Утилизация осадков сточных вод очистных сооружений посредством компостирования

Разработана новая технология утилизации осадков и активного ила после  биологической очистки городских сточных вод [13]. Основой этой технологии является процесс безреагентного гидролиза органических отходов, приводящий к образованию очень эффективных поверхностно активных веществ. Учитывая высокое содержание тяжелых металлов в осадках, технология позволяет решить проблему утилизации тяжелых металлов.

В результате реализации технологий представляется возможным получить жидкое топливо, которое можно использовать непосредственно на месте его получения, либо продавать любым предприятиям, нуждающимся в энергетическом топливе.

Технология позволяет получить также присадку к асфальтобетону, которая существенно увеличивает его морозостойкость и прочность и срок службы дорожного покрытия на 20-25%. При использовании предварительно высушенных осадков с влажностью 45-50% присадка выпускается в виде сыпучего вещества, удобного для применения на асфальтобетонных заводах. Из осадков с влажностью более 80% получают подвижную эмульсию, не разрушающуюся при хранении. Содержание воды в эмульсии 60-65%, эта вода испаряется при подаче присадки на нагретый минеральный наполнитель при изготовлении асфальта.

Получаемая в результате утилизации осадков городских сточных  вод жидкое топливо может применяться  в любых топочных устройствах, оборудованных  системами газоочистки, а присадка – при изготовлении строительных материалов, дорожных покрытий. Элементарные расчеты показывают, что в течение года может быть получено не менее 70000 тонн жидкого топлива, стоимость которого составляет не менее 100 долларов за тонну, т.е. в результате реализации жидкого топлива может быть получено не менее 7 млн. долларов. Расходы на эксплуатацию установки в течение года составляет не более 150 тыс. долларов.

Процесс утилизации ила и осадка основан на разработанной НПО  «Импульс» технологии получения  из отходов органического топлива  с высокими теплофизическими характеристиками и дальнейшем экологически безопасном сжигании в содорегенерационном котле (используются в целлюлозно-бумажной промышленности) [14]. Все известные способы утилизации ила являются затратными (400 - 500 USD на 1 т. а.с.в. биоила) и экологически вредными, т.к. при этом образуются диоксины и фураны. При использовании предложенной технологии процесс утилизации становится прибыльным, т.к. из всего тепла (4,5 Гкал на 1 т. а.с. топлива), полученного при сжигании органического топлива, только 1/3 идёт для обеспечения процесса приготовления топлива, а 2/3 – для реализации в виде тепла или электрической энергии. При использовании предложенной технологии очистные сооружения обеспечиваются полностью собственным теплом и электроэнергией и становятся самоокупаемыми без учёта тарифов.

Применительно к извлечению полезных компонентов следует отметить, что  сложная переработка ОСВ чаще всего оказывается нерентабельной. По расчетам германских специалистов, в случае полной утилизации жиров, протеинов  и природных полиэфиров, содержащихся в ОСВ, стоимость их выделения из избыточной массы активного ила приближается к стоимости ее захоронения (в ФРГ до введения евро это составляло 450-600 DM/т ОСВ). Технико-экономические расчеты отечественных специалистов показали, что даже при высокой исходной концентрации тяжелых металлов, полная переработка ОСВ в качестве сырья для металлургии в 3-4 раза превышает плату за захоронение. Извлечение же веществ при их низких концентрациях в ОСВ, а также сложная многоступенчатая переработка отличаются еще большей нерентабельностью.

Кроме того, современное состояние  науки и техники, как правило, не обеспечивает безотходность большинства технологических процессов, и, следовательно, переработка ОСВ предполагает продолжение цепочки образующихся отходов.

2.2. Термическое использование ОСВ

Из физических и механических методов наиболее часто используются сжигание и захоронение в грунтах. Эти способы, как правило, связаны со значительными затратами, чрезвычайно энергоемки, малопроизводительны, требуют больших затрат труда и не позволяют использовать органические вещества, содержащиеся в ОСВ.

ОСВ, подсушенные до влажности менее 10%, характеризуются теплотой сгорания, сопоставимой с теплотой сгорания бурого угля, – 3700 ккал/кг. Сжигание ОСВ может  быть экономичным при производительности более 7500 тонн/год, что обусловливает централизованное сжигание при температурах >1300^оС в печах с кипящим слоем, снабженных специальной системой газоочистки. Со снижением производительности растут удельные капиталовложения и срок окупаемости. Однако централизованное сжигание обусловливает необходимость доставки ОСВ, например, автотранспортом, рентабельность которого возможна при влажности ОСВ 18-40%. Организация сушки ОСВ на местах требует значительных капиталовложений, так как известно, что сушка – один из самых дорогих технологических процессов.

ОСВ сжигают также в составе  брикетов и гранул разнообразного состава. В качестве связующих материалов используют мелассу, бентонит, лигнин, негашеную или гашеную известь, доломит, нефтяной пек и пр. В качестве добавок вводят также древесно-стружечные отходы, органическую часть промышленных и бытовых отходов, угольную пыль, шламы и другие углеродсодержащие отходы.

Снижение затрат на строительство  установок для сжигания ОСВ обеспечивается при использовании ОСВ в качестве добавки на угольных электростанциях, что также требует дополнительной подсушки обезвоженных шламов. Сырой шлам горит самостоятельно без применения дополнительного топлива при содержании сухого вещества 37%, однако эффективное сжигание ОСВ может быть обеспечено после сушки до влажности менее 10%. Апостоловым С.А. и Потаповым А.И. разработан способ переработки осадков сточных вод и активного ила путем превращения их в жидкое топливо без предварительной сушки и сжигания такого топлива в типовых котельных агрегатах. Осадок, нагретый до 80-90^оС, перемешивают с нагретым до 100-160^оС нефтяным мазутом или гудроном. Получаемая эмульсия используется в качестве жидкого котельного топлива.

В ряде случаев зола и шлак от сжигания ОСВ могут быть пригодны для вторичного использования в строительстве, сельском хозяйстве и пр. В основном это – отходы, требующие обезвреживания и удаления.

При сжигании ОСВ алюминий, кальций, хром, железо, марганец, никель, кремний  переходят в шлаки, в газовой фазе находятся ртуть, кадмий, свинец. Неполное сгорание ОСВ приводит к выбросу огромного количества сажи и вредных органических соединений, таких как фенол и его производные, бенз-а-пирен и диоксины.

2.3. Депонирование ОСВ в почве

Депонирование ОСВ на глубине в почве является крайней мерой вследствие ряда причин, среди которых отмечают:

• неизученность химических превращений, протекающих в процессе хранения;
• возможную опасность фильтрации ОСВ и ухудшения качества грунтовых и подземных вод;
• отторжение земельных угодий под специальные хранилища, полигоны и пр.

Депонирование ОСВ предусматривает  предварительную обработку и  проведение ряда технологических мероприятий  для исключения отрицательного воздействия  на окружающую среду, которые в совокупности обусловливают высокую стоимость этого способа удаления ОСВ. Для обеспечения безопасности предусматриваются предварительное обезвреживание и пакетирование отходов, изолирующие покрытия, системы мониторинга газов и стоков и т.д. Стоимость депонирования, выполненного с учетом необходимых мероприятий для обеспечения безопасности и контроля, находится на уровне стоимости сжигания ОСВ. Кроме того, из хозяйственного оборота изымается огромное количество земельных площадей. Для ряда высоко опасных промышленных ОСВ депонирование в почве на специальных полигонах – единственный способ удаления.

2.4. Использование ОСВ в качестве  удобрений

Осадки сточных вод индивидуальны  по своему химическому составу. На настоящий  момент они – новые и пока малоизученные  удобрения, что нередко создает  весьма подозрительное к ним отношение. Известные преимущества ОСВ могут проявляться в недостаточной степени в связи с потенциальной опасностью его для здоровья человека и животных. В сточных водах возможен спонтанный процесс образования новых, неизвестных соединений, механизм формирования которых существующими методами установить чрезвычайно трудно. Илы некоторых очистных сооружений обладают выраженной фитотоксичностью, которая может быть обусловлена загрязнением этих осадков, в частности, органическими соединениями, обладающими гербицидными свойствами. Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов достаточно хорошо изучено. Для правильного использования осадков городских сточных вод в качестве удобрений необходимо в каждом конкретном регионе организовать всестороннее изучение их химического состава, определить влияние ОСВ на плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур. В настоящее время в России имеется мало данных по рассматриваемым вопросам.

По своему происхождению и химическому  составу ОСВ с различных очистных станций значительно различаются [15]. Однако они все содержат большое количество протеинов, жиров и минеральных веществ и могут найти применение в качестве удобрения. Но из–за высокой влажности (достигающей 98% в свежем иле и 90–85% в ОСВ с иловых площадок), пластичности и возможного наличия яиц гельминтов и патогенной микрофлоры кишечной группы использование свежего ила для удобрения полей не практикуется.

Наличие в ОСВ патогенной микрофлоры обусловливает необходимость их обеззараживания. В настоящее время существуют достаточно эффективные методы для обеззараживания вод (хлорирование, озонирование, ультразвуковая и ультрафиолетовая обработка), однако использование их для обработки ОСВ требует разработки новых технологий и оборудования.

Одним из способов утилизации ОСВ  является их использование в качестве органо-минерального удобрения, при  этом одновременно решается ряд задач: исключается необходимость хранения (захоронения), повышается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, не загрязняется окружающая природная среда [16].

Выявлено, что 10 млн. тонн осадков сточных вод по содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн. тонн навоза. Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают традиционным органическим удобрениям (табл. 3) [17].

Таблица 3.

Содержание основных питательных  веществ в органических удобрениях и ОСВ.

Основные технические и технологические проблемы использования остаточных илов прямо связаны с сельским хозяйством. Правильное применение ОСВ позволяет повышать плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечивает охрану окружающей среды [18].

Ил со станций очистки сточных вод общественной канализации представляет собой важнейший источник органических, питательных и биологически активных веществ. Непосредственное удобрение илом со станций очистки сточных вод является выгодным способом использования этих отходов, если они используются соответствующим образом при определенных природных и производственных условиях. Благодаря экономической выгоде указанный способ использования ила признается и применяется во всем мире.

Сравнительно с испражнениями  травоядных человеческие фекалии богаче (считая на сухое вещество) азотом и фосфорной кислотой, во-первых, потому, что пища человека богаче белками, чем корм травоядных. Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5% азота, считая на сухое вещество, то в пище человека его бывает от 2-3% (хлеб) до 15% (мясо). Во-вторых, пища людей лучше переваривается, значит, большая часть ее окисляется, давая воду и углекислый газ, а потому оставшаяся доля еще больше обогащается газом, чем в организме травоядных.

В среднем, человек выделяет в сутки около 133 г твердых извержений и 1200 г жидких. В них содержится соответственно: азота – 2 и 14 г, золы – 4,5 и 14 г, фосфорной кислоты – 1,35 и 1,78 г, оксида калия – 0,64 и 2,29 г. Mechi J.J. (1859) говорил: «200 тонн лондонских сточных вод эквивалентны 3,5 центнерам гуано».

Общий эффект воздействия ОСВ на почву заключается в том, что  они повышают ее способность сохранять  влагу, увеличивают содержание органического  вещества и способствуют агрегации почвы. Осадки повышают устойчивость почв к эрозии [16]. Так, жидкий сброженный осадок широко использовался для закрепления движущихся песков в Израиле и во многих других странах мира для создания в песчаных районах почвенного слоя. На этих искусственно созданных землях разбиты парки и спортивные площадки.

На целесообразность использования  в земледелии отбросов человеческого  организма указывал Д.Н. Прянишников (1903). Он констатировал, что в городах отходы уходят в канализацию. Очень трудно определить, какую часть из них удается использовать. Ясно лишь одно, что при недостатке удобрений вообще нельзя игнорировать большие возможности, которые представляет этот источник азота, особенно при одновременном использовании торфа.

Первые опыты  по изучению удобрительной ценности канализационного ила (ОСВ) были проведены П.С. Севастьяновым (1931-1937), который пришел к заключению, что осадки сточных вод могут приравниваться к навозу и минеральным удобрениям. Аналогичные выводы были сделаны и другими авторами (Шванская Л.П, 1938; Беляк Б.И., 1955; Львович А.Н., 1965). Многие авторы (Сергиенко Л.И. и др., 1996) считают, что удобряющий эффект осадков сточных вод определяется, главным образом, наличием в них азота.