КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА, ЗАГРЯЗНЕННОГО ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, ВОДНО-ВОЗДУШНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 628.35

КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА, ЗАГРЯЗНЕННОГО ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, ВОДНО-ВОЗДУШНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

© 2012 г. А.М. Асонов1, М.В. Кириллов1, С.Е. Денисов2

'Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург 2 ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Челябинск

Ключевые слова: активный ил, осадок, высшая водно-воздушная растительность, тростник обыкновенный, кондиционирование, детоксикация, десорбция, токсиканты.

1 л«

А.М. Асонов

М.В. Кириллов

С.Е. Денисов

Представлено одно из решений проблемы утилизации активного ила с городских станций аэраций, загрязненных ионами тяжелых металлов. Предложена идея кондиционирования осадка, предусматривающая его детоксикацию с помощью высшей водно-воздушной растительности, в частности тростника обыкновенного. Описаны объекты и методики исследования, приведены результаты исследований.

При рассмотрении современных технологий утилизации значительных масс активных илов, образующихся при биохимической очистке городских и промышленных сточных вод, было признано, что наиболее перспективной является технология, позволяющая использование илов в сельском хозяйстве в качестве органоминерального удобрения [1-3]. Остальные рассмотренные пути утилизации активных илов могут быть применены к малотоннажным производствам и не решают проблему рационального использования биологических ресурсов в виде активных илов.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

Следует подчеркнуть, что поиск рациональных путей использования активных илов станций аэраций важен не только с позиции экономической целесообразности, но и экологической. Действительно, депонирование илов на иловых площадках, илонакопителях и шламохранилищах в значительной мере ухудшает окружающую среду человека, приводит к необходимости отвода под эти цели значительных земельных площадей для строительства данных сооружений и организации санитарных зон вокруг них [4].

Все это указывает на отсутствие альтернативы в технологиях утилизации значительных объемов активных илов их широкомасштабному использованию в качестве органоминеральных удобрений на сельскохозяйственных, парковых и лесных угодьях.

Целью данной работы является решение проблемы детоксикации активного ила с последующей возможностью использования его в агросистемах.

При анализе проблем, возникающих при утилизации активных илов станций аэраций крупных промышленных городов, нами было обращено внимание на невозможность использования последних в качестве удобрения из-за значительной загрязненности ионами тяжелых металлов. Сравнивая концентрации тяжелых металлов в активных илах с допустимыми нормами содержания металлов в почвах, следует отметить, что по отдельным показателям они выше в десятки и даже сотни раз [5, 6]. Это обстоятельство сдерживает использование активных илов в качестве удобрений и выдвигает как первоочередную задачу их детоксикации.

Крайне важной задачей, стоящей при кондиционировании активного ила, является снижение его влажности. Необходимость ее решения во многом связана с транспортными затратами по доставке удобрений до конкретного потребителя. Доставка активных илов на значительные расстояния от места производства неэкономична, а используемые для его обезвоживания технологии и сооружения (отстойники, илоуплотнители, центрифуги, пресс-фильтры, иловые площадки) не решают вопросов детоксикации.

Третьим аспектом в кондиционировании активных илов является санитарно-эпидемиологический. Как отмечалось ранее, активные илы, содержащие патогенные бактерии и яйца гельминтов, требуют их предварительного обеззараживания. Исходя из условий и требований к активным илам станций аэрации, их кондиционирование должно заключаться в максимально возможном снижении их влажности, эффективной детоксикации и санации при относительно низких энерго- и финансовых затратах.

Учитывая, что технологии обезвоживания и обеззараживания достаточно хорошо изучены и проверены практикой, настоящие исследования были сосредоточены на наиболее нерешенном аспекте проблемы - детоксикации активных илов, загрязненных ионами тяжелых металлов [3-8].

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

При этом учитывалось, что в настоящее время имеются огромные запасы активных илов, временно законсервированных на иловых полях, шламо-накопителях и других местах, чаще всего для этого мало приспособленных и не обеспечивающих экологическую безопасность.

Активные илы, пролежавшие 5-10 и более лет, имеют относительно низкую влажность (70-75 %) и могли бы быть использованы в качестве удобрений на сельскохозяйственных угодьях. Однако содержание в них ионов тяжелых металлов не позволяет использовать их для этих целей в связи с высоким фоном этих поллютантов в почвах.

Кондиционирование активных илов этой категории предусматривает их детоксикацию с помощью высшей водно-воздушной растительности, в частности тростника обыкновенного.

Ко второй категории илов, требующих детоксикации, относятся «свежие», т. е. образующиеся в настоящее время на станциях аэрации избыточные илы с влажностью 95-96 %.

Объекты и методики исследований

Исследования выполнялись в лаборатории биомониторинга кафедры «Инженерная защита окружающей среды» Уральского государственного университета путей сообщения.

Основным объектом исследований был избыточный активный ил с Северной станции аэрации г. Екатеринбурга и высшая водная растительность. При выполнении исследований, касающихся изучения десорбции ионов тяжелых металлов из активного ила с помощью высшей водно-воздушной растительности, использовался тростник обыкновенный (Phragmites ат-&аИ6). В качестве питательного субстрата исследовался вышеуказанный активный ил.

Исследования выполнялись в экспериментальных иловых картах площадью 1 м2 каждая. Карты были выполнены в виде полиэтиленовых емкостей с перфорированным днищем, заполненные активным илом, взятым с производственных иловых карт, слоем 0,4 м. Высота карт составляла 0,5 м. Располагалась опытно-производственная установка вблизи производственных иловых карт станции аэрации г. Екатеринбурга.

Для сохранения температурного режима для активного ила и тростника, аналогичного с естественным в почве, экспериментальные карты вкапывались на всю глубину в землю. Влажность твердого субстрата (активный ил) обеспечивалась естественными атмосферными осадками. В экспериментальных иловых картах корневища с почками высаживались на глубину 0,15-0,20 м. Количество почек составляло 30-40 на один м2.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

По окончании вегетационного сезона срезалась надземная биомасса тростника и анализировалась на содержание в них ионов тяжелых металлов. В конце первого сезона в первых трех картах выкапывались и корневища. Активный ил с экспериментальной установки изымался на анализ по всей глубине. Образцы активного ила отбирались также и с производственных иловых карт очистных сооружений в тех местах, откуда он брался для заполнения экспериментальных карт. Результаты количественного анализа этих проб учитывались в дальнейшем в качестве фона.

Образцы активного ила и биомассы тростника озолялись серной кислотой. Химический анализ полученных проб выполнялся по общепринятым методикам [9].

Результаты исследований извлечения тяжелых металлов из активного ила водно-воздушной растительностью и их обсуждение

На первом этапе исследований были выполнены работы по изучению качественного состава активного ила с иловых карт и после механического обезвоживания на фильтр-прессе фирмы Вилькенпресс. Предполагалось, что количественные показатели токсикантов в илах могут быть различными с более высокими значениями в илах [10] в связи с тем, что в составе подсушенного ила с производственных иловых карт остаются токсиканты жидкой фазы, в то время как после механического обезвоживания на пресс-фильтре они отсутствуют.

Отбор проб на химический анализ ила осуществлялся с площадки 10^10 м, выделенной на производственной иловой карте для заполнения иловых карт пилотной установки.

Результаты химического анализа тридцати проб, по 15 каждого типа ила, обработанные с использованием прикладных статистических программ для ПЭВМ, представлены в табл. 1. Данные по содержанию металлов в активном иле и растениях рассчитаны на сухую массу (105 оС).

Результаты исследований были использованы в качестве исходных концентраций (фона) при детоксикации илов в экспериментальных картах пилотной установки.

Таблица 1. Качество активных илов станции аэрации

Активные илы Содержание тяжелых металлов, мг/кг

А13+ Сй2+ Со2+ Сг3+ Си2+ Ее3+ Мп2+ т2+ Р5+ 1п2+

С иловых карт 52604 <0,05 <0,1 1195 726 56276 2986 429 36353 4705

После

механического - - - 337 607 76805 1344 362 32486 2758

обезвоживания

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

Таблица 2. Вынос ионов тяжелых металлов (мг/кг активного ила) из активного ила биосорбентом в зависимости от урожайности

Металл

Cu2+ Fe3+ Mn2+ Ni2+ Zn2+

Урожайность

552,7 г/м2

27,6 1013,3 305,7 93,3 546,1

381,1 г/м2

25,1 1154,6 217,9 63,1 508,8

216,1 г/м2

18,4 416,1 89,3 44,55 302,4

Как было отмечено, рабочая гипотеза о перспективности использования биосорбента в виде тростника для извлечения ионов тяжелых металлов из активного ила потребовала изучение влияния количества биомассы тростника на экспериментальных площадках на эффективность детоксикации активного ила [10].

С этой целью на всех девяти площадках количество высаженных корневищ с почками было различным: на первых трех - 35-40, на вторых трех - 25-30 и на третьих трех - 15-20 почек/м2. В результате, как и следовало ожидать, урожай (по сухому веществу) надземной части растений колебался с 552 до 216 г/м2, что отразилось на количестве тяжелых металлов, потребленных биосорбентом (табл. 2).

Для каждого токсиканта проведены следующие вычисления: найдены среднее в группе, дисперсия, построены доверительные интервалы для средних значений по данным. Для расчетов использовался встроенный пакет статистического анализа EXCEL, его компонент «Анализ данных: регрессия». На основании полученных данных построен график изменения веса тяжелых металлов аккумулированного зеленой массой биосорбента с 1 м2 от биомассы. На рис. 1 в качестве примера использован один из исследуемых элементов медь (Cu2+).

Es ^

О

*

И ее

н с

и Р

о 5

К 2

s i

о С

Л р:

30 25 20 15

Cu

-Прогноз

---Верхняя граница

----Нижняя граница

0 100 200 300 400 500 600 Урожай зеленой массы, г/м2

Рис. 1. Изменения веса тяжелых металлов (Си 2+), аккумулированных зеленой массой

биосорбента с 1 м2.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

Характер зависимости веса тяжелых металлов от биомассы описывается уравнением:

у = 0,03х + 13,41,

где х - урожай зеленой массы, г/м2;

у - вес тяжелых металлов аккумулированного зеленой массой биосорбента с 1 м2, мг/кг.

Коэффициент корреляции Я ~ 0,94 (Я2 = 0,88).

Полученные данные показывают, что урожай зеленой массы биосорбента значимо влияет на извлечение тяжелых металлов из активного ила. При более высокой плотности посадки тростника обыкновенного и увеличении его биомассы извлечение тяжелых металлов из активного ила увеличивается.

Следующим этапом исследования было изучение динамики роста концентрации ионов тяжелых металлов в вегетативных органах водно-воздушных растений (тростник обыкновенный).

Наблюдения выполнялись на трех экспериментальных иловых картах. В качестве твердого субстрата использовался ил, отобранный с территории производственных карт. Иловые карты площадью 1 м2 заполнялись илом влажностью 65-75 % на высоту 0,4 м. На глубину 15-20 см заделывались корневища тростника с почками. Посадка тростника проводилась 15-20 мая. Корневища тростника выкапывались для посадки на экспериментальные иловые карты с территории, примыкающей к производственным иловым площадкам, а концентрации в вегетативных органах тростника ионов тяжелых металлов принимались за фон.

В конце вегетационного сезона растения выкапывались, замерялась их высота, вес вегетационных органов (листья, стебли, корни), выполнялся химический анализ последних на наличие в них токсикантов.

Анализ экспериментальных данных по содержанию ионов тяжелых металлов, сорбированных и поглощенных вегетативными органами тростника, позволяет отметить, что основная масса токсикантов (2п2+, №2+, Мп2+. Со2+) аккумулируется в зеленой массе на 81, 99, 79 и 99 %, соответственно. Ионы меди (Си2+) распределяются между корневой системой и зеленой (надземной) массой примерно поровну, 52 и 48 %, соответственно.

Распределение ионов алюминия (Л13+) и железа (Бе3+) имеет другую направленность, в корневой системе их содержание составляет 99 и 70 %, соответственно. Судя по тому, что нормы для почв, используемых для выращивания сельхозпродукции, допускают достаточно высокие концентрации алюминия (50 000 мг/кг) и железа (51 000 мг/кг) [10], их присутствие в корневой системе в количестве 99 % (3395,88 мг/кг) и 70 % (4526,38 мг/кг) от общего содержания металла в растении также не может угнетать развитие растений.

Представляет определенный научный и практический интерес динамика накопления вегетационными органами тростника ионов металлов в вегетационный период.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

С этой целью для исследования были задействованы три экспериментальные иловые карты, заполненные активным илом с производственных карт. В конце каждого из трех месяцев (июль, август, сентябрь) одна из трех карт ликвидировалась, а листья, стебли и корни подвергались анализу на содержание в них исследуемых токсикантов (А13+, С^+, Со2+, Сг3+, Си2+, Ре3+. Мп2+, №2+, Р5+ и 2п2+). Результаты исследований представлены в табл. 3.

Таблица 3. Концентрация ионов тяжелых металлов за три месяца вегетационного периода

Металл Концентрация, мг/кг

Фон Июль Август Сентябрь

Листья

А13+ <5,0 <5,0 <5,0 <5,0

Са2+ <0,05 <0,05 <0,05 <0,05

Со2+ 10 <0,1 <0,1 <0,1

Сг3+ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Си2+ 5 14 16 26

Ее3+ 374 1210 1336 1519

Мп2+ 222 383 500 694

№2+ 11 36 67 <0,1

гп2+ 61 504 Стебли 732 813

А13+ 20 24 27 27

Са2+ <0,05 <0,05 <0,05 <0,05

Со2+ 5 <0,1 <0,1 <0,1

Сг3+ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Си2+ 5,6 12,6 15,7 <0,1

Ее3+ 546 666 761 771

Мп2+ 325 349 360 365

№2+ 125 166 173 176

гп2+ 1036 1200 Корни 1311 1396

А13+ 2321 2466 2555 3496

Са2+ <0,05 <0,05 <0,05 14

Со2+ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Сг3+ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

Си2+ <0,1 12 26 32

Ее3+ 3201 3257 3292 4973

Мп2+ 196 221 242 301

№2+ <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

гп2+ 63 200 339 496

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

Сравнивая концентрации тяжелых металлов в вегетативных органах растений, используемых в качестве фона, с содержанием их в растениях с экспериментальных площадок, отмечаем резкий скачок в последних концентраций практически всех исследуемых токсикантов. Так, по меди (Си2+), железу (Ре3+), никелю (№2+) концентрация в листьях возросла в три раза, а по цинку ^п2+) почти на порядок.

В последующие два месяца концентрация токсикантов в вегетативных органах растений продолжала расти, хотя и более медленными темпами (табл. 3).

На основании полученных данных построены зависимости содержания концентрации цинка в вегетативных органах тростника обыкновенного от времени экспозиции в активном иле (рис. 2).

Характер зависимости описывается уравнениями:

Листья у = 8,28х + 154,50,

Стебли у = 3,97х + 1057,10,

Корни у = 4,79х + 58,80,

где х - экспозиция, сут;

у - концентрация 2п в биомассе тростника, мг/кг.

Коэффициент корреляции (Я = 0,95; Я , = 0,99; Я = 0,999) зна-

т т г г 4 листья ' ' стебли ' ' корни ' '

чительно отличается от нуля, поэтому фактор, т. е. время экспозиции биосорбента в активном иле, значимо влияет на извлечение тяжелых металлов.

Выполненные исследования и полученные результаты являются принципиально важными для разработки технологии детоксикации избыточных активных илов станции аэрации. Предлагаемая технология предусматривает ежегодную уборку стеблей и листьев по завершении вегетационного периода, а корневища могут использоваться многократно.

Сосредоточение основной массы наиболее токсичных для растений элементов в надземной, т. е. ежегодно убираемой части растений, позволяет последним выполнять функцию детоксикантов не менее 7-10 вегетационных сезонов. Кроме того концентрирование токсичных элементов в достаточном малом объеме зеленой массы позволяет их захоронение на относительно малых специальных территориях, оборудованных для приема и хранения токсичных материалов.

Одновременно с химическим анализом биомассы растений были выполнены анализы усредненных иловых проб из каждой экспериментальной карты после вегетационного периода. Анализ результатов данных исследований показывает, что всего за один вегетационный сезон биосорбент в виде тростника способствовал очистке активного ила, а

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

1200

кг/

/мг 1000

п,

N 800

ация 600

рат

н е 400

нце

онК 200

0

1500

г

к/

мг, 1400

п,

Сч

ция 1300

ац

рат

ент 1200

нце

о

К 1100

900

30 60

Экспозиция, сут

90

-> Листья

-Прогноз

Верхняя граница ----Нижняя граница

Стебли Прогноз

Верхняя граница Нижняя граница

Корни Прогноз

Верхняя граница Нижняя граница

Рис. 2. Изменение концентрации цинка (7п2+) в тростнике обыкновенном в период вегетации: а - листьями, б - стеблями, в - корнями.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

а

б

в

0

затем вместе с почвенной влагой потребил от 30 до 70 % токсикантов. Так ионы никеля (№2+) и хрома (Сг3+) удалены из активного ила на 70 %, ионы меди - 50 %, ионы цинка и марганца - 35 % и только ионы железа на 75 % остались в иле.

Сравнение остаточных концентраций ионов тяжелых металлов с нормативными показателями, указывающими на возможность использования активного ила в качестве органического удобрения [11], позволяет отметить высокую степень детоксикации ила с помощью высшей водно-воздушной растительности в виде тростника и перспективность его использования в технологии кондиционирования активного ила.

Выводы

1. Выполненные исследования и анализ литературных источников позволяют рекомендовать в качестве основного биологического агента, осуществляющего детоксикацию избыточного активного ила, тростник обыкновенный.

2. Исследование содержания ионов тяжелых металлов в вегетативных органах тростника обыкновенного, посаженного на активном иле, показывает, что основная масса токсикантов аккумулируется в его зеленой массе.

3. Тростник обыкновенный способен извлекать с активного ила и утилизировать в своей биомассе за один вегетационный период от 30 до 70 % токсичных тяжелых металлов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириллов М.В., Асонов А.М. К вопросу утилизации осадков станции аэрации городской

канализации // Безопасность как фактор устойчивого развития региона. Сб. докл. II научно-практической конференции. Ижевск: РГОТУПС, 2007. С. 36.

2. Кириллов М.В., Асонов А.М. Утилизация избыточного активного ила // Система управления

экологической безопасностью. Международная заочная научно-практическая конференция «СУЭБ-2007». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. С. 113-116.

3. Кириллов М.В., Асонов А.М. Проблема утилизации активных илов // Сб. материалов IX

Междунар. симпозиума «Чистая вода России». Екатеринбург 2007. С. 388-389.

4. Жуков Н.Н. Состояние и перспективы развития сооружений по обработке водопроводных

и канализационных осадков в городах России // Водоснабжение и санитарная техника. 2002. № 12. С. 6.

5. Кириллов М.В., Асонов А.М. Исследование процессов десорбции ионов тяжелых металлов

с избыточных активных илов с помощью кальциевых материалов // Сб. материалов V Междунар. конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов». Харьков. Украина. 2008. С. 283-284.

6. Кириллов М.В. Асонов А.М. Обезвреживание избыточных активных илов с помощью

высшей водно-воздушной растительности. ДВГУПС. Хабаровск. 2008. С. 123-127.

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России

7. Кириллов М.В. Асонов А.М. Перспективы использования опоки для десорбции ионов

тяжелых металлов // Сб. материалов X Междунар. симпозиума «Чистая вода России». Екатеринбург. 2008. С. 513-517.

8. Асонов А.М., Кириллов М.В. Десорбция ионов тяжелых металлов из активного ила

с помощью природного материала - опоки // Сб. материалов научно-технической конференции, посвященной 130-летию Свердловской железной дороги. Екатеринбург 2008. С. 252.

9. Методика проведения технологического контроля очистных сооружений городской канализации

/ под ред. О.Т. Болотиной. М. : Изд-во литературы по строительству, 1971. 231 с.

10. Кириллов М.В. Совершенствование технологии детоксикации активного ила с целью его

безопасной утилизации в агросистемах. дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург. 2010. 128 с.

11. СанПиН 2.1.7.573-96 Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения.

Сведения об авторах:

Асонов Александр Михайлович, д.б.н., профессор, кафедра «Техносферная безопасность», Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова 66; e-mail: ason@mail66.ru

Кириллов Максим Владимирович, старший преподаватель, кафедра «Техносферная безопасность», Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66; e-mail: kirillovmv.83@mail.ru

Денисов Сергей Егорович, д. т. н., профессор, заведующий отделом, Челябинский отдел, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Челябинск, ул. Калинина, 13

Водное хозяйство России № 3, 2012

Водное хозяйство России