Совершенствование подготовки осадков сточных вод целлюлозно-бумажно го про изводства к сжиганию
На правах рукописи
Болотова Ксения Сергеевна
Совершенствование подготовки осадков
сточных вод целлюлозно-бумажного производства к сжиганию
05.21.03 – Технология и оборудование химической
переработки биомассы дерева; химия древесины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск - 2009
Работа выполнена на кафедре биотехнологии Архангельского государственного технического университета
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Новожилов Е.В.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Богданович Н.И.
кандидат технических наук,
Глуханов А.А.
Ведущая организация: Институт экологических проблем Севера
УрО РАН
Защита диссертации состоится 28 мая 2009 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.
Автореферат разослан апреля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
канд. хим. наук, доцент Т.Э. Скребец
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Одной из основных причин экологических проблем, связанных с переработкой осадков сточных вод (ОСВ), является их высокая влажность. Это ограничивает возможность эффективной утилизации таких отходов в качестве биотоплива и приводит к их накоплению на полигонах и свалках.
В промышленности для удаления влаги из осадков используются различные физико-механические методы, такие как отстаивание, фильтрование, прессование, центрифугирование. Для их интенсификации рекомендуется введение присадочных материалов или химических реагентов, из которых наибольшее применение нашли дорогостоящие флокулянты.
Как правило, заключительный этап обезвоживания осадков сточных вод проводят на фильтр-прессах или центрифугах. Полученный таким образом обезвоженный осадок называется кеком. Однако, ни один из указанных методов не позволяет добиться в условиях производства устойчивого снижения влажности кека ниже 70 %. Считается, что дальнейшее удаление влаги возможно, главным образом, путем сушки, но этот процесс теряет своё значение в связи с высокими энергозатратами.
Таким образом, актуальным является поиск экологически безопасных, дешевых и эффективных механических методов обезвоживания кека, которые позволят полностью утилизировать его путем сжигания.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является снижение влажности и повышение теплоты сгорания кека путем его прессования с добавками.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- выбрать добавки и определить их свойства, влияющие на процесс обезвоживания кека при действии давления;
- исследовать влияние параметров процесса прессования кека в присутствии добавок на снижение его влажности;
- изучить закономерности обезвоживания кека при прессовании в присутствии добавок;
- оценить энергетический потенциал биотоплива, получаемого в результате прессования кека с добавками.
Научная новизна
Предложен и научно обоснован способ обезвоживания кека методом прессования в присутствии целлюлозосодержащих материалов. Показано, что эффективность удаления влаги из кека зависит от давления прессования, а также от характеристик целлюлозосодержащей добавки: влажности, деформационно-прочностных свойств, фильтрационной способности. При действии давления в присутствии добавок установлена механодеструкция клеток микроорганизмов. Предложен механизм обезвоживания кека при прессовании в смеси с целлюлозосодержащими материалами, согласно которому удаление влаги обеспечивается удержанием биомассы кека под давлением за счет формирования капиллярно-пористой матрицы, армирующим и структурообразующим элементом которой являются целлюлозные волокна. Доказано, что интенсивность термического обезвоживания кека возрастает в присутствии целлюлозосодержащих добавок.
Практическая ценность
Удельная теплота сгорания смесей кека с целлюлозосодержащими материалами после прессования возрастает в 1,5…3 раза, что повышает эффективность их сжигания как биотоплива. Опытно-промышленные испытания подтвердили высокую эффективность обезвоживания кека с корой. Созданы предпосылки для полной утилизации ОСВ в качестве биотоплива.
Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:
- установленные закономерности процесса обезвоживания кека ЦБК и муниципального кека при действии давления в присутствии целлюлозосодержащих волокнистых материалов;
- характеристика свойств целлюлозосодержащих добавок, влияющих на интенсификацию обезвоживания кека в процессе прессования;
- технологическая схема подготовки осадков сточных вод к сжиганию с включением стадии прессования кека и результаты промышленных испытаний;
- результаты оценки в качестве биотоплива смесей кека с целлюлозосодержащими добавками.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на V Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского ГТУ (2007-2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 10 разделов; общие выводы и список использованных источников. Содержание работы изложено на 126 страницах, включая 28 рисунков и 22 таблицы, библиография содержит 188 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В аналитическом обзоре приведены данные о составе и свойствах промышленных и коммунальных ОСВ, объёмы их образования. Показано, что применение механических методов обезвоживания является ведущим направлением в области удаления влаги из осадков. Отмечена невысокая эффективность обезвоживания осадков, связанная с наличием в их составе труднофильтруемой биомассы активного ила (АИ). Представлены способы интенсификации мехобезвоживания ОСВ, из которых наиболее распространено использование дорогостоящих химических реагентов.
Приведены направления утилизации мехобезвоженного осадка – кека и обозначены проблемы, связанные с его переработкой. Перспективным методом утилизации кека является сжигание, позволяющее решить экологические проблемы, связанные с ростом свалок, а также обеспечить получение энергии. Отмечено отсутствие информации о прессовании кека как способе его подготовки к сжиганию и сделан вывод о необходимости проведения исследований в этом направлении. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи работы.
В методической части представлены характеристики объектов, материалов и методик исследования. В работе использовали образцы кека Архангельского и Соломбальского ЦБК, а также пробы кека ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»; образцы целлюлозосодержащих материалов – сульфатная целлюлоза, механическая масса, кородревесные отходы Архангельского ЦБК, торф месторождения «Онежский мох» и газетная макулатура. Обезвоживание образцов проводили на прессах марок ПСУ-50 и ПГР-400. Определение влажности материалов проводили в автоматическом режиме на влагомере «ЭВЛАС-2М».
Механодеструкцию клеток микроорганизмов определяли по содержанию белков в водных экстрактах методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Гидрофобность образцов определяли по сорбции паров гексана. Сжимаемость и фильтрационную способность кека и его смесей исследовали на компрессионно-фильтрационных приборах по стандартным методикам. Удельную теплоту сгорания кека и его смесей определяли калориметрическим методом.
Экспериментальная часть состоит из 10 разделов.
1. Влияние параметров прессования на обезвоживание образцов кека
Содержание влаги в кеке сравнительно небольшое 3…4 т/т сухого вещества, отсутствует свободно отекаемая жидкость. Поэтому для удаления влаги был выбран метод прессования, обеспечивающий жесткое механическое воздействие на кек. На лабораторной установке провели прессование кека Архангельского ЦБК в условиях, исключающих его растекание. Влажность кека
 Рисунок 1 – Зависимость влажности пробы кека от давления прессования | после такой обработки снизилась максимально до 64…68 %, влияние температуры оказалось менее значимым (рис.1). Таким образом, было установлено, что кек ЦБК, уже прошедший стадию мехобезвоживания на фильтр-прессах в условиях производства, при повторном прессовании при давлении 0,1…0,4МПа способен отдавать значительное количество влаги, что может быть использовано для их дополнительного обезвоживания. |
2. Выбор добавок для процесса прессования кека ЦБК
Дальнейшие эксперименты по обезвоживанию кека на прессах различной конструкции, позволяющих развить давление до 30 МПа, оказались менее успешными. При возможности свободного перемещения материала пробы действие давления вызывало растекание кека, что обусловлено реологическими свойствами АИ, входящего в состав осадков. Компоненты АИ: биомасса микроорганизмов, составляющая до 20 % объема хлопьев, и слизь – биополимерное вещество гелеподобной структуры, в основном представленное полисахаридами, отличаются высокой сжимаемостью и пластичностью. Для того, чтобы ограничить возможность перемещения веществ кека при прессовании были испытаны добавки присадочных материалов.
В качестве образца биомассы использовали прессованные дрожжи, поведение межклеточного геля в процессе прессования изучали на примере декстранового геля. Готовили смеси дрожжи (или гель) : добавка в соотношении 40 : 60 по сухим веществам и прессовали их при 30 МПа.
Образцы дрожжей и геля без добавок были практически полностью выдавлены за пределы площади прессования (табл. 1). Отсутствие пор в стекловолокне, его гладкая поверхность также не способствовали удержанию биомассы дрожжей при приложении давления.
Таблица 1 – Удаление влаги при прессовании образцов
| Проба | Начальная влажность, % | Влага, внесенная в пробу | Влажность после прессования, % | Вытекание пробы за пределы зоны прессования | |
| с материалом г/100гсмеси | с дрожжами (или гелем), г/100гсмеси | ||||
| Биомасса дрожжей | 73,4 | – | 72,7 | 65,2 | Практически полностью |
| Биомасса дрожжей + целлюлозное волокно | 52,7 | 1,9 | 50,9 | 44,0 | Практически нет |
| Биомасса дрожжей + стекловолокно | 52,7 | 1,0 | 50,9 | 21,4* | В значит. степени |
| Биомасса дрожжей + каменный уголь | 52,7 | 2,0 | 51,2 | 52,7 | Нет |
| Декстрановый гель | 93,7 | – | 93,7 | – | Практически полностью |
| Декстрановый гель + целлюлозное волокно | 66,4 | 1,8 | 64,7 | 43,9 | Нет |
* – высокое содержание стекловолокна
При добавке каменного угля удержание было высоким, однако улучшения обезвоживания смеси при этом не наблюдалось из-за высокой прочности частиц угля, препятствующих его сжатию под давлением.
Только добавка целлюлозного волокна обеспечила и удержание биомассы и геля, и их обезвоживание. Это волокно имеет развитую капиллярную структуру, отличается высокой гибкостью и прочностью, а также способностью к обратимым деформациям. Однако, как показали эксперименты с микрокристаллической целлюлозой, при утрате волокнистой структуры целлюлозосодержащий материал также не способен обеспечить удержание биомассы в зоне прессования.
Следовательно, именно целлюлозные волокна участвуют в формировании структурообразующей матрицы, позволяющей исключить растекание биомассы микроорганизмов и удалить значительное количество влаги.
3. Прессование кека ЦБК с целлюлозой и механической массой
В экспериментах с использованием в качестве добавок влажной целлюлозы и влажной механической массы было установлено, что при их содержании в смеси выше 15 % растекание кека в процессе прессования при давлении 1,2 МПа практически отсутствовало. После прессования смеси в кеке (по расчету) осталось 0,93…0,96 т влаги на 1 т абс. сухого вещества (табл.2). Удельная теплота сгорания смеси в расчете на рабочую массу образца (
) увеличилась до 7,4 МДж/кг.
Таблица 2 – Прессование смесей кека с влажной целлюлозой
| Соотношение волокна к кеку (по сухим веществам) | Влажность смеси, % | Количество отжатой влаги, % от исх. содержания | Количество влаги в кеке после прессования, т/т абс.сухого кека | |
| До прессования | После прессования | |||
| 0 : 100 | 77,0 | 47,4* | – | – |
| 5 : 95 | 76,9 | 45,8* | – | – |
| 15 : 85 | 76,8 | 48,2 | 71,8 | 0,93 |
| 50 : 50 | 76,1 | 48,9 | 70,4 | 0,96 |
| 75 : 25 | 75,5 | 48,4 | 70,0 | 0,94 |
* – сильное растекание пробы
Аналогичные результаты были получены при прессовании кека с механической массой. Различие в химическом составе указанных добавок не оказало влияния на их эффективность при прессовании, влажность смесей снижалась до 48,2…48,9 %. Однако, расход добавки должен быть достаточно большим. Способ может найти ограниченное применение в промышленности, так как эти полуфабрикаты имеются только на предприятиях ЦБП, где их более целесообразно использовать для изготовления товарной продукции.
4. Прессование кека с макулатурой
Перспективным целлюлозосодержащим материалом является макулатура, например, газетная бумага. Было показано, что, как и в случае целлюлозы и механической массы, для эффективного обезвоживания смесей с кеком количество добавки должно быть более 15 %, иначе происходит растекание образцов под давлением. Это обусловлено высоким содержанием труднофильтруемой биомассы АИ, что характерно для муниципальных осадков. При подборе целлюлозосодержащих добавок, предназначенных для улучшения обезвоживания кека, целесообразно, чтобы начальная влажность добавки была ниже, чем влажность кека. В этом случае ниже будет влажность смеси после прессования и выше ее теплота сгорания.
В экспериментах с образцами муниципального кека ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» добавка воздушно-сухой макулатуры в смесь составляла от 20 до 50 %. После прессования при давлении 3,7 МПа содержание влаги в кеке снижалось с начальной величины 3,46 т/т до 0,79…1,17 т/т сухих веществ кека (табл. 3).
Таблица 3 – Прессование смеси муниципального кека с макулатурой
| Соотношение макулатуры к кеку (по сухим веществам) | Влажность смеси, % | Количество отжатой влаги, % от исх. содержания | Количество влаги в кеке после прессования, т/т абс.сухого кека | |
| До прессования | После прессования | |||
| 75 : 25 | 44,0 | 36,6 | 76,0 | 0,58 |
| 50 : 50 | 64,1 | 44,1 | 74,8 | 0,79 |
| 40 : 60 | 66,9 | 47,4 | 72,4 | 0,90 |
| 30 : 70 | 70,4 | 47,7 | 72,7 | 0,91 |
| 20 : 80 | 73,9 | 53,9 | 65,7 | 1,17 |
Структурообразующие свойства газетной макулатуры, влияющие на формирование матрицы, удерживающей кек от растекания, связаны с высоким
 Рисунок 2 – Обезвоживание смесей макулатуры с кеком ЦБК и муниципальным кеком (давление 3,7 МПа) | содержанием механической массы (80…90 %). Волокнистая структура материала создает фильтрующий слой и способствует удалению отжимаемой влаги. За счет добавления 20…50 % макулатуры удельная теплота сгорания  смеси возросла в 1,9…3,2 раза, а за счет последующего прессования она дополнительно увеличилась в 1,8…2,3 раза. Эффективность обезвоживания муниципального кека в смеси с макулатурой оказалась несколько ниже, чем кека АЦБК (рис. 2). |
5. Прессование кека ЦБК с торфом
В качестве добавки был проверен верховой торф, принадлежащий к категории возобновляемого биотоплива. Влажность исходной смеси кека и торфа была 64,0 %, а после прессования при 1,2 МПа она уменьшилась до 45,5%. Таким образом, в результате прессования смеси содержание влаги в ней снизилось до 0,84 т/т сухих веществ, что позволило увеличить её удельную теплоту сгорания 
в 1,8 раза.
6. Прессование кека ЦБК с корой
На ЦБК в качестве биотоплива используют крупнотоннажные отходы окорки древесины, содержащие в основном кору. После стадии мокрой окорки
 Рисунок 3 – Прессование влажной коры и ее смесей с кеком ЦБК | влажность коры составляет 80 %, поэтому влажность её исходной смеси с кеком (кора : кек = 60 : 40 по сухим веществам) достаточно высока (рис. 3). При увеличении давления прессования от 1,4 до 5,5МПа количество влаги, отжатой из смеси, возрастает с 59 % до 79%. При обезвоживании смесей образуется фильтрат, снижение объема которого можно достичь при применении коры, предвари-тельно отжатой на прессе. Смесь кека ЦБК с отжатой лист- | |
 Рисунок 4 – Влияние давления на влажность коры и её смеси с кеком | венной корой (50 %-ной влаж-ности) прессовали при давлении от 4 до 29 МПа (рис. 4). Кора – трудно сжимаемый материал, поэтому для достижения влажности смеси на уровне 40…44 % необходимо высокое давление – 7…11 МПа. При давлении прессования 10…20 МПа сохраняется более высокая влажность смеси по сравнению с влажностью коры. Давление выше 20 МПа вызывает слишком | |
сильное уплотнение, деформацию пор и капилляров коры, коэффициент влагопроводности ее значительно уменьшается, затрудняется движение влаги в слое материала. Это подтвердилось при прессовании смесей кека Соломбальского ЦБК с корой при давлении 30 МПа. Уровень давления должен быть таким, чтобы обеспечить высокую фильтрационную способность материала добавки. За счет добавления 20…50 % коры к кеку удельная теплота сгорания 
смеси увеличилась в 1,7…2,4 раза, а за счет прессования – еще в 2,3…2,9 раза.
7. Изучение механизма обезвоживания кека при прессовании с целлюлозосодержащими добавками
Высокая сжимаемость ОСВ, обусловленная деформацией частиц АИ, снижает фильтруемость кека при повышении давления прессования. Влияние добавки целлюлозосодержащего материала к кеку на деформацию и коэффициент фильтрации оценивали по методике, предназначенной для анализа грунтов. Ее особенностью является применение сравнительно невысокого давления в течение длительного времени. Содержание макулатуры (газетной бумаги) в смеси с кеком составляло 20 %.
Сжимаемость кека АЦБК при давлении 50 кПа в 1,3 раза выше, чем его смеси с газетной макулатурой (рис. 5). Суммарная относительная деформация,
 Рисунок 5 – Зависимость относительной деформации кека и его смеси с макулатурой от уровня давления | полученная при увеличении давления до 250 кПа, для кека и его смеси составляет соответственно 81 и 67 %. Таким образом, добавка макулатуры позволила при сохранении высокой степени деформации существенно уменьшить сжимаемость ее смеси с кеком. Водопроницаемость образца кека после уплотнения при давлении 50 кПа сохранялась, но коэффициент фильтрации был в 3,4 раза ниже, чем у смеси, уплотненной в аналогичных условиях (таблица 4). |
При отсутствии растекания кека это приводит к увеличению скорости удаления влаги из смеси.
Таблица 4 – Коэффициенты фильтрации кека и его смеси с макулатурой
| Образец | Давление, кПа | Начальный напор, см | Падение уровня воды, см | Среднее значение коэффициента фильтрации, мм/с |
| Кек АЦБК | 50 | 81 | 12,3 | 2,3 |
| Смесь | 84 | 36,4 | 7,8 | |
| Кек АЦБК | 250 | 84 | 0 | 0 |
| Смесь | 80 | 0,5 | 0,1 |
Водопроницаемость образца кека после выдерживания под давлением 250кПа полностью отсутствовала, коэффициент фильтрации был равен нулю. Это одна из причин, почему приходится ограничивать давление прессования при обезвоживании кека. Смесь кека с макулатурой при том же давлении сохранила слабые фильтрующие свойства, коэффициент фильтрации был небольшим.
При относительно низком давлении наиболее эффективно снижение влажности кека происходит при прессовании в смеси с макулатурой. По показателю гидрофобности газетная макулатура превышает остальные добавки в 2…6 раз, что может положительно влиять на данный процесс.
Для обезвоживания смесей с корой необходимо высокое давление, что может вызвать деструкцию микроорганизмов АИ. Для оценки механодеструкции микробных клеток проводили прессование биомассы дрожжей с корой при высоком давлении (30 МПа). Для сравнения использовали метод деструкции, основанный на растирании биомассы с кварцевым песком, а также прессование дрожжей без добавок. После деструкции получали водные экстракты образцов и отбирали пробу для определения белков методом хроматографического анализа.
Основному количеству белковых веществ в экстрактах соответствует пик при 9 мин (рис. 6).
Рисунок 6 – Молекулярно-массовый состав водных экстрактов
1 – водный экстракт после прессования с корой;
2 – водный экстракт после дезинтеграции с кварцевым песком;
3 – водный экстракт (контрольный образец)
В экстракте после прессования с корой содержание белков в 12 раз выше, чем в контрольной пробе, и 1,5 раза выше, чем в экстракте после дезинтеграции с кварцевым песком.
С учетом наличия деструкции клеток биомассы при прессовании с корой, была оценена величина потерь биомассы с фильтратом. Смесь коры и кека в соотношении 70 : 30 (по сухим веществам) прессовали при давлении 12,7 МПа. После прессования выход смеси равнялся 99,3 % (табл. 5), соответственно, количество удаленных растворенных веществ составило лишь 0,7 %.
Таблица 5 – Выход сухих веществ смеси кека с корой после прессования
| Проба | Масса смеси, г | Влажность смеси, % | Количество сухих веществ смеси, г | Выход смеси после обработки, % | Содержание в фильтрате, мг/г смеси | |
| Сухих веществ | ХПК | |||||
| Начальная Смесь | 15,00 | 60,0 | 6,00 | – | – | – |
| Смесь после прессования | 10,70 | 44,3 | 5,96 | 99,3 | 6,7 | 6,3 |
Таким образом, в полной мере проявился эффект удержания биомассы и продуктов ее деструкции матрицей целлюлозосодержащего материала.
На основании полученных результатов механизм процессов, происходящих при прессовании одного кека и смесей кека с целлюлозосодержащими добавками схематически можно представить следующим образом (рис. 7):
Прессование кека без добавок:
Прессование кека с целлюлозосодержащими добавками:
Рисунок 7 – Механизм обезвоживания кека при приложении давления
Материал кека, обладая высокой сжимаемостью и пластичностью, под воздействием давления вытесняется из зоны прессования. Присутствие добавки, имеющей в основе волокнистую структуру, обеспечивает более или менее равномерное распределение биомассы в смеси. Целлюлозосодержащий материал формирует матрицу, в которой армирующим элементом являются волокна целлюлозы. Такая структура при способности к деформации обладает необходимой прочностью, поэтому при приложении давления удерживает биомассу активного ила, исключая ее растекание. Одновременно эта структура служит водопроницаемым фильтрационным слоем, обеспечивающим удаление отжатой влаги.
Прочность связи различных форм влаги с материалом в определенной степени характеризует скорость удаления влаги в процессе тепловой сушки. В качестве образцов использовали кек влажностью 78 %, смеси кека с газетной
 Рисунок 8 – Изотермическая сушка кека АЦБК и его смесей с макулатурой | макулатурой (20% по сухим веществам), взятые до и после прессования при 8 МПа. При высушивании влага из смесей кека с макулатурой удаляется быстрее, чем из кека (рис. 8). Наиболее интен-сивно это происходит из смеси после ее прессования, которая при влагосо-держании 0,7 г/г (что соответствует влажности 40 %) обезвоживается в 1,2…1,3 раза быстрее, чем один кек и смесь до прессования. |
8. Усовершенствованная технологическая схема подготовки осадков сточных вод к сжиганию
Традиционная схема переработки ОСВ, характерная для большинства предприятий ЦБП, включает стадии уплотнения и механического обезвоживания с добавлением флокулянтов (рис.9). Сушка кека не нашла широкого промышленного применения.
Рисунок 9 – Блок-схема утилизации осадков сточных вод методом сжигания
Высокая остаточная влажность кека ограничивает возможность его сжигания, которое является наиболее перспективным направлением утилизации, позволяющим обеспечить получение энергии и решить экологические проблемы, связанные с ростом свалок.
Сжигание влажного кека малоэффективно и требует дополнительной подачи топлива. Для предприятий лесопромышленного комплекса для обезвоживания и последующего сжигания всего объёма кека целесообразно применение в качестве добавки коры. Применительно к условиям Архангельского ЦБК для реализации разработанного способа обезвоживания кека с отжатой корой необходима установка 1-2 дополнительных прессов. Узел прессования смеси может быть легко встроен в действующую схему переработки и сжигания кородревесных отходов АЦБК (рис.10).
Рисунок 10 – Предлагаемая блок-схема утилизации кека АЦБК с корой
Рекомендации для прессования кека АЦБК с кородревесными отходами:
– дозировка отжатой коры от 20 % по сухим веществам;
– давление прессования 7…11 МПа.
Целесообразно использовать добавки, имеющие влажность ниже, чем влажность кека, иначе добавка ограничивает возможность повышения доли кека в смеси. При использовании кека в качестве биотоплива нет необходимости внедрять дорогостоящие мероприятия для уменьшения объёма АИ (аэробную стабилизацию АИ, анаэробное сбраживание, тепловую обработку), так как, чем больше будет доля органической части в ОСВ, тем больше будет энергетический эффект от их сжигания.
Для предприятий коммунального хозяйства в качестве добавки к кеку рекомендуется газетная макулатура, которая является широко распространенным сырьём и может быть собрана в необходимом объёме в любом населенном пункте. Для промышленного использования предлагаются следующие режимы прессования кека с макулатурой, обеспечивающие снижение влажности смесей до 37…54 %:
– дозировка макулатуры не менее 20 % по сухим веществам;
– давление прессования 1,2…3,7 МПа.
Особенностью технологии подготовки макулатуры к совместному прессованию с кеком является применение сухого метода измельчения. Удаление влаги при прессовании смеси с воздушно-сухой макулатурой обеспечивает существенное повышение удельной теплоты сгорания 
кека ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».
У пробы кека до прессования (влажность 70 %) она составляла 3,0 МДж/кг, после прессования удельная теплота сгорания 
кека возросла в 3 раза и составила примерно 9,0 МДж/кг. Такое значительное повышение теплоты сгорания кека даёт возможность сжигать его без дополнительной подачи природного газа.
9. Опытно-промышленные испытания способа обезвоживания кека с корой на Архангельском ЦБК
В ходе опытно-промышленной выработки использовали смесь коры и кека, приготовленную на действующей технологической линии комбината для сжигания в котлах кипящего слоя. На комбинате на сжигание направляется все количество коры и 25…30 % от общего объёма кека при соотношении в смеси коры и кека примерно 86 : 14 (по сухим веществам).
После прессования смеси на короотжимном прессе древесно-подготовительного цеха влажность ее снижалась с 57 до 51…52 %. Конечная влажность смеси практически равна влажности отжатой коры, взятой на приготовление смеси. Промышленные испытания показали, что короотжимные прессы Bark Master эффективно работают на смеси отжатой коры с кеком. Содержание влаги в кеке уменьшается почти в 2 раза по сравнению с уровнем, достигнутым при мехобезвоживании на фильтр-прессах.
10. Обоснование экономической эффективности способа прессования кека с целлюлозосодержащими материалами
Прессование относится к экологически безопасным и дешевым методам обезвоживания кека. Рекомендуемые добавки также являются химически безопасными, дешевыми и имеются в достаточном количестве. Для реализации предлагаемого способа обезвоживания кека может быть использовано типовое оборудование как отечественных, так и зарубежных производителей.
Для расчета экономической эффективности на основании данных лабораторных исследований было принята доля кека в смеси с корой 40 % (по сухим веществам). Прессование смеси коры и кека повышает теплоту сгорания смеси с 3,5 МДж/кг до 9,5 МДж/кг, то есть в 2,7 раза. Прессование является энергосберегающим способом снижения влажности кека. При мощности электродвигателей короотжимного пресса 100 кВтч затраты электроэнергии составят всего около 17 кВтч на 1 т сухих веществ кека.
Сравнение показателей действующей технологии с предлагаемым способом переработки кека представлено в таблице 6.
Таблица 6 – Показатели действующей технологии и предлагаемого способа переработки кека
| Показатели | Единицы измерения | Действующая технология | Предлагаемый способ утилизации |
| Доля кека, направляемого на сжигание | % | 30 | 100 |
| Влажность смеси коры и кека, направляемой на сжигание | % | 57,0 | 52,0 |
| Количество сухих веществ в смеси коры и кека, направляемое на сжигание | т/сут | 350 | 450 |
| Количество жидкости в смеси коры и кека | т/сут | 464 | 487 |
| Количество тепла, полученное при сжигании | МДж | 5,7106 | 7,6106 |
| Вывоз ОСВ на полигоны | % | 70 | 0 |
Реализация данного способа обезвоживания кека обеспечит полную утилизацию образующихся осадков сточных вод путем сжигания. Ожидаемый годовой экономический эффект только от использования всего объема кека в качестве биотоплива составит 76 млн руб. в год. Кроме того, будут полностью исключены затраты комбината на вывоз и складирование осадков сточных вод на полигонах.
ВЫВОДЫ
- Предложен высокоинтенсивный безреагентный метод обезвоживания кека – мехобезвоженного осадка сточных вод перед сжиганием, основанный на прессовании кека с целлюлозосодержащими материалами.
- Показано, что высокая растекаемость кека при приложении давления связана с высоким коэффициентом сжимаемости активного ила. Это подтверждено при прессовании биомассы микроорганизмов и полисахаридного геля, моделирующих основные компоненты ила.
- Определены свойства целлюлозосодержащих добавок, обеспечи-вающие эффективность их действия при прессовании с кеком. Показано, что содержание добавки в смеси должно быть не менее 20 %. Внесение добавки позволяет уменьшить сжимаемость кека и повысить его коэффициент фильтрации в 3,4 раза. Прессование смесей кека с добавкой макулатуры или коры обеспечивает снижение влажности до 37…54 %.
- Основным фактором процесса прессования смесей кека с целлюлозосодержащими материалами является давление, его уровень зависит от свойств материала добавки. Установлена механодеструкция клеток микроорганизмов при прессовании кека с целлюлозосодержащими материалами, показано, что основная часть перешедших в раствор веществ удерживается материалом добавки.
- Установлены закономерности обезвоживания кека при прессовании с целлюлозосодержащими добавками, предложен механизм удаления влаги из таких смесей. Методом изотермической сушки показано, что скорость удаления влаги из кека увеличивается в присутствии целлюлозосодержащих материалов.
- Теплотехнический анализ показал, что энергетический потенциал смесей кека с целлюлозосодержащими материалами после прессования возрастает в 1,5…3 раза за счет дополнительного обезвоживания. Удаление влаги из смеси коры и кека подтверждено промышленными испытаниями. Метод открывает перспективы эффективной утилизации кека путем сжигания.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
1. Болотова, К.С. Технология механического обезвоживания осадков сточных вод [Текст] / К.С. Болотова, Е.В. Новожилов, Е.Д. Гельфанд // Сборник реферативной информации ученых АГТУ о результатах НИР и НИОКР, рекомендованных к практическому использованию. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. – С.38-39.
2. Болотова, К.С. Прессование микробной биомассы в смеси с различными материалами [Текст] / К.С. Болотова, Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, О.М. Соколов // Наука – Северному региону: сборник научных трудов. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2009. – вып. 76. – С. 33-38.
3. Болотова, К.С. Влияние различных факторов на обезвоживание кека целлюлозно-бумажного производства [Текст] / К.С. Болотова, О.М. Соколов // Материалы V Всероссийской науч-техн. конференции студ. и аспирантов «Научное творчество молодёжи – лесному комплексу России». – Екатеринбург: УГЛТУ, 2009. – Ч.1. – С. 373-376.
4. Болотова, К.С. Обезвоживание осадков сточных вод целлюлозно-бумажного производства методом прессования [Текст] / К.С. Болотова, Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, О.М. Соколов // Лесной журнал, 2009. – №.2.– С.120-127. (Изв.высш.учеб. заведений). – ISSN 0536-1036.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу:
163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет Д.212.008.02
