CC BY
109
УДК 628.316.6:551.581
КОМПОСТИРОВАНИЕ ОБРАБОТАННЫХ АМИНОКИСЛОТНЫМИ РЕАГЕНТАМИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
©2013 С.М. Севостьянов, Д.В. Дёмин, И.В. Татаркин
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино Поступила 27.06.2013
В данной статье представлены результаты компостирования осадков сточных вод, обработанных аминокислотными реагентами в различных климатических зонах.
Ключевые слова: осадки сточных вод, аминокислотные реагенты, компостирование.
Осадки сточных вод (ОСВ) очистных сооружений представляют собой биологически опасные токсичные отходы, не подлежащие вывозу на полигоны бытовых отходов. Осадки - постоянно возобновляемые отходы, объемы которых составляют не менее 3% от объема сточных вод, в настоящее время практически не утилизируются [1].
На территории России выделяется ряд регионов, где существует реальная угроза ухудшения экологической и санитарно-эпидемиологической обстановки, возникновения чрезвычайных ситуаций из-за аварий в системах очистных сооружений, станций аэрации, прудах-накопителях и т.д.
За рубежом, в зависимости от региональных геоэкологических особенностей стран, в агропроизводст-ве используется от 10 до 90% накапливающихся ОСВ, в среднем в Западной Европе 40-50%. В мире прослеживается устойчивая тенденция к ежегодному росту этого показателя в общих объемах утилизации. В нашей стране по самым оптимистическим оценкам использование ОСВ в агрокультуре достигает лишь 5% [1]. С учетом сложившейся ситуации в аграрном секторе страны, недостатке минеральных и органических удобрений, высказывается мнение, что только дозы ОСВ 30-40 т/га и более могут привести к значительным изменениям агрохимических свойств почв и будут экономически рентабельны [2].
В настоящее время на подавляющем большинстве очистных сооружениях используется естественное обезвоживание осадков на иловых картах. Иловые карты занимают значительные площади земли, которая могла бы быть использована под с/х производство, промышленное или гражданское строительство. Подсушенный осадок продолжает храниться на картах, площадках складирования или котлованах на территории очистных сооружений. По данным ГНУ ВНИПТИОУ Россельхозакадемии, ежегодные объемы производства только ОСВ в России достигает 3,5 млн т по сухому веществу. Учитывая содержание в них 60% органической части, из бытовых отходов можно производить до 40 млн т компоста для дальнейшего использования в агрокультуре.
Осадки сточных вод канализации обладают удобрительными свойствами. Использование их в качестве
Севостьянов Сергей Михайлович, к.б.н., ведущий научный сотрудник, e-mail: Sevost2000(a!rambler.rii; Демин Дмитрий Викторович, младший научный сотрудник, e-mail: dmitriy_demin(a!rambler.rii; Татаркин Иван Владимирович, научный сотрудник, e-mail: ivaiitatarkin2005(a)rambler.rii
органического удобрения могло бы способствовать восстановлению баланса органического вещества в распахиваемых почвах и улучшению их водно-физических свойств [3]. Использование осадков при рекультивации нарушенных земель позволило бы решить проблему формирования плодородного слоя и возврат их в хозяйственный оборот. Однако ОСВ, как правило, загрязнены тяжелыми металлами (ТМ), другими поллютантами, патогенной микрофлорой, содержат яйца гельминтов и др. и могут относиться к отходам II и III класса опасности. Это обстоятельство создает очень серьезные проблемы при их утилизации, в первую очередь, препятствует использованию их в качестве органического удобрения.
Реагентная технология переработки осадков в компост [4] прошла апробацию на очистных сооружений филиалов ОАО «РЖД» ст. Астрахань-2 и ст. Сольвычегодск Архангельской обл.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Детоксицирующие и бактерицидные реагенты на аминокислотной основе производятся в соответствии с утвержденными ТУ, имеют соответствующие санитарно-эпидемиологические заключения Государственной санитарно-эпидемиологической службы РФ на применение для обработки осадков сточных вод очистных сооружений (канализации, локальных очистных сооружений промышленных предприятий, полигонов ТБО и др.). Сырьем для производства бактери-цидно-детоксицирующих реагентов служат белоксо-держащие отходы меховой, кожевенной, мясной промышленности, птицефабрик и т.п., поэтому они дешевы и доступны.
Механизм процесса обеззараживания осадков сточных вод. Обеззараживание осадка очистных сооружений основано на действии гидроксоаминокис-лотных комплексных соединений меди (2+), способных взаимодействовать с белками. Комплексные соединения связываются с белками оболочек патогенных микроорганизмов, в том числе в цистированном состоянии, яиц гельминтов, вызывая их гибель. Также связываются белки вирусов, токсические белки (токсины гниения) и протеолитические ферменты типа бактериальных коллагеназ, приводя к деструкции вирусов, необратимому ингибированию токсинов и остановке автолиза и гниения. Комплексы также связываются с белковыми компонентами осадка, в результате чего происходит детоксикация и стабилизация этих белковых компонентов. Продуктами взаимодей-
ствия гидроксоаминокислотных комплексов меди (как и других металлов) с белками оболочки микробов, яиц гельминтов, вирусов, токсинов, ферментов и белковых компонентов являются соединения аминокислотных комплексов с группировками белков. Такие соединения нетоксичны и химически стабильны [5].
Механизм процесса обезвреживания осадка сточных вод. Для детоксикации осадка т х'ии - без извлечения ионов тяжелых металлов, предложено использовать аминокислотный реагент, позволяющие связать ионы металлов, абсорбированные в частицах, превратив их в устойчивые нетоксичные комплексные соединения. Анионы аминокислот, связанные в комплекс с ТМ, не способны к реакциям дезаминирова-ния, декарбоксилирования, к превращениям в биохимических циклах, к конденсации с образованием пептидов и белков. Фактически, по такому принципу происходит взаимодействие ТМ с аминокислотами в организмах. При попадании ТМ в организмы они выводятся с фекалиями, мочой и потом в виде комплексов с анионами аминокислот - глицином, серином, цистином, метионином и др. [5].
Ионы меди, цинка, свинца образуют с анионами аминокислот комплексы состава МЬ (М - металл, Ь -аминокислота) и МЬ:. а ионы хрома, кобальта, никеля, кадмия - комплексы МЬ, МЬ: и МЬз. Комплексы МЬ2 и СгЬз, малорастворимы. В комплексах анионы аминокислот связывают центральный атом (ТМ) через донорный атом азота аминогруппы и атом карбоксильной группы. Согласно значениям констант устойчивости [51] комплексы МЬ и МЬз образуются практически со 100 % выходом при соотношении М:Ь = 1:1 и 1:2. Растворимые комплексы разрушаются при рН<5, а малорастворимые - при рН<2.
Механизм взаимодействия реагента с ТМ в ОСВ следующий. Атомы-доноры группировок веществ, составляющих осадок, и атомы кислорода молекул воды, связанные с ионом металла в осадке, замещаются на атомы кислорода и азота аниона аминокислоты. Образуется незаряженный комплекс, из внутренней сферы металла вытесняются молекулы воды и снижается заряд коллоидной частицы, а комплексы удерживаются в частицах осадка. Указанные процессы сопровождают некоторым уменьшением содержания воды в частицах и уплотнением структуры частиц [5].
Произведены подбор дозы реагента на месте рН-метрическим титрованием.
Определены дозы реагента в расчете на естественную влажность и сухой вес (мл/кг, кг/т), которое составило 1,2-1,65 л/т ОСВ при влажности 30-40%.
Главное условие - при непосредственном внесении реагента добиться рН иловой жидкости 7,5 и более. В случае использования подсушенных осадков доза увеличивается.
Компостирование - это биотермический процесс разложения органических веществ осадков, который осуществляется под действием аэробных микроорганизмов. Аэробный процесс разложения органического вещества сопровождается повышением температуры до 50-80 С, и сокращению массы осадков. Количество органических веществ при этом сокращается на 2540 %, а иногда и более в зависимости от состава осадков, метода, продолжительности и условий компости-
рования [6].
Для компостирования были использованы опилки лиственных пород деревьев, соотношение ОСВ : опилки принято 1:0,5. Опилки заранее увлажняли и смешивали с осадками. Формировали штабели 3 на 2 м, высотой 1 м. В процессе компостирования контролировали влажность, не допуская пересыхания верхнего слоя. Проведено двукратное перемешивание, а оценку готового компоста через 2,5 мес.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате компостирования штабель на ст. Ас-трахань-2 практически не изменился в объеме, влажность 47 %, а штабель на ст. Сольвычегодск уменьшился практически в два раза, влажность 56 %.
Органическое вещество в осадках характеризуется сложным и разнообразным составом. Основные элементы - углерод, водород, азот, фосфор, сера и другие. Общим показателем содержания органического вещества в компосте могут считаться потери при прокаливании, так как они составляют основную часть таких потерь. Потери при прокаливании в компосте ст. Астрахань-2 около 55 %, второго компоста около 65%. Общего углерода в первом компосте 11,3%, второго около 15%. Содержание общего азота 0,4% и 0,6 соответственно. По содержанию валовых форм фосфора и калия полученный компост относится к полноценному органическому удобрению отвечающим требованиям к удобрениям на основе осадка сточных вод.
Проведены микробиологические исследования осадка сточных вод ст. Астрахань-2 до обработки аминокислотным реагентом и после компостирования (табл. 1).
Результаты показали, что после проведенных работ в полученном компосте индекс ЛКП снизился с 1000 ед до допустимых показателей. По санитарно-бактериологическим и санитарно-паразитологическим показателям соответствует требованиям по первой группе продукции на основе осадка сточных вод для сельскохозяйственного использования [7].
Проведены микробиологические исследования осадка сточных вод ст. Сольвычегодск до обработки аминокислотным реагентом и после обработки и компостирования (табл. 2).
Результаты показали, что после проведенных работ в полученном компосте индекс ЛКП снизился с 1000 ед до допустимых показателей. По санитарно-бактериологическим и санитарно-паразитологическим показателям соответствует требованиям по первой группе продукции на основе осадка сточных вод для сельскохозяйственного использования [7].
Содержание тяжелых металлов и микроэлементов в вылежанных осадках до обработки и компостирования ст. Астрахань-2 и ст. Сольвычегодск представлены в таблице 3.
На основе проведенных анализов осадка сточных вод до обработки и компостирования показано, что валовое содержание таких металлов, как цинк, хром, никель, кадмий в исходных осадков соответствовали требованиям ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, за исключением меди и свинца в ОСВ ст. Астрахань-2, где они не соответствуют требованиям для осадков группы I, кото-
рые используют под все виды сельскохозяйственных культур, кроме овощных, грибов, зеленных и земляники, но соответствует осадкам группы II, которые используют под зерновые, зернобобовые и технические культуры. Осадки обеих групп можно использо-
вать в промышленном цветоводстве, зеленом строительстве, лесных и декоративных питомниках, для биологической рекультивации нарушенных земель и полигонов ТБО.
Таблица 1. Микробиологические показатели осадков сточных вод и компоста на их основе ст. Астрахань-2
Наименование показателей Нормативы Результаты НД на метод исследования
Исходный ОСВ Компост
Индекс ЛКП 1-10 1000 8 МУК Методы микробиологического контроля почвы, 2004 г.
Индекс энтерококков 1-10 <1 0
Патогенные бактерии, в т.ч. сальмонеллы 0 0 0
Яйца гельминтов экз/кг 0 1 0 МУК 4.2. 796-99
Таблица 2. Микробиологические показатели осадков сточных вод и компоста на их основе (ст. Сольвычегодск)
Наименование показателей Нормативы Результаты НД на метод исследования
Исходный ОСВ Компост
Индекс ЛКП 1-10 1000 7 МУК Методы микробиологического контроля почвы, 2004г.
Индекс энтерококков 1-10 1000 10
Патогенные бактерии, в т.ч. сальмонеллы 0 не обн. не обн.
Яйца гельминтов экз/кг 0 не обн. не обн. МУК 4.2. 796-99
Таблица 3. Содержание тяжелых металлов и микроэлементов в осадках
Тяжелые металлы и микроэлементов Содержание элементов в исходных ОСВ, мг/кг
ст.Астрахань-2 ст. Сольвычегодск
1120 690
Ре 60000 24290
Си 1072 208
Сг 196 23,8
РЬ 369 45,5
№ 240 20,2
са 10,2 2,8
0,19 0,26
Ав 1,9 2,3
Со 8,3 4,1
А1 16780 15150
Р 9520 19160
К 4210 1090
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов до и после компостирования (ст. Астрахань-2). А - концентрация тяжелого металла в исходном осадке; Б - концентрация тяжелого металла в компосте
Рис. 2. Содержание тяжелых металлов до и после компостирования (ст. Сольвычегодск). А - концентрация тяжелого металла в исходном осадке; Б - концентрация тяжелого металла в компосте
Осадки сточных вод ст. Астрахань-2 содержат большинство элементов в более высоких концентрациях, чем ОСВ ст. Сольвычегодск, что связано с климатическими условиями их депонирования. В условиях Астраханской области процессы потери влаги и минерализации протекают значительно быстрее, что приводит к концентрированию микроэлементов.
Анализ результатов после обработки и компостирования позволяют сделать вывод, что валовое содержание поллютантов соответствуют первой группы для продукции из осадка сточных вод и могут быть использованы в сельском хозяйстве.
При компостировании происходит трансформация и минерализация органического вещества, поэтому для условий Астраханской области целесообразно ОСВ компостировать по мере их образования.
ВЫВОДЫ
1. По результатам опытно-экспериментальных работ на Сольвычегодских очистных сооружения ОАО «РЖД>, Астраханских очистных сооружения ОАО «РЖД> ст. Астрахань-2 после обезвреживания и обеззараживания осадка сточных вод был получены ком-посты, которые отвечают требованиям предъявляемых к органическим удобрениям.
2. В результате обработки аминокислотными реагентами и компостирования микробиологические показатели соответствуют нормативам.
3. Концентрации тяжелых металлов и микроэлементов в осадках и компосте Астрахань-2 значительно больше, чем на ст. Сольвычегодск, но при этом меньше содержание азота - 0,4 и 0,6%, органического углерода 11,3 % 15% соответственно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ресурсы органических удобрений в сельском хозяйстве России (информационно-аналитический справочник) / Под ред. А.И. Еськова. Владимир, 2006. 200 с.
2. Максаков B.II. Экономическая эффективность использования осадков сточных вод // Агрохим. вестник. 2000. № 3. С. 27-28.
3. Стратегия использования осадков сточных вод и компо-стов на их основе в агрикультуре / Под ред. Н.З. Мила-щенко. М., 2002. 140 с.
4. Демин Д.В., Севостьянов С.М., Татаркин II.В., Худяков О.II. Переработка осадков сточных вод в экологически безопасный компост // Земледелие. 2009. № 5. С. 16-18.
5. Шемякина Е.В., Фридман А.Я. Детоксицирование ионов тяжелых металлов на основе их комплексообразования с аминокислотами // Экологическая ситуация в городе Серпухове и перспективы ее улучшения. М., 2000. С. 180-184.
6. Евилевич А.З., Евипевич М.А. Утилизация осадков сточных вод. Л., 1988.248 с.
7. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. - М.: Госстандарт России. 2001.7 с.
COMPOSTING AMINO ACID REAGENT TREATED SEWAGE SLUDGE ©2013 S.M. Sevostyanov, D.V. Demin, I.V. Tatarkin
Institute of Basic Biological Problems of RAS, Pushchino
This article presents the results of the composting of sewage sludge-treated amino acid reagents in different climatic zones.
Keywords: sewage sludge, the amino acid reagents, composting.
Setgey Sevostianov, Candidate of Biology, leading researcher, email: Sevost2000(S)rambler.ru; Dmitry Demin, junior researcher, e-mail: dmi1riy_demin(Sirambler.ru; Ivan Tatarkin, researcher, e-mail: i vantatarkin2005©rambler .ru
