
1.2 Использование осадка сточных вод как сырья 12
1.3 Исследование требований к осадкам сточных вод для дальнейшего
использования 25
1.4 Состав и свойства осадков сточных вод 26
1.5 Проведение патентного поиска в области методов переработки и
утилизации осадков сточных вод 29
1.6 Требования к агрохимикатам 36
1.7 Выбор методологической базы для исследования осадков сточных
вод 38
Глава 2 Исследование осадков сточных вод ПАО «Тольяттиазот» 40
2.1 Экспериментальные исследования осадков сточных вод 40
2.1.1 Отбор проб для анализа 40
2.1.2 Анализ пробы ила 40
2.2 Формирование перечня загрязняющих веществ в осадках сточных
вод 42
2.3 Анализ возможного использования осадков сточных вод на основе
экспериментов 46
Глава 3 Моделирование процесса пиролиза осадков сточных вод 50
3.1 Описание физической модели процесса пиролиза осадков сточных
вод в лабораторных условиях 50
3.2 Лабораторное исследование осадков сточных вод с очистных
сооружений ПАО«Тольяттиазот» 54
3.3 Экспериментальные исследования осадков сточных вод 55
3.3.1 Химический анализ модельной смеси пробы осадка сточных вод 56
3.3.2 Эксперимент по росту растений 61
3.3.3 Эксперимент по определению токсичности по смертности тест -
объекта Daphnia magna Straus в лабораторных условиях 70
Глава 4 Техническое решение по использованию осадков сточных вод 72
4.1 Разработка технического решения по вторичному использованию
осадков сточных вод 72
4.2 Выбор оборудования термической переработки осадков сточных
вод 75
4.3 Выбор и расчет сельскохозяйственного удобрения на основе осадка
сточных вод
80
4.4 Установка переработки осадков сточных вод при получении
вторичного сырья 82
4.5 Установки переработки 86
4.6 Основные этапы технологического процесса переработки осадков
сточных вод 87
4.7 Материальный баланс процесса пиролиза осадков сточных вод 88
Заключение 91
Список используемых источников 93
Актуальность и научная значимость настоящего исследования
В настоящее время образуется большое количество сточных вод и, как следствие, образуется большое количество осадков сточных вод после их переработки. Размещение отходов сточных вод производится на иловых полях, которые отчуждают огромные территории. В мире образуется приблизительно 83 млн тонн в год осадков сточных вод (ОСВ), с учетом влажности общая масса мировых осадков составляет приблизительно 4,15 миллиардов тонн, из которых 100 миллионов тонн образуются в России. В условиях повышения требований к рациональному использованию природных ресурсов возникает необходимость их эффективного использования или утилизации. На территории городского округа Тольятти находятся несколько объектов (биологических очистных сооружений), на которых образуется осадки сточных вод, размещение которых осуществляется на иловых полях, что негативно влияет в целом на окружающую среду и снижает возможность рационального использования природных ресурсов, в частности земельного ресурса.
Объект исследования: методы утилизации осадков сточных вод на очистных сооружениях.
Предмет исследования: компонентный состав осадков сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот».
Цель: снижение количества накопления осадков сточных вод на иловых полях очистных сооружений промышленных предприятий за счет их вторичного использования в качестве составной части
сельскохозяйственного удобрения.
Гипотеза исследования состоит в предположении возможности использования осадков сточных вод, образующихся на очистных сооружениях ПАО «Тольяттиазот» в качестве составной части сельскохозяйственного удобрения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ методов утилизации осадков сточных вод, образующихся на очистных сооружениях, и использования их как вторичного сырья.
1) Провести качественный и количественный анализы осадков сточных вод, образующихся на очистных сооружениях ПАО «Тольяттиазот».
2) Предложить техническое мероприятие по вторичному использованию осадков сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот».
Теоретико - методологическую основу исследования составили научные труды отечественных: А. Д. Анисимового, Б. А. Дмитревского, Н. Е. Ермоленко, М. В. Киселева, С. И Левшина, А. И. Степаненко - патент 2704292 Российская Федерация, МПК7 C05G 1/ 00; C05F 7/ 00; C05C 1/ 00; C05C 9/ 00; C05B 1/ 04; C05D 1/ 02 Минеральное удобрение, и зарубежных ученых: Bartlomiej Michal Cieslik Аналитические и законодательные
проблемы переработки и утилизации осадков сточных вод, Holger Kirchmann От сельскохозяйственного использования осадка сточных вод до извлечения питательных веществ: перспективы почвоведения, в области анализа и использования осадков сточных вод.
Для настоящего исследования базовыми явились работы А. Д. Анисимового, Б. А. Дмитревского, Н. Е. Ермоленко, М. В. Киселева, С. И Левшина, А. И. Степаненко Патент № RU 2 704 2927 С1 «Минеральное удобрение».
Методы исследования: анализ литературных источников, ГОСТы, ПНДФы и СанПиНы, аналитические исследования, расчеты технологических процессов и оборудования.
Опытно-экспериментальная база исследования: исследования
проводились на экспериментальной установке с использованием ресурсов лаборатории «Утилизация и рециклинг отходов» кафедры «Химическая технология и ресурсосбережение» ТГУ, Национального аккредитованного центра лаборатория «Химия активированных ненасыщенных соединений» и аккредитованной лаборатории Филиала ФБУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии в Самарской области в г. Тольятти», лаборатории ПАО «Тольяттиазот».
Научная новизна исследования:
1) Предложение по оптимизации технологии переработки осадков сточных вод с использованием пиролизной установки.
2) Предложен состав сельскохозяйственного удобрения на основе осадков сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот».
Теоретическая значимость исследования заключается в анализе и систематизации научных трудов отечественных и зарубежных ученых, патентной и научной литературы по существующим способам переработки, утилизации и использования осадков сточных вод, выборе методик для определения качественного состава осадков сточных вод, в предложении оптимального состава осадков сточных вод для использования их в качестве удобрений.
Практическая значимость исследования заключается в предложении оптимизации технологии переработки осадков сточных вод с использованием пиролизной установки, для обеспечения рационального использования образующихся на очистных сооружениях осадков сточных вод. В исследовании обоснована возможность использования оптимизированной технологии переработки осадков сточных вод для уменьшения отхода, и использования его в производстве сельскохозяйственного удобрения на примере ПАО «Тольяттиазот». Исследования прошли экспериментальную апробацию на пиролизной установке - физической модели, собранной в лабораторных условиях. Подобран, рассчитан и экспериментально подтвержден оптимальный состав сельскохозяйственного удобрения на основе осадков сточных вод. Для предложенной технологии проведен подбор оборудования в соответствии с требуемыми параметрами. Предложения по оптимизации, их экологическая и ресурсная эффективность подтверждены лабораторными исследованиями.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались: точным соблюдением методик при проведении
экспериментальных исследований, используемые методики утверждены государственными аккредитационными органами, пробы использовались непосредственно с объекта исследования, оборудования, которое применялось в процессе исследования, из лабораторий, аккредитованных в федеральной системе аккредитации.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в поиске и анализе научной и патентной литературы, выборе и обосновании предложенной технологии по переработке осадков сточных вод, подготовке и проведении экспериментальных исследований качественного состава осадков сточных вод, проектировании физической модели пиролизной установки для проведения исследований по использованию и оптимизации технологии переработки осадков сточных вод.
Проведена апробация методик при определении химического анализа осадка сточных вод на ГОСТ Р 17.4.3.07 - 2001 Охрана природы. Почвы. И СанПиН 2.1.7.573 - 96. Санитарные нормы и правила. Почва, очистка, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения. В ходе работы проведены экспериментальные исследования: по росту растений, по определению токсичности по смертности тест - объекта планктонных ракообразных (Daphnia magna Straus) в лабораторных условиях. Произведен подбор оборудования для переработки осадков сточных вод, подобран оптимальный состав сельскохозяйственного удобрения на основе осадков сточных вод, проведен материальный и энергетический балансы и технико-экономический расчет.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих
конференциях: V Всероссийской научно-технической конференции
студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов (ЭЭШ1 - 2019)» Тольятти, 12 - 13.11. 2019 г. Тема доклада: «Подходы к качественному анализу осадков сточных вод с целью его вторичного использования», по результатам опубликована статья в сборнике.
На защиту выносится:
Предложение по оптимизации технологии переработки осадков сточных вод при использовании низкотемпературной пиролизной установки с периодической загрузкой и с последующим использованием продукта пиролиза - углеродистого остатка (кокса) для получения оптимального состава сельскохозяйственного удобрения.
Структура магистерской диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 74 наименования, в том числе 5 иностранных источников. Объем работы составляет 101 страницу машинописного текста, содержит 17 рисунков, 34 таблицы, 1 формула.
В результате качественного и количественного анализа осадка сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот» определено валовое содержание ртути, кислоторастворимых форм свинца, кадмия, марганца, меди, никеля, хрома, цинка, валового содержания мышьяка, массовой доли влаги, органического вещества, рН водной вытяжки, все показатели полностью соответствует требованиям СанПиН 2.1.7.573 - 96 и ГОСТ Р 17.4.3.07 - 2001.
Для проведения лабораторных испытаний была создана физическая модель пиролизной установки на базе лабораторий Тольяттинского государственного университета.
Проведены ряд химических исследований осадка сточных вод после пиролиза при температуре 800 0С и 400 0С и термосушки при температуре 1300С на соответствие агрохимических показателей по СанПиН 2.1.7.573 - 96 и ГОСТ Р 17.4.3.07 - 2001 среди которых: N азот (по Кельдалю), массовая доля влаги, массовая для органического вещества, водородный показатель водной вытяжки (рН), массовая доля общего фосфора Р2О5, которые позволили сделать заключение о целесообразности использования осадка сточных вод после процесса пиролиза при температуре 400 0С.
В результате эксперимента по росту растений установлено, что массовая всхожесть растений гораздо эффективнее с торфом с добавлением осадка сточных вод, полученного после процесса пиролиза (Т=4000С), чем с чистым торфом.
Экспериментально установлено, что показатели роста растений, произраставших с добавлением осадка сточных вод после пиролиза при температуре 400 0С, на почве выше, чем показатели роста растений,
произраставших на почве с добавлением торфа после пиролиза при 800 0С и после обезвоживания при температуре 130 0С.
Класс опасности осадка сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот» пятый. Установлено, что в результате химического анализа качество почвы, с добавлением осадка сточных вод после пиролиза при температуре 400 0С можно считать лучше по сравнению с другими исследованными образцами. Осадок сточных вод после обработки низкотемпературным пиролизом (400 0С) полностью соответствует агрохимическим показателям, а следовательно, может использоваться в производстве сельскохозяйственных удобрений. В результате биотестирования измерений количества Dаpfnia magna Straus для определения токсичности осадок сточных вод с очистных сооружений ПАО «Тольяттиазот» не оказывает токсического действия.
Предложен и обоснован способ подготовки перед использованием осадков сточных вод в качестве получения удобрений сельскохозяйственного назначения, а именно использование пиролизной установки периодического действия загрузочного типа УТД - 2.
Проведен расчет оптимального соотношения получения минерального удобрения путем смешения следующих ингредиентов смеси: осадок сточных вод (С) 700 г, аммиачная селитра NH4NO3 (N) 50 г или карбамид (NH2)2CO (N) 50 г, двойной суперфосфат (P2O5) 50 г, калий хлористый (K2O) 50 г.
Предложения позволяют увеличить объем производства минерального удобрения и снизить накопления осадков сточных вод на иловых полях очистных сооружений промышленных предприятий.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
