Эколого-экономическая эффективность реагентной обработки животноводческих стоков Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭКОЛОГИЯ

УДК 628.1

АКТИВАЦИЯ ШЛАМА ВОДОПОДГОТОВКИ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС

© 2003 г. А.В. Паламарчук

В процессе предварительной обработки воды методом известкования на водоподготовительных установках (ВПУ) ТЭС и АЭС образуется шлам как побочный продукт. Традиционно шламовые воды из осветлителей ВПУ, содержащие твердую фазу (основной компонент - карбонат кальция), направляют в шламонакопители. Непрерывно увеличивающиеся их территории являются источниками пылевых выносов частиц и разжиженных шламовых стоков на плодородные земли и в водоемы. Экономическая и особенно экологическая целесообразность утилизации шла-мов ВПУ сегодня неоспорима [1]. Однако объемы такой утилизации как на ТЭС, так и на АЭС нашей страны совершенно недостаточны. Это в значительной степени связано с несовершенством ресурсосберегающих технологических схем водоподготовки и переработки ее отходов, в частности шлама ВПУ, непосредственно на ТЭС и АЭС.

Ранее нами [2, 3] были рассмотрены решения по использованию шлама ХВО Волгодонской АЭС для производства керамических изделий и гашеной извести.

В данной работе приводятся результаты исследования радиационной устойчивости шлама ВПУ Волгодонской АЭС с целью использования его в составе теплоизоляционных и других изделий, обеспечивающих защиту от ионизирующих излучений.

При проектировании защиты конструкционные материалы выбирают с учетом их защитных, механических свойств, а также стоимости, массы и объема. Защитные свойства материалов определяются их степенью активации, замедляющей и поглощающей способностями [4]. Одной из этих важнейших характеристик является степень активации (наведенная активность), которая возникает в материалах под действием интенсивной плотности потока ионизирующих излучений.

Степень активации компонентов, составляющих шлам ВПУ Волгодонской АЭС, исследовалась нами с помощью образцов-свидетелей. Эти образцы размещались в зонах ионизирующих облучений непосредственно на действующем оборудовании Волгодонской АЭС.

Состав образцов-свидетелей в процентах по массе: шлам 2^60, глина 55, песок 10^20; глинистый сланец 10. Размеры образцов - от 13x28x56 мм до

50x50x45 мм. Масса различных образцов составляла от 31,67 до 101,65 г.

Было изготовлено несколько партий образцов, часть из которых предварительно спекалась в высокотемпературной печи1.

Содержание основных компонентов в сухом шламе ВПУ Волгодонской АЭС следующее, %: СаО -45,8; SiO2 - 5,09; MgO - 4,6; А12О3 - 2,38; Fe2O3 -1,7; TiO2 - 0,23; Na2O - 0,3 [2].

Для сравнения приведем результаты более подробного анализа составов шламов ТЭЦ АО «Мосэнерго» [5]: СаО - 42,5; MgO - 4,83; A12O3 _ 0,85; SiO2 -4,84; P2O5 - 0,76; SO3 - 0,91; Cl-0,11; К2О-0,18; Fe2O3-5,42; Mn-0,053; Zn-0,015; Pb-0,0045; Ni-0,018; Cu-0,005; Cd-0,00035; Co-0,002.

Нетрудно видеть, что суммарное содержание в шламе тяжелых металлов составляет доли процента и не превышает природный фоновый уровень, а основным компонентом является оксид кальция. Данное и проведенное нами ранее [2] сравнение составов шла-мов ТЭС и АЭС, расположенных по руслу реки Дон, обнаруживает малое отличие процентного соотношения их компонентов и лишь подчеркивает близость к природным материалам строительной индустрии.

Известно [6], что все строительные материалы и изделия из них подразделяются на четыре класса по эффективной удельной активности (Аэф). Материалы первого класса используются только при строительстве жилых и общественных зданий, а содержание в них естественных радионуклидов не должно превышать 370 Бк/кг [7]. Поскольку цель данной работы - изучение возможности использования шлама ВПУ Волгодонской АЭС в качестве наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов с помощью установки цементирования, изготовления теплоизоляционных материалов для нужд АЭС и др., то вначале нами была выполнена проверка шлама на его соответствие радиологическим и санитарным нормам.

Пробы отбирались из шламоотстойника Волгодонской АЭС. Удельная активность шлама определялась гамма-спектрометрическим методом с использованием программного обеспечения GAMMA. Шлам помещался в геометрию Д1 (емкость 10 мл., насыпная плотность 0,8 г/см3), которая герметично закрывалась и выдерживалась в течение 14 сут.

1 В изготовлении образцов принимали участие В.П. Ратькова,

Н.Д., Яценко и др.

Измерения проводились с помощью низкофоновой установки на основе ве (Ы)-детектора ДГДК-80 (рабочий эталон второго разряда РЭУС-11-15, аттестованной ЦМИИ ГП ВНИИФТРИ, свидетельство №46001.12942 от 20.05.2001 г.)

Результаты анализа проб по средним значениям эффективной удельной активности радионуклидов представлены в табл 1.

Результаты определения удельной

Как видно, усредненные значения из 5 измерений каждого образца мощности излучаемой образцами эквивалентной дозы не превышают естественного природного фона. При пересчете на наведенную активность это пренебрежимо малые величины Кюри.

Более высокую наведенную активность Снав можно ожидать при облучении шлама тепловыми нейтронами. Поэтому вначале, перед натурными испытаниями

Таблица 1

активности шлама ХВО Волгодонской АЭС

Материал Описание пробы Радионуклид Удельная активность А0, Бк/кг Аэф> Бк/кг МЗУА (П-4 НРБ-99), [7] А0 / МЗУА

Шлам из цеха водоочистки АЭС Сыпучий материал, 100 мл U-238 170 ± 27 30,1 104 0,017

Ra-226 20 ± 5 104 0,002

K-40 34 ± 12 106 0,00034

Th-234 Менее 0,005 Z 0,019

Из данных табл. 1 видно что:

а) содержание природных радионуклидов в пробах шлама ниже минимально значимой удельной активности (МЗУА);

б) сумма отношений удельных активностей радионуклидов А0 к МЗУА меньше единицы, следовательно, данный материал (шлам ХВО АЭС) пригоден для изготовления потребительских товаров из техногенных источников;

в) удельные активности урана-238, радия-226, тория-234 и калия-40 дают результирующее значение Аэф=30,1 Бк/кг, существенно меньшее, чем нормативное Аэф=370 Бк/кг [7], что делает его пригодным для использования в строительстве и реконструкции даже жилых и общественных зданий.

При исследовании наведенной активности образцы шлама размещались в помещениях с различной интенсивностью радиационного излучения от оборудования АЭС и выдерживались в течение 60 сут. Так, в помещении № 1 эквивалентная доза от источника составляла 7,2 мЗв/ч, а в помещении № 2 - 9,28 Зв/ч. По истечении 60 сут. была измерена мощность дозы, излучаемой образцами. Результаты измерения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты активации образцов шлама ВПУ в помещении А-117 Волгодонской АЭС с у-излучением (08.02.02-09.04.02)

образцов-свидетелей, нами была рассчитана Снав с условно принятой плотностью тепловых нейтронов 1=1013 нейтрон/(см2-с.) при облучении компонентов шлама в течение 1=30 сут.

Поскольку время облучения 1 меньше периода полураспада Т1/2 основных элементов, составляющих шлам, то при этом Снав будет меньше активности насыщения Снав [4] и тогда:

Снав=Роакт ] Ьо М (1-е -0,693 1/Т '/г) / (А-3,7-1010), Кюри, (1) где Р - содержание радионуклида в элементе на 1г; Оакт - эффективное сечение активации элемента, барн; Ьо - число Авогадро; М - масса радионуклида, г; А -атомная масса облученного радионуклида.

Необходимые для расчетов данные об изотопах основных элементов, входящих в шлам, были взяты из [4, 8].

Результаты расчетов в виде графической зависимости наведенной активности элементов от периода их полураспада (см. рисунок) показывают, что с увеличением Т1/2 наведенная активность уменьшается, а относительно наибольшая Снав (2,74 и 0,856 Кюри) наблюдается у короткоживущих изотопов кальция, для которых Т1/2 составляет 8,75 мин и 4,53 дня соответственно. Следует заметить, что абсолютные значения Снав для всех элементов шлама весьма низки (даже при консервативном подходе, т. е. в предположении, что 1= 1013 нейтрон/(см2-с)). Это видно из их сравнения с активностями продуктов коррозии нержавеющей стали в водно-питательном тракте одноконтурной АЭС (табл. 3) по данным [4].

Таблица 3

Расчетные значения наведенной активности продуктов коррозии стали 0Х18Н10Т

Размер образца, мм Масса образца, г Доза облучения Мощность излучаемой образцами дозы, мк Р/ч

50x50x30 101,65 10,0

31x33x34 52,54 7,2 мЗв/ч 12,6

13x28x56 32,96 10,6

33x34x34 70,75 12,8

13x28x56 31,67 10,0

13x28x56 28,46 10,4

13x28x56 32,08 9,2 Зв/ч 12,0

34x34x34 51,63 11,0

50x50x45 93,48 10,2

Активность Снав, Кюри Элемент

Хром (Cr51) Марганец (Mn56) Железо (Fe59) Кобальт (Co60)

В реакторной воде 1,36 6,74 0,0212 0,26

На поверхностях, смачиваемых реакторной водой 1154,0 3342,0 17,2 94,0

В отложениях на турбине 0,00791 0,0308 0,000122 0,00150

В конденсате пара 0,0159 0,0704 0,000247 0,00303

Наведенная активность, Снав., Кюри

Зависимость наведенной активности изотопов основных элементов шлама ВПУ Волгодонской АЭС от их периода полураспада

Ранее, по результатам наших исследований эффективности биологической защиты реактора 1-го энергоблока Волгодонской АЭС, было установлено, что плотность потока тепловых нейтронов I в районе холодных патрубков реактора на много порядков ниже той I, которая была принята для теоретической оценки Снав шлама по (1). Поэтому при натурных исследованиях активации образцов шлама ХВО мы смогли их разместить у холодного патрубка № 2 реактора вплотную к его биологической защите, где мощности амбиентного дозового эквивалента нейтронного и фотонного излучений составляли соответственно Нп - 360 мЗв/ч и Ну - 130 мЗв/ч. Извлеченные через 218 сут. образцы показали, что максимальная величина Снав в шламе составляла 0,008^0,0095 мКюри при соответствующих Нп и Ну.

Таким образом, шлам ВПУ Волгодонской АЭС как дополнительный компонент при изготовлении теплоизоляционных и защитных материалов не представляет радиационной опасности ни для обслуживающего персонала, ни для экологической обстановки на территории АЭС и области в целом. Использование же шлама в качестве наполнителя при кондиционировании радиоактивных отходов также не имеет ограничений с радиологической точки зрения.

Литература

1. Ремезов А.Н., Пресное Г.В., Храмчихин А.М., Шищенко В.В.,

Седлов А. С. и др. Экологические проблемы осветления воды и утилизации шламов на ТЭЦ АО «Мосэнерго» // Теплоэнергетика. 2002. № 2. С. 2.

2. Мадоян АА, ПаламарчукА.В., ЛукашовМЮ, Нубарьян А.В.

Обеспечение экологической безопасности выбросов ХВО АЭС // Теплоэнергетика. 2002. № 5. С. 75.

3. Яценко Н.Д., Паламарчук А.В. Использование шламовых отходов АЭС в системе химводоочистки //Экология промышленного производства. 2002. № 3. С. 37.

4. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений / Под ред. Е.Л. Столяровой. М., 1976.

5. Седлов А.С., Шищенко В.В, Жидких В.Ф. и др. Состояние и основные пути решения проблемы утилизации шламов осветлителей ТЭЦ АО «Мосэнерго» // Вестн. МЭИ. 1998. № 1. С. 15-18.

6. ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов. М., 1995.

7. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). М., 1999.

8. Маслов И.А., Лукницкий В.А. Справочник по нейтронному активационному анализу. Л., 1971.

ВИ ЮРГТУ

27 сентября 2002 г.

УДК 504.064.47:636.002.68:504.064.003.12

ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ

ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ

© 2003 г. О.А. Суржко, М.А. Федорченко

Исследования отечественных и зарубежных уче- оружений жидких отходов животноводства, в частно-ных свидетельствуют о серьезном негативном влия- сти накопителей сточных вод. Отмечается высокое нии на качество атмосферного воздуха очистных со- содержание в воздухе вблизи животноводческих ком-

плексов загрязняющих газообразных веществ, что приводит к необходимости отведения больших площадей под зоны санитарной защиты [1].

Цель работы заключается в исследовании состава и концентраций газовых выбросов в процессе реа-гентной обработки животноводческих стоков [2], расчете рассеивания газовых выбросов и обосновании рекомендаций по размерам санитарно-защитных зон, в экономическом расчете предотвращенного экологического ущерба окружающей среде.

Для достижения поставленных целей необходимо выяснить динамику снижения концентраций в воздухе таких газов, как КН3, СО, N0, N0^ Н28 и метилмер-каптан, на различных стадиях реагентной обработки.

Поэтому нами были проведены исследования проб воздуха над тремя колбами, содержащими соответственно свежеотфильтрованную сточную жидкость от свинокомплекса мощностью 1,5 тыс. голов (стадия А), животноводческий сток, обработанный 10 %-м раствором Са(0Н)2 с дозой 1,5 г/дм3 по чистому СаО (стадия В), и сточную воду от свиноводческого хозяйства, последовательно обработанную вышеуказанной дозой Са(0Н)2 и суперфосфатом с дозой 3,64 г/дм3 (стадия С).

Содержание МН3 и Н28 определяли по стандартной методике при помощи газоанализаторов МГЛ-19 МН3 и МГЛ-19 Н28, концентрации СО, N0, N02 выявляли с помощью газоанализатора «Каскад ОПТЭК-511.2», а содержание метилмеркаптана оценивали, используя индикаторный газоанализатор [3].

Изменение содержания С0, N0, N0^ ^ЫН3, Н28 и метилмеркаптана представлено на рис. 1. Авторы отмечают снижение содержания С0, N0, N0^ ^ЫН3 в исследуемом воздухе при дезодорации жидкой фракции свиноводческого стока на 70-80 % на стадии В и на 90-95 % на стадии С, а содержания Н28 и метил-меркаптана - на 80-86 % на стадии В и 98-99 % на стадии С. Это, по-видимому, связано с гибелью бактерий, аммонифицирующих белок (У^еБиНипсаш, ТЬ^епкгШсаш), и бактерий, аммонифицирующих мочевину (У^еБиНипсаш), восстанавливающих сульфаты до Н28 (ТМетМйсаш), переводящих нитраты в аммиак и азот, а также С1.раБ1епапиш, вызывающих масляно-кислое брожение, обусловливающих зловонный запах (особенно в сточной жидкости после 10 сут. отстаивания) [4].

Далее проводили расчет рассеивания газовых выбросов животноводческих стоков с помощью универсальной программы УПРЗА «ЭКОЛОГ» (версии 2.02, 2.02а), реализующей положения «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86)» Госкомгидромета. Программа позволяет по данным об источниках выброса примесей и условиях местности рассчитывать максимальные разовые (осредненные за 20-30-минутный интервал) концентрации примесей в приземном слое (в долях ПДК) при неблагоприятных метеорологических условиях. При этом определяли размеры санитарно-защитных зон от испарений с необработанного реагентами и дезодорированного животноводческих стоков.

С, мг/м3 80

60

40

20

\

\

<55 \

\

\

Ч\ю

NU '— —___0,1

А В С

Стадии обработки стока —Метилмеркаптан —■— Н28

С, мг/м3 3

2 1

0

3,4К

3

^ 12

-£.0 9

0,2 »0.1 -- 0

С

А В

Стадии обработки стока

-♦- С -■- МН3 -А- N0 -х- N02

б

Рис. 1. Динамика изменения содержания газов (С, мг/м3) на различных стадиях обработки стока: а - Н28 и метилмеркаптана; б - С0, N0, N02,

Результаты расчета рассеивания выбросов С0, N0, N0^ КН3 от испарений с поверхности накопителей животноводческих стоков на стадиях А и С показали, что максимальные концентрации этих газов в приземном слое воздуха на расстоянии 100 м от свинокомплекса в первом случае (А) не превышали 0,89 ПДК, а во втором - 0,018 ПДК. Поэтому при выборе рекомендуемого размера санитарно-защитной зоны особое внимание уделялось выбросам Н28 (ПДК = 0,008 мг/м3) и метилмеркаптана (ПДК = 0,0001 мг/м3). При рассеивании испарений с поверхности стока в стадии А максимальная концентрация Н28 составила 5,0 ПДК, метилмеркаптана - 56 ПДК, а концентрация группы суммации H2S+N0 на расстоянии 500 м от источника загрязнений имела значение, равное 5,1 ПДК. Концентрации Н28 и H2S+N0, не превышающие ПДК, отмечались на расстоянии 700 м, а метилмеркаптана - на удалении 1500 м от свинокомплекса, поэтому последний оказывает наибольшее влияние при выборе рекомендуемого размера санитарно-защитной зоны, который для свинофермы на 1,5 тыс. голов определили в 1000 м. Расчет содержания Н28 и метилмеркаптана в приземном слое на расстоянии 100 м от источника выброса после осуществления реагентной дезодорации позволил установить снижение концентрации Н28 до 0,45 ПДК, Н28+Ш - до 0,5 ПДК, а метилмеркап-тана - до 5,97 ПДК. Концентрация метилмеркаптана, равная ПДК, отмечалась в 600 м от свинофермы, H2S+N0 - на расстоянии 300 м, следовательно рекомендуемый размер санитарно-защитной зоны может быть уменьшен до 500 м. Поля концентраций, постро-

0

а

енные по результатам расчетов рассеивания группы суммации Н28+КО, представлены на рис. 2.

У, км 1,2 ..

1,0 ..

0,8 ..

0,6 -

0,4 ..

0,2 ..

0,0 -

-0,2 L+,-и-1-к

\ ■ Г.. -»-

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Х, км

У. км

1,0 ..

0,8 j. 0,6

0,4 .. 0,2 0,0

-0,2

-4-

-I-

-I-

-4-

Х, км

Рис. 2. Результаты расчета рассеивания выбросов группы суммации Н28 и оксида азота: а - с поверхности накопителя свежего животноводческого стока; б - после реагентной обработки Са(ОН)2 и суперфосфатом

Авторы статьи считали необходимым определить также целесообразность дезодорации животноводческого стока, используя экономические показатели. Возможный предотвращенный экологический ущерб рассчитывали по снижению выбросов в атмосферу группы суммации Н2Б и оксида азота, а также метил-меркаптана.

Сумму платежей за выброс в атмосферу вышеуказанных газообразных загрязняющих веществ с поверхности животноводческого стока вычислили по

формуле:

б = би [пдсл + ( - пдс ) п; ],

где о - коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния объектов, равный 3; и - коэффициент индексации нормативов платы, равный 111 [5]; ПДС - предельно-допустимый сброс по 1-му ингредиенту; п - базовый норматив платы в пределах ПДС для ь ингредиента; - масса годового сброса по 1-му ингредиенту; п' - базовый норматив платы сверх ПДС для ьингредиента.

Сумма платежей за выброс в атмосферу сверхлимитного количества Н2Б+КО и метилмеркаптана до дезодорации составила 1 млн. 386 тыс. р., а после реагентной обработки 244,8 тыс. р. Таким образом, годовой предотвращенный экологический ущерб воздушной среде при дезодорации животноводческого стока свинофермы составил 1 млн. 141 тыс. р.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведены исследования проб воздуха над поверхностью жидкой фазы свиноводческого стока, показавшие значительное снижение концентраций СО, КН3, N0, Ш2, Н2Б в среднем на 95 % и метилмеркаптана на 97 % при последовательной обработке жидкости Са(ОН)2 и суперфосфатом.

2. Расчет рассеивания газовых выбросов в атмосфере, выполненный с использованием УПРЗА «Эколог» по результатам исследования проб воздуха, позволил рекомендовать уменьшение необходимого размера санитарно-защитной зоны после дезодорации с 1000 до 500 м.

3. Суммарный предотвращенный экологический ущерб воздушной среде при дезодорации животноводческих стоков от накопителя площадью 7000 м2 для свинофермы мощностью 1500 голов составил 1 млн. 141 тыс. р.

Литература

1. Окладников Н.Э., Безденежных И.С. Санитария промышленного свиноводства. М., 1988. С. 65-68, 85-88.

2. Суржко О.А. Экологически безопасная ресурсосберегающая технология утилизации жидких стоков животноводства // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 3. С. 89-92.

3. ГОСТ 12.1.005-88. ГП «ВНИИМ им. Менделеева».

4. Терешина А.Н., Уделис А.Л., Леонтьева Н.Д. Изучение микробиальной природы запаха в животноводческих стоках // Сельскохозяйственное использование сточных вод : Сб. науч. тр. Вып. 5. М., 1978. С. 17-19.

5. Суржко О.А., Золотарева З.П. Оценка экономической эффективности проектных решений: Метод. указания к курсовой работе и экономической части дипломного проекта. Новочеркасск, 1996. С. 13-16.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

18 июля 2002 г.

а