Минимизация осадков, образующихся при эксплуатации очистных сооружений

Полный текст

Введение Методы переработки осадков от очистных сооружений недостаточно изучены, их ущерб, нанесенный окружающей среде, не является минимальным, а его снижение, в свою очередь, является высокозатратным и экономически невыгодным процессом [1]. Минимизация осадков от канализационных очистных сооружений актуальная проблема [2], связанная с предотвращением антропогенного загрязнения окружающей среды [3]. Учеными изучаются разные методы утилизации осадков от очистных сооружений [4]. В зависимости от технологии очистки сточных вод на сооружениях образуются следующие виды сырья [5]: - грубые (отбросы), задерживаемые решетками; - тяжелые (песок), улавливаемые песколовками; - плавающие (жировые вещества), накапливаемые в песколовках и отстойниках; - взвеси, осаждаемые в резервуарах; - избыточный ил; - осадки, обезвоженные на механических аппаратах, подсушенные на иловых картах или термически высушенные. В основном для утилизации осадков сточных вод используют избыточный ил и осадки от обезвоживания на механических аппаратах, остальные виды осадков в предлагаемых методах утилизации не применяются [6]. Наиболее остро вопрос состоит в складировании осадков в возрастающем количестве на иловых площадках (песок, избыточный ил и осадки после обезвоживания), что приводит к распространению неблагоприятного газовоздушного фона, загрязнения почв и подземных вод токсичными компонентами, входящими в состав осадков [7]. Существующие направления полезной утилизации осадков не используются широко не только в России [8], но и за рубежом [9; 10], что приводит к обострению негативного влияния на окружающую среду. Предложенные методы утилизации осадков требуют длительного времени для превращения их в полезный продукт. Так, для пиролиза необходимо осадок высушивать и производить брикеты [11; 12]. Для газификации требуется продолжительный период времени для производства биогаза [13]. Многие методы по вопросам использования отходов сточных вод в качестве удобрений нельзя использовать в наших грунтах. Влияние на почву малоизучено, а сельскохозяйственные предприятия отказываются принимать такие удобрения в связи с негативным опытом - гибель сельскохозяйственных угодий [14; 15]. Для соответствия современным требованиям к грунтам и их компонентам, осадки очистных сооружений, кроме обеспечения нормативов по содержанию в них различных веществ [16], должны быть безопасны по санитарным показателям. В частности, ученые из Китая выяснили, что осадок от очистных сооружений - это опасный побочный продукт биологической очистки сточных вод, и он является главным источником загрязнения водной среды, который вызывает проблемы со здоровьем и даже со смертельным исходом у людей [17]. Исторически сложилось, что более 80 % шлама не подвергалось эффективной и безопасной обработке и утилизации, и это представляет серьезную угрозу для окружающей среды, особенно из-за повсеместного использования комбинированных систем очистки городских, промышленных и дождевых сточных вод. Таким образом, крайне важно создать отдельные дренажные системы для повышения эффективности и результативности обработки и утилизации осадка. Цель работы - минимизация количества осадков очистных сооружений путем преобразования осадков в воду с последующей биологической очисткой. В связи с целью поставлены следующие задачи: - исследовать состав осадков; - разработать новый подход в системе обращения с осадками на канализационных очистных сооружениях. Жизнедеятельность современного человека неминуемо ведет к образованию огромного количества отходов. Практически каждый житель производит более 300 кг мусора в год, лишь 15 % которого подвергается переработке. Весь прочий мусор попадает либо на санкционированные полигоны, среди которых только один еще не исчерпал свой ресурс, а остальные переполнены, но продолжают принимать отходы в обход узаконенных процедур, либо на одну из множества несанкционированных свалок, где речь о сортировке и переработке, естественно, вообще не идет. На сегодняшний день проблема переработки отходов остается актуальной экологической задачей [18]. Основные направления исследований в переработке отходов состоят из поиска путей получения вторичного сырья, где в основном предлагается длительная переработка отходов, требующая строительства новых заводов и фабрик по переработке сырья [19]. При этом осадки от очистных сооружений не являются отходами, так как эти осадки в технологии очистки сточных вод являются незавершенным технологическим процессом [20], но из-за крупных объемов при размещении создают глобальную экологическую проблему. Конкурентов в преобразовании осадков сточных вод в водный ресурс нет. Известен способ переработки осадков сточных вод с последующим слеживанием осадков на иловых картах [21]. Недостатком данного способа является загрузка осадка на иловые карты, для последующего применения осадка требуется несколько лет слеживания данных отходов, при неблагоприятных погодных условиях появляется неприятный запах, что недопустимо в населенных пунктах. Известна конструкция круглогодичного обезвоживания осадков муниципальных сточных вод на иловых площадках [22]. Уже известно, что обезвоженный осадок флокулянтами не подходит для удобрения сельскохозяйственных культур, хотя иловые карты были придуманы именно для последующего применения удобрения, после нескольких лет слеживания данных отходов. Известно изобретение [23], где при утилизации активного ила осуществляют химическую обработку с выдерживанием реакции от двух часов. Недостатками данного изобретения является долговременная утилизация активного ила и отсутствие обеззараживающего эффекта. Основной проблемой при очистке сточных вод является образование отходов, которые отправляются на свалки [24]. Переработка осадков признана во всем мире серьезной проблемой на пути к реализации стратегии устойчивого развития и зеленого роста экономик всех стран [25; 26]. Организация Объединенных Наций определяет зеленый рост как политику, которая делает упор на экологически устойчивое экономическое развитие, сокращающее выбросы углекислого газа. Новая стратегия Европейской комиссии по устойчивому экономическому росту и созданию рабочих мест «Европа 2020» также включает концепцию зеленого роста и инноваций с особым акцентом на разработку и обеспечение соблюдения законодательства в области обращения с отходами. Особое внимание уделяется изучению осадков как вторичных ресурсов [27]. Способы обращения с осадками с очистных сооружений связаны с затратами и ограничениями из-за жестких требований российских властей [20]. Переработка отходов дает возможность снизить затраты или, в некоторых случаях, получить доход и экологические выгоды за счет минимизации осадков сточных вод на очистных сооружениях [29]. Материалы и методы В данной работе были изучены осадки очистных сооружений «Центральный», расположенных в г. Владивостоке Приморского края, после механического обезвоживания. Методологической основой исследования послужили прикладные и фундаментальные методы промышленной экологии. Исследование основано на теории массопереноса, гидравлики, физической химии и биотехнологии. Для научных исследований выбраны следующие параметры осадков: агрегатное состояние, массовая доля влаги, массовая доля сухого вещества, массовая доля золы (минеральных веществ), органических веществ, массовая доля общего азота, массовая доля общего фосфора, кремния в пересчете на оксид, титана в пересчете на оксид, серы в пересчете на сульфат-ион, мышьяка, удельная активность техногенных радионуклидов, эффективная удельная активность природных радионуклидов, ХПК и БПК5, исследование тяжелых металлов, группа бактерий E. coli, патогенные микроорганизмы, яйца гельминтов и цисты простейших, наличие жизнеспособных личинок и куколок синантропных мух. Влияние растворенного осадка сточных вод на активный ил было изучено с помощью сканирующего электронного микроскопа ЛОМО Микмед 5 методом гидробиологического анализа. Результаты и обсуждение Преобразователь отходов (рис. 1) работает следующим образом. На рис. 1 показаны реагентная камера 1, патрубок 2 подачи осадка, патрубок 3 отвода нерастворимой фракции осадка, емкости 4 и 5 с кислотным и щелочным реагентами соответственно и патрубки их подвода 6 и 7, патрубок 8 отвода жидкой фракции осадка, корпус 9 реагентной камеры 1, датчики уровня 10, температуры 11 и pH 12 соответственно, газоочищающее устройство 13, блок управления 14, насосный агрегат 15, затвор 16. Рис. 1. Преобразователь отходов: 1 - реагентная камера; 2 - патрубок поступления осадка; 3 - патрубок отвода нерастворимой фракции осадка; 4, 5 - емкости с кислотным и щелочным реагентами; 6, 7 - патрубки отвода реагентов; 8 - патрубок отвода жидкой фракции осадка; 9 - корпус реагентной камеры; 10 - датчик уровня жидкости; 11 - датчик температуры; 12 - датчик pH; 13 - газоочищающее устройство; 14 - блок управления; 15 - насосный агрегат; 16 - аварийный затвор Источник: составлено авторами / Figure 1. Waste converter: 1 - reagent chamber; 2 - sludge intake pipe; 3 - discharge pipe for insoluble fraction of sediment; 4, 5 - containers with acid and alkaline reagents; 6.7 - reagent discharge pipes; 8 - discharge pipe for liquid fraction of sediment; 9 - reagent chamber housing; 10 - liquid level sensor; 11 - temperature sensor; 12 - pH sensor; 13 - gas cleaning device; 14 - control unit; 15 - pumping unit; 16 - emergency shutter Source: compiled by the authors. Установка для переработки осадка, получаемого при эксплуатации очистных сооружений, содержит вертикально ориентированную реагентную камеру 1: - с корпусом 9 цилиндрической формы с двойными коаксиальными стенками, в зазоре между которыми циркулирует теплоноситель; - в которой расположены датчики уровня 10, температуры 11 и pH 12 соответственно; - в верхней части которой размещены патрубок 2 подачи осадка и газоочищающее устройство 13; - в нижней части которой расположен патрубок 3 отвода нерастворимой фракции осадка; - которая снабжена патрубком 8 отвода жидкой фракции осадка; - которая сообщена с емкостями с кислотным 4 и щелочным 5 реагентами через соответствующие патрубки подвода 6 и 7. Блок управления 14 руководит реагентным хозяйством (определение концентраций и контроль уровня водных растворов реагентов в соответствующих емкостях 4 и 5, регулирование подачи указанных растворов в реагентную камеру 1) и работой реагентной камеры 1 (контроль уровня жидкости с помощью датчика уровня 10, температурного режима с помощью датчика температуры 11, pH с помощью датчика pH 12, удаление нерастворимой фракции осадка, слив жидкой фракции осадка и работа затвора). Осадок влажностью, например 98 %, вводят в реагентную камеру 1 через патрубок 2. Далее из емкости 4 по патрубку 6 в реагентную камеру 1 подают кислотный реагент, например 25%-й водный раствор серной кислоты, при массовом соотношении осадок : кислотный реагент как 1:1, в результате чего начинается процесс растворения осадка и его преобразование в жидкую и газообразную форму, последняя удаляется из реагентной камеры 1 через газоочищающее устройство 13. Затем из емкости 5 по патрубку 7 в реагентную камеру 1 подают щелочной реагент, например 5%-й водный раствор гидроксида натрия, до тех пор, пока pH суспензии, измеряемый датчиком 12, не станет равным 5,5-6,5 и ее температура, измеряемая датчиком 11, не достигнет 30 °C. В процессе нейтрализации кислоты щелочью выделяется большое количество тепла, в результате за счет повышения температуры водяной смеси происходит надежное обеззараживание и растворение 95 % осадка. Реагентную камеру 1 охлаждают посредством теплоносителя, который циркулирует в зазоре между двойными коаксиальными стенками корпуса 9, а количество химических реагентов и растворенного осадка контролируют с помощью датчика уровня 10. Разделяют жидкую и нерастворимую фракции осадка. Жидкую фракцию в виде осветленной воды через патрубок 8 отвода можно повторно направить в очистные сооружения - это позволяет исключить затраты на водоотделение и обеззараживание, на нейтрализацию тяжелых металлов, транспортирование или энергозатраты в случаях использования отходов очистных сооружений в качестве удобрения или при сжигании отхода, а также дает возможность сократить объемы отходов от очистных сооружений. Нерастворимая фракция осадка после слива жидкой фракции по сигналу датчика уровня 10 систематизированно выводится из реагентной камеры 1 путем ее опорожнения с помощью насосного агрегата 15. При аварийных ситуациях выгрузку осадка и опорожнение реагентной камеры 1 осуществляют через затвор 16 днища реагентной камеры 1. Установка производительностью 10 м3/час диаметром 1 м и высотой 3 м, в которую осадок, получаемый при эксплуатации очистных сооружений, вводят по напорному трубопроводу Ду 65, причем при обработке 1 м3 осадка опорожнение реагентной камеры осуществляется на 0,5 м. Провели тест в периодическом режиме для осадка, состав которого приведен в табл. 1. Таблица 1. Исходный состав осадка от очистных сооружений / Table 1. The initial composition of sludge from sewage treatment plants № Наименование показателя / The name of the indicator Единица измерения / Unit Значение / Meaning 1 Агрегатное состояние / Aggregate state - твердый / solid 2 Массовая доля влаги / Mass fraction of moisture % 67 3 Массовая доля сухого вещества / Mass fraction of dry matter 33 4 Массовая доля золы (минеральные вещества) / Mass fraction of ash (minerals) % сух. на в-во / % на факт. вл. / % dry. per substance / % per fact. humidity 52 / 17,6 5 Органические вещества / Organic substances 48 / 15,84 6 Массовая доля общего азота / Mass fraction of total nitrogen 3,2 / 1,06 7 Массовая доля общего фосфора / Mass fraction of total phosphorus 9,4 / 3,1 8 Кремний в пересчете на оксид / Silicon in terms of oxide мг/кг сух. на в-во / мг/кг на факт. вл. / mg/kg dry. per substance / mg/kg per fact. humidity 118336 / 83600 9 Титан в пересчете на оксид / Titanium in terms of oxide 2603 / 1718 10 Сера в пересчете на сульфат-ион / Sulfur in terms of sulfate ion мг/кг сух. на в-во / мг/кг на факт. вл. / mg/kg dry. per substance / mg/kg per fact. humidity 184 / 182 11 Мышьяк / Arsenic 0,25 / 0,000008 12 Удельная активность техногенных радионуклидов / Specific activity of technogenic radionuclides отн. Единицы / rel. units <1 13 Эффективная удельная активность природных радионуклидов / Effective specific activity of natural radionuclides Бк/кг / Bk/kg 17,8+ / -12,3 14 ХПК водной вытяжки / COD of water extraction мг/дм3 / mg/dm3 2930 15 БПК5 водной вытяжки / BOD5 water extraction мг O2/дм3 / mg O2/dm3 1760 В мерный стакан объемом 100 мл вносили осадок весом 100 г (рис. 2). Постепенно в мерный стакан вливали 100 г 25%-го водного раствора серной кислоты, после перемешивания в полученную суспензию вливали 5 мл 5%-го водного раствора гидроксида натрия, в течение 1 мин pH суспензии стал равным 6, а ее температура достигла 30 °C, далее разделили жидкую и нерастворимую фракции (рис. 2). Из 100 г осадка осталось 2 мл нерастворимой фракции (рис. 3). Сравнительный анализ состава осадка до и после его переработки приведен в табл. 2. На основе данных табл. 2 можно сделать вывод, что заявляемая установка обеспечивает надежное обеззараживание и высокую степень растворения осадка. Проведено исследование по влиянию растворенного осадка на активный ил в течение одного месяца (рис. 4). Рис. 2. Осадок от канализационных очистных сооружений Источник: составлено авторами / Figure 2. Sediment from sewage treatment Source: compiled by the authors. Рис. 3. Преобразование осадка в водный раствор Источник: составлено авторами / Figure 3. Transformation of sediment into an aqueous solution Source: compiled by the authors. Таблица 2. Сравнительный анализ состава осадка до и после его переработки / Table 2. Comparative analysis of sediment composition before and after its processing № Наименование показателя / The name of the indicator Единица измерения / Unit Значение/ Meaning до переработки / before после переработки / after 1 Водородный показатель солевой вытяжки (рН) / Hydrogen index of salt extraction ед.рН / рН 5,6 5,4 2 Алюминий в пересчете на оксид / Aluminum in terms of oxide мг/кг сух. на в-во / мг/кг на факт. вл. / mg/kg dry. per substance / mg/kg per fact. humidity 23559 / 15317 <0,5 3 Железо в пересчете на оксид / Iron in terms of oxide 44669 / 21079 <0,1 4 Марганец в пересчете на оксид / Manganese in terms of oxide 1849 / 788 <0,05 5 Кальций в пересчете на оксид / Calcium in terms of oxide 12977 / 5991 0,23 6 Магний в пересчете на оксид / Magnesium in terms of oxide 2851 / 1560 0,07 7 Натрий в пересчете на оксид / Sodium in terms of oxide мг/кг сух. на в-во / мг/кг на факт. вл. / mg/kg dry. per substance / mg/kg per fact. humidity 5387 / 2396 1,9 8 Калий в пересчете на оксид / Potassium in terms of oxide 12009 / 4775 0,23 9 Ртуть / Mercury мг/кг сух. на в-во / % на факт. вл. / mg/kg dry. per substance / % per fact. humidity 0,68 / 0,00002 <0,1 10 Хром / Chrome 4,4 / 0,0001 1,1 11 Свинец / Plumbum 14,4 / 0,0005 <0,1 12 Кадмий / Cadmium 0,98 / 0,00003 0,015 13 Никель / Nickel 6,2 / 0,0002 <0,1 14 Медь / Cuprum 67,8 / 0,0022 0,189 15 Цинк / Zinc 217 / 0,0072 0,194 Окончание табл. 2 № Наименование показателя / The name of the indicator Единица измерения / Unit Значение / Meaning до переработки / before после переработки / after 16 Бактерии группы кишечной палочки, индекс / E. coli group bacteria, index клеток/г/ cells/g <1 <1 17 Патогенные микроорганизмы / Pathogenic microorganisms Не обнаружены / not detected Не обнаружены / not detected 18 Жизнеспособные яйца гельминтов и цисты простейших / Viable helminth eggs and protozoan cysts экз. /100 г / copies / 100 g Не обнаружены / not detected Не обнаружены / not detected 19 Наличие жизнеспособных личинок и куколок синантропных мух / The presence of viable larvae and pupae of synanthropic flies экз. с площади 20*20 см / copies from an area of 20*20 cm Не обнаружены / not detected Не обнаружены / not detected Рис. 4. Исследование активного ила методом сканирующего электронного микрокопирования (Коловратка) / Figure 4. Investigation of activated sludge by scanning electron microscopy (Rotifer) Рис. 5. Исследование активного ила методом сканирующего электронного микрокопирования (Аспидиска) / Figure 5. Investigation of activated sludge by scanning electron microscopy (Aspidiska) По результатам исследований выявлено, что в течение месяца количественный состав гидробионтов не менялся, в составе активного ила присутствовали коловратки (рис. 4), аспидиски (рис. 5), колониальные вортицеллы, небольшое количество раковинных амеб. Эти цифры подтверждают низкое воздействие переработанных отходов на биоценоз активного ила. В заключение необходимо отметить, что по результатам анализа установлено, что ситуация с осадками сточных вод начнет изменяться в первые месяцы работы таких установок. Выводы 1. В технологию канализационных очистных сооружений с биологической очисткой целесообразно включать преобразователи, обеспечивающие снижение количества осадков от очистных сооружений до технологически возможного минимума. 2. Теоретически и экспериментально подтверждена высокая эффективность технологии преобразования осадков в жидкую среду при использовании преобразователя, преимущества которого заключаются в техническом решении, которое состоит в разработке эффективной и простой технологии переработки осадка, получаемого при эксплуатации очистных сооружений, что позволяет рекомендовать преобразователь для широкого применения как при разработке и строительстве новых очистных сооружений, так и при реконструкции существующих. 3. Экспериментально определено, что преобразованные осадки в водный раствор при поступлении на очистные сооружения не создают нагрузку на активный ил, тем самым гарантируя непрерывную работоспособность очистных сооружений.

Об авторах

Владислава Николаевна Волкова

Дальневосточный федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladavibi@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9078-9858
SPIN-код: 4987-5211

кандидат технических наук, старший преподаватель

Российская Федерация, 690922, г. Владивосток, о. Русский, пос. Аякс 10

Михаил Николаевич Шевцов

Тихоокеанский государственный университет

Email: 000458@pnu.edu.ru
доктор технических наук, доцент, профессор Российская Федерация, 690922, г. Хабаровск, Тихоокеанская улица, 136

Список литературы