ДонНТУ   Портал магистров

Бондарчук Екатерина Андреевна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей среды

Специальность Экологическая безопасность

Использование осадков сточных вод для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт

Научный руководитель: к. х. н., доцент Ганнова Юлия Николаевна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель, задачи, объект, предмет исследования, планируемая научная новизна
• 3. Анализ технологической схемы очистки канализационных стоков и системы обращения с осадками сточных вод
• 4. Осадки сточных вод – источник экологической опасности
• 5. Общая характеристика породных отвалов, как источника экологической опасности
• 6. Анализ возможности использования осадков сточных вод для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт
• Выводы
• Список источников

Введение

На данный момент состояние окружающей природной среды Донецкого региона находится в состоянии острого экологического кризиса. Проблемами Донбасса является накопление и ежегодное образование значительных объемов промышленных и твердых бытовых отходов. Одним из таких отходов являются осадки сточных вод городских канализационных очистных сооружений.

Канализационные очистные сооружения (КОС) используют для защиты природных водных объектов от загрязнения сточными водами (СВ) хозяйственно-бытового, промышленного и смешанного происхождения.

На стадиях механической и биологической очистки городских сточных вод образуется значительное количество твердых отходов – осадков сточных вод (ОСВ). Данный вид отходов состоит из крупных загрязнений, задерживаемых решетками, осадка с песколовок, осадка, выпадающего в первичных отстойниках, отработанного активного ила или биопленки из сооружений аэробной биохимической очистки воды (БХО) [1]. Твёрдая фракция сырого осадка состоит из органических (до 80 %) и минеральных (до 20 %) веществ, а отработанный активный ил представлен комплексом микроорганизмов после процесса БХО. Наибольшее образование отходов приходится на сырой осадок первичных отстойников (48,5 %) и отработанный активный ил (47,5 %).

Другой важной проблемой Донбасса является образование значительных объемов промышленных отходов – породные отвалы угледобывающей отрасли (терриконы), наносящие ощутимый вред природной среде.

В течение длительного времени окружающая природная среда Донбасса подвергалась значительным антропогенным нагрузкам, что не лучшим образом отразилось на экологическом состоянии её основных компонентов. Так, всего на территории ДНР установлен 521 породный отвал (83 – горящих, 292 – не горящих, о 146 терриконах данные отсутствуют). В угольных отвалах Донбасса накопились тысячи тонн породы, которая занимает огромные территории. Площадь земель, занимаемых 444 породными отвалами, составляет 3385,54 га, из них под бесхозными отвалами – 760,7275 га, которые могли быть использована в хозяйственной деятельности [2].

Значительная часть породных отвалов Донбасса являются горящими. Тем самым оказывают негативное воздействие на все компоненты окружающей среды. Выделяются в атмосферу в большом количестве вредные газообразные вещества, такие как оксиды углерода, диоксид серы, сероводород. Происходит выветривание тонкодисперсной угольно-породной пыли, вымывание сульфидов, и как следствие загрязнения водной среды сульфатами и токсичными компонентами. Также, отвалы сокращают площадь земель, которые могут быть пригодными для промышленного и жилого строительства.

1. Актуальность темы

При эксплуатации канализационных очистных сооружений и угледобывающей промышленности образуются большие объемы ОСВ и отработанной породы, которые ежегодно накапливаются в местах удаления отходов, занимают огромные территории плодородных земель и представляют экологическую опасность ввиду загрязнения почвы, атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод. В тоже время, осадки бытовых сточных вод характеризуются повышенным содержанием элементов и соединений (азот, фосфор, калий, кальций, магний), благоприятно влияющих на рост и развитие растений. Поэтому ОСВ, обработанные соответствующим образом, часто не уступают традиционным органическим удобрениям.

Грунт терриконов характеризуется низким содержанием жизненно необходимым для растений азота, фосфора, органического углерода и элементов, что создают дополнительные трудности для озеленения породных отвалов.

Поэтому применение осадков сточных вод, которые содержат ценные биогенные элементы для биологической рекультивации техногенно нарушенных земель, является актуальным и позволяет решить ряд важных проблем: снижение нагрузки на литосферу, сохранение плодородных почв, чистых подземных и поверхностных вод.

2. Цель, задачи, объект, предмет исследования, планируемая научная новизна

Цель работы – изучить возможность использования осадков городских сточных вод, полученных с очистных сооружений КП «Компания «Вода Донбасса» для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
– провести анализ технологической схемы очистки сточных вод и определить этапы образования осадков сточных вод;
– изучить систему обращения с осадками сточных вод на предприятии и рассмотреть их воздействие на состояние окружающей природной среды;
– проанализировать основные методы и технологии обработки, обезвреживания и утилизации осадков сточных вод;
– установить преимущества и недостатки использования ОСВ в качестве удобрения;
– описать этапы биологической рекультивации;
– представить методику проведения эксперимента
– на основании полученных результатов, сделать вывод о влиянии ОСВ на жизнедеятельность растений при биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт.

Объект исследования – осадки сточных вод канализационных очистных сооружений города Макеевки и порода террикона № 12 Наклонная.

Предмет исследования – анализ возможности применения осадков сточных вод для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт.

Планируемая научная новизна: применение ОСВ городских канализационных очистных сооружений для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт с целью снижения негативного воздействия на все компоненты окружающей среды.

3. Анализ технологической схемы очистки канализационных стоков и системы обращения с осадками сточных вод

Коммунальное предприятие Компания Вода Донбасса – крупнейшее предприятие сферы жилищно-коммунального хозяйства Донецкого региона. Это уникальный комплекс гидротехнических и водопроводных сооружений, обеспечивающих бесперебойный процесс водообеспечения и водоотведения Донбасса [3].

Основная задача предприятия – транспортировка, очистка воды, бесперебойное снабжение питьевой и технической водой населенных пунктов и предприятий области, а также обработка сточных вод [3].

Одним из производственных объектов КП Компания Вода Донбасса, осуществляющих сбор и обработку сточных вод (централизованное водоотведение), а также сбор и уничтожение иных отходов являются городские канализационные очистные сооружения Макеевского производственного управления водопроводно-канализационного хозяйства КП Компания Вода Донбасса, которые расположены в городе Макеевка.

Очистка бытовых сточных вод предусматривает 3 основных этапа:

1. Механическую (первичную) обработку – освобождение сточных вод от грубых и тяжелых примесей, взвешенных веществ
2. Биологическую (вторичную) очистку – освобождение осветленных сточных вод от растворенных органических веществ, находящихся в растворенном и коллоидном состоянии, в результате процессов биологического окисления микроорганизмами активного ила;
3. Обеззараживание – освобождение сточных вод от патогенных и условно-патогенных микроорганизмов.

Принципиальная схема очистки сточных вод и образования ОСВ на исследуемом объекте представлена на рисунке 1.

Очистка сточных вод начинается с их поступления в приемную камеру, затем в здание решеток-дробилок 1. В здании решеток задерживаются крупные примеси с последующим их измельчением в дробилках. Влажность загрязнений 80 %, зольность 7-8 %, объемная масса 750 кг/м³. Крупные загрязнения из решеток удаляются на полигон ТБО, согласно договору.

Далее сточные воды поступают в горизонтальные бункера песколовки 2 для улавливания тяжелых механических примесей с гидравлической крупностью частиц 18-24 мм/с. Скорость течения води в пределах 0,15-0,3 м/с. Осевшие в песколовках примеси удаляются на песковые площадки гидроэлеваторами. Эффективность улавливания песка составляет не менее 85 %, а концентрация примесей снижается на 5 % [4]. Из песколовок сточные воды поступают в первичные радиальные отстойники 3, где задерживается основная масса грубодисперсных веществ. В данных сооружениях, в течении нескольких часов, вода остается неподвижной, при этом одновременно протекают два процесса, таких как, седиментация самых тяжелых частиц органических веществ (30-50 %) на дно и всплытие на поверхность жирных, маслянистых веществ и нефтепродуктов. Сырой осадок через насосную станцию 4 направляется на аэробный стабилизатор 8, а собранный в бочки, всплывающий материал (ил-сырец) направляется на регенерацию или сжигание. Эффективность осветления сточных вод в первичных отстойниках составляет 40-50 %. Время отстаивания 1,5-2 часа. Выгрузка сырого осадка производится 1 раз в сутки [5].

Осветленная сточная вода подается в блок биохимической очистки, где в аэротенках 5 происходит аэрация смеси активного ила с очищаемыми стоками. Активный ил представляет собой хлопья различной величины, состоящие из биомассы микроорганизмов и загрязняющих веществ, поступающих в аэротенк со сточными водами. Эффективность биохимической очистки составляет 95-97 %. Из аэротенков смесь сточных вод с активным илом направляется во вторичные отстойники 6, где происходит выделение ила из смеси отстаиванием, идет процесс его седиментации, при котором микроорганизмы активного ила своей чешуйчатой поверхностью адсорбируют мельчайшие взвеси.

Процесс БХО сопровождается образованием большого количества отработанного активного ила, представляющего собой отмерший или избыточный активный ил [4]. Часть избыточного активного ила через насосную станцию 7 вновь направляется в аэротенки (возвратный активный ил), а остальной ил закачивается в аэробный стабилизатор 8.

Очищенные сточные воды после вторичных отстойников направляются в блок доочистки, представленный резервуарами, которые заполнены контейнерами с полимерными ершами и обеспечиваются аэрацией. Суть доочистки заключается в том, что поступающие сточные воды снабжают биомассу на ершах органическими веществами, вследствие чего снижается их концентрация в стоках.

Доочищенные сточные воды поступают в контактный резервуар 11 для обеззараживания гипохлоритом натрия, в результате чего достигается степень их очистки, соответствующая категории нормативно очищенные. После прохождения всех этапов очистки, очищенные воды по трубопроводам сбрасываются в поверхностный водный источник – река Грузская [4].

Смесь сырого осадка с отработанным активным илом проходит аэробную стабилизацию в сооружении 8, обеспечивает их обезвоживание до 80 % влажности. Далее ОСВ поступают на обезвоживание в естественных условиях на специально подготовленные участки земли, оборудованные искусственным дренажем – иловые площадки 9 и иловые пруды 10, которые являются местами удаления и длительного хранения данного вида отходов [4].

Согласно документации [6], проанализирована система обращения с отходами, образующимися в процессе очистки сточных вод на исследуемом предприятии. Результаты данного анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика отходов, образующихся в процессе очистки сточных вод

Согласно данным таблицы 1 можно сделать вывод, что наибольшее образование отходов, образующихся в процессе очистки сточных вод, приходится на сырой осадок первичных отстойников и отработанный активный ил сооружений БХО в общем объеме 9744,6 т/год.

Обработка смеси сырого осадка и отработанного ила на иловых площадках осуществляется путём фильтрации и подземного удаления воды, а в иловых прудах путём отстаивания и поверхностного удаления воды. Оба процесса основаны на способности осадка к расслаиванию при длительном нахождении ОСВ в месте удаления отходов, при этом твёрдая фаза перераспределяется по зонам на газ метан и иловую воду [6].

4. Осадки сточных вод – источник экологической опасности

Неотъемлемым условием эффективной работы канализационных очистных сооружений является обработка и удаление ОСВ с территории очистных сооружений в целях экологически безопасного использования или хранения осадков.

Осадки сточных вод – это твердая фракция сточных вод, состоящая из органических (до 80 %) и минеральных (до 20 %) веществ, выделенных в процессе очистки сточных вод методом отстаивания (сырой осадок), и комплекса микроорганизмов, участвовавших в биологической очистке сточных вод и выведенных из технологического процесса (избыточный активный ил).

Известно, что ОСВ содержат ценные для развития растений вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы, кальция, магния, обработанные соответствующим образом, они могут быть использованы в качестве удобрения.

Несмотря на то, что осадки сточных вод относят к малоопасным отходам (IV класс), и в реальных условиях их размещают открыто на иловых площадках, они являются источником загрязнения окружающей природной среды, создают экологические, экономические и социальные проблемы. Большинство условий, необходимых для нормальной эксплуатации мест хранения ОСВ не выполняются. Мероприятия по сортировке и обезвреживанию ОСВ не проводятся [6].

Основная масса ОСВ складируется на иловых площадках и отвалах, полигонах, создавая технологические проблемы в процессе очистки стоков. Условия их хранения, как правило, приводят к загрязнению окружающей среды в результате выброса (распространения) целого ряда химических элементов (органические вещества, соединения азота и фосфора, серы, тяжелые металлы и прочие элементы), содержащихся в данном виде отходов [7].

В последние 15-25 лет на большинстве очистных сооружений срок эксплуатации мест хранения ОСВ, давно истёк, и в настоящее время они переполнены, и требуют новых площадей для размещения осадков, что сопряжено с финансовыми платежами за размещение отходов и деградацией новых территорий, занятых под иловые площадки и иловые пруды [7]. В результате этого некуда сбрасывать вновь образующиеся осадки, имеется опасность разрушения обвалования и поступление содержимого площадок в реки.

Осадки сточных вод являются благоприятной бактериологической средой для развития различных паразитарных агентов (яйца и личинки гельминтов, цисты кишечных простейших), а бездомные животные и птицы, являясь переносчиками опасных инфекций, создают эпидемиологические неблагоприятные ситуации [8].

Применяемые на канализационных очистных сооружениях механические и физические методы обработки осадков сточных вод, такие как аэробная стабилизация, иловые площадки и иловые пруды связаны со значительными экономическими затратами, требуют больших затрат труда и не всегда обеспечивают экологическую безопасность.

Поэтому внедрение технологий повторного использования осадков сточных вод, позволяющих уменьшить объемы складируемых отходов, снизить их негативное влияние на состояние окружающей природной среды, выполнить экологические нормативы по обращению с отходами и обеспечить экологическую безопасность при эксплуатации предприятия представляет актуальную задачу.

5. Общая характеристика породных отвалов, как источника экологической опасности

Деятельность горнодобывающих связана со складированием многотоннажных отходов, которые в основном размещаются в виде породных отвалов.

В настоящее время большую значимость приобретает проблема экологической деформации территорий под воздействием антропогенного фактора.

Важной экологической проблемой для Донецкой области является деятельность горнодобывающих предприятий, непосредственно связанных с накоплением большого количества промышленных отходов в виде породных отвалов, оказывающих негативное воздействие на атмосферу, почвы, поверхностные и подземные водные источники.

Отвалы угольных шахт горят, пылят, эродируют, радиоактивны и занимают значительные территории плодородных земель. В результате физического и химического выветривания порода разрушается, превращается в пыль и вместе с горючими газами и очагом горения является одним из основных источников загрязнения атмосферы и ухудшения санитарного состояния городов.

Горящие породные отвалы являются источником выбросов целого ряда веществ, а именно: оксида углерода, оксида азота, сернистого газа и твердых частиц (в частности, угольно-породной пыли), тяжелых металлов. Горение способствует значительному изменению состава атмосферного воздуха и выпадению кислотных дождей, так как из одного горящего отвала за сутки в среднем выделяется в атмосферу 4–5 т оксида углерода и от 600 до 1100 кг сернистого ангидрида, а также небольшие количества сероводорода, оксидов азота и других продуктов горения. Объем выбросов загрязняющих веществ от терриконов составляет около 70 тыс. тонн в год.

Особую опасность представляет также возможность радиационного загрязнения территории в результате смещения и открытия более глубоких слоев породы, которые могут иметь повышенный радиационный фон. Сланцы Донбасса содержат сульфидную серу в виде пирита в достаточно больших количествах, а повышение уровня радиации на породных отвалах вызвано тем, что уран находится в углях, содержащих сульфидную серу [9].

Во влажном воздухе сернистый ангидрид, который выделяется из терриконов, образует серную кислоту, которая вместе с дождями выпадает на землю.

Процессы вымывания и выщелачивания дождевой водой приводят к загрязнению близлежащих территорий тяжелыми металлами и радионуклидами.

Смываемая порода очень токсична, так как окисление пирита способствует тому, что свежее отсыпанная нейтральная порода терриконов с течением времени становится сернокислой с рН равной 3. Серная кислота, образующаяся в результате окисления пирита, растворяет различные металлы, и они мигрируют на прилегающие территории.

Снизить активность ветровой и водной эрозии на терриконах можно управляя водопроницаемостью породы по отношению к ливневым осадкам и талым водам, которая в большой степени зависит от наличия на отвалах древесной растительности. Создавая искусственные насаждения и способствуя развитию самосевной древесной растительности можно полностью остановить эрозионные процессы на отвалах [10].

Таким образом, рекультивация и озеленение породных отвалов дает множество положительных результатов, в том числе: устранение негативного влияния породных отвалов на окружающую природную среду, возможность использования территории отвала для хозяйственной деятельности, возможность создания рекреационных зон.

Поэтому, актуальность озеленения обусловлена тем, что она обеспечивает: создание новых продуктивных площадей земельного фонда, вовлечение в хозяйственный оборот малопродуктивных и непродуктивных земель, устранение негативного воздействия нарушенных земель на окружающую среду.

6. Анализ возможности использования осадков сточных вод для биологической рекультивации породных отвалов угольных шахт

Одним из вариантов снижения негативного влияния отвалов на окружающую среду является их биологическая рекультивация, которая предполагает высадку древесно-кустарниковой и травянистой растительности на поверхности терриконов.

Под рекультивацией земель можно понимать комплекс работ, направленных на восстановление биологической продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды.

В условиях современного Донбасса наиболее удобным способом рекультивации является засевание трав у подножья отвала и их дальнейшее распространение по склонам.

В качестве трав для засевания используются травы-многолетники: Achillea millefoliu – тысячелистник обыкновенный; Artemisia absintium – полынь горькая; Artemisia vulgaris – полынь обыкновенная; Berteroa incana – икотник серый; Eriheron canadensis – мелколепестник канадский; Lactuca serriola – латук дикий; Melilorus – донник лекарственный; Tanacetum vulgare – пижма обыкновенная и другие [11].

Также для высадки на отвалах используют декоративные растения различного географического происхождения:

Sorbus sibirica Hedl. – рябина сибирская; Cotinus coggigria – cкумпия обыкновенная; Elaeagnus argentes Pursh. – лох серебристый; Swida alba, Thelycrania alba L. – cвидина белая; Syringa josikae Yacg. – сирень венгерская; Acer tataricum Z. – клен татарский [12].

Растения, заселяющие террикон, должны обладать устойчивостью к экстремальным значениям показателей (рН, сумма токсичных солей, содержание гипса и карбонатов, количество подвижного алюминия, содержание гумуса).

Решающую роль на озеленение террикона травянистыми видами оказывают:
– условия породного отвала: эдафические факторы, температура и количество вредных газовыделений, пыли;
– рельефные особенности террикона;
– видовое разнообразие окружающего фитоценоза.

Их посадка приведет к:
– восстановлению природного вида техногенной зоны терриконов;
– укреплению склонов отвала, сокращению негативного влияния отвалов на окружающую среду;
– формированию почвенного покрова, заселению новыми видами растений.

Одним из лимитирующих факторов для успешного озеленения является недостаток биогенных элементов (азота, фосфора, органического углерода и других элементов) в породе отвалов. В тоже время, осадки бытовых сточных вод характеризуются повышенным содержанием элементов и соединений, благоприятно влияющих на рост и развитие растений [12].

На данный момент на базе ГУ Донецкий ботанический сад нами проводится эксперимент, который заключается в приготовлении почвосмесей с разным гранулометрическим составом породы террикона и разным процентным соотношением исследуемого ОСВ (25 %, 50 %, 75 %), и контрольная землесмесь, не содержащая ОСВ, с дальнейшим посевом тест-культур травянистых растений.

В результате эксперимента планируется определить: морфометрические показатели растений и накопление вегетативными органами токсикантов (ТМ), а также будет определен исходный уровень ТМ в почвосмесях. Помимо этого также планируется определить всхожесть семян. Прорастание травянистых растений происходит при определенных условиях: средняя температура воздуха равна 22 °С, средняя температура почвы равна 24 °С, с периодическим поливом (один раз в 3 дня) обычной отстоянной водой.

Результаты данного эксперимента позволят определить целесообразность использования ОСВ для озеленения породных отвалов угольных шахт.

Выводы

Таким образом, вопрос о возможности использования осадков сточных вод для нерекультивированных породных отвалов и их дальнейшего озеленения, позволит решить проблемы, связанные с утилизацией данных отходов, занимающих значительные территории плодородных земель, восстановления плодородия почв терриконов, повышения удобрительной ценности ОСВ для почв породных отвалов, а также снижения негативное воздействие осадков сточных вод и породных отвалов на все компоненты окружающей среды.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Зуб, А. А. Выбор вермикомпостирования как перспективной технологии утилизации осадков сточных вод канализационных очистных сооружений / А. А. Зуб, Ю. Н. Ганнова // Материалы 3-й Международной научно-практической конференции Инновационные перспективы Донбасса. – Донецк: ДонНТУ, 2017, Т.4, С. 157-161.
2. Бондарчук, Е. А. Анализ возможных способов утилизации сточных вод / Е. А. Бондарчук, Е. В. Кочина // Материалы ХII Международной конференции аспирантов и студентов Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов Донецк, ДонНТУ, 2018, С. 78-80.
3. Коммунальное предприятие Компания Вода Донбасса [Электронный ресурс] / Официальный сайт КП Компания Вода Донбасса. – Режим доступа http://www.voda.dn.ua.. – Загл. с экрана.
4. Технологический регламент городских канализационных очистных сооружений Макеевского ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса / Макеевское ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса. – Макеевка, 2016. – 20 с.
5. Мишуков, Б. Г. Очистка городских сточных вод / Б. Г. Мишуков, С. Ю. Игнатчик. – СПб: СПб ГАСУ, 2014. – С. 196.
6. Паспорт места удаления отходов Макеевского ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса: Отчет годовой / Макеевское ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса. – Макеевка, 2013. – 20 с.
7. Гриценко, А. В. Влияние канализационных осадков на экологическое состояние природной среды, обработка и утилизация осадков сточных вод / А. В.  Гриценко, Н. С. Горбань // Проблемы охраны окружающей природной среды и экологической безопасности: сборник научных трудов/ УкрНИИЭП. – Харьков, 2011. – С. 111-122.
8. Храменков, С. В. Комплексное решение проблемы по разработке и внедрению современных технологий рекультивации территорий иловых площадок станций аэрации с возвращением выведенных из оборота земель / С. В. Храменков, А. Н. Пахомов, А. В. Танин // Водоснабжение и санитарная техника. – Ч. 1. – № 12. – 2002. – С. 17-20.
9. Кузык И. Н. Формирование критериев экологической опасности породных отвалов шахт / Кузык И. Н. // Екологія і природокористування. – 2009. – № 12 – С. 156-160.
10. Воздействие отвалов угольных шахт [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://coroma.... – Загл. с экрана.
11. Зыков, В. Н., Малежик, Е. С. Экологическое обоснование рекультивации терриконов, Вестник РУДН, Сер. Экология и безопасность жизнидеятельности, 2007, № 4, С. 68-70.
12. Бондарчук, Е. А. Актуальные для Донецкой области способы утилизации осадков сточных вод / Е. А. Бондарчук, Ю. Н. Ганнова // Материалы Х республиканской научной конференции молодых учены Комплексное использование природных ресурсов Донецк, ДонНТУ, 2018. – С. 5-8.