Утилизация осадков сточных вод очистных сооружений посредством компостирования

УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ  СТОЧНЫХ ВОД ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ КОМПОСТИРОВАНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Проблема утилизации  осадков сточных вод очистных  сооружений в России

Процессы самоочищения природы  из-за больших концентраций ксенобиотиков и высокой их устойчивости к разложению идут очень медленно. Поэтому актуальной экологической задачей является восстановление окружающей среды: рациональная переработка промышленных и сельскохозяйственных отходов; санация и восстановление плодородия земель, загрязненных токсичными химическими веществами и радионуклидами; утилизация осадков сточных вод очистных сооружений; очистка водных источников и т. д.

Одной из многочисленных экологических  проблем современной цивилизации  является утилизация отходов производства и потребления, в том числе осадков сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений. Действующее законодательство Европейского Союза в области утилизации ОСВ ужесточено, особенно в отношении содержания тяжелых металлов [1]. Применяемые на сегодняшний день способы захоронения, складирования, сжигания, компостирования, использования ОСВ в сельском хозяйстве не будут допускаться законодательством ЕС. Поэтому поиск новых технологий утилизации ОСВ крайне актуален.

Особо остро эта проблема стоит в России. В Российской Федерации за год образуется порядка 2 млн. тонн осадков по сухому весу (при исходной влажности 98% их масса составляет порядка 100 млн. тонн). Только по официальным данным, например, в Московской области накоплено более 120 млн. тонн неутилизированных ОСВ, ежегодно эта цифра увеличивается на 14-20 млн. тонн, суммарная площадь иловых полей превысила 700 га. По оценкам специалистов ГУПР МПР России по Московской области, суммарное годовое количество образования этих отходов – около 5 млн. тонн; по оценкам ПК «Реконт», одной из организаций, специализирующихся на переработке отходов Московского региона, – не менее 14 млн. тонн, а может быть, и все 20. Количество осадков, лежащих на иловых картах оценивают от 107 до 130 млн. тонн соответственно [2, 3].

Осадки городских очистных сооружений представляют собой органические (до 80%) и минеральные (около 20%) примеси, выделенные из воды в результате механической, биологической и физико-химической очистки. В состав ОСВ входят вещества, обладающие общетоксическим, токсикогенетическим, эмбриотоксическим, канцерогенным и другими негативными свойствами. В ОСВ могут содержаться тяжелые металлы Cr, Cd, Hg, Cu, Pb, Co, Zn, Mo, патогенные организмы (бактерии, простейшие, гельминты, вирусы), избыточное количество нитратов, токсические вещества, пестициды, полихлорированные бифенилы, алифатические соединения, эфиры, моно- и полициклические ароматические вещества, фенолы, нитрозамины. Хранящиеся на иловых картах и отвалах осадки очистных сооружений, как правило, относятся ко второму классу (высоко опасные) или третьему классу (опасные) отходов. Выделяемые ОСВ вредные газы могут превышать предельно допустимые концентрации в несколько раз, дурно пахнут. Их запах равен 4 – 5 баллам по шкале органолептических показателей.

Основная масса  осадков складируется на иловых площадках  и отвалах, создавая технологические  проблемы в процессе очистки стоков. Условия их хранения, как правило, приводят к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв, растительности. Поступая в подземные и грунтовые воды, водная вытяжка из ОСВ придает им цветность, привкусы, что негативно отражается на качестве таких вод. Эта проблема с каждым годом обостряется и требует безотлагательного решения. В России ОСВ практически полностью хранятся на территориях очистных сооружений, что превращает их в очаг бактериологической и токсикологической опасности. Уровень использования отходов городов и осадка сточных вод в сельском хозяйстве стран СНГ пока невысок. В почву вносится не более 4-6% осадка сточных вод с очистных сооружений крупных городов. Большая часть отходов вывозится на свалки, создающие опасные очаги загрязнения окружающей среды. При этом безвозвратно теряются содержащиеся в отходах полезные компоненты.

В настоящее время развёрнута работа по инвентаризации всех объектов очистки сточных вод, начиная с эффективности работы самих очистных сооружений и заканчивая положением на иловых картах. Такое серьёзное значение придаётся проблеме не напрасно. В 99% случаев иловые карты расположены рядом с очистными сооружениями, имеющими сброс в реку, то есть, проще говоря, расположены на берегах рек. В последние 15-20 лет на большинстве очистных сооружений очистка карт не осуществлялась, и в настоящее время они переполнены. В результате этого: а) некуда сбрасывать вновь образующиеся осадки; б) при паводке очень вероятно разрушение обваловки и поступление содержимого карт в реки.

Выход из сложившейся экологической  ситуации связан с экологизацией  хозяйственной деятельности, внедрением малоотходных или безотходных технологий. Главным условием внедрения подобных технологий на данном этапе развития общества является не столько осознание необходимости реализации реализации экологических мероприятий, сколько их адаптированность к условиям рынка, коммерческая эффективность. В последние годы в зарубежных странах деятельность в области ресурсосберегающих и природоохранных технологий стала одной из перспективных и прибыльных. В США управление отходами занимает 4-е место среди отраслей промышленности по годовому обороту капитала. В странах ЕС темпы роста в этой сфере экономики ежегодно составляют 20%, их рост ожидается до 50%. Реализация концепции «разделения и утилизации» способствует не только решению экологических проблем, но и позволяет получать прибыль.

2. Способы утилизации  ОСВ

Осадки очистных сооружений с учетом уровня их загрязнения могут быть утилизированы следующими способами: термофильным сбраживанием в метантенках, высушиванием [4], пастеризацией, обработкой гашеной известью и в радиационных установках, сжиганием [5, 6], пиролизом, электролизом, получением активированных углей (сорбентов), захоронением, выдерживанием на иловых площадках, использованием как добавки при производстве керамзита, обработкой специальными реагентами с последующей утилизацией, компостированием [7-9], вермикомпостированием.

Проблема безопасной утилизации осадков  сточных вод (ОСВ) возникла с образованием крупных городов и связана с их большими объемами, необходимостью длительной сушки (исходно влаги 98 % от всей массы), наличием патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, загрязнением тяжелыми металлами (ТМ), хлорорганическими соединениями, нефтепродуктами.

Наиболее широко распространенные способы утилизации осадков в  различных странах приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Методы утилизации осадков сточных вод очистных сооружений в европейских странах.

Примечание: 1. В  скобках – распределение методов утилизации в перспективе (+ – увеличение, - – уменьшение).

        2. * – сбрасывается в море.

        3. ** – большая часть осадка используется для различных целей на свалках.

Как следует из таблицы 1, в мировой  практике основными направлениями  утилизации загрязненных ОСВ являются затратные методы – захоронение на свалках и сжигание. Почва остается средой, наиболее широко используемой в определенных местах для размещения больших объемов ОСВ или же использования их в качестве органического удобрения, модификатора почв. Такие способы как пиролиз, добавки в производстве керамических изделий и др. ограничены по экономическим и техническим причинам (затраты энергии, отсутствие заинтересованных в данном сырье производств), а также с изъятием из биогеохимического оборота органического вещества. При использовании этих методов происходит вторичное загрязнение окружающей среды продуктами разложения ксенобиотиков. Предложенные методы также несовершенны из-за высокой энерго- или трудоемкости, стоимости. 
Таблица 2.

Возможные способы утилизации осадков  городских очистных сооружений

в зависимости от уровня их загрязнения.

Традиционная утилизация осадков сточных вод производится химическими, физическими и механическими методами.

2.1. Переработка ОСВ

Образующиеся в процессе очистки  канализационных стоков полупродукты вследствие высокого содержания тех или иных компонентов могут представлять интерес для различных отраслей промышленности: металлургии, сельского хозяйства, стройиндустрии и др. Например, технология Diakat (Германия) позволяет полностью извлекать и повторно использовать Cr⁶⁺, Cr³⁺, Cd, Zn, Cu, Ni, Ag, Pb, Sn. Освобожденный от тяжелых металлов продукт применяется в качестве кормовой добавки в животноводстве или в качестве удобрения. Фирма “Air Products and Chemicals” разработала способ обработки ОСВ с использованием образующегося продукта в качестве исходного сырья для производства кирпичей, температура обжига которых, а значит, и энергозатраты, значительно ниже традиционных. В Великобритании запатентован способ производства из ОСВ в смеси с торфом и древесными опилками материала в виде досок или пластин, которые могут использоваться в качестве опалубки в строительных целях [10]. В Луганске (Украина) разработаны технологии утилизации по выпуску керамического кирпича из отходов углеобогащения и ОСВ, асфальтобетонных смесей с наполнителями из ОСВ. Разрабатываются технологии получения керамзита, дегтебетонов, гипсобетонов с ОСВ в качестве наполнителя [11].

В системе Минжилкомхоза Беларуси разработаны способы утилизации ОСВ в технологиях различных асфальтобетонных смесей [12]. Осадок сточных вод применялся в качестве минерального порошка, а также технологической добавки, обеспечивающей неслеживаемость холодных битумоминеральных смесей, и активирующей добавки, повышающей физико-механические свойства асфальтобетона. Разработаны новые дорожно-строительные материалы с использованием ОСВ (холодная асфальтобетонная смесь, горячая асфальтобетонная смесь и холодная эмульсионно-минеральная смесь). Эти материалы были применены при строительстве экспериментальных участков дорог и улиц. Новизна работы состоит в использовании ОСВ в натуральном виде в технологии приготовления битумоминеральных смесей (впервые в мировой практике). Исследованиями было установлено, что асфальтобетонные смеси, содержащие ОСВ, обладают лучшими технологическими свойствами и лучше уплотняются, чем обычные асфальтобетонные смеси. Плотность и прочность образцов асфальтобетона с ОСВ, изготовленных при температуре 112-115°С, не уступают аналогичным показателям обычных асфальтобетонных образцов, уплотненных при температуре 140-160°С. Экологический эффект от утилизации ОСВ в асфальтобетонных смесях достигается за счет того, что не требуется сжигания ОСВ на специальном заводе и выделения новых земельных участков для захоронения ОСВ. Кроме того, производство и укладка холодных асфальтобетонных смесей за счет применения ОСВ позволяет снизить технологические температуры на 35-45%.

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.