Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Пындак В.И. 1 Помогаев Е.Ф. 1

---

1 ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия», Волгоград

В статье освещается одна из наиболее серьезных экологических проблем, существующих на канализационных очистных сооружениях, – накопленные непереработанные осадки сточных вод. В ней представлены технические решения и основы технологии переработки осадков городских сточных вод, накопившихся за многие годы эксплуатации на очистных сооружениях. Приведена принципиальная схема опытно – промышленной установки для переработки некондиционных осадков сточных вод со всеми ее элементами, дано описание работы этой установки, а также химическая интерпретация процессов, происходящих при переработке осадков по предлагаемой ферментно – кавитационной технологии. Определены свойства переработанных осадков, подтвержденные их использованием в качестве высокоэффективных нетрадиционных комплексных органоминеральных удобрений.

Статья в формате PDF

309 KB

сточные воды

иловый осадок

переработка

экология

удобрения

1. Яковлев СВ., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. – 3-е изд., доп. и перераб. – М.: Изд-во АСВ, 2004. – 701 с.

2. ГОСТ Р 17.4.3.07–2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании в качестве органических удобрений. – М.: Агропром, 2001. – 38 с.

3. Степкина Ю.А. Совершенствование технологий и систем обработки осадка при очистке сточных вод, получение и апробация комплексного удобрения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Волгоград, 2009. – 23 с.

4. Пындак В.И., Степкина Ю.А. Эффект микромелиорации и гумификации при использовании в качестве удобрения илового осадка // Международный сельскохозяйственный журнал. – 2008. – №3. – С. 56–57.

5. Пындак В.И., Помогаев Е.Ф., Степкина Ю.А. Нетрадиционные комплексные удобрения для выращивания картофеля при капельном орошении // Мелиорация и водное хозяйство. – 2010. – №3. – С. 29–30.

Вокруг городов и крупных поселений России, за исключением мегалополисов, скопилось огромное количество некондиционных осадков - отходов производства после биологической очистки бытовых (канализационных) сточных вод. Возле мегалополисов такие осадки (их первоначальная влажность составляет 98...99 %) сушат и сжигают в специальных весьма энергоемких и экологически небезупречных печах, затем депонируют. В ряде городов, например в г. Саратове, сырые осадки собирают и сбрасывают на городские свалки, усугубляя и без этого напряженную экологическую обстановку.

Известны два основных метода биологической очистки бытовых сточных вод и обработки образующегося при этом осадка [1]: анаэробное метановое сбраживание и аэробная минерализация. Большинство очистных сооружений функционируют по первому методу, который по определению не обеспечивает показатели осадка, соответствующие критерию удобрения.

Известны полевые и лабораторные исследования по использованию осадка в качестве органического удобрения преимущественно при возделывании кормовых и технических культур. Хотя результаты трактуются как положительные, но осадок содержит огромное количество (40...60 %, иногда до 80 %) непереработанного органического вещества, которое незначительно усваивается корневой системой растений; в осадке присутствует и патогенная микрофлора. В некоторых городах в канализацию сбрасывают часть неочищенных промышленных стоков, следствием чего является повышенное содержание в осадке тяжелых металлов - в основном кадмия и цинка, в ряде мест - дополнительно меди и никеля.

Весьма прискорбно, что государственный стандарт России [2], трактуя осадки как органические удобрения, требует, чтобы содержание органики в нем было не менее 20 %, при этом стандарт допускает в осадке губительную для почвы патогенную флору. Мы же установили: чем больше в осадке органики, тем хуже ее качество как удобрения. При содержании органических веществ больше 50 % осадок находится в гелеобразном состоянии, длительное время не обезвоживается, поскольку органика не переработана (нерасщеплена) и в таком виде непригодна для внесения в почву. Именно такой, накопленный за многие годы, осадок стал объектом переработки для решения экологических проблем многих городов.

Для получения осадка, отвечающего критериям удобрения, разработан и реализован новый аэробный ферментно-кавитационный метод очистки сточных вод и обработки осадка [3]. Сущность метода будет раскрыта ниже, а пока покажем, что после естественной сушки осадок на очистных сооружениях г. Энгельса может иметь влажность 35...40 % (это состояние сыпучести) и содержит всего 15 % органики, а также общие формы азота (> 2,5 %), фосфора (4,2 %), калия (1,25 %); впервые в практике очистки сточных вод в осадке «появилась» подвижная сера (1950 мг/кг). Тяжелые металлы (как следствие сброса в канализацию промышленных стоков) в осадке имеются, но в допустимых пределах; лишь кадмий (30 мг/кг) находится на пределе требований, на других очистных сооружениях кадмия меньше. Патогенная флора в таком осадке отсутствует.

Весьма важно, что и органика, и минеральные вещества, и сера находятся в форме, легко доступной растениям и почвенной микрофлоре. Сера, как известно, присутствует во всех живых организмах, является биогенным элементом, входя в состав аминокислот, белков, ферментов и т.п. Для растений сульфат серы SO₄^2- - важнейший источник минерального питания. К этому следует добавить, что в осадке присутствует комплекс микроэлементов.

Основы ферментно-кавитационного метода были использованы и при переработке «старых» и сравнительно свежих некондиционных осадков, скопившихся вокруг очистных сооружений. Принципиальная схема опытно-промышленной установки (рисунок) предусматривает приемный резервуар 1 для некондиционных осадков, которые предварительно разбавляют водой. Отсюда насос 2, посредством всасывающего трубопровода 3, забирает субстрат и по напорному трубопроводу 4 подает в главный резервуар установки высотой до 9 м - аэробный ферментно-кавитационный стабилизатор 5, при этом дополнительный циркуляционный трубопровод 6 открыт, а трубопроводы 7 и 8 перекрыты. Перерабатываемый осадок многократно «прогоняют» по малому кругу 3-2-4-5-6. В этом «круге» имеются важнейшие устройства, которые в основном и обеспечивают протекание ферментно-кавитационного процесса, - турбуджет 9 на входе в насос и оксиджет 10 на входе в аэробный стабилизатор.

Турбуджет - это особый, не имеющий аналогов, всасывающий патрубок ротационного (центробежного) насоса. Следствием его использования является винтообразное движение субстрата после выхода из насоса - вдоль стенок трубопровода 4. Это явление и создает кавитацию низкой интенсивности с числом кавитации K_δ < 0,05 (для обычных насосов K_δ = 4...6). Субстрат становится водовоздушной неньютоновской жидкостью с кавернами - ядрами кавитации.

Принципиальная схема установки для переработки осадков (обозначения по тексту)

В таком виде водовоздушный субстрат пропускают через оксиджет 10. Это по-существу простой струйный аппарат или эжектор. Такой аппарат засасывает воздух из атмосферы (на рисунке показано стрелка-
ми В) и нагнетает его в резервуар. По сравнению с традиционными методами обработки осадков концентрация растворенного кислорода в субстрате составляет 18...20 мг/л, а коэффициент использования кислорода возрастает в 8... 10 раз по сравнению с простым аэрированием, которое осуществляется за счет принудительной подачи воздуха энергоемкими воздуходувками. В нашем варианте воздуходувки не требуются.

В водовоздушном субстрате частицы органического вещества и патогенная флора (преимущественно яйца и личинки гельминтов) становятся ядрами кавитации - вокруг них формируются каверны. Схлопывание последних приводит к разрыву оболочки флоры и к дроблению органики. Микропузырьковая среда не оказывает негативного влияния на микроорганизмы и, в частности, на ферменты; такая среда является благоприятной для их интенсивного размножения [1]. Ферменты и весь микромир субстрата продолжают разрушение микрочастиц на своем уровне.

По современным представлениям, образующийся при названных условиях активный ил - это скопление микроорганизмов, в которых клетки окутаны густой «паутиной»; суммарная поверхность микроорганизмов достигает 100 м² на 1 грамм сухого вещества. Это объясняет огромную сорбционную способность ила - глубоко переработанного осадка, который периодически удаляется в процессе циркуляции среды.

Время переработки осадка (5...7 часов) зависит от первоначального содержания в нем органики, температуры среды и давления водовоздушного субстрата перед эжектором (оптимальное давление для этой установки - 0,12...0,14 МПа). Переключением запорных элементов (на рисунке показаны значками ×) скопившийся в резервуаре ил (переработанный осадок) по трубопроводам 7-3-8, посредством насоса, выгружается на иловые площадки 11, снабженные дренажной системой 12.

Кратко описанный процесс переработки осадков сопровождается химическими реакциями под действием кислорода. Обрабатываемую биомассу зачастую представляют химической формулой C₅H₇NO₂. Тогда уравнение окисления биомассы в условиях длительного аэрирования имеет вид:

 C₅H₇NO₂ + 7О₂ → 5СО₂ + 3Н₂О + Н⁺ + NO₃^- . (1)

В химической интерпретации обработка осадков считается законченной, когда конечные продукты (в нашем случае СО2, Н2О, сульфаты и нитраты) не подвергаются дальнейшим разложениям. Высокое содержание органики в некондиционных осадках объясняется недостатком кислорода, сокращенным циклом аэрации и невозможностью химическими методами расщепить относительно крупные частицы органики. Согласно (1) нестабильными элементами являются Н⁺ и NO₃^-.

Активные соединения азота NO₃^- обеспечивают процесс денитрификации осадка с образованием свободного азота N₂, выделяющегося из сточных вод в атмосферу, -

 2NO₃^- + 5/6СН₃ОН → N₂ + 5/6СО₂ + OН^- + 5/6 Н₂О.   (2)

Что касается ионов Н⁺ и ОН^- , то, как известно, они формируют важнейший показатель рН жидкой и влажной среды, в нашем случае осадка:

 рН = [Н⁺ ]×[ОН^- ]. (3)

Выявлено: чем глубже и более высокое качество обрабатываемых осадков, тем больше выделяется ионов Н+ и ОН-, и тем выше показатель рН, значения которого могут достигать 8,0...8,5; высокие показатели рН свидетельствуют о щелочных свойствах осадков и косвенно подтверждают глубокую их переработку.

Выполнена опытно-промышленная апробация переработанных осадков в качестве комплексного удобрения. Полевые опыты проводили в сухостепной зоне на бедной гумусом светло-каштановой почве - в условиях сухого земледелия (возделывали озимую пшеницу) и в условиях орошения при выращивании семенного картофеля. Особенности технологии и данные по урожайности изложены в работах [4, 5]. Общий вывод таков: глубоко переработанные осадки - не только высокоэффективное нетрадиционное комплексное органоминеральное удобрение, но и аккумулятор влаги в почве, и средство для повышения плодородия почвы. Активное действие осадков как удобрения происходит, как минимум, на протяжении двух лет.

Некоторые авторы утверждают, что при использовании осадка в почве возрастает дефицит калия; на орошаемом поле, где проводили опыты, был недостаток природного калия. Поэтому нами принято решение: в таких случаях осадок применять совместно с природным кварц-глауконитовым песком (глауконитом), который содержит калиевое К2О и магниевое MgO удобрения (суммарно < 17 %) и микроэлементы, улучшает структуру почвы и так же, как осадок, длительно удерживает почвенную влагу.

Опыты по возделыванию семенного картофеля проводили после внесения осенью (после пахоты) осадка по вариантам 20; 40; 60 т/га плюс 10 % (по массе) глауконита. Урожайность клубней картофеля повышается соответственно на 16; 74; 112 % по сравнению с контролем (без осадка, но при наличии традиционных минеральных удобрений) [5]. Достигнута также экономия поливной воды при капельном орошении.

Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают экологизацию обширных территорий вокруг очистных сооружений; повышение плодородия почв, в том числе бедных почв в засушливых регионах; существенное ограничение использования дорогостоящих химических (минеральных) удобрений.

Рецензенты:

Степкин А.А., д.т.н., президент компании ЗАО Компания по защите природы «Экотор», г. Волгоград;

Даниленко Ю.П., д.с.-х.н., зав. лабораторией ГНУ «ВНИИОЗ» Россельхозакадемии, г. Волгоград.

Работа поступила в редакцию 15.06.2011.

Библиографическая ссылка