CC BY
43УДК 504. 37
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
Г.Я. Дрозд, М.Ю. Хвортова
ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»
Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния дождевого червя «Старатель» на содержание тяжелых металлов в осадке сточных вод. Предложена технология получения биогумуса из канализационных илов.
Ключевые слова: осадок сточных вод, технология, тяжелые металлы, вермикультура, биогумус, удобрение
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами Экологическую опасность для стран СНГ представляют накопленные объемы осадков сточных вод (ОСВ). Для Украины, например, ежегодный прирост объемов осадков составляет около 40 млн. т по сухому веществу, для размещения которых требуется 120 га/год природных земель [1]. Скопление больших количеств осадков затрудняет работу очистных станций водоканалов из-за отсутствия резервных территорий. Так, в Луганской области станции очистки сточных вод занимают общую площадь 130 га, причем на 40% этой площади производят обработку и складирование образующихся осадков [2]. Поэтому проблема утилизации ОСВ как в Украине, так и в России является крайне актуальной. Эта проблема отражена в ряде Законов Украины, обязывающих производителей отходов избавляться от них. При этом игнорируется сам факт отсутствия технологий по их утилизации [4, 5].
Анализ исследований и публикаций.
Технологическая политика в области утилизации осадков городских сточных вод в настоящее время приобретает все большее значение для государств, которые намерены присоединиться к Европейскому Союзу. Нормативные документы ЕС в области утилизации осадков намного жестче, чем в странах СНГ [6]. В мировой практике используются следующие основные методы утилизации ОСВ: сжигание, сброс в океан, на контролируемые свалки, применение в сельском хозяйстве (табл.1) [6].
Таблица 1 - Способы утилизации осадков сточных вод в странах ЕС
Способ утилизации Объем в 1998 г., % Объем в 2005 г., %
Складирование 48 10
Использование в сельском хозяйстве 32 45
Сжигание 13 38
Компостирование 2 7
Сброс в море 5 0
Как следует из таблицы, в Европейской практике наблюдается тенденция к ликвидации складирования осадков и увеличению доли их сельскохозяйственного использования.
Для сравнения, в Украине и России используется практически один способ утилизации осадков - складирование (>95%) и менее 5% - в сельском хозяйстве.
Директивные документы ЕС регламентируют применение ОСВ в зависимости от способа их переработки (обычной или углубленной) в следующих областях: пастбища, кормовые культуры, с/х поля, выращивание фруктов и овощей, сады, виноградники, парки, зоны отдыха, леса, восстанавливаемые территории.
Химический состав ОСВ различных стран аналогичен отечественным отходам данного вида. Варьируется только концентрация отдельных загрязнений, зависящая в первую очередь от вида промышленности населенных пунктов, вносящих свой вклад в общее загрязнение осадков. Лимитирующим фактором, влияющим на возможность использования ОСВ в сельском хозяйстве в качестве удобрения, являются тяжелые металлы [7,8]. Представляет интерес оценить возможности применения отечественных ОСВ различного состава в качестве органического удобрения для сельского хозяйства.
Постановка задачи. Обобщить экспериментально-теоретические и опытно-промышленные исследования для обоснования биотехнологии утилизации ОСВ в условиях Украины.
Изложение материала и его результаты.
В таблице 2 приведен химсостав осадков сточных вод г. Луганска, состоящий из органических и минеральных примесей, токсичных веществ (тяжелые металлы), которые и обуславливают ограниченное их использование и неэффективность существующих методов утилизации. Эти концентрированные отходы в жидком или обезвоженном виде хранятся под открытым небом, сбрасываются в
Таблица 2-Химический состав осадков сточных вод г. Луганска
Характеристика органической и минеральной составляющей осадков,%
Вид осадка Орг в-а SiO2 Fe2Oз ТЮ2 CaO MgO P2O5 К2 О Ша20 SOз
Осадок 1990г. 33,4 25,56 9,45 6,56 0,23 12,69 2,72 3,44 0,79 0,51 3,22
Осадок 2010г. 61,4 14,0 4,41 3,47 0,25 9,18 0,39 3,44 0,52 0,58 3,24
Содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод, мг/кг
Вид осадка Zn Си Сг Cd № Со Mn РЬ
Осадок 1990г. 7149 1301 1834 1250 7164 125 554 274
Осадок 2010г. 611 277 214 57 391 7,7 358 11
114
карьеры, овраги и загрязняют окружающую среду. Переполненные иловые площадки и пруды являются источниками загрязнения атмосферы и гидросферы, создают экологическую и социальную напряженность на прилегающих территориях.
Качественные характеристики осадка сточных вод, накопленных на территории Луганской области, резко отличаются. В северных сельскохозяйственных районах области, г. Сватово и г. Половинкино, ввиду малого количества промышленных предприятий ОСВ слабо загрязнены тяжелыми металлами (табл. 3).
В других районах, в том числе в Луганске, где сконцентрировано большое количество предприятий, ОСВ имеют высокую степень загрязненности тяжелыми металлами. Канализационные осадки города Луганска относятся к IV классу опасности и размещаются открыто на иловых площадках, чем и обостряют экологическую ситуацию [2]. В то же время осадки сточных вод являются органическим удобрением, содержащим полный набор микроэлементов необходимых для сбалансированного роста растений [3].
Исходя из того, что основная опасность при складировании осадков заключается в миграции из них тяжелых металлов (ТМ) в почву и водоемы, представляет интерес проанализировать основные факторы, определяющие этот процесс.
В санитарно-гигиеническом отношении опасность представляет не столько концентрация тяжелых металлов, сколько значение растворимости их солей, которая зависит от температуры, рН среды и массообменных процессов.
Поэтому с точки зрения экологической безопасности возможны следующие подходы к ограничению миграции токсичных веществ из осадков в окружающую среду (табл. 4).
По данным [4], в Украине только 1/3 объемов накопленных осадков, согласно международных требований (табл.5), может иметь сельскохозяйственное использование.
Регламентация требований к содержанию тяжелых металлов в ОСВ национальными стандартами зарубежных стран дает зеленый свет для использования ими более 55% осадков в сельском хозяйстве (табл. 5). Отсутствие таких нормативных документов в Украине обуславливает отсталость в утилизации ОСВ в сельскохозяйственной сфере хозяйствования.
Таблица 3 - Химический состав осадков сточных вод, мг/кг (2013год)
Показатели, мг/кг на абсолютно сухое вещество Районы Луганской области
Луганск Половинкино Сватово
Валовая форма Подвижная форма 1М ИЖ>3 ААБ Валовая форма Подвижная форма 1М НЖ>3 ААБ Валовая форма Подвижная Форма 1М НЖ>3 ААБ
Мп 322 282 84 370 295 167 322 316 65
Си 526 396 33.4 213 120 4.1 122 88 4
гп 425 415 350 345 332 178 352 339 173
Бе 18500 7983 48.1 16225 9475 39.4 17500 9993 28
Со 49 38.1 6.5 24.6 21 4.2 28.8 15.7 3.7
N1 287 245 39 64 54 14.3 96 75 18.7
РЬ 174 156 4.1 65.6 42.9 5.6 38.6 36.4 2.4
са 46.6 42.2 23 6.5 6.4 1.6 3.7 3.6 1
116
Таблица 4 - Способы ограничения миграции тяжелых металлов _из ОСВ_
- пассивация тяжелых металлов - повышение щелочности осадков для снижения растворимости металлов;
- изоляция частиц осадка водонепроницаемыми пленками;
- максимальное уплотнение осадков для снижения выщелачивания токсических веществ, уменьшение фильтрационных и диффузных процессов;
- увеличение химической стойкости путем спекания и остекловывания частиц осадка;
- предотвращение увлажнения;
- комплексные мероприятия по изоляции осадков от окружающей среды.
За рубежом широко изучают применение вермикультуры для утилизации бытового мусора и ОСВ очистных сооружений [11-13]. В научно-производственной лаборатории Луганского национального аграрного университета разрабатываются технологии утилизации отходов животноводства при помощи вермикультивирования с использованием в качестве вермикультуры дождевого червя «Старатель» (Рисунок - 1).
Дождевой (компостный) червь «Старатель», получен в лабораторных условиях профессором С.М. Игониным во Владимирском педагогическом университете в 1986 году путем скрещивания особей двух пространственно отдаленных популяций (Владимирской местной популяции и киргизской популяции из Чуйской долины) навозных червей Ег^'впга/ввИйа .
С 2008 года совместно с ООО «Лугансквода» проводится совместный эксперимент по биоконверсии ОСВ с помощью вермикультуры (Рисунок - 2).
Это безотходная технология, дающая возможность получать органоминеральную смесь (вермикомпост) и биологическую массу вермикультуры.
В разрабатываемой нами технологии получения органоминеральной смеси из ОСВ лежит природный механизм почвообразования (гумификация). В результате биохимических реакций, происходящих под воздействием сообщества почвенных животных и микроорганизмов, в промышленных условиях происходит управляемый процесс трансформации осадков сточных вод в органоминеральную смесь. Агротехника и энергообеспечение. - 2014. - № 3 (3)
Таблица 5 - Требования к содержанию тяжелых металлов в осадках сточных вод, используемых для удобрений (мг/кг сухого вещества) в некоторых странах
Страна Со N1 8г Си гп РЬ Сг+3 са Ий Бе Мп
Украина (ТУ 204 Укр. 76-93) 100 200 300 1500 2500 750 750 30 15 25000 200 0
Россия (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001) - 200400 - 7501500 17503500 250500 5001000 1530 7,515 - -
США - 150 - 750 1500 500 500 50 - - -
Франция 20 100 - 1500 300 300 200 15 8 - -
Германия - 200 - 1200 3000 1200 1200 20 20 - -
Австрия - 100 - 500 2000 100 - - 10 - -
Нидерланды - 50 - 500 2000 500 500 10 10 - -
Швейцария 100 200 - 100 3000 1000 1000 30 10 - -
Финляндия 100 500 - 3000 5000 1200 1000 30 - - 300 0
Директива ЕС № 86/278 - 300400 - 10001750 2504000 7501200 - 2040 1625 - -
118
Основное средство производства, промышленная популяция дождевых (компостных) червей вида Eisenia foetida (Владимирский гибрид «Старатель»). По В.А. Догелю они относятся к семейству дождевых (Lumbricidae), отряду высших малощетинковых (Lumbricomorpha), классу малощетинковых (Oligochaeta), подтипу поясковых (Clitellata), типу кольчатых (Annelida) подцарству многоклеточных, царству животных [9].
Идеальным исходным сырьем для червей является не депонированный, а относительно «свежий» ОСВ. Осадок имеет вид рассыпчатой, рыхлой земли. Он технологичен в работе, транспортировке и к переработке вермикультурой. Вспомогательный материал - листовой опад, который добавляется в соответствующих пропорциях к ОСВ, позволяющих получить рыхлую структуру субстрата и оптимальное для червя соотношение C:N.
Объектом исследований были осадки сточных вод (ОСВ) взятые с иловых площадок г. Луганска. Здесь в природных условиях было проведено их высушивание.
Рисунок 1. Дождевой червь Eisenia foetida (Владимирский гибрид «Старатель»)
Рисунок 2. Вермикопостирование ОСВ в лаборатории ООО «Лугансквода».
Плотность посадки червей составляла 600 половозрелых особей на 10 дм3 субстрата. Продолжительность 1-й части эксперимента составила 55 день.
Полученные результаты 1 -й части эксперимента свидетельствуют о возможности использования червей для переработки ОСВ. Происходит снижение как валовых, так и подвижных форм тяжелых металлов (табл. 6,7). Группа металлов: свинец, кобальт, никель, кадмий, марганец изменила свое содержание в сторону уменьшения. Количество свинца в валовой форме снизилось на 28,4%, а в подвижной на 45,8%, а ведь это один из самых распространенных элементов в ландшафтах.
Концентрация кобальта и марганца в гумусе-сырце не превышала значений ПДК в почве по Украине, количество меди, цинка, никеля и свинца превышало ПДК (табл. 8) [8]. Выявленные превышения ПДК не подтверждают токсичность этих металлов в нашем «продукте». Необходимо отметить, что речь идет о гумусе-сырце, а не о готовой органоминеральной смеси, а концентрация внесения смеси должна рассчитываться.
Таблица 6 - Изменение содержания валовой формы тяжелых металлов в результате работы червя на 55 сутки, мг/кг сухого вещества
Наименование Осадок Гумус--сырец Уменьшение
металла сточных вод из ОСВ содержания, %
Мп 323 303,33 6,2
Си 526,33 497,67 5,5
гп 390 380 2,6
Бе 18429,33 18260 0,9
Со 47,50 40,70 14,3
N1 279,33 256,0 8,4
РЬ 174,67 125 28,4
са 42,60 41 3,8
Таблица 7 - Изменение содержания подвижной формы тяжелых металлов в результате работы червя на 55 сутки, мг/кг сухого вещества
Наименование Осадок Гумус--сырец Уменьшение
металла сточных вод из ОСВ содержания, %
Мп 285 276 3,2
Си 378,67 372,33 1,7
гп 379,33 370 2,5
Бе 7792 8713 -
Со 34,9 30,17 13,6
N1 214 172,33 19,5
РЬ 151,33 82± 45,8
са 40,33 38,07 5,6
При этом необходимо учитывать региональные и местные условия, в том числе свойства и гидрологический режим почв, содержание в органоминеральной смеси и почве нормируемых загрязнений, общего и минерального азота, фосфора, калия, особенностей возделывания культур, принятого севооборота и т.п. Сравнение концентрации металлов в органоминеральной смеси с показателями ПДК по почве не корректно, так как в нашем продукте эти металлы выступают как микроэлементы.
Агрохимические показатели гумуса-сырца так улучшаются и можно отметить, что дождевой червь Eisenia foetida благоприятно влияет на ОСВ и производит в нем положительные изменения. Агрохимические показатели были в пределах нормы, если
руководствоваться стандартами России (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001), но в Украине таких стандартов пока нет (табл. 9, 10).
У дождевых червей в пищевод впадают три пары особых известковых желез. Они густо пронизаны кровеносными сосудами и служат для удаления карбонатов, накапливающихся в крови. Излишки извести поступают из желез в пищевод и служат для нейтрализации гуминовых кислот, содержащихся в поедаемых червями гниющих листьях [9].
Заглатывая кусочки субстрата, червь трансформирует их в кишечной полости и выделяет в виде копролитов - «каменных» экскрементов [9]. Под их действием происходит изменение химического состава ОСВ (табл. 6, 7, 9). Дождевые черви хорошо исследованы с точки зрения их микроэлементного состава и аккумуляции элементов-токсикантов в своих телах (Martin, Coughtrey, 1982; Покаржевский, 1985; Greig-Smith et al., 1992; Edwards, Bohlen, 1996). При попадании червей в среду, загрязненную микроэлементами, они достаточно легко аккумулируют их в своих тканях. Например, концентрация марганца в L.terrestris даже на заповедных территориях может колебаться в зависимости от места сбора от 68 до 127 мг/кг сухой массы, меди - от 50 до 69, цинка - от 172 до 320, молибдена - от 1,5 до 3,1, кобальта - от 5,8 до 6,2 мг/кг сухой массы. Содержание железа от 200 мг/кг у почвенных дождевых червей доходит до 1450 мг/кг у E.fetida (Покаржевский, 1985). Считается, что гибрид «Старатель» из субстрата усваивает 40%, а 60% после переваривания выделяется в виде копролитов [9]. В копролитах сосредотачивается значительное количество кальция, что обеспечивает хорошую, водопрочную структуру и высокую водоудерживающую способность. На стадии гумуса-сырца тяжелые металлы начинают переходить в малоподвижное состояние. Необходимые для питания растений элементы изменяют свою концентрацию. Агрохимическая ценность гумуса сырца, в сравнении с ОСВ, не была ухудшена. Возросла массовая доля органических веществ в 1,3; общего азота в 1,2; фосфора в 1,4 и калия в 1,7 раза. При этом необходимо учитывать, что мы анализируем гумус сырец и гумификация еще не завершена. В сравнительном аспекте, метод вермикомпостирования относительно недорог и требует минимум техники. Кроме того, в процессе вермикультивирования отсутствует фаза предварительного компостирования. Польза, которую могут принести черви очистным сооружениям, превысила прогнозы, предшествовавшие настоящему эксперименту.
Таблица 8 - Валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг
сухого вещества
Наименование металла Гумус--сырец из ОСВ Госстандарт России ГОСТ Р 17.4.3.072001 (для ОСВ при использовании как удобрения) ПДК в почве, мг/кг, для валового содержания, Украина
Mn 303,33 не нормируется 1500
Cu 497,67 750 - 1500 100
Zn 380 1750 - 3500 300
Fe 18260 не нормируется 2,0 фоновое
Co 40,70 не нормируется 50
Ni 256,0 200 - 400 100
Pb 125 250 -500 32,0
Cd 41 15 - 30 0,3 фоновое
Таблица 9 - Изменения агрохимических показателей металлов в
результате работы червя за 55 суток
№ Наименование показателя Осадок сточных вод Гумус--сырец из ОСВ
1 Массовая доля влаги, % 37,1±0,21 45,8±0,12
2 Массовая доля органического вещества в пересчете на углерод, % 18,23±0,23 24,4 ±0,35
3 Массовая доля питательных элементов (в
пересчете сухое вещество) - общий азот, % 1,8±0,05 2,98±0,24 2,23±0,04 4,17±0,09
- общий фосфор, % в 0,4±0,04 0,67±0,02
пересчете на P2O5 - общий калий, % в
пересчете на K2O
4 pH, KCl 6,7±0,09 7,1±0,16
5 Азот аммонийный, % (N-NH4) 0,004±0,001 0,016±0,001
6 Азот нитратный, % (N-NO3) 1,8±0,05 4,39±0,23
Таблица 10 -Агрохимические показатели
Наименование показателя Госстандарт России ГОСТ Р 17.4.3.07-2001
Массовая доля органических веществ, % на сухое вещество не менее 20
Реакция среды (рНсол) 5,5 - 8,5
Массовая доля общего азота (К), % на сухое вещество не менее 0,6
Массовая доля общего фосфора (Р2О5), % на сухое вещество не менее 1,5
Массовая доля общего калия (К), % на сухое вещество не нормируется
Было доказано, что вермикультивирование способно с большей эффективностью и меньшей стоимостью заменить собой все известные на сегодняшний день методы переработки ила сточных вод из городской канализации. При расчете «посевной дозы» червей исходят из того, что норма потребления отходов в сутки =1,5 их массы. Тогда еженедельное соотношение биомассы червей и массы отходов должно составлять 1:7. Новые отходы не должны добавляться в течение как минимум 144 часов, чтобы максимизировать подавление жизнедеятельности патогенных микроорганизмов.
Оптимальное количество червей, которое необходимо для переработки ОСВ = N в день / 1,5 = N в неделю / 7, где N - количество килограммов отходов.
Полученные данные свидетельствуют, что использование вермикультуры для утилизации осадков сточных вод позволяет значительно снизить содержание тяжелых металлов. Их уменьшение не имеет четкой закономерности. Эти различия связаны в первую очередь с уровнем содержания того или иного элемента.
«Металлический пресс» на биосферу, обусловленный хозяйственной деятельностью человека, может вызвать техногенные геохимические аномалии, размеры которых будут постоянно увеличиваться по мере того, как будут возрастать масштабы и интенсивность хозяйственной деятельности людей. Наша задача состоит в изучении возникающей ситуации и в умении противодействовать негативному развитию процесса загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Для этого необходимо научно обоснованное нормирование содержания металлов в биогумусе, полученном из осадков сточных вод, которое в настоящее время отсутствует в Украине.
Выводы:
Предложенный способ утилизации ОСВ позволит получить следующие эффекты:
1. Совершенствование технологии очистки воды и обработки осадка предприятиями водоканала;
2. Уменьшение количества осадков, возвращение в хозяйственное пользование занимаемых ими земельных участков и улучшение качества окружающей среды;
3. Улучшение экологической и социальной обстановки на прилегающих территориях;
4. Технология предусматривает создание новых рабочих мест;
5. Расширение видов органических удобрений с возможным их применением в лесоводстве и цветоводстве как органического удобрения, получением компонента для приготовления грунтовой смеси и удобрений, и для биологической рекультивации полигонов ТБО.
Список литературы
1. Сучкова Н. Г. Анализ состояния проблемы рекультивации иловых площадок очистных сооружений городов и перспективы для Харьковского региона // Сб. докладов ЭТЭВК. - 2007. - Ялта, 2007. -С. 279-284.
2. Дрозд Г.Я. Дифференцированный подход к утилизации осадков сточных вод / Г.Я. Дрозд, Р.В. Бреус, С.И. Давыдов, Е.Н. Пашутина, В.Н. Маслак, Н.К. Скляров // Сотрудничество для решения проблемы отходов: материалы: материалы VI Международной конференции [Сотрудничество для решения проблемы отходов], (Харьков, 8-9 апреля 2009 г.) / Независимое агентство экологической информации. - Х., 2009. - С. 245-246.
3. Гольдфарб Л.Л. Опыт утилизации осадков городских сточных вод в качестве удобрения / Л. Л. Гольдфарб. - М.: 1983. - 60 с.
4. Дрозд Г. Я., Зотов Н. И., Маслак В. Н. Технико-экологические записки по проблеме утилизации осадков городских и промышленных сточных вод. - Донецк: ИЭП НАН Украины, 2001. - 340 с.
5. Закон Украины "Про вадходи", №187/98-ВР вщ 5.03.1998 р.
6. Т. Паёнк Законодательство Европейского Союза в области утилизации осадков // Водоснабжение и санитарная техника. - 2003. -№1. - С. 37-41.
7. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрения».
8. СанПиН 2.1.7.573 -96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения».
9. Догель В.А. Зоология беспозвоночных. - М.: «Высшая школа», 1975. - 559 с.
10. Медведев В.В. Мониторинг почв Украины. Концепция, предварительные результаты, задачи. - Харьков.: ПФ «Антиква», 2002. - 428 с.
11. Агроеколопя: Навч. Поабник /О.Ф. Смаглий, А.Т. Кардашов, П.В. Литвак ти ш.. - К.: Вища освгга, 2006. - 671с.
12. Hatanaka K., Ishioka I, Furuiehi E. Cultivation of Eisenia foetida using dairy Waste Sludge cake / Satchell J.E.(ed.) // Earthworm Ecology from Darwin to Wermiculture. - London-New Jork, 1983, p. 323-329.
13. Hartenstein R., Leaf A.L., Neuhauser E.F., Bickelhaupt D. Composition of the Earthworm Eisenia foetida and Assimilation of 15 Elements from sludge during growtn. // Comp. Biochem. Physiol., 1980, v. 66, p. 187-192.
Дрозд Геннадий Яковлевич, доктор технических наук, профессор,drozd.g @mail.ru Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет Хвортова Марина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент,
кhvortova [email protected] Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет
BIOTECHNOLOGICAL QUESTIONS OF UTILIZATION OF FALLOUTS OF SEWAGES
Drozd G., Khvortova M.
Results over of experimental researches of influence of earthworm are brought «Prospector» on maintenance of heavy metals in sinking of sewages technology of receipt of biological humus is Offered from sewage fallouts.
Key words: sediment of sewages, technology, biological humus. fertilizer
Drozd Gennadij Jakovlevich, doctor of technical Sciences, Professor,
drozd.g @mail.ru, Russia, Orel, Orel State Agrarian University Khvortova Marina Jurievna, candidate of technical Sciences, associate Professor, к[email protected],
Russia, Orel, Orel State Agrarian University
