Использование геотермальной энергии для повышения эффективности биоочистки сточных вод цементного предприятия

Аннотация

Костенко В. К., Завьялова Е. Л., Чепак О. П. Использование геотермальной энергии для повышения эффективности биоочистки сточных вод цементного предприятия Обоснован оптимальный температурный режим в биоочистном сооружении для определения основных параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии. Применение вертикального скважинного теплообменного коллектора типа труба в трубе для интенсификации процесса извлечения геотермальной энергии позволит стабилизировать температурный режим биоочистителя, при этом в холодный период года вода будет подогреваться, а в жаркий охлаждаться.

Украина принадлежит к наименее обеспеченным собственными водными ресурсами европейским государствам. Вода большинства водных объектов Украины в нынешнем состоянии классифицируется как загрязненная и грязная. Наиболее острая ситуация наблюдается в бассейнах Днепра, Северского Донца, реках Приазовья, некоторых притоках Днестра, Западного Буга [1].

В Донбассе сложилась парадоксальная ситуация: регион страдает от дефицита питьевой воды, в то время как при добыче полезных ископаемых как подземным, так и открытым способом в огромном количестве откачиваются шахтные и карьерные воды. Они не только не помогают преодолеть недостаток пресной воды, но и оказывают значительное негативное влияние на окружающую среду. Использование этой воды помогло бы решить сразу две проблемы: снизить ее пагубное влияние на природу и преодолеть дефицит водных ресурсов в маловодных регионах.

Амвросиевский цементный завод – одно из старейших предприятий Украины, производящих портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкий портландцемент. Завод располагает собственной сырьевой базой. Мергель и мел добываются в принадлежащих предприятию карьерах. Их запасы – значительны, а качество мергеля – одно из лучших в Европе. Вместе с тем на украинских и зарубежных предприятиях недостаточен уровень природоохранных и ресурсосберегающих технологий. Остающиеся после выемки исходного сырья, например, мела или мергеля, выработанные пространства карьеров представляют собой лунный безжизненный пейзаж – лишенные плодородного почвенного слоя впадины со склонными к эрозионному разрушению бортами. Самопроизвольное восстановление флоры и фауны на этих территориях занимает сотни лет, а иногда остается невозможным.

Ускорить процесс формирования биогеоценоза в выработанных пространствах карьеров можно только создав для этого необходимые гидрогеологические условия. Вода является основой для формирования и развития живых форм материи. Авторами предложен способ, позволяющий ускорить восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем очистки атмосферы и гидросферы, возрождения флоры и фауны на основе круглогодичного управления состоянием потоков карьерных вод за счет использования геотермальной энергии [2].

Поддержание необходимой температуры воды в биоочистителе круглый год позволит:

1. Создать комфортные условия для жизнедеятельности гидробионтов круглогодично.
2. Предотвратить промерзание мелководных потоков и гибель водорослей и моллюсков в зимнее время.
3. В летний период в результате охлаждения воды в мелководной части карьера также улучшатся условия для жизнедеятельности гидробионтов.
4. Содержащийся в очистном сооружении ресурс воды будет выполнять круглогодично функцию очистки атмосферы путем растворения диоксида углерода и других газов с последующим усвоением их растениями для строения и питания клеток.
5. Использовать незамерзающий водоем как место для зимовки водоплавающих птиц.

Водоносный горизонт, с которого происходит основной водоприток в карьер, показан с левого борта карьера. Выработанное пространство схематично представлено в виде прямоугольника. В центре выработанного пространства располагается основная дамба, сооружаемая из железобетона или насыпная, из не склонных к размоканию материалов, например из кусков песчаника, известняка, отработанных автомобильных скатов, строительных или других отходов четвертого класса (рис1.).

Основная функция дамбы – разделить дно карьера для придания кругового движения водному потоку, тем самым увеличив расстояние течения воды и обеспечив продолжительность её физической и биологической очистки. Для увеличения длительности прохождения воды через карьер, тем самым увеличения степени очистки воды, созданы вспомогательные дамбы, разделяющие верхнюю и нижнюю часть карьера. Вспомогательные дамбы расположены в шахматном порядке. В областях расположения дамб проектируется образование болотистой среды с обильной растительностью. Основой дамбы будут служить бетонные блоки или каменистые насыпи из не склонных к размоканию горных пород, перекрытые слоем чернозёма. Для минимизации эрозии и вымывания почвы поверхности дамб засеяны растениями.

Для круглогодичной очистки воды по руслу водотока справа и слева от вспомогательных дамб предлагается пробурить скважины глубиной 50–100 м, располагая в них вертикальный скважинный теплообменный коллектор типа труба в трубе. Вода из водоносного горизонта через конфузор попадает в межтрубное пространство и за счет скоростного напора движется вниз по трубе. По мере продвижения происходит теплообмен между стенкой металлической трубы с температурой вмещающих пород и водным потоком, в результате чего температура воды становится близкой температуре окружающих горных пород, составляющей в условиях Донбасса 12–15 °С. В нижней части трубы поток, за счет скоростного напора, меняет направление на 180° и поднимается по внутренней пластиковой трубе на поверхность.

В результате в холодный период года вода будет подогреваться за счет геотермальной энергии, а в жаркий охлаждаться. Нагрев воды до необходимой температуры поддержание этой температуры круглый год позволит создать комфортные условия для жизнедеятельности гидробионтов круглогодично.

Однако для определения параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров с использованием геотермальной энергии, а именно количества скважин, их диаметра, расстояния между ними, необходимо обосновать температурный режим в очистном сооружении, являющийся оптимальным для жизнедеятельности гидробионтов.

Цель работы: обоснование оптимального теплового режима функционирования биоочистного сооружения для определения основных технологических параметров установки по извлечению геотермальной энергии.

Для выбора высшей водной растительности, которая будет произрастать на вспомогательных дамбах и выполнять основные функции по очистке воды, был проведен анализ основных загрязняющих веществ в сточных водах Амвросиевского карьера.

Химический анализ проб воды Амвросиевского карьера показал, что вода имеет сульфатный или сульфатно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав и минерализацию, которая изменяется в зависимости от сезона, от 1,3 до 3,4 г/дм. Максимальная величина минерализации отмечена в зимний период. Вода имеет повышенную жесткость 13,38–16,58 мг-экв/л, солесодержание – 1600 мг/л во много раз превышает установленную норму. Кроме того, в карьерной воде находится большое количество взвешенных веществ, поступающих туда при оседании аэрозолей, количество которых в околозаводском воздухе при производстве цемента весьма велико.

По отношению к бетону вода водоносного горизонта верхнемеловых отложений не агрессивна по временной жесткости, по общей кислотности, по содержанию свободной углекислоты, по содержанию ионов магния. Агрессивна ко всем видам несульфатостойких портландцементов.

На основании химического анализа проб воды, можно сделать вывод, о необходимости удаления из воды взвешенных веществ и принятия мер по снижению жесткости и солесодержания.

Способность высших водных растений удалять из воды загрязняющие вещества – биогенные элементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, марганец, серу), тяжелые металлы (кадмий, медь, свинец, цинк), фенолы, сульфаты – и уменьшать ее загрязненность нефтепродуктами, синтетическими поверхностно – активными веществами даёт возможность использовать их в практике очистки загрязнённых вод Амвросиеского карьера. Эффективность этих процессов контролируется такими показателями органического загрязнения среды, как биологическое потребление кислорода (БПК) и химическое потребление кислорода (ХПК).

Стоимость такой системы очистки в 10 раз меньше, чем стоимость традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений азота, фосфора, взвешенных и органических веществ. Многочисленными многолетними натурными наблюдениями на действующих сооружениях в различных странах установлено [3], что эффективность очистки сточных вод по следующим показателям качества воды составляет: взвешенные вещества – 90–95%; органические вещества по БПКполн – 95–98%; азот и фосфор – 50–70%; бактериологическое загрязнение – 99–99,5%.

Одновременно существенно повышается содержание кислорода за счет фотосинтетической аэрации воды.

При очистке вод карьера лучше всего используют такие виды высших водных растений, как камыш, и тростник озерный. Так как данные растения являются наилучшими очистителями. Например: камыш имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах. Он способен удалять из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины и прочие органические вещества. Удельное поглощение минеральных веществ камышом достигает (г на 1 г сухой массы): кальция – 3,95, калия – 10,3, натрия – 6,3, кремния – 12,6, цинка – 50, марганца – 1200, бора – 14,6. А корневая система тростника озёрного имеет высокую аккумулирующую способность относительно тяжелых металлов

К дискуссионным вопросам, связанным с эксплуатацией сооружений фитотехнологии, относится зимний режим. Поскольку климат района месторасположения карьера континентальный, степной, то зима малоснежная, преимущественно мягкая, лето жаркое. Среднемесячная температура в зимний период составляет – 6,2 °С (январь), в летний период повышается до +22 °С (июль). Абсолютная максимальная температура воздуха по многолетним данным 38 °С, абсолютный минимум –33 °С. Продолжительность периода отрицательных температур около четырех месяцев. Устойчивый снежный покров сохраняется не более 70 дней. Почва промерзает на глубину 27–77 см.

Чтобы избежать снижения эффективности очистки воды в зимний период, необходимо поддержание температуры воды в очистном сооружении на уровне 10 °С–12 °С. При таком температурном режиме вода не успевает замерзнуть, а ее температура существенно снизиться под ледяной коркой сооружения. При температуре сточных вод ниже 6 °С жизнедеятельность микроорганизмов, а следовательно, и их активность резко снижаются; при температуре свыше 37 °С заметно уменьшается скорость нитрификации в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. Таким образом, оптимальной является температура 10 °С–12 °С в зимний период и до 28 °С в летний.

Применение вертикального скважинного коллектора труба в трубе и использование глинографитной смеси при его размещении в грунте для интенсификации процесса извлечения геотермальной энергии [4] позволит стабилизировать температурный режим, при этом в холодный период года вода будет подогреваться, а в жаркий охлаждаться.

Список использованной литературы

1. Национальный доклад Украины о гармонизации жизнедеятельности общества в окружающей природной среде: Специальное издание к пятой Общеевропейской конференции министров окружающей среды Окружающая среда для Европы – Киев, 2003.
2. Костенко В. К. Восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Проблемы недропользования: междунар. форум-конкурс молодых ученых, 23–25 апреля 2014 г.: сборник науч. тр. Часть ІІ. – Санкт-Петербург, 2014. – C. 131–133.
3. Кислица А. С. Низкозатратные фитотехнологии для очистки сточных вод, защиты рек и водохранилищ от загрязнения. – Харьков: Украинский центр фитотехнологий, 2007. – 18 с.
4. Костенко В. К. Патент на корисну модель № 91730 Україна, МПК F24J3/08. Спосіб видобування геотермального тепла / В. К. Костенко, О. Л. Зав'ялова, І. В. Скринецька, О. С. Шипика, О. П. Чепак, Ю. І. Філатов; заявник і власник ДонНТУ. – № u2014 02110; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.07.2014, Бюл. № 13.