6576

На правах рукописи

Котов Александр Владимирович

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

МАЛЫХ НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ

25.00.36 - Геоэкология

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2005

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Губанов Леонид Никандрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кучеренко Владимир Ильич,

кандидат биологических наук, доцент Савинов Александр Борисович

Ведущая организация

ОАО «НИЖЕГОРОДСКИЙ САНТЕХПРОЕКТ»

Зашита состоится « 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.162.02 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус V, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Большую часть поселений РФ составляют малые города и посёлки с численностью населения до 50 тысяч человек (88,4%) на очистных сооружениях которых образуется до 30% осадков, проблема обработки и утилизации которых стоит не менее остро, чем в крупных промышленно развитых городах.

Малые населённые пункты (МНП), находясь на большом удалении от крупных городов, как правило, имеют мало эффективные, морально и технически устаревшие системы очистки сточных вод (СВ) и обработки осадков. Осадки СВ, образующиеся на этих очистных сооружениях, по составу, характеру загрязнений и бактериальной обсеменённости значительно отличаются от осадков промышленных городов. Практически во всех МНП выпуск СВ осуществляется в малые реки либо на рельеф местности. Выделенные осадки сточных вод (ОСВ) III-IV класса опасности складируются в непосредственной близости от сельскохозяйственных угодий или в пойме водоёмов, не вывозятся и не утилизируются. Малые реки обладают низкой буферной ёмкостью, поэтому попадание в них даже небольшого количества необезвреженных СВ или ОСВ может привести к экологической катастрофе. Складирование выделенных ОСВ в непосредственной близости от сельхозугодий создает предпосылки для несанкционированного использования их в качестве удобрений, что может привести в конечном итоге к заражению и отчуждению пахотных почв. Вместе с тем использование ОСВ, обработанных, обезвреженных в соответствии с современными природоохранными и техническими требованиями, помогает решить ряд вопросов, связанных с увеличением плодородия почв, снижением площади полигонов, занятых под ОСВ, без негативных последствий для человека и окружающей его природной среды.

Таким образом, создание комплексной научно обоснованной технологии

площадь иловых карт, снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, является одной из актуальнейших проблем современности.

На кафедре «Экологии и природопользования» ННГАСУ разработана технология, позволяющая проводить обезвреживание осадков сточных вод крупных населённых пунктов аминокислотными реагентами по различным схемам, включающим: только обеззараживание, только детоксикацию, а также совместное обеззараживание и детоксикацию.

Однако, учитывая, что характер, состав ОСВ МНП значительно отличается от ОСВ крупных промышленных городов, разработанные технологии не обеспечивают требуемого эффекта обезвреживания осадков. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования с целью разработки эффективных технологий обезвреживания и утилизации ОСВ МНП.

Научно-исследовательские работы проводились в рамках подпрограммы

3

Научная новизна работы

-теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность и целесообразность решения важной эколого-экономической проблемы - утилизации экологически опасных осадков сточных вод МНП путем их переработки Б почвоулучшающую композицию с использованием аминокислотных реагентов, получаемых из осадков сточных вод;

-разработана принципиально новая экологически безопасная комплексная

технология обезвреживания и утилизации осадков сточных вод МНП аминокислотными композициями, обеспечивающая возможность использования обработанных осадков в качестве почвоулучшающей органоминеральной композиции;

-изучены параметры процессов детоксикации, обеззараживания и дегельминтизации ОСВ малых населённых пунктов;

-осуществлено многофакторное планирование эксперимента по обеззараживанию ОСВ, получена математическая модель процесса;

-разработана методика дозирования аминокислотных реагентов в осадок с целью его обезвреживания;

-разработана технология получения аминокислотных реагентов из ОСВ;

-разработаны обобщенные рекомендации по обезвреживанию различных видов осадков МНП;

-изучены санитарно-гигиенические, токсикологические и агрохимические свойства ОСВ, обезвреженных аминокислотными реагентами, и компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;

-разработана технология получения аминокислотных реагентов из ОСВ;

-проведена декомпозиция систем очистки СВ с построением параметрического ряда установок обеззараживания осадков;

-разработан проект изменений и дополнений к нормативным документам в сфере обращения с ОСВ;

-по материалам диссертационной работы подготовлена заявка на получение патента на способ обезвреживания ОСВ.

Практическое значение работы

В результате исследований установлена целесообразность обезвреживания образующихся ОСВ реагентами на аминокислотной основе. Разработанная технология позволяет отказаться от дорогостоящих, сложных в эксплуатации термических методов обработки осадков, а также от сбраживания ОСВ в метантенках. Разработанная технология может быть использована проектными организациями при проектировании и реконструкции любых очистных сооружений МНП.

Вовлечение обработанного осадка в сельское хозяйство позволит сохранить плодородие земель, повысить урожайность сельхозкультур, увеличить масштабы производства и вместе с тем обеспечит возможность вывода из нерациональной эксплуатации больших площадей, занимаемых иловыми площадками.

Разработан и внедрён проект установки обезвреживания ОСВ г.Сергача реагентами на аминокислотной основе.

4

Разработан проект изменений и дополнений к ряду нормативных документов в области обращения с ОСВ.

Реализация результатов исследований

Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов установок для обезвреживания ОСВ станции биологической очистки сточных вод г. Нижнего Новгорода, г. Сергача и переданы для практического использования в Министерство образования и науки РФ, Министерство природных ресурсов РФ, ОАО «Нижегородский Сантехпроект», МП «Нижегородский Водоканал», СЭС Нижегородской обл. и Горзеленхоз Г.Н.Новгорода, Администрацию Сергачского района Нижегородской области.

Апробация работы

Результаты работы были доложены и получили положительную оценку: на Всероссийской научно-практической конференции «Комплексное использование водных ресурсов регионов», г.Пенза, 2002; на научнотехнической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство" в ННГАСУ в 2003 г.; на Международном форуме «Великие реки», г. Н.Новгород, 2003-2005гг.

На защиту выносятся:

-результаты теоретических и экспериментальных исследований по обезвреживанию и утилизации ОСВ малых населённых пунктов;

-методика обезвреживания осадков МНП реагентами на аминокислотной основе;

-технология производства аминокислотных реагентов из осадков сточных вод;

-технология производства органоминеральной почвоулучшающей композиции на основе осадков сточных вод МНП;

-технология получения аминокислотных реагентов из ОСВ;

-типоразмерный ряд установок обезвреживания осадков,

-результаты исследований основных санитарно-токсикологических и агрохимических свойств ОСВ малых населённых пунктов до и после обезвреживания, а также компостов на их основе;

-графо-аналитические зависимости, описывающие процессы обезвреживания

ОСВ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 10 статей, 4 материала в виде тезисов докладов, отчет о научно-исследовательской работе, учебное пособие. Подана заявка на получение патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа имеет общий объем 171 страницу машинописного текста, содержит 26 таблиц, 28 рисунков, библиографический список из 150 наименований и 6 приложений.

5

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость, определены цель и задачи исследований.

Первая глава посвящена изучению состава, свойств и режимов образования осадков бытовых сточных вод, рассмотрены методы их обезвреживания и утилизации.

В процессе функционирования централизованных очистных сооружений городов основная масса загрязнений сточных вод аккумулируется и выделяется в виде влажных осадков (W = 95-99,6%). Осадки сточных вод (ОСВ) - сложная многокомпонентная система, состоящая из органической и минеральной частей. В ОСВ содержится большое количество микроорганизмов, в том числе патогенных, токсичных соединений особенно ионов тяжёлых металлов (Со, Cd, Си, Cr, Ni, Pb, Zn), в концентрациях значительно превышающих ПДК металлов в почве. Объем влажных осадков, образующихся на очистных сооружениях, составляет от 0,5 до 1,0 % от объема сточной воды в зависимости от технологической схемы очистки.

Качество ОСВ в основном зависит от нормы водоотведения, развития и характера промышленности, эффективности работы локальных очистных сооружений предприятий, от состава городских очистных сооружений (ГОС). Причём состав ГОС во многом является определяющим.

Анализ состава и свойств осадков городских очистных сооружений показал: осадки ГОС являются токсичным, опасным отходом III-IV класса опасности. Вместе с тем ОСВ являются ценным сырьевым материалом, который может быть использован в хозяйственной деятельности, т.е. одним из направлений обработки осадков является их утилизация. Утилизация ОСВ возможна после их обеззараживания и детоксикации, т.е. обезвреживания.

Применяемые методы обезвреживания осадков можно разделить на ликвидационные, консервационно-стабилизационные, утилизационные.

Наибольшее распространение получили консервационностабилизационные методы, основанные на переводе осадка в малоопасный отход, с последующим хранением, например на площадках складирования, депонирования. Однако они не обеспечивают глубокого обезвреживания осадков: не обеспечивается полная дегельминтизация осадков, а детоксикация вообще не происходит.

Утилизация осадков остаётся сложнейшей научной и производственной задачей. Основная трудность в решении этой проблемы заключается в том, что осадки ГОС представляет собой сложную физико-химическую смесь различных соединений металлов и органических веществ, затрудняющих решение задачи утилизации. Наиболее предпочтительным, на наш взгляд, является использование обезвреженных осадков в качестве почвоулучшающей композиции. В обществе сформировалось достаточно негативное отношение к использованию осадков в качестве удобрения. Вместе с этим получение из ОСВ почвоулучшающей композиции обусловлено следующими соображениями: вопервых, высокая удобрительная ценность ОСВ, по многим показателям

6

эквивалентных навозу крупного рогатого скота (табл. i). Во-вторых, в Российской Федерации осталось порядка 50% плодородных земель, в Нижегородской области - всего 19%. Урожайность сельхозкультур за последние 10-12 лет резко снизилась из-за того, что органо-минеральных удобрений недостаточно и они имеют высокую стоимость.

Исследования, проводимые ННГАСУ и другими исследовательскими организациями, посвящены обезвреживанию и утилизации осадков крупных промышленных городов, в осадках которых содержатся высокие концентрации ИТМ, вещества неизвестного химического состава и происхождения, патогенные микроорганизмы. Вопросам обезвреживания и утилизации осадков малых населённых пунктов (МНП) внимания, как правило, не уделяется. Предполагается что технологии обработки, обезвреживания и утилизации осадков будут идентичны технологиям, реализуемым на очистных сооружениях крупных населённых пунктов (КНП). Однако это далеко не так.

Таблица 1

Содержание органического вещества и питательных элементов в различных

К очистным сооружениям МНП предъявляются специфические требования, которые и определяют характер технологических схем.

Установки для очистки и обеззараживания воды должны быть просты в изготовлении и эксплуатации и обслуживаться минимальным количеством персонала. Установки должны обеспечить высокую надежность технологических процессов очистки и обеззараживания воды при использовании доступных реагентов, доставка и хранение которых не связаны с трудностями.

Анализ очистных сооружений Нижегородской области в 2000 году показал (рис. 1.), что на 84,4% очистных сооружений осуществляется биологическая очистка сточных вод (10,2% приходится на очистку в анаэробных условиях), в 8,8% случаев сточные воды подвергаются только механической очистке и 6,8% приходится на прочие методы (физикохимическая очистка, фильтрование).

Из проведённого анализа следует, что наибольшее количество осадков, образующихся на очистных сооружениях Нижегородской области, составляет избыточный активный ил из аэротенков или стабилизированный в аэробных условиях. Основным компонентом органической части осадка является белок, источником которого служат микроорганизмы.

Основной особенностью схем очистки СВ МНП является отсутствие в большинстве случаев сооружений по первичному отстаиванию СВ.

7

Обработка выделяемого осадка обычно заключается в его подсушивании на иловых площадках, в Нижегородской области исключение составляют лишь очистные сооружения г. Городца, где запроектирован цех механического обезвоживания осадка. Иловые площадки, несмотря на свои очевидные недостатки, остаются наиболее распространенным методом обезвоживания осадков сточных вод в МНП. Если на иловые площадки будет подаваться обеззараженный и детоксицированный осадок, то в большинстве случаев можно применять иловые площадки на естественном основании (примером могут послужить очистные сооружения г. Сергача), которые в 5-6 раз дешевле иловых площадок на искусственном основании с дренажем или поверхностным отводом воды.

Рис. 1. Распределение методов очистки сточных вод на очистных сооружениях МНП Нижегородской области, %:

1 - аэротенки (60,3%); 2 - КУ, ВИО, БОКС (31%); 3 - биофильтры (8,7%); 4 - поля фильтрации (80%); 5 - септики, двухъярусные отстойники (20%); 6 - отстойники (61,5%); 7 - нефтеловушки (38,5 %)

Таким образом, для улучшения экологической ситуации в регионе необходимо разработать эффективную универсальную технологию, учитывающую все особенности МНП, которая позволит обезвреживать и безопасно утилизировать вновь образующиеся осадки в сельском и городском хозяйстве.

Наиболее приемлемым методом обезвреживания осадков МНП является внесение в ОСВ бактерицидной и детоксицирующей композиции на основе аминокислот.

8

Во второй главе приведены результаты исследований по изучению состава осадков сточных вод МНП.

Сточные воды МНП, поступающие на очистные сооружения, представлены в основном бытовыми стоками.

Соотношение бытовых и промышленных стоков для крупных городов

агропромышленного профиля: хлебозаводы, молокозаводы, консервные заводы и т.д., сточные воды которых по составу близки к бытовым. При наличии машиностроительных предприятий в сточных водах МНП могут присутствовать токсичные соединения (типа тяжёлых металлов).

Таким образом, осадки СВ, образующиеся на очистных сооружениях МНП, по составу, характеру загрязнений и бактериальной обсеменённости значительно отличаются от осадков промышленных городов. В связи с этим проблема обработки осадков МНП имеет свою специфику, которая заключается в следующем: высокая концентрация микроорганизмов, в том числе яиц гельминтов (микробное число - 106-1010, число жизнеспособных яиц гельминтов - 30-400 шт/кг, в то время как для осадков КНП микробное число - 105-107, число жизнеспособных яиц гельминтов - 1-100 шт/кг); из-за невысокой нормы водопотребления (100 л/челхсут) осадки СВ малых населённых пунктов в санитарном отношении опаснее осадков СВ крупных промышленных городов (для МНП БПКп > ЗООмг/лСвв>200мг/л, для КНП БПКП =100-400 мг/лСвв=100ЗООмг/л); возможность присутствия в осадках отходов животноводческих ферм и продуктов переработки сырья агропромышленного комплекса; осадки в большинстве случаев требуют только обеззараживания; небольшой объём образующихся осадков; чаще всего осадок представлен активным илом; приближённость очистных сооружений к сельскохозяйственным угодьям; большая вероятность несанкционированного использования необезвреженных осадков в качестве удобрения в частном и государственном хозяйстве; высокая удобрительная ценность осадков; минимальные затраты на транспортирование обезвреженного осадка (почвоулучшающей композиции) к месту потребления.

Средний элементный состав осадков ГОС г. Сергача, а также соотношение жиров, белков и углеводов приведены в табл. 2 и 3.