Проблема утилизации осадков сточных вод городской канализации: обзор методов и новые способы решения

Наиболее предпочтительной технологией утилизации осадка сточных вод как с точки зрения экономической эффективности, так и охраны окружающей среды является его переработка в гранулированные органоминеральные удобрения методом известкования. В Республике Беларусь при поддержке правительства РБ совместно с российскими партнерами ведется работа по внедрению указанной технологии на оборудовании, спроектированном и изготовленном с использованием производственных возможностей местной промышленности. Это позволит значительно снизить стоимость установки и в конечном счете решить триединую задачу в республиканском масштабе: утилизацию осадка сточных вод, отходов животноводства и птицеводства, насыщение обедненных почв органикой объемом не менее 10-15 млн. тонн в год и известкование кислых почв.

Увеличение водопотребления напрямую связано с ростом объема образующихся хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, которые повергаются очистке с целью доведения качества воды до значений, соответствующих нормативным показателям, согласованным контролирующими органами индивидуально для каждого конкретного случая.

На сегодняшний день в Республике Беларусь применяется традиционная схема очистки городских сточных вод, включающая в себя механические, физико-химические и биологические методы.

В процессе очистки сточных вод образуются многотоннажные твердые отходы (осадки сточных вод первичных и вторичных отстойников, отходы биологических очистных сооружений - избыточный активный ил), которые представляют собой твердофазные примеси, выделенные из канализационных стоков на очистных сооружениях при их физической, химической, биологической или комбинированной обработке. Как правило, утилизации подлежат осадки сточных вод (ОСВ), обезвоженные на механических аппаратах до 75-80%, аэробно стабилизированный активный ил или его смесь с осадком из первичных отстойников в сооружениях типа аэротенков.

ОСВ, которые образуются на очистных сооружениях в больших городах и промышленных центрах в больших объемах (КУПП «Минскводоканал» в сутки вывозит на иловые площадки более 500 тонн, в России образуется ежегодно более 2 млн. тонн ОСВ в пересчете на сухое вещество), представляют собой серьезную экологическую угрозу, требующую адекватной реакции с использованием современных способов и технологий.

В то же время ОСВ, содержащие большое количество органического вещества (60% и более), азота, фосфора, калия и микроэлементов, могут быть использованы в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. Однако, например, в России в качестве удобрений используется не более 6% ОСВ.

Во времена СССР ОСВ почти повсеместно вывозились на поля. С 1992 года использование ОСВ в качестве удобрения без предварительной обработки было запрещено. Мотивацией принятия такого решения явилось присутствие в ОСВ токсикантов (прежде всего тяжелых металлов), а также содержание в них яиц гельминтов, патогенных бактерий, вирусов и других болезнетворных организмов.

Хотя сами по себе канализационные сточные воды не содержат соединения тяжелых металлов, превышающих предельно допустимые нормы, состав ОСВ разных городов отличается качественным и количественным разнообразием химических соединений и элементов. Кроме того, в городскую канализацию могут сбрасываться промышленные сточные воды без локальной очистки в местах их образования, поэтому возникает необходимость обязательного научного обоснования применения ОСВ в качестве удобрений в каждом конкретном случае.

Рассмотрим преимущества и недостатки существующих способов и технологий переработки и утилизации твердых отходов очистных сооружений.

Складирование и хранение

Практикуется складирование осадка сточных вод на иловых картах (илонакопителях) с последующим использованием переработанных отходов в качестве технических грунтов.
Складированию подвергаются предварительно обезвоженные отходы с влажностью не более 80%.

Преимущества варианта:
- простая технология заполненияилонакопителя, а процесс хранения не требует значительных материальных затрат;
- существует практика вывоза на поля подсушенного ОСВ на существующих иловых картах в качестве удобрения.
Так, например, ООО «Автоградводоканал» (г. Тольятти) вывозит ОСВ на поля с. Васильевка в качестве удобрения на основании «Заключения по результатам исследования ила очистных сооружений канализации и возможности использования его в качестве удобрения на сельскохозяйственных полях», выданного центром Госсанэпиднадзора Самарской области №5/3432 от 20.09.2001 г. и «Токсико-гигиенического паспорта илового осадка 314-17-01», утвержденного 27.06.2001 г. центром ГСЭН Самарской области. Наблюдение за токсико-гигиеническим состоянием илового осадка ведет ГСЭН Самарской области. Отбор проб осуществляется один раз в год органами ГСЭН.

Недостатки варианта:
- значительные материальные затраты по строительству и трудности согласования проекта в связи с необходимостью отвода земли на эти цели. При этом необходимо доказать, что никакие другие технологии, кроме хранения накопленных осадков на новой территории, невозможны, а такие технологии имеются. Вопрос их применения заключается в цене;
- условия их складирования не исключают загрязнения ими поверхностных и подземных вод, почв, растительности;
- в процессе хранения в атмосферу поступают пары аммиака, сероводорода и другие летучие элементы, имеющие неприятный специфический запах.

Использование в качестве грунтов

Осадок сточных вод может использоваться в качестве технических грунтов и удобрения для сельскохозяйственных культур.

Преимущество варианта: обогащение почвы гумусом и минеральными элементами (фосфор, азот, калий), микроэлементами.

В качестве недостатка следует назвать следующие моменты.

В странах ЕЭС существует общий порядок применения ОСВ в сельском хозяйстве в качестве органо-минерального удобрения, регламентированный Директивой ЕС от 12.06.86 г. №86/278/ЕЕС, где особо подчеркивается тот факт, что ОСВ концентрируют в себе все основные загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах, которые в силу их высокой токсичности являются, по данным ЮНЕСКО, наиболее опасными загрязнителями для окружающей среды.

Указывается, что особую опасность представляют хлор и серосодержащие соединения, а также металлорганические соединения, которые, как правило, относятся к суперэкотоксикантам, что ограничивает использование ОСВ в качестве удобрения. В документе предписывается, что применение отходов очистных сооружений в качестве удобрений или технических грунтов представляется возможным после предварительной обработки, включающей процессы обеззараживания и дегельминтизации или реагентной детоксикации с последующим обезвоживанием с получением утилизированного продукта – органо-минерального компоста.

Однако в России использование ОСВ в качестве удобрения и технического грунта ограничено законодательством и допускается только после установления класса опасности (токсичности) в соответствии с СП 2.1.7.1386-03 «Почва, очистка населенных мест, отходы производства и потребления. Санитарные правила» на основании методики согласно ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений».

Кроме того, в числе недостатков:
- для организации компостирования требуется строительство специальных, значительных по размерам площадок (более 100 га при выходе ОСВ 50-100 тонн в сутки) с искусственным наддувом воздуха;
- длительность процесса компостирования (3-6 месяцев);
- необходимость перемешивания с добавлением органики (древесных опилок, зеленой биомассы, химических реагентов);
- потеря при обработке аммиака как ценного компонента удобрений;
- опасность неполной стерилизации от присутствия патогенных бактерий и яиц гельминтов;
- опасность присутствия подвижных форм соединений тяжелых металлов;
- большие материальные затраты по хранению, доставке и внесению компоста в почву (весной в распутицу) под запашку;
- каждую партию компоста из ОСВ необходимо сертифицировать.

Термическая переработка, сжигание в специальных печах

Сложившаяся мировая практика свидетельствует о том, что термические методы являются наиболее эффективными с точки зрения технико-экономических показателей. Это связано с тем, что в процессе термической переработки отходов снижается их масса и одновременно происходит концентрирование токсичных компонентов, содержащихся в первоначальных отходах в золе.

В то же время термические методы переработки отходов являются энергозатратными. Как следствие, возникает необходимость обезвоживания утилизируемых отходов перед сжиганием до минимально возможной влажности.

Для сжигания ОСВ существует ряд специальных печей - вращающиеся, многоподовые, с кипящим слоем и другие.

В настоящее время самым эффективным считается метод сжигания осадка в кипящем слое кварцевого песка.

Преимущества:
- в процессе сжигания получается зола, которую чаще всего используют для планировочных работ или как добавку к бетону.

Недостатки:
- высокие требования к влажности сжигаемого материала;
- печи сжигания являются не теплопроизводящими, а теплопотребляющими;
- дымовые газы и выбросы подлежат сложной очистке, так как содержат СО, SОx, NOx, бензопирены, диоксины, фураны, пары металлов и др.

В связи с этим технология сжигания ОСВ реализуется при крайней необходимости.

В России для сжигания осадков коммунальных сточных вод построена и работает одна установка в Санкт- Петербурге, на которой установлены печи «Пирофлюид» (Франция), работающие по технологии сжигания в кипящем слое кварцевого песка.

Недостатки технологии:
- газовые выбросы с возможным наличием диоксинов (в литературе и отчетах о работе данной установки нет информации, что их вообще измеряли);
- неустойчивость процесса, а следовательно, наличие сложных систем автоматики;
- громоздкость и металлоемкость оборудования, большой набор вспомогательного оборудования и, как результат, запредельные инвестиционные затраты, длительные сроки с начала проектирования и пуска в эксплуатацию;
- большие удельные эксплуатационные затраты, связанные с очисткой отходящих газов (высокая стоимость импортных фильтров для очистки, расходных материалов и запчастей);
- необходимость утилизации отходов сгорания ОСВ (золы).

Анаэробная деструкция и обеззараживание с получением биогаза

Данный метод не нашел широкого применения в России, Республике Беларусь и странах ЕС ввиду ограниченной возможности контроля процесса сбраживания, а также в связи с нестабильным выходом и низким качеством получаемого биогаза. Кроме того, при использовании данного метода не решается вопрос утилизации сброженного ОСВ.

Переработка в органоминеральные гранулированные удобрения

Технология предполагает организацию буртов, обеспечивающих ферментацию ОСВ с одновременным обезвоживанием ОСВ с 70% до 40%.

Далее подготовка ОСВ заключается в усреднении их по влагосодержанию, сепарации от посторонних включений (камней, растительных включений) и обезвоживанию (подсушке) до влажности 25-27%. Затем происходит смешивание ОСВ с агротехническими добавками (хлористым калием 5-6% и карбамидом 5-7% от сухой массы ОСВ) в присутствии связующей добавки - гумата натрия в количестве 2-3% от сухой массы ОСВ. После этого смесь подвергается гранулированию на обогреваемых вальцевых грануляторах и сушке до влажности 8-12%.

Преимущества:
- наличие в грануле сбалансированного набора питательных элементов в легкоусвояемых растениями формах;
- содержание в удобрении до 30% органических веществ с высокой концентрацией биогенных элементов;
- содержание в удобрении калия и кальция (хлористый кальций и карбамид), придающих удобрению качество комплексного;
- гуминовый препарат связывает тяжелые металлы в нерастворимые соединения, неспособные к миграции в растения. При этом он способствует транспорту питательных веществ и микроэлементов в растения;
- легко поддается механизированному внесению на поля обычной сельскохозяйственной техникой;
- способно длительно и безопасно храниться;
- транспортабельны - поддаются упаковке в мягкие контейнеры типа «Биг-Бэг» (вес нетто - до 1000 кг).

Недостатки:
- большие инвестиционные затраты (стоимость установки при производительности 1 тонны гранулята в час - $200 000);
- значительные энергетические затраты на единицу произведенной продукции;
- организация буртов для ферментации ОСВ с одновременным обезвоживаем. Процесс длительный – три месяца, в зимний период - проблематичен;
- большие потери азота в виде газообразного аммиака при ферментации ОСВ в буртах;
- высокая стоимость гумата натрия.

В итоге себестоимость тонны удобрения превышает $50.

Переработка в удобрения при помощи негашеной извести

В основе этой технологии лежит способ переработки ОСВ в процессе контролируемой экзотермической реакции между водной фракцией ОСВ и высокореактивными щелочными реагентами (негашеная известь).

Полученный продукт представляет собой органоминеральное удобрение пролонгированного и контролируемого действия в виде гранул с прочной оболочкой, окружающей ядро питательными элементами.

Преимущества:
- перевод ионов тяжелых металлов в малоподвижные соединения, в результате которого снижается гидролитическая кислотность, повышается степень насыщенности основаниями и подвижность фосфатов;
- содержание в грануле более 30% органических веществ и легко усвояемого азота (связанного аммиака в солевую форму Мора);
- содержание в грануле заданного количества фосфора, калия и азота придают удобрению качества комплексного с набором питательных веществ, необходимых для конкретной сельхозкультуры и соответствующим почвенным и климатическим условиям;
- полное отсутствие энергетических затрат, так как в ходе экзотермической реакции выделяется достаточное количество тепла для получения гранул с влажность 10-15%;
- полная стерилизация ОСВ, так как процесс идет при температуре 60-140°С;
- гранула, содержащая органику, имеет прочную оболочку, поскольку в процессе реакции гидрат кальция (Са(ОН) 2 связывается с двуокисью кислорода (СО2 ), образуя СаСО3 . Это соединение создает тонкую, но прочную оболочку вокруг ядра с органоминеральной начинкой;
- продукт удобен в хранении, перевозке и вносится в почву традиционными методами;
- гранулированные органоминеральные удобрения имеют свойства пролонгированного действия, так как оболочка замедляет выход питательных веществ в почву;
- наличие в продукте значительного количества кальция (до 50% в сухой массе) понижает кислотность почвы, которая после внесения продукта не требует дополнительного известкования;
- в ценное гранулированное органоминеральное удобрение по данной технологии могут перерабатываться навоз животноводческих комплексов, куриный помет, осадки установок по производству биогаза;
- технология достаточно отработана за рубежом и нашла широкое применение в странах ЕЭС.

Наиболее далеко в этом вопросе продвинулась польская фирма Evergreen Solution, разработавшая технологию FuelCal, позволяющую перерабатывать любые органические отходы, в том числе навоз, куриный помет и отходы пищевой и мясоперерабатывающей промышленности в органоминеральное удобрение OrCal, пользующееся большим спросом на рынке удобрений в странах ЕЭС.

Однако внедрение этой технологии в Республике Беларусь связана со значительными инвестиционными затратами - стоимость импортной установки «под ключ» производительностью 6 тонн удобрения в час превышает 1 млн. евро, не считая капитальных затрат на подготовку инфраструктуры (производственное помещение, склады и площадка, подъезды).

Выводы

Для решения проблемы утилизации ОСВ мало иметь технологии - необходима соответствующая нормативная база, так как до настоящего времени в Республике Беларусь (и Россия не исключение) отсутствует нормативная документация, регламентирующая порядок внесения осадков сточных вод в почву в качестве удобрения и порядок разработки и согласования проектов рекультивации иловых площадок. Такой порядок, к примеру, разработан и действует в Польше с 2012 года.

Совершенствование нормативно-правовой базы для эффективной утилизации ОСВ предполагает переквалификацию ОСВ из категории отходов в категорию сырья для производства органоминеральных удобрений с принятием соответствующего ГОСТа, которым должны устанавливаться четкие и ясные критерии, касающиеся отнесения ОСВ к сырью по составу ОСВ и предельного содержания ионов тяжелых металлов и других токсических веществ, а также методов их определения и фиксации.

Для начала необходимо провести на уровне правительственной программы ревизию хранящегося ОСВ на иловых площадках республики с целью определения объема, состава с выдачей паспортов на каждую иловую карту о возможности переработки ее содержимого в удобрения. Конечным результатом этой работы должно быть правительственное постановление по комплексному решению вопроса утилизации ОСВ в целом.

The problem of urban sewage sludge disposal: an overview of methods and new solutions

The most preferable in terms of economic efficiency, as well as in terms of solving the problem of environmental protection, the technology of waste water disposal is its processing into granular organic fertilizers by liming. In Belarus, with the support of the government of Belarus, together with Russian partners, work is currently underway to introduce this technology on equipment designed and manufactured using the production capabilities of the local industry. This will significantly reduce the cost of installation and, ultimately, solve a three; fold problem on a national scale: the utilization of sewage sludge, animal and poultry waste, the saturation of depleted soils with organic matter of at least 10-15 million tons per year and the liming of acidic soils.

Telushkin Valentin Vasilyevich, General Director Of belagrointorg. Republic of Belarus, 220073, Minsk, apartment on Skryganova, 6.
E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (130), 2018 г.