CC BY
43
УДК 543.2
Н.В. Шурмина, А.М. Петров, Л.К. Мустафина, О.А. Богданова, Д.В. Иванов, Р.Р. Шагидуллин
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Schurmina2015@yandex.ru
ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЫДЕЛЕНИЯ АММИАКА ПРИ ОБРАБОТКЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД НЕГАШЕНОЙ ИЗВЕСТЬЮ
В лабораторных условиях изучена интенсивность выделения аммиака в ходе обработки осадков сточных вод иловых карт МУП «Водоканал» г. Казани разными дозами оксида кальция (негашеная известь) и активированного цеолита. Модельные эксперименты показали, что основное количество образующегося в результате последовательного взаимодействия оксида кальция с водой и азотсодержащими соединениями аммиака выделяется в атмосферу в первые 4-6 часов после его внесения в обрабатываемый субстрат. Снижение дозы вносимого оксида кальция приводит к пропорциональному сокращению объема выделяемого аммиака. При дозировке оксида кальция в осадки сточных вод в концентрации 5% и, особенно, 2.5% и 1.3% дополнительное внесение 30% активированного цеолита способствует существенному снижению интенсивности и объема выделяемого в атмосферу нитрида водорода. Количество выделяемого аммиака при внесении 10% оксида кальция практически не зависит от присутствия в смеси цеолита. При концентрациях нитрида водорода 1.3-5.0% активированный цеолит не только поглощает часть выделившегося газа, но структурирует образующийся в результате обработки продукт. Полученные результаты позволяют определить технологические параметры и интенсивность обработки осадков сточных вод, в зависимости от поставленной задачи (снижение влажности и/или обеззараживание осадков сточных вод, связывание тяжелых металлов и другие), допустимого максимального «выброса» аммиака в атмосферу, характеристик обрабатываемых осадков сточных вод.
Ключевые слова: осадки сточных вод; негашеная известь; цеолит; аммиак.
Введение
Используемые в крупных городах России в XX веке технологии очистки сточных вод в большинстве случаев предусматривали совместное длительное хранение осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила на иловых площадках. За время эксплуатации на иловых картах накопилось огромное количество осадков сточных вод (ОСВ), которые приводят к загрязнению атмосферного воздуха, могут являться причинами чрезвычайных ситуаций, приводящих к инфекционным заболеваниям, загрязнению поверхностных и подземных вод на прилегающих территориях.
Факторами, затрудняющими вторичное использование и утилизацию накопленных осадков без предварительной обработки (стабилизации), являются их неблагоприятные физические и химические свойства, наличие условно патогенных и иных опасных организмов, что требует поиска экономически и экологически целесообразных решений по их обезвреживанию.
За почти 50-летний период эксплуатации иловых карт Казанских городских очистных сооружений в них было размещено более
2500 млн. м3 ОСВ. Карты в настоящее время практически выработали свой ресурс, что создает серьезные технологические проблемы для эксплуатирующей их организации - МУП «Водоканал» г. Казани, а также формирует очаг экологической напряженности в водоохранной зоне Куйбышевского водохранилища. Значительные объемы накопленных осадков, высокие уровни загрязнения химическими веществами и бактериальной микрофлорой практически исключают возможность вторичного их использования и утилизации на полигонах. Необходим поиск подходов, учитывающих экологические и санитарно-гигиенические регламенты к размещению и использованию осадков сточных вод и исключающих их негативное воздействие на природные среды, биоту и здоровье человека. В качестве одного из вариантов решения проблемы нами рассматривается возможность обработки иловых масс непосредственно на месте их размещения с последующей рекультивацией нарушенной территории.
Анализ литературных данных, информации о уже реализованных в России и за рубежом проектах по обеззараживанию и стабилизации ОСВ показал, что одним из наиболее экономически целе-
66
российский журнал ИМ! И!
сообразных, технологичных и простых способов снижения их санитарной и экологической опасности является использование в качестве основного реагента негашеной извести (СаО). Данный способ обработки осадка сточных вод гарантирует эколого-эпидемиологическую безопасность и используется на очистных сооружениях Финляндии, Германии, Швеции, США и других стран. Ранее этот способ широко использовался в Советском Союзе при обеззараживании сточных вод.
В процессе обработки ОСВ происходят последовательные реакции взаимодействия негашеной извести с водой (1) и гашеной извести с соединениями азота (2) с выделением свободного аммиака, выполняющего роль дезинфицирующего агента в отношении содержащейся в осадке бактериальной микрофлоры и иных паразитарных организмов:
СаО + Н2О ^ Са(ОН)2 + 15 Ккал (1);
2NH4+ + Са(ОН)2 = Са2+ + 2Н2О + 2NHзT (2).
Однако высокие концентрации аммиака при поступлении в атмосферу могут оказывать воздействие на дыхательные пути человека, требуя подбора условий, обеспечивающих соблюдение экологических и санитарных нормативов при осуществлении эффективной дезинфекции в процессе обработки ОСВ.
Цель исследования - определить динамику и интенсивность выделения аммиака при внесении в ОСВ различных доз негашеной извести.
Материалы и методы исследования
Для проведения эксперимента использовали ОСВ, отобранные с иловых полей Казанских городских очистных сооружений МУП «Водоканал» г. Казани.
Учитывая целесообразность внесения при рекультивации ОСВ минерального структурообразующего материала, обладающего сорбционными свойствами (Туровский, 1988; Яковлев, 1974), при проведении лабораторных исследований наряду с применением негашеной извести (ГОСТ 917977, производитель ООО «Придонхимстрой Известь»), был использован цеолит активированный ТУ 2163-001-27860096-2016, фракция 0.2-0.8 мм (производитель ООО «Цеолиты Поволжья»).
ОСВ характеризовались следующими усредненными показателями состава и свойств: влажность 85%, органическое вещество 43.2%, азот общий 1.99%, рН водной вытяжки 7.1.
В колбы Бунзена объемом 1 дм3 вносили ОСВ с естественной влажностью.
Эксперименты выполнены в 4 вариантах.
Вариант №1
И10%. Вносили в колбу 270 г осадка, добавляли
30 г негашеной извести (содержание извести в смеси осадок+известь 10%). Влажность после внесения извести 71%, рН 12.0.
И10%+Ц. Вносили в колбу 270 г осадка, добавляли 30 г негашеной извести и 75 г цеолита (20% от массы совокупной смеси осадок+известь+цеолит). Влажность смеси после внесения извести и цеолита 56%, рН 12.0.
Вариант №2
И5%. Вносили 285 г осадка и добавляли 15 г негашеной извести (содержание извести 5%). Влажность смеси после внесения извести 83%, рН 12.2.
И5%+Ц. Вносили в колбу 285 г осадка, добавляли 15 г негашеной извести и 129 г цеолита (30% от массы совокупной смеси). Влажность смеси после внесения извести и цеолита 52%, рН 11.1.
Вариант №3
И2.5%. Вносили в колбу 292.5 г осадка, добавляли 7.5 г негашеной извести (содержание извести 2.5%) Влажность смеси после внесения извести 84%, рН 11.3.
И2.5%+Ц. Вносили в колбу 292.5 г осадка, добавляли 7.5 г негашеной извести и 129 г цеолита (30% от массы совокупной смеси). Влажность смеси после внесения извести и цеолита - 56%, рН 10.1.
Вариант №4
И1.3%. Вносили в колбу 296.1 г осадка, добавляли 3.9 г негашеной извести (содержание извести 1.3%). Влажность смеси после внесения извести 85%, рН 9.7.
И1.3%+Ц. Вносили в колбу 296.1 г осадка, добавляли 3.9 г негашеной извести и 129 г цеолита (30% от массы совокупной смеси). Влажность смеси после внесения извести и цеолита 57%, рН 9.2.
Образцы в колбах интенсивно перемешивали и через определенные интервалы времени с помощью аспиратора отбирали пробы воздуха, пропускали его через поглотитель и определяли содержание аммиака (ПНД Ф 13.1.33-2002). Объем отбираемой для анализа газовой фазы составлял 1 дм3, время прокачки 5 минут с расходом 0.2 дм3/ мин.
Результаты и их обсуждение
Результаты экспериментов показали, что динамика выделения аммиака при внесении 10% негашеной извести (вариант №1) практически не зависела от присутствия цеолита (рис. 1). Активное выделение аммиака как при добавлении цеолита, так и без него завершалось в пределах 4-6 часов после смешения с ОСВ. Расчетное количество
1/212!
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
100 Время, час
3000 2500 2000 1500 1000 500 0
♦
----------
к ..
% —^ — и
1И10%+Ц
20 40 60
Время, час
♦ И1,3% ИИ1,3+Ц
Рис. 1. Динамика выделения аммиака при внесении 10% негашеной извести и совместном внесении негашеной извести и 20% цеолита
Рис. 4. Динамика выделения аммиака при внесении 1.3% негашеной извести и совместном внесении негашеной извести и 30% цеолита
100 Время, час
16000 14000 12000 Ё 10000 I 8000 || 6000 4000 2000 0
■ И5%+Ц
30
Время, час
■ Щ5%
0
150
Рис. 2. Динамика выделения аммиака при внесении 5% негашеной извести и при совместном внесении негашеной извести и 30% цеолита
Рис. 5. Динамика выделения аммиака в зависимости от дозы внесения негашеной
извести
40 60 80
Время, час
♦ И2,5% ■И2,5%+Ц
Рис. 3. Динамика выделения аммиака при внесении 2.5% негашеной извести и совместном внесении негашеной извести и 30% цеолита
18000 16000 14000 £ 12000 8 10000 8000 18 6000 4000 2000 0
0 10
♦ И5%+Ц
20 30 40
Время, час
1И2,5%+Ц
А И1,3%+Ц
Рис. 6. Динамика выделения аммиака в зависимости от дозы негашеной извести в присутствии 30% цеолита
аммиака, выделявшегося в первые 4 часа при внесении 10% негашеной извести, составляло 63.9 мг на 1 кг обработанного осадка.
При внесении 5% негашеной извести (вариант №2) присутствие цеолитов, начиная с 5 часа эксперимента, способствовало некоторому снижению содержания аммиака в газовой фазе (рис. 2). Со вторых суток эксперимента содержание аммиака в газовой фазе варианта с цеолитом (И5%+Ц) было на 8.0-11.5% ниже, чем в образцах без цеолита. Активное выделение аммиака при
совместном внесении негашеной извести и цеолита и без внесения последнего завершилось в течение 4-6 часов после их смешения с ОСВ, как и в варианте №1 (рис. 1). Расчетное количество аммиака, выделявшегося из обработанных образцов ОСВ в первые 5 часов при внесении 5% негашеной извести, составляло 50.0 мг/кг, негашеной извести и цеолита - 47.6 мг/кг. При внесении 5% негашеной извести и 30% цеолита в течение первых 7 суток образование аммиака составило 103.9 мг/кг осадка, без добавления
68
российский журннл ииой экологии
цеолита в окружающую среду выделилось 115.9 м^Н3/кг осадка, что на 10.4% больше.
Уменьшение дозы негашеной извести до 2.5% (вариант №3) сопровождалось снижением количества образующегося в результате химической реакции аммиака (рис. 3). Сорбционная емкость цеолита при внесении 2.5% извести обеспечивала существенное уменьшение объема эмиссии аммика. За первые 5 часов после внесения 2.5% негашеной извести количество выделившегося из ОСВ аммиака составило 38.4 мг/кг, при внесении 2.5% негашеной извести и 30% цеолита - 28.2 мг/кг. Таким образом, количество выделившегося аммиака в образцах, обработанных негашеной известью и цеолитом, было на 22-41% ниже, чем в пробах ОСВ, обработанных только известью.
Как и при внесении 2.5% извести, при ее концентрации 1.3% возможности цеолита по сорбции образующегося аммиака также обеспечивали значительное снижение его выделения в атмосферу (рис. 4). В первые 5 часов после внесения 1.3% негашеной извести количество выделившегося из ОСВ аммиака составило 32.5 мг/кг, при внесении 1.3% извести и 30% цеолита - 11.0 мг/кг. Количество выделившегося из обработанных негашеной известью и цеолитом осадков аммиака было на 3-5% ниже в первые 5 часов после смешения и на 15-18% при увеличении времени обработки.
На основании полученных данных можно также заключить, что внесение малых доз (2.5% и 1.3%) негашеной извести приводит к незначительному выбросу аммиака в атмосферу (рис. 5).
Внесение в ОСВ смеси СаО и цеолита приводит к уменьшению выделяемого в воздушную среду аммиака (рис. 6).
Заключение
Эксперименты по внесению негашеной извести (СаО) и активированного цеолита в ОСВ, размещенные на иловых полях Казанских городских очистных сооружений, для их обеззараживания показали, что после обработки осадка негашеной известью интенсивное выделение аммиака в атмосферу наблюдается только в первые 4-6 часов. Снижение дозы извести вызывает пропорциональное сокращение объема выделяемого в атмосферу аммиака. При концентрации негашеной извести в ОСВ на уровне 5% и, особенно, 2.5% и 1.3% внесение 30% цеолита ведет к существенному снижению интенсивности и объема выделяемого в атмосферу аммиака.
Полученные результаты позволяют определить технологические параметры и интенсивность
обработки осадков сточных вод в зависимости от поставленной задачи (снижение влажности и/или обеззараживание осадков сточных вод, связывание тяжелых металлов и др.), а также допустимого максимального «выброса» аммиака в атмосферу.
Список литературы
1. ПНД Ф 13.1.33-2002 (ФР. 1.31.2009.06093) Количественный химический анализ атмосферного воздуха и выбросов в атмосферу. Методика измерений массовой концентрации аммиака в промышленных выбросах в атмосферу фотометрическим методом.
2. Туровский И.С. Обработка осадка сточных вод. М: Стройиздат, 1988. 146 с.
3. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: Стройиздат, 1974. 480 с.
References
1. PND F 13.1.33-2002 (FR.1.31.2009.06093) Kolichest-vennyj himicheskij analiz atmosfemogo vozduha i vybrosov v atmosferu. Metodika izmerenij massovoj koncentracii ammiaka v promyshlennyh vybrosah v atmosferu fotometricheskim met-odom [Quantitative chemical analysis of atmospheric air and air emissions. Method for measuring the mass concentration of ammonia in industrial emissions into the atmosphere by the photometric method].
2. Turovskij I.S. Obrabotka osadka stochnyh vod [Sewage sludge treatment]. M: Strojizdat, 1988. 146 р.
3. Yakovlev S.V. Vodootvedenie i ochistka stochnyh vod [Wastewater and wastewater treatment]. M.: Strojizdat, 1974. 480 p.
Shurmina N.V., Petrov A.M., Mustafina L.K., Bogdanova O.A., Ivanov D.V., Shagidullin R.R. The intensity of ammonia release during treatment of wastewater sediments with different doses of quicklime and zeolite.
Under laboratory conditions, the intensity of ammonia release during the treatment of sewage sludge fields of Kazan municipal unitary enterprise «Vodokanal» with different doses of calcium oxide (quicklime) and activated zeolite was studied. Model experiments have shown that the main amount of calcium oxide formed as a result of sequential interaction with water and nitrogen-containing ammonia compounds is released into the atmosphere in the first 4-6 hours after its introduction into the treated substrate. Reducing the dose of introduced calcium oxide leads to a proportional reduction in the volume of ammonia released. When calcium oxide is dosed in sewage sludge at a concentration of 5% and, especially, 2.5% and 1.3%, the additional addition of 30% activated zeolite contributes to a significant reduction in the intensity and volume of hydrogen nitride released into the atmosphere. The amount of ammonia released when adding 10% of calcium oxide is almost independent of the presence of zeolite in the mixture. At hydrogen nitride concentrations of 1.3-5.0%, the
1/212!
activated zeolite not only absorbs part of the released gas, but also structures the product formed as a result of processing. The results obtained allow us to determine the technological parameters and intensity of treatment of wastewater precipitation, depending on the task (reducing humidity and/or decontamination of wastewater precipitation, binding of heavy metals and others), the maximum permissible "release" of ammonia into the atmosphere, and the characteristics of the treated wastewater precipitation.
Keywords: wastewater sediments; quicklime; zeolite; ammonia.
Сведения об авторах
Шурмина Надежда Васильевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: shurmina2015@yandex.ru.
Петров Андрей Михайлович, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: zpam2@rambler.ru.
Мустафина Люция Камилевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: lyuciya-mustafina@yandex.ru.
Богданова Ольга Анатольевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: bogdanova-olga@yandex.ru.
Иванов Дмитрий Владимирович, кандидат биологических наук, зам. директора по научной работе, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: water-rf@mail.ru.
Шагидуллин Рифгат Роальдович, д.х.н., член-корреспондент АН РТ, директор, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, shagidullin_@mail.ru.
Information about the authors
Nadezhda V. Shurmina, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, e-mail: shurmina2015@yandex.ru.
Andrey M. Petrov, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya St., Kazan, 420087, Russia, zpam2@rambler.ru.
Liutsiia K. Mustafina, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: lyuciya-mustafina@yandex.ru.
Olga A. Bogdanova, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: bogdanova-olga@yandex.ru.
Dmitrii V. Ivanov, Ph.D. in Biology, Deputy Director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, water-rf@ mail.ru.
Rifgat R. Shagidullin, D.Sc. in Chemistry, Corresponding Member of Tatarstan Academy of Sciences, Director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, shagidullin_@mail.ru.
70
российский ил приилой экологии
