3873

На правах рукописи

Филин Владимир Александрович

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

РЕАГЕНТАМИ НА АМИНОКИСЛОТНОЙ ОСНОВЕ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов 25.00.36 - Геоэкология

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидататехнических наук

Нижний Новгород - 2004

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМАРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМУНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Губанов Леонид Никандрович

Научный консультант

доктор биологических наук, профессор Хакимов Фикки Ибраевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Этин Владимир Львович,

кандидат биологических наук, доцент Савинов Александр Борисович

Ведущая организация

ОАО «НИЖЕГОРОДСКИЙ САНТЕХПРОЕКТ»

Защита состоится 18 июня 2004 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 при Нижегородском государственном архитектурностроительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус V, аудитория 202,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 17 мая 2004 г.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В процессе функционирования станций биологической очистки городов России образуется более 90 млн. м3 в год (2,7-4,5 млн. т по сухому веществу) влажных, плохо обезвоживаемых осадков. Осадки городских сточных вод (ОГСВ) содержат в своем составе токсичные вещества (соли тяжелых металлов, токсичную органику и др.) и различные виды представителей микрофлоры, в том числе патогенные. Таким образом, осадок городских станций аэрации представляется опасным в санитарно-гигиеническом и экологическом отношении отходом, требующим специальной обработки или захоронения, с целью предотвращения неконтролируемых загрязнений окружающей среды.

Основная масса осадков, выделяемых в процессе очистки, направляется на обезвоживание, длительное хранение на иловые поля, шламонакопители, полигоны, отвалы и т.д. При обезвоживании и хранении осадка фильтрат поступает в поверхностные и подземные источники, осадок распространяется на большие расстояния с помощью животных (птицы, грызуны), под иловые площадки отчуждаются значительные площади земли. Так на Нижегородской станции аэрации площадь иловых площадок составляет более 150 га, и эта площадь ежегодно увеличивается.

Вместе с тем, ОГСВ содержат целый ряд ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения. Твердая фаза осадков включает значительное количество органических веществ (более 50%). Комплексное содержание азота, фосфора и калия определяет целесообразность утилизации осадков в качестве удобрения. Удобрительная ценность осадка сравнима с навозом или перегноем, при внесении осадка в грунт в качестве удобрения значительно увеличивается урожайность сельхозкультур. Опыт показывает, что повторное вовлечение отходов очистных сооружений в промышленный и сельскохозяйственный оборот позволяет расширить сырьевую базу страны и на этой основе увеличить масштабы производства. Кроме того, утилизация отходов позволяет частично заменить первичное сырье, эффективнее использовать природные богатства.

Наиболее целесообразным представляется использование ОГСВ в качестве

удобрения в сельском и городском хозяйстве, в зеленом строительстве и при рекультивации нарушенных земель, свалок и т.п. Однако токсичность и неблагоприятные санитарно-гигиенические показатели осадков не допускают такое направление его использования. Применяемые в настоящее время методы обезвреживания осадка, как правило, не обеспечивают требуемой степени детоксикации и обеззараживания и требуют высоких затрат.

В связи с этим разработка эффективных рациональных технологий обезвреживания осадков, позволяющих исключить их экологическую и санитарногигиеническую опасность и одновременно сохранить их ценные агрохимические свойства, является актуальной проблемой. Создание таких технологий возможно на основе использования в качестве реагентов универсальных аминокислотных композиций, получаемых из белоксодержащих отходов.

Научно-исследовательские работы проводились в рамках инновационного проекта «Технология и оборудование для реагентной детоксикации и обеззараживания осадков и илов промышленных и муниципальных очистных сооружений» по заказу Министерства науки и промышленных технологий.

Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь проф. В.В.Найденко, Л.Н.Губанову, А.Я.Фридману, Е.В.Шемякиной, Ф.И.Хакимову, В.И.Новосельцеву, Б.К.Нефедову, к.т.н. В.С.Полякову, С.М.Севастьянову, инженеру А.Е.Антонову и другим.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационной работы являлось исследование, разработка и внедрение технологии обезвреживания (антибактериальной обработки, дегельминтизации и детоксикации) и утилизации осадков городских сточных вод путем их обработки аминокислотными композициями, получаемыми из белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птице-, рыбопереработки и т.п.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

-проведение анализа и систематизация теоретических, экспериментальных и производственных данных по переработке и утилизации ОГСВ;

-изучение состава и свойства ОГСВ, образующихся на станциях аэрации на различных стадиях формирования;

- обоснование возможности и целесообразности обезвреживания ОГСВ реагентами на аминокислотной основе;

-изучение параметров процессов обеззараживания и детоксикации ОГСВ аминокислотными реагентами;

-исследование санитарно-гигиенических, токсикологических и агрохимических свойств обезвреженных аминокислотными реагентами ОГСВ;

-разработка технологического регламента на проектирование систем обеззараживания и детоксикации осадков городских сточных вод; выполнение проекта установки по обработке ОГСВ станции аэрации Г.Н.Новгорода.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность и целесообразность решения важной эколого-экономической проблемы - утилизации экологически опасных осадков городских сточных вод путем их переработки в почвоулучшающую добавку;

- разработана принципиально новая экологически безопасная технология детоксикации и обеззараживания осадков городских сточных вод аминокислотными композициями, обеспечивающая возможность использования обработанных осадков в качестве почвоулучшающей органоминеральной добавки;

-изучены параметры процессов обеззараживания, дегельминтизации и детоксикации ОГСВ;

-получены зависимости эффективности процессов обезвреживания от влажности осадков, температуры процесса и других факторов;

-осуществлено многофакторное планирование эксперимента по обеззараживанию ОГСВ; получена математическая модель процесса;

-разработана методика последовательного дозирования аминокислотных реагентов в осадок с целью обеззараживания и детоксикации ОГСВ;

-изучены санитарно-гигиенические, токсикологические и агрохимические свойства ОГСВ, обработанных реагентами на аминокислотной основе;

-разработаны обобщенные рекомендации по обезвреживанию различных видов осадков городских сточных вод;

-по материалам диссертационной работы подготовлена заявка на получение патента на способ обезвреживания ОГСВ.

Практическое значение работы

В результате исследований установлена целесообразность обезвреживания ОГСВ реагентами на аминокислотной основе. Разработанная технология позволяет перерабатывать ОГСВ в органоминеральную композицию, позволяющую использовать её в качестве почвоулучшающей добавки в сельском и городском хозяйстве, зеленом строительстве и при рекультивации нарушенных земель, свалок и т.п. Данная технология может быть использована проектными организациями, службами Госкомэкологии, обслуживающим персоналом очистных сооружений.

Вовлечение обработанного осадка в сельское хозяйство позволит сохранить плодородие земель, повысить урожайность сельхозкультур, увеличить масштабы производства и вместе с тем обеспечит возможность вывода из нерациональной эксплуатации больших площадей, занимаемых иловыми площадками.

Разработан технологический регламент на проектирование систем обезвреживания осадков, который может быть применим практически для любых очистных сооружений. Разработан проект установки обезвреживания ОГСВ Г.Н.Новгорода реагентами на аминокислотной основе.

Реализация результатов исследований

Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов установок для обезвреживания ОГСВ станции биологической очистки сточных вод г. Нижнего Новгорода, г. Сергача и переданы для практического использования в Министерство науки и промышленных технологий РФ; ОАО «Нижегородский Сантехпроект», МУП «Нижегородский Водоканал», СЭС Нижегородской обл. и Горзеленхоз Г.Н.Новгорода.

Апробация работы

Результаты работы были доложены и получили положительную оценку на Всероссийской научно-практической конференции: «Комплексное использование водных ресурсов регионов», г.Пенза, 2002; на целевом профессиональноориентированном семинаре по проблемам реализации новых конкурентноспособных отечественных технологий «Очистка, переработка и утилизация осадков и илов станций биологической очистки сточных вод», г. Н.Новгород,

2002; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство" в ННГАСУ в 2002 г.; на Международном форуме «Великие реки 2003», г. Н.Новгород, 2003. В ходе работы над диссертацией автор получал именную научную стипендию им. академика Г.А. Разуваева.

На защиту выносятся:

- способ улучшения экологической обстановки за счет рационального использования вторичного ресурса - осадка сточных вод - с получением на его основе высокоэффективной органоминеральной почвоулучшающей добавки;

- результаты теоретических экспериментальных исследований по обезвреживанию ОГСВ;

— методика обезвреживания осадков городских сточных вод реагентами на аминокислотной основе (ММЭ-Т и АК-ЗЭ);

- технология производства органоминеральной почвоулучшающей добавки на основе осадков сточных вод;

-результаты исследований основных санитарно-токсикологических и агрохимических свойств ОГСВ до и после обезвреживания;

-графо-аналитические зависимости, описывающие процессы обеззараживания и детоксикации ОГСВ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 7 статей, 5 материалов в виде тезисов докладов, отчет о научно-исследовательской работе. Подана заявка на получение патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа имеет общий объем 160 страниц машинописного текста, содержит 31 таблицу, 39 рисунков, библиографический список из 140 наименований и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость, определены цель и задачи исследований.

Первая глава посвящена анализу современного состояния обработки,

обезвреживания и утилизации осадков сточных вод городских очистных

сооружений. Рассмотрены процессы формирования осадков сточных вод на станциях аэрации. Дана сравнительная характеристика осадков, образующихся на различных стадиях формирования. Особое внимание при этом уделяется анализу хозяйственной ценности и одновременно экологической опасности осадков сточных вод, а также воздействию ОГСВ на человека и окружающую среду и

способам минимизации такого воздействия. Отмечен вклад в развитие технологий обработки и утилизации ОГСВ российских и зарубежных ученых: Евилевича А.З., Туровского И.С., Фридмана А.Я., Хакимова Ф.И., Bruce A.M., Davis R.D., Huylebroeck J. и другие.

Показаны возможные направления утилизации ОГСВ. Рассмотрены механические, термические, реагентные и биохимические методы обработки осадков сточных вод, направленные на снижение их экологической и санитарно-

настоящее время, имеют ряд недостатков, как с экологической, так и с технологической точки зрения. Большинство технологий направлены либо только на уменьшение объема ОГСВ, либо на безутилизационную ликвидацию осадков. Так, например, в России в качестве вторичного сырья используется не более 10% ОГСВ, а остальная масса осадков уничтожается (например, сжиганием) или складируется на территории станций аэрации.

С учетом содержания в ОГСВ целого ряда ценных компонентов как органического, так и неорганического происхождения определено наиболее

целесообразное направление утилизации ОГСВ использование осадков в

качестве удобрения в сельском хозяйстве и для рекультивации техногенно нарушенных грунтов.

Выявлены основные факторы, препятствующие утилизации ОГСВ в качестве удобрения - это наличие в осадке городских сточных вод токсичных тяжелых металлов (ТМ), а также патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Таким

7

образом, основными задачами обезвреживания осадков городских сточных вод с целью их дальнейшей утилизации являются детоксицирование ТМ, антибактериальная обработка и дегельминтизация осадков.

Показана необходимость создания рациональных экологически безопасных технологий обезвреживания осадков городских сточных вод с сохранением их агрохимической ценности и получением на их основе высокоэффективного органоминерального удобрения.

Во второй главе приведено обоснование выбора применяемых реагентов для обезвреживания ОГСВ, их характеристики, представлена методика экспериментальныхисследований.

Для антибактериальной обработки и дегельминтизации осадка выбраны гидроксоаминокислотные комплексы меди (ГАКМ) CuLOH, где L -- анион аминокислоты. Данные комплексы взаимодействуют с аминокарбоксильными группировками белков (АКГБ) клеток с образованием малорастворимых соединений в соответствии с реакцией

Известно, что АКГБ участвуют в таких важнейших функциях как действие ферментов, функционирование распознающих участков, действие транспортной системы, поддержания на мембране разности потенциалов. Поэтому для микроорганизмов связывание аминокарбоксильных группировок белков оболочки клетки приведет к нарушению многих жизненных функций и гибели клетки. Комплексы обладают широким спектром действия, летальная доза зависит от размера микроорганизма. В качестве бактерицидного состава принят реагент ММЭ-Т, технология производства которого разработана в ГосНИИОХТ под руководством профессора Фридмана А.Я.

Токсичность осадка, как было показано выше, обусловлена главным образом

токсичными ионами и соединениями тяжелых металлов. Аминокислотные комплексы тяжелых металлов MeL2 и СгL3 малорастворимы, стабильны и устойчивы в широком диапазоне рН, разлагаются при рН<2,5. При хранении осадка, содержащего ТМ в виде аминокислотных комплексов, уменьшена вероятность переноса металлов в объекты окружающей среды.

Если металлы будут попадать в организм in vitro в виде аминокислотных комплексов, то, учитывая, что комплексы не смогут вступать в реакции с другими реагентами по причине энергетической невыгодности взаимодействий, они не будут оказывать влияния на метаболизм. Исходя из этого, в качестве рабочей гипотезы принято, что связывание ионов металлов в аминокислотные комплексы является оптимальным вариантом биологического маскирования металлов в осадке. Для исследования и практического применения выбран реагент АК-ЗЭ (разработан в ГосНИИОХТ).

Исследования выбранных реагентов проводились на ОГСВ Нижегородской станции аэрации (НСА) - типичном представителе станции крупного промышленного города. Исследования проводились на пробах сброженных в термофильных условиях осадков влажностью 97,5 -98,5% и 78 -83% (после обезвоживания), а также на смеси сырого осадка и активного ила перед

осадка).

Концентрации ТМ в почве и ОГСВ, а также в биологических объектах определяли атомно-абсорбционным методом в лаборатории АНО «ТестПущино», в физико-химической лаборатории ННГУ им. Лобачевского и в аналитической лаборатории Нижегородской станции аэрации.

Бактериологический анализ осадков осуществлялся в соответствии с МУ 2.1.5.800-99 «Организация Госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод», МУК 4.2.796-99 «Методы санитарно-паразитологических исследований» и «Оценочные показатели санитарного состояния почвы населенных мест» №173/9- 77, М., 1977. Исследования проводились в бактериологической лаборатории Нижегородской станции аэрации и на базе Московской академии ветеринарной медицины и биотехнологии.