СПОСОБ ВЫМОРАЖИВАНИЯ КОЛЛОИДНЫХ ОСАДКОВ ШЛАМ-ЛИГНИНА ПОСРЕДСТВОМ ПРОКЛАДКИ ТРАНШЕЙ
METHOD FOR FREEZING COLLOIDAL SLUDGE-LIGNIN RESIDUES BY TRENCHING

Изобретение относится к способу интенсификации процессов вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина в картах-накопителях посредством создания условий естественного вымораживания осадка, которые достигаются прокладкой траншей по всему периметру карт.
Изобретение относится к критическим технологиям для России и к приоритетному направлению развития науки и технологий «Рациональное природопользование» (утверждено 21.05.2006 г.) и «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов», поскольку включает в себя технологию интенсификации естественных процессов вымораживания отходов, которая позволит разрушить коллоидную структуру осадков шлам-лигнина, а также удалить коллоидно-связанную воду, что значительно уменьшит влажность, объем и свойства исходных коллоидных осадков, а значит пропорционально сократятся технико-экономические затраты на его дальнейшую переработку.
Наиболее сложной проблемой, препятствующей утилизации и использованию таких отходов целлюлозно-бумажной промышленности как коллоидные осадки шлам-лигнина, является их коллоидная структура, в состав которой входит до 70% коллоидно-связанной воды, не удаляющейся с использованием известных механических методов деструкции коллоидной структуры осадков, что затрудняет их переработку.
Существуют следующие основные направления решения данной проблемы:
- механическая деструкция коллоидной структуры;
- деструкция коллоидной структуры осадков шлам-лигнина с использованием химических реагентов;
- сжигание осадка.
Данные методы деструкции коллоидной структуры осадков имеют целый ряд различных недостатков:
- большие энергетические и эксплуатационные затраты, идущие на обслуживание оборудования и закупку реагентов;
- большие дозы реагентов для обезвоживания (коагулянты, флокулянты) и большое количество воды для их разведения.
- вторичное загрязнение объектов окружающей среды загрязняющими веществами, входящими в состав реагентов.
- образование отходов.
Из уровня техники известен способ обработки гидрооксидных осадков (RU №2021976, МПК C02F 1/22, C02F 11/20, опубликовано 30.10.1994). Изобретение относится к способам обработки шламов водоочистки и может быть использовано для обработки гидрооксидных осадков, являющихся продуктом очистки природных вод. Сущность данного изобретения: замораживание осадка в мелкодисперсном виде ведут путем непосредственного контакта с газообразным хладагентом, а полученные твердые частицы осадка подвергают оттаиванию. Недостатком данного способа является то, что для создания условий вымораживания осадка, необходимо его диспергировать (например в установке искусственного снега), а также необходим источник замораживающей среды (газообразный хладагент), устройство для оттаивания частиц осадка, что ведет к большим технико-экономическим затратам на эксплуатацию оборудования, а также затраты на электроэнергию. Также данный способ не эффективен для многотоннажных коллоидных осадков, которые расположены в картах-накопителях.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются два этапа обезвоживания осадков очистки загрязненных вод:
Первый этап - Замораживание коллоидных осадков, вследствие чего происходит количественное перераспределение различных форм связанной воды с твердым веществом и переводом связанной воды в свободное состояние с образование льда;
Второй этап - Оттаивание осадка, в результате которого происходит разрушение коллоидной структуры осадка и льда с образованием твердой и жидкой фаз, при этом твердая фаза представляет собой деструктированный коллоидных осадок с меньшим объемом, влажностью, дзетта-потенциалом и удельным сопротивлением, который легко поддается обработке.
Также известен способ обезвоживания коллоидных сапропелевых суспензий (RU №2075459, МПК C02F 11/20, C05F 7/00, опубликовано 20.03.1997), включающий фильтрацию, замораживание, отличающийся тем, что после фильтрации суспензию гомогенизируют, а замораживание ведут при одновременном распылении суспензии и ее обработке охлажденным до температуры ниже 0°С встречным потоком воздуха, подаваемого в центральную и периферийную зоны распыления с разными скоростями. Недостатком данного способа является то, что для создания условий вымораживания осадка, необходимо предусматривать вентиляторно-холодильный агрегат серийного изготовления, оборудование для центробежного способа распыления, что ведет к затратам на обслуживание оборудования и электроэнергию. Также данный способ малоэффективен для многотоннажных коллоидных осадков, которые расположены в картах-накопителях.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются -воздействие отрицательных температур на коллоидную систему, вследствие чего происходит ее замораживание, что ведет к количественному перераспределению различных форм связанной воды с твердым веществом и переводом связанной воды в свободное состояние с образованием льда, а также дальнейшее разделение коллоидной системы после вымораживания на две фракции - твердой, с меньшим объемом и улучшенной влагоотдачей и жидкой - минерализованная вода.
6
Также известен способ круглогодичного обезвоживания осадков муниципальных сточных вод на иловых площадках (RU №2393122, МПК C02F 11/14, C02F 11/20, C02F 1/56, B01D 21/01, опубликовано 27.06.2010), включающий послойное замораживание осадка, оттаивание, отвод талой воды и подсушку осадка в естественных условиях, отличающийся тем, что все стадии обезвоживания осадка осуществляют в одной иловой площадке, в которую подают сфлокулированный осадок, при этом используют флокулянт, содержащий полиэтиленоксид с молекулярной массой не менее 1⋅10. Недостатком данного способа является то, что для создания условий вымораживания осадка, необходимо использовать флокулянт, что увеличивает технико-экономические затраты, также данная технология подходит для осадка, загружаемого послойно в течении процесса его образования и не эффективно для многотоннажных накопленных коллоидных осадков, относящихся к накопленным отходам прошлых лет.
Общими признаками заявляемого изобретения с аналогом являются - воздействие отрицательных температур на коллоидную систему, вследствие чего происходит ее замораживание, что ведет к разрушению коллоидной структуры осадка и переходом коллоидно-связанной воды в свободное состояние с образованием льда, а также дальнейшее разделение коллоидной системы после вымораживания на две фракции - твердой, с меньшим объемом и улучшенной влагоотдачей и жидкой - минерализованная вода.
За прототип принят способ секторального вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина с вертикальной перфорацией (RU №2687907, МПК C02F 11/20, C02F 11/12, C02F 103/28, опубликовано 16.05.2019) отличающийся тем, что его осуществляют в картах-накопителях посредством их деления на квадратные сектора в соотношении: количество секторов n к общей площади карты S (м) - n:S, как 1:4, в которых осуществляется вертикальная перфорация всей толщи осадка, с диаметром отверстий 0,2 м.
Недостатки данного способа:
1) Забивание и замерзание скважин перфорации
2) Меньшая площадь и объем промерзания по сравнению с заявляемым способом.
3) Влажность вымороженных осадков шлам-лигнина на 28% выше, чем в заявляемом способе.
2
Отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что вымораживание коллоидного осадка шлам-лигнина в прототипе осуществляется в картах-накопителях посредством их деления на квадратные сектора в соотношении: количество секторов n к общей площади карты S (м) - n:S, как 1:4, в которых осуществляется вертикальная перфорация всей толщи осадка, с диаметром отверстий 0,2 м, тогда как в предлагаемом способе вымораживание осуществляют в картах-накопителях посредством прокладки траншей на глубину залегания уплотненного осадка шириной 1 м по всей длине карт с шагом 2 м, при этом извлеченный из траншей осадок складируется на борт между траншеями.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в том, чтобы интенсифицировать процесс вымораживания многотоннажных коллоидных осадков шлам-лигнина с целью разрушения их коллоидной структуры, что позволит снизить влажность, объем, улучшить свойства и пропорционально снизить технико-экономические затраты на их утилизацию.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в интенсификации процессов разрушения коллоидной структуры многотоннажных осадков шлам-лигнина.
Указанный технический результат достигается тем, что способ вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина, включающий естественное вымораживание осадка в холодное время года, с последующим оттаиванием и откачкой талых вод, сопровождающийся разрушением его пастообразной коллоидной структуры и переходом в гранулированное состояние, согласно изобретению, осуществляют в картах-накопителях посредством прокладки траншей на глубину залегания уплотненного осадка шириной 1 м по всей длине карт с шагом 2 м, при этом извлеченный из траншей осадок складируется на борт между траншеями. Для большей эффективности рекомендуется в теплое время года проводить осушение осадка карт посредством слива дождевых вод с их поверхности на локальные модульные очистные сооружения.
Преимущества перед прототипом заключаются в том, что заявляемый способ увеличивает площадь и объем промерзания осадка, что повышает эффективность его промерзания, при этом влажность вымороженного осадка шлам-лигнина по заявляемому способу на 28% ниже, чем по прототипу, что приводит к пропорциональному снижению технико-экономических затрат на переработку вымороженного осадка.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что при предлагаемом способе вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина создаются условия процессов его естественного вымораживания в холодное время года посредством прокладки траншей на глубину залегания уплотненного осадка шириной 1 м по всей длине карт с шагом 2 м, при этом извлеченный из траншей осадок складируется на борт между траншеями. Прокладка траншей позволяет увеличить полезную площадь и объем промерзания всей толщи осадка, выгрузка извлеченного из траншей осадка и его складирование на борт между траншеями дополнительно способствует эффективному и равномерному промерзанию всей массы осадка. Поскольку влажность вымороженного твердого гранулированного осадка менее 50%, то его обратный переход в исходное агрегатное текучее пастообразное коллоидное состояние не происходит.
Осуществляют данный способ вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина следующим образом:
Первый этап (подготовка карт к вымораживанию): проводят осушение карт-накопителей посредством слива дождевых вод с их поверхности на локальные модульные очистные сооружения в теплый период времени года;
L
Второй этап (вымораживание): после наступления устойчивых отрицательных температур ниже -10°С проводить расчистку поверхности карт от снежного покрова, при промерзании осадка от 20-40 см начать проводить прокладку траншей по всей длине карт с шагом 2 м до максимально уплотненных слоев осадка. Извлеченный из траншей осадок складировать на борт между траншеями. Так как коллоидный осадок шлам-лигнина по показателю текучести (I=0,63 д.е.) близок к мягкопластинчатым глинам, то полученные траншеи сохраняют свою форму до полного промерзания всей толщи осадка, при этом траншеи с вертикальными стенками не требуют крепления в картах. Во избежание обвала извлеченного осадка шлам-лигнина обратно в траншею, а также обрушения стенок траншеи края отвала вынутого осадка следует располагать не ближе 0,3 м от бровки траншеи.
Третий этап (подсушивание и отвод талых вод): при наступлении устойчивых положительных температур и далее в течение лета проводить естественное подсушивание осадка с отводом из траншей талых и дождевых вод через локальные очистные сооружение.
Четвертый этап (повторное вымораживание): при наступлении устойчивых отрицательных температур вымороженный осадок до установления снежного покрова перекладывать обратно в траншеи, в дальнейшем технологический процесс повторяется со второго этапа, только траншеи выбираются на месте ранее складированного вымороженного осадка.
Были проведены опытно-промышленные исследования, в ходе которых проводилось вымораживание осадка шлам-лигнина на опытном участке карты-накопителя площадью 0,5 Га в холодный период времени года. Для того, чтобы определится с шагом между траншеями исследовалась первоначальная глубина промерзания осадка, которая составила 1 м, поэтому для промерзания всей толщи его борта с двух сторон шаг между траншеями был выбран 2 м, В ходе проведения исследований было зафиксировано полное промерзание всей толщи массы осадка. В теплый период времени года изучались физико-химические свойства осадка. Было выявлено, что влажность вымороженного осадка составила 32%. Поскольку влажность вымороженного твердого гранулированного осадка менее 50%, то его обратный переход в исходное агрегатное текучее пастообразное коллоидное состояние не происходит.
Сравнение технических характеристик заявленного способа обезвоживания и уже известных ранее приведено в таблице 1
2
Как видно из таблицы, в отличие от прототипа, заявляемый способ позволяет интенсифицировать процесс вымораживание коллоидных осадков шлам-лигнина, при этом значительно увеличивается общий объем полезной поверхности вымораживания осадка на 100 м карты (в 19 раз), за счет чего осуществляется более полное промерзание осадка, также значительно уменьшается влажность вымороженного осадка (на 28%), при этом поскольку влажность вымороженного твердого гранулированного осадка менее 50%, то его обратный переход в исходное агрегатное текучее пастообразное коллоидное состояние не происходит. В отличие от аналогов, заявляемый способ позволяет не использовать различные реагенты, что снижает нагрузку на окружающую среду вследствие предупреждения вторичного загрязнения объектов окружающей среды веществами, входящими в состав реагентов, при этом снижаются и технико-экономические затраты, так как заявляемый способ не требует дополнительных энергетических и эксплуатационных затрат, идущих на обслуживание оборудования для смешивания и подготовки реактивов и закупку реагентов. Также, в отличие от аналогов заявляемый способ позволяет обезвоживать ранее накопленные многотоннажные коллоидные осадки шлам-лигнина, а не только в течение процесса его периодического образования.
Использование заявляемого изобретения позволит деструктировать коллоидную структуру осадков шлам-лигнина, что приведет к сокращению объемов, влажности, улучшению свойств многотоннажных отходов, и, как следствие, позволит сократить технико-экономические затраты на их дальнейшую переработку, а также расширить область их использования.