Домашенко Юлия Евгеньевна ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ГИДРОСМЫВА СВИНОВОДЧЕСКИХ

На правах рукописи
Домашенко Юлия Евгеньевна
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ГИДРОСМЫВА СВИНОВОДЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОСФОГИПСА
(на примере ООО «Аксайская Нива», Ростовской области)
Специальность: 03.00.16 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2009
2
Работа выполнена на кафедре «Инженерная экология и защита окружающей среды» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Суржко Олег Арсеньевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ясьян Юрий Павлович
доктор химических наук, профессор
Александрова Эльвира Александровна
Ведущая организация: Новочеркасская государственная мелиоративная
академия (НГМА), кафедра химии и прикладной
экологии.
Защита состоится 24 декабря в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г Краснодар, ул.Красная, 135, ауд. 94.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного
технологического
университета
по
адресу:
350072,
г. Краснодар, ул. Московская 2А.
Автореферат разослан 24 ноября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук, доцент
Г.Г. Попова
3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Развитие промышленного животноводства столкнулось с проблемой накопления жидкого навоза. По данным
Росстата за 2006 г., численность поголовья свиней в промышленных животноводческих предприятиях составила 7,3 млн. гол., соответственно количество жидких отходов – продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов (ГСК) составило 18,7 млн. т. в год. Несмотря на высокий агрохимический потенциал, утилизация продуктов ГСК в сельскохозяйственном
производстве сдерживается вследствие возможного вторичного загрязнения окружающей среды компонентами отхода. Изучение и реализация
природоохранных мероприятий, направленных на снижение антропогенного воздействия агропромышленного комплекса на окружающую среду,
проведена автором в рамках «Национального проекта развития АПК России».
Актуальным остается поиск путей снижения техногенного воздействия на окружающую среду отходов промышленного производства и использование их как ценных вторичных материальных ресурсов. В этой связи перспективны разработки бездеструктивных (по биогенным элементам)
технологий обработки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов
с последующей утилизацией их в сельскохозяйственном производстве, с
использованием реагентов, являющихся отходами производства, таких как
фосфогипс. Фосфогипс, как известно, нашел широкое применение в сельском хозяйстве, в качестве мелиоранта. Это указывает на возможность использовать его в технологии обработки продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств с последующим использованием продуктов фракционирования в сельскохозяйственном производстве в качестве комплексных органоминеральных удобрений.
Область исследований – прикладная экология – комплексная оценка влияния промышленных объектов на природные и искусственные экосистемы, разработка и совершенствование методов проектирования технических систем, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия на живую природу.
Объекты исследования – экосистемы почв, гидросферы, атмосферный воздух, продукты гидросмыва свиноводческих комплексов (на примере свиноводческого хозяйства ООО «Аксайская Нива» Ростовской области), фосфогипс – отход производства фосфорной кислоты и минеральных
удобрений.
Цель работы – экологическое совершенствование технологии обработки продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств с применением
фосфогипса при минимальном воздействии на природную среду.
4
Задачи исследований:
1. Установить оптимальные дозы подкисляющего реагента – фосфогипса; экспериментально определить степень дезодорации отходов после
реагентной подготовки и скорректировать размеры санитарно-защитной
зоны свиноводческих хозяйств;
2. Экологически усовершенствовать технологию обработки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов, определить технологические
параметры работы основных очистных сооружений при обработке ГСК
фосфогипсом с использованием программ для ПЭВМ; дать комплексную
экологическую оценку влияния получаемых продуктов фракционирования
на почвенную и водную биоты, высшие растения;
3. Провести эколого-экономическую оценку технологии обработки
продуктов ГСК с использованием в качестве реагентов отходов производства ортофосфорной кислоты и показать ее инвестиционную привлекательность; рассчитать снижение предотвращенного экологического ущерба
от загрязнения водных объектов, почв и атмосферы при использовании
продуктов ГСК на сельскохозяйственных полях орошения.
Научная новизна работы:
–теоретически и экологически обосновано использование фосфогипса в качестве подкисляющего реагента при обработке продуктов ГСК;
−экспериментально установлены оптимальные дозы подкисляющего
реагента, включающего фосфогипс, определены технологические параметры реагентной обработки продуктов ГСК;
– экологически усовершенствована технология обработки продуктов
гидросмыва свиноводческих хозяйств с применением фосфогипса; изучена
динамика изменения численности основных сапрофитных форм почвенных микроорганизмов при обработке продуктов ГСК фосфогипсом; проведена экотоксикологическая оценка получаемых фракций с помощью водной биоты и семян высших растений.
Практическая значимость работы:
– экологически усовершенствована технология обработки продуктов
гидросмыва свиноводческих хозяйств для использования в сельском хозяйстве; технология позволяет получить эффективное органоминеральное
удобрение и утилизировать отход производства ортофосфорной кислоты –
фосфогипс;
– снижена антропогенная нагрузка на атмосферный воздух за счет
дезодорации продуктов ГСК, при обработке их фосфогипсом и применением устройств по улавливанию загрязняющих веществ, что позволило сократить размеры санитарно-защитной зоны свиноводческих хозяйств в 2-3
раза;
5
– даны практические рекомендации производству по внедрению технологии обработки продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств и
применению органоминерального удобрения;
– разработаны компьютерные программы для расчета скорости сползания частиц с поверхности полок тонкослойного отстойника, для расчета
количества загрязняющих веществ, испаряющихся со свободной поверхности отстойника при заданном химическим составе продуктов ГСК и
устройства для их улавливания.
Техническая новизна способа подготовки продуктов ГСК к сельскохозяйственному использованию защищена 4 патентами РФ на способы
подготовки жидких отходов свиноводческих хозяйств к сельскохозяйственному использованию. Получены 2 авторских свидетельства РФ об
официальной регистрации программ для ПЭВМ. Результаты исследований
апробированы на действующем животноводческом предприятии ООО
«Аксайская Нива» Ростовской области.
Достоверность результатов научных исследований подтверждена
использованием апробированных современных химических, микробиологических, агрохимических и физико-химических методов анализа, с применением методов математического моделирования и статистической обработки данных.
На защиту автором выносятся:
– экспериментально установленные оптимальные параметры процесса реагентного фракционирования продуктов ГСК фосфогипсом;
– экологически усовершенствованная технология подготовки продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств с применением фосфогипса к
сельскохозяйственному использованию;
– закономерности роста микроорганизмов при внесении продуктов
ГСК в почвенную и водную экосистемы;
– эколого-экономическая оценка технологии обработки продуктов
гидросмыва свиноводческих хозяйств и расчет предотвращенного экологического ущерба от загрязнения водоемов, почв и атмосферы.
Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и
одобрены на X Всероссийской выставке научно – технического творчества
молодежи «Научно техническое творчество молодежи, путь к обществу
основанных на знаниях (НТТМ 2009)», г. Москва; на Международной выставке инновационных технологий «ИННОВ-2007»; на Международных
конференциях в г. Новочеркасске (2005 – 2008), г. Пензе (2007); в ДонГАУ, Ростовской области (2007 – 2008); на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры инженерной экологии и защиты окружающей
среды в ЮРГТУ (НПИ) (2005 – 2008).
6
Материалы по разработанной технологии были представлены на
Южной Венчурной Ярмарке (6-8 ноября 2008г.) в г. Ростов-на-Дону и отобраны в ЮРГТУ для участия в Федеральной целевой программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно–
технологического комплекса России на 2007–2012 годы», в программе
«Старт-05».
Работа выполнена в соответствии с научным направлением кафедры
инженерной экологии и защиты окружающей среды ЮРГТУ (НПИ) по
госбюджетной теме № 012.0001.0024 – «Разработка теоретических основ и
высокоэффективных технологий охраны окружающей среды»
Публикации. Материалам диссертации изложены в 21 печатной работе, в том числе 5 статей, включая 2 работы в изданиях, рекомендованных
ВАК РФ, материалов Международных конференций – 10, получены 4 патента на изобретение РФ и 2 авторских свидетельства РФ об официальной
регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
пяти глав и выводов. Работа изложена на 191 страницах машинописного
текста, включает 35 таблиц, 39 рисунков и 3 приложения. Список литературы представлен 221 источниками, из которых 5 – иностранных авторов.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1 Оценка применения фосфогипса в процессе фракционирования
продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов
Одним из наиболее актуальных способов утилизации продуктов ГСК
является использование их на сельскохозяйственных полях в качестве органических удобрений. Альтернативным способом подготовки продуктов
ГСК является реагентное фракционирование с использованием кальцийсодержащего коагулянта (до pH 9,5-11.5) и нейтрализующего реагента (до pH
6,5-8,5). Применение такой технологии, не приводящей к деструкции органических веществ, позволяет получить ценное органоминеральное удобрение. В работах различных авторов в качестве подкисляющего реагента
предлагалось использовать минеральное удобрение – суперфосфат
(О.А. Суржко, 2003, М.А. Федорченко, 2004). На основании анализа научной литературы и проведенных автором экспериментальных исследований
установлена возможность замены суперфосфата на отход производства ортофосфорной кислоты – фосфогипс при минимальном воздействии на
окружающую среду.
7
Фосфогипс является многотоннажным отходом производства концентрированных простых и сложных удобрений, относящийся к IV классу
опасности (СП 2.1.7.1386 – 03). Фосфор, входящий в состав фосфогипса,
способен связывать тяжелые металлы в прочные труднорастворимые комплексы и фиксировать их в состоянии, недоступном для поглощения растениями, что благоприятно сказывается на их росте (Т. Д. Ешету, 2009).
Наибольшее значение в реакциях органоминерального взаимодействия фосфогипса и продуктов ГСК имеют карбоксильные и фенольные
группы. В результате реакции с ионами металла образуются соли (гуматы)
или комплексные соединения, которые, по Стевенсону, могут в кислой
среде проходить по следующей схеме:
СОО
COO-
2+
+ Me
ГК
ГК
Me ( H2O) + H+
О
OH
а при увеличении pH образуются соединения типа:
COO
ГК
OH
Me
(H2O)n-1
O
Устойчивость образующихся соединений различна. При pH ниже 5
гуматы Ca2+, Sr2+, Mg2+, Mn2+ практически не разрушаются. При pH 7 величины констант устойчивости для этих гуматов составляют 5–6, а при pH 11
увеличиваются до 8–9. Устойчивость соединений гуминовых кислот с
Cu2+, Ni2+, Fe2+, Cd2+, Zn2+ имеет промежуточное значение. Например, для
соединений гуминовых кислот с Fe2+ константа устойчивости в кислой
среде (pH 3) составляет 11, но при подщелачивании устойчивость понижается и при pH 9 соединение разрушается.
Внесенные в продукты ГСК ионы кальция более активны и находятся в избытке, поэтому они способны конкурировать с ионами стронция в
химических реакциях, протекающих в почвенных растворах, тем самым,
препятствуя проникновению ионов стронция в растения (С.В. Свергузова,
2008).
Установлено (Д.В. Ладонин, 1997, В.Г. Минеева, 2001), что при обработке продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств реагентом на основе фосфогипса присутствующие в них органические соединения будут
способствовать более полному усвоению фосфора микроорганизмами, тем
самым повышая плодородие почв.
8
Анализ качественных (химических и физических) характеристик
фосфогипса, который проводился с целью оценки экологически безопасного использования его для фракционирования продуктов ГСК, позволил
рекомендовать фосфогипс для применения в технологии обработки отходов свиноводческих хозяйств. Дальнейшие экспериментальные исследования направлены на установление оптимальных параметров процесса фракционирования продуктов ГСК с использованием фосфогипса и оценки
экологической безопасности усовершенствованной технологии.
2.2 Методики экспериментальных исследований
Исследования выполнены в лабораторных и промышленных условиях по методикам, рекомендованным Госстроем РФ и АМН РАН. Лабораторные исследования проб жидких отходов и атмосферного воздуха выполнены в лаборатории промышленной экологии и микробиологии
ЮРГТУ (НПИ), аккредитованной эколого-аналитической лабораторией
ФГНУ «РосНИИП» (ЮжНИИГиМ).
Реагентная обработка продуктов ГСК проводилась в диапазоне температур 5–30 ºС. Реактивы, используемые для выполнения анализов, имели
марки «ХЧ» и «ЧДА».
Химический метод использовался при определении взвешенных веществ. Физико-химические методы применяли при определении величины
pH и количества нитритных и нитратных форм азота, фосфора по стандартным методикам. Содержание загрязняющих веществ – диоксида серы
(SO2), диоксида азота (NO2), метилмеркаптана, сероводорода (H2S) определяли по методике РД 52. 04. 186 – 89. Калий, натрий, стронций определяли
физическим методом атомно-абсорбционной пламенной фотометрии.
Для биологического исследования продуктов ГСК применяли метод
биотестирования, в качестве тест-объектов использовали простейшие вида
Tetraichumena pyryiformis и Paramecium caudatum. Для диагностики токсического воздействия на микронаселения почв исследуемых продуктов
ГСК, обработанных фосфогипсом, использовали метод посева на твердые
питательные среды. Помимо того, проводили экотоксикологическую оценку по прорастанию семян высших растений редиса сорта “Розово–красный
круглый с белым кончиком” согласно СанПиН 2.1.7. 573 – 96.
Характеристику почвы определяли стандартными методами. Гигроскопическую влажность, содержание гумуса – по Тюрину, pHвод – по ГОСТ
26423-85, карбонаты–по Кудрину, гранулометрический состав–по Качинскому.
Объектом исследований является лугово–черноземная почва со следующими характеристиками: pH 8,5, плотностью–2,65 г/дм3, с содержанием гумуса в пределах 5%, карбонатов–1,5 моль/100 г почвы, количество
9
почвенных частиц на глубине 0-0,3 мм с размерами <0,01 составили 30% и
<0,001 – 70%.
Расчет рассеивания газовых выбросов от накопителя свиноводческих
комплексов выполнен с помощью универсальной программы УПРЗА
«Эколог – 3.0», которая реализует методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОПД – 86), Госкомгидромета.
Исследование процесса обработки продуктов ГСК новым реагентом
на основе фосфогипса проводили в лабораторных условиях путем реализации дробной (1/4) реплики полного факторного эксперимента типа 2 6, использовали стандартные методы математической и статистической обработки данных.
При расчете устройства – бортового отсоса, улавливающего загрязняющие вещества, используется разработанная авторами программа для
ПЭВМ, выполненная в среде MathCad 2001.
Таким образом, используемые методики позволили достичь наиболее полной точности и достоверности при получении результатов экспериментальных исследований.
2.3 Определение экспериментальных закономерностей
реагентного фракционирования продуктов гидросмыва
свиноводческих комплексов
Разделение коллоидной системы продуктов ГСК достигается путем
обработки их известковым молоком до pH 9,5-11,5 (рис. 1), с последующей
нейтрализацией суспензией фосфогипса до нормируемых значений pH 6,58,5. Процесс растворения реагентов в продуктах ГСК происходит при интенсивном перемешивании в течение 3-5 минут и при температуре среды
t=20ºС. При использовании суспензии фосфогипса для нейтрализации продуктов ГСК с pH 11,5 до 6,5 требовались высокие дозы реагента (от 35 до
52 г/дм3 по активному P2O5), что не позволяло использовать разрабатываемый реагент в технологии обработки продуктов ГСК. По–видимому, это
связано с высоким содержанием инертного вещества в фосфогипсе, в
частности, количество действующего вещества (P2O5) не превышает 1 % в
его составе.
Дальнейшие исследования направлены на установление оптимальной дозы фосфогипса при использовании его в качестве подкисляющего
реагента при фракционировании продуктов ГСК. По результатам многочисленных экспериментальных исследований найдено, что при внесении в
суспензию фосфогипса ортофосфорной кислоты в соотношении по объему
10
500:1 возможно значительное снижение дозы подкисляющего реагента
(рис. 2), что можно объяснить повышением содержания активного P2O5 до
30 мг/дм3.
pH 13
12
11
10
9
8
7
0
1
2
3
1
2
3
5
4
Доза известкового молока, г/дм3
10,0%
8,5%
pH 12
11
10
9
8
7
60
6,0%
2
4
6
8
10
5
4
3
2
121
14
Доза фосфогипса и ортофосфорной
кислоты, г/дм3
6% 7% 8% 9% 10%
Рисунок 2– Зависимость pH от дозы смеси суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты при содержании взвешенных веществ в продуктах ГСК свиноводческих хозяйств: 1-6,0%; 2- 7,0%;
3-8,0%; 4 – 9,0%; 5 – 10,0%.
Рисунок 1 – Экспериментальные зависимости рН от дозы известкового молока при различном содержании взвешенных веществ в продуктах ГСК: 110,0%; 2- 8,5%; 3-6,0%
Э,% 100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
1 - 6,0%
40
60
80
t,мин
2 - 8,5%
100
120
3 - 10,0%
Рисунок 3 – Зависимость эффективности отстаивания (Э) продуктов ГСК от времени
при различном содержании взвешенных веществ:1-6,0%; 2- 8,5 %; 3-10%;
Из рисунка 3 видно, что при обработке продуктов ГСК предлагаемыми реагентами время разделения составляет 40 – 60 мин, тогда как в ти-
11
повых отстойных сооружениях оно достигает 2 часов (СНиП 2.04.03–85*).
Ускорение процесса разделения позволит уменьшить объем отстойников,
что значительно снизит капитальные затраты на строительство сооружений.
Особый интерес для экологической оценки усовершенствованной
технологии представляет исследование влияния фосфогипса при разделении продуктов ГСК на изменение физико-химических свойств получаемых
фракций.
При обработке продуктов ГСК использовали фосфогипса с содержанием P2O5, мг/дм3: в жидкой фракции – 680; в осадке – 140, во взболтанной пробе–824,7 мг/дм3. Полученные результаты фракционирования продуктов ГСК показали, что, в сравнении с ранее описанными видами обработки, в жидкой фракции наблюдается сохранение и даже увеличение
P2O5 до 730 мг/дм3, твердой – до 920 мг/дм3, что свидетельствует о повышении их агрохимической ценности как органоминеральных удобрений.
Результаты определений изменения pH, влажности, зольности, содержания органического вещества и углерода, а также концентрации общего, аммиачного, нитритного и нитратного азота, общего фосфора, общего калия и соотношение основных биогенных компонентов приведены в
таблице 1.
Таблица 1
Результаты исследований физико-химических показателей и содержания биогенных элементов в исходных продуктах гидросмыва и после их двух стадийной обработки реагентами
Показатели
Продукты ГСК
Жидкая фаза после
Твердая фаза подо обработки
обработки Ca(OH)2 и
сле обработки
подкисляющим реаCa(OH)2 и подкисгентом
ляющим реагентом
pH
7,2
6,5
6,6
Влажность, %
94,5
100,00
86,4
Зольность, %
30,7
50,2
Органическое
веще68,2
49,5
ство, %
Углерод, %
32,7
25,4
Азот, мг/дм3
общий
578
254
306
NH4+
467
151
219
NO20
20
19
NO323
12
51
3
P2O5, мг/дм
680
730
920
K2 O, мг/дм3
600
115
485
N:P:K
1:1,26:0,85
1:2,9:0,45
1:3:1,6
12
В результате экспериментальных исследований степени дезодорации
атмосферного воздуха при обработке продуктов ГСК с использованием
фосфогипса, установлено снижение концентраций метилмеркаптана с 45
до 3,9 мг/дм3, диоксида серы–с 42 до 0,25 мг/дм3. По-видимому, это связано, с гибелью бактерий аммонифицирующих белок (V. desulfuricans), и
бактерий аммонифицирующих мочевину (V. desulfuricans), восстанавливающих сульфаты до H2S (Tn. Denitrificans), переводящих нитраты в аммиак и азот, а также Cl. Pasterianum, вызывающих масляно-кислое брожение, обуславливающих зловонный запах и химическими реакциями, протекающими между загрязняющими веществами и вносимыми реагентами
при фракционировании продуктов ГСК.
Полученные результаты позволили выполнить расчет рассеивания
газовых выбросов от отстойника на примере свиноводческого комплекса
ООО “Аксайская Нива ”, г. Аксая, Ростовской области с помощью универсальной программы УПРЗА «Эколог – 3.0», на основании которых была
скорректирована санитарно–защитная зона с 3380 до 1650м.
Статистическую обработку результатов лабораторных экспериментов проводили с использованием методов наименьших квадратов. Исследования механизма получения органоминерального удобрения из продуктов ГСК, обработанных известковым молоком и фосфогипсом, проводили
в лабораторных условиях путем реализации полного факторного эксперимента типа 24. Факторами, определяющими процесс, были приняты: X1 –
доза известкового молока (Ди, г/дм3); X2–доза смеси суспензии фосфогипса
и ортофосфорной кислоты (Дф, г/дм3); X3 – время контакта продуктов ГСК
со смесью фосфогипса и ортофосфорной кислоты ( tф, мин.); X4 – температура обрабатываемых продуктов ГСК (tс, ºС). Параметрами оптимизации
являлись: Э – эффект разделения на жидкую и твердую фракцию, % (Y1);
Тотс. – время отстаивания, час (Y2); Cф1 – концентрация оксида фосфора в
жидкой фракции после обработки продуктов ГСК, мг/дм3 (Y3); Сф2 – концентрация оксида фосфора в твердой фракции после обработки продуктов
ГСК, мг/дм3 (Y4). По результатам статистической обработки выведены следующие уравнения регрессии: Э = 0,82375 + 0,12375·Ди + 0,20875· tс –
0,09625·Ди·tф + 0,105·Дф ·tф – 0,11375·tф · tс; Тотс = 1,309375 – 0,22813·Дф +
0,153125 tс – 0,17823·Ди ·tф + 0,176125·Дф ·tф – 0,17813·tф tс ; Сф1 = 502,6125
+ 134,7125·Дф – 100,675·Ди·tф – 64,7625·Ди· tс + 74,1·Дф·tф + 73,9625·Дф tс;
Сф2 = 716,7125 + 182,6·Ди + 169,2625·Дф + 92,5625 tс – 114,625·Ди·tф +
115,6725·Дф ·tф – 119,588·tф tс
Анализ уравнений регрессии эффекта разделения продуктов ГСК на
жидкую и твердую фракции показал, что наиболее значимыми факторами
являются дозы фосфогипса и известкового молока.
13
Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют рекомендовать разработанный и апробированный в лабораторных
условиях эффективный подкисляющий реагент – смесь суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты для технологии обработки продуктов ГСК
с последующей утилизацией их в сельском хозяйстве.
2.4 Экологическое совершенствование ресурсосберегающей
технологии обработки продуктов гидросмыва свиноводческих
комплексов и оценка экотоксикологической безопасности
получаемых продуктов
На основании проведенных экспериментальных исследований рекомендуется применять в технологии утилизации продуктов ГСК в качестве
подкисляющего реагента смесь суспензии фосфогипса и ортофосфорной
кислоты (500:1). Для интенсификации процесса разделения предлагается
использовать тонкослойный отстойник – сгуститель. Зависимость химических и физических характеристик продуктов ГСК от различных факторов
потребовала уточнить скорость сползания частиц с тонкослойного элемента. Поэтому разработана компьютерная программа для расчета скорости
сползания на базе известной математической модели в среде
MathCad 2001.
Для снижения количества загрязняющих веществ с поверхности накопителя свиноводческих комплексов рекомендуется установить бортовые
отсосы, которые частично будут улавливать загрязняющие соединения,
испаряющиеся с поверхности накопителя, при условии дальнейшей их
очистки в зернистых фильтрах.
Рекомендуемая технологическая схема обработки продуктов ГСК актуальна для свиноводческих хозяйств как с малой производительностью до
10 тыс. голов, так с высокой производительностью от 15 тыс. голов и более
(рис. 4).
По предложенной схеме продукты ГСК, образующиеся на территории свиноводческого хозяйства, самотеком поступают в приемный резервуар. После чего с помощью насоса–измельчителя жидкие отходы поступают на смесители, где происходит поэтапное смешивание с реагентами. В
качестве первого реагента используется известковое молоко, второго реагента смесь суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты. Получаемая
смесь подается на отстойник, включающий блок тонкослойного отстаивания и сгущения осадка. Твердая фаза перекачивается на центрифугу и далее на лопастную сушилку и в цех фасовки и упаковки. Жидкая фаза в количестве 10% от общего расхода возвращается на смесители в целях эко-
14
номия свежей воды и реагентов. Остальная часть после разбавления свежей водой поступает на поля орошения.
15
Рисунок 4 - технологическая схема обработки продуктов ГСК
16
Экспериментальным путем (СП. 2.1.7.1386 – 03) установлено, что
осадок, полученный при фракционировании продуктов ГСК с использованием фосфогипса, относится к IV классу опасности (табл. 2).
Таблица 2
Определение класса опасности по химическим компонентам
органоминерального удобрения
Элементы
удобрения
Концентрация
элементов,
мг/кг
Wi , элемента
Pb
Cd
Ni
Zn
Sr
Co
Fe
Mn
Cu
Ki
1,54
0,10
4,2
67,5
2,23
1,0
1800,0
101,0
5,7
41,6
4,0
1,0
1,0
63,0
171,0
7,0
1117,0
3,0
16,0
число инфузорий, n
В результате лабораторных исследований влияния продуктов фракционирования отходов свиноводческих хозяйств на простейшие вида
Paramecium caudatum и Tetrachymena pyryformis, установлено, что количество тест–культур возросло по сравнению с контролем в 4–5 раз. При разбавлении твердой фракции чистой водой в соотношении 1/2 наблюдали
значительное увеличение численности микроорганизмов. Графическая зависимость изменения численности инфузорий в твердой фазе продуктов
ГСК отражена на рисунке 5.
160
140
120
100
80
60
40
2
1
20
3
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160
t,мин
1
2
3
Рисунок 5- Изменение численности инфузорий в твердой фазе продуктов ГСК с pH
1 – 6,5; 2–7,5, 3 – водопроводная вода, обработанная фосфогипсом в течение определенного промежутка времени
Из рисунка 5 следует, что продукты фракционирования не оказывают экотоксикологического влияния на водную биоту.
Специфические свойства жидких отходов свиноводческих комплексов, обработанных фосфогипсом при их утилизации на сельскохозяйствен-
17
Число микроорганизмов в 1 г почвы, n·107
ных полях орошения, вызвали необходимость более глубоких исследований, направленных на изучение динамики роста и развития следующих
форм почвенных микроорганизмов: гетеротрофов, актиномицетов, микроскопических грибов и фосфор редуцирующих бактерий (рис. 6, рис.7) .
До обработки численность микроорганизмов в почвенном образце
составила: микроскопические грибы–5,5∙106; гетеротрофы–7,1∙105; актиномицеты – 1,3∙106; фосфор редуцирующие бактерии– 9,3∙105.
Экспериментальные исследования динамики роста микроорганизмов
под воздействием продуктов ГСК проводились в течение 100 суток. Максимальное значение численности микроорганизмов наблюдалось на 40–50
сутки. По результатам наблюдения установлено, что наиболее благоприятные условия для развития микроорганизмов были созданы при внесении в
почву продуктов фракционирования с pH 6,5. Так, численность микроскопических грибов при обработке твердой фазой составила 9·108,, жидкой
фазой–8,5·108, гетеротрофов, соответственно, 9,3·108 и 7·108; актиномицетов–9,1·108 и 7,3·108, фосфор редуцирующих бактерий–8,9·108 и 5,3·108.
Полученные результаты исследований влияния продуктов фракционирования ГСК на почвенные микроорганизмы показывают, что и жидкая и твердая фаза улучшают биологические свойства почвы.
100
90
70
60
50
40
30
20
10
0 pH 6,5
pH 7,5
pH 8,5
pH 9,5
микроскопические грибы
гетеротрофы
актиномицеты
фосфор редуцирующие бактерии
Рисунок 6–Изменения численности экологических групп микроорганизмов при обработке почвы твердой фазой продуктов ГСК при различных значениях pH
Число микроорганизмов в 1 г почвы, n·107
18
90
80
70
60
50
40
30
20
100
pH 6,5 pH 7,5 pH 8,5
pH 9,5
микроскопические грибы
гетеротрофы
актиномицеты
фосфор редуцирующие бактерии
Рисунок 7–Изменения численности экологических групп микроорганизмов при обработке почвы жидкой фазой продуктов ГСК при различных значениях pH
Дополнительные экотоксикологические исследования высших растений на примере редиса сорта “Розово–красный круглый с белым кончиком” (Raphanus sativus var. Radical) показали, что наиболее благотворное
влияние на рост и развитие оказывает жидкая фракция продуктов ГСК при
разбавлении чистой водой в соотношении 3:2 и твердая–в соотношении
4:1. Твердую фракцию рекомендуется вносить в почву без разбавления с
учетом её агрохимических характеристик.
Таким образом, на основании проведенных экотоксикологических исследований установлено, что продукты фракционирования ГСК не оказывают ингибирующего действия на почвенную, водную биоты и высшие растения. Такой вывод позволяет рекомендовать их к использованию в качестве органоминеральных удобрений в сельском хозяйстве при выращивании
кормовых культур. Полезные свойства минеральных веществ органоминерального удобрения усиливаются органической составляющей, поэтому его
использование позволит значительно повысить плодородие почв, увеличить
урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.
2.5 Эколого-экономическая оценка усовершенствованной технологии
использования продуктов ГСК и фосфогипса
Эколого-экономическая оценка направлена на определение техникоэкономической эффективности предлагаемых технологических решений и
предотвращенных ущербов окружающей среде в результате реализации
разработанной технологии.
19
Определение экономической эффективности технологии обработки
продуктов ГСК проводили для хозяйства ООО”Аксайская-Нива”, Ростовской области производительностью 5,0 тыс. голов и расходом жидких отходов 500 м3/сут. Расчеты проводили в ценах 2006 года.
Проведенные результаты расчета сводных затрат при подготовке
продуктов ГСК к утилизации показали, что затраты на реагенты в случае
использования суспензии суперфосфата составили 86 % (рис. 8) от общей
суммы эксплуатационных затрат, тогда как применение суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты сократило их до 65 % (рис. 9).
1
2%
2
5%
1
4%
3 4
4% 3%
2
13%
3
10%
5
86%
Рисунок 8–Сводные затраты при обработке продуктов ГСК с использованием суперфосфата: 1–
затраты на электроэнергию; 2 – расходы на заработную плату; 3 – затраты на амортизацию;, 4 –
цеховые расходы; 5 – затраты на реагенты.
5
65%
4
8%
Рисунок 9–Сводные затраты при обработке продуктов
ГСК с использованием реагента на основе фосфогипса:1–затраты на электроэнергию; 2 – расходы на заработную плату; 3 – затраты на амортизацию; 4 – цеховые расходы; 5 – затраты на реагенты.
Такое значительное снижение эксплутационных затрат можно объяснить использованием в качестве подкисляющего реагента дешевого отхода производства вместо дорогостоящего минерального удобрения – суперфосфата. При этом экономия на реагентах составит 21 млн. руб в год и
себестоимость подготовки 1 м3 жидких отходов свиноводческих комплексов с использованием фосфогипса снизится до 72,5 руб., тогда как в случае
с суперфосфатом эта цифра составила 184 руб.
При определении предотвращенных экономических ущербов учитывалось, что в результате реализации усовершенствованной технологии
продукты фракционирования полностью утилизировались в сельскохозяйственном производстве, поэтому риск загрязнения поверхностных водотоков отсутствовал. Таким образом, при использовании в обработке продуктов ГСК как суперфосфата, так и фосфогипса, значения предотвращенных
ущербов водным ресурсам одинаковы и составили 2858,8 тыс. руб.
Применение в обработке продуктов ГСК фосфогипса позволило
уменьшить выбросы загрязняющих веществ в среднем на 80-95 % и получить предотвращенный ущерб в размере 11670,8 тыс. руб.
20
Размеры предотвращенного ущерба от загрязнения земель при использовании фосфогипса (в количестве 2 млн. т в год) при фракционировании продуктов ГСК составят 32,6 млн. руб, при утилизации продуктов
ГСК (в количестве 150 тыс. м3 в год) в сельскохозяйственном производстве
–14,7 млн. руб..
Таким образом, при реализации разработанной технологии с использованием фосфогипса суммарный предотвращенный ущерб окружающей
среде составит 47,2 млн. руб.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Подготовку продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов
рекомендуется проводить с использованием известкового молока до pH
9,5–11,5 с последующим подкислением смесью суспензией фосфогипса и
ортофосфорной кислоты (500:1) до pH 6,5 – 8,5.
2. На примере потребности озимой пшеницы в отдельных биогенных
компонентах в зависимости от стадии развития рекомендуется вносить полученное органоминеральное удобрение под вспашку – 261 м3/га (N80), при
посеве – 65 м3/га (N20), при ранневесенней подкормке – 147 м3/га. Жидкую
фазу после фракционирования продуктов ГСК при предварительном разбавлении чистой водой в соотношении 1:2 рекомендуется использовать
для орошения сельскохозяйственных культур.
3. При использовании реагентной подготовки на свиноводческих хозяйствах рекомендуется сократить размеры санитарно – защитной зоны в
2–3 раза.
ВЫВОДЫ
1. Теоретически и экологически обосновано использование фосфогипса в качестве подкисляющего реагента при фракционировании продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов, расчетным путем установлено, что фосфогипс является отходом IV класса опасности.
2. Экспериментально установлены технологически оптимальные дозы подкисляющего реагента, включающего суспензию фосфогипса и ортофосфорную кислоту в соотношении 500:1 (по объёму)
3. Экологически усовершенствована технология обработки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов за счет использования в качестве подкисляющего реагента отхода производства ортофосфорной кислоты – фосфогипса. Предложены и защищены патентами технические решения, позволяющие интенсифицировать процесс отстаивания и устройства
по улавливанию загрязняющих веществ, испаряющихся с поверхности сооружений, которые дают возможность значительно сократить санитарно защитную зону.
21
4. Проведенная комплексная экологическая оценка продуктов фракционирования жидких отходов свиноводческих комплексов на почвенную
и водную биоты, высшие растения подтверждает отсутствие их экотоксикологического воздействия на окружающую природную среду. Наиболее
благоприятные условия для развития микроорганизмов были созданы при
внесении в почву продуктов фракционирования с pH 6,5. Численность
микроскопических грибов при внесении в почву твердой фазы составила
9108,, жидкой фазы – 8,5108, гетеротрофов, соответственно, 9,3108 и
7108; актиномицетов – 9,1108 и 7,3108, фосфор редуцирующих бактерий – 8,9108 и 5,3108, что свидетельствует об улучшении биологических
свойств почвы.
5. Результаты исследований физико-химических показателей продуктов фракционирования позволили рекомендовать жидкую фракцию
продуктов ГСК для орошения, а твердую – в качестве органоминерального
удобрения и отнести его к IV классу опасности.
6. Экспериментальные исследования изменения концентраций загрязняющих веществ, испаряющихся с поверхности накопителя, показали,
что в результате реализации усовершенствованной технологии обработки
ГСК наблюдается снижение количества метилмеркаптана, сероводорода,
диоксида серы и аммиака в среднем на 85–95 %. Для снижения количества
загрязняющих веществ также разработаны устройства по их улавливанию – бортовые отсосы.
7. Эколого-экономическая оценка технологии утилизации продуктов
ГСК показала, что она является эффективней аналогов за счет снижения
затрат на реагенты в размере 21,1 млн. руб. при увеличении суммарной величины предотвращенного ущерба на 47,6 млн. руб.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО
В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и
изданиях, определенных ВАК России
1. Домашенко, Ю.Е. Снижение негативного воздействия продуктов гидросмыва свиноводческих хозяйств на природные экосистемы / Ю.Е. Домашенко//
Экология и промышленность России. – 2009. - №10 – С.44 – 45.
2. Домашенко, Ю.Е. Экологически безопасная подготовка к утилизации
высококонцентрированных органосодержащих сточных вод / О.А. Суржко,
Ю.Е. Домашенко//Безопасность жизнедеятельности.–2007.–№10.–C. 44-46.
Отраслевые издания и материалы конференции
3. Домашенко, Ю.Е. Интегральная экономическая оценка предотвращённых экологических ущербов при сокращении добычи фосфорсодержащей руды
22
/О.А. Суржко, М.Ф. Рогачёва, Ю.Е. Домашенко // Проблемы геологии, полезных
ископаемых и рационального недропользования : Материалы IV междунар.
науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 ноября 2005 г./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т
(НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. – С. 59-62.
4. Домашенко Ю.Е. Исследование влияния отходов производства на
очистку сточных вод свиноводческих хозяйств/ Ю.Е. Домашенко, О.А. Суржко //
Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.–2006. –Прил. № 13: Проблемы строительства и архитектуры. Ч.2.–С. 71-74.
5. Домашенко Ю.Е. Подготовка бесподстилочного навоза свиноводческих
хозяйств к сельскохозяйственному использованию/ Ю.Е. Домашенко,
О.А. Суржко : Науч.-практ. конф. посвящ. 10 летию агроэкологескому образованию на Дону // Актуальные проблемы экологии в сельскхоз. производстве. – г.
Новочеркасск: ДГАУ. –2006.
6. Домашенко, Ю.Е. Исследования влияния фосфогипса на фракционирование высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод/ Ю.Е. Домашенко, О.А. Суржко // Мат. 56-й науч.-техн. конф. профессор.-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов.–Новочеркасск: “Оникс+”.–
2007. С. 132-134.
7. Домашенко, Ю.Е. Математическое моделирование процессов реагентной обработки высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод/
Ю.Е. Домашенко, П.В. Калинин, О.А. Суржко// Комп. технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: мат. VIII Междунар. науч.прак. Конф., г. Новочеркасск, 16 ноября 2007 г. – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ),
2007.–С. 92-95.
8. Домашенко, Ю.Е. Математическое моделирование процессов фракционирования высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод /
Ю.Е. Домашенко, П.В. Калинин, О.А. Суржко// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион.
Техн. науки.–2007. –Спец. вып.–С. 59-62.
9. Домашенко, Ю.Е. Повышение активности коагулянта при нейтрализации высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод/ О.А. Суржко,
Ю.Е. Домашенко.: Материалы XI Междунар. науч. чтений МАНЭБ и междунар.
науч.-метод. конф. по безопасности жизнедеятельности, посвящ. 100-летию Новоч. политех. ин-та, г. Новочеркасск, 24-26 мая 2007 г. – С. 326-328.
10. Домашенко, Ю.Е. Биотестирование высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод после реагентной обработки с помощью инфузорий/ Ю.Е. Домашенко, Л.П. Сергиенко, О.А. Суржко// Актуальные проблемы
экологии сельскохозяйственного производства: материалы всерос. науч.-практ.
конф., 20-21 ноября 2007 г. пос. Персиановский: ДонГАУ. – 2007. - C. 53-55.
11. Домашенко, Ю.Е. Ресурсо-экологические аспекты снижения воздействия на природную среду животноводческих отходов / Ю.Е. Домашенко,
О.А. Суржко // Окружающая среда и здоровье: сб.статей IV Всерос. науч.-практ.
конф.− Пенза, 2007.–С. 74-76.
12. Домашенко, Ю.Е. Повышение активности коагулянта при нейтрализации высококонцентрированных органо-содержащих сточных вод/ Ю.Е. Домашенко, О.А. Суржко // Окружающая среда и здоровье: сб. статей IV всерос.
науч.-практ. конф.− Пенза, 2007.–С. 213-215.
23
13. Домашенко, Ю.Е. Эколого-техническое обоснование применения фосфогипса в процессах фракционирования высококонцентрированных органосодержащих сточных вод/Ю.Е. Домашенко, О.А. Суржко //Изв. вузов. Сев.-Кавк.
регион. Естест. Науки.–2008. –Спец выпуск.– С. 113 -115.
14. Домашенко, Ю.Е. Оценка воздействия продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов на экосистемы почв/ Ю.Е. Домашенко// Инновационные
подходы в решении экологических проблем сельскохозяйственных производств:
Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., 3-4 декабря 2008г. пос. Персиановский: ДонГАУ. – 2008. - С. 60 -62 .
15. Домашенко, Ю.Е. Усовершенствованная технология обработки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов с использованием фосфогипса/
Ю.Е. Домашенко, О.А.Суржко// I междунар. науч. – практич. конф. «НТТМ –
2009», г. Москва, МГСУ – 2009.
Патенты
16. Пат. 2312819 Заявка №2006135597/12 (038755) от 9.10.2006г. Способ
подготовки сточных вод свиноводческих комплексов и ферм для сельскохозяйственного использования/ Суржко О.А., Моисеенко Н.Г., Домашенко Ю.Е –.
Опубл. 20.12.2007г
17. Пат. 2321551. Заявка №2006135592/15 (038750) от 14.08.2006г. Способ
подготовки сточных вод свиноводческих комплексов и ферм для сельскохозяйственного использования/ Суржко О.А., Моисеенко Н.Г., Домашенко Ю.Е –
Опубл. 10.04.2008г.
18. Пат. 2323917. Заявка №2006135597 от 9.10.2006г. Способ подготовки
сточных вод свиноводческих комплексов и ферм для сельскохозяйственного использования/ Суржко О.А., Моисеенко Н.Г., Домашенко Ю.Е – Опубл.
10.05.2008г.
19. Расчет тонкослойного отстойника с контактной камерой (Отстойник):
пат. 2008614694/ Ю.Е. Домашенко, П.В. Калинин, О.А. Суржко–№ 2008613578;
заяв. 31.07.08; зарег. в реестре программ для ЭВМ 30.09.2008.
20. Расчет бортового отсоса в зависимости от количества вредных веществ
испаряющихся с поверхности сточной воды (Отсос): пат. 2008614695/Ю.Е. Домашенко, П.В. Калинин, О.А. Суржко - № 2008613579; заяв. 31.07.08; зарег. в
реестре программ для ЭВМ 30.09.2008.
21. Решение о выдаче патента на изобретение №2008122872/15(027529) от
06.06.2008 г. Способ подготовки животноводческих сточных вод для сельскохозяйственного использования/ Домашенко Ю.Е., Дорошко В.Н.
24
Домашенко Юлия Евгеньевна
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ГИДРОСМЫВА СВИНОВОДЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОСФОГИПСА
(на примере ООО «Аксайская Нива», Ростовской области)
Автореферат
Подписано в печать .19.11.2009.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,43. Тираж 100 экз. Заказ 674
_________________________________________________________________
Отпечатано в Издательстве ЮРГТУ (НПИ)
346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132
25