Санитарно-гигиеническая оценка отходов содового производства

[гиена и санитария 2/2013

О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2013 УДК 614.7:628.54

Н.М. Самутин1, Я.И. Вайсман2, Л.В. Рудакова2, Е.В. Калинина2, И.С. Глушанкова2, Г.М. Батракова2

САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОТХОДОВ СОДОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

1ФГБУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина Минздравсоцразвития РФ, 119992, Москва; 2ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 614990, Пермь

Объектом исследования стали отходы содового производства. Шламы формируются в шламонакопителях в процессах осветления сточных вод. Размещение шламонакопителей в черте населенных пунктов и водоохранных зонах крупных водотоков ухудшает санитарно-гигиеническую и экологическую ситуацию и угрожает здоровью населения, поскольку они являются источником постоянного воздействия на объекты гидросферы. Решением этого вопроса может быть переработка отходов с получением на основе шламов содового производства новых материалов, имеющих широкое применение в народном хозяйстве. При обосновании возможных направлений использования шламов содового производства необходимо учитывать их санитарногигиенические характеристики, в связи с чем проведение исследований по оценке физико-химических и токсикологических свойств отходов является актуальной задачей.

Цель работы заключалась в изучении физико-химических и токсикологических свойств шламов содового производства для обоснования направлений их использования, в том числе получения новых материалов, отвечающих нормативным санитарно-гигиеническим требованиям.

Экспериментальные исследования по оценке физико-химических и токсикологических свойств шламов проводили по стандартным методикам.

При оценке токсикологических свойств шлама карбоната кальция применяли тест-объекты: Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum. По результатам исследований установили, что обводненные образцы шлама относятся к IV классу, а образцы после предварительного механического обезвоживания - к V классу опасности для окружающей природной среды, что соответствует III и IVклассам опасности, устанавливаемым по санитарным правилам.

Ключевые слова: санитарно-гигиеническая оценка; тест-объекты; физико-химические и токсикологические свойства; отходы содового производства; шламонакопители

N.M. Samutin1, Ya.I. Vaisman2, L.V Rudakova2, E.V Kalinina2, I.S. Glushankova2, G.M. Batrakova2 — SANITARY AN D HYGIENIC ASSESSMENT OF WASTE OF SODA PRODUCTION

Federal State Budgetary Institution "A. N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Health" of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, 119992, Moscow, Russian Federation; 2 State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education «Perm National Research Polytechnic University», Perm, 614990, Russian Federation

The object of investigations was soda industry waste. Slimes are formed at slimes storage which occupy considerable areas and are considered to be the source of permanent impact on the hydrosphere objects. Slimes storage placement within settlement boundaries and water protection zone of large watercourses leads to the deterioration of sanitary, hygienic and environmental situation and to the rising of risks to health of communities.

Waste processing with getting new materials on the base of soda industry waste with wide application is seems to be one of the way for problem solving. It is essential to take into account sanitary and hygienic characteristics of slimes within justifying possible directions of its use. Thus, researches concerning assessment of physical, chemical and toxicological waste characteristics are considered to be actual.

The aim of researches is to examine physical, chemical and toxicological characteristics of soda production slimes for justifying directions of its use including delivery of new materials respondent to the all regulatory sanitary and hygienic requirements.

Experimental investigations of assessment physical, chemical and toxicological characteristics of slimes were carried out according to standard methods.

Within assessment of toxicological slimes characteristics the following test-objects were used: Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum. As a result of investigations watered slime samples were determined to be referred to the 4th hazard level (low-hazard) waste; samples with preliminary mechanical dehydration are referred to the 5 th hazard level (practically nonhazardous) waste for environment. These are correspond to the 3rd and 4th hazard level according to sanitary regulations, respectively.

Key words: Sanitary and hygienic assessment; test-objects; physical; chemical and toxicological characteristics; soda industry waste; slimes storage

Введение

Формирование шламов содового производства происходит в процессах осветления сточных вод в шламонакопителях («белые моря»), куда поступают твердые отходы и производственные сточные воды (дистиллерная жидкость) в отношении 1:120-1:140.

Самутин Николай Михайлович (Samutin Nikolay Mikhaylovich), e-mail: samutin.nm@gmail.com

Отстойники-шламонакопители занимают значительные земельные площади и являются источником постоянного воздействия на объекты гидросферы, так как шламовые воды имеют щелочную реакцию среды (pH до 12,0) и высокую минерализацию за счет высокого содержания растворенных ионов (хлориды, сульфаты, натрий и калий, аммоний), обладающих высокой миграционной способностью. Размещение шламонакопителей в черте населенных пунктов и водоохранных зонах крупных водотоков ухудшает

30

санитарно-гигиеническую и экологическую ситуацию и угрожает здоровью населения. Переработка отходов с получением на основе шламов содового производства новых материалов, имеющих широкое применение в народном хозяйстве и соответствующих нормативным санитарно-гигиеническим показателям, позволяет уменьшить объем поступающих в шламонакопители отходов и снизить антропогенную нагрузку на гидросферу. Обоснованием возможных направлений использования шламов содового производства могут служить результаты исследований по оценке их физико-химических и токсикологических свойств.

Основные задачи исследования состояли в отборе репрезентативных проб шламов содового производства из шламонакопителей, изучении компонентного состава шламов, установлении класса опасности отходов, анализе влияния механической обработки осадков на их токсикологические свойства, обосновании направлений использования отходов.

Материалы и методы

Для отбора проб шламов содового производства площадь шламонакопителей разделили на несколько участков: карту обезвоженного шлама (надводный пляж), карту с зеркалом воды (прудок-отстойник) и карту, находящуюся на границе зеркала воды. Усредненные образцы отобрали с разных глубин: на участке обезвоженного шлама (надводный пляж) с поверхности (образец № 1) и с глубины 1,5-2 м (образец № 2), на границе зеркала воды с глубины 0,3, 0,5 и 0,8 м (образец № 3 - водная суспензия). Дополнительно к отобранным пробам исследовали образец № 4, приготовленный путем механического обезвоживания образца № 3 до влажности 60-65%.

Для оценки компонентного состава шлама использовали фотометрические и титриметрические методы. Биотестирование водной вытяжки из отхода осуществляли по утвержденным методикам количественного токсикологического анализа с применением тест-объектов из разных систематических групп: низших ракообразных Ceriodaphnia affinis и инфузорий Paramecium caudatum [1, 2].

Токсичность образца № 3 на Ceriodaphnia affinis оценивали в серии опытов со следующей концентрацией водной вытяжки из образцов: 100% (без разбавления - исходный раствор водной вытяжки), 80% (разбавление в 1,25 раза), 50% (разбавление в 2 раза), 25% (разбавление в 4 раза). Период экспозиции 48 ч. Исходное количество цериодафний в каждом опыте 30. Токсическое действие шлама содового производства на Paramecium caudatum определяли по хемо-таксической реакции инфузорий на приборе спектрофотометр “Биотестер-2”. Критерием токсического действия являлось значимое различие в количестве клеток инфузорий, наблюдаемых в верхней зоне кюветы в растворе, который не содержал токсических веществ (контроль), по сравнению с этим показателем в исследуемом растворе пробы. Токсичность образца № 4 на Ceriodaphnia affinis исследовали в серии опытов со следующей концентрацией водной вытяжки из образцов: 100% (без разбавления - исходный раствор

водной вытяжки), 50% (разбавление в 2 раза), 25% (разбавление в 4 раза), 10% (разбавление в 10 раз), 5% (разбавление в 20 раз), 3,12% (разбавление в 32 раза). Период экспозиции 48 ч. Исходное количество церио-дафний в каждом опыте 30. Исследования по оценке токсичности и биотоксичности отходов проводили в троекратной повторности, результаты экспериментов статистически обрабатывали.

Класс опасности по биотоксичности определяли в соответствии с критериями отнесения отходов к классу опасности для окружающей природной среды [3].

Результаты и обсуждение

Характеристика отобранных из шламонакопителей образцов представлена в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты определения компонентного состава обезвоженного шлама содового производства.

Как видно из представленных данных, шлам представляет собой смесь карбонатов магния и кальция, а также сульфата кальция, что свидетельствует о возможности его использования в производстве строительных материалов вместо природного компонента - известняка. Препятствием для широкого использования шлама являются высокое значение рН водной вытяжки и экстракция из него водорастворимых токсичных элементов, что обусловливает токсикологическую и экологическую опасность отхода. В поровом пространстве слоя осадка содержится раствор, аналогичный по составу промышленным сточным водам, которые поступают в сооружение, и при его контакте

Таблица 1

Характеристика исследуемых образцов шлама содового производства

Показатель Образец №1 Образец №2 Образец №3

Влажность, % 28,6 66,5 79,1

Внешний вид Сыпучий Пастообразный Трудно раз-

образец пластичный деляемая

серо-белого образец серо- суспензия

цвета белого цвета белого цвета Таблица 2

Компонентный состав обезвоженного шлама содового производства

Показатель Усредненное значение показателя, % масс.

рН водной вытяжки (1:10), ед. рН 8,5-10,3

Влажность 60,2

Кальций (II) 13,7

Магний (II) 0,2

Натрий (I) 0,1

Калий (I) 0,1

Карбонат-ион 20,5

Сульфат-ион 0,7

Хлорид-ион 0,3

Оксид кремния в пересчете на кремний 3,8

31

[гиена и санитария 2/2013

3 4 (25%) 30

4 10 (10%) 30

5 20 (5%) 30

6 32 (3,12%) 30

с водой вымывается из слоя, поэтому на токсикологические свойства образцов значительное влияние оказывает их первоначальная влажность.

Результаты экспериментальных исследований по экстракции компонентов из образцов шлама представлены в табл. 3.

Наибольшую экстракцию водорастворимых элементов установили при исследовании образца № 2, отобранного с глубины 1,5-2 м, что можно объяснить процессами уплотнения шлама в теле шламонакопителя и постепенным насыщением раствора, находящегося в поровом слое шлама, выделяющимися из него водорастворимыми компонентами. Образец № 3, отобранный на границе зеркала воды, в значительно меньшей степени подвергается выщелачиванию. При обезвоживании образца № 3 получили фильтрат, результаты исследования которого свидетельствуют о высокой мигрирующей способности основных химических компонентов обводненного шлама. На основании полученных результатов можно предположить, что в результате механического обезвоживания изменяются не только физико-химические свойства отхода, но и токсикологические.

Исследованные образцы неоднородны по физикохимическим свойствам, в томчисле посодержанию водорастворимых минеральных компонентов, обусловливающих токсичные свойства шлама. Образцы № 1 и 2 сформированы в процессе длительного хранения и уплотнения отходов и по своим свойствам отличаются от отходов, образующихся на производстве в настоящее время. Поэтому больший практический интерес представляет исследование токсикологических свойств образца № 3.

Результаты исследования токсичности образца № 3 с использованием в качестве тест-объекта Ceri-odaphnia affinis позволили отнести отходы к IV классу опасности (табл. 4).

В опытах с использованием в качестве тестобъекта Paramecium caudatum установили наличие острого токсического действия водной вытяжки из образца № 3 при ее 100% концентрации, так как ин-

Таблица 3

Результаты экспериментов по экстракции водорастворимых элементов из шлама содового производства

Образец Сухой остаток, мг/л Са2+, мг/л Mg2+, мг/л Ж, мг-экв/л Cl- рН водной вытяжки

№ 1 5 071 ± 253,6 986 ± 49,3 36,2 ± 1,8 52,3 ± 2,6 1632 ± 82 10,5 ± 0,52

№ 2 15 958 ± 798 2322 ± 116,1 35,6 ± 1,78 119 ± 5,95 4276 ± 214 11,9 ± 0,59

№ 3 2 214 ± 110,7 448 ± 22,4 9,5 ± 0,48 232 ± 11,6 1174 ± 58,7 8,8 ± 0,44

Фильтрат об- 2 430 ± 121,5 266 ± 13,3 27,5 ± 1,38 15,5 ± 0,78 1605 ± 80,3 11,0 ± 0,55

разца № 3

результаты определения производства

Таблица 4

летальной кратности разбавления водной вытяжки шлама содового

№ опы- та Кратность разбавления водной вытяжки (концентрация водной вытяжки) Количество выживших дафний в контрольном опыте, Хк, особей Количество выживших дафний в исследуемой воде, Хт, особей Количество дафний, погибших в исследуемой воде, А, % Оценка качества водной вытяжки отхода

1 1 (без разбавления, 100%) 30 0 100 Оказывает токсическое действие

2 1,25 (80%) 6 80 Оказывает токсическое действие

3 2 (50%) 24 20 Оказывает токсическое действие

4 4 (25%) 30 0,0 Не оказывает токсического действия

Таблица 5

результаты определения летальной кратности разбавления водной вытяжки механически обезвоженного шлама содового производства

№

опы-

та

Кратность разбавле- Количество вы- Количество вы- Количество

ния водной вытяжки живших дафний живших дафний

(концентрация во- в контрольном в исследуемой

дной вытяжки) опыте, Хк, особей воде, Хг особей исследуемой воде, А, %

Оценка качества водной вытяжки отхода

6,7 Не оказывает токсическое действие

3,3 Не оказывает токсического действия

0,0 Не оказывает токсического действия

0,0 Не оказывает токсического действия

0,0 Не оказывает токсического действия

0,0 Не оказывает токсического действия

1 1 (без разбавления,

100%)

2 2

30

28

29

32

Таблица 6

Класс опасности шлама содового производства

Образец шлама Тест-объект

№ 3 Ceriodaphnia affinis Paramecium caudatum

Обводненный 4 4

Обезвоженный 5 5

декс токсичности (Т) исходного раствора, без разбавления, превысил диапазон, в котором проба считается нетоксичной (0-0,4), и составил 0,65.

На основании результатов биотестирования установили, что обводненный шлам содового производства обладает токсическими свойствами и в соответствии с критериями отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды [3, 4] относится к IV классу.

Результаты исследования по оценке токсичности образца № 4 с использованием Ceriodaphnia affinis позволили отнести отходы содового производства к V классу опасности (табл. 5).

По результатам исследования токсического действия шлама содового производства на Paramecium caudatum индекс токсичности исходного раствора, без разбавления, составил 0,35. Острое токсическое действие водной вытяжки из обезвоженного шлама содового производства отсутствует при ее 100% концентрации (без разбавления исходного раствора) и при всех последующих разбавлениях.

Результаты оценки токсического действия шлама содового производства на различные тест-объекты (Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum) показали, что обводненные образцы относятся к IV классу опасности (малоопасные для окружающей природной среды), а механически обезвоженные образцы - к V классу (практически неопасные для окружающей природной среды), что подтверждает высказанное ранее предположение о возможности снижения токсичности отхода (табл. 6).

Результаты проведенных исследований являются обоснованием для использования шламов содового производства, образующихся в результате текущей деятельности предприятия, после их механического обезвоживания в качестве минеральных добавок при производстве строительных материалов [5].

Заключение

Шламы содового производства по физикохимическому составу представляют собой смесь карбонатов магния и кальция, а также сульфата кальция. Высокое содержание в шламах водорастворимых минеральных компонентов, в частности хлорид-ионов, обусловливает токсикологическую опасность и не позволяет утилизировать шламы без оценки их санитарно-гигиенических свойств и предварительной подготовки. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями установлен IV класс (III класс по санитарным правилам) опасности для образца, соответствующего по своим свойствам

шламам, образующимся в настоящее время на предприятии. Механическое обезвоживание исследуемого образца до влажности 60-65% привело к удалению водорастворимых токсичных компонентов и понижению класса опасности шламов содового производства до V, что соответствует IV классу опасности отхода по санитарным правилам.

Использование в строительной отрасли механически обезвоженных нетоксичных шламов содового производства позволит снизить антропогенную нагрузку на территории размещения шламонакопителей, заменить природные материалы и обеспечить санитарно-гигиеническую безопасность получаемых строительных материалов.

Литер атур а

1. Методика выполнения измерений. Биологические методы ко-троля.Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. ФР. 1.39.2007.03221. М.: «АКВАРОС»; 2007.

2. Методика определения токсичности почвы и донных осадков экспресс-методом с применением прибора «Биотестер» ФР.1.39.2005.01883. М.; 2005.

3. Приказ Министерства природных ресурсов РФ № 511 от 15 июня 2001 г. «Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей среды».

4. СП 2.1.7.1386-03. Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 16 июня 2003 года. Зарегистрировано в Минюсте РФ 19 июня 2003 г. N 4755.

5. Калинина Е.В. Использование шлама карбоната кальция в качестве техногенного сырья в производстве строительных материалов. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета: Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2012; 1: 23-36.

References

1. Technique of performance of measurements. Biological methods котроля. Technique of determination of toxicity of water and water extracts from soils, a precipitation of sewage, waste on mortality and change of fertility of tseriodafniya. FR.1.39.2007.03221. Moscow.: «AKVAROS»; 2007.

2. Technique of determination of toxicity of the soil and ground precipitation an express method with use of the device «Biotester» FR.1.39.2005.01883. Moscow.; 2005.

3. Order of the Ministry of natural resources of the Russian Federation № 511 of June 15, 2001 «About the statement of criteria of reference of dangerous wastes to a class of danger to environment».

4. HR 2.1.7.1386-03. Health regulations by definition of a class of danger of toxic waste of production and the consumption, approved by the Chief state health officer of the Russian Federation on June 16, 2003. It is registered in Ministry of Justice of the Russian Federation on June 19, 2003. N 4755.

5. Kalinina E.V. Use of slime of a carbonate of calcium as technogenic raw materials in production of construction materials. Vestnik Permskogo nacional’nogo issledovatel’skogo politeh-nicheskogo universiteta: Ohrana okruzhajushhej sredy, transport, bezopasnost’ zhiznedejatel’nosti. 2012; 1: 23-36.

Поступила 15.06.12

33