автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Разработка технологии утилизации жидких отходов целлюлозно-бумажной промышленности

Список сокращений

Введение

Раздел 1. Обзор научно-технической и патентной литературы по утилиза- 11 ции сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности

1.1. Работы, посвященные источникам образования жидких отходов 11 целлюлозно-бумажной промышленности и их воздействию на окружающую среду

1.2. Работы, посвященные методам удаления органических загрязне- 15 ний из жидких отходов производства целлюлозно-бумажной промышленности

1.2.1 Общая характеристика методов обработки жидких отходов

1.2.2 Аэробная обработка жидких отходов в искусственных системах

1.2.3 Анаэробные биологические методы обработки жидких отходов 20 производства

1.2.4 Оборудование для обработки жидких отходов производства цел- 23 люлозно-бумажной промышленности

1.2.4.1 Оборудование для аэробной обработки жидких отходов

1.2.4.2 Оборудование для анаэробной обработки жидких отходов 24 1.3 Выводы по разделу 1 30 Раздел 2. Теоретическое обоснование применения анаэробной технологии 32 для утилизации жидких отходов целлюлозно-бумажной промышленности

2.1 Химизм процессов, лежащих в основе анаэробной конверсии ор- 32 ганических веществ

2.2 Факторы, влияющие на процесс анаэробной обработки жидких 39 отходов производства

2.3 Представления о механизмах и причинах токсичности сточных 44 вод целлюлозно-бумажной промышленности по отношению к анаэробным микроорганизмам

2.4 Основные технологические понятия и принципы анаэробной тех- 50 нологии

2.5 Эксплуатационные и технико-экономические аспекты

2.6 Выводы по разделу

Раздел 3. Методическая часть

3.1 Характеристика объектов исследования

3.1.1 Источники образования и характеристика утилизируемых жидких отходов целлюлозно-бумажного производства (субстрата)

3.1.2. Основные характеристики анаэробного активного ила 61 (инокулята)

3.2 Методы исследования

3.2.1 Анализы,измерения, расчеты

3.2.2 Методики определения характеристик объектов исследования ме- 66 тодом биотестирования

3.2.2.1 Методика определения удельной метаногенной активности ана- 66 эробного ила

3.2.2.1 Методика определения биоразлагаемости субстрата

3.2.2.1 Методика определения токсичности субстрата по отношению к 69 анаэробным микроорганизмам

3.2.3 Методики проведения экспериментальных исследований в про- 71 точном режиме и технологический контроль

3.2.3.1 Методика проведения лабораторного эксперимента по анаэроб- 71 ной обработке жидких отходов производства

3.2.3.2 Методика проведения пилотного эксперимента по анаэробной 73 обработке жидких отходов производства

3.3 Аппаратура

3.3.1 Описание установки для биотестирования

3.3.2 Описание лабораторной экспериментальной установки

3.3.3 Описание пилотной установки для анаэробной обработки жидких 77 отходов производства

Раздел 4. Экспериментальная часть

4.1. Эксперименты по определению анаэробной биоразлагаемости и ток- 81 сичности субстратов методом биотестирования

4.1.1 Результаты определения анаэробной токсичности субстратов

4.1.2 Результаты определения анаэробной биоразлагаемости субстратов

4.2. Лабораторный эксперимент по анаэробной обработке избыточных 84 оборотных вод производства ХТММ

4.2.1 Технологическая схема лабораторной установки

4.2.2 Проведение лабораторного эксперимента

4.3. Полупромышленный эксперимент по анаэробной обработке из- 91 быточных оборотных вод производства ХТММ

4.3.1 Технологическая схема анаэробной полупромышленной установ- 92 ки

4.3.2 Проведение полупромышленного эксперимента

4.3.2.1 Полупромышленный эксперимент с использованием диспергиро- 94 ванного активного ила

4.3.2.2 Полупромышленный эксперимент с использованием гранулиро- 100 ванного активного ила

4.4 Выводы по разделу

Раздел 5. Практическое применение полученных результатов

5.1 Разработка технологического регламента

5.2 Разработка программы расчета технико-экономических показате- 110 лей анаэробной промышленной установки

5.2.1 Заданные параметры

5.2.2 Расчет параметров анаэробного реактора

5.2.3 Расчет капитальных и эксплутационных затрат на оборудование

5.2.4 Теоретический расчет ожидаемого экономического эффекта от 113 внедрения анаэробной технологии в производственных условиях

5.3 Выводы по разделу

Актуальность проблемы. Развитие производства волокнистых полуфабрикатов в мировой целлюлозно-бумажной промышленности непрерывно увеличивается. При этом в технологические процессы вовлекаются все большие объемы природных ресурсов, в первую очередь древесного сырья и свежей воды. Даже при современных технологиях часть продуктов переработки древесины попадает в окружающую среду, нарушая экологическое равновесие. Между тем в составе жидких отходов содержится ряд органических компонентов, которые могут быть утилизированы с пользой для экономики отрасли и для окружающей среды.

В экономике предприятий ЦБП все большую роль играет плата за сброс жидких и размещение твердых отходов, а также затраты на очистку сбросов и выбросов, повышающие себестоимость продукции.

Поэтому особо важное значение для отрасли приобретают разработки интенсивных энерго- и ресурсосберегающих технологий, позволяющим производству отвечать требованиям охраны окружающей среды без роста эксплуатационных расходов и дополнительного потребления энергии.

На сегодняшний день наиболее распространенным методом удаления органических веществ из сточных вод традиционная аэробная очистка сточных вод на общезаводских сооружениях в аэротенках, биофильтрах и биопрудах. Однако, этот метод имеет ряд недостатков: большие затраты энергии на аэрацию, необходимость утилизации большого количества избыточного активного ила (биомассы микроорганизмов), что ведет к росту себестоимости продукции. Все это обуславливает необходимость поиска новых технологических и конструкторских решений в области очистки органозагрязненных сточных вод.

В последние годы за рубежом быстрыми темпами развивается применение анаэробной обработки жидких и твердых отходов, содержащих органические вещества. Такая технология позволяет уменьшить энергозатраты и площади сооружений биологической очистки. Кроме того, локальные установки анаэробной обработки технологических потоков сточных вод позволяют утилизировать высококонцентрированные, то есть сильнозагрязненные (по органическим веществам) жидкие отходы без разбавления их свежей водой или сточными водами других производств. Увеличение концентрации сточных вод в последнее время обусловлено тем, что с введением и ростом платы за водопользование предприятия вынуждены сокращать водопотребление и частично замыкать водооборот. Таким образом, с ростом стоимости ресурсов и платы за сброс жидких и твердых отходов эффективность применения интенсивных анаэробных технологий возрастает.

Все вышесказанное подтверждает, что решение технических проблем, связанных с применением анаэробной технологии в ЦБП, является весьма актуальным. Работа посвящена вопросам рационального использования воды в целлюлозно-бумажном производстве, изучению качественных показателей оборотных и сточных вод, разработке методов их локальной очистки и утилизации осадков.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка технологии утилизации жидких отходов ЦБП (на примере оборотной воды производства ХТММ) путем конверсии присутствующих в них органических соединений в биогаз.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие основные задачи: исследовать состав загрязнений технологических потоков производств ОАО «Сыктывкарский лесопромышленный комплекс»: производства химико-термомеханической массы (ХТММ), гидролизно-дрожжевого производства (ГДП); выделить потоки, наиболее перспективные для локальной анаэробной обработки; исследовать в лабораторных условиях эффективность процесса анаэробной обработки выбранных локальных потоков; сравнить эффективность конверсии органического вещества в биогаз и степень удаления органических загрязнений; разработать технологическую схему и приемы, позволяющие осуществлять утилизацию высококонцентрированных сточных вод производств Сыктывкарского лесопромышленного комплекса; отработать режимы на полупромышленной установке в анаэробных реакторах различной конструкции и определить их максимальную производительность; идентифицировать проблемы, возникающие при масштабировании процесса от лабораторного к полупромышленному, и разработать меры по их преодолению; подготовить данные для проектирования промышленной установки анаэробной обработки технологического потока производства химико-термомеханической массы; рассчитать ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной схемы утилизации жидких отходов в производственных условиях.

Научная новизна работы

Впервые на опыте эксплуатации полупромышленной установки показана возможность удаления органических загрязнений оборотной воды производства химико-термомеханической массы в анаэробных реакторах различных типов: контактном, биофильтре и реакторе иАБВ.

Впервые исследованы анаэробная биоразлагаемость и анаэробная токсичность высококонцентрированных локальных технологических потоков ОАО «Сыктывкарский лесопромышленный комплекс»: оборотной воды производства химико-термомеханической массы, сточной воды гидролизно-дрожжевого производства, грязного выпарного конденсата.

Впервые показана возможность применения для иммобилизации биомассы в пилотном анаэробном реакторе-биофильтре носителей отечественного производства.

Установлено, что для анаэробной обработки оборотной воды производства ХТММ двухстадийная анаэробная система с предварительным усреднением сточных вод более эффективна, чем одностадийная.

Практическая значимость

Предложены и внедрены в полупромышленном масштабе конструктивно-технологические решения анаэробной системы обработки избыточных оборотных вод производства ХТММ.

Разработана программа для расчета технологических и экономических показателей установки анаэробной утилизации сточных вод.

Разработаны и переданы на ОАО «Сыктывкарский лесопромышленный комплекс» технологические схемы и расчеты промышленной установки анаэробной утилизации избыточных оборотных вод производства лиственной химико-термомеханической массы производительностью 67,5 тыс.т древесной массы в год. Экономический расчет свидетельствует о том, что внедрение разработанной технологии позволит сократить выбросы органических загрязнений по БПК на 2 т/сут, твердых отходов на 1 т/сут, а также в случае утилизации биогаза позволит получать дополнительно 800 кВтч/сут энергии.

Автор защищает результаты исследований процесса анаэробной обработки высококонцентрированных сточных вод ЦБП в лабораторных и полупромышленных условиях.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы были доложены на международной конференции EERO «Methanogenesis for sustainable environmental protection» (St.Petersburg, 1996); Третьем Международном конгрессе ECWATECH-98 «Вода: Экология и технология» (Москва, 1998); III Всеросийском Совещании «Лесохимия и органический синтез» (Сыктывкар, 1998); Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в лесном комплексе» (Сыктывкар, 2000).

Основные результаты работы опубликованы в виде 5 статей и 5 тезисов докладов.

4.4. Выводы по разделу 4.

В целом полупромышленные испытания показали несомненное преимущество использования для анаэробной очистки гранулированной биомассы и реактора типа иАБВ - как по технологическим параметрам, так и в плане технической эксплуатации.

Максимально достигнутая НОВ составила около 10 г ХПК/м3/сут с достаточно высокой эффективностью удаления ХПК - около 50%. Таким образом, ключевую роль в стабильности и эффективности работы установки играет конструкция реактора и качество исходного ила.

Производительность технологической системы, функционирующей в мезо-фильном режиме по двухстадийной схеме с реактором ЦАБВ на второй стадии, составила около 50% по удалению ХПК и БПК, степень конверсии органических загрязнений в биогаз - 0,2-0,3 мЗ/кг удаляемого ХПК. При этом наблюдалось снижение эффективности процесса конверсии ХПК по мере уменьшения ГВУ и увеличения НОВ.

При промышленном масштабировании технологии анаэробной обработки оборотной воды производства ХТММ необходимо учесть следующие факты:

Поскольку субстрат имеет достаточно высокую анаэробную токсичность, требуется время на адаптацию биомассы к стоку, то есть довольно длительный пусковой период.

Стадия усреднения поступающего стока является обязательной как для пилотной, так и для промышленнной установки, так как изменения органической нагрузки (как снижение, так и увеличение) приводят к резкому ухудшению показателей работы установки.

При больших нагрузках для предотвращения накопления в метановом реакторе ЛЖК и сульфид-ионов процесс целесообразно вести в две ступени путем введения в схему дополнительного реактора-преацидификатора, что позволяет оптимизировать разные фазы брожения и процесс в целом. Для этого необходимо поддерживать рН на 1 ступени ниже 6,5, что оптимально для ацидогенов и сульфатредукторов, но не метаногенов. В этом случае при нейтрализации стока на второй ступени метаноге-ны окажутся в менее жесткой конкуренции с сульфатредукторами за субстрат и в меньшей степени будут ингибированы сероводородом, что позволит интенсифицировать наиболее медленную, метановую стадию брожения.

Восстановление основных показателей работы системы после значительного, но кратковременного изменения условий (повышении рН) происходит полностью и достаточно быстро, однако восстановления МА до первоначальной величины не происходит.

109

Низкая концентрация ХПК в оборотной воде ХТММ во время эксперимента (2 Хкг/м3) не позволила достичь НОВ более 10 кг ХПК/м3/сут, из-за ограничений по гидравлическому режиму (при концентрации ХПК 2 г/л и минимальном ВГУ 5 час максимальная НОВ составит 9 кг/м3/сут).

РАЗДЕЛ 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Разработка технологического регламента

На основе результатов исследований был разработан технологический регламент пилотной (полупромышленной) установки для обработки избыточных оборотных вод производства химико-термомеханической массы ОАО СЛПК.

Регламент включает следующие разделы:

Характеристика производства ХТММ и источники образования жидких отходов

Характеристика жидких отходов производства ХТММ

Общая характеристика процесса анаэробной обработки жидких отходов и влияние на него различных факторов

Обоснование технологической схемы анаэробной обработки избыточных оборотных вод ХТММ

Технологическая схема пилотной установки анаэробной очистки избыточных оборотных вод производства ХТММ

Спецификация основного оборудования

Контроль технологического процесса

Основные правила безопасности

1. Полностью технологический регламент приведен в приложении 2.

2. Разработка программы расчета технико-экономических показателей анаэробной промышленной установки

3. Ниже приводится пример расчетов для промышленной анаэробной установки для оборотной воды хвойного потока ХТММ при концентрации стока 3 г/л по ХПК и 1 г/л по БПК (т.е. при существующих на настоящий момент нормах расхода воды).

4. Технико-экономический расчет полномасштабной установки анаэробной обработки избыточных оборотных вод производства хвойной беленой ХТММ произво1. Я 'дительностью 67,5 тыс.м массы в год52.1. Заданные параметры

5. Общий расход избыточных оборотных вод на производстве ХТММ составляет в среднем: С*св=303 мЗ/час=7272 мЗ/сут=2654 мЗ/год

6. Средняя концентрация ОВ в инфлюенте (из эксперимента): По ХПК Схпк = 3 кг/мЗ1. По БПК Сбпк= 1 кг/мЗ

7. Биохимический показатель Сбпк/Схпк= 1/3

8. Общая нагрузка по субстрату (количество поступающих органических загрязнений) рассчитывается по формуле:

9. С)хпк=С>св*Схпк = 21816 кг/сут С>бпк=С)св*Сбпк = 7272 кг/сут52.2. Расчет параметров анаэробного реактора

10. Объем монтируемого иАБВ-реактора можно рассчитать исходя из среднесуточного объема образующихся сточных вод. В среднем в сутки избыточных оборотоных вод образуется около 303 м .

11. ГВУ (гидравлическое время удержания) жидкости в реакторе по результатам пилотного эксперимента составляет минимально 6 часов. Принимаем ГВУ 8 часов. Для сточных вод расходом 303 м в час и ГВУ 8 час требуется иАБВ-реактор объемом:

12. V = ГВУ * С)св=8*303=2424 м3где: ГВУ гидравлическое время удержания жидкости в реакторе, сут.;1. V объем реактора, м3.

13. Максимальная скорость восходящего потока составляет vmax=3 м/час. Отсюда, минимальная площадь сечения реактора a=QcB/V=3 03/3=101 м2

14. Диаметр реактора D= ^=11 м

15. Высота реактора H=V/D= 14,4м

16. Стоимость газгольдера: Pr=V*0,03=73 $тыс, где 0,03 удельная стоимость газгольдера на 1 м3 реактора.

17. Сумма капитальных затрат на получение биогаза

18. Рб=369 кВч/час* 1200 $/кВч/час/1000=440 $тыс где 1200 $/кВч/час удельная норма инвестиций на получение 1 кВч энергии вчас.

19. Общая сумма капитальных затрат Р1=Рб+Рг=515 $тыс.

20. Ежегодные выплаты на погашение банковской ссуды составят

21. Р2=440 $тыс.*12%=62 тыс $/год где 12 банковский годовой %

22. Срок окупаемости капитальных затрат на получение биогаза: Ток=Р1/(Э-Р2) = 770 000/(418*365-2772 000)= 14,7 лет где: К сумма капитальных затрат Э - экономия (стоимость получаемой энергии)

23. К*(1+0,05+0,15+0,3)=960 000 USAS

24. Ежегодные выплаты за банковскую ссуду составят:

25. К%=К*31*0,12=3571 тыс. руб.

26. Где 12% банковский годовой процент31 курс доллара

27. Теоретический расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения анаэробной технологии в производственных условиях

28. Экономический эффект за счет предотвращения сброса растворенных органических веществ (БПК) рассчитывается по методике, приведенной в 1^2.

29. Кэ- коэффициент экологической ситуации для водного объекта (2,34).1. Мп=1т*Кв

30. Эффективность удаления органических веществ по БПК (из пилотного эксперимента): Эбпк-50%

31. Количество удаляемых органических загрязнений по БПК5: С>бпк5уд.= С>бпк*Эбпк=7272*0,5=3636 кг/сут

32. Где 1.33 коэффициент перевода БПК5 в БПКполн.

33. Мп= С>БПКполн.уд. *0,3 = 1,33*рБПК5уд.*0,3=1765 т/год

34. Кв- коэффициент относительной эколого-экономической опасности вещества или группы веществ Кв для БПКполн.=0,3

35. Экономический эффект за счет предотвращения сброса избыточного активного ила рассчитывается по методике, приведенной в 122.

36. Предотвращенный экологический ущерб за счет уменьшения сброса избыточного активного ила составит:

37. УпрАИ=Ууд*Мп*Кэ=6903 8 руб/год

38. Где Ууд- показатель удельного ущерба окружающей природной среде региона в результате размещения 1 тонны отходов ¿-го класса опасности, руб/т (для Республики Коми Ууд=115,6 руб/усл. т);

39. Предотвращенный прирост ила составляет: Мп=664-66=597 т/год=2 т/сутки= 597 т/год

40. Итого предотвращенный экологический ущерб Усум = УпрБПК +УпрАИ= 5226 тыс. руб. /год

41. Экономический эффект за счет сокращения затрат на аэрацию сточных вод рассчитывается следующим образом:

42. Количество удаляемого органического вещества (Р): ОхпкУд= Ю908 кг/сут С>БПКуд= 3636 кг/сут

43. Расход воздуха на окисление органических загрязнений составит: Расход кислорода С>о2 = СЩПСуд* 1.25=10908* 1,25=13635 кг/сут Объем кислорода Уо2= С)о2*22,4/Мо2где: 1,25 удельный расход кислорода на окисление органических загрязнений, кг/кг ХПК

44. М02 молекулярный вес кислорода, г 22,4 - объем 1 моль (32 г) кислорода, л

45. Эвозд.=Увозд.полн.*0,028=13 кВт/сутки где 0,028 кВт/м3 удельный расход э/э на подачу воздуха (по данным Водоканала)