Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности ТЭК, с учетом экологической безопасности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Казанцева, Ольга Викторовна

• Казанцева, Ольга Викторовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казанцева, Ольга Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

1.1. Общие сведения о топливно-энергетической отрасли Российской Федерации и ее влиянии на окружающую природную среду

1.2. Характеристика твердых отходов тепловых электростанций

1.3. Постановка научных исследований.

ВЫВОДЫ по главе 1.

Глава 2. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЕСТРУКЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ ЭНЕРГЕТИКИ.

2.1. Биодеструкция углеотходов.

2.2. Технологические направления реализации био деструкции углистых веществ в твердых отходах энергетики.

ВЫВОДЫ по главе 2. Г.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БИОДЕСТРУКЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1. Предпосылки лабораторных исследований.

3.2. Схема лабораторной установки.

3.3. Анализ результатов лабораторных исследований

ВЫВОДЫ по главе 3.

Глава 4. СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БИОУТИЛИЗАЦИИ УГЛИСТЫХ ВЕЩЕСТВ В ТВЕРДЫХ ОТХОДАХ ЭНЕРГЕТИКИ.

4.1. Стендовые испытания технологии биохимической деструкции углистых веществ на основе процесса чанового выщелачивания.

4.2. Стендовые испытания технологии биохимической деструкции углистых веществ на основе кучного выщелачивания.

4.3. Анализ результатов стендовых испытаний биохимического способа.

4.4. Рекомендации по определению основных параметров управления биохимическим процессом деструкции углистых веществ.

4.5. Эколого-экономическая оценка шлаконакопителя и оценка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики.

ВЫВОДЫ по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности ТЭК, с учетом экологической безопасности»

Актуальность работы. Современное развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК), который включает в себя ряд отраслей промышленности, в том числе: нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, газодобывающую, газоперерабатывающую, угольную и энергетическую характеризуется в связи с распадом СССР снижением их производительности, что отражается на ВВП (валовом внутреннем потреблении) - с одной стороны, и, с другой -уменьшением выбросов метаболитов производства по этой причине в окружающую природную среду в виде твердых, жидких и газообразных отходов.

Однако, несмотря на данные объективные причины, доля влияния ТЭК на окружающую среду (ОС) по прежнему остается достаточно высокой и по сравнению с другими отраслями хозяйственной деятельности достигает 67%.

Рассматривая структуру ТЭК по основным показателям влияния его на компоненты биосферы, мы вправе сделать вывод о том, что энергетическая промышленность оказывает наибольшее влияние. Причем, наиболее значимым элементом влияния на ОС являются твердые отходы, т.к. более 30% энергоустановок используют, в основном, твердое топливо (антрацит, каменные и бурые угли), содержащее в себе до 14% углистых веществ, вследствии неполного сгорания топлива.

Твердые отходы энергетического комплекса, представленные шлаком и золой, оказывают негативное влияние на состояние здоровья населения и компоненты биосферы. Данный факт объясняется тем, что накапливаемые твердые отходы энергетики складируются в виде шлаконакопителей, породных отвалов (конусообразной, хребтовой и плоской форм), а улавливаемая зола складируется в золонакопителях в основном в виде прудов-отстойников.

Основным направлением утилизации твердых отходов энергетики является возможность использования их для производства строительных материалов.

Однако, доля производства строительных материалов из данных отходов ограничена вследствии наличия в них непрореагировавших при сжигании углистых веществ.

Отсюда очевидно, что возникает необходимость в изыскании и разработке принципиально новых направлений по снижению углистых веществ в твердых отходах.

Одним из возможных способов снижения углистых веществ в твердых отходах является использование биохимических процессов, сущность которых заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до элементарного состава, с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат составу самой природы. Поэтому разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности является актуальной научной задачей.

Цель работы - разработать биохимический способ снижения углистых веществ в твердых отходах энергетической промышленности для повышения эффективности использования техногенных ресурсов.

Идея работы - заключается в способности определенных видов микроорганизмов в низкотемпературном режиме осуществлять деструкцию углеродсодержащих соединений на простые элементы с последующим синтезом из них новых веществ. Задачи исследований включают: выполнение анализа состояния накопления и использования твердых отходов в энергетике; проведение теоретических исследований протекания биохимических процессов деструкции углистого вещества; осуществление лабораторных и натурных экспериментов для определения параметров и режимов биотехнологий деструкции углистого вещества; выполнение эколого-экономической оценки способа.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. Биохимическая деструкция углистых веществ происходит по четырем основным фазам: первая фаза - гидролиз углистого вещества до жидких продуктов, вторая - метанобразование с частичным накоплением двуокиси углерода, третья - метанпотребление, сопровождающееся последовательным переводом метана в метанол, формальдегид, муравьиную кислоту и углекислый газ с накоплением при этом живых клеток метанобразующих и метанпотребляющих бактерий, четвертая фаза - фаза автолиза, характеризующаяся разложением клеток и образованием при этом гумусовых веществ.

Динамика изменения рН среды при биодеструкции углистого вещества подчиняется затухающему колебательному процессу в кислую сторону. Значения констант затухания процесса в щелочной и кислой зонах составляют с=0,81.

Наивысшая активность биодеструкции углистых веществ наблюдается при размере частиц шлака от 100 до 10 мкм, которые соизмеримы с размерами клеток.

Оптимальным соотношением твердой и жидкой фазой реализации биохимической деструкции углистого вещества является 1:4 (1 часть шлака, 4 части бактериальной суспензии).

Достоверность научных исследований обусловлена проведением теоретических, лабораторных и натурных исследований с учетом графоаналитического способа планирования экспериментов с оценкой надежности полученных результатов по общепринятым критериям статистических методов исследований.

Научная ценность работы состоит в разработке основных научно-практических положений по применению биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах энергетики.

Практическое значение работы заключается: в разработке рекомендаций для прогнозирования эффективности снижения углистых веществ в твердых отходах с учетом соотношений весовых частей бактериальной суспензии и отходов, а также биологических показателей константы скорости биодеструкции в процессах чанового и кучного бактериального выщелачивания; разработана номограмма для определения коэффициента экологических условий жизнедеятельности микроорганизмов при реализации способа; выполнена экономическая оценка финансовой стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ и определено снижение экологического ущерба при снижении углистых веществ в отходах.

Результаты внедрения: рекомендованные процессы чанового и кучного выщелачивания прошли стендовые испытания на отходах Шатурской ГРЭС-5.

Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Казанцева, Ольга Викторовна

ВЫВОДЫ по главе 4

Проведенные стендовые испытания технологий биоутилизации углистых веществ с использованием чанового и кучного выщелачивания позволили определить константы скорости протекания биохимических процессов (0,036 и 0,033 сут-1) соответственно.

Разработано уравнение для прогнозирования эффективности биохимического способа с учетом биотехнологических параметров.

Рекомендована формула для расчета общего времени реализации биохимического способа с учетом заданной эффективности.

Определена финансовая стоимость шлаконакопителя объемом 1,6 млн. м3 по показателям содержания в нем основных химических веществ, которая составляет 331,21 млн. у.е.

Определен предотвращенный экологический ущерб по снижению углистых веществ в отходах, который составляет 0,048 млн. у.е./т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная научная задача, связанная с разработкой биохимического способа снижения углистых веществ в твердых отходах на предприятиях энергетической промышленности ТЭК и получены следующие основные выводы:

1. Топливно-энергетический комплекс РФ оказывает наибольшее влияние на состояние окружающей природной среды (загрязнение атмосферы 47,7%, выброс парниковых газов 70%, загрязнение вод 27%, накопление твердых отходов 30%).

2. Углистые вещества в твердых отходах энергетики ограничивают их использование для получения продуктов народохозяйственного значения.

3. Одним из возможных способов снижения углистых веществ в отходах является их биохимическая деструкция, которая происходит в низкотемпературном режиме.

4. Эффективность процесса деструкции углистых веществ зависит от совокупного влияния экологических факторов: температуры, рН среды, гранулометрического состава твердых отходов, степени насыщения отходов бактериальной суспензией.

5. Средняя константа скорости биодеструкции углеотходов составляет 0,0345 суг1.

6. Стендовые испытания биохимического способа с использованием чанового и кучного бактериального выщелачивания показали его техническую пригодность с достижением эффективности снижения углистых веществ в отходах на 62%.

7. Разработана методика прогноза эффективности способа и расчета времени его реализации с учетом исходной и ожидаемой концентрации углистых веществ в твердых отходах.

8. Выполнена оценка финансовой стоимости шлаконакопителя в зависимости от содержания в нем основных химических веществ, которая для шлаконакопителя объемом 1,6 млн.м3 составляет 331,24 млн. у. е. Эко лого-экономическая оценка по показателю предотвращенного ущерба вследствии уменьшения углистых веществ в отходах составляет 0,048 млн. у.е./т.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казанцева, Ольга Викторовна, 2000 год

1. Горная энциклопедия. Гл. ред. Е.А. Козловский. М.: Сов. энциклопедия. Т. 9, 1991.

2. Гос. доклад «О состоянии окружающей природной среды РФ». -М.: Госкомитет по охране окружающей среды, 1998.

3. Рихтер Л.А. Тепловые электрические станции и защита атмосферы.- М.: Энергия, 1975. 312 с.

4. Расчет выбросов загрязняющих веществ от котлов электростанции./Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 184 с.

5. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1986.- 255 с.

6. Смольчик Х.Г. Структура и характеристика шлаков. В кн.: Седьмой международный конгресс по химии цемента. Париж, 1980, т. 1, с. 3-177.

7. Сборник методик по определению загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

8. Вредные вещества в промышленности. Т. 1-2./Под ред. Лазарева H.B. М.: Химия, 1965. - 708 с.

9. Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч./Сборник методик расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 184 с.

10. Скиннер Б. Хватит ли человечеству земных ресурсов ! М.: Мир.- 1989. 262 с.

11. Эттингер И.Л. Необъятные запасы и непредсказуемые катастрофы.- М.: Наука, 1988. -174 с.

12. Повышение эффективности использования отходов электростанций/ Дубов И.В.// Энерг. стр-во. 1990. - №9. - С. 33-35.

13. Юровский А.З. Минеральные компоненты твердых горючих ископаемых. М.: Недра, 1968. - 214 с.

14. Жабо В.В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.

15. Беляева Л.В., Николаевский B.C. Влияние промышленных газов на рост побегов и ассимиляционные органы древесных растений.//

16. Научн. Труды Московского лесотехнического института. М., 1987, №188, С. 24-27.

17. Влияние энергетики на поверхностные воды. Vliv enrgetiky na povrchove/ Chytie Jvo, Cimbalnikova Barbora.//. Zprav/Vu palivoenry kompiexu. Praha, 1986. - C. 45-48.

18. Ромад Ф. Основы прикладной экологии. Воздействие человека на биосферу: Пер. с фр. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 543 с.

19. Айруни A.A., Су с ленков Б. Д. Оценка влияния породных отвалов на окружающую среду.//Горные машины, №5, 1967. С. 17-18.

20. Иванов Б.А. Инженерная экология. Л.: изд. ЛГУ, 1989. -208 с.

21. Тагасов В.И. Закрепление пылящих поверхностей. М.: Изд-во РУДН, 1996. - 108 с.

22. Адоньев С.М., Рудницкий Я.Н., Сикуляр И.Я. и др. Использование вторичных энергоресурсов и охлаждение агрегатов в горной металлургии. - М.: Металлургия, 1975, №4, С.6-10.

23. Гольдштейн Л.Я., Штейнерт И.П. Использование зол и шлаков при производстве цементов. Л.: Стройиздат, 1977, - 152 с.23а. Справочник по пыле и золоулавливанию. Под ред.

24. A.A. Русанова. М.: Энергоиздат, 1983. - 108 с.

25. Кочан Б.И. Редкие металлы: Состояние и перспективы. М.: Наука, 1979, - 356 с.

26. Рязанов И.В., Юдович Я.Э. К теории связи содержаний элементов-примесей в углях с зольностью углей.//Литология и полезные ископаемые, 1974, №6, С. 53-67.

27. Киряева Э.Е. Влияние добавки электротермофосфатных шлаков на процесс клинкерообразования и свойства цемента: Автореф. диссертации канд. техн. наук. Харьков, ХПИ, 1971. -125 с.

28. Элизом М.П., Васильков С.Г. Топливосодержагцие отходы промышленности производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1976. - 208 с.

29. Юровская Е.М. Микробиологическая очистка промышленных сточных вод. К.: Здоровье, 1984. - 460 с.

30. Калебакин В.Г. Бактериальное выщелачивание сульфидных минералов. Новосибирск.: Наука, СОАН СССР, 1978. - 243 с.

31. Нестеров А.И. Состояние и проблемы угольной микробиологии.//Эколого-экономические проблемы биотехнологии в горной промышленности. М.: ЦПВНТГО, 1990. - С 3-21.

32. Биогеотехнология металлов. Практическое руководство. М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1989. - 375 с.

33. Рыбальский Н.Г., Лях С.П. Экобиотехнологический потенциал консорциумов микроорганизмов. М.: ВИНИТИ, 1990. - 178 с.

34. Дрындин В.А., Михина Т.В. Экологические аспекты биоконверсии твердых углеотходов в биогаз./ /Эколого-Экономическиепроблемы биотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО 1990, С. 113-126.

35. Нестеров А.И., Сусленков Б.Д. Теория и практика биотехнологии снижения метана в угольных шахтах./ Эколого-экономические проблемы биогеотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО, 1990. С. 21-55.

36. Перспективные биотехнологии в угольной промышленности /Красавин A.M., Катаева И. В., Лелеко В. А. и др. М.: ЦНИЭИуголь, 1992. - 111 с.

37. Малек И., Фенцл 3. Непрерывное культивирование микроорганизмов. М.: Пищевая промышленность, 1968. - 343 с.

38. Нестеров А.И. Состояние и проблемы угольной микробиологии/ Эколого-экономические проблемы биогеотехнологии в горной промышленности. М.: ЦП ВНТГО, 1990. С. 3-21.

39. Малков Н.В. Разработка способа получения энергоносителя из углекислого вещества отходов угольной промышленности на основе биотехнологии./ Автореф. канд. диссерт. М.: Фонды РУДН, 1992. - 16 с.

40. Golle Е., Uber die selbstentzundung der Steinkohle./ Zentralbl. Bacteriol. Parasikenk. 1910. Vol 28. P. 461-473.

41. Farrell M.A., Turner H.G. Bacteria in anthracite coal./ Bacterioll. 1932. Vob.23. P. 155-162.1.l

42. Богданова В.И., Могилевскнй Г.А., Телегина Э.П. Зональность распространения микроорганизмов в водах и породах различных осадочных бассейнов./ Микробиол. пром. 1977. №3. С. 6-9.

43. Нестеров А.И., Иванов М.В. Экология метанотрофных бактерий./ Успехи микробиол. 1983. Вып. 10. С. 3-19.

44. Ward В. Lignite-degrading fungi isolated from a ucathered auterop./ System. Appl. Microbiol. 1985. V. 6, P. 236-238.

45. Scott C.D., Strandbergt G.W., Lewis S.N. Microbial solubiliration of coal/ Biotechnol. Prog. 1986. V. 2. P. 131-139.

46. Ackerson M.D., Jonson N.L. Biosolubiliration and liquid fuel prodaction from coal/ Appl. Biochem. And Biotechnol. 1990. V.24-25. P. 913-928.

47. Райхерт Н.Л. Исследование органо-минеральных удобрений из углеотходов для восстановления растительного слоя, нарушенного разработкой угля. М.: деп. ЦНИЭИуголь, №5625/4, 1998. -С. 1-5.

48. Назаренко А.В. Особенности жизнедеятельности метанокисляющих бактерий в условиях контакта с каменным углем, (канд. диссерт. -М.: фонды МГУ, 1974. 125 с.

49. Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез.- М.: Медицина, 1969. 360 с.

50. Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. Учебн. пособие.- М.: Изд-во МГУ, 1989. 294 с.

51. Занина И.А. Совершенствование процесса биоконверсии углеотходов в энергоносителе посредством биологически активного комплекса. / Канд. диссерт. М.: фонды РУДН, 1995. - 2 6 с.

52. Gupta Р.К. Spiher J.К., Grawford D.L. Biotransformation of coal by ligninolytic strepfomyces./ Can. J. Microbiol 1988. V. 34. P. 667-674.

53. Трингер К.С. Биология и информация. Элементы биологической термодинамики. М.: Наука. 1964. - 268 с.

54. Сусленков Б.Д. Исследование и разработка параметров микробиологического воздействия на угольный пласт в непрерывном режиме с целью управления его состоянием./ Канд. диссерт. М.: фонды МГГУ, 1976. - 226 с.

55. Иванов М.В. Микробная биотехнология./ Биотехнология металлов. М.: Центр межд. проектов ГКНТ, 1985. С. 369-391.

56. Нестеров А.И.,, Сусленков Б.Д. Старовойтова Г.А. Оптимизация питательного минерального раствора для метанокисляюгцих бактерий./ Прикладная биохимия и микробиология. Т IX, вып. 6, АН СССР. М., 1973.

57. Физическая энциклопедия/ Гл. Ред. A.M. Прохоров. М.: Большая Российская энциклопедия Т 1-5. 1992. - 3060 с.

58. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 267 с.

59. Дж. Росси. Методы выщелачивания. Биогеотехнология металлов.- М.: Центр межд. проектов ГКНТ, 1989. С. 94-108.

60. Якимова Т.И., Маркин В.Е.,, Мальченко A.B. Внутридиффузионная динамика адсорбции растворенных веществ неоднородно-пористыми активными углями./ Химия и техно л. Воды, 1988 -10, №4.

61. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.- 340 с.

62. Математическое моделирование в химической технологии. М.: Химия, 1971. 108 с.

63. Зайцева H.H., Колпакова Г.П., Манакова В.Я. Исследование химической активности руд методом низкотемпературного окисления. Горный журнал. Известия ВУЗов №4, 1975.

64. Кассандровак О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 103 с.

65. Корешков Н.Г., Скакун Т.О. Технологии чанового бактериального выщелачивания в различных режимах культивирования бактерий. Биотехнология металлов. Центр международных проектов ГКНТ.- М.: 1989. С. 188-193.

66. Дж. Росси. Подземное кучное выщелачивание в отвалах. Биотехнология металлов. Центр международных проектов ГКНТ.- М.: 1989. С. 228-327.114

67. Теории подобия и размерностей. М.: Наука, 1968. - с. 366.

68. Пособие по составлению раздела проекта (рабочего проекта) «Охрана окружающей природной среды», (к СНиП 1.02.01-85).- М.: ЦНИИпроект, 1988. 187 с.

69. Харченко В.А. и др. Организация, планирование и управление природопользованием в горной промышленности. М.: Недра, 1990.- 240 с.

70. Система стандартов в области охраны природы и улучшения использования природных ресурсов. Экологический паспорт промышленного предприятия. Основные положения. ГОСТ 17.0.04 -90. М.: Госкомитет СССР по охране природы, 1990. - 36 с.