CC BY
36
УДК 547.458.82
П. Г. Черенков, М. А. Гладченко, А. Б. Лифшиц В. А.Петров, М. Р. Гибадуллин
ТЕХНОЛОГИЯ АЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ
СТОЧНЫХ ВОД ПОРОХОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ С ПОЛУЧЕНИЕМ
ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВОГРУНТОВ
Ключевые слова: сточные воды, органо-минеральные почвогрунты, нитратцеллюлозы.
Показана технология аэробной переработки нитратцеллбюлозосодержащих осадков сточных вод пороховых производств с получением органо-миниральных почвогрунтов.
Keywords: sewage, organo- mineral soils, nitrattsellyulozy.
Shown technology nitrattsellbyulozosoderzhaschih aerobic treatment of sewage sludge powder production to produce organic- miniralnoysoil.
Нитраты целлюлозы (НЦ), наиболее про-мышленно важные сложные эфиры целлюлозы [1]. Получение НЦ с различной степенью этерификации определяет их использование в качестве сырья при производстве различных изделий [2]. При этом промышленные отходы предприятий, производящих или использующих НЦ, представлены большим количеством сточных вод, содержащих НЦ в высоких концентрациях. В ходе седиментации взвешенные частицы НЦ накапливаются в огромных объемах в виде донных отложений и собираются в шламона-копителях или прудах-отстойниках [3-5]. Известно, что НЦ слабо подвергается разрушению в естественной среде, и, являясь нетоксичным материалом [6], в больших объемах приравнивается к веществам с выраженным мутагенным действием [7], поэтому разработка методов обезвреживания НЦ с использованием как новых, так и традиционных методов весьма актуальна. На сегодняшний день в литературе описаны различные физические, химические и биологические методы трансформации НЦ. Физико-химические методы, такие как мембранная фильтрация с применением коагулирующих агентов, химический гидролиз, сжигание [9, 10] являются достаточно дорогостоящими. А широко применяемые методы природного компостирования и захоронения отходов, в результате протекания биохимических процессов, вызываемых случайной, не специфической микрофлорой, не обеспечивают ферментативную активность, как самой нитроцеллюлозы, так и продуктов ее разложения [11].
В России в настоящее время в технологических водоемах аккумулированы сотни тысяч тонн НЦ. Она, попадая в водоемы в условиях средней климатической полосы России, в естественных условиях микроорганизмами и грибами разлагается крайне медленно. В результате ранее проведенных исследований были идентифицированы аэробные бактерии аборигенной микрофлоры донных отложений шламонакопителя Казанского порохового завода (ФКП «КГКПЗ») [5]. Среди идентифицированных представителей активного микробного сообщества были обнаружены микроорганизмы, участвующие в биодеструкции НЦ. Выделенные микроорганизмы
были устойчивы к высоким концентрациям НЦ и в составе активного консорциума очень перспективны в области аэробной ферментации промышленных стоков, содержащих НЦ [5]. Поэтому микробиологическая деградация
нитроцеллюлозосодержащего осадка сточных вод (НЦСОСВ) аэробными и/или анаэробным микроорганизмами накопительных культур, полученными из производственных очистных сооружений, представляется наиболее оптимальным методомутилизации отходов НЦ [4, 11-14].
Исследования по разработке технологии аэробной переработки нитроцеллюлозосодержащих осадков сточных вод пороховых производств с получением органо-минеральных почвогрунтов выполнены в рамках проекта «Ликвидация выбывших из эксплуатации производств пироксилиновых порохов и коллоксилинов на Федеральном казённом предприятии «Алексинский химический комбинат» (ФКП «АХК»), осуществляемому в рамках Федеральной Целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности РФ (2015-2020 г.г.)»
Целью работы было переработка и утилизация НЦСОСВ, накопленного за длительный период эксплуатации предприятия в технологических водоемах очистных сооружений. Процесс переработки НЦСОСВ включает в себя два основных этапа аэробной ферментации материала -жидкофазную и твердофазную. Конечным продуктом производства является органо-минеральный почвогрунт (ОМПГ),
предназначенный для рекультивации нарушенных земель. ОМПГ используется для внутренних нужд предприятия и не поступает на рынок для свободной продажи. ОМПГ расходуется на формирование растительного слоя в процессе технической рекультивации технологических водоемов ФКП «АХК».
Особенностью разработанной технологии является отсутствие капитальных сооружений для осуществления производственного процесса, проведение процесса предусматривается мобильными и передвижными установками различного функционального назначения.
Технология включает семь стадий, представленных на схеме.
1. Технологическая щепа является ключевым материалом в процессе реакторного компостирования НЦСОСВ. От ее размеров и влажности зависит эффективность аэробного разложения НЦ и органического вещества осадка в целом. Дробление цепы проводится в два этапа. Первый - нацелен на первичное разрушение исходного материала с получением относительно крупных фрагментов неправильной формы длиной от 100 до 1000 мм и более, диаметром менее 80 мм.
Для этих целей используется тяжелый шредер. Второй этап - нацелен на измельчение крупных фрагментов древесины до размеров частиц 5080мм, продиктованных жесткими требованиями поставщика основного оборудования - компанией ЕтгсвЫ. Для измельчения крупных фракций используется мобильная дробилка древесных отходов ЬЛ8К1Ь8 120Д/27/38/Т. Свежеразмолотая щепа характеризуется влажностью,
соответствующей свежесрубленной древесине с содержанием влаги 70-80%. Вместе с тем, жестким технологическим требованием для щепы, используемой в процессе реакторной обработки НЦСОСВ, является влажность не более 30%. В связи с этим, сушка щепы осуществляется за счет подачи подогретого воздуха в перфорированные трубы, уложенные в основании буртов. Воздух
перед подачей в массу щепы разогревается тепловыми пушками.
2. Интенсивное перемешивание массы НЦСОСВ проводится в объеме пруда-отстойника с целью его гомогенизации, равномерного распределения концентрации НЦ по всему водоему и выводу из анаэробного режима придонных отложений. Перемешивание проводится понтонными, плавающими экскаваторами, оборудованными специальным навесным инструментом. Регулярно, проводится измерение рН среды и принимается решение о целесообразности внесения извести. Технологическая операция повторяется многократно до момента достижения уровня рН=7-8.
3. Механическая аэрация НЦСОСВ, интенсифицируется, за счет использования дополнительных технических средств - грязевых мотопомп, осуществляющих отбор пульпы из пруда-отстойника, подъем ее на высоту до 2 метров над поверхностью воды и, затем, сброс мелко распыленной пульпы, обратно на водную поверхность. При этом происходит аэрация жидкости в непрерывной газовой фазе и поддержание концентраций растворенного кислорода в прудке на уровне насыщения при данной температуре. Для оценки содержания кислорода регулярно проводится измерение его концентраций. Для проведения твердофазной ферментации (компостирования) из прудка извлекаются порции НЦСОСВ понтонными плавающими экскаваторами и выгружаются на бетонную площадку, на которой материал выдерживается для первичного обезвоживания до уровня влажности - 80% до 70%.
4. Четвертая технологическая стадия вспомогательных работ предусматривает поставку стабилизированных донных отложений (ДО), обогащенных органическим веществом, из шламонакопителей на площадку компостирования. Осадок выдерживается на территории до достижения влажности 50%. На завершающем этапе технологического процесса производится смешение компоста со стабилизированными ДО в соотношении 1:1,5 по объему.
5. Цель реакторной переработки - быстрое разложение остаточного количества нитроцеллюлозы до безопасных следовых концентраций на уровне не более 5% по сухому веществу, и доведение влажности продукта до значений, не превышающих 50%. Рабочая смесь готовится путем перемешивания с помощью смесителя НЦСОСВ и технологической щепы. Доли внесения каждого вида материала, определяются исходя из фактической влажности, и составляет НЦСОСВ: щепа - 1:2 или 1:4. Готовая рабочая смесь укладывается в бурты на площадке компостирования, выдерживается в течение 10 дней, а при достижении температуры массы не ниже 35° в материал вносится в виде раствора энзимный препарат Св11ис1вап*С1сич1с*400Ь, в количестве 1 кг на 1 м3 рабочей смеси. Подача рабочей смеси на компостирование производится с помощью колесного погрузчика через верхний шлюз реактора ЕпугсвМС-
2000. Режим переработки материала термофильный - при температуре 52-54оС, обеспечивающий ускоренное разложение НЦ, принимается в качестве основного - штатного технологического режима. Выгрузка реакторов производится с помощью встроенного в контейнер шнека, который выталкивает компост непосредственно на бетонное основание производственной площадки.
6. Кондиционирование проводится с использованием барабанного грохота с ячейкой 25 мм. Компост загружается в барабанный грохот и в результате грохочения разделяется на два потока, включающих:
- подрешёточный продукт - материал с размером частиц менее 25мм, представляющий собой конечный продукт компостирования
- верхний продукт - материал с размером частиц более 25 мм, представляющий собой структурирующий материал - щепу.
Финальный этап производства почвогрунта предусматривает смешение кондиционированного компоста с донными отложениями в соотношении 1,5:1. Готовой партией считается масса почвогрунта 450м3, включающая в себя 270м3 компоста и 180м3 подсушенного осадка, не содержащего НЦ.
7. Приемка готовой партии почвогрунта осуществляется по группе показателей:
- кислотность -рН;
- массовая доля азота общего NО3 + NН4);
- массовая доля фосфора (Р2О5);
- массовая доля калия (К2О);
- валовое содержание тяжелых металлов: свинец, ртуть, кадмий, медь, цинк, никель, мышьяк;
- микробиологические и паразитологиче-ские показатели: бактерии группы кишечной палочки, энтерококки, патогенные микроорганизмы (в т.ч. сальмонеллы), яйца гельминтов;
- специальные испытания: влажность, содержание органических веществ, остаточное содержание нитроцеллюлозы, содержание древесной щепы в рекультиванте.
Выводы
1. Выполненные исследования показали, что максимальная эффективность удаления НЦ достигается при последовательном проведении жидкофазной и твердофазной обработки осадка с использованием ферментного препарата.
2. В процессе проведения технологической обработки материала необходимо контролировать ряд таких ключевых параметров среды как рН, содержание кислорода и /или расход воздуха, температура, содержание биогенных элементов.
Литература
1. Гиндич В.И. Производство нитратов целлюлозы, технология и оборудование. М.: Педагогика, 1984. С. 271
2. Коваленко В.И., Сопин В.Ф., Храпковский В.М. Структурно-кинетические особенности получения и термодеструкции нитратов целлюлозы. М.: Наука, 2005. С. 213
3. Cheng C.T.Y., Peng R.Y., Haile S.M., Chen Y., Chen M., Jhang D. and Fan H. // Sustain. Environ. Res., 2013. V.23. №1, P.33.
4. Barreto-Rodrigues M., Souza J.V., Silva E.S., Silva F.T., Paiva T.C. // J. Hazard Mater. 2009. V.161. P.1569.
5. Зиганшина Э.Э., Багманова А.Р., Агзамов Р.З., Девя-тияров Р.М. //Студ. науч. журнал «Грани науки». 2014. Т.2. №1. С.59.
6. Wang L. K., Wang M. H., Ciccone V. J. et al. // Effluent and Water Treat. 1982. V. 22. №6. P. 222.
7. Ильинская О. Н. Дис. ... канд. биол. наук. Каз. гос. унт. К., 1987.
8. Alexander М. Biodegradation and bioremediation. Academic Press, San Diego. 1994. P. 302.
9. Wendt Т. M., Kaplan A. M. // J. Pollut. Countr. Fed. 1976. V.48. № l. P. 660
10. Wang L.K., Pressman M., Shuster W. W. et al. // Can. J. Chem. Eng. 1982. V. 60. № 1. P. 116.
11. Петрова О. Е. Дис. ... канд. биол. наук. Каз. гос. ун- т. К., 2004.
12. El-Diwani G., El-Ibiari N.N., Hawash S.I. // J. Hazard Mater. 2009. V.167. P.830.
13. Freedman D.L., Cashwell J.M., Kim B.J. // Waste Management. 2002. V.22. P. 283.
14. Исакова Е.П., Свиридов А.Ф., Балоян Б.М. Способ биологической очистки сточных вод, содержащих нитроцеллюлозу: Патент РФ 2026830. // 1995.
© П. Г. Черенков, исполнительный директор ФКП «Алексинский химический комбинат», htvms@kstu.ru; М. А. Гладченко, канд. хим. наук, доц. каф. химической энзимологии, химический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова, htvms@kstu.ru; А. Б. Лифшиц, канд. хим. наук, доц. той же кафедры; В. А. Петров, д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, ptrv@kstu.ru; М. Р. Гибадуллин, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, gibadullin@kstu.ru.
© P. G. Cherenkov, executive director of «Aleksin Chemical Combine», htvms@kstu.ru; M. A. Gladchenko, Ph.D. , assistant professor of chemical enzymology, chemistry faculty of Moscow State University, htvms@kstu.ru; A. B. Lifshitz, PhD, assistant professor of chemical enzymology, chemistry faculty of Moscow State University; V. A. Petrov, PhD, dean of the faculty of energy- materials and products , professor of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, ptrv@kstu.ru; M. R. Gibadullin, Ph.D. , assistant professor of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, gibadullin@kstu.ru.
