Разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Медведев, Андрей Витальевич

• Медведев, Андрей Витальевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Медведев, Андрей Витальевич

Введение

Глава 1. Проблема утилизации сточных вод городских очистных сооружений и пути ее решения

1.1 Методы утилизации осадков городских сточных вод

1.2 Пиролизные методы утилизации осадков

1.3 Зарубежные технологии пиролиза органических отходов

1.4 Характеристика очистных сооружений г. Тюмени 70 Выводы по главе I

Глава 2. Основы процесса пиролиза осадков сточных вод

2Л Особенности термического разложения органической составляющей осадков сточных вод

2.2 Метод и установка пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений

2.3 Технология производства работ на лабораторной установке

2.4 Материальный баланс переработки осадков сточных вод

2.5 Расчет теплового режима пиролиза осадков сточных вод ' 100 Выводы по главе II

Глава 3. Исследование возможности применения метода пиролиза для утилизации осадков сточных вод

3.1 Анализ физико-технологических параметров процесса утилизации

3.2 Исследование продуктов, образующихся в результате пиролизной утилизации осадков сточных вод

3.2.1 Анализ образующихся газообразных продуктов

3.2.2 Анализ жидкой фазы

3.2.3 Анализ твердого остатка

3.3 Анализ эффективности применения рассматриваемого Г пиролизного метода для утилизации осадков сточных вод

Выводы по главе

Глава 4. Промышленное внедрение метода высокотемпературной утилизации органосодержащих шламов

4.1 Устройство узлов и агрегатов

4.2 Работа установки

4.3 Мероприятия по охране окружающей среды

4.4 Оценка экологической эффективности работы установки для утилизации нефтешламов

4.5 Оценка экономической эффективности работы установки для утилизации нефтешламов

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода электродуговой пиролизной утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений»

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 12071,83 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.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Медведев, Андрей Витальевич

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 масштабе; выполнен 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Медведев, Андрей Витальевич, 2003 год

1. Алексеев Г. М., Петров В. Н., Шпильфогель П. В. Индустриальные методы санитарной очистки городов (Термическая переработка бытовых отходов и использование продуктов пиролиза). - JL: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 96 с.

2. Аппарат для обработки осадков природных и сточных вод: А.с. 1286245 СССР, МПК6 В 01 D 33/04 / Федоров А.И., Любарский В.М. и Доманский О.В. Опубл. 12.04.85. 1987, Бюл. № 4.

3. Базовые нормативы платы за выброс загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. 20.11.97 г.

4. Базовые нормативы платы за размещение отходов. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. 20.11.97 г.

5. Бандман А.Л., Гудзовский Г.А., Дубейковская Л.С. и др. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I — IV групп: Справочник. Под редакцией В.А. Филова. Л.: Химия, 1988. -512 с.

6. Беньямовский Д. Н. Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов. М.: Стройиздат, 1978. - 192 с.

7. Бернадинер М. Н., Минц М. С., Туровский И. С. Сжигание осадков сточных вод. М.: ГОСИНТИ, 1971. № 17-71. 50 с.

8. Бернадинер М. Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990. - 304 с.

9. Бернадинер М.Н., Минц М.С., Туровский И.С. Теплотехнические характеристики осадков сточных вод. М.: НИИТЭХИМ и ПО Техэнергопром, 1974.

10. Богатырев С.М. Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрения в условиях Курской области: Дис. . канд. с-х. наук: 11.00.11. Курск, 1999. — 94 с.

11. Бублиевский А.Ф. Расчет характеристик электрической дуги в канале // Исследование плазменных процессов и аппаратов. Минск: ИТМО им.

12. А.В. Лыкова АН БССР, 1991. с. 9 - 26.

13. Волчек Ю. К. Биотермическое обезвреживание осадков сточных вод итвердых бытовых отходов // Водоснабжение и санитарная техника. 1983. №9.-с. 36-38.

14. Воробьева Р. П., Давыдов А. С., Новикова Л. Ф. и др. Использование осадков сточных вод. // Агрохимические вести. 2000, № 6, с. 36-37.

15. Вредные вещества в промышленности. Органические вещества. Новые данные 1974 1984 гг. Справочник. Под общей ред. Э.Н. Левиной, И.Д. Гадаскиной. - Л.: Химия, 1985. - 464с.

16. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенопроизводные углеводороды: Справочник. А.Л. Бандман, Г.А. Войтенко, Н.В. Волкова и др. Под редакцией В.А. Филова. Л.: Химия, 1990. - 732 с.

17. Газификация твердого топлива. Труды III научно-технической конференции. М.: Гостоптехиздат, 1957. - 374 с.

18. Гамов В.И., Двинских С.В., Керин А.С. Обработка осадка поверхностного стока. М.: Стройиздат, 1991. - 427с.

19. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971.

20. Гумен С.Г., Трухин Ю.А., Гоухберг М.С. Научно-технический прогресс в «Водоканале Санкт-Петербурга» // Тезисы докладов Третьего международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕХ-98, 1998. С. 426.20.