На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Разработка экологически безопасной и ресурсосберегающей технологии утилизации осадков городских сточных вод с получением фосфорсодержащих удобрений
.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»
Пермь 2014
Работа выполнена на кафедре охраны окружающей среды ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Глушанкова Ирина Самуиловна
Защита состоится «___»________________ 2014 г. в ….. часов на заседании диссертационного совета Д …… по защите докторских и кандидатских диссертаций при ……
Автореферат разослан 2014 г.
Актуальность работы
Экологическая безопасность системы водоотведения и очистки коммунальных сточных вод является одной из приоритетных экологических и технологических задач жизнеобеспечения городского хозяйства.
Наиболее сложно в системе жилищно-коммунального хозяйства решается проблема утилизации, образующихся при очистке городских сточных вод, твердых отходов - осадков сточных вод (ОСВ), представляющих собой избыточный активный ил и осадки первичных отстойников. Ежегодно на очистных сооружениях городов России образуется более 2 млн. м3 ОСВ в пересчёте на сухое вещество (100 млн. м3 при исходной влажности 98 %). Уровень использования ОСВ оценивается в 1,0-1,5 % .
В России основной способ обработки ОСВ заключается в их механическом обезвоживании и складировании на иловых картах и илонакопителях. Используемая технология утилизации ОСВ не отвечает современным экологическим и техническим требованиям, приводит к длительному и чаще безвозвратному отчуждению значительных земельных ресурсов, сопровождается экологическими рисками загрязнения подземных и поверхностных вод. Срок эксплуатации иловых карт ограничен, в этой связи актуально решение проблемы их санации и рекультивации.
Известно, что ОСВ биологических очистных сооружений (БОС) представляют собой сложный органоминеральный комплекс, который содержит биогенные элементы - фосфор и азот, в количествах, позволяющих рассматривать отходы как потенциальное органоминеральное удобрение в сельском хозяйстве. Однако основным препятствиям для использования ОСВ в качестве удобрения является высокое содержание в них тяжёлых металлов (ТМ), ароматических углеводородов, бенз(а)пирена, патогенной микрофлоры, нестабильностью (запах, склонность к загниванию) отходов.
В последние годы в промышленную практику постепенно внедряются технологии утилизации ОСВ основанные на сжигании отходов. В результате образуется минеральный остаток, содержащий до 7-10 % фосфора (в пересчете на Р2О5). Однако концентрирование в золе высокотоксичных ТМ ограничивает их дальнейшее использование в народнохозяйственных целях и требует дополнительной обработки. При наблюдающейся тенденции спада производства фосфорных удобрений и увеличении их импорта актуально проведение комплексных исследований процессов обезвреживания и переработки ОСВ с получением фосфорсодержащих удобрений.
Проведение комплексных исследований по обезвреживанию ОСВ с использованием реагентных и реагентно-термических методов позволит решить проблему утилизации ОСВ в городах и населенных пунктах различного типа, обеспечить экологическую безопасность и повысить уровень защищенности природной среды при эксплуатации системы жизнеобеспечения в городском хозяйстве.
Цель работы: научное обоснование и разработка экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий утилизации осадков городских сточных вод и рекультивации иловых карт с получением фосфорсодержащих удобрений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ условий формирования и состава сточных вод, объема и состава ОСВ при функционировании инженерных систем очистки городских сточных вод на примере крупного промышленного центра - города Перми (1 млн. жителей) и города Березники (200 тыс. жителей) Пермского края;
2. Технико-экологический анализ существующих способов и технологий утилизации ОСВ, определение основных принципов их утилизации;
. Исследование закономерностей процессов реагентной и реагентно-термической обработки ОСВ, определение условий и параметров проведения процессов, обоснование выбора реагентов, анализ свойств и состава получаемых продуктов;
. Научное обоснование возможности использования получаемых в процессе реагентной и реагентно-термической обработки ОСВ продуктов в качестве фосфорсодержащих удобрений, определение их соответствия нормативно-техническим требованиям;
. Разработка экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий утилизации осадков городских сточных вод, образующихся при эксплуатации систем жизнеобеспечения городского городов с численностью населения 200 тыс. чел. и городов-миллионников, с получением фосфорсодержащих удобрений, а также разработка технологии рекультивации нарушенных в результате складирования ОСВ земель, проведение технико-экономической и экологической оценки разработанных технологий.
Объект исследования: осадки городских сточных вод, образующиеся при эксплуатации систем жизнеобеспечения городского хозяйства г. Перми и г. Березники.
Основная идея работы состоит в разработке технологий реагентной и реагентно-термической утилизации осадков городских сточных вод с получением органо-минерального и минерального фосфорсодержащего удобрений.
Методы исследования включали аналитическое обобщение известных научных и технических результатов; лабораторные и натурные исследования с использованием физико-химических, термических методов анализа; обработку результатов, полученных экспериментальным путем, методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций обоснована результатами лабораторных исследований, анализа состава ОСВ и продуктов переработки в аккредитованных лабораториях; использованием методов математической статистики с применением ПЭВМ и лицензированных программ.
Научная новизна работы:
1. Определены закономерности процессов обезвреживания ОСВ гуминосодержащими реагентами, полученными из различного природного сырья. Разработан способ обработки ОСВ торфо-минеральной кальцийсодержащей композицией (ОМК), обеспечивающей эффективное снижение биотоксичности ОСВ и связывание ионов тяжелых металлов в малорастворимые недоступные для растений формы.
2. На основе результатов определения биотоксичности и агрохимических показателей продуктов переработки ОСВ установлена возможность их использования в качестве органо-минеральных удобрений. Накопление тяжелых металлов, таких как меди, цинк и свинец, в растительной биомассе при использовании полученных удобрений значительно ниже максимально допустимого уровня (в 3,1, 1,27 и 2,9 раз соответственно).
. Разработан способ реагентно-термической утилизации ОСВ, заключающийся в обработке осадков концентрированными (100 г/л) растворами хлорида кальция или калия с последующим сжиганием. В процессе термической обработки при температуре 900-1000 0С происходит извлечении из осадков тяжелых металлов и получение товарного продукта - минерального удобрения с содержанием оксида фосфора (V) 5-7 %. Определены параметры проведения процесса, позволяющие снижать содержание в минеральном остатке меди в 1,5 раза, марганца - в 3,8 раза, цинка - в 1,6 раз.
Практическая значимость работы:
Разработаны экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии утилизации ОСВ, определены оптимальные параметры процессов реагентной и реагентно-термической утилизации ОСВ с получением фосфорсодержащих удобрений.
Разработаны технические условия ТУ на органо-минеральное (ТУ 2186-001-02069065-14) и минеральное фосфорсодержащее (ТУ 2186-002-02069065-14) удобрения, полученные путем обработки ОСВ в присутствии реагентов.
Реализация результатов работы:
Результаты работы использованы при разработке технических решений и технико-экономического обоснования проекта по утилизации осадков сточных вод биологических очистных сооружений г. Перми.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе подготовки специалистов по направлению 280270 «Техносферная безопасность» в курсах лекции по дисциплинам «Физико-химические методы защиты биосферы», «Технологические основы переработки отходов производства и потребления», «Биотехнологические методы утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования процессов формирования состава, объема городских сточных вод и образующихся в технологиях их очистки осадков сточных вод на примере эксплуатации очистных сооружений г. Перми и г. Березники Пермского края;
2. Результаты проведенных исследований реагентной и реагентно-термической обработки ОСВ: условия и параметры проведения процессов, выбор реагентов, эффективность использования реагентов, свойства и состав получаемых продуктов, их соответствие нормативным требованиям;
. Научное обоснование и результаты проведенных исследований по использованию полученных при реагентной и реагентно-термической обработке ОСВ товарных продуктов в качестве удобрений: тип выращиваемых культур, доза и условия внесения удобрений, эффективность применения;
. Разработанные экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии утилизации осадков городских сточных вод, образующихся при эксплуатации систем жизнеобеспечения городского хозяйства городов различного типа с получением фосфорсодержащих удобрений, технология рекультивации нарушенных в результате складирования ОСВ земель;
. Технико-экономическая и экологическая оценка разработанных технологий утилизации осадков городских сточных вод и рекультивации нарушенных земель.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были опубликованы в материалах международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» г. Пермь, 2008 г.; международного конгресса «Вода: Экология и технология», г. Москва, 2008 г., третьей международной телеконференции «Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии», г. Томск, 2010 г.; межрегионального конгресса «Комфортный город» в рамках серии конгрессов «Урбанистика - Практика и перспективы развития территорий», г. Пермь, 2010 г., международной научно-технической конференции «Миниджмънта на иновациите - предприятия, банки, университети», г. Варна, 2012 г.; 12th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection, 2012 г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 15 научных трудах и научно-практических рекомендациях, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, 2 издания в журналах, включенных в базу данных SCOPUS и 1 заявка на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
общих выводов, списка литературы. Результаты исследования изложены на 171 с.
основного текста, включающего 42 рис., 42 табл. и библиографию из 151
наименований и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность утилизации осадков городских сточных вод с получением органо-минеральных и минеральных удобрений, сформулированы цели, задачи, научная новизна работы.
В первой главе проанализированы технологии очистки сточных вод, условия формирования ОСВ на примере городских очистных сооружений г. Перми и г. Березники.
На территории г. Перми, крупного промышленного центра с численностью населения более 1 млн. чел., в системах жизнеобеспечения городского хозяйства образуется 160 600 тыс. м3/год городских сточных вод, 40% из которых составляют не полностью очищенные стоки машиностроительных предприятий города, характеризующиеся высоким содержанием ионов тяжелых металлов (до 50 мг/л). В процессах механической и биологической очистки сточных вод ионы тяжелых металлов (ИТМ) концентрируются в активном иле, образуя устойчивые металлоорганические комплексы с аминокислотами и белками, что необходимо учитывать при выборе способа утилизации ОСВ.
В г. Березники с численностью населения 150-200 тыс. чел. - городе с развитой химической промышленностью по производству неорганических веществ (получение калийных и азотных минеральных удобрений, соды и др.) образуется 18 000 тыс. м3/год городских сточных вод, которые содержат до 30 % промышленных стоков, характеризующиеся повышенным солесодержанием.
В процессе биологической очистки городских сточных вод г. Перми и г. Березники образуется 130 000 т/год и 35 000 т/год осадков сточных вод с влажностью 85-86% соответственно.
Анализ научно-технической информации по методам обезвреживания ОСВ (Туровский И.С., Ивилевич А.З. и др.) позволил определить основные принципы выбора способа утилизации ОСВ:
· обеспечение безопасности загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, патогенной микрофлорой;
· «безотходность» технологии утилизации ОСВ и вовлечения отходов во вторичных оборот;
· предотвращенный экологический ущерб.
С учетом установленных принципов выбора способа утилизации ОСВ, объемов образования ОСВ были выбраны два направления исследований:
реагентная обработка ОСВ, образующихся при очистке коммунальных сточных вод городов с численностью населения 100-250 тыс. чел. с получением органо-минерального удобрения;
реагентно-термическая обработка ОСВ, образующихся в крупных городах и городских агломерациях, с получением минерального фосфорсодержащего удобрения.
Для обоснования экономической целесообразности получения фосфорсодержащих удобрений из ОСВ представлен анализ мирового и российского рынка фосфорных удобрений, тенденции их развития, обоснована потребность в поиске альтернативных источников сырья (П. Хеффер, 2009 г., М. Седова, 2012 г.).
Во второй главе представлены характеристики объекта исследования и методики проведения экспериментов. Для достижения поставленной цели был использован комплекс современных методов исследований, включающий проведение теоретического и статистического анализа, экспериментальных лабораторных испытаний, моделирование процессов.
Анализ химического состава ОСВ проводили по стандартным методикам, разработанным для химического анализа почвенных образцов: определение рН водной вытяжки по ГОСТ 2648-85 в модификации ЦИНАО, массовой доли общего азота - по ГОСТ 26107-84, массовой доли общего фосфора по ГОСТ 26205-84 в модификации ЦИНАО, хлорид - ионов в водной вытяжке по ГОСТ 26425-85, подвижной серы по ГОСТ 26490-85, подвижных форм металлов (меди, свинца цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) атомно-абсорбционным методом по РД 52.18.289-90.
Для микробиологических исследований образцов ОСВ применяли микроскоп марки Carl Zeiss с видеокамерой и программным обеспечением (разрешение 1:600).
Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели осадков определялись согласно стандартным методикам: МУ 2.1.7.730-99 Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест, МУК 4.2.2661-10 Метод санитарно-паразитологических исследований.