Осадки сточных вод и анализ возможных направлений их утилизации

Общая постановка проблемы

В последнее время остро стоит проблема охраны водных ресурсов от чрезмерного загрязнения. Вода – ценный ресурс, необходимый для жизнедеятельности населения, функционирования промышленных и аграрных предприятий. ДНР относится к регионам с очень низким уровнем обеспеченности водными ресурсами пресной водой. Проблема усугубляется также ухудшением качества имеющихся поверхностных и подземных вод за последние десятилетия.

За 2016 год в Донецкой области было использовано 71424,09 тыс. м³ воды. В этом же году на одного жителя приходилось 19,97 м³ питьевой воды. В городе Донецке было использовано 48298,85 тыс. м³/год (из них на питьевые нужды – 39448,65 тыс. м³/год; на производственные – 4254,37 тыс. м³/год; на орошение – 828,18 тыс. м³/год; на с/х – 50,02 тыс. м³/год; на другие – 3717,63 тыс. м³/год). Наибольший объем воды в ДНР расходуется на питьевые и промышленные нужды: 64,73 % и 19,47 % соответственно. Весьма значителен и объём хозяйственно-бытовых сточных вод: так, в 2016 году объём их образования составил 38868 тыс. м³.

Водоотведение и очистка хозяйственно-бытовых сточных вод

Водоотведение и очистка хозяйственно-бытовых сточных вод представляет собой одну из важнейших экологических проблем региона.

Основной целью эксплуатации канализационных очистных сооружений (КОС) является защита 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 биологической очистки воды (БХО). Наибольшее образование отходов приходится на сырой осадок первичных отстойников (48,5 %) и отработанный активный ил (47,5 %). Эти отходы частично обезвоживаются в стабилизаторе сырого осадка до 80 % влажности и размещаются на иловых площадках.

Твёрдая фракция сырого осадка состоит из органических (до 80 %) и минеральных (до 20 %) веществ, а отработанный активный ил представлен комплексом микроорганизмов после процесса биохимической очистки, утилизация которых остается сложной технической и экологической проблемой [1].

Несмотря на то, что осадки сточных вод относят к малоопасным отходам (IV класс), и в реальных условиях их размещают открыто на иловых площадках (ИП), они являются источником загрязнения окружающей природной среды, создают экологические, экономические и социальные проблемы. Поэтому внедрение технологий повторного использования осадков сточных вод, позволяющих уменьшить объемы складируемых отходов, представляет актуальную задачу.

Целью данной работы является изучение осадков бытовых сточных вод и анализ возможных направлений их утилизации. В соответствии с целью работы основными задачами являлись:
– изучение технологической схемы очистки сточных вод;
– анализ обращения с отходами в результате эксплуатации канализационных очистных сооружений;
– обзор возможных способов их утилизации.

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.

Очистка сточных вод начинается с их поступления в приемную камеру. Затем сточные воды по лоткам направляются в здание решеток-дробилок, где задерживаются крупные примеси, измельчаемые в дальнейшем в дробилках. Крупные загрязнения из решеток удаляются в герметично закрывающийся контейнер где дезинфицируются хлорной известью и попутно вывозятся на полигон твердых бытовых отходов (ТБО).

Далее сточные воды поступают в горизонтальные бункера песколовки для улавливания тяжелых механических примесей. Осевшие в песколовках примеси удаляются на песковые площадки гидроэлеваторами [2]. Из песколовок сточные воды поступают в первичные радиальные отстойники, где задерживается основная масса оседающих и плавающих грубодисперсных веществ. В данных сооружениях, в течении нескольких часов, вода остается неподвижной, при этом одновременно протекают два процесса: седиментация самых тяжелых частиц органических веществ (30-50 %) на дно и всплытие на поверхность жирных, маслянистых веществ и нефтепродуктов.

Сырой осадок через насосную станцию направляется на аэробный стабилизатор, а собранный в бочки всплывающий материал (ил-сырец), направляется на регенерацию или сжигание [3].

Осветленная и частично очищенная сточная вода из первичных отстойников поступает в блок биохимической очистки (БХО), где в аэротенках происходит аэрация смеси активного ила с очищаемыми стоками, обуславливающая деструкцию органических полютантов и процесс нитрификации – окисление азота аммонийного в нитриты, а затем в нитраты. Активный ил представляет собой хлопья различной величины, состоящие из биомассы микроорганизмов и загрязняющих веществ, поступающих в аэротенк со сточными водами.

Из аэротенков смесь сточных вод с активным илом направляется во вторичные отстойники, где происходит выделение ила из смеси отстаиванием, идет процесс его седиментации, при котором микроорганизмы активного ила своей чешуйчатой поверхностью адсорбируют мельчайшие взвеси. Процесс биохимической очистки сопровождается образованием большого количества отработанного активного ила, представляющего собой отмерший или избыточный активный ил. Часть избыточного активного ила через насосную станцию вновь направляется в аэротенки (возвратный активный ил), а остальной ил закачивается в аэробный стабилизатор.

Очищенные сточные воды после вторичных отстойников направляются в блок доочистки, представленный резервуарами, которые заполнены контейнерами с полимерными ершами и обеспечиваются аэрацией [2]. 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 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 [2].

Смесь сырого осадка с отработанным активным илом проходит аэробную стабилизацию, которая предотвращает процесс последующего загнивания осадков и обеспечивает их обезвоживание до 80% влажности. Далееосадок сточных вод поступают на обезвоживание в естественных условиях на специально подготовленные участки земли, оборудованные искусственным дренажем – иловые площадки и иловые пруды, которые являются местами удаления и длительного хранения данного вида отходов [2].

Осадок из первичных отстойников (сырой осадок) крайне неоднороден по фракционному составу. Содержание в нем частиц крупностью более 7-10 мм составляет 5-20 %, крупностью 1-7 мм – 9-33 %, крупностью менее 1 мм – 50-88 % массы сухого вещества. Осадок имеет влажность 92-96 %, слабокислую реакцию среды, в значительной степени насыщен микроорганизмами (в том числе патогенными), содержит яйца гельминтов.

Активный ил по фракционному составу значительно однороднее осадка первичных отстойников; около 98 % (по массе) частиц ила имеют размер менее 1 мм. Влажность активного ила в зависимости от принятой схемы обработки составляет 96-99,2 %. Хлопья ила обладают очень развитой удельной площадью поверхности. Избыточный активный ил и избыточная биопленка состоят в основном из органического вещества.

Твердая фаза осадков сточных вод состоит из органических и минеральных веществ Органическая часть в осадке из первичных отстойников составляет 65-75 % массы сухого вещества, в иле – 70-75 %. Зольность осадка колеблется от 25 % до 35 %, ила – от 25 % до 30 %. Основными компонентами органической части осадка и ила являются белково-, жиро-, углеводо- подобные вещества, в сумме составляющие 80-85 %. Остальные 15-20 % приходятся на долю лигнино-гумусового комплекса соединений. Количественные соотношения отдельных компонентов в осадке и иле различны. Если в органическом веществе осадка преобладают жироподобные вещества и углеводы, то в активном иле значительную часть органического вещества составляют белки.

Направления использования осдков сточных вод

Как было сказано ранее, наибольшее образование отходов приходится на сырой осадок первичных отстойников – 48,5 % и отработанный активный ил – 47,5 % от всех отходов сточных вод, несущих отрицательное воздействие на состояние окружающей среды. В связи с этим остро стоит вопрос о необходимости разработки возможных способы их утилизации. В настоящее время известны несколько направлений использования осадков сточных вод:

Вермикомпостирование – это один из способов обработки, обеззараживания и утилизации осадков сточных вод, который представляет собой процесс переработки осадка дождевыми червями, при котором органические соединения, содержащиеся в осадке, трансформируются в гумус. Метод позволяет в короткий срок переработать значительные количества осадка сточных вод и получить ценный товарный продукт – вермикомпост (биогумус).

Утилизации осадков сточных вод может служить технология производства асфальтобетона. Сущность заключается в том, что специально подготовленный отход (осадок сточных вод) используется в качестве наполнителя (минерального порошка) при производстве асфальтобетона. Подготовленный осадок из категории отхода переходит в категорию полезного продукта – сырьевого компонента асфальтобетонной смеси с наиболее оптимальным составом добавки 6-8 %. Впервые попытку использовать осадок сточных вод в натуральном (влажном) виде предприняли в Беларуси в конце прошлого столетия для приготовления битумоминеральных смесей, где осадок выступал в роли эмульгатора. Разработанная технология широко используется при ямочном ремонте.

Возможно использование осадков сточных вод в качестве органоминерального удобрения для выращивания сельскохозяйственных культур, при условии соответствия санитарным нормам по содержанию тяжелых металлов.

Осадки сточных вод могут использоваться как сырьевой элемент для выработки тепла при сжигании. Для сжигания применяют главным образом печи с кипящим слоем, а также многоподовые и циклонные. Печи с кипящим слоем получили наибольшее распространение. При сжигании в этих печах осадки подают в псевдоожиженный слой инертного материала (песок с размером частиц 5-10 мм), нагретый до температуры, обеспечивающей воспламенение отходов. Шлак и зола от сжигания ОСВ служат составным элементом при производстве многочисленных изделий, предназначенных для строительства; осадки используются в качестве сорбента (вещества, используемые для избирательного поглощения газов) в канализационных коллекторах.

Осадки сточных вод с тяжёлыми металлами эффективно используют в качестве удобрений на участках лесоразведения и озеленения городов. Такие растения не применяются в пищу, поэтому содержание металлов не несёт угрозы, редкие элементы влияют на улучшение свойств почв.

Осадки сточных вод содержат ценные биогенные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы) и могут быть использованы в качестве удобрения при биологической рекультивации ландшафтов.

Оценка проблемы терриконов Донбасса

Окружающая природная среда Донбасса в течение длительного времени подвергалась значительным антропогенным нагрузкам, что не лучшим образом отразилось на экологическом состоянии её основных компонентов. Так, угледобыча, осуществляемая в регионе более века, привела к накоплению в Донецком крае большого количества отвалов угольных шахт (терриконов). Породные отвалы присутствуют на территории 10 административно-территориальных единиц Донецкой области. Всего на территории ДНР установлен 521 породный отвал (83 – горящих, 292 – не горящих, о 146 терриконах данные отсутствуют). Площадь земель, занимаемых 444 породными отвалами, составляет 3385,54 га, из них под бесхозными отвалами – 760,7275 га. Эта информация касается только породных отвалов угледобывающей и перерабатывающей промышленности, без отвалов вскрышных пород карьеров, отвалов металлургической промышленности.

Породные отвалы не только занимают значительную часть земель, которые могли бы быть использованы в хозяйственной деятельности, но и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В процессе сдувания частиц с поверхности терриконов в атмосферный воздух ежегодно попадают тонны взвешенных веществ; при горении образуются такие загрязняющие вещества, как оксиды углерода, диоксид серы, сероводород. Наблюдается вымывание сульфидов, преимущественно в форме пирита и, как следствие, загрязнение водной среды сульфатами и токсичными компонентами.

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. Одним из лимитирующих факторов для успешного озеленения является недостаток биогенных элементов в породе отвалов. В тоже время, осадки бытовых сточных вод характеризуются повышенным содержанием элементов и соединений, благоприятно влияющих на рост и развитие растений. Таким образом, вопрос о возможности размещения осадков сточных вод на поверхности нерекультивированных породных отвалов для их дальнейшего озеленения представляет большой интерес и требует дальнейшего детального изучения.

Библиографический список

1. Дрозд, Г. Я. Технико-экологические записки по проблеме утилизации осадков городских и промышленных сточных вод / Г. Я. Дрозд, Н. И. Зотов. – Донецк: ИЭП НАН Украины, 2001. – 340 с.
2. Технологический регламент городских канализационных очистных сооружений Макеевского ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса / Макеевское ПУВКХ КП Компания Вода Донбасса. – Макеевка, 2016. – 20 с.
3. Мишуков, Б. Г. Очистка городских сточных вод / Б. Г. Мишуков, С. Ю. Игнатчик. – СПб: СПб ГАСУ, 2014. – 196 с.