СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ ИЗ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ КОМПОСТИРОВАНИЯ
METHOD OF PRODUCING ORGANO-MINERAL FERTILISER FROM WASTEWATER SLUDGE BY COMPOSTING

Изобретение относится к областям экологии и сельскому хозяйству и предусматривает биоконверсию органосодержащих отходов с помощью компостирования. Изобретение позволяет получить с помощью компостирования из муниципальных осадков сточных вод (ОСВ) органо-минеральное удобрение (компост) и может быть использовано при утилизации и рециклинге ОСВ, образующихся на городских станциях аэрации.
Одной из экологических проблем является утилизация ОСВ городских очистных сооружений. Сточные воды в нашей стране все еще остаются смешанными.
В результате работы коммунального хозяйства города Рязань и различных предприятий, в том числе кожевенного завода (ОАО «Сафьян», ЗАО «Русская кожа»), Рязанской нефтеперерабатывающей компании (ЗАО «РНПК»), предприятий цветной металлургии и других, они подвергаются механической, биологической очистке в аэротенках, обезвоживанию на установке биологической очистки ЗАО «РНПК». При этом обезвоженные осадки, образующиеся после очистки стоков, характеризуются повышенным содержанием валовых и подвижных форм хрома, никеля, цинка и меди, а также 3,4-бенз(а)пирена, нитрат-ионов и нефтепродуктов (табл.1).
Высокое содержание питательных веществ (азота, фосфора, калия) и соответствие ОСВ по санитарно-бактериологическим и паразитологическим нормативам указывают на их высокую удобрительную ценность и возможность использования в качестве органо-минерального удобрения при выращивании технических культур, озеленении, ремедиации нарушенных земель и биологической рекультивации (табл.2 и 3).
Однако использование обезвоженных ОСВ, получаемых на установке биологической очистки ЗАО «РНПК», в качестве органического удобрения в том состоянии, в котором они депонируются на накопительных площадках, не представляется возможным из-за повышенного содержания в них тяжелых металлов, нефтепродуктов и фитотоксичности.
При выборе способа переработки ОСВ в настоящее время предпочтение отдается биотехнологическим процессам, в частности компостированию.
К настоящему времени накоплен значительный опыт по использованию в качестве органических удобрений (ОСВ) [1-3].
К наиболее известному способу детоксикации ОСВ, послужившему прототипом изобретения, относится добавление к ОСВ извести [4]. Однако известкование как прием снижения фитотоксичности ТМ не универсален из-за того, что некоторые микроэлементы (хром, молибден и др.) в нейтральных почвах более подвижны, чем в кислых. Кроме того, известкование вызывает подщелачивание почвенного раствора, что может негативно отразиться на росте и развитии растений, предпочитающих слабокислую реакцию почвенного раствора.
Сущность изобретения заключается в том, что в предложенном способе в качестве наполнителей, разрыхлителей и детоксиканта использовали сосновые опилки и низинный торф (табл.4), которые добавлялись в обезвоженный осадок ОСВ, перемешивались и подвергались компостированию. Это позволяет, с одной стороны, улучшить физико-химическую структуру ОСВ, ускорить процессы компостирования и гумификации, а с другой стороны, снизить негативное действие тяжелых металлов и других поллютантов и пролонгировать действие питательных веществ, содержащихся в ОСВ.
Цель изобретения - утилизация, рециклинг и биоконверсия органосодержащих материалов муниципальных ОСВ установки биологической очистки Рязанской нефтеперерабатывающей компании (ЗАО «РНПК») в хозяйственно-полезный конечный продукт - безопасное и эффективное органо-минеральное удобрение (компост) для выращивания технических культур.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения органо-минерального удобрения смешивали ОСВ с сосновыми опилками с размером фракции до 2 мм или низинным торфом (фракция размером до 2 мм). Компостирование проводилось в полевых условиях летом 2008 года при температуре воздуха от 25-35°C. Для этого использовался обезвоженный ОСВ со сроком хранения 3 месяца, отобранные с временных иловых площадок и имеющие размер фракции до 5 мм.
Осадок смешивался в зависимости от варианта опыта с разными наполнителями:
1-й вариант: ОСВ + сосновые опилки;
2-й вариант: ОСВ + низинный торф.
Соотношение ОСВ: наполнитель определялось расчетным путем, исходя из условия соотношения углерода к азоту в конечном продукте компосте 20:1 и составляло по объему в смеси - ОСВ: опилки - 1:2 или по массе 1:0,5, а ОСВ: торф по массе - 1:1. Соотношение углерода к азоту в исходном осадке составило 10:1, в смеси с стилками до начала компостирования - 24:1, а в смеси с торфом - 14:1.
Составляющие компоненты в соответствии с вариантами опыта (1-й вариант - ОСВ + опилки, а 2-й вариант - ОСВ + торф) укладывались рыхло в бурты послойно, начиная с наполнителя. Высота каждого слоя составила 10-15 см, а средняя высота бурта достигала до 1 метра.
Влажность компостируемой смеси поддерживались на уровне 70-80% путем полива дождеванием. Для поддержания аэробных процессов проводилось перемешивание компостируемой смеси каждые 2 недели. Период компостирования составил 98 дней. Затем полученный компостированный субстрат подвергался дальнейшему процессу созревания и гумифицированию естественным путем в лабораторных условиях в ящиках. высотой 25 см, шириной 26 см и длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. При этом поддерживалась влажность на уровне 55-60% путем полива водопроводной отстоявшейся водой.
Заявляемое изобретение иллюстрируется примерами.
Пример 1. Результаты были получены в лабораторном эксперименте в ящиках высотой 25 см, шириной 26 см, длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. Для компостирования использовался обезвоженный осадок установки биологической очистки ЗАО «РНПК» с длительностью хранения 3-4 месяца (фракция размером до 5 мм), смешанный с опилками (фракция размером до 2 мм) в массовом соотношении 1:0,5. Компостирование проводили на открытой бетонированной площадке в период с июля (t=25-30°C) по октябрь, затем в помещении с температурой воздуха 18-20°C. Общая продолжительность компостирования составляла около 6 месяцев. Полив и перемешивание компостируемой смеси осуществляли каждые 2 недели. Соотношение углерода к азоту C/N в стартовой смеси до компостирования было 24:1, а после компостирования - 20:1.
Пример 2. Результаты были получены в лабораторном эксперименте в ящиках высотой 25 см, шириной 26 см, длиной 35 см при комнатной температуре в течение 4-х месяцев. Для компостирования использовался обезвоженный осадок (фракция размером до 5 мм) с длительностью хранения 3-4 месяца, смешанный с низинным торфом (фракция размером до 2 мм) в соотношении 1:1. Компостирование проводили на открытой бетонированной площадке в период с июля (t=25-30°C) по октябрь, затем в помещении с температурой воздуха 18-20°C. Общая продолжительность компостирования составляла около 6 месяцев. Полив и перемешивание компостируемой смеси осуществляли каждые 2 недели. Соотношение углерода к азоту C/N в стартовой смеси до компостирования было 14:1, а после компостирования - 20:1.
Как показали исследования, разбавление ОСВ сосновыми опилками и последующая ферментация этой смеси приводили к изменению ее химического состава. В таблице 5 представлены результаты химического состава ОСВ компостной смеси до и после компостирования.
В результате компостирования ОСВ с сосновыми опилками в компостной смеси произошли следующие изменения. После компостирования в конечном продукте содержание питательных элементов NPK существенно увеличилось, а валовое содержание тяжелых металлов снижалось. Кроме того, содержание подвижных форм хрома снизилось почти на 70%. Бенз(а)пирен и нефтепродукты в исходной смеси до компостирования и в конечных продуктах после компостирования не обнаруживались.
Полученный конечный продукт компостирования ОСВ с сосновыми опилками по всем показателям соответствовал нормативным значениям, предъявляемым к ОСВ, используемым в качестве удобрения (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001), и к так называемой «чистой почве» (МУ 2.1.7.730-99).
Использование низинного торфа в качестве наполнителя и детоксиканта при компостировании ОСВ также приводило к изменению агрохимических показателей конечного продукта. После компостирования в конечном продукте содержание питательных элементов NPK также существенно увеличилось. Однако компостирование в смеси с низинным торфом не оказало влияния на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в конечном продукте.
Одним из качественных показателей возможного экологически безопасного использования компостов является отсутствие у них фитотоксичности. Результаты тестирования на фитотоксичность компоста, полученного на основе обезвоженного ОСВ ЗАО «РНПК», показали, что в результате компостирования произошла его детоксикация. Так в отличие от исходных ОСВ (табл.6) после компостирования конечный продукт терял фитотоксичность. Длина зародышевого корешка овса на 7 сутки эксперимента в опытном варианте с компостом превышала контрольные значения на 22,7% в отличие от таковых, полученных при проращивании семян на 100% ОСВ, где отмеченное уменьшение длины корней в результате угнетения ростовых процессов составляло 56%.
В ходе исследований отмечено положительное влияние компостов на рост и развитие крупноцветковой гортензии, как при выращивании культуры на чистом 100% компосте, так и в составе почвосмеси (2%). У всех опытных растений в зависимости от состава компоста с разной степенью интенсивности увеличивалось количество листьев, их площадь. Разница по сравнению с контролем (традиционная торфосмесь) составляла от 40 и более 100%. Лучший эффект наблюдался в вариантах с компостами, полученными на основе ОСВ и сосновых опилок, ОСВ и низинного торфа (таблицы 7-9).
При выращивании ярового рапса на агроземе торфяно-минеральном с использованием компоста на основе ОСВ и низинного торфа (табл.10) увеличивалась сырая и сухая масса растений, диаметр стебля, количество стручков и их масса на 80 и более 100% по сравнению с контролем (почва - агрозем торфяно-минеральный).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный способ отличается новой совокупностью признаков, состоящих в том, что для улучшения процесса компостирования и детоксикации муниципальных ОСВ добавляются сосновые опилки или низинный торф в определенных пропорциях и это является принципиально новым. Вышеуказанные обстоятельства свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения критерию "Новизна".
Сравнение заявленного способа с известными способами показывает, что оно для специалиста не следует явным образом из уровня техники. Это свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию "Изобретательский уровень".
Таким образом, использование предлагаемого способа приготовления компоста из муниципальных ОСВ позволяет по сравнению с существующими способами упростить, удешевить технологию получения органо-минеральных удобрений и повысить удобрительную ценность конечного целевого продукта.
Источники информации
1. Покровская С.Ф., Касатиков В.А. Использование осадка городских сточных вод в сельском хозяйстве. - М.: ВНИИТЭИагропром, 1987. - 61 с.
2. Жукова Л.А. Осадки сточных вод в качестве удобрения // Химизация сельского хозяйства. - 1988. - 10. - С.35-39.
3. Иванов И.А., Иванова И.О., Кравчук В.И. и др. О возможности использования осадка городских сточных вод в качестве органического удобрения // Агрохимия. - 1996. - 3. - С.85-92.
4. Касатиков В.А. Агрогеохимические свойства осадков городских сточных вод и торфоиловых компостов // Агрохимия. - 1996. - 8-9. - С.87-96.
Таблица 1
Содержание вредных веществ в обезвоженном ОСВ вод цеха биологической очистки ЗАО РНПК.
Показатель
ПДК в почве, мг/кг (МУ 2.1.7.730-99)
Содержание в ОСВ, мг/кг
валовая
подвижная
подвижная форма
валовая форма
1
2
3
4
5
Свинец (Pb)
32-130
6
<5
<50
Кадмий (Cd)
0.5-2
0.5
<0.5
-
<b>Хром (Cr</b><sub>обш.</sub><b>)</b>
<b>90</b>
<b>-</b>
<b>6.7</b>
<b>3031.5</b>
- Cr<sup>+3</sup>
-
6
-
-
- Cr<sup>+6</sup>
-
0.05
-
-
<b>Никель (Ni)</b>
<b>20-80</b>
<b>4</b>
<b>4,9</b>
<b>161</b>
<b>Цинк (Zn)</b>
<b>55-220</b>
23
-
<b>799</b>
<b>Медь (Cu)</b>
<b>33-132</b>
3
-
<b>239</b>
Ртуть (Hg)
2.1
1.0
-
0,44
Мышьяк (As)
2-10
-
-
3,5
Таблица 1. Продолжение
1
2
3
4
5
<b>3,4-Бенз(а)пирен</b>
<b>0.02</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>0,046</b>
<b>Нитрат-ион (NO</b><sub>3</sub><b>-)</b>
<b>130</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>1750</b>
<b>Нефте-</b><b>продукты (сумма)</b>
<b>1000</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>4700</b>
<sup>90</sup>Sr
-
-
-
2.75
<sup>137</sup>Cs
-
-
-
3.93
<sup>232</sup>Th
-
-
-
7.5
<sup>226</sup>Ra
-
-
-
10.89
<sup>40</sup>K
-
-
-
100.1
* Временно допустимый уровень удельной активности ТРН≤1
0,18
* Расчет временного предельно-допустимого уровня удельной активности ТРН: A<sub>Cs</sub>/45+A<sub>Sr</sub>/30=3,93/45+2.75/30=0.087+0.092=0.18
Таблица 2
Агрохимический состав ОСВ цеха биологической очистки ЗАО РНПК
Вид пробы
Агрохимические показатели, % на сухое вещество
Зольность
Органические вещества
pH<sub>сол.</sub>
Общий азот
Общий фосфор
Общий калий
ОСВ
24
76
8,17
1,5
1,6
0,42
ГОСТ Р 17.4.3.07-2001
-
>20
5,5-8,5
>0,6
>1,5
-
Метод определения, ГОСТ
26714-85
-
27979-88
26715-85
26717-85
26718-5
Таблица 3
Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели ОСВ цеха биологической очистки ЗАО РНПК
П/п
Показатели
Результат исследования
Величина допустимого уровня, не более
Ед. изм.
НТД на методы исследования
Микробиологические исследования
1
БГКП
10
10
Кл/г
МУ 2293-81
2
Индекс энтерококков
0
0
Кл/г
МУ 2293-81
3
П/г бактерии, в.т.ч. сальмонеллы
отс.
0
Кл/г
МУ 2293-81
Паразитологические исследования
4
Яйца гельминтов
0
0
Экз./кг
МУК 4.2.796-99
5
Цисты лямблий
0
0
Экз./100 г.
МУК 4.2.796-99
Энтомологические исследования
6
Личинки и куколки мух
0
0
Экз./кг
МУ 2.1.7.730.-99
Таблица 5
Влияние компостирования обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на химический состав получаемых компостов
Показатели
ПДК, мг/кг (МУ 2.1.7.730-99) *ГОСТ 17.4.3.07-2001
Исход-ные ОСВ
Компостируемая смесь 1 (ОСВ + опилки)
Компостируемая смесь 2 (ОСВ + торф)
Перед началом компостирования
После компостирования
Перед началом компостирования
После компостирования
Общий азот, %
>0,6*
3,55
1,68±0,2
2,06±0,2
2,36±0,2
2,0±0,2
Нитратный азот, мг/100 г
130
-
56,5±15
126,3±20
69,7±15
136,8±20
Аммиачный азот, %
-
-
0,46±0,06
0,013±0,001
0,038±0,06
0,07±0,003
Общий фосфор в пересчете на P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>, %
>1,5*
2,30
2,0±0,2
2,58±0,1
2,26±0,2
2,45±0,2
- общего калия в пересчете на K<sub>2</sub>O, %
-
0,23
0,21±0,03
0,27±0,03
0,18±0,03
0,23±0,03
Органическое вещество в пересчете на углерод, %
>20*
40,4±1,0
35,9±0,8
31,9±0,8
29,3±0,8
Зольность, %
-
29,0
19,2±0,4
28,2±0,8
36,2±0,8
41,3±0,8
Значение рН
5,5-8,5*
7,8
7,8±0,1
6,9±0,1
6,7±±0,1
6,5±0.1
Медь, мг/кг
33-132
110,12
138,4±20,7
47,3±7,1
121,9±18,3
159,2±23,9
Цинк, мг/кг
55-220
307,50
153,3±30,6
95,3±19,0
136,5±27.3
154,2±30,8
Никель, мг/кг
20-80
-
36,2±5,4
19,9±2,9
26,3±3,9
34,0±5,1
Кадмий, мг/кг
0,5-2
1,55
1,82±0,18
0,8±0,08
0,48±0,05
0,51±0,05
Свинец, мг/кг
32-130
<50
59,5±5,9
10,6±1,0
34,5±3,4
67,0±6,7
Хром, мг/кг
90
3031,5
1257±188,5
669,3±100,4
1149±172,3
1239±±185,8
1000*
Бенз(а)пирен, мг/кг
0,02
н/о
н/о
0,029±0,01
0,023±0,008
Нефтепродукты, мг/кг
1000
н/о
н/о
н/о
н/о
Хром, мг/кг (подвижная форма)
6
Не опр.
0,72±0,07
0,22±0,02
0,18±±0,02
0,16±0,02
Таблица 6
Влияние компостирования на фитотоксичность обезвоженных осадков сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК»
Варианты
Среднее значение
+/-, %
Лабораторная всхожесть, %
Контроль
92,60
-
Компост ОСВ + торф
92,60
-
Компост ОСВ + опилки
97,20
+4,60
ОСВ
22,60
-70,00
НСР<sub>05</sub>
17,00
-
Длина семисуточного зародышевого корешка, см
Контроль
4,18
-
Компост ОСВ + торф
4,72
Компост ОСВ + опилки
5,13
+22,72
ОСВ
1,84
-55,98
НСР<sub>05</sub>
2,50
-
Длина семисуточного ростка, см
Контроль
1,84
100
Компост ОСВ + торф
2,78
+51,09
Компост ОСВ + опилки
4,25
+130,98
ОСВ
2,17
+17,93
НСР<sub>05</sub>
0,41
-
Таблица 7
Динамика морфометрических показателей крупноцветковой гортензии при выращивании рассадным способом на почвосмесях с компостом из обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК»
Динамика показателей за период наблюдений (140 суток), %
Варианты
Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m
ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m
Компости-руемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m
Компости-руемая смесь 1+торфосмесь традиционная M*±m
Компости-руемая смесь 2 (осв + торф) M*±m
Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m
Количество вегетативных побегов, шт
+1
Без изменений
Без изменений
+1
+1
Без изменений
%
100
-
-
100
100
-
Количество листьев, шт.
+47.5
37.5
+93,5
+51,5
+59
+39
%
100.00
78.94
196,84
108,42
124,21
82.11
Высота, см
+4.9
+8.3
+15.2
+6
+9.2
+5.1
%
100.00
169.39
310.20
122.45
187.76
104.08
* достоверно для p=0,95
Таблица 8
Влияние компостов из обезвоженного осадка сточных вод установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на площадь листьев крупноцветковой гортензии
Показатели
Варианты
Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m
ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m
Компостируемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m
Компостируемая смесь 2 (осв + торф) M*±m
Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m
Площадь листьев 1 растения, см<sup>2</sup>
386,2±96,5
1219.5±365,9
3620.6±905,0
2279.00±524
1145.00±280
%
100
315,8
937,57
590,15
296.5
* достоверно для p=0,95
Таблица 9
Влияние компостов на рост и развитие крупноцветковой гортензии при выращивании на почвосмесях с компостом из осадка сточных вод ЗАО РНПК
Показатели в фазу цветения
Варианты
Торфосмесь традиционная (контроль) M*±m
ОСВ + торфосмесь традиционная M*±m
Компостируемая смесь 1 (осв + опилки) M*±m
Компостируемая смесь 1 + торфосмесь традиционная M*±m
Компостируемая смесь 2 + Торфосмесь традиционная M*±m
Количество соцветий, шт.
3,0±0,75
6±1,7
9±2,5
9±2,7
8±2,0
Количество цветков в соцветии, шт.
53±13
60±16,8
58±13,0
59±15,3
55±13,7
Диаметр соцветия, см
9±2,2
9±2,5
13,4±3,3
8.5±2,1
7±1,9
* достоверно для p=0,95
Таблица 10
Влияние компоста из обезвоженного осадка установки биологической очистки ЗАО «РНПК» на анатомо-морфологические показатели ярового рапса (сорт Ратник)
Варианты опыта
Показатели
Коли-чество ответвле-ний, шт. M*±m
Фитомасса 1 сырого растения, г M*±m
Диаметр стебля, см M*±m
Количество стручков 1 растения, шт. M*±m
Масса стручков 1 растения, г M*±m
Длина стручка, см M*±m
Высота 1 растения, см M*±m
Сухая масса 1 растения, г M*±m
Контроль(почва - агрозем торфяно-минеральный)
11,4±3,4
22±6,6
0,32±0,1
10,4±2,6
1,57±0,5
5,8±1,4
85,4±21,3
3,6±0,9
Компост торф + ОСВ, доза внесения 9 т/га
5,6±1,6
67±19.0
1,04±0,3
57,2±17,0
5,88±1,8
6,29±1,5
95,8±21
6,72±1,7
% к контролю
49,1
304,5
325,0
550,0
374,5
108,4
112,2
186,7
* достоверно для p=0,95