8138

51

иподготовку их к утилизации в качестве удобрения. Остаточное содержание в осадках указанных веществ предотвращает реактивацию санитарнопоказательных микроорганизмов и поддерживает стабильность осадков. Вместе с тем, тиазон, формальдегид и особенно аммиак являются токсичными веществами, требующими осторожного обращения. Кроме того, аммиак взрывоопасен. Для предотвращения загрязнения почвы и грунтовых вод азотом необходимо знать, как он усваивается растениями, сколько его содержится в почве и в зависимости от этого устанавливать дозу внесения обеззараженного осадка в почву. Доза внесения осадков, обработанных другими веществами, также должна устанавливаться с учетом их действия. Для снижения дозы реагентов могут применяться термохимические или термомеханические методы обеззараживания осадков.

Осадок представляет собой сложную многокомпонентную химическую систему, включающую многие классы органических веществ и минеральные сорбенты. Принимая во внимание, что масса белка клетки в болезнетворной бактерии в среднем 10–14 г, то при микробном числе 1012 шт/кг, доля белка из бактерий и яиц гельминтов не превышает 0,05 % от массы всего белка. Соответственно на долю липоидов и полисахаридов оболочек бактерий и яиц гельминтов приходится менее 0,01 % от всех жиров

иуглеводов. Вероятность взаимодействия хлорирующих реагентов, окислителей и формальдегида, как веществ с высокой реакционной способностью, непосредственно с клеткой мала. Возможно, в подавлении патогенной микрофлоры и яиц гельминтов участвуют токсины, образующиеся в реакциях этих реагентов другими компонентами осадка. В частности, хлорирующие агенты наиболее активны к стероидам, терпенам, пуриновым основаниям, производным аденина и гуанина. Продуктами взаимодействий являются хлорированные производные бифенила, нафталина, антрацена, пинена, полифенолов, а также хлорпроизводные индола, индолина, мочевой кислоты. Полихлорароматические соединения высоко токсичны. Как яды они известны под названием диоксины.

52

Достаточно высокой токсичностью обладают хлорзамещенные гетероциклические соединения. Биоциды типа тиазона в осадке взаимодействуют с аминами с образованием устойчивых производных дитиокарбоматов, которые относятся к категории высокотоксичных веществ

иядов. Указанные токсичные вещества химически инертны и способны проникать в клетки, вызывая отравления и гибель микроорганизмов. Как правило, реакций образования токсичных веществ при нормальной температуре протекают довольно медленно. Достижение летальных доз происходит во времени от нескольких часов до нескольких суток, чем объясняется замедленность действия хлорирующих реагентов, окислителей

ибиоцидов типа тиазона. Наряду с патогенной микрофлорой они поражают микроорганизмы, ответственные за биоценоз водоемов и почв. Образующие токсичные вещества биологически не утилизируются и при использовании осадка будут распространяться в объекты окружающей среды.

Известен ряд препаратов растительного происхождения, обладающих дегельминтной способностью. В Ростове-на-Дону в качестве средства для дегельминтизации осадков сточных вод был испытан растительный реагент, названный «Бингсти» (Патент RU 2 120 421). По мнению разработчиков, реагент «Бингсти», применяемый в микродозах и не содержащий токсических компонентов, способен обеспечить дегельминтизацию осадков сточных вод, вызывая естественную гибель яиц гельминтов.

Применение растительных противогельминтных реагентов не только выгодно экономически, но и в известной мере устраняет необходимость использования химических соединений, загрязняющих окружающую среду.

2.1.3. Биохимические методы

Одним из широко распространенных методов обезвреживания осадков, основанным на использовании микроорганизмов, является компостирование.

53

Компостирование – это биотермический процесс разложения органических веществ осадков, осуществляемый под действием аэробных микроорганизмов с целью обеззараживания, стабилизации и подготовки осадков к утилизации в качестве удобрения. Аэробный процесс разложения органического вещества сопровождается выделением теплоты.

Наиболее простой метод – полевое компостирование – давно используется в сельском хозяйстве для получения компоста из торфофекальных смесей. Исследования, проведенные в 70-х годах в США, Франции Финляндии и Японии показали, что компостирование позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы на обеззараживание осадков и улучшить их санитарно-гигиенические показатели (вследствие гибели болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов и личинок мух). В процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов происходит потребление и расход органических веществ, поэтому биотермический процесс наиболее эффективен при компостировании сырых несброженных осадков. Однако он применяется в комбинации с аэробным сбраживанием осадков в мезофильных условиях. В связи с тем, что процесс эффективен лишь при определенной влажности осадков (не превышающей 60%), компостированию целесообразно подвергать осадки, механически обезвоженные или подсушенные на иловых площадках.

Для создания пористой структуры осадка требуемой влажности и оптимального соотношения углерода и азота, обеспечивающих проведение биотермического процесса в аэробных условиях, компостирование осадков следует осуществлять в смеси с наполнителями. Наиболее благоприятное соотношение углерода и азота 20:1–30:1.

Благодаря удалению влаги из осадка в процессе компостирования готовый компост получают в виде сыпучего материала влажностью 40–50%. Вследствие снижения влажности и распада органических веществ объем компоста уменьшается, в результате чего сокращаются транспортные

54

расходы на его перевозку. Готовый компост не имеет запаха, не загнивает и является хорошим удобрением.

В последние годы разработаны и применяются различные методы компостирования осадков. Наибольшее применение получил метод компостирования в штабелях, формируемых на площадках с водонепроницаемым покрытием (асфальтированных или бетонных), рассчитываемых на нагрузку от применяемых механизмов и массы штабелей.

Большой интерес представляет разработанная и применяемая в ряде стран технология разведения червей на отходах, получившая название вермикомпостирование. Она основана на использовании биологической способности червей заглатывать и, в процессе своей жизнедеятельности, перерабатывать большое количество органических остатков из отходов. Важным является также то обстоятельство, что микроорганизмы, развивающиеся в компостах, способствуют переводу части токсичных форм тяжелых металлов в малоподвижные соединения. Получаемый методом вермикультуры компост оказывает многостороннее положительное действие на почвы. Для осуществления процесса компостируемую массу укладывают

вбурты высотой 0,4–0,5 м, которые хорошо аэрируются, периодически перелопачиваются и увлажняются (влажность 65–75%). В массу вносится 1– 2 кг/м3 червей. В процессе их жизнедеятельности плотность заселения компостируемой массы червями достигает 30 тыс. экземпляров на 1 м3. Органическое удобрение, получаемое через 3–4 мес., по ряду показателей превосходит компост, получаемый традиционными методами. Кроме того, дождевые черви могут применяться в качестве высокопротеиновой добавки

вкорм скота и птицы. Однако для широкого использования червей в качестве кормовых добавок необходимо решить вопросы очистки их от субстрата, сушки, измельчения и т.д..

Втаблице 6 приведены сравнительные характеристики методов обеззараживания осадков сточных вод.

10

Таблица 6

Сравнительная характеристика методов обеззараживания механически обезвоженных осадков сточных вод (влажностью 70-80 %)

56

2.1.4. Методы детоксикации ОГСВ

Токсичность осадка, как было показано выше, обусловлена главным образом токсичными ионами и соединениями тяжелых металлов. Основную опасность представляют ионы и соединения кадмия и свинца. Для них средняя летальная доза при попадании в желудок LD(50) = 5.10-4 – 6,5.10-4 моль/кг. Для ионов и соединений хрома и никеля LD(50) = 1.10-3 – 1,5.10-3 моль/кг. Ионы и соединения кобальта, меди и цинка, известные как микроэлементы, также токсичны.

Снижение или подавление токсического действия ионов и соединений металлов возможно двумя путями – извлечением ионов и соединений из осадка до величин ПДК, либо химическим и биологическим маскированием без извлечения из осадка. Последнее предусматривает образование в осадке устойчивых нетоксичных соединений, при диссоциации которых концентрации ионов металлов были соизмеримы или ниже ПДК.

Извлечение ионов металлов из коллоидных частиц осадка аналогично извлечению или эллюированию ионов металлов из ионообменных смол и полимерных сорбентов. Для их извлечения используются специальные реагенты – эллюенты. Они подразделяются на катионообменные и комплексообразующие. Принцип действия первых – замещение иона металла в сорбенте на другой катион, в частности на ион водорода. Действие вторых основано на разрыве межмолекулярных связей между ионом и сорбентом и связывании иона в растворимые не абсорбируемые комплексы. Извлечение проводится путем промывки обезвоженного осадка растворами кислот или комплексообразующих реагентов на специальной установке или дренируемой карте. Растворы, содержащие соли или комплексы металлов, утилизируются с регенерацией или без регенерации реагентов. В случае использования азотной кислоты

57

удаление металлов до требований ПДК достигается при рН<2. Серная кислота эффективна при тех же значениях рН. Однако ее применение ограничено по причине малой растворимости сульфата свинца.

Эффективными комплексообразующими реагентами являются комплексоны – трилон-Б и т.п. Вместе с тем детоксицирование осадка методом извлечения ионов металлов не находит распространения. Это трудоемко. При промывке кислотами возникает проблема их нейтрализации и утилизации с выделением солей металлов. Использование осадков, содержащих тяжелые металлы выше ПДК, как нерудного сырья не эффективно по причине малого содержания металлов и сложности их извлечения. Утилизация растворов после извлечения металлов требует больших расходов энергии, продолжительна, требует использования дорогостоящих реагентов.

Специалисты Мосводоканала совместно с Мосводоканал-НИИ проектом разработали реагентно-биологический метод обезвреживания, заключающийся в том, что к сброженному осадку сточных вод, поступающему из метантенков в специальный бункер, добавляют соли железа и раствор серной кислоты до рН = 2,5 - 3,0 с аэрацией реагентной смеси. Отделенный на пресс-фильтре осадок обрабатывался известняком. Из раствора обработки ОСВ выделялись гидрооксиды металлов. Обезвреженный таким образом ОСВ можно использовать в качестве удобрения в сельском хозяйстве.

В НГТУ (г. Н. Новгород) предложен метод обработки осадка кислыми растворами с переводом ионов металлов в жидкую фазу, последующим отделением ее и утилизацией ценных компонентов. В предлагаемой технологической схеме обезвреживания осадков сточных вод изменяются не только физико-химические, но и агрохимические параметры ОГСВ. В начале осадок обрабатывается раствором серной кислоты при температуре 45–60°С в течение 2 ч. При этом в раствор переходят практически все ионы

58

тяжелых металлов и частично гуминовые соединения. Одновременно происходит и обеззараживание. Для более полного их извлечения и более экономичного использования раствора серной кислоты применяется метод противотока, т.е. одной порцией раствора последовательно обрабатывается несколько порций осадка с корректировкой рН раствора. Содержание ИТМ в осадке значительно снижается и приближается к значениям ПДК в почве. Если до обработки осадок содержал 0,05 % ионов кадмия, то после обработки их количество уменьшилось до 0,0002 % (абсолютно сухая масса).

В целом методы детоксикации, направленные на извлечение токсичных элементов из общей массы осадка (например, катодное извлечение тяжелых металлов, обработка реагентами) требуют больших энергетических и материальных затрат и не могут рассматриваться в качестве приемлемых методов на городских станциях аэрации большой мощности.

2.2. Обработка осадков аминокислотными композициями

2.2.1. Дегельминтизация осадков аминокислотными композициями

Одним из способов обработки осадков сточных вод, обеспечивающих совместно антибактериальную обработку, дегельминтизацию и детоксикацию осадка, является обработка осадков аминокислотными комплексами металлов и композициями солей аминокислот, при таком способе обработки сохраняется химический состав осадков и его ценные агрохимические свойства.

Для подавления патогенной микрофлоры и яиц гельминтов необходимы реагенты с реакционной способностью преимущественно к белкам. В таком случае доза для поражения микроорганизма будет зависеть

59

от его размера и доли белка в оболочке. В первую очередь будут поражаться организмы патогенной микрофлоры независимо от вида и формы, затем яйца гельминтов и представители промежуточной микрофлоры, далее представители гидрофлоры и т.д.

Для антибактериальной обработки и дегельминтизации осадка наибольший интерес представляют гидроксоаминокислотные комплексы металлов MLOH, где М=Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cr3+, L- - анионы аминокислоты – глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина и др.

Основу процесса реагентного обеззараживания и дегельминтизации составляет взаимодействие гидроксоаминокислотных комплексов меди с аминокарбоксильными группировками белков оболочки патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Данные группировки ответственны за транспорт веществ внутрь клетки и из нее, и для простейших микроорганизмов связывание группировки комплексами приводит к нарушению обмена с внешней средой и гибели.

Взаимодействие комплексов с группировкой белка протекает в соответствии с реакцией:

Летальная доза зависит от размера микроорганизма. Чем меньше микроорганизм, тем меньше для него летальная доза. Дозы, при которых погибают вирусы, патогенная микрофлора и яйца гельминтов недостаточны для гибели более крупных представителей естественной микрофлоры и более сложных организмов. Гибель микроорганизмов и яиц гельминтов происходит в течение 40-60 минут после контактов комплексов с оболочкой. Процесс взаимодействия ускоряется под действием солей

60

пептидов, проникающих в жировой слой оболочки и разрыхляющих его. Жизнедеятельность погибших микроорганизмов и яиц гельминтов не возобновляется.

Для многоклеточных и более сложных организмов комплексы, попавшие в организм в результате перераспределения между фибриллярными белками, в конечном итоге переходят в кожный и волосяной покровы и по мере их обновления тоже выводятся из организма, а также концентрируются в твердых выделениях (фекалиях) и выводятся с ними из организма, практически не влияя на важнейшие жизненные функции.

Доза реагента для антибактериальной обработки и дегельминтизации установлена экспериментально. Для 100 % подавления патогенной микрофлоры и яиц гельминтов необходима доза не менее 8-10 л (в виде 1 моль/л гидроксоаминокислотных комплексов меди) на 1 т осадка в виде сухого вещества.

Наибольшей бактерицидной способностью обладают комплексы меди. Комплексы меди характеризуются наибольшей величиной константы равновесия реакции образования соединений аминокислотных комплексов металлов с аминокарбоксильными группировками белка. Это означает, что среди всех комплексов комплексы меди будут связывать группировки наиболее прочно, или при одинаковых концентрациях комплексов разных металлов комплексы меди свяжут большее число группировок, чем комплексы других металлов. В связи с этим для практического применения выбран реагент в виде жидкой суспезии, содержащий композицию комплексов CuLOH с анионами разных аминокислот с мольным содержанием комплексов не менее 1 моль/л (название состава – ММЭ-Т).

После добавления комплексов в количествах, обеспечивающих подавление патогенной микрофлоры и яиц гельминтов, изменяется запах осадка - исчезает специфический фекальный запах и появляется запах