6576
.pdf
Токсичность ОСВ в основном определяется наличием в них ионов тяжёлых металлов. В большинстве случаев в осадках ГОС МНП тяжёлые металлы находятся на уровне ОДК металлов в почве, однако в ряде случаев наблюдается превышение концентрации металлов, тогда они нуждаются в детоксикации.
В табл. 4 приведена классификация осадков городских сточных вод по валовому содержанию тяжелых металлов и мышьяка. К первой категории относятся осадки малых и средних городов - Подольска, Серпухова (Московской обл.), Пушкина (Ленинградской обл.), Сергача, Арзамаса, Городца (Нижегородской обл.). Следует отметить, что осадки большинства МНП не могут быть отнесены к данной классификации, т.к. содержание в них металлов меньше, чем в осадках, относящихся к первой категории приведённой классификации.
Таким образом, по содержанию ИТМ осадки МНП попадают в первую группу осадков по ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, т.е. могут вноситься под сельхозкультуры.
В то же время ОСВ городов Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород (которые относятся к средним и крупным промышленным городам с низким уровнем локальной очистки) существенно загрязнены тяжелыми металлами и требуют безусловной детоксикации (рис. 2),
11
Летальная доза комплексов зависит от размера микроорганизма. Дозы, при которых погибают вирусы, патогенная микрофлора и яйца гельминтов, недостаточны для гибели более крупных представителей естественной микрофлоры и более сложных организмов. Гибель микроорганизмов и яиц гельминтов происходит в течение 40 - 60 минут после контакта комплексов с оболочкой. Жизнедеятельность погибших микроорганизмов и яиц гельминтов не возобновляется.
На рис. 3 и 4 приведены зависимости доли выжившей патогенной микрофлоры (LD) и доли неповрежденных яиц гельминтов (LG) в осадке от содержания комплексов меди (С, ммоль/кг).
9 С, ммоль/кг
Рис. 3. Зависимость доли не погибшей патогенной микрофлоры от дозы ГАКМ: 1- выдержка 40 мин; 2 выдержка 2 часа
Рис. 4. Зависимость доли неповрежденных яиц гельминтов от дозы ГАКМ: 1- выдержка 40 мин; 2 - выдержка 2 часа
12
Подавление на 100% патогенной микрофлоры достигается при введении в
осадок комплексов меди в количестве не менее 9 ммоль/кг сух.в-ва, а яиц гельминтов - в количестве не менее - 11,5 ммоль/кг. Выбранная доза комплексов меди 12 ммоль/кг сух.в-ва, что соответствует 12 мл/кг раствора ГАКМ.
Для построения математической модели процесса дегельминтизации, а также для определения влияния времени контакта и влажности осадка проводилось планирование полнофакторного эксперимента 2(3-0) . В качестве зависимой переменной выступала доля погибших яиц гельминтов (Lгг).
Полученные результаты представлены в виде математической модели процесса, которая описывается уравнением (2):
В ходе экспериментальных исследований по обеззараживанию осадков выявлено влияние ГАКМ на водоотдающую способность осадков. При антибактериальной обработке и дегельминтизация из массы обработанного осадка прекращаются выделение пузырьков газа и процессы брожения и
гниения. При этом происходит изменение структуры коллоидных частиц. Они укрупняются, приобретают вид хлопьев и начинают оседать с отделением иловой жидкости. Иными словами, бактерицидные композиции влияют на осадок аналогично коагулянтам или флокулянтам, снижая удельное сопротивление осадков фильтрованию, т.е. применение ГАКМ позволит сократить потребную площадь иловых площадок или время необходимое для обезвоживания осадков, а в случае механического обезвоживания осадков сократить расход реагентов.
Обезвреживание осадка подразумевает его обеззараживание и дегельминтизацию, а так же снижение негативного воздействия токсичных ионов тяжёлых металлов путём их извлечения из осадков, либо перевода в нетоксичные, малорастворимые комплексы.
В качестве реагента для детоксикации используется композиция натриевых солей аминокислот. Действие реагента основано на связывании ионов тяжелых металлов в первую очередь хрома, никеля, кобальта, меди, цинка, кадмия, свинца в устойчивые нетоксичные, биологически стабильные и малорастворимые аминокислотные комплексы, подобные соединениям, в виде которых металлы находятся в природных нетоксичных почвах.
Необходимое количество анионов аминокислот (Vce, моль/кг сух.в-ва), требуемых для связывания всех катионов тяжелых металлов, рассчитывается по формуле (3) с учётом коэффициента k, определяемого экспериментально в зависимости от среднегодового колебания концентрации металлов в осадке:
где |
Me - металл, подлежащий детоксикации, Ме={1, 2, ... N}\ |
|
|
N - число тяжелых металлов, подлежащих детоксикации, в осадке; |
|
|
mMe |
- масса металла Me, в пересчете на сухое вещество осадка, мг/кг; |
|
MMe - молярная масса металла Me, мг/моль; |
|
|
λ Me |
- валентность металла Me; |
|
k |
- коэффициент. |
Проверка выбранной дозы реагента проводится контрольной обработкой образца осадка, путем дозирования порций НСАК, с последующим перемешиванием массы, до достижения рН >=7,5. При дальнейшем увеличении дозы реагента наблюдается резкое повышение рН.
На рис. 5 приведены графики рН-метрического титрования осадков детоксикантом, первая кривая рН-метрического титрования имеет точку перегиба при дозе реагента 17,8 ммоль, вторая кривая при дозе 21,0 ммоль.
Фактическая доза дегоксиканта больше расчётной на 4-6%, что связано с погрешностью при определении концентрации ионов тяжёлых металлов. Поэтому доза, на 7-8 % выше расчётной, гарантирует необходимую полноту связывания ионов металлов. Для осадка, обработанного детоксикантом, значение средней смертельной дозы более 20 г/кг.
Как отмечалось, в качестве аминокислотных реагентов использовались реагенты, получаемые из белоксодержащих отходов различных производств (кожа, пух, перо и т.д.) по технологии ГосНИИОХТ (проф. Фридман А.Я.). Однако данные реагенты производятся централизованно (в г. Москва), небольшими партиями. С этих позиций представляет интерес производство
14
подобных реагентов на локальных установках непосредственно на месте их потребления. С этой целью были проведены исследования по изучению возможности производства реагентов из осадков городских сточных вод. В качестве сырья изучались: сырой осадок, активный ил и их смесь. Наиболее эффективным оказалось использование активного ила: содержание белка в нём около 40%, технология производства более простая.
На основании проведённых исследований была разработана установка по производству бактерицидного и детоксицирующего реагента из активного ила. По этой схеме реагент получают следующим образом (рис. 6.): активный ил после отстойника или илоуплотнителя (влажность 98-99.3%) обезвоживают на мембранном фильтре. Кек подсушивают до влажности 40%, измельчают и помещают в автоклав. Туда же вводят NaOH. Далее смесь подвергают гидролизу в течение 20-30 минут при температуре 100-150°С. Гидролизат, содержащий натриевые соли аминокислот (2-3 моль/л), соответствует реагенту с торговым названием АК-ЗЭ. При добавлении в гидролизат раствора аммиакатной меди в виде отработанного раствора травления печатных плат получают 0,6-0,8~молярный раствор бактерицидного реагента, аналогичного составу ММЭ-Т. Получение бактерицидного реагента протекает в соответствии с реакцией (4):
15
Эффект обезвреживания осадков во многом определяется местом ввода реагента в осадок. Изучалась подача реагента в осадок перед его уплотнением, после уплотнения, на стадии обезвоживания. На рис. 7 представлены типовые схемы биологических очистных сооружений МНП с указанием возможных мест ввода аминокислотных реагентов в массу осадка.
Рис. 7. Места возможного ввода реагентов при различных схемах очистки сточной жидкости:
А - в поступающую на очистку сточную жидкость; Б - в избыточный активный ил перед иловыми площадками; В - в неуплотнённую смесь избыточного активного ила и сырого осадка; Г - в уплотнённую смесь избыточного активного ила и сырого осадка; Д - в сброженный осадок двухъярусных отстойников; Е — в минерализованный осадок перед иловыми площадками, а - схема с малогабаритной очистной установкой; б - схема с аэрационной установкой; в - схема с аэрационной установкой и илоуплотнителем; г - схема с аэрационной установкой, илоуплотнителем и сбраживанием сырого осадка; д - схема с аэрационной установкой, илоуплотнителем и аэробной стабилизацией осадков. 1 ~ решётки; 2 - песколовки; 3 — аэрационная секция очистной установки; 4 — отстойник; 5 - контактные резервуары; 6 - хлораторная; 7 — насосная станция перекачки ила; 8 - сборник осадка из контактных резервуаров; 9 - сборник ила; 10 - песковые и иловые площадки; II - осадкоуплотнитель; 12 - двухъярусный отстойник, или осветлитель-перегниватель; 13 ~ первичный отстойник; 14 — малогабаритная очистная установка; 15 — аэробный минерализатор
16
Выбор того или иного места определяется в каждом конкретном случае, исходя из особенностей технологии очистки сточных вод и обработки осадков.
Одним из способов подготовки удобрения из обработанных аминокислотными реагентами ОСВ является их компостирование. Компостирование позволяет получить:
•безопасное в санитарном отношении, эффективное органоминеральное удобрение с низким содержанием токсичных веществ (за счет "разбавления" наполнителем);
•рыхлый субстрат с оптимальным соотношением N:C, удобный для использования и имеющий более привлекательные по сравнению с
исходным осадком потребительские качества.
Опыты по компостированию осадков проводились на очистных сооружениях города Серпухова.
Результаты проведенных в ЦГСЭН г. Серпухова паразитологических и бактериологических анализов показали полное отсутствие гельминтов и их жизнеспособных яиц, а также патогенной микрофлоры в компостах, приготовленных из обезвреженных ОСВ. Кроме того, полученные компосты не оказывают токсического действия на растения и гидробионтов.
На основании проведенных исследований и литературных данных разработана технология компостирования осадков сточных вод, обезвреженных реагентами на аминокислотной основе. При этом закладку штабеля можно производить на свободной иловой площадке или специально подготовленной площадке на территории очистных сооружений (рис. 8).
17
В ходе проведения работ по обеззараживанию ОСВ возникла необходимость оценить влияние антибактериального реагента, поступающего в начало ОС с фугатом после иловых площадок, на биохимические процессы очистных сооружений. В лаборатории ООО НВФ «Лесма» была смоделирована работа биологических очистных сооружений при добавлении в сточную жидкость ГАКМ в различных соотношениях. Исследования показали, что введение ГАКМ в сточную воду перед подачей непосредственно в аэротенк, даже при соотношении расходов ГАКМ и СВ 1:100, не оказывает ингибирующего воздействия на биоценоз активного ила. В реальных условиях ГАКМ, попадая в начало очистных сооружений, будут разбавляться как минимум в 2 млн раз на НСА и в 400 тыс. раз на ГОС г.Сергача и не будут оказывать негативного влияния на работу очистных сооружений (рис. 9).
Бактериологический анализ осадков и компостов осуществлялся в соответствии с МУ 2.1.5.800-99 «Организация Госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод», МУК 4.2.796-99 «Методы санитарнопаразитологических исследований» и «Оценочные показатели санитарного состояния почвы населенных мест» №173/9-77, М., 1977. Исследования проводились в бактериологической лаборатории Нижегородской станции аэрации, на базе Московской академии ветеринарной медицины и биотехнологии, в ЦГСЭН г. Серпухова.
Исследования токсичности исходных, обработанных осадков сточных вод и компостов на их основе (на биотестах) проводились по стандартным методикам в лаборатории экологической и промышленной токсикологии Нижегородского государственного университета им. Н.Н. Лобачевского; в группе цитогенетической безопасности лаборатории радиационной экологии ИТЭБ РАН, ИФПБ РАН и лаборатории ННГАСУ.
В работе решается задача построения оптимального типоразмерного ряда установок обезвреживания осадков, удовлетворяющих потребности отрасли. При решении этой задачи учитывается степень применяемости, режимы работы, надежность оборудования.
Типоразмерный ряд строится на основании производительности
18
установок по используемому реагенту, количество которого в свою очередь зависит от количества ОСВ. На основании определённых расходов и рядов предпочтительных чисел по ГОСТ 8032-84 было составлено два типоразмерных ряда производительностей установок обезвреживания осадков сточных вод.
Первый выглядит следующим образом: 0,4; |
0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; |
|
25; 40; 63; 100; |
160 и обозначается - R5(0,4... 160). Второй ряд составлен из |
|
каждого третьего |
члена основного ряда R5, |
обозначается - R5/3 (0,4... 100) и |
выглядит следующим образом 0,4; 1,6; 6,3; 25; 100.
Четвертая глава посвящена разработке методики применения ОСВ в сельском хозяйстве.
Применение обезвреженных ОСВ в качестве почвоулучшающей композиции необходимо производить в соответствии с нормативными документами, регламентирующими порядок обращения с осадками сточных вод (ГОСТ Р 17.4.3.07 2001, СанПин 2.1.7.573-96, «Типовой технологический регламент...»), с расчетом возможной вносимой дозы на единицу площади и контролем содержания загрязнений в почве и растениях.
Использование осадков сточных вод, обработанных аминокислотными реагентами, в качестве почвоулучшающей композиции является наиболее целесообразным направлением утилизации осадков и эффективным средством повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных и технических культур. Кроме того, утилизация ОСВ позволяет снизить антропогенное воздействие на окружающую среду, возникающее при их хранении и несанкционированном использовании.
Нормированное внесение ОСВ в почву не вызывает негативного воздействия на выращиваемые культуры, растения и микроценозы почв. Нормы внесения осадков устанавливают в зависимости от их удобрительной ценности и содержания тяжелых металлов в почвах и осадках.
Необходимо особо подчеркнуть, что детоксикациядяжелых металлов в осадке аминокислотными реагентами исключает риск локальных превышений ПДК металлов, возникающих вследствие неравномерности распределения слоя осадка по поверхности почвы при внесении ОСВ.
В пятой главе приводятся результаты внедрения научных разработок. На рис. 10 - технологическая схема обезвреживания осадков сточных
вод, разработанная автором для станции аэрации города Сергача.
В соответствии с проектом, выполненным для городских очистных сооружений г.Сергача, установка, осуществляющая дозирование обеззараживающего реагента — гидроксоаминокис-гютных комплексов меди, размещается в существующем помещении компрессорной станции.
Дозирование реагента производится в иловый трубопровод перед илоуплотнителем, что позволяет обеспечить надлежащее перемешивание и время контакта реагента с осадком. Расчётная доза одномолярной аминокислотной композиции 0,4-0,5 л/м3 осадка влажностью 99,3%. Расход реагента при этом составит 7,84-9,8 л/сут.