Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обезвреживание и утилизация осадков сточных вод малых населенных пунктов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Обезвреживание и утилизация осадков сточных вод малых населенных пунктов"

На правах рукописи

Котов Александр Владимирович

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД МАЛЫХ НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ 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 Ннкандрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кучеренко Владимир Ильич, кандидат биологических наук, доцент Савинов Александр Борисович

Ведущая организация

ОАО «НИЖЕГОРОДСКИЙ САНТЕХПРОЕКТ»

Защита состоится «30»сентцВря 2005 г. 1У.ОО 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.

Автореферат разослан «29» с^Вгусто» 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Е.В. Колосов

та*? , 2/HW

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 создаёт 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 обезвреживания осадков МНП, которая позволяет решить проблемы обезвреживания осадков и утилизации их в сельском хозяйстве, сократить 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 утиилтти OTT? МНП —

Научно-исследовательские работы рамкф подпрограммы

защ оты

"Возрождение Волги" ФЦП "Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)" по базовому проекту ВВ-9 "Разработка новых технологий и средств защиты водных объектов и населения от антропогенного воздействия предприятий и производственных систем и оценка экологического риска производств, разработка технологий переработки и утилизации экологически вредных промышленных отходов, сокращения удельного водопотребления и водоотведения", утвержденному Постановлением Правительства Российской Федерации от 07 декабря 2001 г. № 860.

Основанием для проведения работ являются итоги конкурса на размещение заказов на поставку научно-технической продукции (работ и услуг) для государственных нужд за счет выделенных МПР России средств федерального бюджета на НИОКР в области водохозяйственной деятельности (Протокол № 4 заседания конкурсной подкомиссии по НИОКР в области водохозяйственной деятельности МПР России от 06.09.2002 г., приказ МПР России от 14.10.2002 г. № 650).

Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь проф. В.В.Найденко, А.Я.Фридману, Е.В.Шемякиной, |Ф.И.Хакимову, В.Н.Новосельцеву, Б.К.Нефедову, к.т.н. В.СЛолякову, С.М.Севастьянову и другим. Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является разработка комплексной высокоэффективной технологии обезвреживания (антибактериальной обработки, дегельминтизации, детоксикации) и утилизации осадков сточных вод МНП путем их обработки аминокислотными композициями, получаемыми из белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птице-, рыбопереработки, канализационных очистных сооружений (активного ила и сырых осадков первичных отстойников). Основные задачи

- анализ существующей нормативной документации в области обращения с ОСВ;

- анализ и систематизация теоретических, экспериментальных и производственных данных по обработке и утилизации ОСВ малых населённых пунктов;

- изучение особенностей формирования, состава и свойств ОСВ, образующихся на очистных сооружениях МНП;

- обоснование возможности и целесообразности обезвреживания ОСВ реагентами на аминокислотной основе;

- изучение параметров процесса обеззараживания и детоксикации ОСВ МНП аминокислотными реагентами;

- исследование санитарно-гигиенических, токсикологических и агрохимических свойств ОСВ, обезвреженных аминокислотными реагентами, и компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;

- разработка технологии получения аминокислотных реагентов из ОСВ;

- выполнение проекта установки по обработке осадков малого населенного пункта (на примере г. Сергача).

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 в 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 обезвреженных 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;

- 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 обезвреженного 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.

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 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство" в ННГАСУ в 2003 г.; на Международном форуме «Великие реки», г. Н.Новгород, 2003-2005гт.

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 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 14 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.

Струюура 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.

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 (V/ = 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, Сё, Си, Сг, РЬ, 2п), 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 Ш-ГУ 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 консервационно-стабилизационные 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 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: во-первых, высокая удобрительная ценность ОСВ, по многим показателям

эквивалентных навозу крупного рогатого скота (табл. 1). 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 органических удобрениях, % к сырой массе____

Удобрение Сухое вещество Азот общий Фосфор (Р205) Калий (К20) Органическое вещество

Осадок сточных вод 25 0,5 0,4 0,02 15

Бесподстилочный навоз КРС 8 0,4 0,1 0,4 6

Свиной навоз 5 0,5 0,1 0,2 6

Помет 15 1,1 0,5 0,4 15

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 (физико-химическая 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.

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, БИО, БОКС (31%); 3 - биофильтры (8,7%); 4 - поля фильтрация (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.

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 достигает Х1\-У1г- В МНП бытовые стоки преобладают ('/10). Причём промышленность в МНП обычно представлена предприятиями 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 - число жизнеспособных яиц

гельминтов - 30-400 пгг/кг, в то время как для осадков КНП микробное число -число жизнеспособных яиц гельминтов - 1-100 шт/кг); из-за невысокой нормы водопотребления (100 л/чел хсут) осадки СВ малых населённых пунктов в санитарном отношении опаснее осадков СВ крупных промышленных городов (для МНП БПКп > ЗООмг/л Свв> 200мг/л, для КНП БПКп =100-400 мг/л Свв= 100-ЗООмг/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 (почвоулучшакмцей композиции) к месту потребления.

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

Таблица 2

Средний элементный состав осадков ГОС г. Сергача (по сухому веществу)

Элемент Содержание, % Элемент Содержание, % Элемент Содержание, %

С 27,4-33,6 Иа 0,44-0,77 Сг 0,0005-0,35

N 2,95-3,97 К 0,32-0,77 Со 0,0004-0,04

О 37,6-4,3 Са 3,57-4,95 М 0,0008-0,08

0,7-0,8 М% 0,95-1,05 Си 0,025-0,15

Р 1,35-1,5 А1 2,57-2,97 1п 0,07-0,27

Я 4,45-4,77 Л 1,13-2,10 са 0,0006-0,011

В 0,003-0,01 Мп 0,03-0,1 РЪ 0,008-0,15

Таблица 3

Соотношение белков, жиров и углеводов в зависимости от типа осадка

Вид осадков Белки | Жиры | Углеводы

% беззольного вещества

Сырой осадок 28-30 25-30 14-18

Активный ил 40-44 18-23 4-7

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.

Таблица 4

Классификация осадков городских сточных вод по валовому содержанию тяжелых металлов и мышьяка, мг/кг___

Элемент Малые и средние города Средние города с налаженной системой локальной очистки промстоков Средние и крупные промышленные города с низким уровнем локальной очистки Города со спецпроизводством

Си 300*600 500-700 1000*3000 до 10000

7x1 600*900 900-1100 1500*5000 до 10000

СА 3*9 12-18 30*150 до 300*500

№ 25-100 50*80 200*400 до 1000

Сг 50*150 350-600 1000*3000 до 10000

РЬ 20-80 50*60 200*500 до 1000

Ая 10 — 10*25 до 500

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 загрязнёны тяжелыми металлами и требуют безусловной детоксикации (рис. 2).

Число

городов 700 и посблков городского типа 600

0.2-3 3-4,в 5-9,9 10-19.9 20 - 49,9 50 - 99,9 100 - 499,9 500 - 999,9 1 млн и

бОЛ«в

Города и посёлки городского типа с числом жителей, тыс. человек

■требуется обеззараживание и детоксикация О требуется толыю обеззараживание

Рис. 2. Распределение методов обезвреживания осадков в зависимости от численности населения

В третьей главе приведено обоснование выбора применяемых реагентов для обезвреживания ОСВ, их характеристики, определены рабочие дозы реагентов, представлена методика экспериментальных исследований.

Для антибактериальной обработки и дегельминтизации осадка используется реагент, представляющий смесь жидкого бактерицида -гидроксоаминокислотных комплексов меди, жидкой композиции натриевых солей пептидов и гидроокиси натрия.

Основу процесса реагентного обеззараживания и дегельминтизации составляет взаимодействие гидроксоаминокислотных комплексов меди (ГАКМ) с аминокарбоксильными группировками белков (АКГБ) оболочки патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Данные группировки ответственны за транспорт веществ внутрь клетки и из нее, и для простейших микроорганизмов связывание группировки комплексами приводит к нарушению обмена с внешней средой и гибели.

Взаимодействия комплексов с группировкой белка протекает в соответствии с реакцией 1 :

- R1 - NH2 NH2 -R1- NH2 NH2

/ \ \ / \

H+ + НО-Си HCR => Cu HCR + H20 (1)

/ \ / / \ /

- R2 - COO - OOC - R2 - COO OOC

белок (АКГБ) ГАВМ белок

и

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 (Ъ0) и доли неповрежденных яиц гельминтов (Ь0) в осадке от содержания комплексов меди (С, ммоль/кг).

Рис. 3. Зависимость доли не погибшей патогенной микрофлоры от дозы ГАКМ: 1- выдержка 40 мин; 2 - выдержка 2 часа

Ьс

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 (Ьг). Полученные результаты представлены в виде математической модели процесса, которая описывается уравнением (2):

Ьг = 1,257 + 0,078 • <1 + 0,014 -т- 0,019 • и> + 0,001 -¿т, (2)

где с1 - доза реагента ММЭ-Т, моль/кг; т - время действия реагента, мин; w - влажность осадка, %.

В ходе экспериментальных исследований по обеззараживанию осадков выявлено влияние ГАКМ на водоотдающую способность осадков. При антибактериальной обработке и дегельминтизации 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 (Усв, моль/кг сух.в-ва), требуемых для связывания всех катионов тяжелых металлов, рассчитывается по формуле (3) с учётом коэффициента к, определяемого экспериментально в зависимости от среднегодового колебания концентрации металлов в осадке:

у =1

св ^

Ми

где Ме - металл, подлежащий детоксикации, Ме={1, 2, ... Ы};

N - число тяжелых металлов, подлежащих детоксикации, в осадке;

тш - масса металла Ме, в пересчете на сухое вещество осадка, мг/кг;

Мш - молярная масса металла Ме, мг/моль; _ валентность металла Ме;

к - коэффициент.

Проверка выбранной дозы реагента проводится контрольной обработкой образца осадка, путем дозирования порций ИСАК, 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.

Количество реагента, ммоль

Рис. 5. График рН-метрического титрования осадков детоксикантом:

1- осадок из илоуплотнителя; 2- осадок с иловой площадки

Фактическая доза детоксиканта 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

подобных реагентов на локальных установках непосредственно на месте их потребления. С этой целью были проведены исследования по изучению возможности производства реагентов из осадков 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 щелочь. 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):

О О

// //

Я - СН - С + Си2+ + ОН- Я - СН - С + (4)

I \ I \

Ш2 О - Иа Ш2 О - СиОН

Рис. 6. Схема получения аминокислотных регентов из ОСВ

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.

£гл

И

УЧ

X

№

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; б - хлораторная; 7 - насосная станция перекачки ила; 8 - сборник осадка из контактных резервуаров; 9 - сборник ила; 10 - песковые и иловые площадки; 11 - осадкоуплотнитель; 12 - двухъярусный отстойник, или осветлитель-перегниватель; 13 -первичный отстойник; 14 - малогабаритная очистная установка; 15 - аэробный минерализатор

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 МС, 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).

иловые площадки; 5 - отвод дренажной воды; 6 - подача иловой воды в начало сооружений

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).

Оти^ПО мЗ/а/т

Рис. 9. Балансовая схема движения воды, осадка и антибактериального реагента на НСА: Q - расход сточной воды; (¿„„¡1 - расход осадка; - расход фугата; ?реаг - расход бактерицидного реагента

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 санитарно-паразитологических 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, обезвреженных 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

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 - 115(0,4... 160). Второй ряд составлен из каждого третьего члена основного ряда 115, обозначается - ¿5/3 (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, с расчетом возможной вносимой дозы на единицу площади и контролем содержания загрязнений в почве и растениях.

Использование осадков сточных вод, обезвреженных 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 обезвреженных 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 детоксикация тяжелых 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 - гидроксоаминокислотных 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-Ю,5 л/м3 осадка влажностью 99,3%. Расход реагента при этом составит 7,84+9,8 л/сут.

Рис. 10. Схема очистки сточной воды и обработки осадка биологических очистных сооружений г. Сергача с указанием места ввода обеззараживающего реагента

Для обезвоживания обеззараженных осадков проектом приняты иловые площадки размером 30x60 метров на естественном основании с поверхностным отводом воды через фильтрационные колодцы в начало очистных сооружений.

Обеззараженный и обезвоженный осадок перед отгрузкой его потребителю может бьггь дополнительно подвергнут компостированию.

Анализ существующих схем показал, что предлагаемая технология обезвреживания ОСВ может бьггь легко адаптирована к действующим очистным сооружениям на основе многоуровневой унификации и блочно-модульного принципа построения систем.

Стоимость технологии, включающей обезвреживание осадка аминокислотным реагентом, составляет 1,56 млн рублей, что в 7,5 раза меньше аналога. При этом расходы на приобретение реагента могут быть компенсированы за счёт продажи получаемого продукта (органоминеральной композиции).

Расчёт приведённых затрат по каждому варианту капиталовложений также показал целесообразность выбора варианта с обезвреживанием осадков.

За счет обеззараживания осадков в первом варианте отсутствует плата за размещение отходов, в то время как во втором варианте она составляет 45,5 тыс. руб./год.

В ходе проведения исследований, разработки проекта по обезвреживанию осадков было установлено, что ряд положений нормативных документов (в сфере обращения с ОСВ) принят без соответствующего научно-технического обоснования, в связи с чем разработан проект дополнений и изменений в эти документы. Проект передан для рассмотрения в МПР РФ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На ГОС МНП образуется более 30 % всех осадков бытовых сточных вод РФ. Они являются отходом 111-1V класса опасности и представляют

реальную угрозу для здоровья человека и животных, а также состояния окружающей среды. ОСВ МНП, несмотря на близость по составу к осадкам сточных вод крупных промышленных центров, значительно отличаются от них: большей бактериальной обсеменённостью (в 1,2-1,5 раза); небольшим объёмом; ОСВ МНП менее токсичны, а также содержат больше питательных веществ и белка (на 10-20%). Поэтому наиболее перспективным методом утилизации является их использование в качестве органоминеральной почвоулучшающей композиции в сельском хозяйстве.

2. Перед утилизацией осадки нуждаются главным образом в обеззараживании. Обеззараживание осадков рекомендуется проводить гидроксоаминокислотными комплексами меди. Доза одномолярного реагента, обеспечивающая дезактивацию патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, составляет 0,3-0,5 л/м3 осадка влажностью порядка 98% при рН>6,8. Продолжительность контакта реагента с осадком составляет 20-25 мин. для антибактериальной обработки и 35-40 мин. для дегельминтизации.

3. Детоксикацию тяжелых металлов в ОСВ рекомендуется проводить одномолярным раствором натриевых солей аминокислот. Доза реагента определяется в зависимости от содержания ионов металлов, в пересчете на сухое вещество осадка. Продолжительность контакта детоксиканта и ионов металлов составляет 10-15 мин. и зависит от свойств осадка.

4. Получение аминокислотных реагентов рекомендуется производить из илов аэротенков непосредственно на площадке ОС.

5. Выявлено влияние бактерицидного реагента на снижение удельного сопротивления осадков фильтрованию. Эксперименты показали, что внесение бактерицидного реагента снижает удельное сопротивление осадков фильтрованию на 35-45% для активного ила, на 25-35% для сырого осадка.

6. Для улучшения свойств осадков их предлагается компостировать. Определены основные параметры компостов из обезвреженных осадков СВ МНП. Изучены санитарно-гигиенические характеристики компостов, разработана технология компостирования.

7. Установлено, что аминокислотные реагенты, содержащиеся в иловой воде, подаваемой в начало очистных сооружений, не оказывают негативного влияния на биохимические процессы очистных сооружений даже при соотношении расходов реагента и очищаемой воды 1:100.

8. Оптимизация технологии обезвреживания и утилизации осадков сточных вод малых населённых пунктов на основе параметризации и многоуровневой унификации оборудования позволила определить типоразмерные ряды установок обезвреживания осадков - 115(0,4...160) и 115/3 (0,4... 100). Установлено, что наибольший спрос будет наблюдаться на установки производительностью 0,4; 1,6; 6,3 л/час.

9. Разработана комплексная технология обезвреживания осадков сточных вод г. Сергача аминокислотными композициями, позволяющая использовать обезвреженные осадки в качестве почвоулучшающей композиции в сельском хозяйстве и сократить затраты на строительство иловых площадок

в 7,5 раза.

10. Разработан и передан в МПР РФ проект изменений и дополнений к ряду нормативных документов в сфере обращения с ОСВ.

11. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе. По материалам диссертационной работы подготовлено учебное пособие.

Список публикаций по теме диссертации

1. Котов, A.B. Технология обеззараживания и детоксикации осадков городских сточных вод / A.B. Котов, JI.H Губанов, В.А.Филин // Изв. акад. жилищ.-коммун. хоз-ва. Гор. хоз-во и экология. - 2002. - №1. - С. 21-25.

2. Котов, A.B. Использование осадков городских станций аэрации в качестве почвоулучшающих добавок / А.В.Котов, В.А.Филин // Сб. материалов науч. работ и диплом, проектов студентов и магистрантов вузов региона. -Н.Новгород, 2002. - С. 55-58.

3. Котов, A.B. Использование реагентов на аминокислотной основе для обезвреживания осадков городских сточных вод / А.В.Котов, Л.Н.Губанов, В.А.Филин // Великие реки 2002: Тез. генер. докл. междунар. конгресса. -Н.Новгород, 2002. - С. 82-83.

4. Котов, A.B. Технологические схемы обезвреживания иловых карт аминокислотными композициями / A.B. Котов, Л.Н Губанов, В.А.Филин // Вода и экология: проблемы и решения. - 2002. - №4. - С. 65-71.

5. Котов, A.B. Параметрические ряды установок для обеззараживания осадков городских сточных вод / A.B. Котов, Л.Н Губанов, В.А.Филин // Вода и экология: проблемы и решения. - 2002. - №4. - С. 71-76.

6. Котов, A.B. Унификация систем обезвреживания осадков // Архитектура. Геоэкология. Экономика: Сб. тр. аспирантов и магистрантов. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2003. - С. 80-82.

7. Котов, A.B. Проблемы обезвреживания осадков сточных вод малых населённых пунктов // Архитектура. Геоэкология. Экономика: Сб. тр. аспирантов и магистрантов. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2004. - С. 84-87.

8. Котов, A.B. Особенности использования осадков городских сточных вод в качестве почвоулучшающей композиции / A.B. Котов, Л.Н. Губанов, В.А. Филин, Д.В. Бояркин // Вода и экология: проблемы и решения. - 2004. -№1,-С. 55-58.

9. Котов, A.B. Опыт внедрения технологии обезвреживания осадков сточных вод на очистных сооружениях малых населённых пунктов / A.B. Котов, Л.Н. Губанов, Д.В. Бояркин, O.A. Добрынский // Вода и экология: проблемы и решения. - 2004. - №4. - С. 61-66.

10. Котов, A.B. Использование осадков городских сточных вод Нижнего Новгорода для повышения плодородия почв / A.B. Котов, Л.Н Губанов, Д.В.Бояркин // Экологические технологии и инновации. - 2005. - №1. - С. 66-69.

11. Котов, A.B. Основные направления утилизации осадков сточных вод / A.B. Котов, Л.Н Губанов // Вестник ВРО РААСН. - 2005. - Вып. 8. - С. 186-188.

12. Котов, A.B. Использование осадков городских очистных сооружений в качестве почвоулучшающей композиции: учеб. пособие / A.B. Котов, JI.H Губанов, В.А. Филин, Д.В.Бояркин. - Н.Новгород.: ННГАСУ, 2005. - 80 с.

Подписано в печать Формат 60x90 '/16

Бумага газетная. Печать трафаретная. Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № №

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 603950, Н.Новгород, Ильинская, 65 Полиграфический центр ННГАСУ, 603950, ННовгород, Ильинская, 65

i

«i

IM 5496

РНБ Русский фонд

2006-4 14044

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Котов, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД МАЛЫХ НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ.

1.1. Общая характеристика осадков хозяйственно-бытовых сточных вод.

1.2. Методы и схемы обработки и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений.

V 1.2.1 Основные предпосылки для утилизации осадков сточных вод в сельском хозяйстве.

1.3. Особенности очистки сточных вод и обработки осадков малых населённых пунктов.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2 ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ОСАДКОВ МАЛЫХ

НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ.

2.1. Состав осадков. ф 2.2. Кислотная и щелочная емкость осадка.

2.3. Сорбционные свойства осадка.

2.4. Микробиологический состав осадка.

2.5. Токсикологические характеристики осадка.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЮ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД МАЛЫХ НАСЕЛЁННЫХ ПУНКТОВ.

3.1 Обеззараживание осадков.

3.1.1 Сущность процесса обеззараживания осадков аминокислотными композициями.

3.1.1.1 Характеристики обеззараживающего реагента.

3.2 Детоксикация осадков.

3.2.1 Сущность процесса детоксикации осадков аминокислотными композициями.

3.2.1.1 Характеристики детоксицирующего реагента.

3.3 Получение аминокислотных реагентов.

3.4 Изучение параметров обезвреживания осадков.

3.4.1 Выбор места ввода обеззараживающего реагента.

3.4.1.1. Обеззараживание осадка при его уплотнении или перед обезвоживанием.

3.4.2 Выбор места ввода детоксицирующего реагента.

3.4.2.1. Детоксицирование уплотненного осадка.

3.4.2.2 Детоксицирование осадка на иловой площадке.

3.4.3 Схема совместного обеззараживания и детоксикации осадка.

3.4.4 Определение рабочей дозы аминокислотных реагентов.

3.4.4.1 Определение дозы бактерицидного реагента.

3.4.4.2 Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента с использованием ЭВМ

3.4.4.3 Определение дозы детоксицирующего реагента.

3.5. Влияние аминокислотных реагентов на изменение удельного сопротивления осадков фильтрованию.

3.5.1. Методы исследования.

3.5.2. Результаты исследования.

3.6. Исследования по компостированию осадков.

3.6.1. Компостирование обезвреженных осадков в штабелях.

3.6.1.1. Компостирование обезвреженных осадков (эксперимент 1).

3.6.1.2. Компостирование обезвреженных осадков с добавлением микробиологического препарата «Байкал-ЭМ1» (эксперимент 2).

3.6.2. Оценка полученных компостов методами биотестирования.

3.6.2.1. Описание опытов.

3.6.2.2. Результаты опытов.

3.6.3. Технология компостирования осадков сточных вод, обезвреженных реагентами на аминокислотной основе.

3.6.3.1. Этапы технологии.

3.7. Изучение влияния иловой воды, содержащей аминокислотные реагенты на биохимические процессы очистных сооружений.

3.8. Оптимизация технологии обезвреживания и утилизации осадков сточных вод малых населённых пунктов на основе параметризации и многоуровневой унификации оборудования.

3.8.1. Декомпозиция объекта на уровни унификации.

3.8.2 Оптимизация параметров установок на различных уровнях унификации.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4 ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ ПОЧВОУЛУЧШАЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ.

4.1 Методика расчета накопления металлов при внесении осадков сточных вод в почву.

Выводы по главе.

ГЛАВА 5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Технико-экономическое сравнение инвестиционных проектов.

5.2 Расчет платы за размещение отходов.

5.3 Технологическая схема обработки осадков, принятая к строительству.

5.3.1 Условия образования сточных вод.

5.3.2 Описание технологического процесса.

5.3.3 Установка обеззараживания.

5.3.4 Иловые площадки.

5.4. Проект изменений и дополнений к нормативным документам.

5.4.1. Изменения и дополнения в ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений».

5.4.2. Изменения и дополнения в постановление правительства РФ № 461 от 16 июня 2000 г. «О правилах разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение».

5.4.3. Изменения и дополнения в «Типовой технологический регламент использования осадков городских сточных вод в качестве органического удобрения» (2000 г.).

5.4.4. Изменения и дополнения в приказ МГТР от 15 июня 2001 г. № 511 «Об утверждении Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды».

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обезвреживание и утилизация осадков сточных вод малых населенных пунктов"

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 создаёт 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 обезвреживания осадков МНП, которая позволяет решить проблемы обезвреживания осадков и утилизации их в сельском хозяйстве, сократить 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 "Возрождение Волги" ФЦП "Экология и природные ресурсы России (20022010 годы)" по базовому проекту ВВ-9 "Разработка новых технологий и средств защиты водных объектов и населения от антропогенного воздействия предприятий и производственных систем и оценка экологического риска производств, разработка технологий переработки и утилизации экологически вредных промышленных отходов, сокращения удельного водопотребления и водоотведения", утвержденному Постановлением Правительства Российской Федерации от 07 декабря 2001 г. № 860.

Основанием для проведения работ являются итоги конкурса на размещение заказов на поставку научно-технической продукции (работ и услуг) для государственных нужд за счет выделенных МПР России средств федерального бюджета на НИОКР в области водохозяйственной деятельности (Протокол № 4 заседания конкурсной подкомиссии по НИОКР в области водохозяйственной деятельности МПР России от 06.09.2002 г., приказ МПР России от 14.10.2002 г. № 650).

Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь проф. В.В.Найденко, А.Я.Фридману,

Е.В.Шемякиной, р.И.Хакимову!, [В.Н.Новосельцеву|, Б.К.Нефедову, к.т.н

В.С.Полякову, С.М.Севастьянову, инженеру А.Е.Антонову и другим.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы является разработка комплексной высокоэффективной технологии обезвреживания (антибактериальной обработки, дегельминтизации, детоксикации) и утилизации осадков сточных вод МНП путем их обработки аминокислотными композициями, получаемыми из белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птице-, рыбопереработки, канализационных очистных сооружений (активного ила и сырых осадков первичных отстойников).

Основные задачи

- анализ существующей нормативной документации в области обращения с ОСВ;

- анализ и систематизация теоретических, экспериментальных и производственных данных по обработке и утилизации ОСВ малых населённых пунктов;

- изучение особенностей формирования, состава и свойств ОСВ, образующихся на очистных сооружениях МНП;

- обоснование возможности и целесообразности обезвреживания ОСВ реагентами на аминокислотной основе;

- изучение параметров процесса обеззараживания и детоксикации ОСВ МНП аминокислотными реагентами;

- исследование санитарно-гигиенических, токсикологических и агрохимических свойств ОСВ, обезвреженных аминокислотными реагентами, и компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;

- разработка технологии получения аминокислотных реагентов из ОСВ;

- выполнение проекта установки по обработке осадков малого населенного пункта (на примере г. Сергача). -8

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 в 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 m компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;

- 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.

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 Ш1ГАСУ 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 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 14 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.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Котов, Александр Владимирович

Выводы:

1. На ГОС МНП образуется более 30 % всех осадков бытовых сточных вод РФ. Они являются отходом III-IV класса опасности и представляют реальную угрозу для здоровья человека и животных, а также состояния окружающей среды. ОСВ МНП, несмотря на близость по составу к осадкам сточных вод крупных промышленных центров, значительно отличаются от них: большей бактериальной обсеменённостью (в 1,2-1,5 раза); небольшим объёмом; ОСВ МНП менее токсичны, а также содержат больше питательных веществ и белка (на 10-20%). Поэтому наиболее перспективным методом утилизации является их использование в качестве органоминеральной почвоулучшающей композиции в сельском хозяйстве.

2. Перед утилизацией осадки нуждаются главным образом в обеззараживании. Обеззараживание осадков рекомендуется проводить гидроксоаминокислотными комплексами меди. Доза одномолярного реагента, обеспечивающая дезактивацию патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, составляет 0,3-0,5 л/м3 осадка влажностью порядка 98% при рН>6,8. Продолжительность контакта реагента с осадком составляет 2025 мин. для антибактериальной обработки и 35-40 мин. для дегельминтизации.

3. Детоксикацию тяжелых металлов в ОСВ рекомендуется проводить одномолярным раствором натриевых солей аминокислот. Доза реагента определяется в зависимости от содержания ионов металлов, в пересчете на сухое вещество осадка. Продолжительность контакта детоксиканта и ионов металлов составляет 10-15 мин. и зависит от свойств осадка.

4. Получение аминокислотных реагентов рекомендуется производить из илов аэротенков непосредственно на площадке ОС.

5. Выявлено влияние бактерицидного реагента на снижение удельного сопротивления осадков фильтрованию. Эксперименты показали, что внесение бактерицидного реагента снижает удельное сопротивление осадков фильтрованию на 35-45% для активного ила, на 25-35% для сырого осадка.

6. Для улучшения свойств осадков их предлагается компостировать. Определены основные параметры компостов из обезвреженных осадков СВ МНП. Изучены санитарно-гигиенические характеристики компостов, разработана технология компостирования.

7. Установлено, что аминокислотные реагенты, содержащиеся в иловой воде, подаваемой в начало очистных сооружений, не оказывают негативного влияния на биохимические процессы очистных сооружений даже при соотношении расходов реагента и очищаемой воды 1:100.

8. Оптимизация технологии обезвреживания и утилизации осадков сточных вод малых населённых пунктов на основе параметризации и многоуровневой унификации оборудования позволила определить типоразмерные ряды установок обезвреживания осадков - R5(0,4. 160) и R5/3 (0,4. 100). Установлено, что наибольший спрос будет наблюдаться на установки производительностью 0,4; 1,6; 6,3 л/час.

9. Разработана комплексная технология обезвреживания осадков сточных вод г. Сергача аминокислотными композициями, позволяющая использовать обезвреженные осадки в качестве почвоулучшающей композиции в сельском хозяйстве и сократить затраты на строительство иловых площадок в 7,5 раза.

10. Разработан и передан в МПР РФ проект изменений и дополнений к ряду нормативных документов в сфере обращения с ОСВ.

- 162

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Котов, Александр Владимирович, Нижний Новгород

1. Аветисян, П. К. Обработка и утилизация осадков сточных вод на крупных станциях аэрации / П. К. Аветисян, Ф. Г. Адам // Водоснабжение и санитар, техника. 1992. - № 7. - С. 29-30.

2. Аграноник, Р. Я. Проблемы обработки и утилизации осадков сточных вод / Р. Я. Аграноник // Водоснабжение и санитар, техника. 1995. - № 1. - С. 2-3.

3. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю. В. Алексеев. JI. : Агропромиздат, 1987.

4. Ахназарова, JI. С. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / JI. С. Ахназарова, В. В. Кафаров. М.: Высш. шк., 1978. - 319 с.

5. Баскина, II. М. Утилизация осадка городских сточных вод в качестве удобрения / Н. М. Баскина, М. Ф. Кузнецов // Человек и окружающая среда : тез. докл. науч.-практ. конф. Ижевск, 1989. - С. 55-56.

6. Бендек, П. Проблемы утилизации осадков сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Исслед. методов интенсификации и повышения эффективности очистки и доочистки сточ. вод / П. Бендек, Ф. Папп. М.: Мир, 1979. - 345 с.

7. Благовещенская, 3. К. Утилизация осадка городских сточных вод / 3. К. Благовещенская, Н. К. Грачева, JI. С. Могиндович // Химизация сел. хоз-ва. -1989.-№ 10.-С. 73-76.

8. Бондарь, А. Г. Планирование эксперимента в химической технологии / А. Г. Бондарь, Г. А. Статюха. Киев : Вища шк., 1976. - 184 с.

9. Брезкунова, В. С. К вопросу утилизации осадка сточных вод / В. С. Брезкунова, В. С. Горбачев // Гигиенические аспекты в проблемах окружающей среды. М., 1987.-С. 85-88.

10. Васильев, В. А. Справочник по органическим удобрениям / В. А. Васильев, II. В. Филиппова М.: Росагропромиздат, 1988. - 255 с.

11. И. Возная, И. Ф. Химия воды и микробиология / Н. Ф. Возная. М. : Высш. шк., 1979.-340 с.

12. Воюцкий, С. С. Курс коллоидной химии / С. С. Воюцкий. Изд. 2-е. - М. : Химия, 1975.-512 с.

13. Гаврилов, М. И. Исследование и разработка технологических решений по тепловому кондиционированию органических осадков сточных вод / М. И. Гаврилов // Материалы симпозиума по обработке ОСВ. М., 1979. - С. 46-57.

14. Ганин, А. В. Технологические схемы обработки осадков станций аэрации / А. В. Ганин // Водоснабжение и санитар, техника. 1996. - № 1. - С. 22-24.

15. Голиньска, М. Тепловое кондиционирование активных илов / М. Голиньска, А. Олешик // Материалы симпозиума по обработке ОСВ. М., 1979. - С. 58-70.

16. Гольдфарб, JI. Я. Опыт утилизации осадков городских сточных вод в качестве удобрения / Л. Я. Гольдфарб, И. С. Туровский, С. Д. Беляева. М. : Стройиздат, 1986.-58 с.17.