Совершенствование технологий и систем обра ботки осадка при очистке сточных вод, получение и апробация комплексного удобрения
На правах рукописи
СТЕПКИНА Юлия Андреевна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ ОБРА БОТКИ ОСАДКА ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД, ПОЛУЧЕНИЕ И АПРОБАЦИЯ КОМПЛЕКСНОГО УДОБРЕНИЯ Специальность: 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Волгоград 2009 2
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная ака демия»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель Российской Федерации Пындак Виктор Иванович
Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации Григоров Михаил Стефанович;
кандидат технических наук, профессор, почётный работник высшего профес сионального образования Российской Федерации Доскина Эльвира Павловна
Ведущая организация: ГНУ «Поволжский научно-исследова тельский институт эколого-мелиоратив ных технологий» РАСХН
Защита состоится « 19 » октября 2009 г. в 10 ч. 15 мин. на заседании диссерта ционного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сель скохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский просп., 26, ВГСХА.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГСХА.
Автореферат разослан « 16 » сентября 2009 г. и размещен на сайте http://www.vgsha.ru.
Учёный секретарь диссертационного совета, доктор с.-х. наук, профессор А.И. Ряднов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современных условиях с возрастающими масштабами проявляется деградация почв. Это относится и к Нижнему Поволжью;
в частности, в Волгоградской области разной степени деградации подвержено примерно 74% пашни.
В регионе имеются и многочисленные экологические проблемы.
В большинстве крупных сельскохозяйственных производств заметно сократи лось внесение на поля органических удобрений, прежде всего навоза, а также мине ральных удобрений. Между тем, на станциях биологической очистки бытовых сточ ных вод накапливаются иловые осадки – отходы производства. Однако при действую щих технологиях очистки осадки включают избыточное количество тяжелых метал лов, некачественную органику и патогенную микрофлору. Поэтому осадки не находят должного применения в качестве удобрений в сельском и городском хозяйствах.
Разработанный с нашим непосредственным участием метод аэробной фермент но-кавитационной обработки исключает указанные серьёзные недостатки. Это вписы вается в ныне декларируемые принципы восстановления и поддержания плодородия почв биологическими методами, в том числе за счёт нетрадиционных методов. Весьма важно, что в засушливых условиях Нижнего Поволжья полученный по новой техноло гии осадок стимулирует самомелиорацию и гумификацию почв, при этом «попутно» решается проблема «отходов производства» в виде осадка. Названная проблема, без условно, относится к числу особо актуальных.
Цель и задачи исследования. Разработка аэробного ферментно-кавитационного метода как основы совершенствования технологий и средств обработки илового осад ка при биологической очистке бытовых сточных вод, получение гумусоподобного осадка, пригодного (после сушки) для использования в качестве органо-минерального удобрения, экспериментально-теоретические исследования по взаимодействию осадка с бедной гумусом почвой и подтверждение эффекта микромелиорации и гумификации при возделывании озимой пшеницы в засушливых условиях.
В соответствии с поставленной целью задачи исследования формулируются сле дующим образом:
1. Осуществить совершенствование технологий и технических средств биологи ческой очистки бытовых сточных вод, обратив особое внимание на компактность соо ружений и их экологичность, повышение эффективности обработки избыточного ак тивного ила (осадка).
2. Разработать и довести до практической реализации аэробный ферментно-кави тационный метод обработки илового осадка, как составную часть способа биологиче ской очистки сточных вод.
3. Совершенствовать принципы повышения качества осадка за счет глубокой переработки органических веществ, снижения содержания тяжелых металлов, полного подавления патогенной микрофлоры при уменьшении влажности выгружаемого на иловые площадки осадка.
4. Провести анализ и уточнить физико-химические и биологические процессы, протекающие на станциях очистки при ферментно-кавитационной обработке осадка, в том числе путем экспериментальных исследований.
5. Провести агробиологические, физико-химические и санитарно-эпидемиологи ческие исследования высушенного осадка на предмет его использования в качестве ор гано-минерального удобрения.
6. Выполнить цикл полевых исследований и опытов по возделыванию озимой пшеницы с использованием осадка в качестве удобрения при различных способах основной обработки почвы.
7. Выполнить экспериментально-теоретические исследования по процессам вза имодействия осадка с бедной гумусом почвой и обосновать возникновение эффекта микромелиорации и гумификации при возделывании зерновых колосовых культур в засушливых условиях, определив при этом роль серы.
8. Определить качественные и физико-химические показатели почвы в процессе и после завершения вегетации озимой пшеницы, а также урожайность последней при использовании осадка.
9. Предложить перспективные технологии получения комплексных удобрений на основе осадка и способы их заделки в почву.
10. Определить эффективность нового метода обработки осадка, в том числе при использовании осадка в качестве удобрения в засушливых условиях.
Объекты и предмет исследования. Технологические и технические решения по системам очистки сточных вод производительностью до 10 тыс. м3/сутки с реализаци ей аэробного ферментно-кавитационного метода обработки илового осадка.
Научная новизна. Предложен и реализован аэробный ферментно-кавитацион ный метод обработки илового осадка при биологической очистке бытовых сточных вод, обеспечивающий снижение энергозатрат, влагоемкости осадка, концентрации тя желых металлов, токсичных веществ, при повышении содержания серы, полное обез зараживание, глубокая переработки органики, что достигается за счёт применения ка витации низкой интенсивности, повышения каталитических свойств ферментов и окислительной способности активного ила. В результате этого после внесения полу ченного осадка в светло-каштановые почвы проявляется эффект микромелиорации и гумификации.
На защиту выносятся следующие научные и технические результаты:
1) совершенствование технологий и систем биологической очистки бытовых сточных вод путем разработки и внедрения аэробного ферментно-кавитационного ме тода обработки илового осадка;
2) получение на основе указанного метода глубоко минерализированного и об работанного осадка, пригодного для использования в качестве органо-минерального удобрения;
3) экспериментально-теоретические исследования по взаимодействию осадка с бедной гумусом светло-каштановой почвой, выявление и интерпретация эффекта ми кромелиорации, гумификации и роли серы при возделывании зерновых колосовых культур;
4) перспективные удобрительные композиции на основе осадка, проблемы и возможности повышения плодородия почв и урожайности сельхозкультур.
Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтвер ждена практикой строительства новых и модернизации действующих систем очистки сточных вод, полевыми опытами при возделывании озимой пшеницы в засушливых условиях, экспериментально-теоретическими исследованиями с использованием зако номерностей механики, химии, почвоведения и микробиологии, многочисленными анализами осадка и почвы, выполненными аккредитованными органами Госстандарта России, а также апробацией на научно-практических конференциях и международных конгрессах.
Практическая значимость. Реализовано перспективное направление в созда нии и развитии систем биологической очистки бытовых сточных вод для сельских на селенных пунктов. Полученный по новой технологии осадок, обеспечивает повыше ние урожайности сельхоз культур.
Реализация работы. На создаваемые с участием автора «Комплексные сооруже ния и установки для очистки сточных вод» разработаны и внедрены ТУ. Имеются сер тификаты, выданные органами Госстандарта России о соответствии этих сооружений, включая санитарно-эпидемиологические, а также о соответствии очищенной воды тре бованиям стандартов. Получены сертификаты соответствия на иловый осадок. По проектам автора построены новые и реконструирован ряд действующих станций очистки, в том числе для сельских потребителей –21 станция производительностью 40...3600 м3/сутки: ст. Новоминская Краснодарского края, п.г.т. Новоаннинск Волго градской обл., п. Новомихайловский Краснодарского края, Тамбовский спиртзавод, са наторий «Топаз» Кемеров. обл., санаторий «Туманный» р. Хакасия, оздоровит.
комплекс «Бор», п. Целина Ростовской обл., п. Копьево р. Хакасия, Вынгапуровский газовый комплекс, пункт налива газового конденсата, г. Славянск-на-Кубани, пансио нат «Звездный» Краснодар. Края, с. Селявное-1 Воронеж. обл., школа и пос. Громадск Краснояр. края, пос. Алексеевка Саратов. обл. В опытно-промышленном порядке вне дрена высокоэффективная технология возделывания озимой пшеницы на светло-каш тановых почвах в засушливых условиях с использованием осадка.
Апробация работы. Авторские разработки демонстрировались на выставках и инновационных форумах в Волгограде (2005-2007), в Москве (2005, 2008) и в Ижевске (2006). Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Меж дународных конгрессах ЭКВАТЭК (М., 2004, 2006, 2008);
Международных научно практических конференциях (Волгоград, 2004, 2005;
Астраханская область, 2008);
Все российских научно-практических конференциях (Волгоград, 2004, 2005;
Ижевск, 2006);
международных научно-технических совещаниях (Энгельс, 2005-2008;
Любля ны, 2005;
Киев, 2006-2008;
Ташкент, 2008;
Волгоград и др.);
Региональных конферен циях молодых исследователей Волгоградской области (2005, 2007);
научной конферен ции Волгоградской ГСХА (2007).
В полном объеме диссертация доложена и одобрена на научном семинаре в Вол гоградской ГСХА (2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 работ, из них 3 в изданиях ВАК. Получено 15 патентов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Современное состояние проблемы и задачи исследования Современные станции очистки бытовых сточных вод основаны на различных технологиях биологической обработки поступающего субстрата. «Продуктами» обра ботки являются условно чистая вода, сбрасываемая в проточные водоёмы, и иловый осадок. Известные специалисты, в их числе С.В. Яковлев и его соавторы разъясняют, что биологические методы основываются на естественных процессах жизнедеятельно сти гетеротрофных микроорганизмов. Наиболее полным является процесс аэробного окисления, его продукты СО2, Н2О и др. не способны к дальнейшему разложению.
По современным представлениям, активный ил – это скопление микроорганиз мов, в которых клетки окутаны густой «паутиной»;
суммарная поверхность микроор ганизмов достигает 100 м2 на 1 грамм сухого вещества ила. Это объясняет огромную сорбционную способность ила и необходимость перемешивания содержимого бассей на.
На большинстве станций очистки в нашей стране и за рубежом применяется про цесс анаэробного сбраживания и обработка осадков в метантенках. Но этот процесс характеризуется повышенной удельной энергоёмкостью за счёт нагрева воды и работы воздуходувок, длительностью обработки осадка (или отсутствием таковой обработки) и выделением метана и других газов. При аэробной минерализации (стабилизации) осадков, при снижении энергоемкости и времени протекания процессов, достигается образование биологически стабильного, гумусоподобного продукта и исключение взрывоопасных и токсичных газов. Но известные нам технологии не в полной мере от вечают современным требованиям, в частности не достигается качественная обработка осадка. Содержание органики в иловом осадке фиксируется в широком диапазоне – от 15 до 80% при влажности 35...50%. Чем больше органики, тем ниже качество обра ботки осадка;
необработанный осадок приносит мало пользы в случае его использова ния в качестве удобрения.
Для сельскохозяйственного использования осадков разработаны и действуют ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, СанПиН 2.3.2.560-96 и другие нормативные документы. Одна ко подобные стандарты являются сдерживающим фактором в использовании осадков в качестве удобрений. Например, ГОСТ допускает наличие в осадке... патогенной ми крофлоры.
За рубежом основной объём осадка сжигают;
в СНГ осадок накапливается (толь ко в столичных городах его утилизируют), повсеместно проводятся поисковые поле вые исследования по использованию осадка. Среди многочисленных публикаций по этой проблеме можно выделить работы Л.Д. Варламовой, Д.Н. Гостищева, Е.П. Пах ненко, В.А. Пилюгина, В.И. Титовой, Т.С. Толстовой, Л.Н. Шмыгля и многих других.
Проблемы использования условно чистой воды для орошения (после очистки сточных вод) решают коллективы под руководством М.С. Григорова, А.С. Овчинникова, Э.Б.
Серикбаевой и других.
Результаты полевых опытов разноречивые и неоднозначные. Например, при вне сении осадка 20...60 т/га повышается выход соломы льна-долгунца на 14%;
зеленой массы суданской травы на 81,5%;
озимой пшеницы на 30,8%;
кормовой травы на 28...91% и т.д. Некоторые авторы рекомендуют: при высоком содержании «органики» (до 80%) осадок вносить 1 раз в 4 года – для предотвращения... деградации почвы. За мечено, что после использования осадка в качестве удобрения в почве наступает дефи цит калия и некоторый избыток фосфора.
При изучении источников в основном возникают вопросы, а не ответы. Напри мер: как повысить качество осадка, в том числе привести в норму содержание тяжелых металлов;
за счёт каких факторов повышается урожайность сельхозкультур;
какую роль играет основная обработка почвы (в сочетании с осадком);
какому процессу очистки сточных бытовых вод отдать предпочтение;
каковы направления совершен ствования этих процессов.
По результатам обзора состояния проблемы и выявления недостаточно изучен ных процессов сформулированы задачи исследований (10 пунктов).
2. Совершенствование технологий и систем очистки сточных вод, разработка и внедрение ферментно-кавитационного метода обработки осадка Нами предложен и реализован аэробный ферментно-кавитационный метод обра ботки осадка при биоочистке сточных вод, его высокий технический уровень подтвер ждается изобретениями. Одним из элементов новизны является вертикальное (башен ное) исполнение резервуаров-реакторов (высотой до 10...12 м), благодаря чему пло щадь станции очистки снижается в 4...5 раз.
Особенности предложенного метода: генерирование пагубной для патогенной микрофлоры кавитации низкой интенсивности (с числом кавитации 0,02...0,05);
высо кая минерализация осадка, достигаемая за счёт оксиджетов с эжекторами (при отсут ствии перегретого пара и энергоёмких воздуходувок);
повышение каталитических свойств ферментов;
увеличение окислительной способности активного ила.
Обобщённая технологическая схема очистки бытовых сточных вод представлена на рис. 1.
Система вертикального типа включает насосы с турбуджетом, именно здесь генерируется низкая кавитация, под действием которой активный ил переходит во вспухшую форму с высокой окислительной способностью. Водовоздушная кавитаци онная смесь посредством эжекторов (оксиджетов) заполняет главные вертикальные биореакторы, в том числе аэробный стабилизатор, где наиболее интенсивно происхо дит обработка выпадающего осадка.
Одновременно с процессом аэробной деструкции органических веществ проис ходят процессы удаления соединений азота, который в сточных водах находится в + виде ионов аммония NH. Преобразование аммония в нитриты осуществляется в две стадии:
NH+4 + 3/2О2 NО 2 + Н2О + 2Н+;
NО2 + 1/2О2 NО 3. (1) Суммарно процесс нитрификации выражается уравнением:
NH+4 + 2О2 NО 3 + Н2О + 2Н+. (2) Из (1), (2) следует, что реакции происходят под действием кислорода, которого в 8…10 раз больше за счёт работы эжекторов (без энергозатрат). Вследствие этого прак тически полностью перерабатываются и утилизируются загрязняющие органические вещества (не являющиеся удобрениями).
В процессе денитрификации:
2NО 3 + 5/6СН3 ОН N2 + 5/6 СО2 + 2ОН + 5/6Н2О (3) продолжается деструкция органики с выделением свободного азота N2, при этом роль окислителя играют ионы нитратов. В (3) СН3 ОН органическое вещество, в данном случае метанол.
Рисунок 1 Схема очистки бытовых сточных вод Разрабатываемые нами в блочно-модульном исполнении станции очистки для сельских и других потребителей рассчитаны на производительность 40...4000 м3/сут.
(по ТУ – до 10 тыс.);
реконструкции подвергаются очистные сооружения большей мощности. Биореакторы (ёмкости) выполняются в закрытом исполнении;
типовой размер площадки составляет в основном 20 х 40 м. Блоки станции высокой заводской готовности перевозят автотранспортом, наши станции можно устанавливать Непосред ственно в микрорайонах, жилой и промышленной застройках, на окраине поселения (рис. 2).
250 м3/сутки 700 м3/сутки 4000 м3/сутки 500 м3/сутки 1000 м3/сутки Рисунок 2 Малогабаритные станции биологической очистки в вертикальном исполнении для сельской местности Отмечалось, что число кавитации в наших системах Кб 0,05 (в обычных насо сах Кб = 4...6). Число кавитации это:
, (4) где ро, рб – абсолютное давление соответственно за пределами ядер кавитации и в каверне (пузырь ке);
– удельный вес жидкости;
Vо – скорость невозмущённого потока жидкости.
В соответствии с (4) и особенностями нашей системы снижение Кб достигается за счёт возрастания давления рб в каверне, при этом (ро – рб)О, и за счёт многократ ного увеличения скорости Vо потока жидкости посредством турбуджетов и оксидже тов. При очистке сточных вод ядра кавитации возникают вокруг патогенной микро флоры (уничтожают её при схлопывании каверн) и вокруг взвешенных частиц соиз меримых размеров (разрушают их).
В турбуджетах засасывание жидкости в насосы осуществляется посредством переходника с эксцентричными отверстиями разного диаметра и с профильными эле ментами на стенках переходника в виде фрагментов спирали Архимеда. На конечных участках корпуса (переходника) турбуджета D1 = 100 мм;
D2 = 200 мм.
Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости:
. (5) Важным следствием из этого уравнения является соотношение:
, (6) т.е. средние скорости потока обратно пропорциональны соответствующим площадям живого сечения.
На основании названных диаметров, после этого А2 / А1 = V1 / V2 = 4. Но в уравнении (4), в знаменателе значится квадрат скоро сти. Тогда, т.е. только за счёт увеличения скорости в турбуджете число Кб уменьшается в 16 раз.
Дальнейшее увеличение скорости происходит в эжекторах. Здесь D1 = 70 мм;
А1 = 3846,5 мм2;
D2 = 250 мм;
А2 = 49062 мм2;
А2 / А1 = V1 / V2 = 12,755.
Или, переходя к квадратам скоростей,. Соответствующие квадраты скоростей турбуджета и оксиджета перемножаются. Это и есть доказательство крайне низких значений чисел кавитации, которые решают проблемы качественной и скоро течной обработки субстрата и илового осадка (в сочетании с избытком кислорода).
Разработана расчётная схема движения водовоздушной смеси на станции. Ис пользовано уравнение Бернулли, которое на каждом участке имеет свои особенности (изменяются координаты Z1 и Z2 от Н до +Н, где Н – высота подъема (опускания) смеси, а также давление, скорость и плотность самой смеси). В завершение задачи определяется скорость движения смеси на последнем (нисходящем) участке:
V6 =, (7) где 1,1 – коэффициент кинетической энергии.
Разработано 20 показателей качества сточных вод, в их числе: показатель рН;
окисляемость;
ХПК;
БПК;
хлориды и сульфаты;
тяжёлые металлы;
растворённый кис лород и др. Показана роль ферментов и микроорганизмов в субстрате;
установлено, что при низкой интенсивности кавитации (Кб = 0,02…0,05) стимулируется рост ми кроорганизмов.
Содержащийся во всех живых организмах глутатион и глутаминовая кислота играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях:
– 2H 2GS GS – SG;
СООН = СН2 = СН2 = СН(NН2) = СООН. (8) H + 2H Здесь G слева восстановленная форма, справа – окисленная форма.
Аэробная стабилизация осадков под влиянием ферментов:
окисление органики в иловой смеси:
С5Н7NО2 + 5О2 5СО2 + 2Н2О + NН3;
(9) дезаминирование аминокислот:
RCHNH2COOH + H2O RCHOHCOOH + NH3;
(10) RCHNH2COOH + О2 RCООH + NH3 + СО2;
окисление аммиака NН3:
2NН3 +7/2О2 = 3Н2О + 2NО2. (11) В процессе экспериментальных исследований ставилась задача: подобрать та кое давление перед эжекторами, при котором процесс обработки осадка (по критерию ХПК) занимал бы минимум времени. Результаты исследований показаны на рис. 3, из которого следует: при давлении субстрата перед эжекторами 0,30 и 0,35 МПа – время выхода на постоянные значения ХПК ( 16%) составляет 10 часов. При снижении давления продолжительность обработки осадка увеличивается, а при давлении 0, МПа обработку осадка пришлось прекратить. На иловой площадке продолжается за тухающий процесс обработки осадка, при этом ХПК несущественно снижается. Тогда ХПК и содержание органики в осадке сравниваются:
ХПК органика 15%.
ХПК, % Время, часы Рисунок 3 Изменение ХПК Рисунок 4 Изменение скорости осаждения в зависимости от давления во времени субстрата в зависимости от давления во времени Определяли также скорость осаждения осадка при его обработке, это один из важнейших показателей стабилизации осадка. Максимальная скорость осаждения осадка (мм/час) наблюдается через 8…9 часов – при давлении 0,30 и 0,35 МПа (рис.
4). Это фиксируется экстремумом соответствующих кривых, после это процесс за медляется. При давлении перед эжекторами 0,20 МПа скорость осаждения практиче ски не изменяется – стабилизация осадка не происходит.
Следовательно, при ферментно-кавитационном способе обработки осадка необ ходимо поддерживать определённые технологические режимы, в их числе давление субстрата перед эжекторами и время обработки. В противном случае получается нека чественный осадок с высоким содержанием «органики». Установленное нами количе ство органического вещества в осадке ( 15%) – это и есть критерий качественной об работки осадка и высокие агрофизические свойства самого осадка.
3. Лабораторные и полевые исследования по использованию в качестве удобре ния илового осадка, полученного после биологической очистки сточных вод Высокое качество илового осадка после аэробной ферментно-кавитационной обработки характеризуется, прежде всего, низким содержанием органики ( 15%), ко торая представлена в глубоко переработанном виде, доступном растениям и почвен ной микрофлоре. Основные показатели осадка сведены в таблицы 1 и 2.
Таблица 1 Результаты контроля физико-химических показателей илового осадка Контролируемые показатели Значения по НТД Фактич. значения рН солевой, ед. 5,5-8,5 6, Влага, % 82 Орган.вещество, % 20 Азот общий, % 1,0 2, Фосфор общий, % 4,0 4, Калий общий, % 0,3 1, Сера подвижная, мг/кг не норм. Медь подвижная, мг/кг не норм. 8, Цинк подвижный, мг/кг не норм. 35, Кобальт подвижный, мг/кг не норм. 0, Марганец подвижный, мг/кг не норм. 56, Патогенная микрофлора допускается см. ниже Таблица 2 Результаты контроля илового осадка на содержание тяжёлых металлов, мг/кг Контролируемые показатели Значения по НТД Фактич. значения Свинец 1000 68, Кадмий 30 30, Цинк 4000 684, Медь 1500 137, Ртуть 15,0 0, Кобальт не норм. 6, Мышьяк 20,0 2, Марганец 2000 390, Никель 400 136, Фтор 10,0 1, Радий-цезий (134+137), Бк/кг не норм. 10, У ГХЦГ 0,1 не обнар.
В связи с высоким качеством осадка его показатель по органическому веществу формально не соответствует НТД (20%), но по показателям азота и калия осадок су щественно превосходит НТД. Свой осадок мы трактуем как комплексное органо-ми неральное удобрение, а НТД (ГОСТ, СанПиН) разработаны на органическое удобре ние в то время, когда при неудовлетворительной обработке осадка, содержание «орга ники» зачастую превышало 60% при недостатке минеральных элементов. Комплекс ный характер удобрения подтверждается наличием микроэлементов, часть которых представлена в табл. 1.
Слева:
Рисунок Иловая Осадок на карта, иловой кар W = 80-85% те и в буртах Справа:
(после Иловый сушки) осадок, W = 55-60% Ещё одной особенностью осадка, обработанного по нашей технологии, является аномально высокое содержание серы – около 2-х г/кг. О наличии серы в осадке в из вестной нам литературе не упоминается. Сера, как известно, присутствует во всех жи вых организмах, является биогенным элементом, входя в состав аминокислот, белков, ферментов и т.п. Для растений сульфат серы SО4 2 – важнейший источник минераль ного питания.
Без доступа кислорода сера участвует в процессах гниения, образуя сероводо род:
H2S H2 + S (12), а во влажной среде свежевыгруженного осадка, насыщенного кислородом, вновь об разуется сера:
2H2S + О2 2S + 2H2O. (13) Проверку эффективности илового осадка в качестве удобрения проводили на светло-каштановой почве в Нижне-Волжском НИИСХ путём возделывания озимой пшеницы Дон-93. Норма внесения осадка влажностью 35% перед основной обра боткой почвы – 20 т/га.
4 3 2 А1;
Б1 А1;
Б2 А2;
Б1 А2;
Б 1...4 – номера участков;
А1 наличие осадка;
А2 отсутствие осадка (контроль);
Б1 глубокое чизельное рыхление на 37...40 см наклонными стойками с оборотом верхнего (взрыхлённого) слоя почвы на глубину 15 см (чизельно-отвальная обработка);
Б2 мелкая обработка посредством БДТ на глубину до 10 см.
Рисунок 6 – Схема полевых опытов Сочетание А1Б2 формировало мульчирующий слой с осадком на поверхности почвы (в основном). При сочетании А1Б1 осадок заделывали на глубину 10...15 см.
На всех участках 1...4 посев озимой пшеницы проводили однотипно сеялкой СЗС-2,1. Посев проводили в 2006 году в сухую почву (осень этого года была засушли вой). Это не повлияло на дружные всходы на участках 3 и 4 с осадком. При отсут ствии осадка слабые всходы «появились» лишь в ноябре – после обильных дождей.
Основная вегетация озимой пшеницы – в следующем 2007-м острозасушливом году.
Результаты контроля почвы осенью и весной показаны в табл. 3, из которой сле дует, что при наличии в почве осадка отмечается повышенное содержание фосфора (весной и осенью), а азот, гумус и сера превалируют в основном осенью. На опытных участках было высокое содержание природного калия (табл. 3), поэтому дополнитель ный калий (этого требует осадок) не вносили.
Таблица 3 Результаты контроля показателей почвы с осадком и без него Время Влага Сера Участок Тип обработки, Фосф Ка- Гу- Желе- Влага отбо- Азот, нату- под наличие осадка, ор, лий, мус, зо, общая, ра мг/кг рал., виж., глубина отбора проб мг/кг мг/кг % мг/кг % проб % мг/кг 3 Осень Мелкая обработка + осадок 264,5 560 414,6 6,78 23150 Не определяли 2 Осень Глубокое рыхление (контроль) 46,3 554 100,8 2,47 20223 Не определяли 69, 4 Осень Глубокое рыхление + осадок 205,5 618 461,8 6,42 22635 Не определяли 3 Весна Мелкая обр. + осадок, 0-5 см 231,6 600 349,8 4,67 23928 21,18 16,45 3 Весна Мелкая обр. + осадок, 10-20 см 238,0 600 294,0 3,94 24680 27,91 23,65 2 Весна Глуб. рыхление(контроль), 0-5 см 52,9 614 114,8 2,29 18960 19,17 15,96 44, 2 Весна Глуб.рыхление(контроль),10-20см 51,6 592 98,0 2,20 19493 20,36 18,95 16, 4 Весна Глуб. рыхление + осадок, 0-5 см 197,5 578 221,2 3,02 21672 23,84 20,83 4 Весна Глуб.рыхление + осадок, 10-20 см 205,5 478 182,0 3,11 20867 24,99 20,10 Всходы озимой пшеницы (рис. 7, слева) и снопы молочно-восковой спелости (справа) наглядно показывают развитие растений и виды на урожай. Урожайность ха рактеризуется следующими данными:
участок 1 (мелкая обработка, без осадка, контроль) – 5,7 ц/га;
участок 3 (та же обработка, с осадком в виде мульчирующего слоя) – 49,3 ц/га;
участок 2 (глубокое рыхление, без осадка) – 8,3 ц/га;
участок 4 (та же обработка, с осадком) – 46,8 ц/га.
Крайне низкая урожайность на участках без осадка объясняется острой засухой и отсутствием каких-либо удобрений. При мелкой обработке почвы (до 10 см), в условиях засухи, «пахотный» слой высыхает полностью и урожай погибает.
Всходы озимой пшеницы: Снопы молочно-восковой спелости, озимые 2007 г.
слева – с контрольного поля;
справа – после осадка. слева – контрольные снопы;
справа – после осадка.
Рисунок 7 – Всходы озимой пшеницы Осадок на почве и в приповерхностных слоях почвы (до 15 см) способен акку мулировать и длительное время удерживать влагу. Известно, что во влажной почве действует гравитационное, капиллярно-сорбционное и осмотическое давления, по следнее можно не учитывать. При дефиците влаги действует в основном капиллярно сорбционное давление Рк-с, которое в данном случае направлено вниз.
Осадок содержит множество микрокапилляров, выше отмечалась огромная сорбционная способность ила. Осадок засасывает в почву воздух с капельками влаги, которая присутствует на рассвете, на грани почва-атмосфера даже при засухе. Это и есть проявление эффекта микромелиорации почвы с осадком, который совместно с прекрасными агрофизическими свойствами осадка обеспечивает высокую уро жайность сельхозкультур в условиях засухи. Эффект гумификации проявляется после внесения осадка, это видно из табл. 3. Некоторое превышение в почве кадмия, цинка и серы после внесения осадка приходит в норму после завершения цикла вегетации.
В связи с высоким содержанием серы в почве с осадком и некоторым превыше нием ПДК в почве (в начале вегетации пшеницы) кадмия и цинка происходят реакции с образованием:
гриконита (сульфата) Cd + S CdS;
(14) сфелефита (сульфида) Zn + S ZnS, (15) а также образование сернокислого цинка:
Zn2+ + SO42 ZnSO4, (16) и цинкового купороса ZnSO4 7Н2О.
После этого уточнённая схема круговорота в почве и «расход» серы в первом приближении будет выглядеть как показано на рис. 8.
Рисунок Уточнённая схема круговорота и «расхода» серы Проверяли также последействие осадка, для этого на тех же опытных участках – без основной обработки почвы – в 2008 году посеяли ячмень Прерия. Анализы пока зали, что к этому времени (это был третий год использования осадка) физические свойства почвы с осадком и без него сравнялись. Но превалировало проведенное два года назад глубокое рыхление почвы: с осадком урожайность составила 28,0 ц/га, что на 73% больше, чем в контроле (то же рыхление, без осадка).
Сказалась структура почвы и её водно-воздушный режим, наличие серы и ми кроэлементов, а также ранее проведенное глубокое рыхление. На третий год исполь зования осадка, во влажный вегетационный период, сохранился эффект микромелио рации. После дождя дополнительно действует гравитационное давление, обе компо ненты давления суммируются:
Рt = Ргр + Рк-с. (17) 4. Расширение области применения илового осадка.
Примеры определения эффективности осадка Разработаны и апробированы комплексные удобрения на основе осадка: 1) с до бавлением природного минерала глауконит (в виде песка), который содержит до 10% калиевого и до 7% магниевого удобрений;
2) с добавлением того же песка и куриного помёта, последний вносится в систему очистки и обрабатывается вместе с осадком;
3) с послойным внесением в почву – посредством чизельно-отвального орудия – осад ка и углекислоты Н2СО3, которая поступает на максимальную глубину чизелевания 40 см, затем разлагается:
Н2СО3 Н2О + СО2. (18) Известно, что углекислый газ СО2 – это эффективное питание для корней рас тений и почвенной микрофлоры (содержание азота в почве кратковременно возраста ет в 4,7...6,6 раза). Калийное удобрение К2О в глауконите приемлемо для почв, где природного калия недостаточно (о том, что осадок «требует» калий уже отмечалось).
На примере очистных сооружений г. Энгельса показано, что при анаэробном сбраживании осадка для суточной обработки осадка 422,5 м3 требуется 202,5 т. пара.
Длительность обработки – 15 суток, затраты на эти операции – 17820 руб/сутки. В этом варианте осадок, как токсичный отход, складируется и практически не использу ется. Плата за размещение отходов 283,3 руб/т. При обработке и хранении осадка происходят выбросы газов, в том числе метана 178 т/год.
После модернизации станции под нашу технологию затраты на обработку осад ка составляют 2869,7 руб/сутки – в 6,21 раза меньше. Экономия достигается за счет кардинального снижения энергозатрат (пар не требуется) и сокращения времени обра ботки до 3,5 суток.
Эффект от использования осадка как удобрения при указанной выше урожайно сти озимой пшеницы – 17800 руб/га и ячменя (на третий год использования осадка) – 3000 руб/га.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Большинство сооружений биологической очистки бытовых сточных вод 1.
работает на принципе анаэробного метанового сбраживания и характеризуются высо кой удельной энергоёмкостью процессов, длительным циклом обработки образующе гося илового осадка, влажность которого после выгрузки достигает 97,5%, некаче ственной стабилизацией загрязняющих веществ и наличием в осадке патогенной ми крофлоры;
некоторые сооружения негативно воздействуют на окружающую среду.
Предложен аэробный ферментно-кавитационный метод биологической 2.
очистки сточных вод и обработки илового осадка, особенностями которого являются:
генерирование пагубной для патогенной микрофлоры кавитации низкой интенсивно сти (с числом кавитации 0,02…0,05);
высокая минерализация осадка, достигаемая за счёт оксиджетов с эжекторами (при отсутствии перегретого пара и энергоёмких воз духодувок);
повышение каталитических свойств ферментов;
увеличение окислитель ной способности активного ила.
Ферментно-кавитационный метод обработки осадка реализуется в биореак 3.
торах вертикального исполнения с насосами, кавитаторами и эжекторами, обеспечи вающими глубокую обработку (до 15% органики) и относительное обезвоживание (60…68% влажности) осадка – при давлении перед эжекторами 0,30…0,35 МПа и вре мени обработки 10 часов (при метановом сбраживании – 15 суток);
процесс отличает ся экологичностью, время сушки осадка снижается в 2 раза, очистные устройства за нимают в 4…5 раз меньше площади.
После обработки ферментно-кавитационным методом и сушки до 35% 4.
влажности, осадок – это сыпучее комплексное органо-минеральное удобрение при на личии микроэлементов и подвижных форм азота, фосфора и калия соответственно 2,54;
4,20;
1,25%;
в осадке аномально высокое содержание серы (до 2 г/кг) – это орга ническая и минеральная составляющая живых организмов и биогенный элемент;
оса док содержит микрокапилляры, при заделке в почву способен аккумулировать и удер живать влагу, обладает высокой биологической активностью;
в осадке отсутствует па тогенная микрофлора.
При апробации осадка в качестве удобрения – при возделывании озимой 5.
пшеницы на светло-каштановой почве – варьируемыми факторами были: 1) основная обработка почвы (мелкая на глубину 10 см посредством БДТ и глубокое рыхление на глубину до 40 см с оборотом верхнего взрыхлённого слоя на 15 см посредством чи зельно-отвального орудия);
2) внесение осадка перед обработкой почвы из расчёта т/га, на контрольные участки осадок не вносили.
6. Вегетация озимой пшеницы происходила в острозасушливых условиях;
в пахотном слое с осадком было некоторое превышение тяжёлых металлов – кадмия и местами цинка, которое вошло в норму после уборки урожая (в зерне и в стеблях их содержание было в пределах фоновых показателей).
Наибольшая урожайность озимой пшеницы (4,93 т/га) отмечена после мел 7.
кой обработки почвы с осадком, которые образовали мульчирующий слой, после чи зелевания с осадком урожайность была несколько меньше, на контрольных участках урожай по существу не состоялся. Высокие урожаи в условиях засухи объясняются эффектом микромелиорации – действием на осадок капиллярно-сорбционного давле ния (происходит аккумулирование влаги), а также эффектом гумификации – после по сева содержание гумуса возрастало в 2,5…2,7 раза, в дальнейшем снижалось;
свой вклад внесли структура почвы, сера, NPK осадка и микроэлементы.
После уборки озимой пшеницы основные физико-химические показатели 8.
почвы с осадком и без него почти сравнялись, лишь содержание серы было повышен ным, но в пределах нормы;
на этих участках – без основной обработки почвы – был посеян яровой ячмень (это был третий год использования осадка), здесь некоторое превышение урожайности – до 28,0 ц/га было после давнего глубокого рыхления с осадком (на 73% больше контроля). Это достигнуто в благоприятный вегетационный период, а последействие осадка объясняется обновлённой структурой почвы и дей ствием серы, ионы сульфата SO42 которой служат важнейшим источником минераль ного питания.
После обильного дождя на осадок дополнительно воздействует гравитаци 9.
онное давление, что существенно изменяет влагоёмкость почвы с осадком.
10. Разработаны и апробированы комбинированные удобрения на основе осад ка: 1) с добавлением кварц-глауконитового песка, содержащего до 10% калиевого и до 7% магниевого удобрений;
2) с добавлением того же песка и куриного помёта, причём последний вносится в систему очистки и обрабатывается вместе с осадком;
3) с послойным внесением в почву посредством чизельно-отвального орудия осадка на глубину до 20 см и углекислоты Н2СО3 на глубину свыше 40 см.
11. Создано 15 малогабаритных станций очистки сточных вод производитель ностью 40…3600 м3/сутки для сельских населённых пунктов;
это стало возможным за счёт ферментно-кавитационного метода обработки осадка, его сравнение с анаэроб ным метановым сбраживанием показывает, что в наших разработках только удельный расход электроэнергии уменьшается в 6,21 раза. Эффективность осадка как удобрения (на примере возделывания озимой пшеницы и ячменя) составляет 3000…17800 руб/га, более высокая цифра относится ко второму году использования осадка и к острозасу шливым условиям.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Пындак, В.И. Новое высокоэффективное и экологическое поколение стан 1.
ций очистки бытовых сточных вод / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Экологические системы и приборы. – 2005. – №10. – С. 26-28.
2. Пындак, В.И. Обеззараженный осадок сточных вод – эффективное удобре ние / В.И. Пындак, И.Б. Борисенко, Ю.А. Степкина // Земледелие. – 2007. – №6. – С.
19.
3. Пындак, В.И. Эффект микромелиорации и гумификации при использовании в качестве удобрения илового осадка / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Международ ный с.-х. журнал. – 2008. – №3. – С. 56-57.
4. Пат. №2146231 РФ. Способ биологической очистки сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. –2000. Бюл. №7.
5. Пат. №2180895 РФ. Способ биологической очистки сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. –2002. Бюл. №9.
6. Патент на промышленный образец №50888 РФ. Интегральный модуль био логической очистки сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2002.
7. Пат. №2210550 РФ. Способ обработки органических осадков сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. –2003. Бюл. №23.
8. Евразийский пат. №003870. Способ обработки органических осадков сточ ных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2003.
9. Пат. №2244786 РФ. Способ утилизации очищенных сточных вод и устрой ство для его осуществления / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2005. Бюл. №2.
10. Пат. №2248331 РФ. Устройство для аэрации воды / Степкин А.А., Степкина Ю.А. –2005. Бюл. №8.
11. Пат. №2253628 РФ. Устройство для осветления сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2005. Бюл. №16.
12. Пат. №2255905 РФ. Способ биологической очистки сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2005. Бюл. №19.
13. Пат. №2260716 РФ. Способ снижения кавитации в гидравлических машинах и устройство для его осуществления / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2005. Бюл.
№26.
14. Пат. №75492 Украина. Способ обработки органических осадков сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2006. Бюл. №4. (на укр. яз.).
15. Пат. №2316523 РФ. Способ приготовления органо-минерального комплекс ного удобрения / Пындак В.И., Степкина Ю.А. – 2008. Бюл. №4.
16. Пат. №2321573 РФ. Органо-минеральное комплексное удобрение и способ его внесения одновременно со вспашкой почвы / Пындак В.И., Степкина Ю.А. и др. – 2008. Бюл. №10.
Пат. №2336232 РФ. Способ биологической очистки сточных вод и утилиза 17.
ции илового осадка / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2008. Бюл. №29.
18. Пат. №2336233 РФ. Способ биологической очистки сточных вод / Степкин А.А., Степкина Ю.А. – 2008. Бюл. №29.
19. Степкин, А.А. Сохранение водных ресурсов как необходимое условие суще ствования биосферы / А.А. Степкин, Ю.А. Степкина, Т.С. Толстова // Экологические проблемы загрязнения водоёмов Волжского бассейна, современные методы и пути их решения: Материалы Всерос. научно-практ. конф. – Волгоград, 2004. – С. 155-158.
20. Степкин, А.А. Промышленность и экология. Новый подход / А.А. Степкин, Ю.А. Степкина, М.К. Поздняков // Вода: экология и технология: Материалы 6-го Междунар. конгресса ЭКВАТЭК-2004. – Ч.2. – М., 2004. – С. 723.
21. Степкина, Ю.А. Разработка перспективных станций очистки сточных вод с получением техногенного биогумуса / Ю.А. Степкина // Актуальные проблемы раз вития АПК: Материалы Междунар. научно-практ. конф. – Волгоград, 2005. – С. 83-85.
22. Степкин, А.А. Локальные многофазные системы очистки сточных вод и ка чество окружающей среды / А.А. Степкин, Ю.А. Степкина, В.В. Толмачёв, В.И. Пын дак // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: Материалы 3-й Междунар.
науч. конф. – Волгоград, 2005. – С. 49-51.
23. Пындак, В.И. Полевые опыты по борьбе с опустыниванием земель с исполь зованием техногенного гумуса / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина, Т.С. Толстова // Адап тивно-ландшафтные системы земледелия для засушливых условий Нижнего По волжья: Материалы Всерос. научно-практ. конф. – Волгоград, 2005. – С. 94-96.
24. Степкина, Ю.А. Кавитационная обработка осадка. Внедрение метода и ана лиз работы / Ю.А. Степкина // Проблемы и пути развития водопроводно-канализаци онного хозяйства в современных условиях: Материалы Межрегиональной научно практ. конф. – Ижевск, 2006. – С. 47-51.
25. Степкин, А.А. Высокоэффективное поколение станций очистки сточных вод в вертикальном исполнении / А.А. Степкин, Ю.А. Степкина // Вода: экология и техно логия: Сб. докладов 7-го Междунар. конгресса ЭКВАТЭК-2006. – Ч.2. – М., 2006. – С.
615-616.
26. Степкин, А.А. Разработки Компании по защите природы «Экотор» / А.А.
Степкин, Ю.А. Степкина // 8-я Междунар. выставка «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2008: Каталог. – М.: МВЦ «Крокус Экспо», 2008. – С. 272.
27. Пындак, В.И. Иловый осадок сточных вод - высокоэффективное удобрение для аридных условий / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Перспективы развития арид ных территорий через интеграцию науки и практики: Материалы Междунар. научно практ. конф. / ПНИИАЗ. – М., 2008. – С. 110-111.
28. Степкин, А.А. Решения по очистке природных и сточных вод / А.А. Степ кин, Ю.А. Степкина // Российский деловой союз. – 2004. – №43. – С. 29.
29. Пындак, В.И. Концепция очистки и подготовки сточных бытовых вод для растениеводства / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Вестн. АПК Волгогр. обл. – 2005.
– №2. – С. 19.
30. Пындак, В.И. Переработка и использование илового осадка в системах очистки сточных вод: проблемы, технологии, перспективы / В.И. Пындак, Ю.А. Степ кина // Альманах – 2005. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. – С. 80-84.
Пындак, В.И. Современная концепция очистки и подготовки сточных быто 31.
вых вод для растениеводства / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Главный агроном. – 2005. – №10. – С. 67-68.
32. Пындак, В.И. Многофазная экологическая система очистки и улучшения ка чества сточных вод с получением гумуса / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Науч. со общения. – Бюл. №15 / Волгогр. клуб д-ров наук. – Волгоград: Издатель, 2006. – С.
71-74.
33. Степкина, Ю.А. Получение и применение органо-минерального продукта / Ю.А. Степкина // Материалы 10-й Региональной конф. молодых исследователей Вол гогр. обл. – Волгоград, 2006. – С. 79-81.
34. Степкина, Ю.А. Переработка илового осадка сточных вод и получение орга но-минеральных удобрений / Ю.А. Степкина // Материалы 11-й Региональной конф.
молодых исследователей Волгогр. обл. – Волгоград, 2007. – С. 104-105.
35. Степкина, Ю.А. Комплексы очистки сточных вод в вертикальном исполне нии с использованием кавитации низкой интенсивности / Ю.А. Степкина // Строи тельный инжиниринг. – 2007. – №1. – С. 44-49.
36. Степкина, Ю.А. Организация систем водоотведения на объекте, расположен ном вблизи водоёма / Ю.А. Степкина // Строительный инжиниринг. – 2007. – №4. – С.
36-41.
37. Степкина, Ю.А. Проблемы образования иловых осадков на сооружениях очистки сточных вод. Методы обработки и утилизации / Ю.А. Степкина // Строитель ный инжиниринг. – 2007. – №9. – С. 18-22;
№10. – С. 15-18.
38. Степкина, Ю.А. Эффект микромелиорации при возделывании зерновых культур с использованием осадка сточных вод / Ю.А. Степкина // Научное обеспече ние национального проекта «Развитие АПК»: Материалы научно-практ. конф. / ВГ СХА. – Волгоград: ИПК «Нива», 2008. – С. 195-197.
39. Пындак, В.И. Совершенствование технологии очистки сточных вод с полу чением осадка как уникального удобрения / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Альма нах – 2008. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2008. – С. 333-340.
40. ТУ 4859-001-01411461-2004. Комплексные сооружения и установки с товар ным знаком «Экотор» для очистки бытовых и промышленных сточных вод / Разрабо тано: ЗАО «Компания по защите природы «Экотор»;
Степкина Ю.А. – Волгоград, 2004. – 16 с.
41. Пындак, В.И. Иловый осадок бытовых сточных вод – эффективное удобре ние / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Информ. листок №51-001-06 ВолЦНТИ. – 3 с.
42. Пындак, В.И. Опыты по использованию илового осадка в качестве удобре ния / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // ИЛ №51-021-07 ВолЦНТИ. – 4 с.
43. Пындак, В.И. Перспективная технология получения органо-минерального комплексного удобрения / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // ИЛ №34-029-08 ВолЦНТИ.
– 4 с.
44. Пындак, В.И. Технология возделывания озимой пшеницы с использованием осадка сточных вод / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // ИЛ №34-045-08 ВолЦНТИ. – 4 с.
45. Пындак, В.И. Углекислота как удобрение и технология её внесения в почву / В.И. Пындак, И.Б. Борисенко, Ю.А. Степкина // ИЛ №34-047-08 ВолЦНТИ. – 4 с.
Пындак, В.И. Перспективное комплексное удобрение и технология его за 46.
делки в почву / В.И. Пындак, И.Б. Борисенко, Ю.А. Степкина // ИЛ №34-075-08 Вол ЦНТИ. – 4 с.
Подписано в печать 11.09,2009 г.
Формат 60х84 1/16, Уч. –изд.л. 1,0. Тир. 100. Зак.
Издательско-полиграфический комплекс ВГСХА «Нива» 400002, Волгоград, Университетский проспект, 26.