Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния обработки осадков бытовых сточных вод малых населённых пунктов 11
1.1. Общая характеристика осадков хозяйственно-бытовых сточных вод 11
1.2. Методы и схемы обработки и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений 16
1.2.1 Основные предпосылки для утилизации осадков сточных вод в сельском хозяйстве 24
1.3. Особенности очистки сточных вод и обработки осадков малых населённых пунктов 32
Выводы по главе 39
ГЛАВА 2 Изучение состава и свойств осадков малых населённых пунктов 41
2.1. Состав осадков 42
2.2. Кислотная и щелочная емкость осадка 46
2.3. Сорбционные свойства осадка 47
2.4. Микробиологический состав осадка 48
2.5. Токсикологические характеристики осадка 49
Выводы по главе 51
ГЛАВА 3 Исследования по обезвреживанию осадков сточных вод малых населённых пунктов 53
3.1 Обеззараживание осадков 53
3.1.1 Сущность процесса обеззараживания осадков аминокислотными композициями 53
3.1.1.1 Характеристики обеззараживающего реагента 56
3.2 Детоксикация осадков 57
3.2.1 Сущность процесса детоксикации осадков аминокислотными композициями 57
3.2.1.1 Характеристики детоксицирующего реагента 60
3.3 Получение аминокислотных реагентов 62
3.4 Изучение параметров обезвреживания осадков 65
3.4.1 Выбор места ввода обеззараживающего реагента 65
3.4.1.1. Обеззараживание осадка при его уплотнении или перед обезвоживанием 67
3.4.2 Выбор места ввода детоксицирующего реагента 69
3.4.2.1. Детоксицирование уплотненного осадка 70
3.4.2.2 Детоксицирование осадка на иловой площадке 71
3.4.3 Схема совместного обеззараживания и детоксикации осадка 73
3.4.4 Определение рабочей дозы аминокислотных реагентов 75
3.4.4.1 Определение дозы бактерицидного реагента 75
3.4.4.2 Статистическая обработка результатов и планирование эксперимента с использованием ЭВМ 79
3.4.4.3 Определение дозы детоксицирующего реагента 82
3.5. Влияние аминокислотных реагентов на изменение удельного сопротивления осадков фильтрованию 88
3.5.1. Методы исследования 89
3.5.2. Результаты исследования 90
3.6. Исследования по компостированию осадков 94
3.6.1. Компостирование обезвреженных осадков в штабелях 96
3.6.1.1. Компостирование обезвреженных осадков (эксперимент 1) 96
3.6.1.2. Компостирование обезвреженных осадков с добавлением микробиологического препарата «Байкал-ЭМ1» (эксперимент 2) 97
3.6.2. Оценка полученных компостов методами биотестирования 100
3.6.2.1. Описание опытов 100
3.6.2.2. Результаты опытов 102
3.6.3. Технология компостирования осадков сточных вод, обезвреженных реагентами на аминокислотной основе 104
3.6.3.1. Этапы технологии 104
3.7. Изучение влияния иловой воды, содержащей аминокислотные реагенты на биохимические процессы очистных сооружений 106
3.8. Оптимизация технологии обезвреживания и утилизации осадков сточных вод малых населённых пунктов на основе параметризации и
многоуровневой унификации оборудования 110
3.8.1. Декомпозиция объекта на уровни унификации 113
3.8.2 Оптимизация параметров установок на различных уровнях унификации 115
Выводы по главе 130
ГЛАВА 4 Порядок применения осадков сточных вод в качестве почвоулучшающей композиции 132
4.1 Методика расчета накопления металлов при внесении осадков сточных вод в почву 139
Выводы по главе 144
ГЛАВА 5 Внедрение результатов исследований 146
5.1 Технико-экономическое сравнение инвестиционных проектов 146
5.2 Расчет платы за размещение отходов 147
5.3 Технологическая схема обработки осадков, принятая к строительству.. 148
5.3.1 Условия образования сточных вод 149
5.3.2 Описание технологического процесса 149
5.3.3 Установка обеззараживания 151
5.3.4 Иловые площадки 153
5.4. Проект изменений и дополнений к нормативным документам 153
5.4.1. Изменения и дополнения в ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений» 153
5.4.2. Изменения и дополнения в постановление правительства РФ № 461 от 16 июня 2000 г. «О правилах разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение» 156
5.4.3. Изменения и дополнения в «Типовой технологический регламент использования осадков городских сточных вод в качестве органического удобрения» (2000 г.) 157
5.4.4. Изменения и дополнения в приказ МПР от 15 июня 2001 г. № 511 «Об утверждении Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды» 158
Выводы 160
Библиографический список 162
Приложения 172
- Методы и схемы обработки и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений
- Сущность процесса обеззараживания осадков аминокислотными композициями
- Методика расчета накопления металлов при внесении осадков сточных вод в почву
- Описание технологического процесса
Введение к работе
Актуальность работы
Большую часть поселений РФ составляют малые города и посёлки с численностью населения до 50 тысяч человек (88,4%) на очистных сооружениях которых образуется до 30% осадков, проблема обработки и утилизации которых стоит не менее остро, чем в крупных промышленно развитых городах.
Малые населённые пункты (МНП), находясь на большом удалении от крупных городов, как правило, имеют мало эффективные, морально и технически устаревшие системы очистки сточных вод (СВ) и обработки осадков. Осадки СВ, образующиеся на этих очистных сооружениях, по составу, характеру загрязнений и бактериальной обсеменённости значительно отличаются от осадков промышленных городов. Практически во всех МНП выпуск СВ осуществляется в малые реки либо на рельеф местности. Выделенные осадки сточных вод (ОСВ) III-IV класса опасности складируются в непосредственной близости от сельскохозяйственных угодий или в пойме водоёмов, не вывозятся и не утилизируются. Малые реки обладают низкой буферной ёмкостью, поэтому попадание в них даже небольшого количества необезвреженных СВ или ОСВ может привести к экологической катастрофе. Складирование выделенных ОСВ в непосредственной близости от сельхозугодий создаёт предпосылки для несанкционированного использования их в качестве удобрений, что может привести в конечном итоге к заражению и отчуждению пахотных почв. Вместе с тем использование ОСВ, обработанных, обезвреженных в соответствии с современными природоохранными и техническими требованиями, помогает решить ряд вопросов, связанных с увеличением плодородия почв, снижением площади полигонов, занятых под ОСВ, без негативных последствий для человека и окружающей его природной среды.
Таким образом, создание комплексной научно обоснованной технологии обезвреживания осадков МНП, которая позволяет решить проблемы обезвреживания осадков и утилизации их в сельском хозяйстве, сократить площадь иловых карт, снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, является одной из актуальнейших проблем современности.
На кафедре «Экологии и природопользования» ННГАСУ разработана технология, позволяющая проводить обезвреживание осадков сточных вод крупных населённых пунктов аминокислотными реагентами по различным схемам, включающим: только обеззараживание, только детоксикацию, а также совместное обеззараживание и детоксикацию.
Однако, учитывая, что характер, состав ОСВ МНП значительно отличается от ОСВ крупных промышленных городов, разработанные технологии не обеспечивают требуемого эффекта обезвреживания осадков. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования с целью разработки эффективных технологий обезвреживания и утилизации ОСВ МНП.
Научно-исследовательские работы проводились в рамках подпрограммы "Возрождение Волги" ФЦП "Экология и природные ресурсы России (2002- 2010 годы)" по базовому проекту ВВ-9 "Разработка новых технологий и средств защиты водных объектов и населения от антропогенного воздействия предприятий и производственных систем и оценка экологического риска производств, разработка технологий переработки и утилизации экологически вредных промышленных отходов, сокращения удельного водопотребления и водоотведения", утвержденному Постановлением Правительства Российской Федерации от 07 декабря 2001 г. № 860.
Основанием для проведения работ являются итоги конкурса на размещение заказов на поставку научно-технической продукции (работ и услуг) для государственных нужд за счет выделенных МПР России средств федерального бюджета на НИОКР в области водохозяйственной деятельности (Протокол № 4 заседания конкурсной подкомиссии по НИОКР в области водохозяйственной деятельности МПР России от 06.09.2002 г., приказ МПР России от 14.10.2002 г. № 650).
Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь проф. В.В.Найденко, А.Я.Фридману, Е.В.Шемякиной, [Ф.И.ХакимовуІ, {В.Н.НовосельцевуІ, 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 является разработка комплексной высокоэффективной технологии обезвреживания (антибактериальной обработки, дегельминтизации, детоксикации) и утилизации осадков сточных вод МНП путем их обработки аминокислотными композициями, получаемыми из белоксодержащих отходов выделки меха и кожи, мясо-, птице-, рыбопереработки, канализационных очистных сооружений (активного ила и сырых осадков первичных отстойников).
Основные задачи
- анализ существующей нормативной документации в области обращения с ОСВ;
- анализ и систематизация теоретических, экспериментальных и производственных данных по обработке и утилизации ОСВ малых населённых пунктов;
- изучение особенностей формирования, состава и свойств ОСВ, образующихся на очистных сооружениях МНП;
- обоснование возможности и целесообразности обезвреживания ОСВ реагентами на аминокислотной основе;
- изучение параметров процесса обеззараживания и детоксикации ОСВ МНП аминокислотными реагентами;
- исследование санитарно-гигиенических, токсикологических и агрохимических свойств ОСВ, обезвреженных аминокислотными реагентами, и компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;
- разработка технологии получения аминокислотных реагентов из ОСВ;
- выполнение проекта установки по обработке осадков малого населенного пункта (на примере г. Сергача).
Научная новизна работы
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность и целесообразность решения важной эколого-экономической проблемы -утилизации экологически опасных осадков сточных вод МНП путем их переработки в почвоулучшающую композицию с использованием аминокислотных реагентов, получаемых из осадков сточных вод;
- разработана принципиально новая экологически безопасная комплексная технология обезвреживания и утилизации осадков сточных вод МЬШ аминокислотными композициями, обеспечивающая возможность использования обработанных осадков в качестве почвоулучшающей органоминеральной композиции;
- изучены параметры процессов детоксикации, обеззараживания и дегельминтизации ОСВ малых населённых пунктов;
- осуществлено многофакторное планирование эксперимента по обеззараживанию ОСВ, получена математическая модель процесса;
- разработана методика дозирования аминокислотных реагентов в осадок с целью его обезвреживания;
- разработана технология получения аминокислотных реагентов из ОСВ;
- разработаны обобщенные рекомендации по обезвреживанию различных видов осадков МНП;
- изучены санитарно-гигиенические, токсикологические и агрохимические свойства ОСВ, обезвреженных аминокислотными реагентами, и компостов, приготовленных из обезвреженных осадков;
- проведена декомпозиция систем очистки СВ с построением параметрического ряда установок обеззараживания осадков;
- разработан проект изменений и дополнений к нормативным документам в сфере обращения с ОСВ;
- по материалам диссертационной работы подготовлена заявка на получение патента на способ обезвреживания ОСВ.
Практическое значение работы
В результате исследований установлена целесообразность обезвреживания образующихся ОСВ реагентами на аминокислотной основе. Разработанная технология позволяет отказаться от дорогостоящих, сложных в эксплуатации термических методов обработки осадков, а также от сбраживания ОСВ в метантенках. Разработанная технология может быть использована проектными организациями при проектировании и реконструкции любых очистных сооружений МНП.
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 и внедрён проект установки обезвреживания ОСВ г.Сергача реагентами на аминокислотной основе.
Разработан проект изменений и дополнений к ряду нормативных документов в области обращения с ОСВ.
Реализация результатов исследований Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов установок для обезвреживания ОСВ станции биологической очистки сточных вод г. Нижнего Новгорода, г. Сергача и переданы для практического использования в Министерство образования и науки РФ, Министерство природных ресурсов РФ, ОАО «Нижегородский Сантехпроект», МП «Нижегородский Водоканал», СЭС Нижегородской обл. и Горзеленхоз Г.Н.Новгорода, Администрацию Сергачского района Нижегородской области.
Апробация работы
Результаты работы были доложены и получили положительную оценку: на Всероссийской научно-практической конференции «Комплексное использование водных ресурсов регионов», г.Пенза, 2002; на научно технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство" в І1ІІГАСУ в 2003 г.; на Международном форуме «Великие реки», г. Н.Новгород, 2003-2005гг.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обезвреживанию и утилизации ОСВ малых населённых пунктов;
- методика обезвреживания осадков МНП реагентами на аминокислотной основе;
- технология производства органоминеральной почвоулучшающей композиции на основе осадков сточных вод МНП;
- технология получения аминокислотных реагентов из ОСВ;
- типоразмерный ряд установок обезвреживания осадков;
- результаты исследований основных санитарно-токсикологических и агрохимических свойств ОСВ малых населённых пунктов до и после обезвреживания, а также компостов на их основе;
- графо-аналитические зависимости, описывающие процессы обезвреживания ОСВ.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 10 статей, 4 материала в виде тезисов докладов, отчет о научно-исследовательской работе, учебное пособие. Подана заявка на получение патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа имеет общий объем 171 страницу машинописного текста, содержит 26 таблиц, 28 рисунков, библиографический список из 150 наименований и 6 приложений.
Методы и схемы обработки и утилизации осадков сточных вод городских очистных сооружений
Анализ состава и свойств осадков городских очистных сооружений показал: осадки ГОС являются токсичным, опасным отходом III-IV класса опасности. Они содержат в своём составе большое количество микроорганизмов, яиц гельминтов, тяжёлых металлов (Со, Cd, Си, Cr, Ni, Pb, Zn) в концентрациях значительно превышающих ПДК металлов для почв [6, 68,97,109,113,121,136].
Вместе с тем ОСВ являются Ценным сырьевым материалом, который может быть использован в хозяйственной деятельности, т.е. одним из направлений обработки осадков является их утилизация. Утилизация ОСВ возможна после их обеззараживания и детоксикации, т.е. обезвреживания.
Применяемые методы обезвреживания осадков можно разделить на ликвидационные, консервационно-стабилизационные и утилизационные. Ликвидационные методы основаны на уничтожении осадков, чаще всего сжиганием до безопасных или малоопасных веществ (шлак, зола, газ). Одной из характерных технологий такого типа является технология сжигания осадка Pirofluid (в псевдоожиженном слое) фирмы OTV, внедрённая на «Центральной станции аэрации» г. Санкт-Петербург. Технология Pirofluid отличается тем, что процесс горения может происходить за счет теплотворной способности самого осадка и не требует дополнительной подачи топлива. Главным условием поддержания нормального процесса горения в печах Pirofluid можно считать состав механически обезвоженного осадка. Горючей составляющей осадка являются органические вещества, негорючей - минеральные вещества и остаточная влага. При условии, что содержание минеральных веществ в осадке составляет 30-40% сухого вещества, на первый план выступает обеспечение максимального обезвоживания осадка на центрифугах. Для автотермичного процесса горения в печи необходима концентрация сухого вещества 28-32%. Основой технологии Pirofluid является сжигание обезвоженного осадка в псевдоожиженном слое кварцевого песка. Обезвоженный осадок подается непосредственно в слой песка, температура которого составляет более 700С, и смешивается с ним. Частицы осадка, попадая в зону высоких температур, отдают остаточную влагу, истираются в турбулентном потоке частиц песка, превращаясь в мелкодисперсную пыль. Плотность частиц осадка меньше плотности песка, поэтому они поднимаются в верхнюю часть реактора, где происходит процесс горения. Органическая составляющая осадка активно окисляется в избытке кислорода и превращается в газообразные продукты горения, а минеральная в виде мелкодисперсной золы выносится потоком дымовых газов в газоход. Основой нормального режима горения в печи является поддержание температуры псевдоожиженного слоя в пределах 750-850 С. Необходимость периодического добавления или выгрузки песка определяется, как правило, содержанием его в осадке очистных сооружений. После котла-утилизатора дымовые газы поступают в линию подачи дымовых газов к электрофильтру (эффективность золоулавливания до 99,8%). Абсолютно сухую золу с температурой 250С невозможно транспортировать, т.к. мелкодисперсная фаза очень быстро выветривается. В связи с этим возникает необходимость увлажнения ее до 25-30%. Продукты сгорания проходят кислую и щелочную промывки с целью удаления вредных примесей. Далее уходящие газы подогреваются до 130С для улучшения рассеивания в атмосфере. Существенным фактором, определяющим эффективность технологии Pirofluid, является состав уходящих дымовых газов. Представленная технология очистки с помощью электрофильтра и двухступенчатой промывки, разработанная фирмой «Speic» (Франция), -18-позволяет не превышать следующие концентрации загрязнений, мг/Н х мЗ: пыли - ЗО; НС1 - 20; HF - 2; S02 - 200; тяжелых металлов: Pb+Cr+Cu+Mn 3; Ni+As - 1; Cd+Hg - 0,2. Это один из примеров наиболее высокой степени газоочистки в мире. Фактические замеры показали, что концентрации загрязнений значительно ниже проектных [29, 26, 82]. Полученную золу после сжигания осадка захоранивают на специализированных полигонах. Использование золы в качестве удобрений не допустимо из-за высокого содержания тяжелых металлов. Обезвреживание осадков путём сжигания имеет ряд серьезных недостатков: быстрый выход из строя оборудования; плохой обжиг остатков твердых фракций, их сплавление и слипание; потребление большого объема воздуха (до 3 м /кг отходов). Сжигание осадков требует высоких капитальных затрат порядка 60% которых составляет стоимость очистных сооружений для дымовых газов. Не смотря на недостатки, в Европе метод сжигания находит очень широкое распространение. Так, по данным 1993 года, в Австрии сжигался 31% осадка, а захоранивалось 56%, в Швейцарии - соответственно 20 и 30%, в Германии - 15 и 55%, в Дании - 36 и 28%. В настоящееv время в большинстве стран наблюдается тенденция к увеличению объемов сжигания осадков, и главным стимулом этого является постоянный рост цен на землю, который делает затраты на освоение новых технологий экономически более выгодными, чем расширение территории полигонов для захоронение осадков [97,131]. В настоящее время в РФ в связи с критической ситуацией на очистных сооружениях получает все большее распространение такой ликвидационный метод как захоронение ОСВ. Выделяют несколько возможных вариантов захоронения осадков наиболее приемлемый, из которых захоронение осадков на полигонах ТБО с последующей их рекультивацией. Этот способ решает две проблемы: утилизации осадков очистных сооружений и рекультивации полигона ТБО. Однако наличие поллютантов и -патогенных микроорганизмов в осадках могут препятствовать захоронению на полигонах ТБО. Главный недостаток ликвидационных методов в безвозвратном уничтожении органического вещества (сырья), уменьшении объема биологического круговорота. Ликвидационные методы применяются в тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной и экологически нерентабельной. Утилизационные методы - основаны на использовании осадков в хозяйственной деятельности (термическая обработка осадков с целью получения горючего газа, использование осадков в качестве почвоулучшающей композиции, заполнителей при производстве строительных материалов, получение из ОСВ кормовых добавок, активированных углей) [7, 31, 32, 40, 42, 46, 47, 54, 58, 68, 74, 94, 97, 137].
В качестве примера можно остановиться на газификации осадков в режиме сверхадиабатических разогревов, этот утилизационный метод позволяет обезвредить осадки с получением газообразного топлива и минимальным загрязнением окружающей среды.
Газификацию осуществляют в реакторе газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатических процессов в «плотном» слое. Процесс организован таким образом, что выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора, а концентрируется в зоне газификации и используется для получения водорода из воды, и частично углерода из углеродсодержащих соединений [97].
Перерабатываемое сырьё загружается в реактор (рис. 1.3.) сверху через шлюзовую камеру. Снизу подаётся воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа осуществляется в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка в нижней. В средней части аппарата в бескислородной среде происходит термическое разложение и коксование органической массы.
Сущность процесса обеззараживания осадков аминокислотными композициями
В осадках ГОС г.Сергача присутствуют следующие виды патогенной микрофлоры: кишечная палочка, стрептококк, микрококк, диплококк, стафилококк, энтерококк, кишечная амеба, сальмонеллез, трихомонада, трихомонос, споры Becreus, грибки, дрожжи, вибрион (в отдельных случаях); яйца гельминтов (преимущественно острица, аскарида); личинка подкожного клеща встречается в отдельных случаях сезонно; микробное число - в пределах 107-1010, число жизнеспособных яиц гельминтов - в пределах 30-250 шт/кг.
Гидрофлора в осадке представлена следующими видами: коловратка (2 вида, встречается редко), operculeria (2 вида, встречается редко), свободноплавающие инфузории (трофически связанные с патогенной микрофлорой). Содержание гидрофлоры незначительно и соответствует объектам с высокой степенью загрязнения. В механически обезвоженном осадке свободноплавающие инфузории (трофически связанные с патогенной микрофлорой), коловратка, operculeria встречается в единичных случаях.
Патогенная микрофлора, яйца гельминтов и личинки сосредоточены в дисперсионных фазах, а гидрофлора - в иловой жидкости. Патогенная микрофлора, гельминты и личинка попадают в осадок преимущественно из хозяйственно-бытовых стоков. Осадок является весьма благоприятной средой для существования патогенной микрофлоры, гельминтов, личинки подкожного клеща и других опасных микроорганизмов. В результате распада белков и углеводов под действием ферментов в осадке образуются вещества, близкие к веществам, вырабатывающимся в организме человека и животных и являющимися источниками питания болезнетворных микроорганизмов. Поэтому микроорганизмы в осадке устойчивы. При температуре до 10-25С их численность, как правило, сохраняется на первоначальном уровне. В диапазоне температур 30-40С отмечается увеличение численности сальмонеллеза, бактерий кишечной группы, кишечной амебы, спор и вибриона. При температурах до 70С большинство кокковой группы, сальмонеллез, а также кишечная амеба, споры и грибки цистируют. Гибель жизнеспособных яиц гельминтов зависит от продолжительности обработки при указанной температуре. При понижении температуры ниже 10С патогенная микрофлора цистирует и переходит в состояние анабиоза. В таком состоянии она сохраняется сколь угодно долго, даже при замораживании осадка и понижении температуры до -60С. При повышении температуры возобновляется жизнедеятельность микроорганизмов и способность к развитию яиц гельминтов. Аналогичная картина наблюдается при уменьшении содержании воды в осадке. Как правило, при влажности менее 55 % патогенная микрофлора находится в состояние анабиоза. Исследование обезвоженных осадков, хранящихся на иловых картах от 3 до 20 лет, не выявило каких-либо существенных изменений их микробиологического состава со временем. Полное подавление патогенной микрофлоры без специальных средств, как показали исследования, достигается в результате нагревания осадка до 100С и его выдержки при этой температуре в течение 1-2 часов. Для осадка, высушенного до 55 % влажности, такая обработка не приводит к положительному результату. В этом случае гибель микроорганизмов происходит при температурах более 150С при выделении паров воды за счет разложения некоторых кристаллогидратов и дегидратации первых сольватных оболочек полипептидных цепей фибриллярных белков. 2.5. Токсикологические характеристики осадка Токсичность ОСВ в основном определяется наличием в них ионов тяжёлых металлов. В большинстве случаев в осадках ГОС МНП тяжёлые металлы находятся на уровне ОДК металлов в почве, однако в ряде случаев наблюдается превышение концентрации металлов, тогда они нуждаются в детоксикации. В табл. 2.3 приведена классификация осадков городских сточных вод по валовому содержанию тяжелых металлов и мышьяка. К первой категории -50 относятся осадки малых и средних городов - Подольска, Серпухова (Московской обл.) Пушкин (Ленинградской обл.), Сергач, Арзамас, Городец (Нижегородской обл.). Следует отметить, что осадки большинства МНП не могут быть отнесены к данной классификации т.к. содержание в них металлов меньше, чем в осадках относящихся к первой категории приведённой классификации. « Таким образом, по содержанию ИТМ осадки МНП попадают в первую группу осадков по ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, т.е. могут вноситься под сельхозкультуры. В то же время, ОСВ городов Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород (которые относятся к средним и крупным промышленным городам с низким уровнем локальной очистки) существенно загрязнены тяжелыми металлами и требуют безусловной детоксикации (рис. 2.1.). При попадании осадка загрязнённого ИТМ внутрь организма средняя смертельная лоза LD (50) = 1,8-2,2 г/кг. Картина отравления осадками сточных вод характерна для клинической картины отравления солями металлов.
Методика расчета накопления металлов при внесении осадков сточных вод в почву
Система обезвреживания осадков сточных вод состоит из двух модулей: модуль детоксикации осадка (1); модуль обеззараживания осадка (2). Создание технологических модулей на основе современных научно технических достижений в области обработки осадка, оснащенных соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой и микропроцессорной техникой, является наиболее перспективным направлением в совершенствовании систем обработки осадков сточных вод. Четвертый уровень унификации - функциональные блоки (ФБ). На четвертом уровне унификации рассматриваются аппараты и сооружения определенного технологического назначения. На рис. 3.21. приведён функциональный блок - расходный бак с насосом. Пятый уровень унификации - (ЭФБ) элементы функциональных блоков. Примерами элементов функциональных блоков являются расходные баки, насосы и т.д. Шестой уровень унификации - компоненты элементов функциональных блоков (КЭФБ), например, мешалка, запорно-регулирующая арматура. На пятом и шестом уровнях унификации предоставляется возможность всесторонне проанализировать все элементы функциональных блоков с позиций их функционального назначения, конструктивного и гидравлического совершенства, материалоемкости, коррозионной и абразивной стойкости. Декомпозиция систем водопользования на уровни унификации может быть, в зависимости от степени сложности объекта и решаемых задач, продолжена до уровня составляющих компонентов элементов (болты, гайки, шайбы, прокладки и др.). Однако, решая задачи унификации аппаратов и сооружений обработки осадков сточных вод, целесообразно ограничивать их декомпозицию изделиями и деталями, серийно выпускаемыми промышленностью (трубопроводной арматурой, контрольно-измерительными приборами, насосами, электродвигателями, редукторами). Между предлагаемым шестым уровнем унификации (компоненты элементов блоков) аппаратов, сооружений и систем обработки осадков сточных вод и названными выше изделиями и деталями при решении конкретных практических задач может быть достаточно большой интервал, требующий дифференциации функциональных элементов. Число уровней унификации на этом интервале, как и на всех предшествующих интервалах, должно быть технически целесообразным и экономически оправданным. Конечные показатели обработанного осадка являются результатом последовательной обработки на модулях, входящих в состав технологической системы (горизонтальная декомпозиция), эффективность работы которых является суммарным результатом работы составляющих модуль сооружений или технологических процессов (вертикальная декомпозиция). Проведенный анализ показал, что каждый из выделенных модулей характеризуется одним или несколькими параметрами, являющимися общими для его составляющих. Определение конкретных значений параметров проводится путем решения оптимизационной задачи. На каждом уровне декомпозиции системы может быть сформулирована своя задача оптимизации со своими критериями и методами решения. При таком подходе особую важность приобретает межуровневая взаимосвязь задач оптимизации. Оптимизацию унифицированного оборудования следует осуществлять путем декомпозиции на две задачи: внутреннюю - оптимизацию всех основных параметров каждой установки; внешнюю - совместную оптимизацию главных параметров всех установок и объемов выпуска каждой, осуществляемую методом параметрических рядов. Оптимизация с декомпозицией на внутреннюю и внешнюю задачу проводится в следующей последовательности: - выбор или составление математической модели экспериментального метода для внутренней оптимизации параметров каждой установки в отдельности, формирование входных данных и оптимизацию (последовательность решения этой задачи подробно рассмотрена выше); - определение и уточнение исходных данных внешней оптимизации для группы установок в целом; - выбор или составление математической модели для внешней оптимизации главных параметров и объемов выпуска установок, формирование входных данных и оптимизация; - уточнение внутренней оптимизации на основании результатов внешней оптимизации. Необходимость оптимизации и применения блочно-модульных конструкций усиливается в отношении систем обработки осадков бытовых сточных вод, как одного из источников наиболее токсичных загрязнителей окружающей среды. Методика унификации комплексного оборудования установок применена для технологии обезвреживания осадков на стадии формирования. Декомпозиция на уровни унификации рассматриваемой технологии производится по методике, рассмотренной выше. Обезвреживание осадка бытовых сточных вод представляет собой обработку осадков на стадии их формирования, аминокислотными реагентами. Обеззараживающий реагент - ГАКМ (вводится перед подачей осадка на обезвоживание), детоксицирующий - НСАК (вводится после обезвоживания осадка). Обработка осадков данными реагентами позволяет решить ряд актуальных проблем, после обеззараживания и детоксикации можно использовать в народном хозяйстве для восстановления почвонарушенных грунтов, рекультивации свалок, как почвоулучшающие добавки. За модуль в рассматриваемой схеме принята установка обеззараживания и установка детоксицирования осадка, оснащенная арматурой и насосным агрегатом. В дальнейшем для упрощения расчетов все процессы усреднены во времени, реальные операции заменены непрерывным поступлением осадка с определенным расходом и соответствующими концентрациями тяжёлых металлов. На первом этапе решается внутренняя задача - оптимизация основных параметров установок. Под системой здесь надо понимать модули обеззараживания и детоксикации, связанные посредством арматуры с фильтр-прессом. Все параметры системы взаимозависимы.
Описание технологического процесса
Сточная вода из лотка распределяется на четыре аэротенка (переоборудованные двухъярусные отстойники). Сжатый воздух в аэротенки подается из компрессорной станции, в которой установлены пять компрессоров. Распределение воздуха в аэротенки происходит через стальные дырчатые трубы.
Иловая смесь (смесь очищенной воды и активного ила) поступает на три вторичных вертикальных отстойника, где происходит осаждение активного ила. Очищенная и осветленная сточная вода поступает для доочистки в первую (аэрируемую) секцию биологического пруда. Затем сточная вода проходит вторую секцию пруда и далее через отводящий железобетонный трубопровод поступает в канал гидроботанической доочистки, из которого по открытому береговому выпуску сбрасывается в р. Пьяна. В отводящий трубопровод из хлораторной подается обеззараживающий реагент - раствор гипохлорита натрия, который готовиться на электролизной установке.
Активный ил, осевший во вторичных отстойниках, подается в аэротенки для поддержания необходимой дозы ила, а избыточный активный ил направляется в илоуплотнитель (переоборудованный двухъярусный отстойник). Периодически уплотнённый осадок выпускают на иловую площадку для подсушивания.
Осадок, направляемый на иловые площадки, является экологически опасным отходом, что определяется в первую очередь наличием в нем патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. В то же время осадок содержит ценные органические и минеральные составляющие, обуславливающие его высокую удобрительную способность. Поэтому наиболее целесообразным методом утилизации осадка является его использование в качестве удобрения, для чего необходимо провести обеззараживание, а также уменьшить объем образующего осадка за счет удаления избыточной влаги (подсушивания) на иловых картах, предусмотренных к строительству в соответствие с проектом. Для обеззараживания осадка в помещении существующей компрессорной станции очистных сооружений предусмотрен узел приготовления и дозирования обеззараживающего реагента - гидроксоаминокислотных комплексов меди (ММЭ-Т). Композиция ММЭ-Т представляет собой гидроксоаминокислотные комплексы меди MLOH, где М - Cu2+, L - анионы аминокислоты - глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина и т.п. (композиция ММЭ-Т). Основу процессов антибактериальной обработки и дегельминтизации составляет взаимодействие гидроксоаминокислотных комплексов металлов с аминокарбоксильными группировками белков оболочки патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов, что вызывает гибель клеток. Состав ММЭ-Т - композиция гидроксоаминокислотных комплексов меди - бактерицидный и овицидный реагент по ТУ 18517698-1-98, разрешен Госсанэпиднадзором. Состав ММЭ-Т при энтеральном введении относится к 4-му классу опасности - малоопасные вещества. Реагент может закупаться централизованно или производится на территории очистных сооружений из белоксодержащих отходов агропромышленного комплекса. В результате обработки осадка реагентом ММЭ-Т осадок лучше уплотняется (до 97-98%), происходит его полное обеззараживание -дезактивация патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. После обеззараживания и уплотнения осадок становится безопасным в санитарном отношении продуктом и может быть использован в качестве почвоулучшающей композиции в сельском хозяйстве. Класс опасности обработанного осадка не ниже четвёртого. Дозирование композиции ММЭ-Т производится в иловый трубопровод перед подачей осадка в осадкоуплотнитель, что позволяет обеспечить надлежащее перемешивание и время контакта реагента с осадком. Выбор места ввода реагента на конкретной станции аэрации и последовательности проведения процессов проводится, исходя из особенностей технологии очистки сточных вод и обработки осадков, принимая во внимание место каждой стадии обработки в технологическом цикле и преимущества, достигаемые в результате каждой из обработок. Расчётная доза композиции ММЭ-Т с одномолярным содержанием (1 моль/л) раствора - (0,4-0,5) л/м3 осадка влажностью от 97% до 99,5%. Доза уточняется во время наладки установки. Расход одномолярной композиции ММЭ-Т составит: (7,84 - 9,8) л/сут. Для подачи композиции ММЭ-Т в осадок, предусматриваются: a) расходные ёмкости; b) насосы; c) трубопроводы, запорная арматура. В качестве расходных баков предусматриваются две пластмассовые ёмкости по 0,205 м3 каждая (1 рабочая, 1 резервная). Для подачи композиции ММЭ-Т из расходных баков устанавливаются два насоса НД 1,0Р 6,3/100 (1 рабочий, 1 резервный - на складе) производительностью до 6,3 л/час с электродвигателем 0,25 кВт. В зависимости от кислотности осадка, определяемой лабораторным путём, производится корректировка рН=0,1% раствором NaOH. Корректировка предусматривается в расходных баках композиции ММЭ-Т. Для обвязки оборудования и подачи растворов предусматриваются трубопроводы из полиэтиленовых труб по ГОСТ 18599-83. Запорная арматура предусматривается из нержавеющей стали или футерованной полиэтиленом. Обслуживание установки обеззараживания осадка предусматривается службой эксплуатации очистных сооружений. Для обезвоживания обеззараженных осадков проектом приняты иловые площадки размером 30x60 метров на естественном основании с поверхностным отводом воды через фильтрационные колодцы в «голову» очистных сооружений. Схема обработки осадков следующая. Избыточный активный ил из вторичных отстойников подается в илоуплотнитель, где происходит его уплотнение и обеззараживание. Уплотненный и обеззараженный осадок периодически выпускается на иловые площадки для подсушивания. Дренажные воды иловых площадок насосами направляются в приемную камеру очистных сооружений. Обеззараженный и обезвоженный осадок перед отгрузкой его потребителю может быть, дополнительно подвергнут компостированию. Принятый к реализации проект получил положительное санитарно-эпидемиологическое заключение ЦГСЭН по Нижегородской области и заключение экологической экспертизы, выданное ГУПР по Нижегородской области (Приложения Г, Д, Е).
