Совершенствование технологии детоксикации активного ила с целью его безопасной утилизации в агросистемах. Монография

1. АКТИВНЫЕ ИЛЫ СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИЙ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

на проекта канализации Архангельска. В проекте было предусмотрено использование осадков сточных вод для освоения обширной территории сфагнового болота [4].

1.2.3. Получение метанового газа

На крупных очистных сооружениях довольно часто для стабилизации активного ила используют метантенки. Наличие последних позволяет эффективно использовать большое количество выделяемого ценного газа — метана, что может существенно снизить стоимость эксплуатации очистной станции, а в некоторых случаях обеспечить ее самоокупаемость. Простейшим способом использования газа является превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии [3, 4, 18, 24, 25].

Выделяемый метантенками газ характерен содержанием чистого метана (до 60–70 %), углекислоты (26–34 %), азота (1–3 %), водорода (1–3 %) и следов сероводорода. Теплотворная способность такого газа обычно колеблется от 5000 до 6500 ккал/м3. Температура горения чистого метана 1300–1400 °С. Один куб. м газа заменяет 0,8 т условного топлива.

Среди существующих видов топлива метан занимает одно из первых мест. Преимущества этого идеального продукта горения выражается в полноте горения, отсутствии шлаков, копоти и сажи, что очень важно для окружающей среды.

На очистных станциях широко применяется сжигание метанового газа в топках котельной в целях обогрева главным образом метантенков и помещений, находящихся на территории станции. Особого оборудования для этого не требуется. Газ из метантенков в естественном сыром виде (без очистки и сушки) поступает в топку котла с газовой горелкой.

Использование этого газа для отопительных целей дает возможность ежегодно экономить тысячи тонн условного топлива.

21

М. В. КИРИЛЛОВ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА С ЦЕЛЬЮ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ В АГРОСИСТЕМАХ

Более желательным является использование газа метантенков для получения механической и электрической энергии. Это может привести к созданию собственной энергетической базы, частично, а иногда и полностью обеспечивающей эксплуатационные нужды очистной станции. Экономически это очень важно, поскольку стоимость электроэнергии на станциях аэрации составляет 60–70 % всех эксплуатационных расходов.

В последние годы за рубежом используются газовые двигатели, работающие на двойном топливе, смеси газа (93–98 %) и жидкого топлива (2–7 %). Такие двигатели при одинаковых условиях вырабатывают на 20 % больше энергии. Они отличаются легким запуском и более плавной работой. В настоящее время разработаны газовые турбины, которые по сравнению с поршневыми двигателями выгодно отличаются по размерам, имеют меньший износ, большой срок службы и меньшую стоимость.

Перевод автотранспорта на местное газообразное топливо с повышенными эксплуатационными качествами (бездымность, снижение шума, экономичность) имеет большое экономическое и экологическое значение.

Современные исследования химиков открывают неограниченные возможности использования универсального газа — метана.

Так, например, при неполном сжигании метана остается 3–7 % высококачественной сажи, которая применяется как красящее вещество и сырье для резиновой промышленности. Производство сажи на базе утилизации газа целесообразно в районах, источник которого далеко удален от населенного пункта.

Известно, что пропустить метан через вольтову дугу или ионизировать газ с помощью тока высокого напряжения и большой частоты, то образуется ацетилен. Один кубический метр чистого метана может дать 340 л ацетилена. Последний же широко применяется в качестве исходного сырья для получения уксусной кислоты, а также ценных негорючих растворителей (трихлорэтилен) и даже синтетического каучука (хлоропрен, дюпрен). Получение указанных

22

1. АКТИВНЫЕ ИЛЫ СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИЙ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

продуктов при условии технологической их доработки возможно лишь при наличии дешевой электроэнергии и больших запасов газа.

При пропускании смеси метана с воздухом через нагретые до 500 °С трубки с катализатором частично образуется формальдегид. Последний в виде 40 %-ного водного раствора формалина представляет собой дефицитный продукт для получения ацетона, а следовательно, бакелита, карболита, альбуминовых и пластических масс. Окислением метана можно также получить метиловый спирт, СО, Н2 и другие производные.

Метан при температуре 200–400 °С хорошо реагирует с хлором, образуя при этом хлористый метан, метилен, хлороформ и четыреххлористый углерод в зависимости от количества применяемого хлора. Эти продукты хорошо используются в промышленности синтетических красителей, при изготовлении фармацевтических препаратов, при производстве холодильных машин.

При конверсии из одного объема метана можно получить два объема водорода. Процесс конверсии протекает при нагревании метана до 1000–1100 °С, а в присутствии катализатора и при более низкой температуре. При этом получается расщепление метана на водород и углерод. Из смеси окиси углерода с водородом можно получить метиловый и этиловый спирты и другие продукты, в том числе растворители, синтетический каучук, лаки.

Конверсия метана выгодна лишь при наличии мощных источников газа, однако при частичной конверсии можно использовать газ от метантенков в целях получения газа для сварки. Для этого метанистый газ должен быть освобожден от углекислоты и сероводорода. Полученный после частичной конверсии газ можно транспортировать на ближайшие заводы для автогенной сварки. Такой газ по сравнению с ацетиленом в 2 раза дешевле.

23

М. В. КИРИЛЛОВ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА С ЦЕЛЬЮ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ В АГРОСИСТЕМАХ

1.2.4. Использование биомассы в качестве кормовой добавки

Использование активного ила в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных — одно из направлений малоотходного производства. Проводятся интенсивные медико-биоло- гические исследования возможности применения активного ила

ввиде белково-витаминной добавки, особенно активного ила гидролизных заводов.

Химический состав активного ила гидролизных заводов колеблется в весьма широких пределах [26, 28, 4, 29]. Большую часть его составляет органическое вещество (до 85 %), примерно 35–50 % сырой протеин. По содержанию витаминов группы В активный ил превосходит такую кормовую добавку, как дрожжи, выращенные на углеводородах нефти [30].

Активный ил в качестве кормовой добавки можно использовать как отдельно, так и в смеси с кормовыми дрожжами. Первый способ менее предпочтителен, что обусловлено трудностями обезвоживания суспензии активного ила. При получении смеси кормовых дрожжей с активным илом процесс обезвоживания осуществляется значительно проще и эффективнее, чем в случае только активного ила.

Результаты многолетних исследований кормовой ценности дрожжей с добавкой активного ила показали, что при этом повышается эффективность переваривания и использования питательных веществ кормов и витаминов животными.

Другое перспективное направление — применение активного ила

вкачестве субстрата для выращивания кормовых дрожжей [31–36].

ВЯпонии разработан способ получения кормовых дрожжей с использованием в качестве субстрата раствора, образующегося при обработке активного ила горячей водой [31]. При таком способе выход дрожжей от субстрата невысокий, что обусловлено, по-видимому, весьма мягким режимом обработки активного ила.

24

1. АКТИВНЫЕ ИЛЫ СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИЙ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

Заметное повышение выхода биомассы наблюдается при более жестких методах обработки активного ила, например в режиме кислотного гидролиза. Согласно этим данным, кислотный гидролиз проводят при рН 0,01–0,3 и температуре 80–100 °С в течение 10–30 мин. Добавка гидролизата активного ила в количестве 5–10 % от основного субстрата дрожжей, например углеводородов нефти, позволяет повысить выход биомассы дрожжей и снизить расход минеральных питательных солей.

Заслуживает внимания способ обработки активного ила, включающий кислотный гидролиз и щелочную экстракцию [33–35]. При кислотном гидролизе активный ил обезвреживается вследствие гибели патогенных микроорганизмов, и образуются водорастворимые формы белковых, углеводных, минеральных веществ и витаминов. Полученный гидролизат можно использовать в качестве питательной среды для культивирования различных микроорганизмов. При щелочной экстракции происходит извлечение из активного ила водо- и щелочерастворимых белковых веществ.

Возможен вариант способа [33], при котором одну часть активного ила подвергают кислотному гидролизу, а другую — щелочной экстракции.

Практическое использование гидролизата активного ила в качестве дополнительного источника субстрата дает заметное повышение выхода биомассы и снижение расхода минеральных питательных солей [36].

Практический интерес представляют способы совместного гидролиза активного ила и сырья растительного происхождения, например древесины. Такой способ разработан в лесотехнической академии им. С. М. Кирова [37]. В этом случае активный ил подают в гидролизный аппарат для смачивания растительного сырья.

Использование активного ила в виде гидролизата с последующей утилизацией на стадии выращивания дрожжей или совместный гидролиз активного ила с растительным сырьем — перспективный метод утилизации, но малотоннажный. Этот способ можно

25

М. В. КИРИЛЛОВ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА С ЦЕЛЬЮ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ В АГРОСИСТЕМАХ

использовать в технологии производства кормовых дрожжей, культивируемых как на углеводородах нефти, так и на гидролизных субстратах. Для внедрения этого способа утилизации активного ила не требуются большие капитальные и эксплуатационные затраты. При таком способе возможна подача суспензии активного ила непосредственно с очистных сооружений без предварительного сгущения в гидролизный аппарат. Следует отметить, что гидролиз активного ила — один из менее чувствительных к составу ила способов его утилизации.

Фирма Simon — Carves разработала способ обработки активного ила с дальнейшим использованием его в качестве кормовой добавки [38]. Способ позволяет удалять из промышленных сточных вод более 90 % таких тяжелых металлов, как цинк, кадмий, свинец. Для этого суспензию активного ила подкисляют до рН 1, при этом большинство металлов растворяется в жидкой фазе, затем добавляют флокулянт; суспензию разделяют механическим способом, и сгущенный продукт биомассы высушивают.

В работах [39–40] приведены результаты экспериментальных исследований по определению содержания меди, хрома в тканях, почках и печени бройлеров при скармливании им высушенного активного ила. В работе [39] определяли содержание меди в печени, почках и мышечной ткани в четырех группах бройлеров трех- и семинедельного возраста: I группа — контроль, II группа — 1 и 2 % мясокостной муки заменяли 2 % высушенного активного ила с содержанием меди 598 мг/кг сухого вещества, III и IV группы — добавление флокулянта при сгущении активного ила. Количество меди определяли эмиссионной спектрофотометрией. Содержание меди независимо от опыта находилось в интервале 9,1–23,8 мг/кг. Наибольшее содержание (до 16,9 мг/кг) наблюдалось в III группе, однако оно не превышало, согласно [39], уровня, считаемого нормальным. При этом в почках при обоих вариантах (3 и 7 недель) количество меди колебалось в пределах 7,3–18,3 мг/кг в сухом веществе. Наивысшая концентрация меди в почках отмечена в кон-

26

1. АКТИВНЫЕ ИЛЫ СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИЙ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

трольной группе (в среднем 17,3 мг/кг). В мышечной ткани концентрация меди была наименьшей по сравнению с концентрацией в других исследуемых тканях и колебалась в пределах 1,8–3,3 мг меди на 1 кг сухого вещества.

Во всех вариантах опытов ни в одной из исследуемых тканей количество меди не превышало показателей, приводимых, согласно [39], как норма.

Важные результаты получены при скармливании свиньям в качестве добавки дрожжей и активного ила [41]. Установлено [41], что высокая эффективность скармливания дрожжей с активным илом проявляется в том случае, когда в рационе имеется не менее 2 % ила по питательности. При этом на 1 часть ила должно приходиться 4 части дрожжей. Установлено, что при добавлении дрожжей и активного ила в указанных соотношениях повышается среднесуточный прирост молодняка на 7,8–9,5 % [4].

Известно еще много примеров успешного использования биомассы активного ила в качестве кормовой добавки [18]. Следует, однако, заметить, что применение биомассы активного ила, используемой в качестве кормовой добавки, требует дальнейших углубленных исследований и расширения испытаний в практических условиях.

При использовании биомассы избыточного активного ила в качестве кормовой добавки имеет значение постоянство его состава, что достигается в ряде случаев стабилизацией режима выращивания. Последнее обусловлено удельной нагрузкой на очистные сооружения, а также присутствием вредных примесей в сточных водах. Следует отметить, что получение кондиционированной биомассы избыточного активного ила связано не только с его оптимальным режимом выращивания, но и с природой и количеством примесей, присутствующих в очищаемых сточных водах.

Иногда при использовании биомассы активного ила в качестве кормовой добавки или удобрения необходимо суспензию активно-

27

М. В. КИРИЛЛОВ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА С ЦЕЛЬЮ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ В АГРОСИСТЕМАХ

го ила обезвреживать как от вредных и токсичных примесей, так и от патогенных микроорганизмов.

Анализируя технологии утилизации избыточного активного ила, следует отметить, что, несмотря на значительное их количество, большинство можно отнести к малотоннажному производству, а следовательно, не решающим проблему прекращения загрязнения окружающей среды. Если учесть, что ежегодный прирост биомассы активного ила составляет несколько миллионов тонн [6, 23, 25, 51], то основным потребителем, способным принять такое количество осадка, является сельское хозяйство, где его можно утилизировать в качестве органоминерального удобрения [3, 4, 12, 42–50]. Но использование активного ила в качестве удобрения на сельхозугодьях возможно лишь при соответствии его качества требованиям СанПин 2.1.71573–96 [52].

1.3. Проблема загрязнения активных илов ионами тяжелых металлов и методы их детоксикации

Количество осадков, образующихся на станциях аэрации, колеблются от 0,5–1,0% от общего количества сточных вод, поступающих на очистные сооружения хозяйственно-производственной канализации. Таким образом, на сооружениях крупных городов с населением более миллиона человек количество осадка может колебаться от 6000 до 10000 м3 в сутки. Утилизация такого количества «сырого» осадка представляет достаточно сложную технологическую и экологическую проблему.

Внастоящее время на полигонах Санкт-Петербурга площадью 196 га в пригородной зоне размещено свыше 6 млн м3 обезвоженного нестабилизированного осадка. Ежегодная потребность в таких площадях составляет 8–10 га [22].

ВМосковской области под осадки сточных вод выделено до 1500 га площади, в том числе 800 га — в Москве [6].

28

1. АКТИВНЫЕ ИЛЫ СТОЧНЫХ ВОД СТАНЦИЙ АЭРАЦИЙ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ

На очистных сооружениях канализации г. Новосибирска производительностью 703 тыс. м3/сут образуется в процессе очистки сточных вод 90–110 т/сут осадков (по сухому веществу) [50].

Специально проведенные исследования экологической обстановки [1,6] территории иловых площадок, расположенных в черте города, показали высокую степень загрязнения атмосферы и грунтовых вод в результате эмиссии целого ряда химических элементов, содержащихся в осадке. Высокое содержание тяжелых металлов прослеживается в нескольких геологических горизонтах. При этом существенную долю баланса подземных вод составлял инфильтрат с иловых площадок. Помимо инфильтрационного воздействия на грунтовые воды, на территории иловых площадок образовывались значительные количества поверхностных вод, загрязненных макро- и микроэлементами, которые попадали в Москву-реку [6].

Наиболее вероятным потребителем обезвоженного и обеззараженного осадка городских очистных сооружений в таких количествах является сельское хозяйство, использующее его в качестве органического удобрения на сельхозугодиях. К сожалению, в большинстве случаев непосредственное использование осадков городских очистных сооружений не представляется возможным из-за присутствия в нем ионов тяжелых металлов. Последние обогащаются этими токсичными ингредиентами в результате совместного транспортирования и очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод.

Источниками загрязнения активного ила являются сточные воды металлургических предприятий черной и цветной металлургии, радиопромышленности, производств, имеющих в своем составе гальванические цеха. Все они сбрасывают свои недоочищенные от ионов тяжелых металлов сточные воды в городскую канализацию. В процессе биохимической очистки сточных вод активный ил, являясь хорошим сорбентом, обогащается солями тяжелых металлов. Использование активного ила в качестве органического удобрения,

29

М. В. КИРИЛЛОВ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА С ЦЕЛЬЮ ЕГО БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ В АГРОСИСТЕМАХ

содержащего ионы Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Ni и других металлов, представляет опасность для выращиваемых на сельхозугодиях растений.

Санитарно-эпидемиологическое и экологическое состояние города требует решения вопроса рекультивации иловых площадок в черте города.

Содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод колеблется в широких пределах, поэтому рекомендуется в каждом конкретном случае перед использованием осадков в качестве удобрения исследовать их состав.

В таблице 1.6 представлены результаты исследований [53] состава активного ила Северной станции аэрации канализации города Екатеринбурга.

Таблица 1.6

Химический состав (валовое содержание элементов) кека цеха механического обезвоживания Северной аэрационной станции

30