CC BY
23Лесовик В. С., член-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф., Свергузова Ж. А., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДА САХАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ - САТУРАЦИОННОГО ОСАДКА
pe@intbel.ru
Статья посвящена вопросу вторичного использования твердого кальцийсодержащего отхода сахарной промышленности. Представлены результаты исследований свойств отхода, данные о процессе получения на его основе сорбента для очистки многокомпонентных сточных вод, и результаты производственных испытаний. В целом, исследования показывают, что использование твердого кальцийсодержащего отхода сахарной промышленности для очистки сточных вод является перспективным.
Ключевые слова: очистка сточных вод, сорбент, утилизация отходов, сахарная промышленность, вторичное использование отходов
Природным ресурсам и окружающей среде Белгородской области присущи, в той или иной мере, многие признаки современного глобального экологического кризиса [1]. Окружающая природная среда испытывает все возрастающее воздействие хозяйственной деятельности, антропогенных, техногенных и других факторов. Появляются искусственные формы рельефа, распахиваются склоновые земли, нарушается среда обитания многих зверей, птиц, насекомых, сокращается их численность и видовой состав, уменьшаются запасы лекарственных растений.
Размещаясь в центре европейской территории России, Белгородская область испытывает значительные антропогенные и техногенные нагрузки вследствие: наиболее полной освоенности территории, развитой горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, строительного комплекса, густой сети автомобильного, железнодорожного и трубопроводного транспорта, большого количества передвижных средств, большой плотности населения (55 чел/км2), а также очень развитого сельскохозяйственного и сахарного производства.
В области расположены 9 предприятий сахарного производства: ООО «Краснояружский сахарник», ОАО «Дмитротарановский сахарник», ОАО «Ракитянский сахарный завод», ОАО «Ника», ОАО «Валуйский сахарный завод» и др. (рис. 1), а также 2 крупных горнообогатительных комбината (Лебединский и Стойленский), 4 рудника (2 подземных - «КМАруда» и «Яко-влевский» и 2 открытых карьера Лебединского и Стойленского ГОКов), 3 обогатительные фабрики, около 90 карьеров общераспространенных полезных ископаемых, 2 цементных завода, 10 крупных комбинатов ЖБК и СМ, сотни средних и мелких предприятий. Все эти предприятия в той или иной мере являются источниками загрязнения окружающей природной среды.
Отходы сахарных заводов, безусловно, можно отнести к одним из крупнотоннажных. Количество образующегося сатурационного осадка составляет 10-12% от массы перерабатываемой свеклы. Каждый завод перерабатывает в год до 1 млн. тонн свеклы. Всего в Белгородской области в настоящее время при работе 9 сахарных заводов в год образуется около 2 млн. т сатурационного осадка (дефеката).
Предприятия ежедневно сталкиваются с проблемой утилизации этих крупнотоннажных отходов, что вызвало необходимость разработки всевозможных способов применения дефеката в народном хозяйстве.
Поскольку в своем составе дефекат имеет ряд питательных веществ, были разработаны схемы внесения его в почву в качестве удобрений. Доказано увеличение эффективности удобрений при использовании их совместно с органическими и минеральными удобрениями [2], внесение известковых (дефекат) компонентов заметно улучшает состав гумуса [3 ].
Многими авторами предложено использовать образующийся дефекат для подщелачива-ния почв [4-8]. Химические показатели состава положительно характеризуют дефекат в качестве мелиоранта, однако для полной и объемлющей информации необходимо учитывать и другие составляющие.
В отходах некоторых предприятий содержание РЬ, Со, N1, и 2п превышает допустимые нормы в 1-3 раза. В дефекате ряда сахарных заводов превышение ПДК по 2п составило от 1,1 до 1,8 раз, N1- от 1,4 до 7,0 раз, РЬ - от 1,1 до 3,3 раза. Эти результаты показывают, что при использовании дефеката в качестве мелиоранта в каждом конкретном случае должна быть полная информация о всех ингредиентах как в дефека-те, так и в почвах во избежание негативных последствий [9].
Приемка сахарной свеклы
Хранение свеклы
Подана свеклы в завод
Мойка свеклы
Получение свекловичной стружки и диффузионного сока
Рис. 1. Места расположения сахарных заводов в Белгородской области
Предложено также использовать дефекат в качестве добавки при производстве строительного кирпича. Введение дефеката в керамическую массу, содержащую 60-85% кальцита, позволяет получить кирпич улучшенных теплотехнических характеристик, за счет того, что при обжиге образуются силикаты кальция, натрия и других соединений, что позволяет получить пористое изделие с сохранением прочности [10].
Несмотря на широкое развитие темы утилизации дефеката, на сегодняшний день только небольшая его часть используется для минерализации почв, большая же часть вывозится в отвалы на поля фильтрации. В ходе хранения образующегося ежегодно на предприятиях де-феката происходит загрязнение атмосферы такими газами как И28, КИ3, меркаптанами, проникновение загрязняющих веществ в водоносные горизонты [11].
Дефекат при производстве сахара образуется на стадии сатурации (рис. 2).
В основном он состоит из СаСО3 (до 75%), некоторого количества сахара, адсорбированных органических веществ, несахаров, которые в процессе обработки соков образуют с кальцием нерастворимые соединения или адсорбируются на поверхности СаСО3 [11].
Очистка диффузионного сока
Прессование стружки
Сатурация
Дефекат
Сульфитация *
Сгущение сока выпариванием
Сушка, охлаждение и хранение сахара
Рис. 2. Принципиальная схема производства сахара из сахарной свеклы Физические свойства сатурационного осадка (СО) представлены в табл. 1, его ситовой анализ в табл. 2.
Таблица 1
Физико-химические свойства исходного СО
Цвет Истинная плотность, кг/м3 Насыпная плотность, кг/м3 Электропроводность водн. вытяжки, Ом-1 м-1 рН водн. вытяжки
Коричневый 2320 1240 0,080 8,8
Таблица 2
Ситовой анализ СО
Фракция, мм >2 2 1,4 1 0,63 0,31 0,25 0,2 0,14 0,1 0,08 0,6 0,5
Масс. доля СО, % - 2,2 4 8,1 12,7 19,6 20,2 15,5 7,6 5,1 2,5 2,5 -
Из таблиц видно, что исходный СО обладает мелкодисперсной структурой, что позволяет избежать стадии измельчения сырья при обработке СО, и слабощелочной реакцией водной вытяжки.
Минеральный состав исходного СО по результатам рентгенофазового анализа представлен в основном СаСО3, о чем свидетельствует наличие соответствующих пиков d(А) = 3.875; 3.048; 2.505; 2.290; 1.922; 1.881; фиксируются примеси SiO2 d(A) = 3.389 и глинистых минералов d(A) = 10.464; 7.081; 6.281. При термической
обработке дефеката происходит неполное сгорание органических веществ, образуется чистый углерод (сажа), частицы которого осаждаются на поверхности СаСО3 (рис. 3). При этом происходит разложение кальциевых солей органических кислот с образованием СаО, о чем свидетельствует повышение рН водных вытяжек СО, обработанного при различных температурах. Следует отметить, что по структуре углерод, осевший на поверхности частиц СаСО3, близок к структуре активированного угля марки КАД (рис. 3, в, г).
Рис. З.РФА исходного СО (я), термообработанного (б), активированного угля марки КАД (е), угля, смытого с поверхности ТД (г). Обозначения: — СаС03 (кальцит); □ — §Ю2; О — СаО; 4 — С.
Нами предложено использовать сатураци-онный осадок для очистки многокомпонентных сточных вод, содержащих жиры, нефтепродукты, тяжелые металлы, красители и др. загрязняющие вещества. Для придания сатурационному осадку свойств сорбента исходный осадок подвергали термической обработке. При этом возможно разложение органических соединений по схеме:
СxНуОz ^ хС + у/2 Н2О
кроме того, может протекать частичное разложение СаСО3:
t
СаСО3 ^ СаО + СО2, а также происходит разложение кальциевых солей органических кислот.
Возможны и следующие реакции:
С+ / О2 ^ СО;
СxНуОz + О2
хСО + у/2 Н2О
В таблице 3 представлены данные об изменении окраски сатурационного осадка в процессе его термической обработки в диапазоне от 500 до 700°С.
Таблица 3
Изменение окраски сатурационного осадка
Температура обжига, °С Цвет порошка
500 коричневый
530 коричневый
560 темно-серый
580 черный
600 черный
620 черный
650 темно-серый
680 темно-серый
710 светло-серый
Изменение окраски сатурационного осадка от коричневой до черной свидетельствует о про-
280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
текании процесса обугливания органических веществ; а дальнейший процесс снижения интенсивности окраски можно объяснить протеканием процесса разложения СаСО3 до СаО и СО2 и сгоранием углерода. Наибольшая интенсивность черной окраски наблюдалась при температуре обжига 600 °С. Дальнейшее повышение температуры обжига нецелесообразно, поскольку происходит выгорание углеродного слоя. Таким образом, в результате термообработки дефеката был получен тонкодисперсный порошок, на поверхности частиц которого содержались продукты различной степени обугливания органических веществ.
Исследования сорбционных свойств термически модифицированного сатурационого осадка (ТСО) проводили на примере красителей «оранжевый R» (OR) и «метиленовый голубой» (МГ), (рис. 4, 5).
45 42 39 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0
12
18
24
30
36
42
12
18
24
30
Рис. 4. Кривые адсорбции и десорбции красителя OR
Рис. 5. Кривые адсорбции и десорбции красителя МГ
На представленных выше рисунках видно, что кривая десорбции находится в непосредственной близости от оси О-Х, что характеризует низкую концентрацию ионов красителей OR и МГ в растворе, смытых с поверхности ТСО.
Это свидетельствует о сильном взаимодействии ионов красителей с поверхностью ТСО, поэтому данный вид сорбционного взаимодействия классифицируется, как химическая адсорбция. Химическая адсорбция обусловлена возникновение химических связей между сорбентом и сорбатом, в отличие от физической, обусловленной наличием физического взимо-действия.
С целью апробации результатов, полученных на модельных сточных водах, были проведены испытания в лабораториях следующих очистных сооружений: ОАО «Волоконовский МКК» пгт. Волоконовка и МУП «Горводока-нал», г. Алексеевка. (табл. 4,5)
Для исследования эффективности очистки на ОАО «Волоконовский МКК» отбирали сточные воды, поступающие после предприятия на поля фильтрации, к которым затем добавлялся модифицированные дефекат в количестве 30 г/л. Смесь перемешивалась в течение 30 минут при температуре 20 °С., затем фильтровалась через фильтр «белая лента». В очищенной воде определяли концентрации загрязняющих веществ.
0
6
0
6
Таблица 4
Результаты производственных испытаний на ОАО «Волоконовский МКК»
№ Ингредиенты Концентрация, мг/л Эффективность очистки, %
До очистки После очистки
1 Взвешенные вещества 162,16 16,216 92,3
2 Сухой остаток 1636,25 163,26 91,5
3 Сульфаты 130,00 21,58 83,4
4 Фосфаты 14,01 2,07 85,2
5 ХПК 282,61 98,10 65,3
6 БПКполн 172,71 65,70 61,5
7 Железо общее 0,82 0,36 56
8 СПАВ анионактивные 0,069 0,027 60,2
9 Нефтепродукты 1,60 0,105 93,4
10 Жиры 25,75 2,781 89,2
Таблица 5
Результаты производственных испытаний на МУП «Горводоканал» г. Алексеевка_
Добавка Ингредиенты Ед. измере- До очистки После очист- Эффективность
дефеката, г/л ния ки очистки, %
10 Жиры мг/л 9,51 6,30 33,75
10 Нефтепродукты мг/л 2,78 1,90 31,65
10 ХПК мгО/л 408,55 295,2 27,74
10 рН 6,8 6,95 -
10 Сульфаты мг/л 121,34 102,3 19,04
10 Фосфаты мг/л 11,75 9,68 17,62
20 Жиры мг/л 9,51 4,8 49,5
20 Нефтепродукты мг/л 2,78 1,4 49,6
20 ХПК мгО/л 408,55 242,3 40,7
20 рН 6,8 7,2 -
20 Сульфаты мг/л 121,34 93,4 23,3
20 Фосфаты мг/л 11,75 5,3 54,9
30 Жиры мг/л 9,51 3,2 66,4
30 Нефтепродукты мг/л 2,78 0,92 66,9
30 ХПК мгО/л 408,55 181,4 55,6
30 рН 6,8 7,5 -
30 Сульфаты мг/л 121,34 75,10 38,1
30 Фосфаты мг/л 11,75 4,95 57,9
Исследование эффективности очистки на МУП «Горводоканал» проводили на сточных водах, поступающих на очистные сооружения. В серии экспериментов исходное рН воды - 6,8 температура 19°С, время перемешивания - 10 мин, отстаивания - 30 мин. Как показали результаты исследований, при добавлении к сточной воде ТСО в количестве от 10 до 30 г/л эффективность очистки от жиров возрастает от 33,75 до 66,4%. Кроме того, при добавке дефе-ката 3 г/л достигается эффективность очистки по сульфатам 38,1% .по фосфатам - 57,9, достигается снижение ХПК на 55,6%, что свидетельствует о его способности очищать стоки от многих компонентов. Небольшое повышение рН от 6,8 до 7,5 при добавлении к сточной воде дефе-ката происходит вследствие растворения незначительного количества СаО, образовавшегося
при термической обработке дефеката при разложении кальциевых солей органических кислот.
Как показали результаты исследований, термически обработанный сатурационный осадок по многим характеристикам сопоставим с промышленными сорбентами. Полученный сорбент обладает высокой сорбционной емкостью с сильным взаимодействием с молекулами красителей, что является одним из показателей эффективности сорбента. Результаты производственных испытаний свидетельствуют о полифункциональных свойствах термически модифицированного сатурационного осадка, что следует из высоких показателей эффективности очистки по всем исследуемым ингредиентам. Это можно объяснить возможностью протекания процесса очистки параллельно по несколь-
ким механизмам: сорбционному, коагуляцион-ному, реагентному. Возможность протекания очистки по перечисленным механизмам вытекает из химического состава обожженного сатурационного осадка и его физико-химических свойств. Так, высокая дисперсность частиц и присутствие углерода обуславливают сорбцион-ные свойства, а присутствие СаО- наличие свойств коагулянта и реагента.
В целом, результаты исследований показывают, что использование сатурационного осадка для очистки сточных вод является перспективным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Доклад «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2008 году.» - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. - 467 с.
2. Богатых, О.А. Изменение урожайности озимой пшеницы и плодородия чернозема обыкновенного в зависимости от антропогенных факторов // Автореф. дис. канд. с/х наук, специальность 06.01.04. - агрохимия, Каменная Степь - 2007 г., 25 с.
3. Донских, И.Н. Влияние длительного применения различных систем удобрения на групповой и фракционный состав гумуса в выщелоченном черноземе / Мазин Н.Г., Авад Раед Авад, Рахимгалиева С.Ж., Батырханова Н.Ш. // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана, 2007, № 4 - с.21-23.
4. Моргачева, Н.Н. Агроэкологическое обоснование методов определения норм удобрений под озимую рожь в условиях лесостепи ЦЧЗ // Автореф. дис. канд. с/х наук, специальность 06.01.04. - агрохимия, Воронеж 2008 г., 24 с.
5. Моргачева, Н.Н. Влияние разных норм удобрений на урожай и качество зерна озимой
ржи в условиях лесостепи ЦЧЗ / Н.Г. Мязин, Р.Д. Копцева, Н.Н. Моргачева // Агроэкологиче-ские проблемы в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. (в 2 частях). - Воронеж, 2005. - С. 73-76.
6. Курносова, Е.В. Изменение агромелиоративного состояния чернозема выщелоченного под действием дефеката и органических удобрений в условиях лесостепного Поволжья / дис. канд. с/х наук, специальность 06.01.02. - Пенза, 2005 г., 219 с.
7. Воронин, А.А. Динамика ферментативной активности чернозема обыкновенного в условиях полевого стационарного опыта Федерального полигона «Каменная степь» / Н.А. Протасова, Н.С. Беспалова // Вестник ВГУ. - Воронеж, 2006. - №2. - С. 18-25.
8. Прокопчук, I.B. Автореф. дис. канд. с.-г. наук: 06.01.04 / Ефектившсть вапнування чорно-зему отдзоленного Правобережного Люостепу Украши за тривалого застосування добрив у по-льовш с1возмш1 // Нац. наук. центр «1н-т грунто-знав. та агрох1ми ¡м. О.Н. Соколовського». - Х., 2003. - 19 с.
9. Джувеликян, Х.А. Экологическое состояние природных антропогенных ландшафтов центрального Черноземья / Автореф. дис. д-ра биол. наук по специальности 03.00.16 - экология, Петрозаводск - 2007 г. 50 с.
10. Свергузова Ж.А. Дефекат в очистке сточных вод / Ж.А. Свергузова // Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов: сборник научиных статей Международной научно-практической конференции / Щелкино (Украина), 5-9 июня 2006 г. - Харьков: Райдер. - Т.1. -С. 374-376.
11. Наумов, А.Л. Эффективность использования бентонита и дефеката сахарного производства в составе премикса при выращивании телят: дис. канд. с/х наук: 06.02.02 Пенза, 2003. - 121 с.
