Полезная модель для обеззараживания и утилизации отходов био-техносферы

Биосфера Земного шара под влиянием антропогенной деятельности из естественной саморегулирующейся системы постепенно превращается в неуправляемую среду в форме деградирующей системы, для оценки и прогнозирования, которой в научной литературе все чаще используется термин «биотехносфера».

В регионах России в биотехносфер-ной среде накопился ряд серьезных глобальных широко - масштабных территориальных проблем, не позволяющих в полной мере достичь требуемого качества воздуха, воды и почвы окружающей среды и обеспечить охрану природных ресурсов, добиться рационального их использования и воспроизводства [1, 2, 3, 4, 5].

Одним из важных проблем для живых высокоорганизованных организмов являются накопившие отходы различного происхождения и в том числе иловые осадки сточных вод биотехносферы. Отходы производства, жизнедеятельности человека, сельскохозяйственных животных и птиц создают препятствия к естественным технологическим процессам природного восстановления и эволюции окружающей среды. В первую очередь, затормаживают процесс обеспечения стабильности природного состояния окружающей среды и преобразования природных ресурсов экологически, экономически не обоснованными техниками и технологиями. В последнюю очередь приводит к нарушению физиологически нормальной жизнедеятельности живых организмов, включая человека, животных и птиц с последующим возрастанием количества инфекционных и неинфекционных патологий и болезней, которые чаще заканчиваются летальным исходом. Основной определяющей причиной, являются природно-очаговые источники, возникающие на основе глобальных территориальных, региональных, районных муниципальных экологических проблем воздуха, воды, почвы и продуктов питания (кормов).

Целью настоящей работы является научное обоснование и разработка полезной модели для обеззараживания и утилизации отходов биотехноcферы.

Настоящая работа выполняется по координационному плану научно- исследовательской и дорожной карты кафедры химии и экологии Набережночелнинского института (филиала) Казанского федерального (Приволжского) университета и перспективного плана, и развития Камского инновационного обособленного территориально-производственного центра «ИН-НОКАМ» Республики Татарстан.

В России с численностью населения 148 млн. человек, в том числе городского населения свыше 100 млн. человек, расчетный объем образующихся отходов в виде осадков городских сточных вод оценивается примерно в 4,4 млн. тонн в год (по сухому веществу). К настоящему времени количество не утилизированных отходов по стране оценивается приблизительно в 82 млрд. тонн.

Одной из основных причин загрязнения поверхностных вод Республики Татарстан является неудовлетворительное состояние очистных сооружений. В Республике Татарстан эксплуатируется более 120 сооружений по очистке сточных вод (116 из которых эксплуатируются для очистки хозяйственно-бытовых стоков) общей мощностью около 800 млн. м3/год и около 40 объектов производительностью до 90 млн. м3/год находятся в стадии проектирования и строительства. За все время существования биологических очистных сооружений в Республике Татарстан накоплено огромное количество осадков. Так, на иловых картах города Казани сброс осадка производился с 1965 года, а в городе Набережные Челны – с 1974 года. Иловые карты двух крупнейших городов республики практически заполнены и, по прогнозам, в ближайшие годы исчерпают полностью свой ресурс. В связи с этим возникает опасность возникновения чрезвычайной ситуации, связанной с загрязнением Куйбышевского и Нижнекамского водохранилищ. Проектная производительность РОС ЗАО «Челныводоканал» – 370 тыс. м3/сутки, фактическое среднесуточное поступление – 300 тыс. м3/сутки. Эффективность очистки сточных вод по взвешенным веществам – 96 %, нефтепродуктам – 96 %. В процессе очистки образуются иловые осадки – 750-1000 м3/сутки при влажности 97-99 %, которые складируются на иловых полях, площадь которых в настоящее время – 74 га. Каскады иловых полей расположены в непосредственной близости от реки Камы и садоводческих обществ (400 м). Для снижения содержания нитритов и фосфатов в сбрасываемых в реку Кама со сточных вод на ЗАО «Челныводоканал» проведена реконструкция системы аэрации на пяти аэротенках и внедрена технология нитро-денитрофикации. Проведен капитальный ремонт верхнего рассеивающего выпуска очищенных сточных вод на сумму 1154 тыс. руб., что позволило повысить эффективность очистки на 10 %. Для того, чтобы не допустить переполнения иловых карт и перелива иловых осадков на рельеф местности, с последующим поступлением их в реку Каму, необходимо усовершенствовать технологию обеззараживания и утилизации иловых осадков. Для решения этой проблемы на ЗАО «Челныводоканал» разработан проект на размещение осадков иловых полей РОС, выполнены работы на сумму 354 тыс. руб.

Материал и методы исследова- ний. Исходя из существующих проблем, начиная с 2017 года по 2019 год, на кафедре химии и экологии Набережночелнинского института, (филиала) Казанского федерального университета, на основе существующего известного способа, было разработано устройство для обеззараживания и утилизации илового осадка очистных сооружений, состоящее из бактерицидной ультрафиолетовой лампы, газогенератора, центрифуги для очистки горючего газа.

На сегодняшний день известны термические способы переработки, которые имеют значительные преимущества перед остальными способами и при этом в несколько раз снижающие объем перерабатываемого сырья. При этом тяжелые металлы в составе исходных иловых осадков сточных вод биотехносферы после термической переработки в основном локализуются в твердом остатке, перерабатывается практически 100 % всей органики, содержащейся в сырье, полностью уничтожается патогенная микрофлора.

Среди термических методов предпочтение следует отдать газификации и пиролизу, так как в результате этих процессов происходит конверсия исходного вещества в газообразное, жидкое и твердое топливо, в то время как при сжигании основным продуктом является тепловая энергиях [5, 6, 7, 8].

Результаты исследований. В целях повышения экологической и техно-сферной безопасности, предлагаемое устройство дополнительно было оснащено бактерицидной ультрафиолетовой лампой для обеззараживания илового осадка городских фекальных и других сточных вод, представляющих опасность для населения, животных и птиц, обитающих на урбанизированных территориях Республики Татарстан и других регионах России. Устройство оснащено установкой для равномерного и полного размешивания, в её ёмкость добавляется древесные опилки и опавшие листья. В установке древесные опилки смешивается с собранными опавшими листьями в соотношении 1:1.

Установка представляет собой единую систему, целенаправленную конструктивно слагаемую технико- технологическую композицию. Исходя из поставленной цели и задач, новое техническое решение включает функционально укомплектованное устройство для дальнейшего просушивания смеси илового осадка с добавляемой смесью опилок с листьями. При этом к установке последовательно конструктивными техническими и технологическими приемами и решениями приспособлены универсальные датчики для контроля обеззараживания и утилизации: температуры, влажности, давления и объема обеззараженной и утилизируемой продукции и золы. Устройство выполняет комплексную полноценную переработку илового осадка с полным обеззараживанием, включая городские фекальные и иные сточные воды, содержащие гельминты, бактерии и вирусы. Известно, что они представляют опасность для животных, людей и поэтому техническое решение по их обеззараживанию связано с надежным безопасным устройством, на основе высокого, среднего и низкотемпературного пиролиза, с применением попутно образующего горючего газа.

Полезная модель относится к области биотехносферной безопасности, охраны окружающей среды и теплотехники, в частности к устройствам по обеззараживанию, утилизации илового осадка очистных сооружений, растительного сырья городских парков и на территориях агропромышленных комплексов, а также к выработке горючего газа из органических составляющих отходов.

В настоящее время, для защиты окружающей среды, в большинстве технических решений по обеззараживанию и утилизации отходов органического происхождения не осуществляется контроль всего технологического цикла: температурного и влажностного режимов, объема поступающего и выходного материала и.т.д.

Целью предполагаемой полезной модели является обеспечение безопасности, повышение эффективности устройства, предназначенного для обеззараживания и утилизации илового осадка очистных сооружений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для обеззараживания снаб- жено бактерицидной ультрафиолетовой лампой. Для утилизации илового осадка очистных сооружений оно дополнительно оснащено установкой для размешивания добавляемых древесных опилок с опавшими листьями в соотношении 1:1. Устройство функционально дополнено комплектующим технологическим элементом для дальнейшего просушивания смеси илового осадка. В составе смеси илового осадка древесные опилки с листьями составляют единую биомассу. При этом установка дополнена универсальными датчиками для контроля единых, конструктивных, функционально связанных, технологических процессов, по параметрам: рабочего давления, температуры, влажности, объема поступающих, обеззараженных, утилизируемых, обработанных иловых осадков сточных вод и иных органических, углеродсодержащих отходов биотехносферы.

Устройство снабжено стационарной ультрафиолетовой, бактерицидной лампой. В данном техническом решении у специалистов имеется возможность заменить обеззараживающую ультрафиолетовую сетку, обладающую бактерицидными свойствами против особо опасных, бактерий и микроскопических грибов. Устройство может быть укомплектовано улавливающими мембранными фильтрами, для обеззараживания илового осадка городских, фекальных и других стоков.

Исходя из имеющихся экологических проблем в городской и сельской среде, была предусмотрена установка, для ускорения и повышения эффективности пиролиза, обезвоживания и размешивания добавляемых древесных опилок с опавшими листьями, в соотношении 1:1. Устройство имеет датчики, для контроля технологического процесса: определения температуры, влажности, объема обработанных отходов.

Заключение. Предлагаемая полезная модель направлена на обеззараживание и утилизацию городских фекальных и иных стоков, путем переработки илового осадка надежным безопасным устройством, на основе пиролиза с применением горючего газа. Устройство обеспечивает в ходе технологического процесса, термическое обеззараживание негорючих состав- ляющих, инородных, вредных и опасных веществ илового осадка сточных вод. Результат достигается установкой для пиролиза, состоящей, из газогенератора и центрифуги для очистки горючего газа, с дальнейшей технологией обработки смеси иловых осадков и древесного материала.

Резюме

Предлагаемая полезная модель направлена на обеззараживание и утилизацию городских фекальных и иных стоков, путем переработки илового осадка надежным безопасным устройством, на основе пиролиза с применением горючего газа.

Устройство обеспечивает, в ходе технологического процесса, термическое обеззараживание негорючих составляющих, инородных, вредных и опасных веществ илового осадка различного происхождения.