Решение проблемы утилизации осадков сточных вод очистных сооружений города Липецка

Каждый год в России образуется порядка 2 млн. тонн осадков по сухому весу (при исходной влажности 98% их масса составляет порядка 100 млн. тонн). Основная масса осадков складируется на иловых площадках, очистка которых на большинстве очистных сооружений не осуществлялась последние 15 – 20 лет.

Ухудшение экологической обстановки и проблемы, связанные с выделением все новых территорий под иловые карты, ведут к необходимости поиска безопасных и экономически оправданных технологий утилизации осадков.

Среди возможных методов обработки обезвоженных осадков основными являются термические методы (термическая сушка, сжигание, пиролиз, термолиз и др.), биотермические (компостирование, вермикомпостирование и др.), использование в ландшафтном планировании территорий, строительной индустрии и прочие.

Метод утилизации осадков подбирается индивидуально для каждого предприятия с учетом состава осадков и местных условий (наличия территорий, экологической ситуации, заинтересованности предприятий региона в продуктах утилизации и др.)

Подобная работа проводилась на базе очистных сооружений «Липецкой станции аэрации» (МУП «ЛиСА») с привлечением специалистов проектно-технологического центра компании «ЭКОТОН».

По существующей технологической схеме обработки осадков ОСК г. Липецка предварительно аэробно стабилизированная и гравитационно уплотненная смесь сырого осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил (ИАИ), подаются в цех механического обезвоживания. Обезвоженный на ленточных фильтр-прессах осадок автотранспортом вывозится на иловые площадки-накопители, расположенные в 30 км от ОСК г. Липецка.

На осадки получен экологический сертификат соответствия № СЕР (1808)-В-158/ОС-26 от 12.08.2011г. Согласно сертификату, обезвоженные осадки, подсушенные на площадках-накопителях, отнесены к 5 классу опасности, т.е. представляют собой практически неопасный отход. В экспертном заключении указано, что в соответствии с ГОСТ 17.4.3.07.2001 и СанПиН 2.1.7.573-96 осадки могут быть использованы в качестве местных органических удобрений в сельском хозяйстве, зеленом строительстве, лесоразведении, придорожном озеленении, при благоустройстве территорий, для биологической рекультивации нарушенных земель, рекультивации полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и полигонов промышленных отходов и т.п.

Между тем, согласно СанПиН 2.1.7.573 – 96(п.6.6), осадок может быть использован в качестве удобрения только после 3-х лет выдерживания на иловых площадках. Такой длительный период подготовки осадка к утилизации не решает проблему отведения площадей под иловые карты, а это влечет за собой значительные капитальные (строительство новых площадок-накопителей) и эксплуатационные (транспортировка) затраты.

Кроме того, нет никаких гарантий, что в дальнейшем этот осадок будет интересен потенциальным потребителям, готовым его приобретать. Захоронение же является очень дорогостоящим мероприятием, и требует проведения мониторинга загрязнений в почве и грунтовых водах.

Для решения проблем, связанных с накоплением осадка, руководство МУП «ЛиСА» принято решение рассчитать технико-экономическую целесообразность реализации технологии компостирования, основываясь на экспертном сертификационном заключении, а также рассмотреть альтернативные технологии утилизации обезвоженных осадков.

Для сравнения были выбраны наиболее распространенные технологии:

• сжигание осадков;
• компостирование;
• анаэробное сбраживание;
• термическая сушка;
• сушка солнечной энергией.

В ходе рассмотрения возможности применения той или иной технологии с технологической точки зрения несостоятельными оказались следующие технологические направления:

• анаэробное сбраживание. Соотношение сырого осадка к избыточному активному илу в смеси осадков, подаваемых на сбраживание, а также большой возраст активного ила, обуславливают низкий выход биогаза.

Из опыта зарубежных компаний, при сбраживании смеси сырого осадка и ИАИ, достаточный для экономического обоснования проекта выход биогаза достигается при соотношении сырого осадка к ИАИ (по сухому веществу) не менее 40%/60%. В Липецке же это соотношение составляет 15%/80%.

Еще одной причиной низкого выхода биогаза является большой возраст ила – в среднем 15 сут., что свидетельствует о частичной предварительной минерализации осадка в аэротенках.

• термическая сушка. Необходимость внедрения дорогостоящей системы гранулирования и охлаждения высушенных осадков.

Высушенный осадок без последующей его грануляции будет поглощать и накапливать влагу из окружающей среды. Необходимость охлаждения обусловлена возможностью самовоспламенения высушенного осадка (по теплофизическим характеристикам высушенный осадок влажностью 30-40% близок к бурому углю и торфу) вследствие возникающих в процессе сушки и последующей транспортировки сил трения и статического напряжения.

Энергоемкость процесса высокотемпературной сушки – 2100-2500 кВт/ч, низкотемпературной сушки – 800-1000 кВт/ч.

• сушка солнечной энергией. Необходимость отведения значительных территорий – до 50 000 м2 (осуществляется в своего рода теплицах).

С учетом требований МУП «ЛиСА» к срокам окупаемости проекта и сокращению территорий; местных условий; а также объемов и состава осадка, нуждающегося в утилизации, наиболее интересными являются технологии сжигания осадков и компостирование.

Также был проведен расчет капитальных и эксплуатационных затрат на реализацию каждой из рассмотренных технологий. Обобщенные данные приведены в Табл. 1:

Таблица 1. Сравнение капитальных и эксплуатационных затрат при реализации различных технологических решений по утилизации осадков.

Наименее затратным, согласно расчетам, является метод компостирования обезвоженных осадков.

Основным препятствием использования осадков в качестве удобрений и аргументом в пользу более радикальных и капиталоемких технологических решений его утилизации, таких как сжигание или захоронение, является присутствие в осадках тяжелых металлов. При этом содержание тяжелых металлов в осадках сточных вод г. Липецка находится в приделах норм, предъявляемых к осадкам при внесении их в почву и использовании в качестве удобрений.

Окупаемость технологии компостирования обеспечивается за счет продажи компоста, являющегося дешевой альтернативой другим органическим и минеральным удобрениям. Предварительное общение с предприятиями агросектора выявило реальную заинтересованность в образующемся продукте и его конкурентоспособность на этом рынке.

Кроме того в отличие от других технологий обработки обезвоженных осадков, при компостировании используется 100% осадка, и не образуется побочных продуктов, требующих дальнейшей утилизации. Так, например, при сжигании образуется зола, 98% которой относится к IV классу опасности, и может быть направлена на полигоны ТБО, а оставшиеся 2% относятся к III классу, и требуют обращения соответствующего токсичным отходам.

Дополнительным аргументом в пользу производства удобрений является состояние земельных ресурсов в регионе. В Липецкой области в составе почвенного покрова доминируют ценнейшие для сельского хозяйства черноземные и лугово-черноземные почвы, обладающие благоприятными агрофизическими, физико-химическими и агро-химическими свойствами. Почвы обладают высоким уровнем плодородия, и способны давать большие урожаи зерновых, сахарной свеклы и др. культур.

Часть территории области покрыта серыми лесными почвами, на которых наряду с полевыми культурами можно выращивать сады. Частично это территория занята лесами, выполняющими важную почвозащитную, водоохранную, рекреационную роль.

Такое сочетание почв позволяет развивать в области полеводство, садоводство и лесное хозяйство. В то же время, отмечается повсеместное сокращение пашни и ухудшение качества почв, вызванное дегумификацией, эрозией, засолением, подтоплением и другими негативными процессами, ухудшающими свойства почв. По данным Государственного центра агрохимической службы «Липецкий», каждые 3 – 4 года содержание гумуса в почвах области снижается на 0,1%. В значительной степени такая ситуация связана с сокращением объемов применения минеральных и органических удобрений: в почву вносится 0,8 – 1,0 т/га удобрений при норме – 6,3 т/га.

Таким образом, биотермическая утилизация осадка (компостирование) позволит решить сразу две проблемы: избавиться от практики накопления осадков, и оказать содействие в повышении плодородности почв за счет внесения компоста.

Для реализации технологии утилизации осадка путем компостирования в буртах, предложенной для МУП «ЛиСА», понадобится площадка-накопитель площадью 2 га, а также крытая площадка для хранения и дозревания компоста размером 115 х 45 м. Полный цикл занимает 10 недель, из которых 7 недель (50 суток) отводится на компостирование и 3 недели на дозревание. Предполагается, что комплекс по компостированию осадка будет работать в круглогодичном режиме.

Что бы создать необходимое для осуществления процесса компостирования соотношение углерода к азоту (20:1), в компостируемую смесь вносится наполнитель. Обычно в качестве наполнителя используют солому, опилки, торф или другие простые материалы.

Поскольку в Липецкой области имеется достаточное количество доступной соломы, она была выбрана в качестве наполнителя. К тому же солома наиболее эффективна как связывающий элемент в бурте, не позволяющий ему разваливаться. Повышение температуры, свойственное буртам с соломой, будет компенсироваться частичным внесением опилок в летний период.

За 50 суток, необходимых на процесс компостирования, на площадке будет накапливаться 10 000 м3 осадков. С учетом внесения соломы (приблизительно 30% от объема осадка) и резерва площади на осенне-зимний период, когда процесс компостирования идет в 1,3 – 1,5 раз дольше, под накопитель отводится 5 площадок размером 40 х 100 м, для чего можно использовать имеющиеся накопители. Полезная площадь каждой площадки составит 2 916 м2, соответственно общая полезная площадь – 14 580 м2.

Для поступления в компостируемую смесь кислорода воздуха, необходимого для планового протекания процесса, два раза в неделю понадобится осуществлять перемешивание бурта. Для взрыхления компостируемой смеси планируется использование механизированных ворошителей буртов.

После 7-недельного процесса компостирования готовый компост направляется на дозревание и складирование. Для организации площадки для дозревания и хранения компоста, размером 115 х 45 м, можно использовать часть иловых карт 1-й технологической линии. Для защиты компоста от дождевой влаги, над площадкой необходимо установить навес. Рядом с площадкой дозревания и складирования компоста под общим навесом будет организована зона хранения наполнителя, рассчитанная на размещение 15-ти суточного запаса соломы.

После 3-х недельного хранения и дозревания компост представляет собой высокоэффективное органическое удобрение, содержащее в своем составе удобрительные макро и микроэлементы. Выглядит готовый компост как твердый сыпучий продукт, не имеющий запаха.

Схема комплекса по компостированию осадков ОСК г. Липецк представлена на рис. 1.

Рис 1 . Общая схема комплекса по компостированию осадков ОСК г. Липецк

Почвенный путь утилизации осадков сточных вод наиболее перспективный вариант для России, Украины и других стран с существенной долей аграрного сектора в экономике. Интенсивное развитие земледелия на их территориях и недостаточное внесение в почву органического вещества приводят к излишней минерализации гумуса – основного носителя плодородия. Внедрение технологии компостирования осадков позволит устранить дефицит органических удобрений, ведущий к деградации почв, ограничит загрязнение окружающей среды, обеспечит безотходность производства и повысит рентабельность очистных сооружений за счет востребованности их продукции.

Описанный метод может успешно внедрятся на очистных сооружениях небольших населенных пунктов, удаленных от промышленных центров, каких в России и в Украине большинство. В частности для Черноморского региона, на который возлагают большие надежды мировые эксперты аграрного сектора, это реальный шаг по пути повышения эффективности сельского хозяйства и обеспечения безопасности продукции.

Осадки сточных вод, образующиеся на очистных сооружениях малых и средних населенных пунктов, по составу и характеру загрязнений значительно отличаются от осадков крупных промышленных городов. Химический состав таких осадков представлен в основном органическим веществом, и содержит в значительном количестве азот, фосфор и калий. По концентрации этих элементов осадки сточных вод не уступают традиционным органическим удобрениям, а иногда превосходят их.

На сегодняшний день выделенные осадки сточных вод без соответствующей обработки складируются в непосредственной близости от сельскохозяйственных угодий или в пойме водоёмов, что создаёт предпосылки для их несанкционированного использования в качестве удобрений, и может привести к заражению и отчуждению пахотных почв. Внедрение технологии компостирования осадков с последующим использованием их в качестве органических удобрений повысит плодородность почв, и решит проблему выделения новых площадей под размещение осадков без негативных последствий для человека и окружающей его природной среды.

Стоит заметить, что ни один из существующих сегодня методов утилизации осадков не является универсальным. Осадки сточных вод индивидуальны по своему химическому составу, и имеют различные технологические свойства. Возможность их переработки в компост для внесения в почву в качестве удобрений определяется отдельно для каждого предприятия. При этом основным лимитирующим показателем является содержание в них тяжелых металлов.