Адаптация технологии обеззараживания и обезвреживания осадка сточных вод в структурных подразделениях филиалов ОАО РЖД в различных природно-климатических зонах

Осадки сточных вод (ОСВ) очистных сооружений представляют собой биологически опасные токсичные отходы, не подлежащие вывозу на полигоны бытовых отходов. Осадки - постоянно возобновляемые отходы, объемы которых составляют не менее 3% от объема сточных вод, в настоящее время практически не утилизируются [1].

На территории России выделяется ряд регионов, где существует реальная угроза ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической обстановки, возникновения чрезвычайных ситуаций из-за аварий в системах очистных сооружений, станций аэрации, прудах-накопителях и т.д. Только в Москве на очистных сооружениях ежегодно образуется миллионы тонн осадка. Для их складирования (депонирования) заняты значительные площади, а экологически безопасная переработка требует привлечения материально-технических ресурсов [2]. Проведение мероприятий по модернизации системы очистных сооружений способствовало изменению состава осадка сточных вод и привело бы к снижению содержания соединений, относящихся к потенциальным загрязнителям агроэкосистемы.

За рубежом, в зависимости от региональных геоэкологических особенностей стран, в агропроизводстве используется от 10-90% накапливающихся ОСВ, в среднем в Западной Европе 40-50%. В мире прослеживается устойчивая тенденция к ежегодному росту этого показателя в общих объемах утилизации. По прогнозам, в США к

2010 г. он составит 60%. В нашей стране по самым оптимистическим оценкам использование ОСВ в агрокультуре достигает лишь 5% [1]. С учетом сложившейся в аграрном секторе страны ситуации резкого дефицита минеральных и органических удобрений высказывается мнение, что только дозы ОСВ 30-40 т/га и более могут привести к значительным изменениям агрохимических свойств почв и будут экономически рентабельны [3].

В настоящее время на подавляющем большинстве очистных сооружениях используется естественное обезвоживание осадков на иловых картах. Иловые карты занимают значительные площади земли, которая могла бы быть использована под сельскохозяйственное производство, промышленное или гражданское строительство. Подсушенный осадок продолжает храниться на картах, площадках складирования или котлованах на территории очистных сооружений. По данным ГНУ ВНИПТИОУ Россельхозакадемии, ежегодные объемы производства только ОСВ в России достигает 3,5 млн т по сухому веществу. Учитывая содержание в них 60% органической части, из бытовых отходов можно производить до 40 млн т компоста для дальнейшего использования в агракультуре. Основными экологическими критериями является биологическая обеззараженность ОСВ и отсутствие в них сверхнормативного содержания тяжелых металлов.

Осадки сточных вод канализации обладают удобрительными свойствами. Использование их в качестве органического удобрения могло бы способствовать восстановлению баланса органического вещества в распахиваемых почвах и улучшению их водно-физических свойств [4].

Использование осадков при рекультивации нарушенных земель позволило бы решить проблему формирования плодородного слоя и возврат их в хозяйственный оборот. Однако ОСВ, как правило, загрязнены ТМ, другими поллютантами, патогенной микрофлорой (палочки Коха, вибрионы Эль-Тор, Вибрио-Холерио, сальмонеллы, яйца гельминтов и др.) и могут относиться к отходам II и III классов опасности. Это обстоятельство создает очень серьезные проблемы при их утилизации, в первую очередь, препятствует использованию их в качестве органического удобрения.

Для детоксикации и обеззараживания осадков сточных вод была разработана принципиально новая малозатратная реагентная технология, разработанная в Институте фундаментальных проблем биологии РАН патент № 2457909 [5]. Реагентная технология обработки осадков прошла апробацию на ряде очистных сооружений филиалов ОАО «РЖД»: ст. Сольвычегодск Архангельскойя обл., ст. Астрахань-2.

Материалы и методы исследования. Детоксицирующие и бактерицидные реагенты на аминокислотной основе производятся в соответствии с утвержденными ТУ, имеют соответствующие санитарно-эпидемиологические заключения Государственной санитарно-эпидемиологической службы Российской Федерации на применение для обработки осадков сточных вод очистных сооружений (канализации, локальных очистных сооружений промышленных предприятий, полигонов ТБО и др.). Сырьем для производства бактерицидно-детоксицирующих реагентов служат бело-ксодержащие отходы меховой, кожевенной, мясной промышленности, птицефабрик и т.п., поэтому они дешевы и доступны.

Механизм процесса обеззараживания осадков сточных вод. Обеззараживание осадка очистных сооружений основано на действии гидроксоаминокислотных комплексных соединений меди (2+), способных взаимодействовать с белками. Комплексные соединения связываются с белками оболочек патогенных микроорганизмов, в том числе в цистированном состоянии, яиц гельминтов, вызывая их гибель.

Также связываются белки вирусов, токсические белки (токсины гниения) и протеолитиче-ские ферменты типа бактериальных коллагеназ, приводя к деструкции вирусов, необратимому ингибированию токсинов и остановке автолиза и гниения. Комплексы также связываются с белковыми компонентами осадка, в результате чего происходит де-токсикация и стабилизация этих белковых компонентов. Продуктами взаимодействия гидроксоаминокислотных комплексов меди (как и других металлов) с белками оболочек микробов, яиц гельминтов, вирусов, токсинами, ферментами и белковыми компонентами являются соединения аминокислотных комплексов с группировками белков. Такие соединения нетоксичны и химически стабильны.

Механизм процесса обезвреживания осадка сточных вод. Для детоксикации осадка in situ (без извлечения ионов тяжелых металлов) предложено использовать аминокислотный реагент, позволяющий связать ионы металлов, абсорбированные в частицах, превратив их в устойчивые нетоксичные комплексные соединения.

Выбор реагента был основан на том, что ионы хрома, кобальта, никеля, меди, цинка, кадмия и свинца являются комплексообразователями и в первую очередь связывают те реагенты, образование комплексов с которыми энергетически наиболее выгодно.

Мерой выигрыша энергии при образовании комплекса в водной среде является константа устойчивости, а самые большие константы устойчивости у комплексов металлов с анионами аминокислот. Анионы аминокислот, связанные в комплекс с ТМ, не способны к реакциям дезаминирования, декарбоксилирования, к превращениям в биохимических циклах, к конденсации с образованием пептидов и белков [51]. Фактически, по такому принципу происходит взаимодействие ТМ с аминокислотами в организмах. При попадании ТМ в организмы in vivo, они выводятся с фекалиями, мочой и потом в виде комплексов с анионами аминокислот - глицином, серином, цистином, метионином и другими.

Ионы меди, цинка, свинца образуют с анионами аминокислот комплексы состава ML (М - металл, L - аминокислота) и ML₂, а ионы хрома, кобальта, никеля, кадмия - комплексы ML, ML₂ и ML₃. Комплексы ML₂ и CrL₃, малорастворимы. В комплексах анионы аминокислот связывают центральный атом (ТМ) через донорный атом азота аминогруппы и атом карбоксильной группы. Согласно значениям констант устойчивости комплексы ML и ML2 образуются практически со 100 % выходом при соотношении M:L = 1:1 и 1:2. Растворимые комплексы разрушаются при pH<5, а малорастворимые - при pH<2.

Механизм взаимодействия реагента с ТМ в ОСВ следующий. Атомы-доноры группировок веществ, составляющих осадок, и атомы кислорода молекул воды, связанные с ионом металла в осадке, замещаются на атомы кислорода и азота аниона аминокислоты. Образуется незаряженный комплекс, из внутренней сферы металла вытесняются молекулы воды и снижается заряд коллоидной частицы, а комплексы удерживаются в частицах осадка. Указанные процессы сопровождаются некоторым уменьшением содержания воды в частицах и уплотнением структуры частиц. Соединения аминокислотных комплексов металлов нетоксичны и химически стабильны, а количество ионов металлов, переходящих в воду за счет диссоциации, ниже значений пдк.

Произведён подбор дозы реагента на месте рН-метрическим титрованием. Определены дозы реагента в расчете на естественную влажность и сухой вес (мл/кг, кг/тонну), которые составили 1,2-1,65 литра на тонну ОСВ при влажности 30-40%.

Главное условие, чтобы при непосредственном внесении реагента добиться рН иловой жидкости 7,5 и более. Это обеспечивает активность комплексов меди и, соответственно, эффективное подавление микрофлоры. В случае использования подсушенных осадков доза увеличивается.

Результаты и обсуждение исследования

Результаты обеззараживание осадка очистных сооружений ст. Астрахань -2. Проведены микробиологические исследования осадка сточных вод ст. Астрахань-2 до обработки аминокислотным реагентом и компостирования (табл. 1) и после (табл. 2).

Как видно из результатов проведенных работ, приготовленный по на основе осадка сточных вод компост на ст. Астрахань-2 отвечает всем требованиям, предъявляемым органическим удобрениям, и может быть переведен в пятый класс опасности. Как видно из результатов, после проведенных работ в полученном осадке полностью отсутствуют яйца гельминтов, индекс энтеррокков, патогенные бактерии, в том числе снижение индекса ЛКП произошло с 1000 до 6 ед. и полностью отвечает санитарно -бактериологическим и санитарно-паразитологическим показателям, и осадок относится к первой группе продукции на основе осадка сточных вод для сельскохозяйственного использования.

Проведены также микробиологические исследования осадка сточных вод ст. Сольвычегодск до обработки аминокислотным реагентом и компостирования (табл. 3) и после обработки (табл. 4).

Как видно из результатов проведенных работ, приготовленный по на основе осадка сточных вод компост на ст. Сольвычегодск отвечает всем требованиям, предъявляемых органическим удобрениям, и может быть переведен в пятый класс опасности. Как видно из результатов анализа после обработки, в полученном осадке произошло снижение индекса ЛКП, индекса энтерококков, и ОСВ полностью отвечают требованиям санитарно-бактериологическим и санитарно-паразитологическим, и осадок относится к первой группе продукции на основе осадка сточных вод для сельскохозяйственного использования.

Результаты детоксикации осадка очистных сооружений ст. Астрахань-2.

На основе анализов осадка сточных вод до обработки и компостирования показано, что валовые содержания таких металлов, как 2п, Си, Сг, РЬ, N1, превышают допустимые значения, предъявляемые для продукции из осадка сточных вод.

Результаты анализа после обработки и компостирования позволяют сделать вывод, что валовое содержание поллютантов снизалось до предельно допустимых значений, предъявляемых для продукции из осадка сточных вод (рис. 1), и ОСВ могут быть переведены в первую группу сельскохозяйственного использования.

Содержание тяжелых металлов и микроэлементов в свежих осадках на иловых площадках (заполнение датируется осенью 2009 года) ст. Сольвычегодска показано в таблице 6:

На основе анализа осадка сточных вод до обработки и компостирования показано, что валовые содержания таких металлов, как 2и, Си, Сг, РЬ, N1, не превышают допустимые значения, предъявляемые для продукции из осадка сточных вод (рис. 2).

Выводы

По результатам опытно-экспериментальных работ на Сольвычегодских и Астраханских очистных сооружениях ОАО «РЖД» после обезвреживания и обеззараживания осадка сточных вод был получен органоминеральный субстрат, который отвечает всем требованиям, предъявляемым к органическим удобрениям, и может быть переведен в пятый класс опасности.