Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 10
1.1. Современные методы утилизации органических отходов 10
1.2. Состав и свойства осадков сточных вод очистных сооружений канализации 17
1.3. Технологические аспекты вермикомпостирования 18
1.4. Состав и свойства вермикомпостов 23
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 25
ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ТОКСИЧНОСТИ МЕТОДОМ ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ 30
3.1. Экологическая оценка осадков сточных вод очистных сооружений городов 30
3.2. Оценка возможности вермикомпостирования нативных осадков сточных вод различающихся по токсичности 39
3.3. Влияние осадков сточных вод различающихся по токсичности на показатели состояния червей Eisenia foetida (Sav.) 40
3.4. Влияние субстратов на основе осадков сточных вод на червей Eisenia foetida (Sav.) нескольких поколений 41
3.5. Влияние субстратов на основе осадков сточных вод на возрастную структуру популяции червей Eisenia foetida (Sav.) 59
3.6. Оценка реакции червей Eisenia foetida (Sav.), культивируемых на субстратах на основе осадков сточных вод различающихся по токсичности на внешнее механическое раздражение 63
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ СУБСТРАТОВ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ТОКСИЧНОСТИ 65
4.1. Оптимизация состава субстратов на основе осадков сточных 65 вод
4.2. Оптимизация температурного режима вермикомпостирования 93
4.3. Оптимизация параметров вермикомпостирования при различных температурных режимах 105
4.4. Оптимизация нормы заселения червей в субстраты на основе осадков сточных вод 109
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ СУБСТРАТОВ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ ЧЕРВЕЙ EISENIA FOETIDA (SAV.) 122
5.1. Дегазация и дезодорация субстратов нам основе осадков сточных вод, перерабатываемых червями Eisenia foetida (Sav.) 122
5.2. Агрономическая ценность вермикомпоста на основе осадков сточных вод 124
5.3. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в вермикомпосте на основе осадков сточных вод 129
ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ 132
6.1. Выбор компонентов для производства субстратов 132
6.2. Транспортировка компонентов 133
6.3. Подготовка субстратов для вермикомпостирования 133
6.4. Параметры вермикомпостирования 134
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 142
Предложения 144
Заключение 146
Список литературы 147
Приложения 166
- Современные методы утилизации органических отходов
- ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
- Экологическая оценка осадков сточных вод очистных сооружений городов
Введение к работе
Развитие промышленности, рост городов сопровождается увеличением объемов отходов, в частности осадков сточных вод очистных сооружений канализации.
Применяемые на очистных сооружениях канализации физические, химические и механические методы переработки осадков сточных вод, как правило, связаны со значительными затратами, чрезвычайно энергоемки, требуют больших затрат труда и материальных средств. В настоящее время основным методом утилизации образующихся осадков сточных вод является складирование, то есть накопление вблизи очистных сооружений, вывоз в карьеры, овраги, низины, шлаконакопители. Данный способ имеет естественные ограничения по общему объему складируемого осадка, и что особенно важно предполагает изъятие из оборота огромного количества ценных земельных угодий. Кроме того, складирование отходов очистных сооружений канализации вызывает экологические проблемы. В основном осадок сточных вод состоит из органического вещества богатого микрофлорой и способного быстро разлагаться с выделением зловонных газов, газообразных продуктов создавая неблагоприятные условия на значительных территориях, прилегающих к местам их складирования [6, 12, 19, 24, 40, 60, 64, 65, 87, 93, 109,116]..
Физические (в основном термические) методы переработки осадков сточных вод, например сжигание, связаны с выделением твердых и газообразных веществ. Наиболее вредными из которых считают отходящие газы и летучую золу. Конечными продуктами сгорания в большинстве случаев диоксид углерода и водяные пары. В меньших количествах образуются окислы серы, окислы азота, окислы углерода, хлористый водород, фтористый водород, диоксины и др. Содержащиеся в дымовых газах тяжелые металлы находятся в водорастворимой форме и представляют потенциальную экологическую опасность, так как смываются дождем в почву и подземные и поверхностные водоёмы, используемые в коммунально-бытовых целях. Химические методы переработки осадков сточных вод несовершенны и в большинстве случаев повышают вредное воздействие этих отходов на окружающую среду [6, 12, 19, 24,40,109,103,116]..
Кроме того, перечисленные методы не позволяют в полной мере использовать ценные органические вещества, содержащиеся в осадках сточных вод очистных сооружений канализации. В последнее время активно развивается направление использования осадков в качестве нетрадиционного вида органического удобрения. Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу [12, 18, 21, 25, 26, 56, 65, 76, 81, 89, 90]. Правильное применение ОСВ позволяет повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. Однако в осадках сточных вод возможен спонтанный процесс образования новых, неизвестных соединений, механизм формирования которых существующими методами установить чрезвычайно трудно. Осадки сточных вод некоторых очистных сооружений обладают выраженной фитотоксичностью, которая может быть обусловлена загрязнением этих осадков органическими соединениями, обладающими гербицидными свойствами. Осадки сточных вод индивидуальны по своему химическому составу, и пока малоизученны как удобрения, что нередко создает негативное к ним отношение [24, 40, 65, 116].
Однако основным фактором, сдерживающим применение осадков сточных вод в сельском хозяйстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и трофический перенос в продукты питания мало изучены [2, 40, 42, 53, 63, 87, 107, 115, 120, 125, 129, 148,150].
Перспективными приемами переработки и утилизации осадка сточных вод являются методы, основанные на использовании биологических объектов, таких как, например черви Eisenia foetida. Черви способны накапливать в теле тяжёлые металлы и переводить их в связанные формы недоступные для растений, что позволяет расширить спектр применения конечного продукта переработки. Этот процесс протекает без применения реагентов, что делает биологическую утилизацию экологически безопасной и не приводит к вторичному загрязнению поверхностных водоёмов, грунтовых подземных вод, почв. Продукт, получаемый в процессе вермикомпостирования из органических отходов - вермикомпост или биогумус, подвергается физико-химической, биологической и микробиологической трансформации в кишечнике червей [3, 5, 7, 27, 31, 35, 54, 61, 70, 72, 84, 85, 88, 96, 114, 134, 155]. В результате переработки осадка сточных вод червями утрачивают дурной запах, освобождаются от вредной микрофлоры, приобретают зернистую структуру, утрачивают токсичность для корней растений [34, 131, 121, ].
Высокие потенциальные возможности метода вермикомпостирования способствовали возникновению в США, странах Европы, России хозяйств, специализирующихся на переработке различных органических отходов с помощью червей [8,17, 46, 80, 81, 82, 98,104, 112, 117, 126, 132, 140,159,163].
Однако практическое использование настоящей технологии основывается на не систематизированных данных научных исследования. Кроме того, многие отечественные и зарубежные исследователи отмечают, что технологические параметры процесса во многом определяют видом перерабатываемых отходов.
Цели и задачи. Целью настоящих исследований являлось определение особенностей переработки и утилизации осадков сточных вод, различающихся по токсичности, с помощью червей Eisenia foetida (Sav.).
В соответствии с поставленной целью предусматривалось решение следующих задач:
- определить токсичность осадков сточных вод различных населенных пунктов и особенности адаптации к ним червей Eisenia foetida (Sav.); - определить виды органических наполнителей и их оптимальную для жизнедеятельности червей Eisenia foetida долю в составе субстратов на основе осадков сточных вод различающихся по токсичности;
- определить оптимальную плотность посадки червей Eisenia foetida (Sav) для переработки субстратов на основе осадков сточных вод;
- определить порядковый номер поколений червей Eisenia foetida (Sav.), позволяющих эффективно перерабатывать субстраты на основе осадков сточных вод, различающихся по токсичности;
- определить оптимальную долю различных органических наполнителей в субстратах на основе осадков сточных при различных температурных режимах вермикомпостирования;
- разработать методику предварительной оценки эффективности использования технологии вермикомпостирования на основе реакции червей Eisenia foetida (Sav.) на внешнее механическое раздражение;
- установить экологическую безопасность вермикомпостов на основе осадков сточных вод;
- разработать рекомендации по технологии вермикомпостирования осадков сточных вод, различающихся по токсичности.
Основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности адаптации червей Eisenia foetida (Sav.) к осадкам сточных вод;
- зависимость показателей состояния червей Eisenia foetida (Sav.) от класса опасности осадков сточных вод;
-технологические параметры вермикомпостирования, обеспечивающие процессы утилизации осадков сточных вод, различающиеся по токсичности;
методика предварительной оценки эффективности использования технологии вермикомпостирования на основе реакции червей Eisenia foetida (Sav.) на внешнее механическое раздражение. Объектом исследования являются
- осадки сточных вод очистных сооружений канализации гг. Йошкар-Олы, Новочебоксарска, Козьмодемьянска;
- взаимодействие в системе «субстраты на основе осадков сточных вод -черви Eisenia foetida (Sav.)».
Методы исследования: в настоящей работе использованы методы экологического и морфофункционального анализа.
Предметом исследования являются закономерности адаптации червей Eisenia foetida (Sav.) к субстратам на основе осадков сточных вод, способы подготовки к вермикомспотированию в зависимости от токсичности осадков сточных вод.
Научной новизной обладают:
- установленные оптимальные для жизнедеятельности червей Eisenia foetida (Sav.) составы субстратов на основе осадков сточных вод очистных сооружений канализации в зависимости от их токсичности;
- установленные параметры переработки осадков сточных вод очистных сооружений канализации в зависимости от их токсичности;
- положения о влиянии вида субстратов на основе осадков сточных вод в ряду поколений червей Eisenia foetida (Sav.);
- методика предварительной оценки эффективности использования технологии вермикомпостирования на основе реакции червей Eisenia foetida (Sav.) на внешнее механическое раздражение.
Личный вклад соискателя: анализ проблемы, постановка и решение основных задач; теоретические и лабораторные исследования; анализ результатов, формулировка выводов; участие во внедрении результатов научной работы.
Практическое использование работы. Результаты работы используются в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплине «Улучшение качества природных и очистка сточных вод» на специальности 28.03.02 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», в спецкурсах «Почвенная зоология» и «Основы токсикологии» по специальности 01.16.00, а также в одном из разделов «Большого практикума» по специальностям 01.16.00 и 01.35.00; а также являются научной основой для разработки технологии по биологической переработке органических отходов на базе ООО «Бауинжиниринг».
Апробация работы. Основные материалы исследований доложены и получили одобрение на Всероссийской научно-практической конференции «Рациональное использование природных ресурсов в системе управления регионом» (Йошкар-Ола, 2001); Междисциплинарной научной конференции «Вавиловские чтения» : «Диалог науки и практики в поисках новой парадигмы общественного развития России в новом тысячелетии» (Йошкар-Ола, 2000); Третьем международного конгрессе по управлению отходами ВейсТэк-2003 (Москва, 2003); Международной, научно-методической, конференции «Экология - образование, наука и промышленность» (Белгород, 2002 и 2004); Научно-практической конференции «Водные ресурсы. Проблемы и пути их решения» (Йошкар-Ола, 2003).
Публикация материалов исследований. По материалам исследований опубликовано 7 статей.
Объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста. Она включает аналитического обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов и анализа собственных исследований, выводов и предложений. Список литературы включает 168 наименований. Обоснованность и достоверность результатов исследований основывается на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке методами математической статистики, а также воспроизводимости результатов. Для определения биометрических показателей было исследовано 1370 червей Eisenia foetida (Sav.), испытано 87 видов субстратов на основе осадков сточных вод.
Современные методы утилизации органических отходов
По самым оптимистичным прогнозам в ближайшие 30-50 лет в России захоронение бытовых и промышленных отходов на полигонах будет являться основным методом конечной стадии переработки отходов.Об этом может свидетельствовать опыт многих экономически развитых стран, где при высоком уровне технологических разработок и значительных финансовых инвестициях в данную область, складирование отходов до сих пор является если не основным, то одним из основных методов переработки и утилизации отходов. Исходя из этого, проблема складирования отходов на полигонах в России еще долгое время будет оставаться актуальной [6, 12, 43, 44, 45, 90, 103, 108, 113].
Формирование полигона вызывает образование техногенного водоносного горизонта, уровни которого заметно превышают уровни водоносных горизонтов. В результате в толще полигона в анаэробной зоне, за счет протекания процессов деполимеризации, сбраживания, гумификации органического вещества, сульфатредукции и других процессов, образуется уникальные по своей токсичности биогаз и фильтрат [6, 12, 43, 44, 103, 108, 113,143,151,156,161].
Фильтрат или водная вытяжка представляет собой раствор, содержащий соединения смешанных рядов, ароматические, ациклические карбонильные соединения всех классов опасности, не окисленные органические вещества [12, 19,35,44].
Фильтраты полигонов захоронения ТБО, не имеющих противофильтрационной защиты, мигрируют в геологической среде и, попадая в водоносный горизонт, представляют опасность для поверхностных водных объектов. Часть содержащихся в фильтрате загрязняющих веществ задерживается техногенными грунтами, но большинство их различными путями попадает в почву, подземные и поверхностные воды. Проникая в подземные горизонты фильтраты, потребляют кислород подземных вод на свое окисление и различные химические трансформации, чем формируют околонейтральные бескислородные бессульфидные воды. Поверхностные воды, стекающие с полигона, также несут загрязняющие вещества. Их движение по прилегающим территориям вызывает загрязнение почвы, а попадание в открытые водоемы ухудшает качество воды и способствует накоплению загрязняющих веществ в донных отложениях [12, 19, 35].
Загрязнение атмосферного воздуха связано с биогазом, который выделяется в результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий. Концентрация некоторых компонентов биогаза значительно превышает ПДК, что представляет опасность для живых организмов. В процессе эмиссии из толщи свалки на поверхность биогаз вытесняет воздух, присутствующий в верхних слоях отходов или в укрывающей их почве. В результате этого у большинства растений и организмов, населяющих полигон, наблюдается задержка развития и гибель в результате снижения содержания кислорода в верхнем слое [12, 19, 35, 39, 44].
Подавляющая часть имеющихся технологических разработок и их практическая реализация направлена на минимизацию негативного экологического воздействия образующихся фильтрата и биогаза путем строительства противофильтрационных экранов, дренажных систем, систем сбора фильтрата, очистных сооружений, систем управления биогазом [19, 35].
Следует также отметить, что захоронение органических отходов на свалках и полигонах не позволяет в полной мере использовать содержащиеся в них ценные вещества и компоненты, соли азота, фосфора, калия, являющиеся основой органических и минеральных удобрений [3, 10, 32, 42, 48, 111, 127, 134, 136, 139, 145, 157, 165, 168].
Термическим методам переработки (сжиганию) подвергается около 10,8% от валового объема осадков сточных вод очистных сооружений канализации. Данный метод утилизации осадков сточных вод позволяет решить экологические проблемы, связанные с хранением отходов, получить дополнительную энергию, снизить потребность в ископаемых топливно-энергетических ресурсах. В соответствии с прогнозом в перспективе его доля будет возрастать до 40%, несмотря на относительно высокую стоимость [6, 19, 40, 60].
Термический метод переработки органических отходов один из наиболее известных и изученных. В случае его использования помимо непосредственного устранения органических отходов, во-первых, значительно снижается потребность в земельных площадях, во-вторых, появляется возможность получения тепловой и электрической энергии. Таким образом, отходы можно рассматривать как нетрадиционные виды топлива и источники энергии.
Объекты и методика исследований
Исследования проводились с 2000 по 2006 год на кафедре лесных культур и механизации лесохозяйственных работ и в лаборатории кафедры водных ресурсов Марийского государственного технического университета. Объектом исследования являлись осадки сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Олы после цехе обезвоживания и нейтрализации, смесь сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила ГТУП "БОС ОСК" г. Новочебоксарск после 1...2 лет и 5...8 лет хранения и активный ил очистных сооружения канализации г. Козьмодемьянска.
Для проведения исследований использовали популяцию червей Eisenia foetida (Sav.). В ходе исследований изучали адаптационные способности червей к субстратам на основе осадков сточных вод различающимся по токсичности, уточняли технологические параметры их культивирования, определяли агрономическую ценность вермикомпостов и содержание в них подвижных форм тяжелых металлов, а также степень дегазации и дезодорации осадков сточных вод после переработки.
При проведении экспериментов использовали осадки сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Олы после цеха обезвоживания и нейтрализации, смесь сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила ГТУП "БОС ОСК" г. Новочебоксарск после 1...2 лет и 5...8 лет хранения и активный ил очистных сооружения канализации г. Козьмодемьянска без наполнителя (100%) и субстраты на их основе.
В ходе проведения исследований по определению оптимальных для адаптации червей субстратов на основе осадков сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Олы после цеха обезвоживания и нейтрализации, в качестве наполнителей м использовали листовой опад, опил лиственных пород деревьев, бумажные отходы, торф и солому. Субстраты замешивали в следующих соотношениях 80:20, 60:40, 50:50, 40:60 и 20:80 процентов от объема. Подготовка субстратов заключалась в следующем -тщательно смешанные ингредиенты закладывались в пластиковые емкости в объеме 1 дм . По прошествии 14 дней в предварительно подготовленный и увлажненный субстрат, заселяли половозрелых червей из расчета 6 особей на одну емкость. Продолжительность экспозиции составляла в среднем 91 день. Результаты исследований оценивались по следующим показателям состояния червей: плотность популяции, прирост биомассы молоди, прирост общей биомассы популяции, количество коконов, количество и качество молодых и половозрелых особей. Опыты проводились в трех повторностях. За контроль принимали показатели состояния червей в субстрате с соотношением ингредиентов 80:20.
В исследованиях, посвященных определению оптимальных для адаптации червей субстратов на основе активного ила очистных сооружения канализации г. Козьмодемьянска и смеси сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила ГТУП "БОС ОСК" г. Новочебоксарск после 1...2 лет и 5...8 лет хранения, в качестве наполнителей применяли листовой опад, опил лиственных пород деревьев, бумажные отходы. Подготовка субстратов и схеме проведения исследований была аналогичной.
В экспериментах по оценке влияния температуры на продукционные характеристики червей, культивируемых в субстратах на основе осадков сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Олы после цеха обезвоживания и нейтрализации использовали такие наполнители как листовой опад, опил лиственных пород деревьев, бумажные отходы. Подготовка субстратов и схеме проведения исследований была аналогичной ранее описанной.
При определении оптимальной плотности посадки и оптимальной плотности популяции в субстраты на основе осадков сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Олы после цеха обезвоживания и нейтрализации использовали такие наполнители как листовой опад, опил лиственных пород деревьев, бумажные отходы. Соотношение ингредиентов в опытных субстратах составляло 60:40, 50:50 и 40:60 процентов от общего объема. Подготовка субстратов и схеме проведения исследований была аналогичной, с тем различием, что заселение субстратов производилось из расчета 6, 12 и 18 половозрелых особей на 1 дм3 субстрата. За контроль принимали данные по субстрату с соотношением ингредиентов 60:40 процентов от общего объема субстрата.
При изучении влияния субстратов на основе осадков сточных вод очистных сооружений канализации г. Йошкар-Ола на червей нескольких поколений схема проведения экспериментов была аналогичной. После переработки червями субстрата, осуществляли их выемку из всего объема емкости, оценивали показатели их состояния и затем заселяли изъятых половозрелых червей во вновь подготовленные субстраты. За контроль принимали данные по исходному поколению червей.
Экологическая оценка осадков сточных вод очистных сооружений городов
В настоящее время из-за низкой эффективности утилизации на территории (или возле) очистных сооружений канализации скапливается большое количество осадков сточных вод, причем эти объемы ежегодно пополняются. На очистных сооружениях канализации г. Йошкар-Олы ежегодно производится около 30000 тонн осадков сточных вод, РГУП "БОС" г. Новочебоксарска - около 14000 тонн и на очистных сооружениях канализации г. Козьмодемьянска производится около 2500 тонн. Общая характеристика городов следующая: г. Йошкар-Ола общая численность населения 277,2 тыс. человек, г. Козьмодемьянск - 23,8 тыс. человек. Экологическая ситуация на большей части Республики Марий Эл относительно удовлетворительная. Ведущие отрасли - машиностроение, пищевая, лесная. Общая численность населения г. Новочебоксарск - 124,2 тыс. человек. По экологической ситуации входит в число относительно благополучных регионов Российской Федерации. Ведущие отрасли промышленности: машиностроение и металлообработка, химическая и нефтехимическая.
Содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод городов различающихся по составу промышленных объектов в значительной степени различается. Данные химического анализа представлены в табл. 1 и 2.
Обработка полученных данных методом дисперсионного анализа показала, что нативные осадки сточных вод очистных сооружений канализации различных городов содержат различное на 5% уровне значимости количество тяжелых металлов (FpaC4. Ртабл.).
Как видно из представленного материала достоверная разница по содержанию указанных в таблицах подвижных и валовых форм тяжелых металлов присутствует между всеми исследуемыми осадками сточных вод. По содержанию Си, Ni, Cd и Zn осадки сточных вод различаются на порядок. Концентрация тяжелых металлов зависит от характеристики промышленных объектов, сточные воды которых проходят очистку на очистных сооружениях канализации.
Однако по содержанию тяжелых металлов нельзя судить о токсичности осадков сточных вод. В связи с этим было произведено биотестирование по методике определения токсичности водных вытяжек из осадков сточных вод по изменению уровню флуоресценции хлорофилла, по смертности дафний, а также определение фитотоксичности, с помощью семян редиса и овса.
Принцип первой методики основан на регистрации уровня флуоресценции хлорофилла под воздействием водной вытяжки из осадков сточных вод по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль).
Критерием оценки острой токсичности является подавление уровня флуоресценции хлорофилла водорослей на 50% и более по сравнению с контролем в течение 96-часовой экспозиции. В табл. 3 представлены критерии определения степени токсичности испытуемой водной вытяжки.
