CC BY
1
агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ Фильтровское ш.3, пос. Тярлево, Санкт-Петербург,196634 Россия simon723132@yandex.ru https://orcid.org/0000-0008-3948-6171 Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634 Russia simon723132@yandex.ru https://orcid.org/0000-0008-3948-6171
Заявленный вклад авторов А.Ю. Брюханов - концептуализация Э.В. Васильев - методология, руководство исследованием Е.В. Шалавина - создание черновика рукописи, создание окончательной версии (доработка) рукописи и ее редактирование, визуализация. С.А. Егоров - формальный анализ Authors'contribution A. Y. Briukhanov - research concept E.V. Vasilev - methodology, research supervision E.V. Shalavina - drafting, editing, and shaping the final version (revision) of the manuscript, visualisation S.A. Egorov - formal analysis
Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 29.02.2024 Received: 29.02.2024
Одобрена после рецензирования: 22.03.2024 Approved after reviewing: 22.03.2024
Принята к публикации: 09.04.2024 Accepted for publication: 09.04.2024
Научная статья УДК: 628.386
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД НА ЭТАПЕ ИХ ОБРАБОТКИ В БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКЕ9
Марианна Викторовна Паршикова
9 Исследования проводились в рамках Программы развития научных и научно-педагогических кадров ИжГТУ имени М.Т.Калашникова «Научное обоснование технологии утилизации отходов животноводства и осадков сточных вод в едином цикле на биогазовой установке» (шифр ПМВ-24), приказ ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» от 27.12.2023г. №1565.
16
Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова, г. Ижевск, Россия
marianna.svalova@yandex.ru ORCID 0009-0001-4151-8119
Аннотация. В статье рассмотрена возможность использования осадка сточных вод в качестве составляющей почвогрунта при выращивании рассады цветочных культур и многолетних трав и рекультивации нарушенных земель в инновационном развитии «зеленых» технологий. Для решения поставленной задачи разработана программа исследований, рассчитанная на 2023-2025 гг. Целью программы исследований является разработка технологического процесса по снижению содержания соединений тяжёлых металлов, которые могут находиться в осадке сточной воды. Экологическим показателем является отсутствие в нем патогенной микрофлоры. Способ приготовления почвогрунта с применением осадка сточных вод представляет технологический процесс подготовки свежего, а для проведения сравнительного анализа сброженного в биогазовой установке, осадка с последующим приготовлением экспериментальных делянок и высевом на них многолетних трав. В статье представлены результаты исследования по содержанию ионов тяжёлых металлов и патогенной микрофлоры до и после анаэробного сбраживания осадков сточных вод в биореакторе - одного из этапов эксперимента. Данный этап проводился по ранее отработанной технологии анаэробного сбраживания осадков сточных вод в биореакторе применительно к климатическим условиям Удмуртской Республики. Рекомендуемый объем загрузки сырья в биогазовую установку составляет 80 литров. В биореактор из резервуара-смесителя насосной станции подавали осадок влажностью 97-98% в объеме 60 литров и 20 литров активного ила, добавили активатор процесса в количестве 100 мл. Согласно технологии, продолжительность анаэробного сбраживания осадков сточных вод в биореакторе составляла 20 суток в периодическом мезофильном и термофильном режимах. Технологический процесс предусматривает мезофильный режим сбраживания в течение 6 суток в температурном диапазоне 30-35°С. Термофильный режим сбраживания предусматривает продолжительность опыта в течение 14 суток в температурном диапазоне 50-53°С. В результате проведения опыта максимальная концентрация метана в выработанном биогазе составила 5,85%, т.е. объём выработанного метана составил 39,4 г/м3.
Ключевые слова: активатор процесса, биогазовая установка. биогаз, ионы тяжелых металлов, микробиологический препарат, многолетняя трава, осадок сточных вод, почвогрунт, экспериментальные исследования
Для цитирования. Паршикова М.В. Результаты исследований технологического процесса утилизации осадков сточных вод на этапе их обработки в биогазовой установке // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 1(118). С. 16-33 https://doi.org/
Research article
Universal Decimal Code: 628.386
STUDY RESULTS ON UTILIZATION OF SEWAGE SLUDGE AT THE STAGE OF ITS TREATMENT ON A BIOGAS PLANT
Marianna V. Parshikova
M.T. Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia marianna.svalova@yandex.ru, ORCID 0009-0001-4151-8119.
Abstract. The article considers the possibility of using sewage sludge as a component of soil in flower seedlings perennial grass cultivation and reclamation of disturbed land in the innovative development of «green» technologies. To fulfil the task, a research program was elaborated for 2023-2025. Its aim was to develop a technological process to reduce the content of compounds of heavy metals the sewage sludge may contain. The environmental indicator was the absence of pathogenic microflora in the sludge. The method of soil preparation with the use of sewage sludge was a technological process of preparing the fresh sludge. For comparative analysis the sludge was digested in a biogas plant. Then experimental plots were prepared and seeded with perennial grass. The article presents the research results on the content of heavy metal ions and pathogenic microflora before and after anaerobic digestion of sewage sludge in a bioreactor as one of the experiment stages. This stage was carried out according to the previously developed technology of anaerobic digestion of sewage sludge in a bioreactor applied to the climatic conditions of the Udmurt Republic. The recommended volume of feedstock loading into the biogas plant was 80 liters. The sludge with 97-98% moisture content (60 liters) and activated sludge (20 liters) were loaded into the bioreactor from the mixing tank of the pumping station. Then 100 ml of process activator were added. According to the technology, the duration of anaerobic digestion of sewage sludge in the bioreactor was 20 days in periodic mesophilic and thermophilic modes. The technological process provided a mesophilic digestion mode for 6 days in the temperature range of 30-35 °C. Thermophilic digestion mode provided the duration of the experiment during 14 days at the temperature range of 50-53 °С. As a result of the experiment, the maximum concentration of methane in the produced biogas was 5, 85%, i.e. the volume of produced methane was 39,4 g/m3.
Keywords: process activator, biogas plant, biogas, heavy metal ions, microbiological preparations, perennial herb, sewage sludge, soil, experimental study.
For citation: Parshikova M.V. Study results on utilization of sewage sludge at the stage of its treatment on a biogas plant. AgroEcoEngineering. 2024; 1(118): 16-33 (In Russ.) https://doi.org/
Введение. Осадки сточных вод представлены в виде их твердой фракции, состоящей из органических и минеральных веществ, выделенных в процессе очистки сточных вод методом отстаивания. В результате обработки получается сырой осадок и комплекс микроорганизмов, которые участвуют в процессе биологической очистки сточных вод [1]. Вероятность применения осадков сточных вод в качестве почвогрунта и удобрений определяет технологический регламент, в котором учитываются свойства, гидрологический режим почв, содержание показателей нормируемых загрязнений, общего и минерального азота, фосфора, калия. В АПК и «зелёном» строительстве содержание ионов тяжелых металлов должно соответствовать нормативным требованиям согласно ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадка сточных вод» и ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод».
Согласно ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод» допускается использование осадка в качестве почвогрунта в «зеленом» строительстве
при устройстве газонов, посадке деревьев и кустарников, в питомниках декоративных культур, для биологической рекультивации нарушенных земель, полигонов промышленных отходов.
Цель исследования. Повышение эффективности обработки осадков сточных вод с применением биогазовой установки для проведения сравнительного анализа, позволяющей получить почвогрунт и органические удобрения с возможным их использованием в инновационном развитии «зеленых» технологий для АПК.
Материалы и методы. Проведен анализ научных работ академика РАН С.В. Яковлева д.т.н, профессора Я.А. Карелина, д.т.н, профессора Ю.М. Ласкова, к.т.н, профессора В.И. Калицун, д.с.-х.н, профессора А.Н. Барановского, д.т.н, профессора В.Н. Диденко по обработке осадка [2,3].
Проведен анализ научных работ российских и зарубежных ученых В.Н. Диденко, В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер о мезофильном и термофильном режимах сбраживания [3,13]. По мнению российских и зарубежных ученых, мезофильный режим анаэробного сбраживания представляет более стабильный биологический процесс обработки осадка. При этом термофильный режим анаэробного сбраживания, согласно проведенным экспериментам, проходит ускоренно и более эффективно, с большим объемом выработанного биогаза и глубоким биологическим обеззараживанием.
Наиболее значимо в обоих режимах - стабильное поддержание достигнутой оптимальной температуры в биореакторе. Мезофильные и термофильные бактерии адаптируются к температурному режиму в пределах от 25 °С до 58 °С. В случае изменения температурного диапазона в пределах от 3 °С до 4 °С в большую или меньшую сторону, может произойти изменение количества колоний микроорганизмов, жизнедеятельность которых зависит в том числе и от температуры среды их обитания. Увеличение или уменьшение температуры свыше допустимого значения может пагубно влиять на жизнедеятельность и активность мезофильных или термофильных бактерий, в данном случае они становятся более медленные, ленивые. Необходимо учитывать изменение температурного диапазона, чтобы обеспечить адаптацию мезофильных и термофильных бактерий и не вызвать снижения объема выработанного биогаза. Необходимо учитывать поддержание оптимальной температуры в биореакторе с учетом погодных условий района, температуры загружаемой в биореактор биомассы с учетом естественной температуры органических отходов.
Также на процесс анаэробного сбраживания влияют следующие факторы - наличие в осадке ионов тяжелых металлов и реакция среды.
По мнению российских и зарубежных исследователей оценивать технологический процесс анаэробного сбраживания рекомендовано по объему вырабатываемого биогаза, химическому и токсикологическому анализу состава сброженного осадка сточных вод [4].
Ранее проведенные нами исследования и эксперименты, направленные на усовершенствование технологии обработки осадка сточных вод с применением биогазовой установки в условиях Удмуртской Республики, ставили цель достижения максимально возможного объёма вырабатываемого биогаза. В результате исследований была разработана технология обработки органических отходов применительно к условиям Удмуртской Республики [5].
При проведении экспериментальных исследований для полной обработки осадка в биогазовой установке было принято решение о применении в качестве активатора
микробиологического препарата «Компостин», т.к. эксперименты с использованием препарата «Байкал ЭМ-1» проводились в 2020 г.
На основании анализа исследований российских ученых, нормативной и методической документации разработана программа экспериментальных исследований [6, 7, 8, 9,10].
Программа экспериментальных исследований включала следующие основные этапы (2023 г.):
1. Литературный анализ имеющихся архивных данных о составе осадка сточных вод за 2017-2023 гг. Оценка возможности снижения содержания соединений ионов тяжелых металлов непосредственно в обезвоженных осадках.
2. Подбор многолетних трав для рекультивации иловых площадок.
3. Подготовка экспериментальных площадок - делянок (1х3х0,5 м).
4. Лабораторный анализ состава осадка сточных вод с иловых площадок разных лет заложения - 1 год, 3 года, 10 лет, по показателям: влажность, зольность, массовая доля общего азота, рН, массовая доля общего фосфора, массовая доля органического вещества, кадмий, медь, свинец, марганец, никель, хром, цинк.
5. Лабораторный анализ состава осадка сточных вод с иловых площадок разных лет заложения по показателям: паразитологические исследования (преимагинальные стадии синантропных мух (личинки, куколки), яйца гельминтов, цисты кишечных простейших, БГКП).
6. Заполнение площадок послойно осадком сточных вод разных лет заложения, активным илом, песком и опилками.
7. Аэробное компостирование полученной смеси. Обеспечение теплоизоляции площадки путем укрывания геотекстилем с учётом температурного диапазона.
8. Высев многолетних трав на площадках в соответствии с нормами от производителя:
- многолетняя трава «Вика» - 1 кг на 10 м2;
- многолетняя трава «Люцерна» - 0,5 кг на 50 м2;
- «Горчица» - 1 кг на 35 м2.
- «Гречиха» - 1 кг на 150 м2.
- газон быстрорастущий - 1 кг на 35 м2.
9. Уход за посадками в соответствии с правилами агротехники.
10. Сбор и оценка веса травяной массы по видам высева в конце сезона.
11. Лабораторный анализ полученной почвенной смеси по химическим показателям, оценка изменения содержания ионов тяжелых металлов.
12. Лабораторный анализ содержания ионов тяжелых металлов в многолетних травах по видам высева.
13. Выдача рекомендаций по оптимальным видам многолетних трав для рекультивации иловых площадок.
14. Отработка технологии изготовления почвогрунта из органических отходов очистных сооружений канализации (осадок, активный ил, песок), с применением органического компонента и активатора.
Потребность в материалах и реагентах на программу 2023 г.: объем осадков сточных вод - 1000 л;
- расход активного ила - до 660 л;
- расход активатора «Байкал ЭМ1» - 1 л;
- расход активатора «Компостин» - 0,5л;
- объем песка - до 0,33 м3;
- объем опилок - до 1000 м3.
15. Получение биомассы с применением биогазовой установки. Основные расходные показатели на один цикл:
- расход осадков сточных вод - 60 л;
- расход активного ила - 20 л;
- расход активатора «Компостин» - 100 мл.
16. Для проведения сравнительного анализа проводилось заполнение площадки послойно сброженной в биогазовой установке биомассой, песком и опилками в соотношении 1:1:1.
Отбор проб загружаемой и выгружаемой биомассы из биогазовой установки проводился однократно. Проведение химических и микробиологических анализов биомассы в начале и в конце проведения экспериментальных исследований проводилось в лаборатории «Биотехнологий» с использованием стандартных методик. Определялись показатели качества, загружаемой и сброженной биомассы: влажность, зольность, массовая доля общего азота, рН, массовая доля общего фосфора, массовая доля органического вещества, кадмий, медь, свинец, марганец, никель, хром, цинк, оценка изменения содержания ионов тяжелых металлов.
В плане научно-исследовательских работ на 2023-2025 гг. предусмотрено проведение каждого этапа опытов с трёхкратной повторностью, в том числе с применением биогазовой установки.
Для получения сброженной биомассы использовалась экспериментальная биогазовая установка, представленная на рисунке 1.
У»
lilt
Ж
V-
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной биогазовой установки Fig. 1. External view of the experimental biogas plant
Ранее наши исследования проводились 22 дня последовательно в мезофильном и термофильном режиме работы. Перед проведением испытаний по исследованию технологического процесса анаэробного сбраживания осадка сточных вод проверяли герметичность установки и работоспособность всех её систем. В течение первого дня производили запуск установки в «холостом» режиме работы и в качестве загружаемой биомассы использовали воду. По результатам «холостого» запуска в течение второго дня проводили тарировку регуляторов температуры. После подготовки установки к работе приступили к основному опыту, в биореактор загружали смесь сырой биомассы. Проводили запуск в работу биогазовой установки в ацетогенной стадии, лаг-фазе - фазе приспособления или отсутствия роста метаногенных микроорганизмов. В период проведения опыта поддерживали периодический мезофильный в течение 6 суток и термофильный режим сбраживания в течение 14 суток. Для обеспечения подогрева, устанавливали регуляторы температуры на 35°С при мезофильном режиме и на 55°С при термофильном режиме. Режим перемешивания - 1-4 (1-й режим - режим соответствует перемешиванию в течении 1-й минуты, 2-й режим соответствует перемешиванию в течении 2-х минут, 3-й режим - 3-х минут, 4-й режим - 6-и минут); частота перемешивания один раз в час. Ежедневно проводили наблюдение за изменениями значимых факторов, температуры, давления, выработки биогаза в течение смены. В процессе эксперимента в течение смены (один раз в час) фиксировали значения температуры ^ во внутренней секции биореактора, t2 - в наружной секции и 1з - в переходной зоне между наружной и внутренней секцией биореактора. В процессе экспериментальных исследований фиксировали показания давления в течение смены (один раз в час) на манометрах в наружной, внутренней секции биореактора и на газгольдере. Концентрацию выработанного метана, поступившего в газгольдер фиксировали с помощью газоанализатора марки «ХОББИТ-Т».
Результаты. В объёме одной статьи публикация всех результатов проведённого эксперимента по программе, выполненной в 2023 г., не представляется возможной, они будут представлены в следующей статье.
В результате обработки осадка сточных вод в биогазовой установке при термофильном режиме максимальная концентрация метана в выработанном биогазе составила 5,85% на девятый день опыта (табл.1). Эффективность технологического процесса полной обработки осадка сточных вод в биореакторе достигается при применении активатора «Компостин» и подтверждается максимальным объемом выработанного биогаза.
Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований в термофильном режиме сбраживания осадков сточных вод в биогазовой установке на 9-й день опыта
Table 1. Experimental results in thermophilic digestion of sewage sludge in a biogas plant
on day 9 of the experiment
t, час Показания термометров, 0С Показания газоанализатора, % Режим перемешивания, 1 -4
1 2 3 СН4
10:00 54 44 44 5,21 4
11:00 56 45 44 4
12:00 56 45 46 4,61 4
13:00 56 46 50 4
14:00 56 46 55 5,85 4
15:00 56 46 53 4
16:00 55 45 51 5,53 4
Полученные результаты анализа химического состава осадка сточных вод представлены на рисунках 2,3.
Рис. 2. Результаты анализа химического состава осадка сточных вод Fig. 2. Analysis results of the chemical composition of sewage sludge
Рис. 3. Результаты анализ химического состава осадка сточных вод
Fig. 3. Analysis results of the chemical composition of sewage sludge
Полученные результаты агрохимического анализа пробы осадка сточных вод после сбраживания в биогазовой установке представлены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты агрохимического анализа пробы осадка сточных вод после
сбраживания в биогазовой установке Table 2. Results of agrochemical analysis of sewage sludge sample after digestion in biogas plant
№ п/п Показатель Единицы измерения Применяемая МВИ Результат исследования Погрешность, А при Р=0,95
1 рН(сол.) Ед. рН ГОСТ 2648385 5,65 0,10
2 Общий азот % на сухой продукт ГОСТ 2671585 5,71 0,30
3 Общий фосфор % на сухой продукт ГОСТ 2671785 2,83 0,20
4 Органическое вещество % ГОСТ 2621391 69,4 4,2
5 Гигроскопическая влажность % ГОСТ 2826889 10,09 0,71
В таблице 3 представлены результаты санитарно-бактериологических и санитарно-паразитологических показателей осадков до сбраживания в биогазовой установке, полученных в лаборатории «Биотехнологий».
Таблица 3. Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели осадков до сбраживания в биогазовой установке
Table 3. Sanitary-bacteriological and sanitary-parasitological parameters of sludge prior to digestion in a biogas plant
Показатели
БГКП (бактерии группы кишечной палочки), КОЕ/г Яйца гельминтов, экз/кг Цисты кишечных простейших, экз/кг
Обезвоженный осадок сточных вод 40000 20 Не обнаружено
Гигиенический норматив Не нормируется отсутствие отсутствие
В результате санитарно-бактериологического и санитарно-паразитологического анализа осадка сточных вод, сброженного в биореакторе, (табл. 4) показатели соответствуют нормативам ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод» (табл. 5, 6).
Таблица 4. Результат паразитологического и токсикологического исследования осадков сточных вод после сбраживания в биогазовой установке Table 4. Result of parasitological and toxicological study of sewage sludge after digestion in
a biogas plant
Показатель Единица измерения Методика измерения (исследований) результат
Преимагинальные стадии синантропных мух (личинки, куколки) экз/кг МУ 2.1.7.2657-10 Не обнаружено
Яйца гельминтов экз/кг МУК 4.2.2661-10 (Метод Романенко) Не обнаружено
Цисты кишечных простейших экз/кг МУК 4.2.2661-10 (Метод Падченко) Не обнаружено
Класс опасности (метод биотестирования водной вытяжки) - ФР.1.39.2007.03222 ФР.1.39.2007.03223 V
БГКП КОЕ/г МР № ФЦ /4022 10
Согласно ГОСТ Р 59784-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод. Общие требования» применяемые в качестве органических удобрений осадки должны соответствовать требованию, представленному в таблице 5.
Таблица 5. Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические
показатели осадков
Table 5. Sanitary-bacteriological and sanitary-parasitological indicators of sediments
Наименование показателя Норма для осадков группы
I II
Бактерии группы кишечной палочки, клеток/г осадка фактической влажности 100 1000
Патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы, клеток/г отсутствие отсутствие
Яйца геогельминтов и цисты кишечных патогенных простейших, экз./кг осадка фактической влажности, не более отсутствие отсутствие
В таблице 6 представлены показатели свойств осадков сточных вод и продуктов их переработки при использовании для рекультивации нарушенных земель в соответствии с нормативами ГОСТ Р 59748-2021
Таблица 6. Показатели свойств осадков сточных вод и продуктов их переработки при использовании для рекультивации нарушенных земель Table 6. Indicators of properties of sewage sludge and its products when used for reclamation of disturbed lands
норматив
При При
Наименование показателя использовании использовании
для технической для
рекультивации биологической
рекультивации
Биологическое потребление кислорода (БПК5) водной вытяжки, мг О2/дм3, не более 500<*> 500
Бактерии группы кишечной палочки, индекс 1000 100
Патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы, клеток/г отсутствие отсутствие
Жизнеспособные яйца геогельминтов и цисты простейших отсутствие отсутствие
Наличие жизнеспособных личинок и куколок синантропных мух отсутствие отсутствие
<*> - осадки сточных вод массовой долей сухого вещества 25% - 45%, массовой долей золы 35% - 65%. БПК5 водной вытяжки более 500 02/дм3 могут быть использованы для технической рекультивации нарушенных земель при условии создания противофильтрационных экранов и дренажной системы.
Обсуждение. В исследовании была использована программа выполнения научно-исследовательских работ по обработке и обезвреживанию осадка согласно требованиям стандартов: ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрения», ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадка сточных вод», ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод», которые регламентируют применение осадка в качестве удобрений в сельском хозяйстве, «зеленом» строительстве, и для биологической рекультивации нарушенных земель и полигонов твердых бытовых отходов. Отбор проб почв, грунтов и осадков сточных вод очистных сооружений канализации проводится согласно ПНД Ф 12.1:2: 2.2:3.2-02-03 «Методические рекомендации. Отбор проб почв, грунтов, осадков биологических очистных сооружений, шламов промышленных сточных вод, донных отложений искусственно созданных водоемов, прудов накопителей и гидротехнических сооружений». В зависимости от применяемых способов утилизации осадка, допускается их применение в составе почвогрунтов и биотоплива. Согласно ГОСТ Р 17.4.3.07 предъявляются требования к обработанному осадку, применяемому в виде органического удобрения. Тяжелые металлы, содержащиеся в осадках сточных вод представляют группу металлов с атомной массой более 50 (Pb, Cd, Ni, Cr, Zn, Cu, Hg), которые при определенных концентрациях могут оказывать токсичное действие.
Осадки сточных вод, которые возможно применять в качестве органических удобрений в сельском хозяйстве, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 17.4.3.072001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрения». Данные представлены в таблицах 7 и 8.
Таблица 7. Допустимое валовое содержание ионов тяжелых металлов и мышьяка в осадках
сточных вод. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 Table 7. Permissible gross content of heavy metal ions and arsenic in sewage sludge
Наименование металла Концентрация, мг/кг сухого вещества, не более, для осадков группы
I II
Свинец (Pb) 250 500
Кадмий (Cd) 15 30
Никель (№) 200 400
Хром (СГобщ) 500 1000
Цинк ^п) 1750 3500
Медь (Си) 750 1500
Ртуть 7,5 15
Мышьяк (As) 10 20
Таблица 8.Агрохимические показатели осадков сточных вод Table 8. Agrochemical parameters of sewage sludge
Наименование показателя Норма Метод определения
Массовая доля органических веществ, % на сухое вещество, не менее 20 ГОСТ 26213
Реакция среды (рН) 5,5-8,5* ГОСТ 26483
Массовая доля общего азота (№), % на сухое вещество, не менее 0,6 ГОСТ 26715
Массовая доля общего фосфора (Р2О5), % на сухое вещество, не менее 1,0-1,5 ГОСТ 26717
* Осадки, имеющие значение реакции среды (рН вытяжки) более 8,5, могут использоваться на кислых почвах в качестве органоизвестковых удобрений.
Применение осадка в виде органического удобрения не должно негативно влиять на экологические и санитарно-гигиенических показатели окружающей среды, почвы.
В отличие от нашего эксперимента с применением биогазовой установки, направленного на получение компоста из одного вида сырья - осадка сточных вод, исследования авторов Барановский И.Н., Смирнова Т.И., направлены на получение компоста из различного вида сырья при разных сроках выдержки, без использования биогазовой установки [2].
Анализ химического состава и контроль качества осадков сточных обеспечивает аналитическая лаборатория «Биотехнологии» при базовой кафедре «Инженерные системы ЖКХ». По результатам наших исследований микробиологического и паразитологического анализа осадка, который загружается в биогазовую установку, показатель БГКП составил 40 000 КОЕ/г, яиц гельминтов 20 экз./кг, цисты кишечных простейших не обнаружены. Данный показатель превышает норматив из ГОСТ Р 59748-2021 «Технические принципы обработки осадков сточных вод» и превышает показатель по содержанию яиц и личинок геогельминтов, цисты патогенных кишечных простейших, не обнаруженных в осадке сточных вод в чистом виде, по аналогичным исследованиям ООО «Тверь Водоканал» [2].
Результат анализа, представленный в таблице 9, свидетельствует о том, что добавление в состав свежего осадка органических компонентов позволяет получить компост
при данном способе обработке органических отходов. Бактерии группы кишечной палочки не обнаружены в осадке сточных вод, по аналогичным исследованиям ООО «Тверь Водоканал», показатель составляет 10 000 клеток/г фактической влажности.
Решение экологического вопроса ООО «Тверь Водоканал» осуществимо с возможностью получения экологически безопасного органического удобрения на основании способа приготовления компоста [2], без использования биогазовой установки. Результаты исследований свежего и разного срока заложения осадка сточных вод с последующим компостированием в буртах на площадке ООО «Тверь Водоканал» представлены в таблице 9.
Таблица 9. Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические
показатели компостов
Table 9. Sanitary-bacteriological and sanitary-parasitological indicators of composts
Опыт Бактерии группы кишечной палочки, клеток/г фактической влажности Патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы, клеток/г фактической влажности Яйца геогельминтов и цисты кишечных патогенных простейших, экз./кг фактической влажности Индекс энтерококков, клеток/г
Осадки сточных вод в чистом виде 10 000 Не обнаружено Не обнаружено 10
Осадки сточных вод + опилки 1:3 (2 мес.) 2,3*10 Не обнаружено Не обнаружено Не обнаружено
Осадки сточных вод - опилки 1:3 (5 мес.) 2,3*10 Не обнаружено Не обнаружено 1,0
Осадки сточных вод - опилки 1:3 + ЭМ «Байкал» (2 мес.) 2,3*10 Не обнаружено Не обнаружено 1,0
Осадки сточных вод - опилки 1:3 + ЭМ «Байкал» (5 мес.) 1,0 Не обнаружено Не обнаружено Не обнаружено
Осадки сточных вод - опилки 1:3 + птичий помет (2 мес.) 2,5*10 Не обнаружено Не обнаружено 1,0
Осадки сточных вод - опилки 1:3 + птичий помет 2,3*10 Не обнаружено Не обнаружено 1,0
(5 мес.)
По ГОСТу компосты, приготовленные из осадка 1 и 2 групп 100 (1 группа) и 1000 (2 группа) Отсутствуют Отсутствуют 1-10
Гигиенический норматив Не нормируется Не нормируется Не допустимо Не нормируется
Проведенные экспериментальные исследования технологического процесса утилизации осадков сточных вод на этапе их обработки в биогазовой установке обеспечивают решение экологической проблемы уменьшения загруженности иловых площадок на очистных сооружениях канализации водоканалов Удмуртской Республики с возможностью получения почвогрунта, компоста и биогаза. Трехкратная повторность проведения экспериментальных исследований по заполнению экспериментальных делянок необходима для получения среднего значения при основных расходных показателях за цикл проведения опыта. При проведении экспериментальных исследований повышение эффективности обработки осадков сточных вод достигается применением биогазовой установки, позволяющей получить почвогрунт и биогаз с возможным их использованием в инновационном развитии «зеленых» технологий для АПК [11,12,13].
Выводы.
1) Повышение эффективности обработки осадков сточных вод, с применением биогазовой установки достигается при периодическом мезофильном и термофильном режиме с применения активатора процесса. Максимальный объем выработанного биогаза наблюдался при термофильном режиме на 9-й день опыта и составил 39,4 г/м3.
2) Термофильный режим анаэробного сбраживания осадков сточных вод в биореакторе с применением активатора процесса является оптимальным по объему вырабатываемого биогаза для климатических условий Удмуртской Республике.
3) Решается экологическая проблема по обезвреживанию бактерий группы кишечной палочки, сальмонеллы, патогенных микроорганизмов в процессе стабилизации в анаэробных условиях с применением биогазовой установки. На основании результатов опыта водородный показатель сброженной биомассы рН составил 5,85 (слабокислая среда), а данные экспериментальных исследований, подтверждают эффективность обеззараживания.
4) Осадок, возможно применять в качестве органических удобрений при массовой доле общего азота (К) не менее 0,6 % на сухое вещество и в качестве почвогрунта при массовой доле общего азота (К) не менее 0,5 % на сухое вещество согласно ГОСТ Р 597482021. По результатам опыта показатель по общему азоту составил 5,71 %.
5) Осадки сточных вод, возможно применять в качестве органических удобрений при показателе общего фосфора (Р2О5) 1,0-1,5 % (не менее), а в виде почвогрунта содержание общего фосфора (Р2О5) должно быть 1,5 % (не менее) на сухое вещество согласно ГОСТ Р 59748-2021. По результатам опыта показатель по общему фосфору составил 2,83 %.
6) На основании ГОСТ Р.17.4.3.07-2001 применять осадок в качестве удобрений запрещено в случае, если загрязнения в почве превышают концентрацию более 0,8 ПДК. При
сравнении результатов экспериментальных исследований с нормативными показателями, можно сделать вывод, что полученный после сбраживания осадок сточных вод относится к первой группе, т.е. допускается применять в качестве органических удобрений (анализы на содержание ртути и мышьяка не проводились), что также подтверждается сравнением полученных и нормативных данных по агрохимическим показателям.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Андреев А.В., Панов Д.А. Свалова М.В. К методике исследования процессов анаэробной очистки сточных вод с применением энергосберегающих технологий // Наука и инновации в современных условиях. 2016. № 1. С. 215-219. URL: https://elibrary.ru/xduwdn
2. Барановский И.Н., Смирнова Т.И. Способ приготовления компоста из осадка сточных вод (варианты). Патент № 2513558 РФ, заявл. 09.01.2013; опубл. 20.04.2014. Бюл. № 11. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2513558C1_20140420
3. Диденко В.Н., Свалова М.В., Исаев А.В., Узаков Н.Д. Метод сравнительной оценки тепловых потерь биореакторов на этапе аванпроекта биогазовой установки // Энергосбережение и водоподготовка. 2019. № 5 (121). С. 61-65. URL: https://elibrary.ru/qfkors
4. Исаков В. Г., Абрамова А. А., Непогодин А. М. Зеленые технологии в очистке поверхностных и сточных вод объектов ЖКХ. В сб.: Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования: Материалы VIII Межд. конф. Ижевск: ИжГТУ. 2019. Т.1. С.460-465. URL: https://elibrary.ru/zixzfz
5. Касаткин В.В., Литвинюк Н.Ю., Бурлакова Ф.М., Свалова М.В., Ильин А.П. К модели процесса утилизации отходов продукции птицеводства // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009.№2. С. 70-71. URL: https://elibrary.ru/knxkfn
6. Колосова Н.В., Монах С.И. Математическая модель тепломассообмена при получении биогаза в метантенке // Современное промышленное и гражданское строительство. 2019. № 2. С. 67-74. URL: https://elibrary.ru/wfepnx
7. Мезрин Н. М., Абрамова А. А., Дягелев М.Ю., Исаков В.Г. Оценка специфических загрязнений в составе городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2022. №7. С.34-41. https://doi.org/10.35776/VST.2022.07.05
8. Оковитая К.О. Повышение эффективности работы метантенков. В сб.: Эффективные технологии в области водоподготовки и очистки в системах водоснабжения и водоотведения. 2021. Материалы I Всеросс. студ. науч.-практ. конф. Волгоград: ВолгГТУ. 2021. С. 54-56. URL: https://elibrary.ru/mnwlyq
9. Провоторова А.А. Сравнительный анализ использования аэротенков и метантенков при очистке сточных вод. В сб.: Современная наука и ее ресурсное обеспечение: Инновационная парадигма. Сб. статей по материалам VI межд. науч.-практ. конф. 2021. С. 97-102. URL: https://elibrary.ru/wvzfmp
10. Смирнова А.Р. Пути повышении эффективности работы метантенков. В сб.: Научный форум: технические и физико-математические науки. Сб. статей по материалам XXXI межд. науч.-практ. конф. М.: МЦНО. 2020. С. 23-30. URL: https://elibrary.ru/vmnphb
11. Хворенков Д.А., Алексеева Л.В., Варфоломеева О.И., Попов Д.Н. К расчету параметров распространения угарного газа от котла индивидуальной системы отопления частного жилого дома. В сб.: Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика. Сб. материалов межд. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н. И.
(1945-2015) - Даниловских чтений. Екатеринбург: УрФУ. 2018. С. 65-69. URL:https://elibrary.ru/zavbnr
12. Юхин Д.П. К вопросу повышения эффективности функционирования метантенка биогазовой установки. В сб.: Наука молодых - инновационному развитию АПК: материалы XII нац. науч.-практ. конф. молодых ученых. Уфа: БашГАУ. 2019. С. 168-172. URL:https://elibrary.ru/fyvwlq
13. Baowei Wang, Zhiwen Wang, Tao Chen, Xueming Zhao. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00007
REFERENCES
1. Andreev A. V., Panov D. A. Svalova M. V. To the methodology of studying the processes of anaerobic wastewater treatment using energy-saving technologies. Nauka i innovacii v sovremennyh usloviyah = Science and Innovation in Modern Conditions. 2016; 1: 215-219 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/xduwdn
2. Baranovsky I.N., Smirnova T.I. Method of compost preparation from sewage sludge (variants). Patent No. 2513558 Russian Federation. 2013. (In Russ.). Available at: https://yandex.ru/patents/doc/RU2513558C1_20140420
3. Didenko V.N., Svalova M.V., Isaev A.V., Uzakov N.D. Method for comparative evaluation of heat losses of the reactors at the stage of preliminary design of a biogas plant. Energosberezhenie i Vodopodgotovka = Energy Saving and Water Treatment. 2019; 5 (121):61-65 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/qfkors
4. Isakov V. G., Abramova A. A., Nepogodin A. М. Green technologies in surface and wastewater treatment of housing and communal services facilities. In: Technical Universities: integration with European and world education systems. Proc. VIII Int. Conf. Izhevsk: Publishing House of Kalashnikov ISTU. 2019; 1:460-465 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/zixzfz
5. Kasatkin V.V., Litvinyuk N.Y., Burlakova F.M., Svalova M.V., Ilyin A.P. To a model for poultry waste management. Khranenie i Pererabotka Sel''khozsyr''ya = Storage and Processing of Farm Products. 2009; 2: 70-71. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/knxkfn
6. Kolosova N.V., Monakh S.N. A mathematical model of heat and mass exchange in biogas producing in a digester. Sovremennoe promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo = Modern Industrial and Civil Construction. 2019; 15(2): 67-74 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/wfepnx
7. Mezrin N. M., Abramova A. A., Dyagelev M. Y. Estimation of the specific pollutants in municipal wasterwaer. Vodosnabzhenie i sanitarnaya texnika = Water Supply and Sanitary Technique. 2022;7: 34-41. (In Russ.) https://doi.org/10.35776/VST.2022.07.05
8. Okovitaya K.O. Increasing efficiency of digesters. In: Effective technologies in water treatment and purification in water supply and wastewater disposal systems. Proc. All-Russian Student Sci. Prac. Conf. Volgograd: VolgSTU. 2021: 54-56 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/mnwlyq
9. Provotorova A.A. Comparative analysis of the use of aerotanks and digesters in wastewater treatment. In: Modern science and its resource support: An innovation paradigm: Proc. VI Int. Sci. Prac. Conf. 2021: 97-102 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/wvzfmp
10. Smirnova A.R. Ways to increase the efficiency of methane tanks operation. In: Scientific Forum: Technical and Physical-Mathematical Sciences: Proc. XXXI Int. Sci. Prac. Conf. Moscow: ICNO, 2020; 2 (31): 23-30 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/vmnphb
11. Khvorenkov D. A., Alekseeva L. V., Varfolomeeva O. I., Popov D. N. To calculate the distribution parameters of the carbon monoxide gas from private house individual heating system boiler. In: Energy and resource conservation. Energy supply. Non-traditional and renewable energy sources. Nuclear energy: Proc. Int. Sci. Prac. Conf. dedicated to the memory of Professor Danilov N. I. (1945-2015) - Danilov Readings (Yekaterinburg, December 10-14, 2018). Yekaterinburg: UrFU, 2018: 65-69 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/zavbnr
12. Yukhin D.P. To the issue of improving the efficiency of biogas digester functioning. In: Science of the young - innovative development of agroindustrial complex: Proc. XII Nat. Sci. Prac. Conf. of young scientists. Ufa: Bashkir State Agrarian University. 2019: 168-172 (In Russ.) URL:https://elibrary.ru/fyvwlq
13. Baowei Wang, Zhiwen Wang, Tao Chen, Xueming Zhao. Development of novel bioreactor control systems based on smart sensors and actuators. Front Bioeng. Biotechnol. Sec. Bioprocess Engineering. 2020; 8. (In Eng.) https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00007
Об авторах: About the authors:
Марианна Викторовна Паршикова, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Водоснабжение и водоподготовка», Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск, ул. Студенческая, 07, Россия, marianna.svalova@yandex.ru ORCID 0009-0001-4151-8119 Marianna V. Parshikova, Cand. Sci. (Engineeering), Assistant Professor, assistant profess of the chair "Water Supply and Water Treatment". Izhevsk State Technical University named after M. T. Kalashnikov, Izhevsk, Studencheskaya St., 07, Russia, marianna.svalova@yandex.ru ORCID 0009-0001-4151-8119
Заявленный вклад авторов Автор выполнил все функции проекта. Authors'contribution Single author article - the author fulfilled all the functions in the project
Конфликт интересов Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The author declares no conflict of interests regarding the publication of this paper
Автор прочитала и одобрила окончательный вариант рукописи к публикации The author has read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 26.03.2024 Received: 26.03.2024
Одобрена после рецензирования: 08.04.2024 Approved after reviewing: 08.04.2024
Принята к публикации: 09.04.2024 Accepted for publication: 09.04.2024
