Наукові засади еколого-синергетичного підходу до процесу утилізації фосфогіпсу для зменшення техногенного навантаження на довкілля

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми зниження рівня техногенного навантаження на довкілля від відвалів відходів хімічної промисловості на основі розроблення еколого-синергетичного підходу до визначення синергетичних ефектів процесів накопичення та складування масивів фосфогіпсу, що сприяють зниженню впливу на прилеглі до урбоекосистем території. Сформовано еколого-синергетичні засади моделювання впливу відвалів фосфогіпсу на природні компоненти довкілля, зокрема, розроблено наукові засади оцінювання техногенного впливу процесу накопичення фосфогіпсу на екосистему та здійснено моделювання міграції важких металів (ВМ) із техногенного масиву відвалу в грунтовий комплекс едафотопу. Розроблено наукові засади створення технологічних схем утилізації фосфогіпсу в системах біодесульфуризації газових потоків з рециклінгом матеріальних потоків, що забезпечить формування нового напряму його використання в технологіях захисту атмосферного повітря зі створенням екологічно безпечної технології оброблення та отриманням корисних продуктів утилізації, що грунтуються на еколого-синергетичних процесах сорбційної іммобілізації на носії з фосфогіпсу. Для підвищення екологічної безпеки станцій очищення стічних вод обгрунтовано напрям утилізації фосфогіпсу в системах анаеробної стабілізації стічних вод та мулових осадів (МО) для інтенсифікації процесів дефосфатації. Визначено еколого-синергетичні механізми вилучення фосфатів зі стоків і МО при введенні в систему фосфогіпсу в технологіях захисту водних екосистем. Для підвищення рівня екологічної безпеки природно-антропогенних ландшафтів, забруднених ВМ, досліджено еколого-синергетичні механізми впливу біокомпозита у системі "грунт – мікробний біом – токсикант" та виявлено ряд протекторних перетворень, що визначають довгострокову фіксацію ВМ у стійких нерозчинних структурах. Здійснено математичне моделювання впливу біокомпозита як продукту анаеробної стабілізації МО та фософгіпсу на захисні функції грунту та відповідно розроблено еколого-синергетичну модель його впливу на процес природного регулювання буферних властивостей грунтового комплексу. Практична значущість роботи підтверджена результатами промислових випробувань розроблених екологічно безпечних технологій, одним патентом на винахід України, двома патентами на корисну модель та актами впровадження у виробничий і навчальний процеси.

Диссертация посвящена решению научно-прикладной проблемы снижения уровня техногенной нагрузки на окружающую среду от отвалов отходов химической промышленности на основе разработки эколого-синергетического подхода к определению синергетических эффектов процессов накопления и складирования массивов фосфогипса, способствующих снижению воздействия на прилегающие к урбоэкосистемам территории. Сформированы эколого-синергетические основы моделирования влияния отвалов фосфогипса на природные компоненты окружающей среды, в частности, разработаны научные основы оценки техногенного воздействия процесса накопления фосфогипса на экосистему и осуществлено моделирование миграции тяжелых металлов (ТМ) из техногенного массива отвала в почвенный комплекс едафотопа. Разработаны научные основы создания технологических схем утилизации отвального фосфогипса в системах биодесульфуризации газовых потоков с рециклингом материальных потоков, обеспечивающие формирование нового направления его использования в технологиях защиты атмосферного воздуха с созданием экологически безопасной технологии обработки и получением полезных продуктов утилизации, основанных на эколого-синергетических процессах сорбционной иммобилизации на носителе из фосфогипса. Для повышения экологической безопасности станций очистки сточных вод обосновано направление утилизации фосфогипса в системах анаэробной стабилизации сточных вод и иловых осадков (ИО) для интенсификации процессов дефосфатации. Определены эколого-синергетические механизмы изъятия фосфатов из стоков и ИО при введении в систему фосфогипса в технологиях защиты водных экосистем. Для повышения уровня экологической безопасности природно-антропогенных ландшафтов, загрязненных ТМ, исследованы эколого-синергетические механизмы влияния биокомпозита в системе "почва – микробный биом – токсикант" и выявлено ряд протекторных преобразований, определяющих долгосрочную фиксацию ТМ в устойчивых нерастворимых структурах. Проведено математическое моделирование влияние биокомпозита как продукта анаэробной конверсии ИО и фософогипса на защитные функции почвы и соответственно разработана эколого-синергетическая модель его влияния на процесс естественного регулирования буферных свойств почвенного комплекса. Практическая значимость работы подтверждена результатами промышленных испытаний разработанных экологически безопасных технологий; одним патентом на изобретение Украины, двумя патентами на полезную модель и актами внедрения в производственный и учебный процессы.

The thesis deals with the solution of scientific-applied issue of reducing the manmade impact on the environment of waste dumps of chemical industry. The environmental synergetic approach reducing the manmade impact on the territories adjacent to urban ecosystems has been developed to determine the synergistic effects of accumulation and storage of phosphogypsum arrays. The environmental synergetic basis for modeling of phosphogypsum dumps effect on the environment components has been formed. In particular, the scientific basis for estimation of manmade impact of phosphogypsum accumulation on an ecosystem and heavy metals (HM) migration from a man-made dump to a soil complex of an edaphotop has been developed. The scientific basis of flow diagrams of phosphogypsum dumps recycling in biodesulfurization systems of gas flows with material flows recycling has been developed. They promote a new direction of phosphogypsum application in the atmospheric air protection technologies with the formation of environmentally safe processing technologies and the production of useful recycling products based on the environmental synergistic processes of immobilization sorption on phosphogypsum carrier. To increase the environmental safety of wastewater treatment plants the recycling of phosphogypsum in the anaerobic stabilization systems of wastewater and sludge sediments (SS) in order to intensify dephosphatation has been substantiated. Environmental synergistic mechanisms of phosphate and SS removal from effluents are determined at phosphogypsum processing in the protection systems of aquatic ecosystems. The environmental synergistic mechanisms of biocomposite influence in the system "soil – microbial biome – toxicant" has been investigated to increase environmental safety of natural and anthropogenic landscapes contaminated with HM. A number of sacrificial transformations were identified that determine long-term fixation of HM in stable insoluble structures. Mathematical modelling of the biocomposite effect as a product of anaerobic conversion of SS and phosphogypsum on the soil protective functions has been carried out and, accordingly, the environmental and synergetic model of its influence on the natural regulation process of the buffer properties of the soil complex has been developed. The practical significance of the paper was confirmed by the results of industrial tests of the developed environmentally safe technologies, one patent for invention of Ukraine, two patents for utility model and introduction acts in the manufacturing and training processes.