CC BY
45
ЭКОЛОГИЯ
УДК 621.311.22
ГАЗИФИКАЦИЯ И СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО НИЗКОРЕАКЦИОННОГО ТОПЛИВА НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ТЭС
© 2003 г. Д.А. Шафорост
Применяемые в мире традиционные способы сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, несмотря на их многообразие и технологические различия, имеют общие существенные недостатки, а именно: значительные затраты энергии на размол топлива, ухудшенные экологические характеристики, выбросы летучей золы, высокая эмиссия оксидов азота N0^ трудности связывания оксидов серы 80х в газовой фазе, большое количество золошлаковых отходов и т. д.
Следует отметить, что на протяжении последних десятилетий наблюдается тенденция постепенного ухудшения качества твердого топлива, поступающего на тепловые электростанции. Это приводит к снижению КПД котлоагрегатов и преждевременному износу и выходу из строя котельного оборудования. Поэтому основной проблемой использования энергетических углей в начале XXI в. становится освоение новых нетрадиционных экологически чистых и безотходных технологий производства электрической и тепловой энергии, лишенных перечисленных недостатков.
Значительный интерес представляет технология газификации и сжигания угля в аэрошлаковом барбо-тируемом расплаве, разработанная сотрудниками Научно-исследовательского института экологических проблем энергетики в рамках Государственной научно-технической программы Российской Федерации «Экологически чистая энергетика» [1, 2].
Характерной особенностью технологии является то, что уголь поступает не в топку котла, а в специальную камеру газификации и сжигания топлива в расплаве 3 шлака (рис. 1), где он подвергается термическому дроблению и интенсивному перемешиванию. Температура расплава поддерживается на уровне 1500^1600 °С. Через сопла-фурмы 4 в расплав вводится парокислородовоздушное дутье, причем пар и кислород подаются в камеру в количестве меньшем, чем необходимо для полного сгорания топлива. В барботируемом расплаве шлака в условиях интенсивной турбулизации топливо газифицируется и частично выгорает [2].
Минеральная часть топлива в расплавленном состоянии поступает в шлаковый отстойник 1, из которого после гравитационной сепарации удаляется в виде легкой и тяжелой фракций через сливные желоба 2 и 5. Продукты газификации и частичного сгорания угля попадают в камеру 7 дожигания котла.
5 4 3
Рис. 1. Схема котла с камерой-газификатором: 1 - отстойник шлака; 2 - сливной желоб легкого шлака; 3 - барботи-руемый расплав; 4 - дутьевые фурмы; 5 - сливной желоб тяжелого шлака; 6 - окно загрузки топлива; 7 - камера дожигания; 8 - пароперегреватель
Данная технология является пока малоизученной, поэтому необходима разработка математических моделей для расчета и проектирования промышленных установок, реализующих указанный процесс.
Предлагаемая математическая модель описывает процессы, протекающие во всем объеме камеры-газификатора. Из всего многообразия реакций углерода с различными компонентами рассмотрим в данной модели только те, которые являются наиболее вероятными в рабочем диапазоне температур (-1500^1600 °С):
С + О2 = СО2 +409154 Дж/моль С;
С + 0,5О2 = СО + 117300 Дж/моль С;
С + Н2О = СО + Н2 - 134500 Дж/моль С;
С +2Н2О = СО2 + 2Н2 - 75000 Дж/моль С;
С + СО2 = 2СО - 162500 Дж/моль С;
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 27700 Дж/моль СО.
При разработке модели были сделаны следующие допущения:
- физико-химические процессы протекают в бар-ботируемой ванне, рассматриваемой как реактор идеального перемешивания;
- весь кислород, подаваемый на нижние фурмы, расходуется на взаимодействие с углеродом с образованием СО и СО2. Химический состав выделяющегося из шлаковой ванны газа соответствует равновесному, рассчитываемому по реакции СО+Н2О = СО2+Н2 для заданной температуры;
- химический состав газов после дожигания над расплавом соответствует равновесному при температуре на выходе из камеры-газификатора.
Газификация угля в расплаве шлака рассматривается как процесс, протекающий в три стадии.
Первая стадия процесса - термическая деструкция компонентов загрузки в расплаве шлака (рис. 2).
а также долю углерода, идущего на образование С02 ДСГШ2 = 12 0Г /32 .
Тогда доля углерода, расходуемого на образование СН4, составит
3
ДССН4 = 12 ДНСН4/4 = 3НГ --8Г.
На основании этих выражений можно рассчитать долю углерода, идущего на образование летучих
ел =ACC
CH4
3 3 + ACCO2 = 3Hr +-Or — Sr.
8
16
В этом случае доля нелетучего углерода, остающегося в расплаве, составит
3 3
С Г = СГ - Сл = СГ - 3НГ — 0Г + — 8Г. н л 8 16
VCO 'VH2 'VH2S
VCH4 , VCO2 , VN2 , VH2O
Камера дожигания
Ьизв
Первая стадия
Термическая деструкция угля
ш.
ш и
V VCO
V" Vh 2 V'' VN2
V' VCO2 V'' VH2O
Вторая стадия
Газификация углерода в расплаве шлака
Vff -tjff iff
v ,vk ,dn
шш
ш
Технологические
линии по переработке шлака
Рис. 2. Трехстадийная модель газификации угля в расплаве шлака
На этой стадии в условиях «термического удара» происходит сушка топлива, выход летучих, расплавление минеральной части и образование диспергированного углерода. При построении модели учитывалось, что на этой стадии компоненты топлива: С, Н, 8 и О вступают между собой в реакции взаимодействия с образованием летучих
С + 2Н2 = СН4;Н2 + 8 = Н28;С + О2 = СО2, (1) причем водород, сера и кислород топлива полностью расходуются в данных реакциях. Определим долю углерода Сл, который расходуется на эти реакции. Из уравнений (1) найдем долю водорода (в процентах от рабочей массы топлива), расходуемого на образование Н28:
ДНН28 = 28732.
Определим долю водорода, расходуемого на образование СН4
ДНСН4 = НГ -ДНН28 ,
Таким образом, в модели учитывается выход летучего углерода в зоне деструкции. При этом в зону реагирования поступает нелетучий углерод.
Состав загрузки: уголь в количестве Ъугл кг и известняк в количестве Ьизв кг. Известняк подается в барботируемую ванну с целью связывания серы в расплаве и регулирования вязкости расплава.
Образующиеся продукты деструкции в расчете на 1 кг рабочей массы угля:
1) жидкий (расплавленный) шлак массой т шл кг
где тА - масса шлака топлива; тизв - масса шлака известняка;
2) диспергированный в расплаве углерод массой тн (из первоначальной массы углерода вычитается то его количество, которое пошло на образование летучих компонентов топлива);
Ш шл = Ш А + Ш изв
3) газообразные продукты: сероводород УН23, метан УСН4, азот ¥N2 , водяной пар УН20 и оксид углерода УС02. Знак «'» относится к продуктам реакций на первой стадии процесса.
Вторая стадия - газификация углерода в барбо-тируемом расплаве шлака. В зону барботажа (в расчете на 1 кг рабочей массы угля) поступает т( кг диспергированного углерода. Через фурмы в расплав подается в общем случае парокислородовоздушное дутье, содержащее воздух в количестве УУ м3, кислород в количестве Ук м3 и водяной пар массой ^ кг. Водяной пар подается в камеру с целью регулирования температуры расплава и изменения состава образующихся газов.
Рассмотрим режим, при котором окислители (водяной пар и кислород) подаются в реакционный объем в количестве большем, чем требуется для стехио-метрической газификации углерода, но меньшем, чем необходимо для стехиометрического сгорания топлива, т.е. 0,5 < а + в < 1,0. Здесь а и в - коэффициенты подачи кислорода и водяного пара соответственно, которые представляют собой отношение количества окислителя, подведенного для взаимодействия с углеродом топлива, к количеству окислителя, теоретически необходимого (в стехиометрическом соотношении) для полного сгорания углерода топлива до СО2 и Н2.
Основные уравнения реакций в этом случае имеют следующий вид:
т1С+0,5т102=т1С0+117300т1, кДж (2)
т2С+т2Н20=т2С0+т2Н2-134500-т2, кДж (3)
т3С0+т3Н20=т3Н2+т3С02+27700т3, кДж (4)
AmH2O = AmH2O
Из уравнения (7) можно определить объемы продуктов газификации: оксида и диоксида углерода, водорода, азота и водяного пара.
Из зоны барботажа отводится тшл кг жидкого
шлака, т мет кг жидкого полиметалла, а также газообразные продукты газификации: УС0 , УН2 , УС02,
и УН20.
Третья стадия - реагирование в газовой среде над расплавом смеси продуктов первой и второй стадий. В объем над расплавом поступают продукты первой:УН28,УСН4,У^,УН20, и Уш2 и второй
стадий: уС0, УН2, УС02, УN2, УН20 . Вместе с продуктами первой и второй стадий в газовую среду над расплавом поступает парокислородовоздушное дутье:
3
воздух в количестве Уу м , кислород в количестве
Уда 3 « лм
к ми водяной пар в количестве аП кг. Основные реакции для этой стадии имеют вид:
а С0 + 0,5 а 02 = а С02 + 279400 а кДж; (8)
ЬС0 + ЬН20 = ЬН2 + ЬС02 + 27700Ь кДж. (9)
Здесь а - доля оксида углерода СО, идущая на первую реакцию, Ь - доля СО, идущая на вторую реакцию.
Суммируя уравнения (8) и (9), получим 0,5 а 02 + ЬН20 + (а + Ь)С0 = Ь Н2 + (а + Ь)С02 +
+279400 a + 27700 b кДж
(10)
(5)
Здесь т! и т2 - доли углерода, идущего на реакции (2) и (3); т3 - количественная характеристика реакции конверсии (4); Ат - избыточная доля водяного пара в дутье, не вступающего в реакции в объеме расплава и уходящего с газами из расплава. Суммируя уравнения (2)-(5), получаем
(т!+т2) С+0,5т102+(т2+т3+Ат)Н20= =(т1+т2-тз)С0+(т2+т3)Н2+т3С02+АтН20+
+117300т1-134500т2+27700т3, кДж (6)
Обозначим т! = 2а и т2+т3+Ат = 2в. По условию т!+т2 = 1, тогда т2 = 1-т1 =-1-2а, т3 = 2а+2в--Ат-1 и, согласно этим выражениям, т!+т2-т3 = =2+Ат-2а-2в. Тогда уравнение (6) примет вид
С+а02+2вН20=(2+Ат-2а-2в)С0+ +(2в-Ат) Н2 +(2а+2в-Ат-1)С02+АтН20+ +559000а+55400в-27700Ат-162200 кДж (7)
Равновесный состав газов определяется константой равновесия реакции
С0 + Н20 = Н2 + С02 +27700 кДж.
Из уравнения (10) можно определить объемы газов, образующихся в результате совместного протекания реакций (8) и (9) на третьей стадии.
Образующаяся смесь газов поступает далее на дожигание в котел-утилизатор и имеет состав:
УС0 , УН2 , УН28 , УСН4 , УС02 , УN2 и УН20 .
Для определения температуры шлакового расплава система представленных уравнений замыкается уравнением теплового баланса, которое для стационарного режима работы установки записывается в форме, кДж/кг:
О + о + оСаСО3 + О + О =
^топл ^-дут ^ф ^пар ^дож
= 0 охл + Одг + ОЯ3 + Орад + Ошл + °мет + 0 дисс ,
где О тот - теплота сгорания и физическая теплота топлива; Одут - физическая теплота дутья; ОСаС°3 -физическая теплота известняка; Опар - физическая теплота водяного пара; Одож - количество теплоты, передаваемой из зоны дожигания в расплав; Оохл -
теплота, передаваемая кессонным поверхностям камеры-газификатора; Р дг - физическая теплота уходящих газов; - химическая теплота уходящих в котел газов; Р рад - радиационная теплота с поверхности расплава; Р шл - физическая теплота шлака; Р мет - физическая теплота металла; Р дисс - теплота, затрачиваемая на разложение СаС03.
Описанная математическая балансовая модель работы камеры-газификатора проверена по результатам кампании, проведенной на Новолипецком металлургическом комбинате.
На рис. 3 приведена зависимость состава продуктов газификации от степени обогащения дутья кислородом и показаны точки, соответствующие экспериментальным данным для режима газификации при отсутствии подачи дутья через верхние фурмы. На рис. 4 приведена зависимость состава продуктов газификации от подачи кислорода и показаны точки, соответствующие экспериментальным данным для режима газификации с подачей дутья через верхние фурмы.
60
50
40
30
о 20 о
CO ♦
♦ < >
^ n2 H2 •
•
CO / 2
—■ /CH4 H2SI —1-
30
40
50
60
70
80
90
100
X
50
40
m
8 30
СО 2 m
2 20
и о О
10
i vN____
TO2
ж H2O CO
——» _ _^2
а
0,5
0,6
0,7
0,8
Рис. 4. Зависимость состава газов от расхода кислорода.
Экспериментальные данные: ▲ - N2; ♦ - СО; ■ - CO2; • - Н2
- H2O;
Рис. 3. Зависимость состава газов от степени обогащения дутья кислородом. Экспериментальные данные: ▲ - N2; ■ - С02; • - Н2; ♦ - СО
Анализ представленных данных показывает, что в пределах точности измерений в условиях проведения испытаний расчетные результаты удовлетворительно совпадают с экспериментальными. Это позволяет сделать вывод о применимости математической балансовой модели для анализа работы установки по газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве с использованием в качестве топлива углей различных месторождений.
Литература
1. Мадоян А.А. Особенно экологически чистый высокоэко-
номичный способ использования твердого топлива для производства электроэнергии // Вестн. МЭИ. 1994. № 1. С.6-12.
2. Нетрадиционные технологии - основной путь обеспечения экологической надежности и ресурсосбережения / А.Ф. Дьяков, А.А. Мадоян, Г.И. Левченко, Ф.А. Кушна-рев, Л.М. Христич, В.В. Гапеев // Энергетик. 1997. № 11. С. 2-4.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
6 марта 2003 г.
0
0
УДК 504.3.054:622
ЭКОТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД СВИНОКОМПЛЕКСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
© 2003 г. М.А. Федорченко, О.А. Суржко
В последние годы в Российской Федерации отмечен значительный недостаток внесения в почву органических и минеральных удобрений, что можно объяснить их высокой стоимостью. При быстром росте техногенного воздействия на почвы это приводит к ускорению процессов дегумификации, уменьшению мощности гумусового слоя и, в конечном счете, снижению плодородия. В то же время практически не используется высокий агро-минеральный ресурс таких отходов, как сточные воды
свиноводческих комплексов. Применение их для орошения способствует деградации почв и восстановлению плодородия. В большинстве случаев в почвах повышается содержание гумуса, общего и гидролизуемого азота, подвижного фосфора, калия, улучшается реакция почвенной среды. Ранее нами было дано обоснование эколо-го-экономической эффективности утилизации животноводческих стоков на оросительных системах сточных вод (ОССВ) [1].
Для подготовки жидких отходов свинокомплексов для утилизации их на ОССВ необходимо разработать бездеструкционный способ, позволяющий сохранить биогенные элементы. Одним из них является реагент-ное фракционирование сточной жидкости путем обработки ее известковым молоком - Са(ОН)2 с последующей нейтрализацией суспензией простого суперфосфата. Установлены оптимальные параметры процесса, дозы реагентов, а также изменение солевого состава сточных вод при фракционировании [2].
Однако важно отметить, что подготовка жидких отходов свинокомплексов с применением Са(ОН)2, содержащего до 51% активного СаО, требует значительных материальных затрат. В то же время имеется многотоннажный отход производства ацетилена - шлам карбида кальция, проблема утилизации которого пока не полностью решена. Шлам содержит 18-30 % активной окиси кальция и может быть использован для обработки сточных вод свино-комплексов вместо известкового молока. При этом решается и задача утилизации отхода. Но в настоящее время не изучен процесс разделения животно-водческих стоков на жидкую и твердые фракции с применением отхода производства ацетилена, неиз-вестны его основные параметры.
Поэтому целью работы является разработка эко-технологии утилизации сточных вод свинокомплексов путем реагентного фракционирования сточной жидко -сти с заменой Са(ОН)2 на отход производства ацетилена - шлам карбида кальция. При этом ставятся следующие задачи: определение основных параметров процесса разделения бесподстилочного навоза на жидкую и твердую фракции; подбор оптимальных доз реагентов; выявление зависимостей изменения солевого состава и свойств фракций на различных стадиях обработки шламом карбида кальция, сравнение их с показателями, полученными при использовании Са(ОН)2; исследование подготовленных фракций на предмет токсического воздействия на сельскохозяйственные культуры; внесение рекомендаций с указанием оптимальных оросительных доз для жидкой фракции и удобрительных для твердой.
Исследования проводили для сравнения одновременно в двух направлениях. В первом случае исходные жидкие отходы обрабатывали 10 %-м известковым молоком, приготовленным из извести-пушонки (51 % активногооксида кальция) концентрацией 2,5 г/дм3 до рН 11,0 с последующим снижением рН суспензией простого суперфосфата (27 % активного Р2О5) концентрацией 10 г/дм3 до 8,1. Во втором случае аналогичную обработку осуществляли, заменив известковое молоко на 10 %-й шлам карбида кальция. Измерения рН проводили после пятиминутного перемешивания обрабатываемой жидкости с дозой реагента (рис. 1).
Установлено, что для доведения рН смеси до 10,5 суспензии отхода производства ацетилена требуется в два раза больше, чем суспензии Са(ОН)2. Исходя из этого авторы предположили, что и содержание активного оксида кальция (СаО) в шламе примерно в два раза ниже, т.е. составляет 26 %. По приведенным зависимостям можно установить, что рН 10,2 в 1 дм3 жидкого навоза
достигли при соотношении объемов реагентов 1:20 -1:11, а для доведения рН до 11,0 необходимо известковое молоко в соотношении со сточной жидкостью 1:16,7 или шлам карбида кальция в пропорции 1:10.
рН
12,5 11
9,5 8
6,5
0 10 20
30 40 50 60 70 Объем реагента, мл
90 100
Рис. 1. Зависимость рН осветленной жидкости (1 дм3) от объема реагента: 1-10 %-й Са(ОН)2; 2-10 %-й шлам карбида кальция
Оптимальную дозу реагента, необходимую для обработки жидких отходов свинокомплекса, определили по эффекту разделения сточной жидкости на фракции. Для этого в 4 образца одного и того же стока объемом 1 дм3 каждый вносили различные дозы 10 %-й суспензии шлама карбида кальция, г/дм3 (по активному СаО): 2,2; 2,5; 2,7; и 4,0. При этом определяли значения рН жидкой и твердой фракций в каждом образце. Отстаивание проводили в стандартном цилиндре объемом 1 дм3 и диаметром основания 65 мм (рис. 2а). Результаты исследования позволили установить, что оптимальный объем вносимого шлама карбида кальция, необходимого для обработки 1 м3 бесподстилочного навоза, равен 0,1 м3. Ему соответствует доза шлама по активному оксиду кальция, составляющая 2,7 г/дм3. При дозах 2,2 и 2,5 г/дм3 наблюдали более низкий эффект разделения сточной жидкости на фракции, а увеличение дозы реагента до 4 г/дм3 нецелесообразно, так как при этом эффект осаждения твердых частиц увеличивается незначительно. Э, %-
80 60 40 20 0
Э,% 80 60 40 20 0
■ 1
-■--- 3
-А-4
-Ö-2
Г, мин
5 10
20 30 а)
45 60 120
-■--- 1 -Л-2
Г, мин
0
5 10 20
30 б)
45 60 120
Рис. 2. Зависимость эффекта отстаивания от времени при обработке сточных вод свинокомплекса шламом карбида кальция: а - при дозах шлама, г/дм3: 1 - 2,2; 2 - 2,5; 3 - 2,7; 4 - 4,0; б - при отстаивании в цилиндрах диаметром, мм: 1 - 65; 2 - 45
0
Исследовали зависимости эффекта отстаивания от времени при различных диаметрах цилиндров (рис. 2 б). Конечный эффект разделения жидкого навоза на фракции в цилиндре диаметром 65 мм составил 90 %, а в цилиндре, имевшем диаметр 45 мм, всего 80 %.
Для изучения влияния температурных условий на процесс реагентного разделения сточной жидкости на фракции проводили обработку образцов стока при различных температурах окружающего воздуха. Исследованиями установлено, что с повышением температуры скорость осаждения возрастает. В диапазоне от 10 до 40 °С наибольший эффект осаждения наблюдали при 40 °С, однако величины эффектов обработки при 20 и 30 °С отличались незначительно. Зависимость эффекта отстаивания от времени при различных температурах среды представлена на рис. 3.
Э, %
80 60 40 20 0
А [ггтг] I----1 MI
1 ^1
и!
-♦—1
—Ъ—3
-•—4
I, мин
5 10 20 30 45 60 120
Рис. 3. Зависимость эффекта отстаивания при дозе шлама-2,7 г/дм3от температуры, °С: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30; 4 - 40
Снижение рН со значения 11,0 достигли путем введения суспензии простого суперфосфата. Измерение рН производили также после пятиминутного перемешивания. На рис. 4. приведен график зависимости рН от дозы суперфосфата при различных исходных значениях рН смеси. Для доведения рН смеси до 8,0 необходимо 30 - 60 мл суспензии суперфосфата, в этом случае соотношение объемов реагента и смеси составит 1:33,3-1:16,7.
pH 11 10 9 8 7 6
■ ■■2
0
20 40
Объем реагента, мл
60
Рис. 4. Зависимость рН от объема суспензии суперфосфата при рН жидкости после обработки 10 %-м шламом карбида кальция (1 дм3): 1- 11,0; 2 - 10,0
Концентрация взвешенных веществ в жидкой фракции, полученной после отстаивания реагентной смеси, составляет 4-6 мг/дм3, причем жидкая фракция прозрачная. Осадок, образующийся после обработки 10 %-й суспензией шлама карбида кальция и суспензией простого суперфосфата, состоит из крупных хлопьев серого цвета.
В связи с тем что жидкая фракция используется для орошения, а твердая - в качестве органо-мине-рального удобрения, особый интерес вызывало влияние реагентной обработки на изменение физико-химических свойств и солевого состава каждой фракции. Данные исследования проводились в лаборатории органических удобрений Всероссийского научно-исследовательского института им. Прянишникова.
Влажность, зольность, содержание органического вещества и углерода определяли по стандартным методикам [3] с четырехкратной повторностью. Количество углерода оценивали расчетным путем как половину от содержания органического вещества.
В жидкой фракции, полученной после реагентной обработки, вышеперечисленные исследования не проводили, предположив в ней отсутствие сухого вещества, т. е. 100 %-ю влажность. Следует отметить, что жидкая фаза исходного стока имела влажность 99,7 %, тогда как влажность твердой фракции свиноводческого стока снизилась в процессе реагентной обработки с 98,0 до 91,2 %. Зольность твердой фракции исходного стока составляла 20 %, а после обработки суспензией шлама карбида кальция и суспензией простого суперфосфата возросла до 42,9 %. Содержание органического вещества и углерода составило,%: 80,3 и 40,2 - до обработки и, соответственно, 57,2 и 28,6 - после нее.
Далее исследовали изменение содержания основных биогенных элементов: фосфора, калия, азота (включая общий, аммиачный и нитратный в процессе обработки.
Определение общего и аммиачного азота проводили стандартным методом отгона на аппарате Кьельдаля [4] с предварительным озолением навесок высушенных до постоянного веса образцов по методу Неймана.
Результаты исследований показали высокое содержание аммиачного и общего азота как в исходном жидком навозе, так и после его обработки. В жидкой фазе исходной сточной жидкости содержалось, мг/дм3: азота общего - 700, аммиачного - 600; в твердой фазе, соответственно, 300 и 100. Исследованиями проб, взятых из жидкой фазы обработанной сточной жидкости, установлено снижение содержания общего азота до 300, а аммиачного - до 200 мг/дм3. В твердой фазе после обработки содержание азота увеличилось, мг/дм3: общего - до 400, а аммиачного - до 300. Произошло перераспределение количеств общего и аммиачного азота по сравнению с исходным навозом. По двум фракциям суммарное содержание общего азота сократилось на 300 мг/дм3 (30 %), а аммиачного - на 200 мг/дм3 (25 %). Это может объясняться тем, что в процессе обработки бесподстилочного навоза суспензией шлама карбида кальция и суспензией простого суперфосфата происходят потери азота, однако в гораздо меньших количествах, чем при других способах обработки, о которых свидетельствуют работы ряда авторов [5, 6]. Уменьшение количества аммиачного азота позволяет сократить расход свежей воды для разбавления сточных вод свинокомплексов при использовании их для орошения.
0
1
Кроме того, аналогичным методом был исследован жидкий навоз, подвергшийся реагентной обработке после замораживания и оттаивания. Следует отметить, что содержание азота в данной исходной сточной жидкости отличается от описанного ранее. Так, его фракции содержали общего азота, мг/дм3 до обработки: жидкая - 500, твердая - 200; после обработки: жидкая - 150, твердая - 350. Содержание аммиачного азота, мг/дм3, до обработки: в жидкой фазе - 400, в твердой - 150; после обработки: в жидкой - 100, в твердой - 250. Графики изменения общего содержания аммиачного азота в жидких отходах свинокомплекса при реагентной обработке представлены на рис. 5 а, б. На этом рисунке обозначены следующие стадии обработки: I - свежий жидкий навоз со свинокомплекса; II - сточная жидкость, прошедшая обработку 10 %-м шламом карбида кальция; III - сточная жидкость после обработки тем же шламом и нейтрализации 10 %-й суспензией простого суперфосфата.
Определение азота нитратов и нитритов проводили в соответствии с [4] при помощи фотоэлектроколо-риметра. В процессе реагентной обработки в обеих фракциях отмечали возрастание содержания как нит-ритной, так и нитратной форм азота. Так общее содержание нитратов в процессе обработки увеличилось с 68 до 75 (мг/дм3), а в сточной воде, обработанной после размораживания с 50 до 63 (мг/дм3). Концентрации нитритов возросли, соответственно, с 0 до 40 и с 0 до 18 (мг/дм3). Изменение содержания нитратной и нитритной форм азота на различных стадиях обработки представлено на рис. 5 в и г.
Определение ХПК проводили по методу бихро-матной окисляемости [3]. В сточной жидкости, обработанной в день отбора, отмечали снижение исходного значения ХПК, равного 600 мг О2/дм3 до конечного, равного 300 мг О2 /дм3. Начальная величина ХПК замороженного и оттаянного навоза составила 450 мг О2/дм3, значение ХПК после обработки оказалось равным 200 мг О2/дм3. Очевидно, что реагентная обработка, проведенная после предварительного замораживания и оттаивания, дает лучшие результаты. Изменение величины ХПК в процессе обработки представлено на рис. 5д.
Содержание фосфора (по Р205) определяли в соответствии с [4] на фотоэлектроколориметре. Для исследования брали пробы из растворов, полученных после озоления по методу, описанному выше. Полученные результаты показали снижение содержания фосфора в жидкой фракции бесподстилочного навоза, мг/дм3: с 700 в исходном до 100 в обработанном. В то же время в твердой фракции при обработке отметили возрастание концентрации Р205 с 200 до 800 мг/дм3. То есть обработка суспензией шлама карбида кальция уменьшает концентрацию фосфора в жидкой фракции за счет осаждения малорастворимых соединений фосфора.
Определение общего содержания калия (по К2О) во фракциях осуществляли после озоления сухих навесок с помощью пламенного фотометра по методике, изложенной в [4]. Результаты исследований свидетельствовали о возрастании в процессе реагентной
подготовки концентраций общего калия в твердой фракции, мг/дм3: с 200 - в исходном навозе до 500 -в обработанном. Соответственно, в жидкой фракции содержание калия снизилось с 400 до 100 мг/дм3. Содержание общего калия по фракциям распределилось пропорционально количеству в них сухого вещества.
N общ, мг/дм'
800 600 400
---- ".......
II а)
III
N-NH4, мг/дм"
600 500 400 300
II б)
III
NO2, мг/дм3
70 60 50 40
в)
NO3, мг/дм3
30 20 10 -
0
I
III
г)
ХПК, мг/дм
500 400
300
200
Рис. 5. Динамика изменения содержания различных форм азота и ХПК в жидком навозе в процессе его обработки: а - общего азота; б - аммиачного азота; в - азота нитритов; г - азота нитратов; д - ХПК; -•- 1 -обработка сразу после отбора пробы; --Ж--2 - обработка после предварительного замораживания
Результаты исследований изменения рН, влажности, зольности содержания органического вещества и углерода, а также определенные значения концентраций общего, аммиачного, нитритного и нитратного азота, общего фосфора, общего калия и соотношение основных биогенных элементов приведены в табл. 1.
Анализ представленных графиков показал, что реагентная обработка предварительно замороженных сточных вод свиноводческих комплексов дает наиболее эффективное снижение всех форм азотного загрязнения и ХПК по сравнению со сразу обработанной сточной жидкостью.
Анализируя результаты исследований, стоит отметить высокое содержание основных биогенных элементов в обработанных сточных жидкости и осадке, что с точки зрения агромелиоративной ценности позволяет использовать их в сельском хозяйстве.
Однако с целью определения пригодности жидкой фракции свиноводческих сточных вод, полученной после его обработки 10 %-й суспензией шлама карби-
да кальция и нейтрализации 10 %-й суспензией простого суперфосфата, для орошения сельскохозяйственных угодий, а твердой фракции - для их удобрения необходимо провести исследование токсического воздействия на растения. В связи с тем что подготовка бесподстилочного навоза для сельскохозяйственного использования с применением шлама карбида кальция ранее не проводилась, нами проведено биотестирование по проращиванию семян редиса на обработанном реагентами навозе [8].
В простерилизованные чашки Петри помещали бумажный фильтр, на котором равномерно располагали по 30 семян редиса красного круглого с белым кончиком. Испытания проводили в пяти повторениях, из которых находили средние значения. В каждую чашку наливали исследуемую и чистую жидкости так, чтобы их суммарный объем не превышал 5 см3. Чашки выдерживали в термостате при температуре 20 °С в течение 72 ч. Контрольные испытания проводили с чистой водой. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Таблица 1
Результаты исследований физических показателей и содержания биогенных элементов в сточных водах
свинокомплексов до и после реагентной обработки
Название фракции pH Влажность, % Зольность, % Орг. вещество, % Углерод, % Азот, мг/дм3 P2O5 , мг/дм3 K2O , мг/дм3 N:P:K
общий NH4+ no2- NO3-
Жидкая до обработки 6,6 99,7 32,85 67,15 33,58 700 600 0 30 700 400 1:1:1,18
Твердая до обработки 6,7 98,0 20,0 80,31 40,16 300 100 0 38 200 200 1,5:1:1
Жидкая после обработки 7,9 100,0 - - - 300 200 20 20 100 100 3:1:1
Твердая после обработки 8,1 91,2 42,85 57,15 28,58 400 300 20 55 800 500 1:2:1,25
Таблица 2
Результаты проведения опыта по биотестированию сточных вод свинокомплекса, подготовленных к сельскохозяйственному использованию
Объем исследуемой жидкости, см3 Объем чистой воды, см3 Количество проросших Средняя длина корней, Сравнение с контрольным
семян, шт мм испытанием, %
I. Контрольное испытание
- 5 26 40 -
II. Жидкая фаза после обработки
1 4 25 46 96 / 115
2 3 24 37 92 / 92
3 2 23 36 88 / 90
4 1 15 25 58 / 62
5 - 11 10 42 / 25
III. Твердая фаза после обработки
1 4 24 37 92 / 92
2 3 20 30 77 / 75
3 2 15 25 58 / 62
4 1 11 20 42 / 50
5 - 11 10 42 / 25
Примечание. В числителе даны результаты по количеству проросших семян, а в знаменателе - по длине. Критерием пригодности воды для орошения является количество и длина корней проросших семян, которое должно составлять более 70 % от контрольного.
Анализ полученных результатов показал, что в образцах, исследуемых при соотношении жидкой фазы обработанных сточных вод свиноводческого комплекса к чистой воде 1:4, наблюдали практически полное прорастание семян, причем среднее значение длины их корней составило на 15 % больше, чем в контрольном опыте. Следовательно, орошение сельскохозяйственных культур жидкой фазой бесподстилочного навоза, полученной после реагентной обработки, в вышеуказанном соотношении с чистой водой может оказывать стимулирующее действие на их рост. Жидкая фракция сточных вод свинокомплекса в соотношениях с чистой водой, равных 2:3 и 3:2, также пригодна для орошения, так как при таких пропорциях по сравнению с контролем прорастание семян составило 92 и 88 % , а значение их длин - 92 и 90 %. Кроме того, для орошения может быть использована чистая вода с добавлением твердой фракции обработанного жидкого навоза в соотношении 4:1 и 3:2. Сравнив результаты, полученные при исследованиях поведения семян редиса в такой среде, с контрольными, получили прорастание в 92 и 77 % случаев, а отношение длин корней - 92 и 75 %. Сделали вывод о непригодности для орошения сельскохозяйственных культур без разбавления как жидкой, так и твердой фракцией сточных вод свинокомплекса, так как количество проросших семян в этих случаях составило 42 %, а длина корней - 25 % от контроля. Процентные отношения проросших семян, а также длин их корней при биотестировании в соотношении с чистой водой жидкой фазы сточных вод - 4:1 и твердой фазы - 3:2 и 4:1 имеют значения менее 70 %, следовательно не пригодны для орошения, так как оказывают ингиби-рующее воздействие на рост растений.
По результатам работы можно сделать следующие выводы.
1. Определили основные параметры процесса реа-гентного фракционирования сточных вод свинокомплексов с использованием отхода производства ацетилена: наибольший эффект разделения на фракции, составивший 91%, достигли при рН, равном 11,0 при оптимальной дозе 10 % суспензии шлама карбида кальция - 2,7 г/дм3, а 10 % суспензии простого суперфосфата - 1,6 г/дм3. Выявили прямо пропорциональную зависимость эффекта разделения от температуры, причем в диапазоне от 20 до 40 °С влияние температуры снижается.
2. Исследовали изменения физических показателей сточных вод свинокомплекса в процессе обработки: установили снижение влажности твердой фракции (%) с 98,0 до 91,2 и увеличение до 100 % влажности жидкой фракции; в твердой фракции процент зольности вырос с 20,0 до 42,9, соответственно содержание органического вещества и углерода снизилось.
3. Выявили снижение в обработанных сточных водах содержания общего и аммиачного азота, причем происходит его перераспределение по фракциям. Кроме того, в процессе обработки наблюдали снижение величины ХПК, но возрастание содержания нит-ритной и нитратной форм азота. Важно отметить, что в сточной жидкости, обработанной после предварительного замораживания, снижение содержания аммиачного, общего азота и ХПК идет активнее, а рост нитритов и нитратов замедляется; определили в обработанных сточных водах высокие содержания фосфора и калия. Полученные результаты позволят запроектировать очистные сооружения с различной производительностью.
4. С помощью биотестирования определили пригодность после реагентной обработки жидкой фракции бесподстилочного навоза для орошения сельскохозяйственных культур, а твердой - для удобрения при соответствующем разбавлении по азоту.
Таким образом, экотехнология реагентной обработки сточных вод свинокомплексов с использованием отхода производства ацетилена позволит эффективно решить задачи утилизации промышленных отходов и использования вторичных ресурсов.
Литература
1. Федорченко М.А., Суржко О.А. Эколого-экономическая оценка предотвращенных ущербов при сокращении добычи фосфорсодержащей руды // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. № 3.
2. Суржко О.А. Ресурсосбережение и экологическая безопасность при утилизации отходов животноводческих хозяйств. Ростов н/Д, 2003. С. 69-72.
3. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. М., 1974. С. 63-66.
4. Инструкция по проверке качества органических удобрений / Всесоюз. центр. ин-т агрохим. обслуживания сельского хозяйства. М., 1971. С. 14-18.
5. Дункан М., Кэрнкросс С. Руководство по безопасному
использованию сточных вод и экскрементов в сельском хозяйстве и аквакультуре. Женева, 1992.
6. Штыков В.И., Щевелев Я.З., Кошевой О.А. Подготовка и использование животноводческих стоков в нечерноземной зоне в современных условиях // Экологически безопасное использование сточных вод и животноводческих стоков в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр./ Алтайское хозрасчетное подразделение НПО «Прогресс». Барнаул, 1995. С. 23-40.
7. ГОСТ 13496.19-86. Корма растительные. Метод определения нитратов.
8. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для удобрения и орошения. М., 1997.
12 февраля 2003 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
