Актуальность работы. С ростом численности населения планеты возрастают масштабы производственной деятельности, поэтому проблема оптимизации взаимодействия человека и природы является актуальной и решение ее имеет большое значение в улучшении окружающей природной среды.
В настоящее время использование новейших научно-технических достижений в целях реализации малоотходных и безотходных технологий относится к основным принципам государственной политики в области обращения с отходами [36,93,103].
Проблема обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве в последнее время стала одной из главных во многих регионах страны.
В Российской Федерации централизованные системы водоснабжения имеют 1067 городов (98% от общего количества городов) и 1682 поселка городского типа (84%), около 34 тыс. сельских населенных пунктов (23%). Общая протяженность водоводов и уличных водопроводных сетей в населенных пунктах России составляет 445,9 тыс. км. Средний уровень удельного водопотребления по Российской Федерации на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды составляет 281 л на 1 жителя в сутки.
В связи с этим предприятия жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) являются основными источниками поступления (загрязненных) сточных вод в поверхностные водные объекты страны. На долю ЖКХ приходится 54% объема сточных вод этой категории в целом по Российской Федерации.
В 1996 г. объем сброса загрязненных сточных вод составил по отрасли ЖКХ в целом 12 071,83 млн. м3. Наибольший объем сброса загрязненных сточных вод в отрасли имеют водопроводно-канализационные предприятия следующих городов: Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Челябинск, Самара, Екатеринбург, Красноярск, Омск, Саратов.
Мощность очистных сооружений канализации составляет 54,8 млн. м3/сут., протяженность канализационных сетей населенных пунктов достигла 110,8 тыс. км. Дефицит мощностей канализационных сооружений в настоящее время достигает около 9 млн. м3/сут. Наиболее остро он ощущается в Оренбургской, Саратовской, Тюменской областях, Республике Дагестан и др. Кроме того, 43 города и 732 поселка городского типа не имеют централизованных систем канализации.
Большую проблему в настоящее время представляют вопросы утилизации осадков сточных вод. С повышением требований к охране водоемов количество задерживаемых осадков на очистных станциях значительно увеличилось. Здесь следует отдать должное успехам в области технологии очистки сточных вод, позволяющим в необходимых случаях превращать самые грязные и экологически опасные стоки в водоисточники, пригодные для промышленных целей и даже для питьевых нужд.
В то же время в результате сложившейся диспропорции и недостаточного внимания к иловой проблеме хуже решаются вопросы, связанные с обработкой осадков и, тем более, с их использованием.
Из-за наличия загрязняющих веществ промышленного происхождения они не могут быть использованы в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Из образующихся ежегодно около 80 млн. м3 осадков, утилизируется не более 3%, остальные осадки складируются на иловых площадках. Причиной такого положения является несоответствие между существующими мощностями по очистке городских сточных вод и обработке осадков.
Только при утилизации осадков и использовании очищенных сточных вод возможно создание безотходных и во многих случаях самоокупаемых очистных комплексов, которые обеспечивали бы радикальное решение проблемы охраны природной среды. Таким образом актуальность не вызывает сомнения.
Разработка технических методов и средств безопасной утилизации хранения и захоронения отходов относится к области исследования специальности «Геоэкология».
Целью данной диссертационной работы является разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод, позволяющего сокращать объемы их накопления, с получением в качестве продуктов переработки топливных компонентов, и оценка эффективности применения данного метода на очистных сооружениях.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
1. Разработка методики утилизации осадков сточных вод и определения оптимальных параметров технологии.
2. Разработка конструкции лабораторной установки, позволяющей реализовать метод электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод.
3. Выполнение расчетно-теоретических и опытно-экспериментальных исследований процесса утилизации с определением технологических параметров и энергетической эффективности предложенного метода в лабораторной установке с использованием электродугового способа подвода тепла.
Научная новизна заключается в следующем.
1. Впервые предложен и исследован один из возможных способов утилизации осадков сточных вод пиролизным методом в реакторе с применением электродугового разряда при температуре 1300 1400 °С.
2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки органосодержащих шламов (осадков сточных вод, нефтяных шламов) с применением электродугового нагревателя.
3. Адаптированы (для применения в отношении данного способа) методики определения параметров получаемого горючего газа на основе уравнений материального и теплового баланса в разрабатываемой установке при утилизации осадков сточных вод.
Практическая значимость заключается:
— в обосновании целесообразности электродугового нагрева осадков сточных вод без подачи воздуха, что дает возможность получения и последующего использования генераторного газа для производства тепловой и электрической энергии;
— в обосновании параметров термической угализации шламов от очистки сточных вод;
— в использовании полученных результатов исследований для расчетного анализа утилизации при концентрациях и физических параметрах, характерных для осадков сточных вод, образующихся при обработке на станциях очистки;
— в разработке технологической схемы и конструкции опытно — промышленной установки для утилизации шламов содержащих органические соединения.
Лично автором.
1. На основе анализа литературных источников и изучения актуальности проблемы утилизации осадков сточных вод сформулированы конкретные задачи исследования.
2. Собрана экспериментальная установка, подготовлена методика проведения эксперимента и обработаны результаты исследования по утилизации осадков от очистки сточных вод.
3. Изучены вопросы материального и теплового баланса в газогенераторах, выполнена оценка эффективности электродугового нагревателя, опытным путем проведен анализ состава получающегося пиролизного газа и сопутствующих продуктов переработки.
4. Принято участие в разработке и изготовлении опытно-промышленной установки для утилизации нефтяных шламов и нефтезагрязненных фунтов.
5. Сформулированы выводы по разделам и диссертации в целом, наравне с соавторами написаны совместные публикации.
На защиту выносится.
1. Методика определения параметров пиролизной утилизации осадков сточных вод.
2. Установка позволяющая реализовать положения данной методики.
Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на:
— Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2000.
— V-ой Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие», г. Москва, 2001.
— 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда». г. Тюмень, 2001.
— 7-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-7−2001), г. Томск, 2001.
— Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия». Научные чтения «Белые ночи-2001», г. Санкт-Петербург, 2001.
— 5-ой Всероссийской научно-практической конференции -«Окружающая среда», г. Тюмень, 2002.
— Научно-технической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки», посвященной 90-летию со дня рождения В. И. Муравленко, г. Тюмень, 2002.
— Второй Всероссийской научной конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна», г. Тюмень, 2002.
— Международном семинаре «Экологический мониторинг в процессе добычи нефти и газа», г. Тюмень, 2002.
По результатам работы опубликовано семнадцать печатных работ, в том числе, методические указания к практической работе «Утилизация твердых бытовых отходов пиролизным методом», получено свидетельство на полезную модель, оформлены две заявки на изобретение и полезную модель.
Результаты исследований использовались при проектировании опытно-промышленной установки для утилизации нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов УУН-01.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 186 страниц, 25 рисунков, библиографию из 119 наименований.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.
По результатам изложенных в данной главе исследований и разработок могут быть сделаны следующие выводы.
1 Разработан опытный образец установки, реализующий способ термического разложения нефтезагрязненных грунтов и шламов в промышленном масштабевыполнен анализ ее работы. Рассмотрены конструктивные особенности установки, принцип ее действия и технология выполнения работ по утилизации нефтяных шламов.
2. Проведенная оценка класса опасности нефтешламов до и после их переработки выявила высокий экологический эффект от работы установки по утилизации нефтешлама — опасность отходов в результате их переработки понизилась со II до IV класса опасности. Таким образом, нефтешламы перешли из высокоопасных отходов в разряд малоопасных. Малоопасный переработанный шлам может применяться в условиях природных сред на уровне природного грунта — для планировки территорий, выравнивания грунтовых дорог, засыпки ям и т. д. Тогда как отходы II класса опасности нельзя размещать даже на полигонах твердых бытовых отходов.
3. Расчет рассеивания загрязняющих веществ, выделяемых в атмосферу при работе установки переработки нефтешламов, показал, что влияние данной установки на атмосферный воздух является нормативным и несопоставимо с ущербом от размещения отходов II класса опасности.
4. Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды показывает экономическую эффективность внедрения установки по утилизации нефтешламов — размер платежей за загрязнения окружающей среды после переработки отходов уменьшился в 3 раза по сравнению с платежами за отходы II класса опасности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненные исследования позволили провести комплексный расчетно-теоретический анализ, изучаемой энергосберегающей технологии, использующий экспериментальные данные. В данной работе разработаны и детально изучены следующие вопросы:
— разработана технологическая схема установки для пиролизной утилизации осадков сточных вод с получением в качестве продукта переработки горючего газа с возможностью его дальнейшего использования и конструкции реактора с электродуговым источником тепла, позволяющего реализовать этот метод утилизации;
— рассчитаны параметры материального баланса в установке с электродуговым нагревом;
— рассчитаны параметры теплового баланса в установке с электродуговым нагревом;
— рассчитаны параметры нагревательного электродугового устройства, обеспечивающего необходимую для утилизации осадков сточных вод тепловую мощность;
— определены коэффициенты полезного действия электродугового нагревателя и пиролизного реактора в целом;
— исследовано влияние на процесс утилизации осадков от очистки сточных вод свойств самих осадков и параметров работы пиролизного реактора;
— проведены анализы получаемого в процессе утилизации пиролизного газа и сопутствующих продуктов (жидкой фазы и твердого остатка);
— предложена технологическая схема и конструкция установки для утилизации шламов содержащих органические соединения.
По работе могут быть сделаны следующие выводы и сформулированы основные результаты:
1. Впервые разработана методика утилизации осадков городских очистных сооружений с получением в качестве конечного продукта переработки горючего газа на установке с электродуговым источником тепла.
2. Разработана установка, реализующая способ термической переработки осадков сточных вод с применением электродугового нагревателя.
3. Проведен анализ материального и теплового баланса термического разложения осадков сточных вод, который показал, что коэффициент полезного действия процесса пиролиза находится на уровне 0,65 — 0,70.
4. Анализ параметров процесса утилизации показал, что наибольшая эффективность достигается при утилизации осадков сточных вод влажностью до 20 — 25%, при работе с электродуговым разрядом мощностью 1 кВт. При этом КПД процесса утилизации осадков может быть оценен в 25−30%.
5. Предложена конструкция установки для утилизации нефтяных шламов УУН — 01, рассмотрена возможность использования этой установки для утилизации шламов от очистки сточных вод городских очистных сооружений.