CC BY
217
УДК 628.38:628.336.8
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕРАБОТАННЫХ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
Крымская Елена Яковлевна, аспирант кафедры сервиса, ekrymskaya@gmail.com,
Губанов Николай Николаевич, ст. преподаватель, кафедры сервиса
gubanov.nik@yandex.ru.
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR GETTING COMPOSITE MATERIALS BASED ON REPROCESSED SEWAGE SLUDGE
Krymskaya E.Y., Gubanov N.N.
В статье рассмотрены мировые тенденции по утилизации и использованию биошлама, качественные характеристики биошлама и требования к ним, приведены различные технологии с использованием биошлама для рекультивации нарушенных земель, складирования на полигонах, компостирования. Технология получения композиционных материалов на основе переработанных осадков сточных вод может быть применима на всех предприятиях коммунального хозяйства и в первую очередь на водоканалах крупных городов страны.
Ключевые слова: биошлам, коммунальные стоки, композиционные материалы, очистка, экология.
The article considers global technologies for bioslime recycling and use, gives essential bioslime characteristics and their requirements and provides with different technologies with the use of bioslime for disturbed soil recultivation, its storage on landfills and composting. Technologies for getting composite materials based on reprocessed sewage sludge can be used at all communal service enterprises and basically at the city water canals of the country.
Key words: bioslime, municipal drainage, composite materials, purification, ecology.
При технической обработке сточных вод в коммунальном хозяйстве особое внимание уделяется антропогенным загрязнениям, которые оказывают определяющее влияние на качество образующегося при этом биошлама. В результате первого этапа -механической очистки - отделяется около 60-70% минеральной примеси, кроме того, эта стадия необходима для образования планомерного движения стоков, а также позволяет избежать колебаний объема вод на этапе биологической очистки. Следующая стадия процесса - это биологическая очистка, которая включает в себя деградацию органической части стоков.
Для повышения параметров очистки стоков вод могут быть использованы разнообразные химические методы, такие как дополнительная седиментация фосфора солями Бе, А1, озонирование, хлорирование. Эффективны и физико-химические методы: эвапорация, электрофлотация, а также используются аэробные и анаэробные микроорганизмыЩ.
Для заключительного обеззараживания стоков, предназначенных для сброса на рельеф или водоем, дополнительно используют системы ультрафиолетового облучения.
Для обеззараживания биологически очищенных сточных вод, наряду с ультрафиолетовым облучением, который обычно применяется на очистных сооружениях для очистки сточных вод крупных городов, используется обработка хлором в течение 30 минут.
В настоящее время огромные территории вокруг городов и населенных пунктов заняты под размещение осадков сточных вод (биошлама) коммунальных очистных сооружений (КОС), практически во всех регионах ощущается острый дефицит выделенных для этих целей площадей. При разработке проектного решения рассмотрены мировые тенденции по утилизации и использованию биошлама, качественные характеристики биошлама и требования к ним, различные технологии с использованием биошлама для рекультивации нарушенных земель, процессы складирования на полигонах, компостирования и получения золы.
Разрабатываемая технология может быть применима на всех предприятиях коммунального хозяйства и в первую очередь на водоканалах крупных городов страны. Следует иметь в виду, что состояние технологии переработки отходов коммунального хозяйства в Российской Федерации отстает от мирового уровня. Так, до 90-х годов прошлого столетия основным методом обработки биошлама являлась его подсушка в естественных условиях на иловых площадках с последующим вывозом на поля или в отработанные карьеры и овраги, как правило, без проведения их специальной подготовки. Такая практика могла себя оправдать только в случае, когда на очистку поступали только коммунальные стоки, заведомо свободные от насыщенных промышленных загрязнений, хотя и в этом случае не было никаких гарантий с точки зрения попадания микробиологических включений Г21.
На сегодняшнем этапе стоит задача создания достаточно простой технологии с учетом специфичности биошламов КОС и возможностью ее широкого тиражирования и воспроизведения на разных элементных базах. Разработка технологии получения композиционных материалов и ее опытно-промышленное освоение на данном уровне
позволяет эффективно использовать отходы, образующие на очистных сооружениях коммунального хозяйства (биошлам, песок из песколовок, зола после сжигания биошлама), а также непереработанные продукты органического происхождения: торф, листва, древесные опилки, пищевые и неорганические отходы (СаО и др.).
При этом целевой задачей является уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду и вывод на рынок новых материалов, заменяющих ранее использованные плодородные грунты, которые могут быть применимы:
- в дорожно-транспортном строительстве, особенно при прокладке автострад;
- в зеленом строительстве, лесоразведении в качестве дополнительных удобрений;
- при рекультивации и обустройстве полигонов ТБО и полигонов промышленных отходов;
- для биологической рекультивации нарушенных земель, например, вследствие эррозии и т.п. Г21.
Разрабатываемая технология не имеет ограничений по применению на всех предприятиях коммунального хозяйства и в первую очередь на крупных городских водоканалах. Особое внимание при ее разработке уделено антропогенным загрязнениям в сточной воде, которые по результатам лабораторных испытаний оказывают определяющее влияние на качество биошлама. При этом учтены мировые тенденции по утилизации и использованию биошлама, качественные характеристики биошлама разного происхождения и требования к нему, различные технологии рекультивации нарушенных земель с использованием биошлама, процессы складирования этого продукта на полигонах, компостирования и получения золы.
Типичным для антропогенных загрязнителей является то, что они встречаются в водной среде в низких концентрациях (мкг./л. или меньше) [2].
За последние годы проблема загрязнений выдвинулась на передний план, так как раньше существовало совсем немного пригодных и надежных методов анализа для их обнаружения. В химических средствах защиты растений наряду с собственно биологическими активными веществами используются добавки, улучшающие стабильность биологически активного вещества или его проникновение в растение.
Неконтролируемые побочные продукты процессов сжигания также относятся к микроэлементам, как и добавки в медицинских препаратах, красках, лаках и т.п. Многие из этих веществ не были найдены в прошлом лишь потому, что их не искали целенаправленно в силу недостаточного внимания к данной проблеме. При анализе ее
нынешнего состояния рассмотрены технические условия и технологические процессы при утилизации биошлама, включая его депонирование и захоронение после обезвоживания, сам процесс обезвоживания на иловых площадках и в геотубах, компостирование биошлама, сжигание и использование золы как разновидности грунта Г31.
На этой основе осуществлено обоснование, выбор оптимальных вариантов и разработка отдельных технологических решений. В процессе выбора и подготовки технического проекта рассмотрены различные варианты гидромеханизации с использованием земснарядов и погружных насосов. Проанализированы мокрая и сухая технологии забора биошлама, включая контроль технологических параметров.
Современный технологический процесс очистки стоков включает несколько последовательных операций.
1. Грубая механическая очистка на решетках позволяет выделить гамму продуктов размером около 5мм. Отделенные загрязнения (пластмасса, текстиль, резинотехнические изделия и т.п.) прессуются и подлежат захоронению на полигонах ТБО.
2. Очистка воды от прошедших через решетки тяжелых частиц на песколовках. Осажденный песок регулярно переносится на пескокарты. В ряде случаев применяется промывка осажденного песка от загрязнений, тогда после контрольного анализа получается товарный песок.
3. В результате отстаивания воды на первичных отстойниках образуется первичный осадок. Осадок от первичных отстойников является неоднородным по фракционному составу. По данным очистных сооружений Москвы, содержание частиц загрязнения размерами более от 7 мм до 10 мм составляет от 5% до 20%, размерами от 1 мм до 7 мм - от 9% до 33%, частицы размерами менее 1мм - от 50% до 88% от массы сухого вещества. Осадок от первичных отстойников содержит влажность в пределах 92-96%, слабокислую реакцию среды, насыщен микроорганизмами, яйцами гельминтов. Состав неоднороден, представляет собой суспензию серого или светло-коричневого цвета с кислым запахом. Из-за большого количества органического вещества он быстро начинается загнивать, приобретая темно-серый или черный окрас и выделяя сильный кислый запах.
4. Обработка воды на аэротенках с использованием активного ила. Иногда для повышения эффективности процесса проводят дополнительную активацию ила.
5. После отстаивания воды во вторичных отстойниках происходит осаждение активного ила. Это вещество по фракционному составу однороднее осадка от первичных
отстойников и имеет в пределах 98% (по весу) частиц размером менее 1 мм. Влажность в зависимости от принятой технологической схемы обработки осадка - 95-98%. Хлопья ила, состоящие из большого числа многослойно расположенных микробиальных клеток, заключенных в слизи, обладают развитой удельной площадью поверхности, что позволяет хемосорбировать различные соединения, растворимые в воде. Активный ил содержит яйца гельминтов. Если органическая часть в осадке из первичных отстойников составляет в пределах 65-75% от массы сухого вещества, то в активном иле составляет до 75%. Зольность осадка - 25-35%, активного ила - 25-30%.
6. Дезинфекция воды после вторичных отстойников с использованием различных химических средств или ультрафиолетового облучения.
На основании проведенных исследований с участием авторов статьи ООО «Компания Нью Текнолоджис Плюс» разработала технологический регламент получения композиционных материалов для дорожно-транспортного строительства на основе переработанных осадков сточных вод предприятий коммунального хозяйства [3, 4]. Технологическая линия располагается на территории иловых площадок коммунальных очистных сооружений. На этой же территории на свободных иловых картах размещается зола, полученная от сжигания илового шлама, и песок с песколовок. Технологическая линия предназначена для переработки биошлама в композиционный материал с применением золы и песка (отходы предприятий коммунального хозяйства).
Для реализации поставленной задачи предложены различные способы получения композиционного материла в зависимости от концентрации сухого вещества в биошламе: мокрая и сухая технологии. Технология переработки биошлама изначально должна обеспечивать существенное улучшение условий окружающей среды, которая, помимо влияния на действия подземных потоков [5], заключается в следующем:
- полученный продукт не подвержен влиянию ветра и атмосферным осадкам;
- полученный продукт временно размещается в иловой карте № 2 1-й очереди, карта-бетонная, оборудована системой дренажа, фильтрат через нее попадает в канализацию, а затем в головную часть очистных сооружений, где проходит очистку совместно с вновь поступающими сточными водами.
При переработке биошлама предусмотрен ввод реагентов и наполнителей, позволяющих гарантировать экологическую безопасность процесса:
- Осадитель тяжелых металлов предназначен для перевода растворимых солей тяжелых металлов в нерастворимое состояние;
- Дезинфектант предназначен для подавления жизнедеятельности патогенных микроорганизмов;
- Дезодорант (подавитель запахов) применяется для подавления дурно пахнущих газов в зоне производства работ.
При проведении работ по подбору дезинфектанта, дезодоранта и осадителя тяжелых металлов в первую очередь руководствовались экологической безопасностью самих продуктов и продуктов их взаимодействия с биошламом, поскольку в результате всех процессов должен целенаправленно образоваться продукт с потребительскими свойствами, позволяющими использовать его в дорожно-транспортном строительстве.
Из широкого круга реагентов для связывания свободных форм тяжелых металлов был выбран Тримеркапто-Б-триазин в форме соли натрия ТМТ 15. Это активный компонент ТМТ 15, который реагирует почти так же, как трехвалентный анион, и таким образом можно связывать три эквивалента тяжелых металлов. Осадки металл-ТМТ можно рассматривать как металлоорганические макромолекулы (рисунок 1).
Рисунок 1 - Структура металл-ТМТ комплекса
Таким образом, ТМТ 15 реагирует как сложная (комплексная) молекула, которая создает металлоорганические структуры. Осадки металл-ТМТ обладают, как и сульфиды металлов, крайне низкой растворимостью в воде. Однако, в отличие от сульфидов, они не растворяются в широком диапазоне рН. Осаждение с ТМТ 15 проводили при рН 6-8. Однако для некоторых металлов можно работать в более кислой или щелочной среде. При
взаимодействии ионов тяжелых металлов в зависимости от заряда протекают следующие реакции:
ЗМ+ + ТМТ3- М3ТМТ (труднорастворимый),
3М2+ + 2ТМТ3- М3(ТМТ)2 (труднорастворимый).
При взаимодействии с одновалентным металлом, таким как серебро, один моль ТМТ реагирует с тремя молями металла, при взаимодействии с двухвалентным металлом, таким как кадмий, два моля TMT реагируют с тремя молями металла. Требуемый для реакции с 1 г./м3 (= мг/л = ppm) каждого металла стехиометрический (теоретический) объём ТМТ 15 представлен в таблице 1. Приведенные объёмы, выраженные в миллилитрах ТМТ 15, являются минимальными количествами, которые должны быть добавлены в кубический метр сточных вод с содержанием металлов 1 г./м3 (= мг/л = ppm).
Таблица 1 - Необходимые объёмы ТМТ 15 для осаждения 1 г./м3 (= мг/л = ppm) металла из 1 м3 сточных вод
Металл Объём ТМТ 15 (мл.)
Свинец 5,5
Кадмий 10
Медь 18
Никель 20
Ртуть 6
Серебро 6
Цинк 20
Преимущества ТМТ 15 при осаждении тяжелых металлов состоят в следующем:
- не образует при хранении и использовании токсичных продуктов распада, таких как сероводород и сероуглерод;
- не вызывает вредных запахов;
- не токсичен и не вреден для здоровья в соответствии с международным правом на химическую продукцию и не является опасным грузом в соответствии с международными транспортными предписаниями;
- эффективен в широком диапазоне рН в кислых и щелочных сточных водах;
- Осадки металл-ТМТ - крупные хлопья, легко отделяются от сточных вод и хорошо обезвоживаются;
- Осадки металл-ТМТ не реагирует с разбавленными кислотами и поэтому имеют высокую безопасность хранения в местах депонирования;
- Осадки металл-ТМТ очень термостойкие: даже при температуре 200-250 °С они не выделяют тяжелых металлов [1].
Проведенные исследования показывают перспективу получения экономической выгоды не только для ГУП «Водоканал СПб», где в настоящее время проходит опытнопромышленная проверка разработок, но и для коммунального хозяйства страны в целом.
При этом на разных производственных площадках может быть использована не только мокрая или сухая технологии, но и отдельные элементы полученного проектного решения. Основная направленность разработки заключается в максимальном сближении интересов жилищно-коммунальных служб как производителя компонентного материала и дорожно-транспортных служб как его потребителя в рамках одного регионального узла.
Литература
1. Новый взгляд на коммунальные отходы [Электронный ресурс] http://www.rosaro.ru/focus/decisions/p209/. (Дата обращения: 15.08.2012).
2. Пахомов А.Н., Данилович Д.А., Ганин А.В. Рекультивация иловых площадок -экологическое оздоровление Московского региона // Водоснабжение и санитарная техника. 2005. № 10, ч. 1.
3. Патент на изобретение № 2342204 «Способ переработки отходов»,
зарегистрирован в Государственном реестре 27.12.2008.
4. Патент на изобретение № 2395465 «Полигон переработки илового осадка сточных вод», зарегистрирован в Государственном реестре 27.07.2010.
5. Губанов Н.Н., Иванов В.А. Методика пластики рельефа в территориальном планировании подземных коммуникаций // Сервис в России и за рубежом. 2011. №8(27). 0421100058\0200.
