СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНОГО ВЛИЯНИЯ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ : ЗНИЖЕННЯ РІВНЯ екологічно небезпечного ВПЛИВУ опаду міських стічних вод НА ДОВКІЛЛЯ

Короткий опис

Харьковская национальная академия
городского хозяйства

На правах рукописи

КОТЮК Федор Алексеевич
УДК 628.334.15

снижение уровня Экологически опасного влияния осадков городских сточных вод на окружающую среду

Специальность 21.06.01- экологическая безопасность

ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор,
лауреат Государственной премии СССР
Пантелят Г.С.

Харьков 2006

Содержание

Стр.

Введение .........................................................................................................

5

Раздел 1. Состояние вопроса обработки и обезвоживания осадков городских сточных вод.................................................

12

1.1. Химический и бактериологический составы осадков сточных вод и их физико-химические свойства ....................................................................

13

1.2. Существующие методы и сооружения для уплотнения и обезвоживания осадков...................................................................................................

14

1.3. Использование механического оборудования для обезвоживания осадков городских сточных вод ................................................................

17

1.4. Выбор направления исследований. Цель и задачи диссертационной работы...............................................................................................

32

Раздел 2. Методика проведения исследований.....................

34

2.1. Основные принципы организации и проведения исследований........

35

2.2. Описание лабораторных и экспериментальных установок.

35

2.3. Применение реагентов для коагуляции, флокуляции и обработки осадков с целью удаления тяжелых металлов..............................

43

Выводы.........................................................................................................

45

Раздел 3. Теоретическое и экспериментальное обоснование применения различных реагентов для удаления
из осадков тяжелых металлов............................................................

46

3.1. Исследование эффективности различных технологий для удаления соединений тяжелых металлов из осадков городских сточных вод......

46

3.1.1. Математическое описание процесса фильтрования через вспомогательные вещества.........................

46

3.1.2. Определение концентраций тяжелых металлов в осадках сточных вод различных городов.................

55

3.1.3. Определение эффективности различных технологий обработки осадков............................

63

3.2. Исследования по применению гуминовых веществ для извлечения тяжелых металлов из осадков городских сточных вод............

66

3.2.1. Химический состав и физико-химические свойства гуминовых веществ.............................

68

3.2.2. Исследования применения углещелочного реагента для удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод............

71

Выводы.........................................................................................................

78

Раздел 4. Исследование методов интенсификации процесса обезвоживания осадков городских сточных вод.................................................................................................................

81

4.1. Исследование и апробация различных реагентов и их композиций для интенсификации процесса обезвоживания осадков.................................

81

4.2. Флокулянты для обезвоживания осадков сточных вод на основе сырья, производство которого налажено в Украине....................................

85

Выводы.......................................................................................................

91

Раздел. 5. Исследование и испытания камерных фильтр-прессов и центрифуг для обезвоживания осадков городских сточных вод......................................

92

5.1. Обоснование выбранного направления исследований........

92

5.2. Описание экспериментальных установок и методических особенностей проведения исследований..............................

94

5.3. Анализ полученных результатов исследований...........

98

5.4. Экономическая эффективность разработанных технических решений.................

108

Выводы........................................................................................................

111

Общие выводы...........................................................................................

112

Список использованных источников.........................................

115

Приложения.................................................................................................

127

Введение
Коммунальное хозяйство Украины вносит существенный вклад в общее количество отходов городов и промышленных предприятий. Только на канализационных очистных станциях Украины образуется 50 тыс. м3/сут осадков, которые складируются на специально выделенных для этих целей иловых площадках. Указанные отходы содержат более 90% органических веществ, которые могут служить ценным удобрением для сельского хозяйства. Однако наличие в составе указанных осадков тяжелых металлов препятствует их использованию в сельском хозяйстве и приводит к необходимости складирования с отчуждением значительных площадей. Всего в настоящее время в Украине накоплено более 1,0 млн. м3 таких осадков, под складирование которых отведено 1200 га земли. Указанные хранилища осадков являются источниками загрязнения окружающей среды: грунтовых вод, почвы, воздуха. В Харькове осадки обрабатывают и складируют на территории Комплекса биологической очистки «Безлюдовский» (КБОБ). Количество образующихся осадков достигает 3500 м3/сутки, площадь, занимаемая осадками, превысила 120 га. Осадки складируют на площадках, большая часть которых не оборудована противофильтрационными системами, что приводит к интенсивному загрязнению грунтовых вод.
Актуальность работы. Экологической проблемой, требующей неотложного решения является создание новых эффективных методов обработки (обезвреживания и обезвоживания) и последующей утилизации осадков городских сточных вод (ОГСВ). Это направление чрезвычайно актуально не только в Украине, России и других странах СНГ, но и во всем мире. Указанные осадки относятся к трудно фильтруемым суспензиям коллоидного типа. Большие их объемы, бактериальная зараженность, наличие органических веществ, способных быстро загнивать с выделением неприятных запахов, а также неоднородность состава и свойств осложняют их обработку.
В настоящее время утилизация основной массы образующихся осадков не производится из-за наличия в их составе токсичных химических веществ, главным образом, тяжелых металлов. Это обусловлено тем, что сточные воды промышленных предприятий поступают в городскую канализационную сеть после недостаточной очистки или вообще без какой-либо очистки. В первую очередь это относится к сточным водам гальванических производств машиностроительных заводов. В результате, осадки городских очистных сооружений направляют на обезвоживание на иловых площадках и складирование, отводя для этого значительные земельные участки. Иловые площадки являются источниками загрязнения почвы, грунтовых вод и поверхностных водных объектов, воздуха. Размеры земельных участков, выделяемые для этих целей, постоянно увеличиваются. В конечном итоге это может превратиться в настоящую экологическую катастрофу.
Сказанное в полной мере относится ко всем большим городам Украины, включая Киев, Харьков, Днепропетровск, Донецк, Макеевку и другие, в которых работают сотни промышленных предприятий машиностроительного профиля. Особенно актуально решение задач обработки и утилизации осадков в районе Донбасса, где при высокой плотности населения и промышленных предприятий различного профиля (включая предприятия металлургического и машиностроительного комплексов) ощущается существенный дефицит пресной воды.
Исходя из сказанного выше, разработка метода удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод, а также методов интенсификации процесса их обезвоживания с помощью механического оборудования является чрезвычайно актуальной и своевременной задачей, успешное решение которой позволит существенно снизить уровень негативного влияния этих осадков на окружающую среду.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с региональной программой Экологическое оздоровление бассейна реки Северский Донец” на основании Постановления Кабинета Министров Украины № 108 от 22 января 1996 г. и протокола № 10 от 20 декабря 1996 г. Совета руководителей пограничных областей республики Беларусь, Российской Федерации и Украины, а также в соответствии с Протоколом по тяжелым металлам к Международной конвенции от 24.06.1998 г. и Постановлением Кабинета Министров Украины от 21.08.2000 г. № 1291 «Об утверждении конвенции уменьшения объема выбросов тяжелых металлов».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является снижение уровня экологически опасного влияния осадков городских сточных вод на окружающую среду путем извлечения тяжелых металлов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
- разработать метод обработки осадков городских сточных вод с целью извлечения тяжелых металлов;
- разработать технические решения для реагентной обработки и обезвоживания осадков городских сточных вод;
- исследовать процесс фильтрования осадков городских сточных вод через вспомогательные вещества, в частности, через слой продуктов переработки бурых углей, содержащих гуминовые вещества;
- научно обосновать применение нового метода удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью гуминовых веществ.
Объект исследования снижение уровня экологически опасного влияния осадков городских сточных вод на окружающую среду.
Предмет исследования - извлечение тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью различных химических веществ, а также интенсификация обезвоживания осадков с помощью механического оборудования.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе использованы теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях. Эффективность работы обезвоживающего оборудования оценивали по количеству твердого вещества, снимаемого с единицы поверхности фильтрования, а также по влажности обезвоженного продукта (кека). Сравнение эффективности действия различных видов реагентов и их композиций осуществляли по специальной методике с помощью седиментации на установке фирмы Sartorius (Германия). Для определения содержания солей калия и натрия использовали пламенный фотометр, для определения концентраций тяжелых металлов в осадках использовали метод атомно-адсорбционной спектроскопии, прибор фирмы Hitachi Z 8000 в соответствии с международным стандартом МВВ 081 / 12 0013 01. Основной объем экспериментальных исследований выполнен на осадках комплексов очистных сооружений городов Донбасса.
Научная новизна полученных результатов:
-впервые установлено, что гуминовые вещества обладают высокой избирательной сорбционной способностью по отношению к тяжелым металлам. В качестве эффективного реагента для извлечения тяжелых металлов из осадков городских сточных вод предложено использовать продукт обработки бурого угля щелочью углещелочной реагент (УЩР);
-теоретически обосновано и исследовано применение нового метода удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью гуминовых веществ;
-обоснована возможность фильтрования осадка городских сточных вод через намывной фильтрующий слой, в качестве которого рекомендуется использовать слой УЩР или другого, аналогичного по свойствам, вещества. При этом намывной слой может быть стационарным при использовании фильтр-прессов или подвижным при применении центрифуг;
-выполнено математическое описание процесса фильтрования осадков городских сточных вод через вспомогательные вещества, в частности, через слой продуктов переработки бурых углей, содержащих гуминовые вещества.
Практическое значение полученных результатов.
Результаты исследований, выполненных в лаборатории «Научно-производственной компании Восточная Украина» (г. Харьков) положены в основу проектирования установок механического обезвоживания осадков городских сточных вод с реагентной обработкой, предназначенных для механического обезвоживания, а также для удаления тяжелых металлов акт о выполненных исследованиях от 20 сентября 2005 г.
Метод химической обработки осадков может быть использован для создания условий их утилизации в качестве удобрений в сельском хозяйстве.
Разработана и внедрена в проект установка механического обезвоживания осадка с удалением тяжелых металлов с помощью гуминовых веществ на Комплексе сооружений для очистки сточных вод в г. Дрогобыче акт внедрения от 15 октября 2005 г.
Личный вклад автора.
Основные научные идеи и положения теоретических и экспериментальных исследований разработаны и сформулированы автором лично. Исследована эффективность нового метода извлечения тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью гуминовых веществ на лабораторных и укрупненных установках, являющихся фрагментами реальных систем обработки и обезвоживания осадков. Разработана методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Теоретически обосновано и исследовано применение нового метода удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью гуминовых веществ. Разработана и внедрена в проект установка механического обезвоживания осадка с удалением тяжелых металлов с помощью гуминовых веществ на комплексе сооружений для очистки сточных вод в г. Дрогобыче акт внедрения от 15 октября 2005 г.
В работах, опубликованных в соавторстве, долевой вклад автора заключается в следующем. В работах [2, 83] изучен процесс обезвоживания осадков на модели фильтр-пресса; [20] дан анализ возможных направлений утилизации осадков городских сточных вод; [21] определены химический состав и количество осадков, образующихся на очистных сооружениях городов Донбасса; [81, 82] приведены результаты исследований обезвоживания осадков на фильтр-прессах, и предложен метод удаления тяжелых металлов из осадков городских сточных вод с помощью гуминовых веществ; [84, 112] приведены результаты поисковых исследований автора при обработке осадков в соответствии с кислотной и щелочной технологиями; [107] предложены принципиально новые технические решения по удалению тяжелых металлов; [108] обоснован выбор реагентов для обработки осадков.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждены на: Шестом Международном Конгрессе Вода: Экология и технология” ЭКВАТЭК-2004 (Москва, 2004); ХІІ и ХІІІ Международных научно-практических конференциях «Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов» (Щелкино, 2004-2005); 59-й научно-технической конференции ХГТУСА (Харьков, 2004); ХХХІІ научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьковской государственной академии городского хозяйства (Харьков, 2004); ІІ Международной научно-практической конференции „Экология: образование, наука, промышленность и здоровье” (Белгородский государственный технологический институт им. Шухова В.Г., Белгород, 2004); Всеукраинской научно- практической конференции «Реалізація регіональних програм реформування та розвитку житлово-комунального господарства (Алушта, АР Крым, 2005); Всеукраинской научно-практической конференции „Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства” (Алушта, АР Крым, 2005); научно-технической конференции, посвященной 75-летию ХГТУСА (Харьков, 2005).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 статей в сборниках и журналах, из которых 6 работ опубликованы в изданиях, которые входят в перечень ВАК Украины, 3 статьи опубликованы без соавторов, получено патент Украины „Пристрій для активації розчинів реагентів”, № заявки 20040604227 от 02.06.2004, МПК 7 СО 2F1/48 и сообщение о завершении формальной экспертизы по заявке на изобретение ”Спосіб виділення іонів важких металів з осадів стічних вод”, № заявки а 200504250 от 04.05.2005, МПК 7 С02F1/62.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающих 114 наименований и 5 приложений на 26 страницах. Полный объем диссертации 152 страницы, из которых основной текст 102 страницы. Работа содержит 17 таблиц, 15 рисунков (из них 8 таблиц и 4 рисунка на 12 отдельных страницах).

Автор благодарен научному руководителю, доктору технических наук, профессору Пантеляту Г.С.; коллективу кафедры «Водоснабжения, водоотведения и очистки вод» Харьковской национальной академии городского хозяйства; коллективам лаборатории «Научно-производственной компании Восточная Украина» (г. Харьков) и Комплексу сооружений для очистки сточных вод в г. Дрогобыче за содействие в проведении работы, всем специалистам, которые оказали помощь в процессе обсуждения работы.

Список літератури

ВЫВОДЫ
1. Минимальным периодом, в течение которого происходит полное обеззараживание осадка сточных вод, является срок в 3 года
2. По показателям, характеризующим эпидемическую безопасность (коли-титр, титр анаэробов С1 perfringens, наличие яиц гельминтов) осадок сточных вод очистных сооружений г. Артемовска относится к "загрязненной".
3. Содержание меди превышает установленные для нее гигиенические нормативы.
4. Осадок сточных вод г. Артёмовска с иловых карт 1,2,3 при соблюдении рекомендаций по его сбору, хранению, обработке может быть использован в качестве органического удобрения не ранее чем через 12 месяцев.
4.1. Необходимо тщательное перемешивание всего объема подсушенного осадка;
4.2. Перед вывозом на сельскохозяйственные поля необходимо обязательное проведение паразитологических и микробиологических исследований;
4.3. Вывоз на поля осуществлять только после получения отрицательных результатов микробного и гельминтозного загрязнения и получения разрешения органов госсаннадзора;
4.4. Исключение подмешивания в подсушенные осадки жидкой фракции;
4 5. Внесение подсушенных осадков с карт № 2,3 под яровые, зерновые и кормовые культуры в почву, фоновая концентрация меди в которой не превышает ПДК (3,0 мг/кг);
4 6. Использование в качестве органического удобрения осадка с иловой карты № 1 невозможно в связи с тем, что все органические вещества после горения отсутствуют.
5. Осадок с иловой площадки № 1 утилизировать как отходы IV класса опасности.
6. Дальнейшее складирование осадка на иловых картах проводить при следующих условиях:
6.1. Исключить подмешивание в подсушенные осадки жидкой фракции;
6.2. Перед проведением лабораторных исследований осадков необходимо их подсушивание в течение 3-х лет (для инактивации яиц гельминтов).

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами №4266-87 от 13.03.87г. г. Москва.
2. Рекомендации по использованию осадков городских сточных вод в качестве удобрения РД 2О4 ЧССР 179-85 г. Киев.
3. Организация предупредительного и текущего санитарного надзора за применением осадков сточных вод в сельском хозяйстве от 22.12.86 г. г. Киев.
4. Гигиенические аспекты обезвреживания, утилизации и использования в народном хозяйстве осадков сточных вод (М.П.Грачёва, Б.А.Минаев) "Гигиена и санитария" 1998г. №1.
5. Руководство по безопасному использованию сточных вод и экскрементов в сельском хозяйстве и аквакультуре. ВОЗ, Женева, 1992г.