Критерии безопасного использования осадков сточных вод на примере новой и традиционной технологий их переработки

УДК 631.86.87

КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД НА ПРИМЕРЕ НОВОЙ И ТРАДИЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

Е.П. Пахненко, Е.А. Гунина, Ю.А. Николаев, В.А. Грачев

Представлена комплексная агроэкологическая оценка осадков сточных вод, полученных при помощи разных технологий переработки, на примере Южнобутовских и Курьяновских очистных сооружений г. Москвы. Показаны их соответствие нормативным требованиям и преимущества новой технологии обработки осадка.

Ключевые слова: сточные воды, удобрение, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды, санитарно-эпидемиологические показатели.

Введение

В России ежегодное количество осадков сточных вод (ОСВ), по литературным данным, оценивается в 2,0—3,5 млн т (по сухому веществу). В силу того что они богаты элементами минерального питания растений, перспективным направлением оказалось производство удобрений на основе их переработки. Однако в России лишь 10% от общего количества образующихся осадков используется в сельском хозяйстве [13, 19, 20].

Поскольку в осадках сточных вод кроме органики и питательных элементов могут присутствовать тяжелые металлы (ТМ), поверхностно-активные вещества, болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов и даже радиоактивные элементы, то в случае применения в агрикультуре они проходят тщательный контроль. Требования к составу ОСВ в Российской Федерации регламентируют два основных документа, которые позволяют с определенной долей достоверности исключить их отрицательное влияние на среду обитания и здоровье человека — ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 и СанПиН 2.1.7.573-96 [2, 14].

Для получения конечного продукта, наносящего минимальный ущерб окружающей среде, пригодного для утилизации в производстве, внесения в агро-ценозе или длительного хранения, проводится обработка выделяемых осадков. Она состоит из трех основных процессов в следующей технологической последовательности: обезвоживание (обеспечивает минимальный объем осадков), стабилизация (придает осадкам способность не выделять вредные продукты разложения при длительном хранении), обеззараживание (делает осадок безопасным по санитар-но-бактериологическим показателям). Конечным результатом является утилизация осадков; если она по техническим, экологическим или экономическим причинам невозможна, их ликвидируют (сжигание, депонирование).

В зависимости от технологии переработки осадки делятся на следующие типы: термофильно сброженные, мезофильно сброженные, аэробно стабили-

зированные. Каждый тип делится на два вида: реа-гентные и безреагентные. Реагентные осадки разделяются на таковые с введением а) неорганических и б) органических флокулянтов. На кислых дерново-подзолистых почвах наиболее перспективно применение именно реагентных осадков. При их внесении после предварительной обработки известью целесообразно рассчитать количество СаСО3, в этом случае поступающее в почву. Во всех агроэкологиче-ских регионах такие осадки вносятся прежде всего под озимые, а также под технические культуры, которые потребляют много кальция [13]. Регулирование дозы осадка и контроль показателя кислотности в системе почва—осадок позволяют вносить их при посадке картофеля и посеве льна. Реагентные осадки, обработанные СаО, имеют рН ~ 11, поэтому их можно рассматривать как органо-известковое удобрение, что важно в условиях РФ, где 35 млн га (33%) пашни имеют повышенную кислотность и требуют проведения известкования. Доля кислых почв особенно велика в Центральном и Северо-Западном районах и соответственно составляет 55 и 41% от площади пашни [16].

Реагентная обработка связана с дополнительными затратами на приобретение реагентов, особенно при больших объемах сточных вод. В Москве имеются два крупных очистных сооружения, на которых применяется безреагентная обработка осадков: Люберецкая и Курьяновская станции аэрации. Однако в настоящее время в некоторых районах мегаполиса строятся очистные сооружения меньшей производительности, где целесообразно применять реагентную обработку осадка. Например, в Южном Бутове с населением 250 тыс. человек была построена станция по проекту ГУП «МосводоканалНИИпроект» в содружестве с немецкой фирмой «Хелтер», ее производительность — 80 тыс. м3/сут.

Объекты и методы исследования

Были изучены осадки сточных вод новых очистных сооружений «Южное Бутово» и Курьяновской

станции аэрации (КСА). В первом случае впервые в России применена технология биологического удаления соединений азота и фосфора. Сооружения обеспечивают удаление биогенных элементов, доочистку воды, обеззараживание ее ультрафиолетом, а также обезвоживание стабилизированного избыточного активного ила с применением минеральных реагентов. В технологическом процессе проводится обработка осадка молотой негашеной известью, поэтому он имеет высокое значение рН. Для сравнения были взяты осадки сточных вод крупнейшей в Европе Курьяновской станции аэрации производительностью 3 млн м3/сут. и работающей по классической схеме: илоуплотнители и ленточные сгустители для избыточного активного ила, метантенки, уплотнители и ленточные сгустители сброженного осадка, камерные мембранные фильтр-прессы для обезвоживания осадка с применением флокулянтов, иловые площадки и полигоны депонирования [17, 18]. Осадки КСАдав-но используются для непосредственного внесения в почву и приготовления компостов [3, 5]. Однако их состав не постоянен во времени, что связано с поступлением, кроме коммунально-бытовых, ~ 30% промышленных сточных вод и изменением в последние годы промышленной нагрузки.

В связи с этим цель данной работы — сравнить осадки «Южного Бутова» и КСА, работающей по традиционной технологии с 2007 г. по настоящее время. В задачу исследования входило: оценка качества осадков двух станций по существующим нормативным документам, установление основных индикаторных показателей, определяющих класс опасности, обоснование возможности безопасного использования осадков для окружающей среды и человека [2, 9, 14].

Экспериментальная оценка опасности осадков сточных вод, которая была проведена с применением новых методов биотестирования, экотоксиколо-гии, способности некоторых из компонентов к биоаккумуляции и подвижности в условиях агроценоза, показала, что в них произошло заметное снижение концентраций неорганических химических веществ. Это связано с переориентацией производства и экономики, совершенствованием технологии и техники в условиях мегаполиса. Однако при этом была обнаружена высокая санитарно-эпидемиологическая опасность осадков, связанная с содержанием яиц гельминтов и цист кишечных патогенных простейших [6, 8].

По существующим нормативным документам, осадки сточных вод оценивают по агрохимическим, санитарно-эпидемиологическим, токсикологическим свойствам [2]. Анализы осадков, компостов на их основе, почвы, взятой для эксперимента, проводили на базе и совместно с МГУП «Мосводоканал». При изучении агрохимических свойств почвы, компоста и осадка мы пользовались общепринятыми методами. Влажность определяли гравиметрическим ме-

тодом (высушивание при температуре 105°); рН водной вытяжки — потенциометрически; содержание азота общего — титриметрически после отгонки аммиака по методу Кьельдаля; калий общий — методом пламенной фотометрии; фосфор общий — методом фотометрии по фосфорно-молибденовому комплексу; органическое вещество — методом Тюрина (окисление раствором бихромата калия в серной кислоте) [11].

Валовое содержание тяжелых металлов в осадках, компосте и почве определяли по методике ФР 1.31.2000.00133; их концентрацию — методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой [9]. Подвижные формы ТМ извлекали, согласно МУ ЦИНАО, в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8, кислоторастворимые — в 1 н. НМ03. Их концентрацию измеряли методом пламенной атомно-абсорб-ционной спектрометрии.

Санитарно-бактериологическое исследование проводили согласно методам санитарно-паразитологи-ческих исследований МУК 4.2.796-99.

Результаты и их обсуждение

Осадок сточных вод станции «Южное Бутово» имеет рНвод 11,2, поскольку проходит обработку негашеной известью. Этот показатель гораздо выше такового безреагентных осадков КСА (рН 6,7) (табл. 1). Внесение осадков с высоким рН снижает гидролитическую кислотность почв, повышает их степень насыщенности основаниями и биологическую активность [20]. Содержание органического вещества, азота и фосфора соответствует нормативным требованиям и даже значительно превышает их. По результатам многочисленных исследований, при внесении ОСВ содержание гумуса в почве увеличивается, при этом трансформация идет по гуматному типу; наблюдается заметное увеличение подвижных соединений фосфора. Количество калия в осадках не нормируется

Таблица 1

Агрохимическая характеристика осадков сточных вод с различной технологической схемой обработки

Показатель «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации ГОСТ Р 17.4.3.07-2001

Органическое вещество, % 39—50 46 20

рНвод. 9,2—11,2 6,7 5,5—8,5

Влажность, % 68—72 73—84 не нормирован

Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г 232 125 то же

Валовое содержание биогенных элементов

^бщ, % 3,0—4,2 3,4 > 0,6

Р2О5 общ, % 4,0—4,8 6,3 > 1,5

К2О общ, % 0,32—0,35 0,38 не нормирован

Таблица 2

Содержание макроэлементов и стронция в осадках сточных вод, г/кг сухого вещества

Элемент Валовое содержание Подвижные формы Кислоторастворимые формы

«Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации

А1 4,3 43 нет нет 0,81 41

Бе 35 17 то же то же 21 8,2

Са 150 54 45 20 — —

Мв 5,9 7,2 0,55 2,4 4,7 5,2

8г 0,16 0,57 0,03 0,08 0,14 0,56

в связи с тем, что традиционно является низким, поэтому положительный эффект дает внесение ОСВ совместно с минеральными калийными удобрениями [1, 8, 12].

В ОСВ очистительного сооружения «Южное Бутово» отмечается высокое содержание кальция — практически в 3 раза больше, чем в КСА, причем 30% элемента находится в подвижной форме, что особенно важно при использовании осадков в условиях Москвы и Московской обл., где преобладают дерново-подзолистые почвы со стабильно низким содержанием кальция. Алюминий присутствует в незначительных количествах (в 10 раз меньше, чем в осадке КСА) и в недоступных для растений формах; подвижные соединения отсутствуют, а кислотораство-римых только 18%, в отличие от осадка КСА, где последние представлены 95% алюминия (табл. 2).

Потенциальная экологическая опасность ОСВ связана с содержанием в них тяжелых металлов, что является главным препятствием для использования

в агроценозе. По содержанию ТМ осадки сточных вод очистных сооружений «Южного Бутова» имеют показатели много ниже ПДК, что связано с малой промышленной нагрузкой территории и преобладанием в поступающем стоке коммунально-бытовых сточных вод (табл. 3). Количество кадмия в 10 раз ниже, чем в осадках КСА, в 25 раз, чем по ГОСТу, и даже в 4 и 6 раз, чем в ОСВ Швеции и Италии (г. Пиза) [6]. Валовое содержание таких особоопас-ных загрязнителей, как мышьяк и ртуть, в южнобутовских осадках значительно ниже (в 4 и 9 раз соответственно), чем в КСА. Анализ динамики содержания химических веществ в ОСВ Курьяновской станции аэрации за последние пятнадцать лет показал, что в настоящее время их количество снизилось в 4—5, а по кобальту, кадмию и ртути — более чем в 10 раз по отношению к концу XX в. [15]. Однако, несмотря на позитивную динамику состава ОСВ КСА, осадки «Южного Бутова» являются более «чистыми» по содержанию таких опасных загрязни-

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов и особоопасных загрязнителей в осадках сточных вод, мг/кг сухого вещества

Элемент Валовое содержание Подвижные формы (ацетатно-аммонийный буфер, РН 4,8) Кислоторастворимые формы (1н. Н^3) ПДК (ГОСТ 17.4.3.07-2001)*

I II

«Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации

Сё 0,6 6 нет 0,24 0,35 4,6 15 30

N1 44 40 9,8 2,3 33 30 200 400

РЬ 8,9 61 нет нет 5,4 30 250 500

Сг 310 160 0,4 нет 180 110 500 1000

Си 150 280 53 3,3 110 150 750 1500

гп 610 970 28 13 490 910 1750 3500

Мп 5900 1900 550 170 4700 1800 — —

Щ 0,11 0,93 — — — — 7,5 15

АБ 3,5 14 нет нет 1,4 10 10 20

Суммарное загрязнение 1127,11 1531,93 38,73 18,84 820,15 1244,6 3482,5 6965

*ПДК для валового содержания тяжелых металлов; I, II — группы загрязнения (здесь и в табл. 4).

Таблица 4

Санитарно-эпидемиологические свойства осадка

Показатель «Южное Бутово» Курьяновская станция аэрации Компост Курьяновской станции аэрации ГОСТ 17.4.3.07-2001

I II

БГКП*, клеток/г осадка 38 550 000 46 100 1000

Колиформы термотолерантные, клетки/г осадка 5 29 000 4,3 —

Стрептококки фекальные, клетки/г осадка < 8 44 000 <8 —

Сальмонеллы, наличие/г осадка не обнаружены ^ урктыпыт, S. а§опа, S. $аШ-раы1 не обнаружены отсутствуют

Яйца гельминтов жизнеспособные, экз/г осадка то же не обнаружены то же то же

Цитопатогенные энтеровирусы, наличие/г осадка не выделены не выделены не выделены —

*БГКП — бактерии группы кишечной палочки.

телей, как кадмий, свинец, мышьяк и ртуть. Кроме того, известно, что дерново-подзолистые почвы Москвы и Московской обл. являются малообеспеченными по ряду микроэлементов, например по меди. ОСВ станции «Южное Бутово» могут служить источником меди, поскольку значительная ее часть (35%) содержится в доступной для растений форме.

Самым важным и позитивным эффектом технологии обработки осадка реагентом (негашеной известью), применяемой на станции «Южное Бутово», является обеззараживание, что подтверждается проведенными лабораторными исследованиями (табл. 4). При традиционной технологии обработки осадка, применяемой на КСА, его санитарно-эпидемиологические свойства остаются неудовлетворительными и требуют обязательного проведения дополнительных мероприятий. Компостирование ОСВ КСА с различными наполнителями приводит к улучшению санитарно-эпидемиологических свойств осадка, но нуждается в дополнительных временных и денежных затратах [8, 21, 22].

По данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина, содержание гигиенически значимых неорганических веществ в осадках сточных вод КСА за последние пятнадцать лет снизилось в 5—10 раз и не превысило установленного ПДК. Удельная активность природных радионуклидов за многолетний период не перешла порог 25 Бк/кг осадка, что значительно ниже значений, установленных СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009» для минеральных удобрений и агрохимикатов — 1 • 103 Бк/кг [15].

В условиях крупных городов необходимо учитывать загрязнение почв полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Они составляют важнейшую группу экотоксикантов, обладают высокой токсичностью, значительной устойчивостью в природной среде, кумулятивным эффектом, химически инертны, слабо подвержены действию кислот и окислителей. Их отличительная особенность — канцерогенное и мутагенное воздействие на живые

организмы. В городах существуют постоянные источники ПАУ — автотранспорт, ТЭЦ, промышленные предприятия, строительство, свалки бытовых и промышленных отходов и др. По международным стандартам (европейским и американским), содержание ПАУ нормируется по 16 приоритетным показателям. Российское законодательство в области здравоохраниения и охраны окружающей среды предусматривает нормативы только на содержание бен-зо(я)пирена [4].

Проведенный анализ осадка станции «Южное Бутово» на органические загрязнители показал, что содержание ПАУ находится в пределах установленных нормативов, а С1-пестициды не обнаружены (табл. 5).

Таблица 5

Содержание ПАУ в осадке сточных вод станции «Южное Бутово», мкг/кг осадка

Соединение Содержание в осадке

Антрацен 6,9

Аценафтен нет

Бензо(а)антрацен 6,8

Бензо(а)пирен* 1,4

Бензо(6)флуорантен 4,6

Бензо(§й/)перилен нет

Бензо(£ )флуорантен то же

Дибенз(ай)антрацен — и —

Нафталин — и —

Пирен — и —

Фенантрен 13,6

Флуорантен нет

Флуорен то же

Хризен 3,4

*ПДК для безо(й)пирена — 20 мкг/кг.

Заключение

Впервые в отечественной практике мы провели оценку очистки осадков сточных вод («Южное Бутово») по современным нормативам. Установлено их соответствие существующим ГОСТам, отличие по химическим, санитарно-эпидемиологическим и токсикологическим характеристикам от осадков сточных вод, полученных на станциях, работающих по традиционной технологии (Курьяновские очистные сооружения). Внесение этих осадков в почву в условиях вегетационного и микрополевого опытов дало обнадеживающие результаты по вопросу утилизации их в условиях почв г. Москвы.

Реагентный осадок сточных вод, произведенный по прогрессивной технологии, является, безусловно,

перспективным нетрадиционным органо-известковым удобрением, источником азота, фосфора и ряда микроэлементов. При строгом расчете доз внесения он может применяться на дерново-подзолистых почвах без последствий для выращивания технических культур, рекультивации нарушенных земель и озеленения городских территорий [2, 10].

Анализ индикаторных показателей, выбранных для определения степени опасности и токсичности, характеристика сточных вод, подаваемых на очистные сооружения, методы их очистки и технологии обеззараживания позволяют, согласно СП 2.1.1386-03 «Определение класса токсичности отходов», отнести их к IV классу опасности (малоопасные).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голубева Е.А. Выборова О.Н. Влияние компостов на основе осадка сточных вод на развитие растений и накопление в них тяжелых металлов // Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям: Сб. докл. I Всерос. науч.-практ. конф. с международ. участием (23—25 апреля 2008 г.). М., 2008.

2. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. М., 2001.

3. Дурихина Н.В. Биологическая активность дерново-подзолистой почвы при использовании осадков сточных вод: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2005.

4. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды (Справочник). СПб., 1998.

5. Курганова Е.В, Копейкина О.А, Гюнтер Л.И., Беляева С.Д. Комплексная оценка осадков сточных вод // Аг-рохим. вестн. 1999. № 3.

6. Пахненко Е.П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения. М., 2007.

7. Пахненко Е.П, Гунина Е.А, Николаев Ю.А. Применение осадков сточных вод новой станции аэрации Южное Бутово в озеленении // Науч. основы экол., ме-лиор. и эстетики ландшафтов: Мат-лы конф. 17—21 мая. МГУ им. М.В. Ломоносова, ф-т почвоведения. М., 2010.

8. Пахненко Е, Гунина Е, Николаев Ю, Грачев В. Отходы как удобрение. Осадок сточных вод Москвы используется в «зеленом строительстве» и земледелии // ЖКХ: технологии и оборудование. 2009. № 6.

9. Перечень показателей и нормативных документов. М., 2005.

10. Плеханова И.О. Самоочищение агродерново-под-золистых супесчаных почв Восточного Подмосковья при полиэлементном загрязнении в результате применения осадков сточных вод // Почвоведение. 2009. № 6.

11. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Г. Мине-ева. М., 2001.

12. Справочная книга по производству и применению органических удобрений / Под ред. А.И. Еськова, М.Н. Новикова, Г.Е. Мерзлой и др. Владимир, 2001.

13. Стратегия использования осадков сточных вод и компостов на их основе в агрикультуре / Под ред. акад. Россельхозакадемии Н.З. Милащенко. М., 2002.

14. Типовой технологический регламент использования осадков сточных вод в качестве органического удобрения. М., 2000.

15. Ушаков Д.И. Научное обоснование гигиенических принципов и критериев безопасного использования осадков сточных вод: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М., 2009.

16. Чекмарев П.А. О воспроизводстве плодородных почв и рациональном использовании минеральных удобрений // Пробл. агрохим. и экол. М., 2004.

17. Эль Ю.Ф., Исаев О.Н. Практические условия обеспечения глубокой биологической очистки сточных вод // Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 1. М., 2002.

18. Эпов А.Н. Экономия энергии при переходе на современные технологии очистки сточных вод // Проекты развития инфраструктуры города. Инженерные системы и оптимизация водопользования. Вып. 2. М., 2002.

19. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М., 2004.

20. Boyle M., Paul E. Nitrogen transformation in soils previously amended with sewage sludge // Am. J. Soil Sci. Soc. 1989. Vol. 53.

21. Dumontet S., Dinel H., Baloda S.B. Pathogen Reduction In Sewage Sludge by Composting and other Biological Treatments // Biol. Agricult. and Horticult. 1999. Vol. 16.

22. Johansson M, Stenberg B. Torstensson microbiological and chemical changes in two arable soil after long-term sludge amendments // Biol. Fertil. Soil. 1999. Vol. 30.

Поступила в редакцию 02.08.2011

CRITERIA FOR SAFE USE OF WASTEWATER SEDIMENTS ON AN EXAMPLE

OF THE MODERN AND TRADITIONAL PROCESSING TECHNOLOGIES

E.P. Pakhnenko, E.A. Gunina, Yu.A. Nikolaev, V.A. Grachev

The paper presents an integrated agroecological assessment of sewage sludge produced by the different processing technologies on an example of South Butovo and Kuryanovsky treatment plants in Moscow. Provided analysis indicates their conformity with the standard requirements. The advantages of the modern sediment processing technology were discussed.

Key words: sewage, fertilizer, heavy metals, polycyclic aromatic hydrocarbons, sanitary and epi-demiological indicators.

Сведения об авторах

Пахненко Екатерина Петровна, докт. биол. наук, профессор каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-50-58. Гунина Евгения Александровна, аспирант каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Николаев Юрий Александрович, канд. биол. наук, гл. специалист инженерно-технологического центра МГУП «Москводоканал», Курьяновская станция аэрации. Тел.: 8(495)348-16-13. Грачев Владимир Анатольевич, канд. с.х. наук, инженер инженерно-технологического центра МГУП «Москводоканал», Курьяновская станция аэрации. Тел.: 8(495)348-16-13.