Экологическое совершенствование технологии обработки продуктов гидросмыва свиноводческих комплексов с применением фосфогипса (на прим

    Наибольшее значение в реакциях органоминерального взаимодействия фосфогипса и продуктов ГСК имеют карбоксильные и фенольные группы. В результате реакции с ионами металла образуются соли (гуматы) или комплексные соединения, которые, по Стевенсону, могут в кислой среде проходить по следующей схеме:

    а при увеличении pH образуются соединения типа:

    Устойчивость  образующихся соединений различна. При  pH ниже 5 гуматы Ca²⁺, Sr²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺ практически не разрушаются. При pH 7 величины констант устойчивости для этих гуматов составляют 5–6, а при pH 11 увеличиваются до 8–9. Устойчивость соединений гуминовых кислот с Cu²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ имеет промежуточное значение. Например, для соединений гуминовых кислот с Fe²⁺ константа устойчивости в кислой среде (pH 3) составляет 11, но при подщелачивании устойчивость понижается и при pH 9 соединение разрушается.

    Внесенные в продукты ГСК ионы кальция более активны и находятся в избытке, поэтому они способны  конкурировать с ионами стронция в химических реакциях, протекающих в почвенных растворах, тем самым, препятствуя проникновению ионов стронция в растения (С.В. Свергузова, 2008).

    Анализ  качественных (химических и физических) характеристик фосфогипса, который проводился с целью оценки экологически безопасного использования его для фракционирования продуктов ГСК, позволил рекомендовать фосфогипс для применения в технологии обработки отходов свиноводческих хозяйств. Дальнейшие экспериментальные исследования направлены на установление оптимальных параметров процесса фракционирования продуктов ГСК с использованием фосфогипса и оценки экологической безопасности усовершенствованной технологии.  

    2.2 Методики экспериментальных исследований

    Исследования  выполнены в лабораторных и промышленных условиях по методикам, рекомендованным Госстроем РФ и АМН РАН. Лабораторные исследования проб жидких отходов и атмосферного воздуха выполнены в лаборатории промышленной экологии и микробиологии ЮРГТУ (НПИ), аккредитованной эколого-аналитической лабораторией ФГНУ «РосНИИП» (ЮжНИИГиМ).

    Реагентная  обработка продуктов ГСК проводилась в диапазоне температур 5–30 ºС. Реактивы, используемые для выполнения анализов, имели марки «ХЧ» и «ЧДА».

    Химический  метод использовался при определении взвешенных веществ. Физико-химические методы применяли при определении величины pH и количества нитритных и нитратных форм азота, фосфора. Содержание загрязняющих веществ – диоксида серы (SO₂), диоксида азота (NO₂), метилмеркаптана, сероводорода (H₂S) определяли по методике РД 52. 04. 186 – 89. Калий, натрий, стронций определяли физическим методом атомно-абсорбционной пламенной фотометрии.

    Для биологического исследования продуктов ГСК применяли метод биотестирования, в качестве тест-объектов использовали простейшие вида Tetrachymena pyriformis и Paramecium caudatum. Для диагностики токсического воздействия на микронаселение почв исследуемых продуктов ГСК, обработанных фосфогипсом, использовали метод посева на твердые питательные среды. Помимо того, проводили экотоксикологическую оценку по прорастанию семян высших растений редиса сорта “Розово–красный круглый с белым кончиком”  согласно СанПиН 2.1.7. 573 – 96.

    Характеристику почвы определяли стандартными методами. Гигроскопическую влажность, содержание гумуса – по Тюрину, pH_вод – по ГОСТ 26423-85, карбонаты – по Кудрину, гранулометрический состав–по Качинскому.

    Объектом исследований является лугово–черноземная почва со следующими характеристиками: pH 8,5, плотность –2,65 г/дм³, содержание гумуса в пределах 5%, карбонатов–1,5 моль/100 г почвы,  количество почвенных частиц на глубине 0-0,3 мм с размерами <0,01 составили 30% и <0,001 – 70%.

    Расчет  рассеивания газовых выбросов от накопителя жидких отходов свиноводческих комплексов выполнен с помощью универсальной программы УПРЗА «Эколог – 3.0», которая реализует методику расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОПД – 86), Госкомгидромета.

    Исследование  процесса обработки продуктов ГСК новым реагентом – фосфогипсом – проводили в лабораторных условиях путем реализации полного факторного эксперимента типа 2⁴, использовали стандартные методы математической и статистической обработки данных.

    При расчете бортового отсоса, улавливающего загрязняющие вещества, используется разработанная авторами программа для ПЭВМ, выполненная в среде MathCad 2001.

    Таким образом, используемые методики позволили достичь наиболее полной точности и достоверности при получении результатов  экспериментальных исследований. 

    2.3 Определение экспериментальных закономерностей

    реагентного фракционирования продуктов  гидросмыва  
свиноводческих комплексов 

    Разделение  коллоидной системы продуктов ГСК достигается путем обработки их известковым молоком до pH 9,5-11,5 (рисунок 1), с последующей нейтрализацией суспензией фосфогипса до нормируемых значений pH 6,5-8,5. Процесс растворения реагентов в продуктах ГСК происходит при интенсивном перемешивании в течение 3-5 минут и температуре среды t=20ºС. При использовании суспензии фосфогипса для нейтрализации продуктов ГСК с pH 11,5 до 6,5 требовались высокие дозы реагента (от 35 до 52 г/дм³), что не позволяло использовать разрабатываемый реагент в технологии обработки продуктов ГСК. По–видимому, это связано с высоким содержанием инертного вещества в фосфогипсе, в частности, количество действующего вещества (P₂O₅) не превышает 1 % в его составе.

    Дальнейшие исследования направлены на установление оптимальной дозы фосфогипса при использовании его в качестве подкисляющего реагента при фракционировании продуктов ГСК. По результатам многочисленных экспериментальных исследований выявлено, что при внесении в суспензию фосфогипса ортофосфорной кислоты в соотношении по объему  500:1 возможно значительное снижение дозы подкисляющего реагента (рисунок 2), что можно объяснить повышением содержания активного P₂O₅ до 30 мг/дм³.

Из рисунка 3 следует, что при обработке продуктов ГСК предлагаемыми реагентами время разделения составляет 40–60 мин, тогда как в типовых отстойных сооружениях оно достигает 2 часов (СНиП 2.04.03–85*). Ускорение процесса разделения позволит уменьшить объем отстойников, что значительно снизит капитальные затраты на строительство сооружений. Особый интерес для экологической оценки усовершенствованной технологии представляет исследование влияния фосфогипса при разделении продуктов ГСК на изменение физико-химических свойств получаемых фракций.

    Полученные  результаты фракционирования продуктов ГСК показали, что, в сравнении с ранее описанными видами обработки, в жидкой фракции наблюдается сохранение и даже увеличение  P₂O₅ до 730 мг/дм³, твердой – до 920 мг/дм³, что свидетельствует о повышении их  агрохимической ценности  как органоминеральных удобрений.

    Результаты  определений изменения pH, влажности, зольности, содержания органического вещества и углерода, а также концентрации общего, аммиачного, нитритного и нитратного азота, общего фосфора, общего калия и соотношение основных биогенных компонентов приведены в таблице 1.

    В результате экспериментальных исследований степени дезодорации атмосферного воздуха при обработке продуктов ГСК с использованием фосфогипса, установлено снижение концентраций метилмеркаптана с 45 до 3,9 мг/дм³, диоксида серы–с 42 до 0,25 мг/дм³.  

    Таблица 1 - Результаты исследований физико-химических показателей и содержания биогенных элементов в исходных продуктах гидросмыва  и после их двух стадийной обработки реагентами

    По-видимому, это связано, с гибелью бактерий аммонифицирующих белок (V. desulfuricans), и бактерий, аммонифицирующих мочевину (V. desulfuricans), восстанавливающих сульфаты до H₂S (Tn.  Denitrificans), переводящих нитраты в аммиак и азот, а также Cl. Pasterianum, вызывающих масляно-кислое брожение, обуславливающих зловонный запах и химическими реакциями, протекающими между загрязняющими веществами и вносимыми реагентами при фракционировании продуктов ГСК.

    Полученные  результаты позволили выполнить расчет рассеивания газовых выбросов от сооружений на примере свиноводческого комплекса ООО “Аксайская Нива ”, г. Аксая, Ростовской области с помощью универсальной программы УПРЗА «Эколог – 3.0», на основании которых была скорректирована санитарно–защитная зона с 3380 до 1650м.

    Статистическую  обработку результатов лабораторных экспериментов проводили с использованием методов наименьших квадратов. Исследования механизма получения органоминерального удобрения из продуктов ГСК, обработанных известковым молоком и фосфогипсом, проводили в лабораторных условиях путем реализации полного факторного эксперимента типа 2⁴. Факторами, определяющими процесс, были приняты: X₁ – доза известкового молока (Д_и, г/дм³); X₂–доза смеси суспензии фосфогипса и ортофосфорной кислоты (Д_ф, г/дм³); X₃ – время контакта продуктов ГСК со смесью фосфогипса и ортофосфорной кислоты ( t_ф, мин.); X₄ – температура обрабатываемых продуктов ГСК (t_с, ºС). Параметрами оптимизации являлись: Э – эффект разделения на жидкую и твердую фракцию, % (Y₁); Т_отс. – время отстаивания, час (Y₂); C_ф1 – концентрация оксида фосфора в жидкой фракции после обработки продуктов ГСК, мг/дм³ (Y₃); С_ф2 – концентрация  оксида фосфора в твердой фракции после обработки продуктов ГСК, мг/дм³ (Y₄). По результатам статистической обработки выведены следующие уравнения регрессии: Э = 0,82375 + 0,12375·Д_и + 0,20875· t_с – 0,09625·Д_и·t_ф + 0,105·Д_ф ·t_ф – 0,11375·t_ф · t_с; Т_отс = 1,309375 – 0,22813·Д_ф + 0,153125 t_с – 0,17823·Д_и ·t_ф + 0,176125·Д_ф ·t_ф – 0,17813·t_ф t_с ; С_ф1 = 502,6125 + 134,7125·Д_ф – 100,675·Д_и·t_ф – 64,7625·Д_и· t_с + 74,1·Д_ф·t_ф + 73,9625·Д_ф t_с; С_ф2 = 716,7125 + 182,6·Д_и + 169,2625·Д_ф + 92,5625 t_с – 114,625·Д_и·t_ф + 115,6725·Д_ф ·t_ф – 119,588·t_ф t_с

    Анализ  уравнений регрессии эффекта  разделения продуктов ГСК на жидкую и твердую фракции показал, что  наиболее значимыми факторами являются дозы фосфогипса и известкового молока.