Биотехнологические вопросы утилизации осадков сточных вод

Технологическая политика в области утилизации осадков городских сточных вод в настоящее время приобретает все большее значение для государств, которые намерены присоединиться к Европейскому Союзу. Нормативные документы ЕС в области утилизации осадков намного жестче, чем в странах СНГ [6]. В мировой практике используются следующие основные методы утилизации ОСВ: сжигание, сброс в океан, на контролируемые свалки, применение в сельском хозяйстве (табл.1) [6].

Таблица 1 - Способы утилизации осадков с точных вод в странах ЕС

Способ утилизации	Объем в 1998 г., %	Объем в 2005 г., %
Складирование	48	10
Использование в сельском хозяйстве	32	45
Сжигание	13	38
Компостирование	2	7
Сброс в море	5	0

Как следует из таблицы, в Европейской практике наблюдается тенденция к ликвидации складирования осадков и увеличению доли их сельскохозяйственного использования.

Для сравнения, в Украине и России используется практически один способ утилизации осадков – складирование (>95%) и менее 5% – в сельском хозяйстве.

Директивные документы ЕС регламентируют применение ОСВ в зависимости от способа их переработки (обычной или углубленной) в следующих областях: пастбища, кормовые культуры, с/х поля, выращивание фруктов и овощей, сады, виноградники, парки, зоны отдыха, леса, восстанавливаемые территории.

Химический состав ОСВ различных стран аналогичен отечественным отходам данного вида. Варьируется только концентрация отдельных загрязнений, зависящая в первую очередь от вида промышленности населенных пунктов, вносящих свой вклад в общее загрязнение осадков. Лимитирующим фактором, влияющим на возможность использования ОСВ в сельском хозяйстве в качестве удобрения, являются тяжелые металлы [7,8]. Представляет интерес оценить возможности применения отечественных ОСВ различного состава в качестве органического удобрения для сельского хозяйства.

Постановка задачи. Обобщить экспериментально-теоретические и опытно-промышленные исследования для обоснования биотехнологии утилизации ОСВ в условиях Украины.

Изложение материала и его результаты.

В таблице 2 приведен химсостав осадков сточных вод г. Луганска, состоящий из органических и минеральных примесей, токсичных веществ (тяжелые металлы), которые и обуславливают ограниченное их использование и неэффективность существующих методов утилизации. Эти концентрированные отходы в жидком или обезвоженном виде хранятся под открытым небом, сбрасываются в

Таблица 2-Химический состав осадков сточных вод г. Луганска

Характеристика органической и минеральной составляющей осадков,%
Вид осадка	Орг в-а	SiO 2		Al2O3		Fe 2 O 3		TiO 2	CaO	MgO		P 2 O 5	K 2 О	Na 2 O		SO 3
Осадок 1990г.	33,4	25,56		9,45		6,56		0,23	12,69	2,72		3,44	0,79	0,51		3,22
Осадок 2010г.	61,4	14,0		4,41		3,47		0,25	9,18	0,39		3,44	0,52	0,58		3,24
Содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод, мг/кг
Вид осадка	Zn		Cu		Cr		Cd		Ni		Co		Mn		Pb
Осадок 1990г.	7149		1301		1834		1250		7164		125		554		274
Осадок 2010г.	611		277		214		57		391		7,7		358		11

Агротехника и энергообеспечение. – 2014. – № 3 (3)

карьеры, овраги и загрязняют окружающую среду. Переполненные иловые площадки и пруды являются источниками загрязнения атмосферы и гидросферы, создают экологическую и социальную напряженность на прилегающих территориях.

Качественные характеристики осадка сточных вод, накопленных на территории Луганской области, резко отличаются. В северных сельскохозяйственных районах области, г. Сватово и г. Половинкино, ввиду малого количества промышленных предприятий ОСВ слабо загрязнены тяжелыми металлами (табл. 3).

В других районах, в том числе в Луганске, где сконцентрировано большое количество предприятий, ОСВ имеют высокую степень загрязненности тяжелыми металлами. Канализационные осадки города Луганска относятся к IV классу опасности и размещаются открыто на иловых площадках, чем и обостряют экологическую ситуацию [2]. В то же время осадки сточных вод являются органическим удобрением, содержащим полный набор микроэлементов необходимых для сбалансированного роста растений [3].

Исходя из того, что основная опасность при складировании осадков заключается в миграции из них тяжелых металлов (ТМ) в почву и водоемы, представляет интерес проанализировать основные факторы, определяющие этот процесс.

В санитарно-гигиеническом отношении опасность представляет не столько концентрация тяжелых металлов, сколько значение растворимости их солей, которая зависит от температуры, рН среды и массообменных процессов.

Поэтому с точки зрения экологической безопасности возможны следующие подходы к ограничению миграции токсичных веществ из осадков в окружающую среду (табл. 4).

По данным [4], в Украине только 1/3 объемов накопленных осадков, согласно международных требований (табл.5), может иметь сельскохозяйственное использование.

Регламентация требований к содержанию тяжелых металлов в ОСВ национальными стандартами зарубежных стран дает зеленый свет для использования ими более 55% осадков в сельском хозяйстве (табл. 5). Отсутствие таких нормативных документов в Украине обуславливает отсталость в утилизации ОСВ в сельскохозяйственной сфере хозяйствования.

Таблица 3 - Химический состав осадков сточных вод, мг/кг (2013год)

о ? О кин и н о S 2 S m О « cd о m « ю о Cd К cd S	Районы Луганской области
	Луганск			Половинкино			Сватово
	cd cd m «^	^      ГП cd А К cd О saw 5^5 К	;	cd cd «^	К cd О saw m	5	cd cd «^	и и О' § о 5 5© s к	5
Mn	322	282	84	370	295	167	322	316	65
Cu	526	396	33.4	213	120	4.1	122	88	4
Zn	425	415	350	345	332	178	352	339	173
Fe	18500	7983	48.1	16225	9475	39.4	17500	9993	28
Co	49	38.1	6.5	24.6	21	4.2	28.8	15.7	3.7
Ni	287	245	39	64	54	14.3	96	75	18.7
Pb	174	156	4.1	65.6	42.9	5.6	38.6	36.4	2.4
Cd	46.6	42.2	23	6.5	6.4	1.6	3.7	3.6	1

Агротехника и энергообеспечение. – 2014. – № 3 (3)

Таблица 4 - Способы ограничения миграции тяжелых металлов из ОСВ

• -    пассивация тяжелых металлов – повышение щелочности осадков для снижения растворимости металлов;

• -    изоляция частиц осадка водонепроницаемыми пленками;

• -    максимальное уплотнение осадков для снижения выщелачивания токсических веществ, уменьшение фильтрационных и диффузных процессов;

• -    увеличение химической стойкости путем спекания и остекловывания частиц осадка;

• -    предотвращение увлажнения;

• -    комплексные мероприятия по изоляции осадков от окружающей среды.

За рубежом широко изучают применение вермикультуры для утилизации бытового мусора и ОСВ очистных сооружений [11-13]. В научно-производственной лаборатории Луганского национального аграрного университета разрабатываются технологии утилизации отходов животноводства при помощи вермикультивирования с использованием в качестве вермикультуры дождевого червя «Старатель» (Рисунок - 1).

Дождевой (компостный) червь «Старатель», получен в лабораторных условиях профессором С.М. Игониным во Владимирском педагогическом университете в 1986 году путем скрещивания особей двух пространственно отдаленных популяций (Владимирской местной популяции и киргизской популяции из Чуйской долины) навозных червей Eisenia foetida .

С 2008 года совместно с ООО «Лугансквода» проводится совместный эксперимент по биоконверсии ОСВ с помощью вермикультуры (Рисунок - 2).

Это безотходная технология, дающая возможность получать органоминеральную смесь (вермикомпост) и биологическую массу вермикультуры.

В разрабатываемой нами технологии получения органоминеральной смеси из ОСВ лежит природный механизм почвообразования (гумификация). В результате биохимических реакций, происходящих под воздействием сообщества почвенных животных и микроорганизмов, в промышленных условиях происходит управляемый процесс трансформации осадков сточных вод в органоминеральную смесь.

Таблица 5 - Требования к содержанию тяжелых металлов в осадках сточных вод, используемых для удобрений (мг/кг сухого вещества) в некоторых странах

Страна	Co	Ni	Sr	Cu	Zn	Pb	Cr +3	Cd	Hg	Fe	Mn
Украина (ТУ 204 Укр. 76-93)	100	200	300	1500	2500	750	750	30	15	25000	200 0
Россия (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001)	-	200400	-	750 1500	17503500	250500	500 1000	15 30	7,5 15	-	-
США	-	150	-	750	1500	500	500	50	-	-	-
Франция	20	100	-	1500	300	300	200	15	8	-	-
Германия	-	200	-	1200	3000	1200	1200	20	20	-	-
Австрия	-	100	-	500	2000	100	-	-	10	-	-
Нидерланды	-	50	-	500	2000	500	500	10	10	-	-
Швейцария	100	200	-	100	3000	1000	1000	30	10	-	-
Финляндия	100	500	-	3000	5000	1200	1000	30	-	-	300 0
Директива ЕС № 86/278	-	300400	-	10001750	2504000	7501200	-	20 40	16 25	-	-

Агротехника и энергообеспечение. – 2014. – № 3 (3)

Основное средство производства, промышленная популяция дождевых (компостных) червей вида Eisenia foetida (Владимирский гибрид «Старатель»). По В.А. Догелю они относятся к семейству дождевых ( Lumbricidae ), отряду высших малощетинковых ( Lumbricomorpha ), классу малощетинковых ( Oligochaeta ), подтипу поясковых (Clitellata), типу кольчатых (Annelida) подцарству многоклеточных, царству животных [9].

Идеальным исходным сырьем для червей является не депонированный, а относительно «свежий» ОСВ. Осадок имеет вид рассыпчатой, рыхлой земли. Он технологичен в работе, транспортировке и к переработке вермикультурой. Вспомогательный материал - листовой опад, который добавляется в соответствующих пропорциях к ОСВ, позволяющих получить рыхлую структуру субстрата и оптимальное для червя соотношение C:N.

Объектом исследований были осадки сточных вод (ОСВ) взятые с иловых площадок г. Луганска. Здесь в природных условиях было проведено их высушивание.

Рисунок 1. Дождевой червь Eisenia foetida (Владимирский гибрид «Старатель»)

Рисунок 2. Вермикопостирование ОСВ в лаборатории ООО «Лугансквода».

Плотность посадки червей составляла 600 половозрелых особей на 10 дм3 субстрата. Продолжительность 1-й части эксперимента составила 55 день.

Полученные результаты 1-й части эксперимента свидетельствуют о возможности использования червей для переработки ОСВ. Происходит снижение как валовых, так и подвижных форм тяжелых металлов (табл. 6,7). Группа металлов: свинец, кобальт, никель, кадмий, марганец изменила свое содержание в сторону уменьшения. Количество свинца в валовой форме снизилось на 28,4%, а в подвижной на 45,8%, а ведь это один из самых распространенных элементов в ландшафтах.

Концентрация кобальта и марганца в гумусе-сырце не превышала значений ПДК в почве по Украине, количество меди, цинка, никеля и свинца превышало ПДК (табл. 8) [8]. Выявленные превышения ПДК не подтверждают токсичность этих металлов в нашем «продукте». Необходимо отметить, что речь идет о гумусе-сырце, а не о готовой органоминеральной смеси, а концентрация внесения смеси должна рассчитываться.

Таблица 6 - Изменение содержания валовой формы тяжелых металлов в результате работы червя на 55 сутки, мг/кг сухого вещества

Наименование металла	Осадок сточных вод	Гумус-сырец из ОСВ	Уменьшение содержания, %
Mn	323	303,33	6,2
Cu	526,33	497,67	5,5
Zn	390	380	2,6
Fe	18429,33	18260	0,9
Co	47,50	40,70	14,3
Ni	279,33	256,0	8,4
Pb	174,67	125	28,4
Cd	42,60	41	3,8

Таблица 7 - Изменение содержания подвижной формы тяжелых металлов в результате работы червя на 55 сутки, мг/кг сухого вещества

Наименование металла	Осадок сточных вод	Гумус-сырец из ОСВ	Уменьшение содержания, %
Mn	285	276	3,2
Cu	378,67	372,33	1,7
Zn	379,33	370	2,5
Fe	7792	8713	-
Co	34,9	30,17	13,6
Ni	214	172,33	19,5
Pb	151,33	82±	45,8
Cd	40,33	38,07	5,6

При этом необходимо учитывать региональные и местные условия, в том числе свойства и гидрологический режим почв, содержание в органоминеральной смеси и почве нормируемых загрязнений, общего и минерального азота, фосфора, калия, особенностей возделывания культур, принятого севооборота и т.п. Сравнение концентрации металлов в органоминеральной смеси с показателями ПДК по почве не корректно, так как в нашем продукте эти металлы выступают как микроэлементы.

Агрохимические показатели гумуса-сырца так улучшаются и можно отметить, что дождевой червь Eisenia foetida благоприятно влияет на ОСВ и производит в нем положительные изменения. Агрохимические показатели были в пределах нормы, если руководствоваться стандартами России (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001), но в Украине таких стандартов пока нет (табл. 9, 10).

У дождевых червей в пищевод впадают три пары особых известковых желез. Они густо пронизаны кровеносными сосудами и служат для удаления карбонатов, накапливающихся в крови. Излишки извести поступают из желез в пищевод и служат для нейтрализации гуминовых кислот, содержащихся в поедаемых червями гниющих листьях [9].

Заглатывая кусочки субстрата, червь трансформирует их в кишечной полости и выделяет в виде копролитов – «каменных» экскрементов [9]. Под их действием происходит изменение химического состава ОСВ (табл. 6, 7, 9). Дождевые черви хорошо исследованы с точки зрения их микроэлементного состава и аккумуляции элементов-токсикантов в своих телах (Martin, Coughtrey, 1982; Покаржевский, 1985; Greig-Smith et al., 1992; Edwards, Bohlen, 1996). При попадании червей в среду, загрязненную микроэлементами, они достаточно легко аккумулируют их в своих тканях. Например, концентрация марганца в L.terrestris даже на заповедных территориях может колебаться в зависимости от места сбора от 68 до 127 мг/кг сухой массы, меди – от 50 до 69, цинка – от 172 до 320, молибдена – от 1,5 до 3,1, кобальта – от 5,8 до 6,2 мг/кг сухой массы. Содержание железа от 200 мг/кг у почвенных дождевых червей доходит до 1450 мг/кг у E.fetida (Покаржевский, 1985). Считается, что гибрид «Старатель» из субстрата усваивает 40%, а 60% после переваривания выделяется в виде копролитов [9]. В копролитах сосредотачивается значительное количество кальция, что обеспечивает хорошую, водопрочную структуру и высокую водоудерживающую способность. На стадии гумуса-сырца тяжелые металлы начинают переходить в малоподвижное состояние. Необходимые для питания растений элементы изменяют свою концентрацию. Агрохимическая ценность гумуса сырца, в сравнении с ОСВ, не была ухудшена. Возросла массовая доля органических веществ в 1,3; общего азота в 1,2; фосфора в 1,4 и калия в 1,7 раза. При этом необходимо учитывать, что мы анализируем гумус сырец и гумификация еще не завершена.

В сравнительном аспекте, метод вермикомпостирования относительно недорог и требует минимум техники. Кроме того, в процессе вермикультивирования отсутствует фаза предварительного компостирования. Польза, которую могут принести черви очистным сооружениям, превысила прогнозы, предшествовавшие настоящему эксперименту.

Таблица 8 - Валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг сухого вещества

Наименование металла	Гумус-сырец из ОСВ	Госстандарт России ГОСТ Р 17.4.3.072001 (для ОСВ при использовании как удобрения)	ПДК в почве, мг/кг, для валового содержания, Украина
Mn	303,33	не нормируется	1500
Cu	497,67	750 - 1500	100
Zn	380	1750 - 3500	300
Fe	18260	не нормируется	2,0 фоновое
Co	40,70	не нормируется	50
Ni	256,0	200 – 400	100
Pb	125	250 -500	32,0
Cd	41	15 - 30	0,3 фоновое

Таблица 9 - Изменения агрохимических показателей металлов в результате работы червя за 55 суток

№	Наименование показателя	Осадок сточных вод	Гумус-сырец из ОСВ
1	Массовая доля влаги, %	37,1±0,21	45,8±0,12
2	Массовая доля органического вещества в пересчете на углерод, %	18,23±0,23	24,4 ±0,35
3	Массовая          доля питательных элементов (в пересчете сухое вещество) - общий азот, % -    общий фосфор, % в пересчете на P 2 O 5 -    общий калий, % в пересчете на K2O	1,8±0,05 2,98±0,24 0,4±0,04	2,23±0,04 4,17±0,09 0,67±0,02
4	pH, KCl	6,7±0,09	7,1±0,16
5	Азот аммонийный, % (N-NH4)	0,004±0,001	0,016±0,001
6	Азот нитратный, % (N-NO3)	1,8±0,05	4,39±0,23

Таблица 10 –Агрохимические показатели

Наименование показателя	Госстандарт России ГОСТ Р 17.4.3.07-2001
Массовая доля органических веществ, % на сухое вещество	не менее 20
Реакция среды (рН сол )	5,5 - 8,5
Массовая доля общего азота (N), % на сухое вещество	не менее 0,6
Массовая доля общего фосфора (Р 2 О 5 ), % на сухое вещество	не менее 1,5
Массовая доля общего калия (К), % на сухое вещество	не нормируется

Было доказано, что вермикультивирование способно с большей эффективностью и меньшей стоимостью заменить собой все известные на сегодняшний день методы переработки ила сточных вод из городской канализации. При расчете «посевной дозы» червей исходят из того, что норма потребления отходов в сутки =1,5 их массы. Тогда еженедельное соотношение биомассы червей и массы отходов должно составлять 1:7. Новые отходы не должны добавляться в течение как минимум 144 часов, чтобы максимизировать подавление жизнедеятельности патогенных микроорганизмов.

Оптимальное количество червей, которое необходимо для переработки ОСВ = N в день / 1,5 = N в неделю / 7, где N – количество килограммов отходов.

Полученные данные свидетельствуют, что использование вермикультуры для утилизации осадков сточных вод позволяет значительно снизить содержание тяжелых металлов. Их уменьшение не имеет четкой закономерности. Эти различия связаны в первую очередь с уровнем содержания того или иного элемента.

«Металлический пресс» на биосферу, обусловленный хозяйственной деятельностью человека, может вызвать техногенные геохимические аномалии, размеры которых будут постоянно увеличиваться по мере того, как будут возрастать масштабы и интенсивность хозяйственной деятельности людей. Наша задача состоит в изучении возникающей ситуации и в умении противодействовать негативному развитию процесса загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Для этого необходимо научно обоснованное нормирование содержания металлов в биогумусе, полученном из осадков сточных вод, которое в настоящее время отсутствует в Украине.

Выводы:

Предложенный способ утилизации ОСВ позволит получить следующие эффекты:

• 1.    Совершенствование технологии очистки воды и обработки осадка предприятиями водоканала;

• 2.    Уменьшение количества осадков, возвращение в хозяйственное пользование занимаемых ими земельных участков и улучшение качества окружающей среды;

• 3.    Улучшение экологической и социальной обстановки на прилегающих территориях;

• 4.    Технология предусматривает создание новых рабочих мест;

• 5.    Расширение видов органических удобрений с возможным их применением в лесоводстве и цветоводстве как органического удобрения, получением компонента для приготовления грунтовой смеси и удобрений, и для биологической рекультивации полигонов ТБО.

Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет

Results over of experimental researches of influence of earthworm are brought «Prospector» on maintenance of heavy metals in sinking of sewages technology of receipt of biological humus is Offered from sewage fallouts.

Russia, Orel, Orel State Agrarian University