CC BY
24
УДК 502.3
1А.Р. Шагидуллин, 2Р.А. Шагидуллина, 1Р.Р. Шагидуллин
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Artur.Shagidullin@tatar.ru
Министерство экологии и природных ресурсов РТ
РАСЧЕТЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА АММИАКОМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
НЕГАШЕНОЙ ИЗВЕСТЬЮ
Выведены выражения для расчета эмиссии аммиака при обработке осадков сточных вод с иловых полей МУП «Водоканал» г. Казань негашеной известью. Проведены расчеты рассеивания аммиака в атмосферном воздухе. Дана оценка стартовых скоростей обработки осадков сточных вод в полевых условиях, обеспечивающих рассеивание аммиака до допустимых концентраций.
Ключевые слова: осадок сточных вод; иловые поля; обработка осадка; аммиак; выбросы; расчет рассеивания.
Б01: 10.24411/2411-7374-2020-10027
Введение
Накопленный на иловых картах МУП «Водоканал» г. Казань осадок сточных вод, содержащий токсичные вещества и патогенные микроорганизмы, является источником загрязнения атмосферного воздуха, неприятного запаха, а также потенциально опасным источником загрязнения почв, подземных и поверхностных вод. Поэтому проблеме утилизации или рекультивации накопленных осадков уделяется значительное внимание.
Эффективным методом рекультивации накопленных осадков является внесение негашеной извести (СаО) и активированного цеолита (Проведение..., 2019). В результате возникающих химических реакций происходит осаждение металлов в виде труднорастворимых или нерастворимых соединений, повышение температуры и уровня рН среды, которые приводят к уничтожению патогенных организмов. В то же время, реакция гашеной извести с соединениями азота приводит к выделению аммиака, который обеспечивает дополнительную дезинфекцию осадка, однако при этом частично поступает в атмосферный воздух, вызывая его загрязнение.
Эффективность указанного метода рекультивации подтверждена серией лабораторных и модельных полевых экспериментов, а также натурным экспериментом на секторе иловой карты МУП «Водоканал» г. Казань (Проведение ..., 2019; Шагидуллин и др., 2020; Шурмина и др., 2020).
В данной статье анализируется степень опасности сопутствующего загрязнения воздуха аммиаком.
Аммиак является токсичным веществом 4 клас-
са опасности с предельно допустимой максимальной разовой концентрацией (ПДКмр) 0.2 мг/м3 (ГН 2.1.6.3492-17). Порогом запаха для аммиака является концентрация 0.50-0.55 мг/м3 (Вредные вещества ..., 1977). Пары аммиака при его высокой концентрации вызывают обильное слезотечение и боль в глазах, удушье, приступы сильного кашля, головокружение, боли в желудке и др. Тяжелое отравление сопровождается более серьезными последствиями. Поэтому при осуществлении рекультивации осадков указанным выше способом необходимо учитывать и контролировать фактор эмиссии аммиака в атмосферный воздух.
Материалы и методы исследования
Расчет эмиссии аммиака при обработке осадков проводился на основе зависимостей, полученных при проведении лабораторных экспериментов с внесением в осадок негашеной извести или смеси извести и активированного цеолита в различных пропорциях с последующим определением количества выделяющегося в результате химической реакции аммиака (Проведение ..., 2019; Шурмина и др., 2020).
Принятые при проведении расчетов зависимости количества выделяемого аммиака E(t), выраженного в мкг на 1 кг осадка в 1 час (мкг/кг/час), от времени t, прошедшего с момента внесения негашеной извести или смеси негашеной извести и активированного цеолита, представлены ниже:
E(t) = -2321*1п(0+13397 - при внесении извести в количестве 5% от массы осадка;
E(t) = -1528*1п(0+9838 - при внесении извести в количестве 2.5% от массы осадка;
E(t) = -1Ю8х1п(0+7972 _ при внесении извести в количестве 1.3% от массы осадка;
E(t) = -2742*1п(0+13638 - при внесении извести в количестве 5% и активированного цеолита в количестве 30% от массы осадка;
E(t) = -1295*1п(0+7673 - при внесении извести в количестве 2.5% и активированного цеолита в количестве 30% от массы осадка;
E(t) = -424.6х1п(0+2680 - при внесении извести в количестве 1.3% и активированного цеолита в количестве 30% от массы осадка.
Расчеты рассеивания проводились с использованием УПРЗА «Эколог-Город 4.5» (разработчик ООО «Фирма «Интеграл», г. Санкт Петербург), реализующей методику расчетов рассеивания примесей в атмосфере (Методы ..., 2017).
Модельные расчеты рассеивания аммиака проводились для случая обработки осадка на иловой карте №1 МУП «Водоканал» г. Казань.
С восточной и южной стороны от комплекса иловых карт МУП «Водоканал» г. Казань располагается жилая зона поселков Отары и Старое Победилово, с западной стороны - территория садового массива «Дубки», с северной стороны граница иловых карт проходит в непосредственной близости от Куйбышевского водохранилища. Расстояние между иловой картой №1 и селитебными территориями составляет: 170 м до садового массива «Дубки» и 450 м до жилых домов п. Старое Победилово.
Расчет максимальных концентраций при ветре каждого направления осуществлялся с перебором направлений с шагом 1°.
Результаты и их обсуждение
Расчет эмиссии аммиака в режиме непрерывной обработки иловой карты 24 часа в сутки
При условии непрерывной обработки осадка иловой карты с постоянной скоростью максимальный уровень эмиссии аммиака будет достигаться через 48 часов после начала обработки. С учетом переменного характера зависимости количества выделяемого аммиака от времени, прошедшего после обработки осадка известью, при условии непрерывной обработки осадка с неизменной скоростью А (кг/час), а также с учетом отсутствия достоверной эмиссии от осадка спустя 48 часов после его обработки, суммарный выброс аммиака от обработанного в последние 48 часов осадка Есум (г/с) можно выразить интегралом:
приведения размерности выброса аммиака к необходимым для проведения расчетов рассеивания граммам в секунду.
Функции, описывающие экспериментально установленные зависимости эмиссии аммиака от времени, также как и их первообразные, не определены при значении аргумента t = 0. При этом определение количества выделяемого аммиака в процессе лабораторного эксперимента выполнялось с периодичностью 0.5 часа. То есть, наиболее ранним достоверно установленным уровнем выделения аммиака является значение функции E (/=0.5).
Таким образом, выражение для расчета выброса аммиака при непрерывной обработке иловой карты следует записать в виде:
где
значение эмиссии аммиака от массы осадка, обработанного в последние полчаса обработки,
значение эмиссии аммиака от массы осадка, обработанного в предшествующие 47.5 часов.
Расчет эмиссии аммиака в режиме обработки иловой карты по 8 часов в сутки с последующими перерывами
При режиме обработки иловой карты в одну 8-часовую смену в сутки с последующим 16-часовым перерывом, при условии непрерывной в течение смены обработки осадка с постоянной скоростью, с учетом отсутствия достоверной эмиссии от осадка спустя 48 часов после его обработки, максимальный режим эмиссии будет наблюдаться при окончании смены во 2-й и последующие дни:
Есум 3.6 • 10«
где
А С8 Г32 \
2 Л).5 ^24 /
значение эмиссии аммиака от массы осадка, обработанного в последние полчаса обработки в конце смены;
Коэффициент 3.6 109 включен в выражение для
значение эмиссии аммиака от массы осадка, обработанного в предшествующие 7.5 часов сме-
Таблица 1. Результаты расчета максимально допустимого уровня выбросов аммиака для иловой карты №1
Сектор направлений ветра Максимально допустимый уровень выбросов аммиака, г/с Максимальная концентрация аммиака на границе окружающих объектов, доля ПДК
Северный (338-22°) 0.631 1 (п. Победилово)
Северо-восточный (23-67°) 0.381 0.8 (с/о «Дубки»)
Восточный (68-112°) 0.301 0.8 (с/о «Дубки»)
Юго-восточный (113-157°) 0.318 0.8 (с/о «Дубки»)
Южный (158-202°) 0.515 0.8 (с/о «Дубки»)
Юго-западный (203-247°) 2.945 1 (п. Отары)
Западный (248-292°) 1.615 1 (п. Победилово)
Северо-западный (293-337°) 0.788 1 (п. Победилово)
качества атмосферного воздуха на окружающих
ны того же дня;
значение эмиссии аммиака от массы осадка, обработанного в течение 8-часовой смены в предыдущий день.
Расчеты рассеивания аммиака
Расчеты рассеивания проводились с целью определения максимального допустимого значения эмиссии аммиака при ветрах каждого из 8 направлений.
Согласно расчетам, проведенным на основе сводной базы данных параметров выбросов вредных веществ г. Казань, фоновые концентрации аммиака в выбранных расчетных точках равны нулю. Таким образом, расчеты рассеивания проводились без учета фонового загрязнения воздуха аммиаком.
Поверхность иловой карты №1, являющейся источником выбросов аммиака при проведении обезвреживания осадка, была задана площадным источником с размерами 106.8 м х 173.6 м (Проведение ..., 2019).
Как указывалось выше, критерием качества атмосферного воздуха при проведении расчетов рассеивания аммиака является ПДКмр= 0.2 мг/м3 (ГН 2.1.6.3492-17). При этом, территория с/о «Дубки», согласно СанПиН 2.1.6.1032-01, является местом массового отдыха населения, на территории которой должен соблюдаться предельный уровень 0.8 ПДК
^ м.р.
Расчеты рассеивания проводились с варьированием выброса аммиака с целью установления максимального допустимого уровня эмиссии (исходя из непревышения норматива качества воздуха на окружающих территориях), соответствующего ветрам каждого из 8 направлений.
Результаты определения максимального допустимого уровня эмиссии аммиака при обезвреживании илового осадка представлены в таблице 1.
Поле концентраций аммиака, соответствующее юго-западному направлению ветра, обеспечивающему наиболее эффективное рассеивания аммиака для иловой карты №1, представлено на рисунке.
Таким образом, обработка осадка иловой карты №1 внесением извести (извести и цеолита) со скоростью, при которой мощность эмиссии аммиака не будет превышать указанных в таблице 1 значений при соответствующих направлениях ветра, позволит обеспечить соблюдение нормативов
иловые поля территориях.
Определение стартовой скорости обработки осадка
Необходимо отметить, что в основе полученных выражений для расчета эмиссии лежит лабораторный эксперимент, проводившийся на небольших объемах осадка. В реальных условиях следует ожидать более эффективного поглощения аммиака в толще осадка.
Рассчитываемые значения скорости являются нижней оценкой скорости обработки осадка, т.е., фактически, стартовой скорости. По истечении 48 часов после начала внесения извести (смеси извести с цеолитом) в толщу осадка с указанными скоростями, при условии проведения контроля автоматической передвижной лабораторией с подветренной стороны от обрабатываемой карты, скорость внесения реагентов может быть увеличена.
С учетом представленных выше формул для расчета мощности эмиссии, исходя из полученных максимально допустимых уровней выброса (табл. 1) и функций зависимостей эмиссии аммиака от времени при различных пропорциях осадка/ извести/цеолита, могут быть получены стартовые скорости обработки осадка Астарт, обеспечивающие необходимое рассеивание аммиака.
Для непрерывной обработки осадка 24 часа в сутки:
Для обработки в одну 8-часовую смену в сутки:
Рис. Поле концентраций аммиака в долях ПДК, соответствующее выбросу 2.945 г/с
при юго-западном ветре (203-247°)
^старт _ _■ _
Е{1 = 0.5) \ + /085 Е(0Л + \Ц Е(№
Рассчитанные по представленным выше формулам скорости обработки осадка при каждом из 8 направлений ветра для случая непрерывной обработки, а также для случая обработки в одну 8-часовую смену в сутки представлены в таблице 2.
Стартовая скорость обработки осадка иловой карты №1 при благоприятных метеоусловиях (юго-западный ветер) при непрерывной обработке
в течение суток составляет от 32923 до 151703 кг/ час в зависимости от пропорции осадок/известь/ цеолит, при обработке иловой карты в одну 8-часовую смену в сутки - от 80722 до 382939 кг/час.
При проведении работ по рекультивации необходимо учитывать прогнозы наступления неблагоприятных метеоусловий, затрудняющих рассеивание вредных веществ. При наступлении таких метеоусловий необходимо дополнительно ограничить скорость или прекратить обработку осадка.
Непосредственно в зоне производимой обработки иловой карты могут наблюдаться повы-
Таблица 2. Результаты расчета стартовой скорости обработки осадка Астарт (кг/час)
для иловой карты №1
Дозы внесения извести и цеолита Направление ветра
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ
Непрерывная обработка осадка
Известь 5% 7054 4259 3365 3555 5757 32923 18055 8808
Известь 2.5% 8707 5258 4154 4388 7107 40639 22286 10872
Известь 1.3% 9902 5979 4723 4990 8082 46214 25343 12364
Известь 5% + цеолит 30% 8250 4981 3935 4158 6733 38503 21114 10301
Известь 2.5% + цеолит 30% 12008 7251 5728 6052 9801 56045 30735 14994
Известь 1.3% + цеолит 30% 32504 19626 15505 16381 26529 151703 83192 40586
Обработка осадка в одну 8-часовую смену в сутки
Известь 5% 17296 10443 8250 8716 14116 80722 44267 21596
Известь 2.5% 22106 13347 10545 11140 18042 103171 56578 27602
Известь 1.3% 25835 15599 12324 13020 21086 120578 66123 32259
Известь 5% + цеолит 30% 18908 11417 9020 9529 15432 88248 48394 23610
Известь 2.5% + цеолит 30% 29715 17942 14175 14975 24252 138685 76053 37104
Известь 1.3% + цеолит 30% 82049 49542 39139 41350 66966 382939 209999 102451
РЮШШРМ1Ё1111
шенные концентрации вредных веществ. Работа в указанной зоне должна проводиться при наличии средств индивидуальной защиты.
Аналогичным образом может быть проведена оценка стартовых скоростей обработки осадка для остальных иловых карт.
Необходимо отметить, что после осуществления серии модельных экспериментов проведена апробация данного метода рекультивации осадка на сегменте иловой карты №20 (Шагидуллин и др., 2020). В результате непрерывно осуществляемого мониторинга уровней загрязнения атмосферы с подветренной стороны от участка проведения рекультивации превышений нормативов качества воздуха по аммиаку зафиксировано не было.
Выводы
Основываясь на данных лабораторного эксперимента, выведены выражения для расчета эмиссии аммиака при обработке осадков сточных вод негашеной известью или смесью негашеной извести и активированного цеолита. В результате проведения расчетов рассеивания на примере иловой карты №1 МУП «Водоканал» г. Казань получены стартовые скорости внесения реагентов, обеспечивающие безопасное рассеивание аммиака. С учетом более эффективного поглощения выделяемого аммиака в толще осадка в реальных условиях после начала обработки скорость внесения реагентов может быть увеличена.
Литература
1. Вредные вещества в промышленности. Т. III. Неорганические и элементоорганические соединения / Под ред. Н.В. Лазарева, И.Д. Гадаскиной. Л.: Химия, 1977. 608 с.
2. ГН 2.1.6.3492-17. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений.
3. Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. Утв. приказом Минприроды РФ от 06.06.2017 г. №273.
4. Проведение научно-исследовательских работ в области охраны окружающей среды по теме: «Оценка физико-химических и токсикологических характеристик осадков сточных вод с иловых карт биологических очистных сооружений г. Казани и научное обоснование направлений их утилизации». Отчет по ГК №19МЭ-7с от 13.05.2019. Казань: ИПЭН АН РТ, 2019. 179 с.
5. СанПиН 2.1.6.1032-01. Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест.
6. Шагидуллин Р.Р., Иванов Д.В., Петров А.М. Технология обработки осадка сточных вод биологических очистных сооружений II Промышленная экология и безопасность / Сборник докладов XV Всероссийской научно-практической конференции им. А.И. Щеповских. Казань, 2020. С. 101-104.
7. Шурмина Н.В., Петров А.М., Мустафина Л.К., Богданова О.А., Иванов Д.В., Шагидуллин Р.Р. Интенсивность выделения аммиака при обработке осадков сточных вод негашеной известью II Российский журнал прикладной экологии.
2020. №1. C. 66-70. References
1. Vrednye veshchestva v promyshlennosti. T. III. Neorganicheskie i elementoorganicheskie soedineniya [Harmful substances in industry. Vol. III. Inorganic and organoelement compounds] / Pod red. N.V. Lazareva, I.D. Gadaskinoj. L.: Himiya, 1977. 608 p.
2. GN 2.1.6.3492-17. Predel'no dopustimye koncentracii (PDK) zagryaznyayushchih veshchestv v atmosfernom vozduhe gorodskih i sel'skih poselenij [Maximum permissible concentration of pollutants in the air of urban and rural settlements],
3. Metody raschetov rasseivaniya vybrosov vrednyh (zagryaznyayushchih) veshchestv v atmosfernom vozduhe [Methods for calculating the dispersion of emissions of harmful (polluting) substances in the air], Utv. prikazom Minprirody RF ot 06.06.2017 No 273.
4. Provedenie nauchno-issledovatel'skih rabot v oblasti ohrany okruzhayushchej sredy po teme: «Ocenka fiziko-himicheskih i toksikologicheskih harakteristik osadkov stochnyh vod s ilovyh kart biologicheskih ochistnyh sooruzhenij g. Kazani i nauchnoe obosnovanie napravlenij ih utilizacii». Otchet po GK No 19ME-7s ot 13.05.2019 [Carrying out research work in the field of environmental protection on the topic: «Assessment of the physicochemical and toxicological characteristics of sewage sludge from sludge maps of biological treatment facilities in Kazan and scientific substantiation of the directions of their disposal»]. Kazan': IPEN AN RT, 2019. 179 p.
5. SanPiN 2.1.6.1032-01. Gigienicheskie trebovaniya k obespecheniyu kachestva atmosfernogo vozduha naselennyh mest [Hygienic requirements for ensuring the quality of atmospheric air in populated areas],
6. Shagidullin R.R., Ivanov D.V., Petrov A.M. Tekhnologiya obrabotki osadka stochnyh vod biologicheskih ochistnyh sooruzhenij [Sewage sludge treatment technology for biological treatment facilities] II Promyshlennaya ekologiya i bezopasnost' [Industrial ecology and safety] II Sbornik dokladov XV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii im. A.I. Shchepovskih. Kazan', 2020. P. 101-104.
7. Shurmina N.V., Petrov A.M., Mustafina L.K., Bogdanova O.A., Ivanov D.V., Shagidullin R.R. Intensivnost' vydeleniya am-miaka pri obrabotke osadkov stochnyh vod negashenoj izvest'yu [The intensity of ammonia release during the treatment of sewage sludge with quicklime] II Rossijskij zhurnal prikladnoj ekologii [Russian journal of applied ecology], 2020. No 1. P. 66-70.
Shagidullin A.R., Shagidullina R.A., Shagidullin R.R. Calculations of atmospheric air pollution with ammonia during treatment of sewage sludge with quicklime.
Expressions for calculating the ammonia emission during the treatment of sewage sludge from the sludge fields of the Municipal Unitary Enterprise «Vodokanal» in Kazan with quicklime were obtained. Calculations of the dispersion of ammonia in atmospheric air have been carried out. An assessment of the starting rates of wastewater sludge treatment which ensure the dispersion of ammonia to permissible concentrations is given.
Keywords: sewage sludge; sludge fields; sludge treatment; ammonia; emissions; dispersion calculation.
Информация об авторах
Шагидуллин Артур Рифгатович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: Artur.Shagidullin@tatar.ru.
Шагидуллина Раиса Абдулловна, доктор химических наук, начальник Управления обеспечения экологической безопасности и экологического мониторинга, Министерство экологии и природных ресурсов Республики Татарстан, 420049, Россия, г. Казань, ул. Павлюхина, 75, E-mail: Raisa.Shagidullina@tatar.ru.
Шагидуллин Рифгат Роальдович, доктор химических наук, директор, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: Shagidullin_@mail.ru.
Information about the authors
Artur R. Shagidullin, Ph.D. in Mathematics, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Artur.Shagidullin@tatar.ru.
Raisa A. Shagidullina, D.Sci. in Chemistry, Head of the Department for Environmental Safety and Environmental Monitoring, Ministry of Ecology and Natural Resources of the Republic of Tatarstan, 75, Pavlyukhina st., Kazan, 420049, Russia, E-mail: Raisa. Shagidullina@tatar.ru.
Rifgat R. Shagidullin, D.Sci. in Chemistry, Director, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Shagidullin_@mail.ru.
