ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УТИЛИЗАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 661.179

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УТИЛИЗАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО

АКТИВНОГО ИЛА

О.М. Горелова, К.Ю. Титова

В статье рассмотрены проблемы использования избыточного активного ила ввиду загрязненности его солями тяжелых металлов. Приводятся методики и результаты исследований по детоксикации ила с целью использования в качестве органического удобрения. Оценена степень загрязненности солями тяжелых металлов ила с очистных сооружений канализации г. Барнаула.

Ключевые слова: избыточный активный ил, тяжелые металлы, биологическая очистка воды, обезвреживание осадков сточных вод.

Очистка сточных вод в большинстве случаев является комплексной многостадийной задачей, при решении которой нередко происходит вторичное загрязнение окружающей среды. Способы очистки стоков весьма разнообразны и среди них значительное место отведено биологическим методам.

Биохимическая очистка в искусственно созданных условиях аэротенков - это быстрая и эффективная деструкция чуждых природной воде соединений, осуществляемая безреагентным путем. В России сооружения биологической очистки составляют 54,8 % от общего числа всех очистных сооружений, а водоотведение на них - 78,9 % от общего объема очищаемых вод.

Но, собственно, очистка воды - это только часть проблемы защиты окружающей среды, более сложной и наименее решенной оказывается проблема переработки выделенных из воды осадков. Образовавшийся в результате биологической очистки избыточный активный ил совместно с осадком из первичных отстойников отводится на иловые карты.

В осадках сточных вод (ОСВ) содержание органических веществ, которые могут служить основой для формирования гумуса, достигает 60 %. ОСВ включают необходимые для развития растений элементы (азот, фосфор, калий и микроэлементы) и по агрохимической ценности зачастую не уступают навозу. Свежий осадок сточных вод обладает высокой физиологической активностью. Эффективность ОСВ в качестве удобрения зависит от их химического состава, вносимой дозы, а также вида, сорта, возраста и фазы развития растения.

Наличие патогенной микрофлоры и высокие концентрации тяжелых металлов ос-

ложняют использование осадков сточных вод в качестве удобрения.

Избыточный активный ил (ИАИ) из вторичных отстойников содержит от 99,2 до 99,6 % влаги, его частицы очень малы по размеру и имеют плотную гидратную оболочку, которая препятствует уплотнению. Ил представляет собой многовидовой микробиоценоз в виде хлопьев, заселённый аэробными микроорганизмами - зооглеями и простейшими, и содержит до 40 % минеральных частиц.

В органической части избыточного ила (от 70 до 75 % массы его сухого вещества) в основном присутствуют вещества белкового происхождения, что отличает его от сырого осадка первичных отстойников, где преобладают жироподобные вещества [1].

Избыточный активный ил (ИАИ), не смешанный с другими ОСВ, в зависимости от концентрации в нем токсичных примесей можно использовать в качестве удобрений, белково-витаминных концентратов, при производстве строительных материалов, захоранивать в грунт или сжигать. При этом, сжигание ила не решает всех проблем утилизации, зато привносит проблемы газоочистки.

Из общего количества отводимых илов в России как удобрение используется от 1 до 6 %, перерабатывается не более 3 %, а основная масса ила хранится в илонакопителях или на свалках промотходов.

Считается, что применение ИАИ в качестве удобрения является одним из наиболее экономически выгодных путей его использования. Это обусловлено тем, что в нем содержится физиологически сбалансированное количество микроэлементов и основные элементы удобрений, необходимые для развития растений.

Ограничивает или полностью исключает возможность применения ила в качестве органического удобрения наличие токсикантов, а именно избыток солей тяжелых металлов (ТМ).

Влияние ТМ на живые организмы весьма разнообразно. Это связано с химическими особенностями металлов, отношением к ним организмов и условиями окружающей среды. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям. Растения могут поглощать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи «почва -растение - животное - человек».

Тяжелые металлы являются протоплаз-матическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их опасность проявляется по-разному. Многие металлы, например, медь и ртуть при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов. Железо образует хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ. Кадмий, медь, железо взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость.

Извлечение солей ТМ из избыточного активного ила, позволяющее исключить их экологическую и санитарно-гигиеническую опасность и одновременно сохранить ценные агрохимические свойства, является актуальной проблемой, решение которой снизит негативное воздействие очистки канализационных стоков на окружающую среду.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Целью работы являлось экспериментальное определение эффективного способа извлечения ионов тяжелых металлов из избыточного активного ила очистных сооружений канализации № 1 г. Барнаула.

Исследованиям подвергался избыточный активный ил из вторичных отстойников с влажностью от 99,3 до 99,7 % в день отбора. Определялся иловый индекс и содержание тяжелых металлов в иле в пересчете на абсолютно сухое вещество.

Для определения концентрации металлов в сухом веществе активного ила переводили ТМ из ИАИ в раствор с помощью царской водки. К 100 мл исходного неотстоянного АИ добавляли 10 мл царской водки, выдерживали данную смесь в течении 1 ч при пе-

риодическом перемешивании, после чего проводили определение содержания металлов в водной фазе на атомно-абсорбционном спектрометре по стандартной методике [2]. Другая часть той же пробы активного ила отстаивалась, проводился отбор надиловой воды и по вышеуказанной методике определялось содержание в ней ионов металлов. Зная иловый индекс, суммарную концентрацию металлов в ИАИ и надиловой воде, а также в надиловой воде после отстаивания ила, расчетным путем определяли концентрации ионов металлов на абсолютно сухое вещество ила.

Концентрации металлов в образцах ИАИ приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в образцах избыточного активного ила очистных сооружений канализации г. Барнаула

Металл Концентрации металлов в сухом веществе, мг/кг а.с.в.

Cu 78,00-280,00

Mn 258,00-962,00

Fe 753,00-3658,00

Zn 5,50-589,00

Cd 0,63-0,76

Ni 5,21-5,79

Pb 1,67-1,95

Далее проводились исследования по извлечению ТМ из активного ила путем реа-гентной обработки.

В работе [3] приведена методика деток-сикации избыточного активного ила при смешении с кальцийсодержащими веществами в присутствии фосфат-ионов. При этом должна производиться аэрация ила и происходить переход металлов в надиловую воду. Это определило методику экспериментальных исследований: к 1 л неосажденного ила добавляли необходимое количество реагента и в течение 2 ч перемешивали механической мешалкой в одном случае, а в другом - аэрировали воздухом. Предварительно была отобрана надиловая вода и в ней определено содержание ионов металлов. После контакта с добавкой, активный ил отделяли от жидкости на лабораторной отстойной центрифуге. Жидкую фазу анализировали на содержание металлов на атомно-адсорбционном спектрометре.

Был проведен ряд опытов, с целью определения возможности извлечения ТМ из АИ при его обработке различными добавка-

ми. В качестве реагентов применялись гипс и хлорид кальция.

Расчет остаточной концентрации ТМ в АИ до и после реагентной обработки осуществляли следующим образом:

С = ((Са - Св) • 1000)^, где Са - концентрация ТМ в водной фазе после обработки царской водкой (исходная концентрация металлов в активном иле), мг/дм3; Св - концентрация ТМ в надиловой воде после реагентной обработки , мг/дм3; m - доза сухого активного ила по массе, г/дм3.

Применение воздушного перемешивания при одинаковых дозах реагента и одинаковой продолжительности взаимодействия не способствует переводу тяжелых металлов из массы активного ила в водную фазу (надило-вую воду).

Например, при продолжительности перемешивания 2 ч и дозе гипса 7,5 г/дм3 АИ концентрация марганца в иле составила 332 мг/кг при механическом перемешивании и 368 мг/кг - при воздушном. Концентрация ТМ в исходном АИ до обработки гипсом составила 258 мг/кг, что свидетельствует, наоборот, о переходе ТМ из водной фазы в осадок (смесь АИ и гипса). Этот факт можно объяснить тем, что ТМ, находящиеся в водной фазе, при контакте с гипсом сорбируются на его поверхности, в результате чего концентрация ТМ снижается в водной фазе и, следовательно, увеличивается в смеси АИ - гипс.

Например, при продолжительности перемешивания 2 ч и дозе бентонита 2 г/дм3 активного ила концентрация меди в АИ составила 79,17 мг/кг а.с.в. при механическом перемешивании и 78,56 мг/кг а.с.в. - при воздушном.

Активный ил неуплотненный смешивали с сульфатом кальция (гипсом) при соотношении гипс: активный ил (на а.с.в.) от 0,5:1 до 5:1, перемешивали в течение 2 ч механической мешалкой или аэрированием, после чего на лабораторной отстойной центрифуге отделяли надиловую воду. Водную фазу анализировали на содержание тяжелых металлов.

Результаты исследований по извлечению металлов при добавлении гипса представлены в таблице 2.

Таким образом, нами было установлено, что увеличение дозы реагентов приводит к увеличению содержания тяжелых металлов в осадке, вследствие протекания процесса адсорбции ТМ из воды малорастворимым реагентом.

Из литературных источников [4] известно, что введение наряду с кальциевыми материалами фосфат-ионов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов и являющихся структурным элементом органических веществ, способствуют достижению более глубокого извлечения тяжелых металлов из активных илов. Введением фосфатов можно также уменьшить необходимую дозу кальциевого материала, обеспечивающую достижение требуемой полноты извлечения.

Проведенные нами исследования не подтвердили уменьшение содержания ТМ в АИ при совместном внесении гипса с фосфатами (рисунок 1).

Также нами была проведена серия опытов по извлечению ТМ из активного ила при добавлении хлорида кальция.

Активный ил после вторичных отстойников с влажностью от 99,67 % смешивали с

Таблица 2 - Результаты экспериментов по извлечению тяжелых металлов из избыточного ила гипсом в зависимости от дозы реагента и способа перемешивания; продолжительность процесса - 2 часа

Доза гипса, г/дм3 неосажденного ила Механическое перемешивание Воздушное перемешивание

Остаточные концентрации металлов в АИ, мг/кг а.с.в.

^ Mn Fe Zn ^ Mn Fe Zn

0,0 78 258 753 5,5 78 258 753 5,5

3,7 74 298 997 0,3 76 301 1003 4,3

7,5 75 332 1008 2,1 76 368 1020 4,1

15,0 76 342 1017 2,8 76 368 1011 2,9

22,5 74 324 1015 3,2 76 377 1011 1,5

30,0 77 323 1031 4,8 76 377 1011 1,5

37,5 78 366 1028 6,0 76 377 1011 3,0

хлоридом кальция в соотношении СаС12: активный ил (на а.с.в.) от 1:1 до 10:1. Продолжительность взаимодействия ила и добавки при перемешивании составила 1 ч и 3 ч. Затем проводили разделение фаз центрифугированием. Водную фазу анализировали на со-

держание валовых форм тяжелых металлов на атомно-абсорбционном спектрометре. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы, увеличение дозы хлорида кальция способствует извлечению меди и цинка из АИ.

Рисунок 1 - Зависимость концентрации тяжелых металлов в активном иле от дозы фосфатов при их совместном внесении с гипсом (доза гипса - 1,5 г/дм3)

Таблица 3 - Остаточное содержание тяжелых металлов в активном иле при их извлечении путем добавления хлорида кальция

Доза СаС12, г на 1 л неосажденного ила Механическое перемешивание (1 ч) Механическое перемешивание (3 ч)

Медь Марганец Железо Цинк Медь Марганец Железо Цинк

0,00 195 286 1188 6,0 195 286 1188 6,0

4,00 167 443 1591 1,6 192 484 1793 2,3

15,00 188 562 1797 1,2 185 594 1797 1,7

23,00 185 549 1787 0,8 178 611 1808 0,6

37,00 183 533 1665 0,8 167 589 1773 0,5

Увеличение продолжительности перемешивания не оказывает существенного влияния на процесс извлечения. Только при высоких концентрациях СаС12 возможно незначительно увеличить степень извлечения металлов из активного ила. В тоже время, высокие концентрации хлорид-ионов вызывают гибель микроорганизмов.

ВЫВОДЫ

1. Извлечение ионов тяжелых металлов из избыточного активного ила, образующегося в процессе совместной биологической очистки бытовых и промышленных стоков неэффективно при добавлении кальцийсо-держащих реагентов, в том числе и в присутствии фосфатов.

2. Содержание всех определенных нами ионов тяжелых металлов в изученных образцах активного ила не превышает норм, установленных для осадков, используемых в качестве органических удобрений [5].

Проведенные исследования показали с одной стороны малоэффективность процесса извлечения из ила ионов тяжелых металлов, а с другой - возможность использования избыточного активного ила, получаемого с очистных сооружений канализации г. Барнаула в качестве сельскохозяйственного органического удобрения без подготовки, что является эффективным путем его утилизации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брязгина, Е. Ю. Способ обезвреживания и утилизации отработанного активного ила / Е. Ю. Бряз-

гина, Р. Р. Насыров, З. А. Латыпова, Л. Р. Хазимова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2014. - № 3. - С. 124-133.

2. Панов, В. П. Исследование закономерностей поглощения тяжелых металлов микроорганизмами активного ила [Текст] / В. П. Панов, И. В. Зыкова, Т. Г. Макашова, А. К. Байгельдинов // Журнал прикладной химии. - 2002. - Т. 75, вып. 10. - С. 16841686.

3. Панов, В. П. Влияние фосфат-ионов на извлечение тяжелых металлов из активного ила [Текст] / В. П. Панов, И. В. Зыкова // Вестник СПГУТД. - 2004. - № 10. - С. 92-93.

4. Панов, В. П. Утилизация избыточных активных илов [Текст] / В. П. Панов, И. В. Зыкова //

Экология и промышленность России. - 2001. -декабрь. - С. 2-3.

5. СанПиН 2.1.7. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения, 2010.

Горелова Ольга Михайловна, к.т.н., доцент каф. ХТИЭ ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, тел. 3852-245519, e-mail: htie@mail.ru.

Титова Ксения Юрьевна, инженер ООО «Барнаульский Водоканал», тел. 3852245519, e-mail: htie@mail.ru.