Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из важнейших аспектов глобального экологического кризиса является стремительное накопление в окружающей среде отходов хозяйственной деятельности человека. По мнению многих экологов именно отходы и загрязнение окружающей среды представляют главную угрозу современной цивилизации. Сегодня, в расчете на одного жителя Земли из ее недр ежегодно извлекается и перемещается 50 т сырого вещества и только 2 т из них превращается в конечный продукт. Проведя эту гигантскую работу, человечество получает в итоге на душу населения почти столько же (48 т) отходов, из которых 0,1 – 0,5 т. опасные. В число этой группы входят отходы, содержащие тяжелые металлы, а также соединения из группы ароматических хлорированных углеводородов (диоксины, бифенилы, фураны и др.). Передаваясь по трофической цепочке они способны накапливаться в ее верхних звеньях, включая человека, в концентрациях, превосходящих исходную в тысячи раз.
Один из важнейших компонентов окружающей среды – почва, наиболее остро ощущает негативное влияние отходов, содержащих токсичные вещества. На ее поверхности размещают свалки бытового мусора, накопители жидких и твердых отходов, содержащих, в большинстве случаев, токсичные вещества. Особое место среди жидких токсичных отходов занимают илы, загрязненные тяжелыми металлами, являющиеся отходами биохимического процесса очистки сточных вод. Их объем составляет 6 – 10 % от объема очищаемой сточной воды. По данным РосНИИВХ годовой объем сточных вод, прошедших биохимическую очистку, в среднем составляет около 1230 млн. м3. При этом объем избыточного ила влажностью 98 % составляет около 123 млн. м3.
В настоящее 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.
В Московской области под осадки сточных вод выделено до 1500 га площади, в том числе 800 га – в Москве.
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).
Проблемой кондиционирования избыточных активных илов в нашей стране в разные годы занимались такие ученые как Евилевич А.З., Яковлев С.В., Воронов Ю.В., Скирдов И.В., Швецов В.Н. Панов В.П., Туровский И.С., Карелин Я.А., Жуков Д.Д.
Специально проведенные исследования экологической обстановки на территориях иловых площадок, расположенных в черте городов, 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 составляет инфильтрат с иловых площадок. Помимо инфильтрационного воздействия на грунтовые воды на территориях иловых площадок образуются значительные количества поверхностных вод, загрязненных макро- и микроэлементами. Последние, попадая в открытые водные объекты, в значительной мере способствуют их деградации.
Учитывая, что образующиеся илы, практически во всех крупных и средних городах, загрязнены тяжелыми металлами, проблема утилизации отходов в таких количествах и их кондиционирование по экобезопасной технологии приобретает первостепенное значение. Решение данной проблемы возможно на основе процесса рециклирования, при использовании илов в качестве органоминерального удобрения в сельском хозяйстве.
Цель диссертационного исследования: обоснование и разработка усовершенствованной технологии подготовки активного ила, загрязненного тяжелыми металлами, к утилизации на сельскохозяйственных угодьях.
Идея работы: Наиболее эффективным методом безопасной утилизации активных илов, учитывая их значительные количества и загрязненность тяжелыми металлами, является его использование в агросистемах в качестве органического удобрения после детоксикации с помощью природных сорбентов (в том числе – высшей водно-воздушной растительности – тростника обыкновенного и ионообменной опалкристобаллитовой породы – опока).
Объект исследования: Осадки в виде активного ила станций аэрации и природные сорбенты (тростник обыкновенный и опока).
Предмет исследования: процесс детоксикации активного ила с целью его безопасной утилизации в агросистемах.
Задачи исследования:
Систематизация и теоретическое обобщение опыта, накопленного в области десорбции ионов тяжелых металлов из активных илов станций аэраций.
Исследование процесса десорбции ионов тяжелых металлов высшей водной растительностью в разные периоды вегетации.
Исследование процесса десорбции ионов тяжелых металлов с помощью природного ионообменного сорбента (опока).
Разработка технологического регламента использования опоки в технологии кондиционирования активного ила на станции аэрации.
Разработка биосорбционной технологии детоксикации избыточных активных илов со сверхнормативной для агросистем концентрацией тяжелых металлов.
Практическая апробация разработанной технологии и технологического комплекса.
Эколого-экономическое обоснование эффективности предлагаемой технологии.
Научная новизна результатов исследований:
На основе теоретических обобщений и исследований, выполненных автором, установлены:
Зависимости процесса десорбции тяжелых металлов с активных илов от массы биосорбента (тростник обыкновенный) в разные периоды вегетации.
Динамика концентрации тяжелых металлов в вегетативных органах тростника в сезонном разрезе
Зависимости процесса десорбции тяжелых металлов с активных илов от фракционного состава и дозы сорбента (опока).
Влияние технологии на содержание тяжелых металлов в активных илах.
Практическая значимость работы:
Разработаны технологии подготовки активного ила, загрязненного тяжелыми металлами позволяющие его использование в агросистемах в качестве органо-минерального удобрения
Разработан комплекс сооружений для реализации биосорбционной технологии регенерации активного ила, загрязненного ионами тяжелых металлов.
Результаты исследований используются в учебном процессе вуза при изучении дисциплины «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Системы водоотведения населенных пунктов» студентами экологических специальностей.
На защиту выносятся:
Основные зависимости и параметры сорбционных и десорбционных процессов, обосновывающие экологобезопасную технологию детоксикации активного ила.
Технологии и комплекс сооружений для кондиционирования активного ила, загрязненного тяжелыми металлами, с помощью водовоздушной растительности (тростник обыкновенный) и опалкристобаллитовой породы (опока) позволяющий эффективно подготовить его к утилизации в агросистемах.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на V межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые транспорту» г. Екатеринбург, 2004 г.; VI межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые транспорту» г. Екатеринбург, 2005 г; II научно-практической конференции «Безопасность как фактор устойчивого развития региона», г. Ижевск, 2007 г.; IX Международном симпозиуме «Чистая вода России», г. Екатеринбург, 2007 г.; V Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», г. Харьков, Украина, 2008 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», посвященной 130-летию Свердловской железной дороги, а также на ежегодных научных конференциях и семинарах УрГУПС.
Личный вклад соискателя состоит в обосновании идеи работы и ее реализации путем постановки цели и задач исследования, руководства и непосредственного участия в выполнении теоретических, аналитических и экспериментальных исследований, а так же обобщения результатов исследований и разработки рекомендаций по их использованию, внедрении результатов исследований.
Достоверность и обоснованность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и результатами аналитических исследований, выполненных в аккредитованных лабораториях, обоснованным использованием методов математической статистики и современных достижений вычислительной техники; положительным эффектом внедрения результатов исследований в государственных учреждениях г. Екатеринбурга.
Методы исследования:
В работе использовался комплекс методов исследования, включающий: теоретические изыскания и обобщения, лабораторное и натурное моделирование, химический анализ растений, воды и активного ила. Для количественного описания экспериментальных данных использовались стандартные методы и пакет прикладных статистических программ для ПЭВМ.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, перечня цитируемой литературы, включающей 128 источников. Диссертация изложена на 128 страницах, включает 40 табл., 9 рис.
