СПОСОБ СЕКТОРАЛЬНОГО ВЫМОРАЖИВАНИЯ КОЛЛОИДНЫХ ОСАДКОВ ШЛАМ-ЛИГНИНА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ
METHOD FOR SECTORAL FREEZING OF COLLOIDAL SLUDGE-LIGNIN SEDIMENTS WITH VERTICAL PERFORATION

Изобретение относится к способу интенсификации процессов вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина в картах-накопителях посредством создания условий естественного секторального вымораживания осадка с его вертикальной перфорацией.
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 процессов вымораживания отходов, которая позволит разрушить коллоидную структуру осадков шлам-лигнина, удалить коллоидно-связанную воду, уменьшить влажность, объем и свойства исходных коллоидных осадков, что позволит пропорционально сократить технико-экономические затраты на его дальнейшую переработку и расширить область его применения.
Наиболее сложной проблемой, препятствующей утилизации и использованию таких отходов целлюлозно-бумажной промышленности как многотонажные осадки шлам-лигнина, является их сложный морфологический состав и коллоидная структура, в состав которой входит до 70% коллоидно-связанной влаги, не удаляющейся с использованием известных методов, 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 существенных 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.
- вторичное 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 многотонажных накопленных 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 многотонажных накопленных 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.
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 обезвоживания коллоидных осадков-шлам-лигнина в картах-накопителях с созданием условий естественного вымораживания посредством удаления с поверхности карт-накопителей снежного покрова, препятствующего промерзанию осадка и образовавшегося льда (Богданов А.В. и др. Экологически безопасная технология переработки накопленных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК», ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2018, №8(3), с. 126-134) отличающийся тем, что для достижения промерзания всей толщи осадка осуществляется удаление с поверхности карт-накопителей снежного покрова, препятствующего промерзанию осадка и образовавшегося льда. Недостатки данного способа:
1) Зависимость от погодных условий, в случае теплой зимы, когда среднемесячная температура не опускается ниже -15 - -20°С вымораживание осадка происходит менее эффективно;
2) Промораживание толщи осадка до глубины не более 1,5-2 м, тогда как глубина карт может достигать 4-5 м;
3) Время промерзания осадка в прототипе в три раза больше чем в заявляемом способе;
4) Дополнительные технико-экономические затраты на периодическую срезку льда
2
Отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что вымораживание коллоидного осадка шлам-лигнина в прототипе достигается путем удаления с поверхности карт-накопителей снежного покрова, препятствующего промерзанию осадка и срезанию образовавшегося льда, тогда как в предлагаемом способе вымораживание 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.
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 многотонажных коллоидных осадков шлам-лигнина, складированных в картах-накопителях с целью разрушения их коллоидной структуры, снижения влажности, объема и улучшения качественные характеристик, что позволит снизить технико-экономические затраты на их утилизацию и расширить область их применения.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в интенсификации процессов разрушения коллоидной структуры многотонажных осадков шлам-лигнина.
2
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 пластинчатой коллоидной структуры и переходом в гранулированное состояние, согласно изобретению, 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.
Преимущества перед прототипом заключаются в том, что заявляемый способ снижает зависимость эффективности процесса вымораживания перед температурными влияниями в холодное время года, так как данный процесс может происходить при более высоких температурах, при этом скорость вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина и глубина его промерзания увеличиваются, а также исключается технологический процесс срезки льда с поверхности карт.
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 деления поверхности карты-накопителя на квадратные сектора, в которых осуществляется вертикальная перфорация всей толщи осадка для достижения теплообмена между теплыми потоками воздуха, отходящего из толщи осадка, и поступающим атмосферным холодным воздухом, создающим фронт промерзания по всей толщи сектора осадка.
Осуществляют данный способ вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина следующим образом:
2
L
Первый этап: вымораживание осадка. Создание условий процессов естественного вымораживания осадка в картах-накопителях в холодное время года, посредством деления каждой карты-накопителя 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. Так как коллоидный осадок шлам-лигнина по показателю текучести (I=0,63 д.е.) близок к мягкопластинчатым глинам, то полученные отверстия сохраняют свою форму до полного промерзания всей толщи осадка. Отверстия бурятся в центре сектора мотобуром с диаметром 200 мм (0,2 м), для доступа ко всем участкам карты используется мини-земснаряд. Для периодической прочистки отверстий от попадающего в них снега, отверстия обновляются бурением с использованием мини-земснаряда.
Второй этап: оттаивание осадка. Оттаивание осадка происходит в теплое время года, сопровождающееся сбросом талой воды черед дренажные колодцы и естественным уплотнением осадка. После полного цикла процессов замораживания и оттаивания осадка шлам-лигнина образуется три продукта: деструктированный коллоидный осадок шлам-лигнина в объеме 50-70%, деминерализованная вода в виде льда с поверхности карт - 20-40%, минерализованная вода - 5-10%.
Проведены исследования, в ходе которых осуществлялось вымораживание осадка при разных соотношениях размера сектора к площади поверхности карт, а также при разном соотношении площади сектора к диаметру отверстий перфорации.
Первоначально проводились исследования по выбору отношения диаметра отверстия к сектору. Для этого брались четыре пластиковых контейнера с размером 20×20×15 см, которые заполнялись исходным коллоидным осадком шлам-лигнина массой 3 кг, при этом в одном пластиковом контейнере вертикальная перфорация не осуществлялась, в остальных же контейнерах делались отверстия диаметром: 0,5, 1,0, 2,0 см. Соотношение диаметра отверстия (d) к длине стороны квадратного сектора (L) составило (d:L): 1:40, 1:20, 1:10. Затем данные контейнеры помещались в морозильный ларь при температуре -12°С, через сутки контейнеры доставали и распиливали пополам для оценки степени их промерзания. Как показали исследования, наиболее целесообразно использовать соотношение диаметра отверстия к площади сектора (d:L) 1:10, так как степень промерзания для соотношений 1:40, 1:20, 1:10 составила соответственно 48, 62, 87%. Степень промерзания оценивалась визуально по площади фронта льдообразования осадка.
2
Далее проводились исследования по выбору соотношения количества секторов к общей площади карты. Для этого бралось пять пластиковых контейнеров с площадью поверхности 400 см, которые заполнялись исходным коллоидным осадком шлам-лигнина, затем поверхность контейнеров делилась на разное количество квадратных секторов: 1, 4, 16, 100, соответственно соотношение составило: 1:400, 1:100, 1:25, 1:4. Затем в секторах делались вертикальные отверстия, далее данные контейнеры помещались в морозильный ларь при температуре -12°С и через сутки контейнеры доставали и распиливали пополам для оценки степени их промерзания. Как показали исследования, наиболее целесообразно использовать соотношение количества секторов n к общей площади карты S (n/S), как 1:4 так как степень промерзания для соотношений n:S - 1:400, 1:100, 1:25, 1:4 составила 47, 65, 78, 100%. Степень промерзания оценивалась визуально по площади фронта льдообразования осадка.
Также проводились исследования по влиянию температуры на скорость и эффективность вымораживания коллоидных осадков шлам-лигнина в сравнении со способом, приведенным в прототипе (Богданов А.В. и др. Экологически безопасная технология переработки накопленных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК», ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2018, №8(3), с. 126-134) и заявляемом способе. Для этого в пластиковые контейнеры помещался исходный коллоидный осадок шлам-лигнина, а также коллоидный осадок шлам-лигнина, поделенный на квадратные сектора, в которых была произведена вертикальная перфорация. Далее данные контейнеры помещались в морозильный ларь при температуре от -8 до -20°С и через каждые сутки в течении трех дней контейнеры доставали и распиливали пополам для оценки степени их промерзания. Результаты исследований приведены в таблице 1:
Как видно из таблицы, вымораживание коллоидных осадков шлам-лигнина по заявленному способу более эффективно, при этом увеличивается эффективность вымораживания при более высоких температурах. Способ (Богданов А.В. и др. Экологически безопасная технология переработки накопленных коллоидных осадков шлам-лигнина ОАО «Байкальский ЦБК», ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ, 2018, №8(3), с. 126-134) эффективен при -15°С и ниже, тогда как заявляемый способ эффективен при - 10°С и ниже. Также снижается и время вымораживания осадка. Так, при -15°С полностью вымораживается осадок в заявляемом способе на 100% за первые сутки, тогда как в прототипе только до 96% на третьи сутки.
Сравнение технических характеристик заявленного способа обезвоживания и уже известных ранее приведено в таблице 2
Как видно из таблицы, в отличие от прототипа, заявляемый способ позволяет интенсифицировать процесс вымораживание коллоидных осадков шлам-лигнина, улучшить его качественные характеристики, сократить время вымораживания, а также позволяет деструктировать осадок при более высоких температурах и снизить технико-экономические затраты за счет исключения операций удаления образовавшегося льда с поверхности карт. 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 и улучшению свойств многотоннажных отходов, что в свою очередь позволит сократить технико-экономические затраты на их дальнейшую переработку и расширить область их использования.