Утилизация осадков сточных вод очистных сооружений посредством компостирования

Реагенты на основе промышленных отходов  включают в себя две группы: на основе гуминовых кислот и на основе аминокислот.

Один из вариантов – детоксикация осадков сточных вод гуминовыми кислотами, в результате чего в осадке остаётся гумино-минеральный концентрат – металлоорганические водонерастворимые комплексные соединения, очень устойчивые к микробиологическому и иным воздействиям, которые могут использоваться и в качестве удобрений, и в качестве инертных материалов для пересыпки слоёв ТБО на полигонах. Данная технология ПК «Реконт» уже десять лет применяется в Щёлковском районе Московской области, привлекая внимание перспективностью рекультивации иловых карт с предварительной обработкой осадка гуминовыми кислотами прямо в картах.

Следующий вариант реализации такой идеи заключается в связывании ионов металлов в устойчивые нетоксичные комплексные соединения и уничтожение патогенной микрофлоры. Обработанные реагентами осадки представляют собой субстрат (органо-минеральную композицию), относящийся по своим токсикологическим характеристикам к веществам четвертого класса опасности (практически нетоксичным), поэтому возможность их экологически безопасной утилизации резко расширяется, включая использование в качестве почвоулучшающей добавки и органического удобрения. Эта технология предусматривает на основе новейших отечественных научно-исследовательских разработок создание и внедрение технологий реагентной обработки загрязненных ТМ осадков очистных сооружений и получение полноценного и экологически безопасного органического удобрения. Это достигается антибактериальной обработкой, дегельминтизацией и детоксикацией осадка без существенного изменения его химического состава и физико-химических свойств.

Данная технология была разработана  в ГНЦ ГосНИИ органической химии  и технологии (ГНЦ ГосНИИОХТ) и апробирована на очистных сооружениях городов Подольска, Ногинска, Нижнего Новгорода [27]. Авторы и первые исполнители технологической разработки удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники за 1998 год. Главное преимущество данной технологии по сравнению с большинством других – сохранение органической составляющей при снижении токсичности осадка. Это позволяет из токсических отходов 2-3 классов опасности получать ценный товарный продукт (органическое удобрение или почвоулучшающую композицию), пригодный к реализации в сельском и городском хозяйстве на коммерческой основе.

В 1998-1999 гг. в рамках проекта РОЛЛ «Нейтрализация тяжелых металлов в почвах и иловых осадках Серпуховского района Московской области» такая работа была проведена и на очистных сооружениях Серпухова [28]. В дальнейшем она нашла продолжение в работах ученых Института фундаментальных проблем РАН г. Пущино [29], Научно–координационного центра «Инженерная химия и технология экологически безопасных материалов и процессов» (НКЦ ИХТЭМП, г. Москва), Окского экологического фонда и других научных учреждений.

Реагентная обработка осадков  очистных сооружений является нетрадиционным и перспективным методом их обеззараживания и обезвреживания. Технология включает следующие взаимосвязанные звенья:

А.  Получение аминокислотного бактерицидно-детоксицирующего реагента из токсичных, биологически опасных отходов кожевенного, мехового, мясо- и птицеперерабатывающих производств и токсичных медьсодержащих отходов гальванических производств. Научные основы и технология получения безопасных реагентов для обработки осадков разработаны ГНЦ ГосНИИОХТ, а получение реагентов освоено на опытном производстве НКЦ «Инженерная химия и технология экологически безопасных материалов и процессов. Их получают по отечественной технологии из токсичных биологически опасных отходов кожевенного, мехового, мясо- и птицеперерабатывающих производств и медьсодержащих отходов гальванических производств [30].

Б.  Обеззараживание и обезвреживание содержащих патогенную микрофлору и гельминты и загрязненных тяжелыми металлами осадков городских очистных сооружений аминокислотными реагентами с получением нетоксичного и экологически безопасного субстрата – органоминеральной композиции. Технология реагентной обработки (дезинфекции и детоксикации) осадков разработана НКЦ «Инженерная химия и технология экологически безопасных материалов и процессов», которые регламентируют проведение обработки (последовательность обработки, дозу реагентов в зависимости от влажности осадков и концентрации содержащихся в них ТМ и т.п.) и предусматривают осуществление контроля за протеканием процессов обеззараживания и обезвреживания осадков.

Реагент-бактерицид – композиция гидроксоаминокислотных комплексных соединений Cu (CuLОH, L ^- анион аминокислоты), способных взаимодействовать с белками. Они связываются с белками оболочек патогенных микроорганизмов, в том числе в цистированном состоянии, яиц гельминтов, вызывая их гибель. Также происходит деструкция вирусов, необратимое ингибирование токсинов и остановка автолиза и гниения. Продукты взаимодействия – соединения аминокислотных комплексов с группировками белков – нетоксичны и химически стабильны.

Реагент-детоксикант состоит из натриевых солей аминокислот. Реагент детоксицирует ТМ в осадках in situ без извлечения ионов тяжелых металлов. Так как ионы ТМ являются комплексообразователями, анионы аминокислот связывают их в устойчивые нетоксичные комплексы. Ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ образуют комплексы состава ML (М – металл, L – аминокислота) и ML₂, а ионы Сr³⁺, Со²⁺, Ni²⁺ и Cd²⁺ – комплексы ML, ML₂ и ML₃. Комплексы ML₂ и CrL₃, малорастворимы, разрушаются при pH<2,5. Растворимые комплексы разрушаются при pH<5.

Создан также комплексный бактерицидно-детоксицирующий реагент, способный одновременно уничтожать патогенную микрофлору и обезвреживать ТМ в ОСВ.

Применение реагентов не требует  специального оборудования и не нарушает технологического процесса очистных сооружений. Реагентная обработка осадков в илоуплотнителях может осуществляться в течение всего года. Обработка осадков, депонированных на иловых картах, возможна при положительных температурах, на не замерзших иловых картах. Реагенты заливаются по площадке с осадками вручную или из брандспойта.

Получаемый в результате обработки реагентами субстрат (органо-минеральная  композиция) нетоксичен, не содержит патогенной микрофлоры, богат микроэлементами, содержит азот и фосфор, что делает его привлекательным для использования в качестве удобрения. Определено, что применение органо-минеральной композиции в качестве удобрения положительно влияет на рост и развитие растений, эффект равный, либо выше, чем у необработанных ОСВ, уменьшается поглощение ТМ. Проявлений токсического воздействия на растения нет (хлороза листьев, замедления роста по сравнению с контролем), также как и на гидробионтов (дафний) и почвенных беспозвоночных (червей).

Обработанные реагентами осадки могут  быть использованы в качестве почвоулучшающей добавки и органического удобрения:

• при рекультивации различных нарушенных земель (карьеров, отвалов и хвостохранилищ шахт, рудников и др.), свалок и полигонов твердых бытовых отходов;
• при восстановлении плодородия сильноэродированных и загрязненных земель;
• при озеленении, благоустройстве городских территорий, придорожных полос и др.;
• в питомниках лесного и городского хозяйства при выращивании посадочного материала, рассады, цветов и т.п.;
• в специально отведенных участках под древесные и технические культуры, способные производить большую биомассу;
• под сенокосные и пастбищные угодья при их перезалужении.

Особую перспективность почвоулучшающая  композиция имеет при восстановлении техногенно нарушенных почв, рекультивации свалок, карьеров, строительных площадок, шламоотвалов. Такая композиция позволяет заменить дорогостоящие удобрения при озеленении городов. Кроме того, ликвидация, обезвреживание складированных на территории городов и ближних пригородов осадков улучшит санитарные условия, снизит антропогенную нагрузку на природную среду, поднимет культуру производства, оздоровит социально-экологическую и экономическую обстановку в регионах и в РФ в целом.

2.7. Разрушение токсичных органических  соединений посредством биоремедиации

Одним из перспективных  направлений оздоровления окружающей среды становится экологическая биотехнология, основанная на использовании живых организмов: бактерий, низших грибов, растений, дождевых червей... Особенностью биообъектов является их высокая производительность, специфичность деятельности, пластичность к составу перерабатываемых отходов, сравнительно низкая стоимость работ. Биологические методы лишены многих недостатков, присущих физическим и химическим технологиям утилизации осадков сточных вод. Биотехнологии имеют ряд преимуществ по сравнению с общепринятыми физико-химическими методами: экологическая безопасность переработки; безвредность для окружающей среды конечных продуктов утилизации; высокая пластичность.

На Западе широко применяется  технология сбраживания осадка, разработанная когда-то в СССР. Однако у нас создание метантенков, так и не заработавших почти нигде, стало некоей притчей хрущёвских времен, вроде кукурузы, а в Европе оно превратилось в отдельную отрасль строительства, с усовершенствованной технологией и со своим дизайном. Ни один крошечный городишко не обходится без такой обработки своих осадков, степень распада органического вещества в процессе сбраживания – 50, а то и 55%, что составляет 35% от общей массы сухого вещества; обработанный осадок не нуждается в обезвоживании, а сами очистные сооружения за счёт получаемого газа полностью снабжают себя электроэнергией и частично теплом.

Действенным примером «работы» биологических  объектов по утилизации ОСВ является биоремедиация. Биоремедиация представляет собой использование биологических систем для удаления поллютантов, представляющих опасность для экосистем и человека. Биоремедиация ведёт к минерализации биомассы, обезвреживанию метаболитов и компонентов.

Микробная деградация является одним  из возможных путей очистки окружающей среды от загрязнителей. В последние годы появилось много сообщений о бактериальной деградации. Биотехнологические методы инактивации этих токсикантов имеют ряд преимуществ по сравнению с физико–химическими: экологическая безопасность переработки, безвредность для окружающей среды конечных продуктов деструкции, высокая адаптивность и специфичность в отношении разнообразных загрязнителей, приемлемые трудоемкость и стоимость работ, сохранение естественного состояния и плодородия санируемых почв. Доля минерализованной фракции в деградации поллютантов в почве низка. Поллютанты в большей мере метаболизируются микробами и включаются в органическое вещество почвы.

BICMER (Bacteria immobilized composite membrane reactor) создан  для удаления и восстановления тяжёлых металлов и стойких органических загрязнителей (СОЗ). Этот реактор функционирует благодаря специфически иммобилизованным бактериям, которые способны извлекать металлы или обладают биодеградирующей способностью. Бактерии иммобилизируют на мембране. Мембрана разделяет питательную среду от отработанной. Бактерии иммобилизируются на биоплёнке мембраны посредством фильтрации. Использование таких реакторов содержит в себе ряд преимуществ: незначительный объём отходов; специфические м/о могут быть использованы при специфических условиях; использование кометаболизма; возможность концентрирования загрязнителя на мембране перед деградацией; незначительное загрязнение использованной воды, содержащей бактерии и питательные вещества; биоплёнка может существовать при очень низкой органической нагрузке; наличие аэробной и анаэробной зон.

Биореактор должен обладать способностью сохранять специфические штаммы жизнеспособными при оптимальных и несоответствующих условиях, так как такие штаммы не могут переживать в постоянно меняющихся системах.

Учитывая широкий спектр химических веществ (загрязнителей), попадающих в ОСВ, невозможно разработать какой–либо один способ, эффективно работающий по деструкции этих поллютантов.

Наибольшее распространение получили способы санации ОСВ, при которых  складированные на иловых картах осадки собирают экскаватором и загружают в специальные установки различных типов, где их перемешивают с суспензией микроорганизмов. Осадки подвергают периодической ротации для активизации аэробных и анаэробных процессов путем перемешивания и рыхления. Однако более перспективно направление работ, при котором очистку ОСВ от загрязнений проводят на месте, без перемещения осадков.

В настоящее время существует большое  количество штаммов микроорганизмов,  разлагающих различные органические загрязнители. Они выделены в основном из объектов внешней среды, загрязненных тем или иным веществом.

Анализ литературы не позволяет  предложить какую-либо универсальную  методику быстрой ремедиации осадков. Действие каждого метода обработки  зависит от свойств осадков и характера их загрязнения.

Специалистами из Канады проведены лабораторные эксперименты по удалению тяжелых металлов (цинка, свинца и меди) из осадков городских сточных вод различными способами и сравнены полученные результаты.

Тяжелые металлы из осадков удаляли  химическим (растворяли серной кислотой) и микробиологическим методами. Микробиологический метод осуществлялся с использованием бактериального штамма Thiobacillus ferrooxidans АТСС–1959 или смешанной культуры этого штамма с Thiobacillus thiooxidans АТСС–19377 (штаммы культивировали отдельно и перед инокуляцией субстрата смешивали равные объемы). Во всех опытах по биологической очистке осадков от тяжелых металлов использовали 10% (от объема) инокулята и нестерильный осадок в концентрации 30 г/л (на сухую массу). Было установлено, что удаление металлов из осадка химическим методом эффективно при рН менее 1,5 и концентрации твердых веществ менее 35 г/л. При использовании микробиологического метода значение рН может быть более высоким – 4,0...3,0.

В результате обработки сброженного  в анаэробных условиях осадка максимальное растворение металлов составило при химической обработке (через 24 часа), в %: цинка – 78, свинца – на 49, меди – на 56; при микробиологической обработке (через 12 суток), в %: цинка – на 90, свинца – на 47, меди – на 65, кадмия – на 40; при смешанной культуре: цинка – на 97, свинца – на 55, меди – на 75, кадмия – на 50.