1. Технологии очистки сточных вод
Комплекс канализации состоит из внутренних устройств наружной канализационной сети, насосных станций и напорных трубопроводов, сооружений для очистки и дезинфекции сточных вод и для выпуска их в водоемы.
Очистка сточных вод перед выпуском их в водоёмы производится на очистных сооружениях (ОС), где удаляются содержащиеся в сточных водах взвешенные вещества, коллоидные и растворённые вещества.
Осевший осадок первичных отстойников и избыточный активный ил, образующийся в процессе биологической очистки, обрабатываются и обезвреживаются для последующей утилизации.
Наличие сточных вод трех различных категорий обусловливает устройство либо раздельных систем канализации (промышленные и хозяйственно-фекальные стоки отводятся по одной сети трубопроводов, а атмосферные - по другой), либо применяют общесплавную систему канализации, при которой атмосферные воды совместно с промышленными и хозяйственно-фекальными сплавляют в одну сеть.
В последнее время проявилась тенденция перехода к общесплавной системе канализации.
Минимальная концентрация загрязнений сточных вод наблюдается при общесплавной системе канализации и отсутствии оборотных систем водоснабжения; максимальная концентрация имеет место при раздельной системе канализации и повторном использовании условно чистых вод.
Методы, применяемые для очистки производственных и бытовых сточных вод делятся на три группы: механические; физико-химические, биологические.
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод грубодисперсные частицы, в зависимости от размеров, улавливаются решетками, гидроциклонами, песколовками, отстойниками и другим оборудованием различных конструкций, а всплывающие загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями.
Механическая очистка позволяет выделить из бытовых и поверхностных стоков до 60-75% взвешенных веществ, а из промышленных - до 95%.
При физико-химическом методе очистки сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси с одновременным разрушением органических и плохо окисляемых веществ.
Чаще всего из физико-химических процессов применяются коагуляция, сорбция, экстракция и электролиз.
Физико-химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых - до 25%.
В основе биологической очистки лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах.
Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим бактерии, простейшие и ряд более высокоорганизованных организмов - водоросли, грибы и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Аэробные бактерии дышат свободным кислородом. Анаэробные бактерии используют для дыхания связанный кислород, входящий в состав нитратов.
Существует несколько типов биологических устройств для очистки сточных вод: биофильтры, биологические пруды, аэротенки, метантенки и др.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой фильтрующего материала, покрытого бактериальной пленкой. Ее наличие интенсифицирует процессы биологического окисления.
В биологических прудах, оборудованных аэраторами, в очистке сточных вод принимают участие все организмы, его населяющие.
В аэротенках (резервуарах) очищающее начало - активный ил, минерализующий органические загрязнения. Активный ил представляет собой сложный комплекс микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, инфузорий, водорослей, дрожжей и др.
В бактериальную клетку легко проникают растворённые органические вещества, углеводороды, ионы аммония. Труднее проникают вещества, молекулы которых содержат полярные группы, этанол. Еще труднее - этиленгликоль, глицерин, сахара, имеющие несколько оксигрупп. Труднее всего - жирные кислоты, оксикислоты, аминокислоты.
Процесс разложения анаэробными бактериями происходит в две стадии
-распад органических веществ (белков, жиров, углеводов) до органических кислот,
-расщепление органических кислот преимущественно до метана.
Процесс разложения органики аэробными бактериями происходит в три стадии:
-сорбция органических загрязнений на хлопьях активного ила и окисление легкоокисляемой органики (как следствие - резкое снижение БПК),
-окисление трудноокисляемой органики и регенерация активного ила,
-нитрификация (превращение в азот) аммонийных соединений.
Активный ил циркулирует в системе (отделяется от очищенной воды и возвращается в загрязненные стоки, где процесс поглощения и очистки продолжается). Недостаток или избыток активного ила замедляет процесс. Избыток ила необходимо удалять и перерабатывать.
Нитрификация - процесс удаления из сточных вод аммонийного азота. Происходит за счет жизнедеятельности бактерий, путем постепенного образования азотистой и азотной кислот и их солей - нитритов и нитратов.
Денитрификация - преобразование нитритов и нитратов в бескислородной среде с выделением газообразного азота.
На ОС реализуют как континуальный способ обработки сточных вод, которые обрабатываются, передвигаясь из одной зоны очистных сооружений в другую, так и его антипод - дисконтинуальный, когда сточные воды проходят все циклы очистки в одном пространстве сооружения путем чередования условий в нем (аэрация, перемешивание, отстаивание, откачка очищенных сточных вод и избыточного активного ила).
Наибольшее распространение получили установки для биологической очистки, включающие первичный отстойник; предаэратор (для предварительной аэрации); аэротенк; регенератор; вторичный отстойник.
Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.
Чем больше очистные сооружения, тем более равномерный поступает сток, уже до 20% очищенный в канализационных сетях при движении на очистные сооружения. Он разбавлен практически чистыми балластными водами, смешан с производственными сточными водами, в которых, как правило, в отличие от бытовых сточных вод, азота и фосфора недостаток.
Континуальный способ требует строгого контроля над концентрацией активного ила, так как накопление ила в системе приводит к его выносу из установки при залповом поступлении сточных вод.
Одним из главных недостатков континуального способа является залегание и последующее загнивание активного ила во вторичных отстойниках.
Отсутствует ритмичность чередования восстановительных и окислительных процессов.
Серьезной проблемой этой системы является также необходимость удаления плавающих загрязнений с поверхности отстойников - жиров, частиц активного ила и т.п.
При дисконтинуальном методе обработки сточных вод применяют аэротенки нитри-денитрификаторы, что обеспечивает параллельное удаление органических веществ и соединений азота.
Нитри-денитрификация необходима для обеспечения нормативов на сброс по соединениям азота, в частности, его окисленным формам (нитритам и нитратам).
Принцип работы такой схемы основан на рециркуляции части иловой смеси между аэробной и аноксичными зонами. При этом окисление органического субстрата, окисление и восстановление соединений азота происходит не последовательно (как в традиционных схемах), а циклически, небольшими порциями. В результате процессы нитри-денитрификации протекают практически одновременно, что позволяет удалять соединения азота без использования дополнительного источника органического субстрата.
Эта схема в отличие от традиционных позволяет наряду с эффективным удалением соединений азота повысить эффективность изъятия соединений фосфора. За счет оптимального чередования аэробных и анаэробных условий при рециркуляции способность активного ила аккумулировать соединения фосфора возрастает в 5-6 раз. Соответственно возрастает и эффективность его удаления с избыточным илом.
Дисконтинуальный способ имеет свои недостатки. Активный ил в системе, адаптированный к сточным водам определенного состава, для очистки следующей порции поступающих сточных вод требует определенного времени на адаптацию, в течение которого процесс очистки значительно ухудшается. Как только пройдет его частичная адаптация, в очередном цикле поступают новые сточные воды и проблемы повторяются.
2. Свойства осадков сточных вод
В результате механической и биологической очистки городских сточных вод образуются различного вида осадки, содержащие органические и минеральные вещества. Это отбросы, задерживаемые решетками, осадок, выпадающий в первичных отстойниках, активный ил или биопленка, образующиеся в сооружениях аэробной биологической очистки воды.
На долю активного ила приходится 60-70% образующихся осадков.
Осадок из первичных отстойников неоднороден по фракционному составу. По данным московских очистных сооружений, содержание частиц крупностью более 7-10 мм составляет 5-20%, крупностью 1-7 мм - 9-33%, крупностью менее 1 мм - 50-88% массы сухого вещества.
Осадок из первичных отстойников имеет влажность 92-96%, слабокислую реакцию среды, насыщен микроорганизмами (в том числе патогенными), яйцами гельминтов.
Отличается большой неоднородностью и представляет собой студенистую суспензию серого или светло-коричневого цвета с кисловатым запахом. Вследствие большого количества органического вещества быстро загнивает, приобретая темно-серый или черный цвет, издавая сильный кислый запах.
Активный ил по фракционному составу однороднее осадка первичных отстойников. Около 98% (по массе) частиц ила имеют размер менее 1 мм.
Влажность активного ила в зависимости от принятой схемы обработки 96-99,7%.
Хлопья ила, состоящие из большого числа многослойно расположенных микробиальных клеток, заключенных в слизь, обладают развитой удельной площадью поверхности - около 100 м2 на 1 г сухого вещества. Ил также заражен яйцами гельминтов.
Органическая (беззольная) часть в осадке из первичных отстойников составляет 65-75% массы сухого вещества, в активном иле - 70-75%.
Соответственно зольность осадка 25-35%, активного ила 25-30%.
Основными компонентами беззольной части осадка и активного ила являются белково-, жиро-, углеводоподобные вещества, в сумме составляющие 80-85%. Остальные 15-20% приходятся на долю лигнино-гумусового комплекса соединений.
В беззольном веществе осадка из первичных отстойников преобладают жироподобные вещества и углеводы. В беззольном веществе активного ила значительную часть органического вещества составляют белки.
3. Обработка осадков сточных вод
Количество осадков прямо пропорционально БПК поступающих сточных вод.
В целом по РФ ежегодно образующееся количество осадков сточных вод (ОСВ) - около 80 млн. м? при влажности -97%, или 3 млн. т по сухому веществу.
В Москве образующееся количество осадков сточных вод - около 11 млн.м3 в год. Обезвоженных - 0,9 млн.т. (Храменков С.В., Пахомов А.Н., Ганин А.В. Комплексное решение проблем по разработке и внедрению современных технологий рекультивации территорий и иловых площадок с возвращением выведенных из оборота земель. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Оптимизация обращения с отходами производства и потребления"-2003. Ярославль, 2003 г.:http://www.energo-resurs.ru/eg_).
В Швеции при населении 8,8 млн человек (83 % жителей проживают в городах, остальные - в сельской местности) ежегодно образуется около 1 млн м3 осадков с содержанием сухого вещества около 180 тыс. т (влажность 82 %).
Основное количество ОСВ в необработанном виде в РФ до сих пор размещается на иловых площадках.
В последнее время стали использовать технологические схемы обработки ОСВ, включающие, как правило, стадии предварительного уплотнения, стабилизации, обезвоживания, утилизации.
3.1. Уплотнение.
Осадки относятся к трудно фильтруемым суспензиям и плохо отдают воду. Вода в осадках находится в трех состояниях:
-свободном (60-65%),
-коллоидно-связанном (22-30%)
-капиллярно-связанном (гигроскопическом) (4-10%).
Значительная часть свободной воды может удаляться из осадков при гравитационном уплотнении, сушке в естественных условиях, фильтрации, центрифугировании, отжиме.
Коллоидно-связанная вода находится в осадке в основном в виде гидратной оболочки твердых частиц. Разрушение гидратной оболочки возможно лишь с помощью коагуляции или кратковременной термической обработки.
Полное удаление всей коллоидно-связанной воды достигается сушкой при повышенных температурах.
Гигроскопическая вода не удаляется даже при термической сушке.
Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки.
Распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения, осуществляющиеся в отстойниках-уплотнителях, в установках напорной флотации.
Применяется также центробежное уплотнение осадков в циклонах и центрифугах.
Перспективно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка сточных вод через фильтрующие перегородки или с помощью погруженных в осадок вибраторов.
Для флотационного сгущения активного ила применяют метод напорной флотации. Влажность уплотненного активного ила в зависимости от типа флотатора и характеристики ила составляет 94,5-96,5%.
Гравитационное разделение смеси воды и активного ила из сооружений биохимической обработки обычно проводят во вторичных отстойниках.
В этот же комплекс мер входит кондиционирование - подготовка осадка к обезвоживанию за счет изменения его структуры (обработка коагулянтами, тепловая обработка, жидкофазное окисление, замораживание-оттаивание).
3.2. Стабилизация.
Стабилизация (предотвращение загнивания осадков) достигается минерализацией органического вещества с помощью анаэробного (метанового) сбраживания, аэробного окисления, подщелачивания, высушивания.
В комплекс стабилизации может входить обеззараживание соединениями хлора, озоном, термообработкой.
3.2.1. Анаэробная стабилизация осадков сточных вод (брожение).
Анаэробное сбраживание применяется для сырых осадков из первичных отстойников, избыточного активного ила или для их смеси.
Состоит из двух фаз: кислой и щелочной.
В фазе кислого брожения с помощью молочнокислых, пропионовокислых, маслянокислых, ацетонобутиловых, целлюлозных и других бактерий органическое вещество осадка под действием внеклеточных бактериальных ферментов гидролизуется до более простых веществ. Белки - до пептидов и аминокислот, жиры - до глицерина и жирных кислот, углеводы - до простых сахаров.
Далее эти вещества после поступления внутрь клетки превращаются в конечные продукты кислой фазы - органические кислоты. Более 90% из них составляют масляная, пропионовая и уксусная кислоты. Образуются также аммиак, сероводород, диоксид углерода, водород.
В фазе щелочного (метанового) брожения из конечных продуктов первой фазы образуются метан и диоксид углерода. Эту функцию выполняют метанообразующие бактерии нескольких видов. Каждый из них обладает строгой специфической избирательностью к определенному веществу. Однако в целом смешанная культура метанообразующих бактерий способна использовать практически все основные продукты кислой фазы брожения.
Скорости превращения веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы, поэтому при устойчивом процессе брожения не происходит накопления продуктов первой фазы.
Наиболее эффективным сооружением для анаэробного сбраживания осадков является метантенк, в котором осуществляется сбраживание (минерализация) осадка с подогревом и перемешиванием.
Максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка при отсутствии данных о химическом составе осадка допускается принимать для осадков из первичных отстойников - 53%; для избыточного активного ила - 44%; для смеси осадка с активным илом - по среднеарифметическому соотношению смешиваемых компонентов по беззольному веществу.
В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м3 смеси метана и диоксида углерода на 1 м3 осадка. Водорода - продукта первой фазы - содержится в газовой смеси не более 1-2 об. %, поскольку его используют метанообразующие бактерии в окислительно-восстановительных реакциях энергетического обмена.
Образующийся при распаде белков сероводород практически не попадает в выделяющийся газ. В присутствии аммиака он связывается с имеющимися в воде ионами железа с образованием коллоидного сульфида железа (FeS), определяющего черно-бурый цвет сброженного осадка.
Аммиак, конечный продукт разложения белковых веществ, образует в воде гидрат аммония, который обусловливает необходимую для метанового брожения щелочность воды.
Выделяют две области работы метантенка: мезофильную и термофильную. Температурный интервал мезофильной области 28-35°С, термофильной - 48-55 °С. В интервале между 35 и 48 °С сбраживание практически неосуществимо. При дальнейшем повышении температуры газовыделение прекращается.
Выбор режима сбраживания производится с учетом схемы дальнейшей обработки осадка.
Термофильное сбраживание протекает с большей скоростью и заканчивается примерно в два раза быстрее, чем мезофильное.
При термофильном сбраживании достигается полная дегельминтизация осадка, при мезофильном погибает 50-80% яиц гельминтов.
Осадок, сброженный в термофильных условиях, труднее обезвоживается, чем осадок после мезофильного процесса.
Для нормального процесса метанового брожения характерны слабощелочная реакция (рН = 7,2-7,6) и высокая щелочность иловой воды (5-12 мг·экв/л). При перегрузке, изменении температурного режима, поступлении токсичных веществ происходит нарушение режима сбраживания, которое проявляется в накоплении жирных кислот, снижении щелочности иловой воды, существенном уменьшении рН.
Кислотообразующие бактерии первой фазы более выносливы к изменяющимся условиям, их количество растет очень быстро.
Метановые бактерии размножаются значительно медленнее (цикл деления достигает нескольких суток) и не всегда в состоянии увеличением своей численности компенсировать изменившиеся условия.
3.2.2. Аэробная стабилизация осадков
Аэробная стабилизации осадков, заключающаяся в длительной аэрации осадков либо ила в сооружениях типа аэротенков-стабилизаторов, по сравнению с анаэробным сбраживанием осадков в метантенках отличается простотой, устойчивостью, взрывобезопасностью, меньшими капитальными вложениями.
Главным недостатком метода аэробной стабилизации являются высокие энергетические затраты, необходимые для продувки осадка воздухом, и малоэффективная работа в холодное время года (может осуществляться при температуре 8-35 °С).
Осадок первичных отстойников предпочтительнее сбраживать в метантенках (выше выхода газа), а избыточный активный ил с большой влажностью и высоким содержанием белков, обуславливающим низкий выход газа в анаэробном процессе - минерализовать в аэробных стабилизаторах.
Процесс аэробной стабилизации ведут в сооружениях типа аэротенков; его протекание обеспечивается преобладающей метаболической реакцией эндогенного дыхания и "самопотребления" культуры
Уплотнение аэробно стабилизированного осадка производится в отдельно стоящих илоуплотнителях, либо в специально выделенной зоне внутри стабилизатора в течение не более 5 ч.
При аэробной стабилизации погибает 95% бактерий, но яйца гельминтов остаются. Стабилизированный осадок может быть дегельминтизирован тепловой обработкой при 70-80 °С.
Стабилизированный осадок обезвоживается легче, чем после анаэробного сбраживания.
4. Обезвоживание.
Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлама с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы до 80%.
При сбраживании смеси осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила средняя влажность осадка, выгружаемого из метантенков, может приниматься равной 97 %, из двухступенчатых метантенков и осветлителей-перегнивателей - 93%, из аэробных стабилизаторов после 1,5-5-часового уплотнения - 95-98%.
Осадки городских сточных вод (сырые и сброженные) при влажности более 90% представляют собой жидкую текучую массу, при влажности 86-90% имеют консистенцию сметаны, при влажности 82-85% похожи на жидкую грязь, а при более низкой влажности напоминают слегка влажную землю.
Активный ил при влажности 88-91 % имеет консистенцию сметаны, а при 85-87% и ниже - вид влажной земли.
Водоотдача осадков во многом зависит от размера частиц их твердой фазы. Чем больше размеры частиц твердой фазы, тем лучше их водоотдача.
Дисперсная фаза осадков включает частицы органического и минерального происхождения различных размеров, формы и свойств.
Сброженный в метантенках осадок по сравнению со свежим имеет более мелкую и однородную структуру, число частиц размером менее I мм в нем составляет в среднем 85%. В активном иле число частиц размером менее 1 мм достигает 98 % массы сухого вещества, размером 1-3 мм - 1,6%, более 3 мм - 0,4%.
Химический состав осадков оказывает большое влияние на водоотдачу. Соединения железа, алюминия, хрома, меди, а также кислоты, щелочи и некоторые другие вещества способствуют интенсификации процесса обезвоживания осадков. Масла, жиры, азотные соединения, волокнистые вещества затрудняют водоотдачу.
Формы связи воды с твердыми частицами влияют на выбор процессов, используемых для обработки осадков.
Влага в осадках по степени увеличения энергии связи с твердыми частицами суспензий подразделяется на избыточную, осмотическую, макро- и микропор.
Механическими методами обезвоживания осадков, а также естественной их сушкой на иловых площадках из осадков удаляется значительная часть избыточной и осмотической воды. Вода микро- и макропор удаляется выпариванием или под действием давления.
При обезвоживании из осадков удаляется вся избыточная или свободная вода (ее содержание - около 60%), примерно половина коллоидной или осмотической (ее содержание около 35%). Остается часть коллоидной и вся макро- и микропористая. В соотношении примерно 3:1.
4.1.Методы и аппараты.
Обезвоживание осуществляется на иловых площадках, в вакуумных фильтрах, центрифугах, виброфильтрах, фильтр-прессах (Диренко А.А. Обезвоживание осадков сточных вод http://www.c-o-k.com.ua/content/view/461/31 July 2006).
Наиболее простым и распространенным способом обезвоживания осадков является их сушка на иловых площадках. К более сложным и дорогим методам обезвоживания относятся механические и термические.
4.1.1. Иловые площадки.
Сушка осадков на иловых площадках происходит за счет фильтрации и естественного испарения до влажности 70-80%, позволяющей производить с ними транспортно-перегрузочные операции так же, как с влажным грунтом.
Потребная площадь иловых площадок зависит от грунтовых и климатических условий, количества и свойств осадков.
Допускается предусматривать иловые площадки-уплотнители рабочей глубиной до 2 м в виде прямоугольных карт-резервуаров с водонепроницаемыми днищами и стенами. Для выпуска иловой воды, выделяющейся при отстаивании осадка, вдоль продольных стен надлежит предусматривать отверстия, перекрываемые шиберами. (П.6.393. СНиП 2.04.03-85).
4.1.2. Механические методы.
Механические методы, применяемые для обезвоживания осадков сточных вод классифицируют по виду механического воздействия на их структуру:
-обезвоживание под разряжением;
-обезвоживание под давлением;
-обезвоживание в центробежном поле.
Основными средствами механического обезвоживания осадков являются вакуум-фильтры, центрифуги, фильтр-прессы, листовые фильтры, виброфильтры.
Преимуществом вакуум-фильтров является возможность обработки осадков без выделения песка и распространения неприятных запахов.
Фильтр-прессы применяют для обработки сжимаемых аморфных осадков в тех случаях, когда осадок направляют после обезвоживания на сушку или сжигание, либо когда необходимо получить осадки с минимальной влажностью. Это оборудование рационально использовать для обезвоживания осадков промышленных сточных вод с высоким содержанием минеральных составляющих.
Перед обезвоживанием сброженного осадка на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах осадок для снижения удельного сопротивления промывается очищенной сточной водой.
Для уплотнения смеси промытого осадка и воды используют уплотнители, рассчитанные на 12-18 ч пребывания в них смеси при мезофильном режиме сбраживания и на 20-24 ч - при термофильном режиме. (П. 6.371. СНиП2.04.03-85).
Влажность уплотненного осадка принимается 94-96% в зависимости от исходного осадка и количества добавленного активного ила.
Влажность кека при обезвоживании осадков городских сточных вод на фильтр-прессах, % (П.6.378 СНиП2.04.03-85).
Сброженный осадок из первичных отстойников 60-65
Сброженная в мезофильных условиях смесь осадка из первичных отстойников и активного ила, аэробно стабилизированный активный ил 62-68
Сброженная в термофильных условиях смесь осадка из первичных отстойников и активного ила 62-70
Сырой осадок из первичных отстойников 55-60
Смесь сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного активного ила 62-75
Уплотненный активный ил станций аэрации 80-83
Все большее распространение находит центрифугирование осадков. Достоинствами этого метода являются простота, экономичность и управляемость процессом.
Пример: в Йоркшире (Англия) ежедневно на очистные сооружения поступает около 1 млн м3 сточных вод, образуется 1 400 м3 осадка (влажность около 96 %). Для обезвоживания использовались фильтр-прессы. Осадок обезвоживался до влажности 82 % и выше. После ряда поломок фильтр-прессов в 2005 г. было принято решение об установке двух декантерных центрифуг Alfa Laval Aldec G2. Центрифуги работают 24 часа в сутки, каждая обрабатывает в среднем 30 м3 осадка влажностью 96 % в час и производит кек влажностью 75 %.
4.1.3. Физические методы
Термической обработкой осадков можно снизить влажность до 50-20%. При этом в несколько раз снижается масса и объем осадка, он становится сухим сыпучим продуктом, полностью обеззараженным.
Обезвоживание осадка возможно путем замораживания и оттаивания. Эта операция приводит к изменению его структуры, переходу части связанной влаги в свободную и значительному улучшению водоотдающей способности.
4.2. Кондиционирование
Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличения их водоотдачи при обезвоживании.
В качестве метода кондиционирования наибольшее распространение получила реагентная обработка. Для реагентной обработки применяют коагулянты и флокулянты минерального и органического происхождения.
Из минеральных коагулянтов применяют соли железа, алюминия и др.
Достаточно широкое применение находят синтетические флокулянты. Они обеспечивают высокую эффективность кондиционирования. (Эпоян С.М., Орлова Е.Н. Направления повышения эффективности обезвоживания осадков городских сточных вод. http://www.nbuv.gov.ua/Portal/natural/Nvb/2009_51/epoyan2.pdf)
Изменение структуры осадков приводит к количественному перераспределению форм связи влаги в сторону увеличения содержания свободной влаги за счет уменьшения доли связанной. Такое изменение структуры осадков позволяет добиться более глубокого и быстрого их обезвоживания. При применении катионных флокулянтов происходит интенсивное флокулообразование и выделение свободной влаги (Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод /Учебник для вузов. - М.: АСВ, 2004. - 704 с.).
5. Московские очистные сооружения
5.1. КОС
Курьяновская станция аэрации (КСА) с 01.11.2005 - Курьяновские очистные сооружения производственного управления "Мосочиствод" (КОС).
Расположены в ЮВАО г. Москвы.
В состав КОС входят: - блок старых КОС производительностью 1000 тыс. м3/сут.; -первый блок новых КОС - 1000 тыс. м3/сут.; - экспериментальный блок комплексной очистки -125 тыс. м3/сут.; - второй блок новых КОС - 1000 тыс.м3/сут.; - доочистка на гравийных фильтрах с проектным обеспечением фильтрации 1100 тыс.м3/сут. биологически очищенных сточных вод.
Проектная производительность КОС - 3125 тыс.м3/сут. (1 143 750 тыс.м3/год).
Поступающие на КОС сточные воды в процессе очистки последовательно проходят решетки, песколовки, первичные отстойники, аэротенки, вторичные отстойники.
Направляемые на доочистку биологически очищенные сточные воды проходят стадии процеживания через плоские щелевые сита и фильтрации на фильтрах с гравийной загрузкой.
Сброс очищенных сточных вод осуществляется по одному выпуску (контактный канал) в реку Москву.
На КОС предусмотрено гравитационное уплотнение избыточного ила и сырого осадка на илоуплотнителях; уплотнение активного ила на ленточных сгустителях; термофильное сбраживание осадка в метантенках; промывка и гравитационное уплотнение сброженных осадков в уплотнителях сброженного осадка; механическое сгущение промытого сброженного осадка на ленточных сгустителях с применением флокулянта; естественная сушка сброженного и стабилизированного осадка на иловых площадках, с вывозом на предприятие ООО "Прессил" (полигон).
Уплотненный промытый сброженный осадок КОС транспортируется на ОАО "Экотехнопарк" для механического обезвоживания на фильтр-прессах. Механически обезвоженный осадок размещается на участках кондиционирования осадка иловых площадок КОС, расположенных в Московской области.
5.2. ЛОС
Люберецкая станция аэрации (ЛСА) с 01.01.2006 - Люберецкие очистные сооружения Производственного управления "Мосочиствод" (ЛОС).
Расположены на правом берегу р.Пехорки в п. Некрасовка на территории ЮВАО г. Москвы.
Выпуск N1 - р.Москва в районе д.Заозерье Раменского района Московской области. Выпуски N3, N5, N4 - р.Пехорка (от устья 19 км Люберецкого района Московской области).
ЛОС состоят из параллельно работающих блоков очистных сооружений: - старых ЛОС (три очереди) общей проектной мощностью 1500 тыс. м3/сут. (I очередь - 600 тыс. м3/сут.; II очередь - 600 тыс. м3/сут.; III очередь - 300 тыс. м3/сут.); - новых ЛОС (два блока) общей проектной мощностью 1500 тыс. м3/сут. (I блок - 1000 тыс. м3/сут.; II блок - 500 тыс. м3/сут.).
Проектная производительность ЛОС - 3000 м3/сут. (1 098 000 тыс. м3/год). Все поступающие на станцию сточные воды проходят полную биологическую очистку, в том числе на II блоке новых ЛОС предусмотрена схема глубокой биологической очистки воды с удалением азота методом нитри-денитрификации.
Технологическая схема очистки сточных вод на ЛОС предусматривает механическую очистку на решетках и песколовках, первичное отстаивание, полную биологическую очистку в аэротенках, вторичное отстаивание.
На ЛОС предусмотрено гравитационное уплотнение избыточного ила и сырого осадка на илоуплотнителях; уплотнение активного ила на ленточных сгустителях; термофильное сбраживание осадка в метантенках; промывка и гравитационное уплотнение сброженных осадков в уплотнителях сброженного осадка; механическое сгущение промытого сброженного осадка на ленточных сгустителях с применением высокомолекулярных флокулянтов (акриламида), механическое обезвоживание уплотненных и сгущенных осадков на мембранно-камерных фильтр-прессах, естественная сушка сброженного и стабилизированного осадка на иловых площадках.
Механически обезвоженный осадок, временно складируемый на специально оборудованной площадке, расположенной в г. Москве, а также свежий обезвоженный осадок, вывозятся автотранспортом подрядной организации для использования в качестве рекультиванта.
5.3. Очистные сооружения "Южное Бутово" (ЮБ).
Расположены на территории ЮЗАО г.Москвы и обеспечивают прием сточных вод микрорайонов Северного и Южного Бутово. Эксплуатацию станции осуществляет ЗАО "СТАЭР", организованное совместно немецкой фирмой СХВ Хельтер и МГУП "Мосводоканал".
Проектная производительность очистных сооружений Южное Бутово 80 тыс. м3/сут. (29280 тыс. мЗ/год). Поступающие на станцию сточные воды проходят биологическую очистку с глубоким удалением азотосодержащих и фосфорных соединений (приемная камера, решетки, аэрируемые песколовки-жироловки, фосфорные бассейны, аэротенки), доочистку (песчаные фильтры) с обеззараживанием воды ультрафиолетом (УФ-установки канального типа).
Транспортировку и сброс очищенных вод станции Южное Бутово в р.Десну осуществляет МГУП "Мосводоканал".
На очистных сооружениях предусмотрено уплотнение и механическое обезвоживание на фильтр-прессах избыточного активного ила.
Механически обезвоженный осадок станции Южное Бутово вывозится МГУП "Мосводоканал" и утилизируется совместно с осадком ЛОС.
5.4. Очистные сооружения г. Зеленограда (ОСЗ).
Эксплуатацию очистных сооружений осуществляет ЗАО "СТАЭР-ЗВК", организованное совместно немецкой фирмой СХВ Хельтер и МГУП "Мосводоканал". Проектная производительность очистных сооружений 140 тыс. м3/сут. (51240 тыс. мЗ/год).
Поступающие на станцию сточные воды проходят биологическую очистку с глубоким удалением азотосодержащих и фосфорных соединений (приемная камера, решетки, аэрируемые песколовки-жироловки, фосфорные бассейны, аэротенки), доочистку (песчаные фильтры) с обеззараживанием воды ультрафиолетом (УФ-установки канального типа).
Транспортировку и сброс очищенных вод с очистных сооружений г.Зеленограда в р.Сходня осуществляет МГУП "Мосводоканал".
Технологический осадок (избыточный активный ил высокой влажности) отводится по системе городской канализации на КОС.
6.Утилизация обезвоженных осадков сточных вод (ООСВ).
6.1. Способы утилизации.
Распределение осадков по направлениям утилизации, %:
США: 36 - удобрения, 16 - сжигание, 10 - вывоз на поля, 38 - накопители.
Западная Европа: 33 - удобрения (с тенденцией к повышению), 15-20 - депонирование (с последующим сокращением доли вследствие запрета на хранение и захоронение отходов), 4-11 - сжигание со значительным ростом на перспективу в связи с предписанием по ликвидации ряда свалок, до 10 - рекультивация ландшафтов, 1-3 - компостирование. (В.Е.Лотош. Утилизация канализационных стоков и осадков. http://lotosh.1gb.ru/fopp/txt/sewageutil.pdf1.)
В РФ начался переход к сжиганию ООСВ (г.г. С.Петербург, Ростов-на Дону).
В Москве ООСВ применяются как вариант для рекультивации отработанных карьеров. (Борткевич С. В., Воронин С. Г.. Экологически безопасная технология депонирования обезвоженного осадка городских сточных вод в отработанных карьерах и на бросовых территориях с целью их рекультивации и возвращения в землеоборот. http://waste.com.ua/cooperation/2007/theses/bortkevich.html).
6.2. Сжигание ООСВ.
Для сжигания ООСВ применяют главным образом печи с кипящим слоем, а также многоподовые и циклонные.
Печи с кипящим слоем за последние 30-40 лет получили наибольшее распространение. При сжигании в этих печах осадки подают в псевдоожиженный слой инертного материала (песок с размером частиц 5-1 мм), нагретый до температуры, обеспечивающей воспламенение отходов.
Первый в РФ завод по сжиганию осадков с использованием печи "КС" сдан в эксплуатацию на центральной станции аэрации (ЦСА) Санкт-Петербурга (1997 г.). На ЦСА установлены четыре печи диаметром 6,7 м, которые обрабатывают 2,5-2,8 т/ч сухого вещества каждая.
Дымовые газы сжигания содержат золу-унос, соединения тяжелых металлов (Hg, Cd, Pb и др.), кислотные газы (HCl, HF, SO2).
Для очистки использована многоступенчатая система.
Первая ступень - электрофильтр, где задерживается 92-99% золы-уноса, частиц тяжелых металлов.
Затем газы охлаждаются с 250-300°С до 80°С в кислой водной среде (pH 2-3) колонны Вентури. Здесь же улавливаются кислотные примеси (HСl, HF), остаток золы-уноса и возгоны тяжелых металлов.
Промывная вода циркулирует в замкнутом контуре. Часть после нейтрализации поступает в голову очистных сооружений.
Затем газы направляют в промывную колонну с щелочным раствором, где улавливается сернистый ангидрид (оксиды азота при сжигании практически не образуются вследствие низкой температуры процесса). Щелочность раствора поддерживается добавлением свежих порций NaOH. (Кармазинов Ф.В., Пробирский М.Д. Технологический комплекс по обработке и утилизации осадков сточных вод на ЦСА Санкт-Петербурга // ВСТ. - 2001. - N 8. - С. 2-7).
6.3. Депонирование ООСВ
6.3.1. Метод ЗАО ПИНИБ "ГИТЕСТ".
Используемые как вариант способы захоронения осадка в траншеях с перекрытием изолирующим слоем грунта, вынутого из траншей, признаются небезопасными. Наличие разделительных массивов грунта между траншеями и малой глубины траншей обуславливают небольшую нагрузку осадка на площадь захоронения - 2 300-10 600 м3/га для узких (3 м) и 6 000-27 400 м3/га для широких (более 3 м) траншей.
Известны способы захоронения ООСВ на полигонах с размещением осадка в виде насыпей или на полигонах с послойной укладкой осадка.
Первый требует смешивания осадка с грунтом в соотношении 0,5-2 части грунта на каждую часть осадка (то есть влажность композиции снижается примерно до 60%).
Второй дает низкий коэффициент использования земельной площади с нагрузками на площадь захоронения - от 3 780 до 17 000 м3/га.
МГУП "Мосводоканал" применило разработанную ЗАО ПИНИБ "ГИТЕСТ" технологию депонирования обезвоженного осадка в котловане, образованном дамбами обвалования или выемкой.
При осуществлении этой технологии откосы и дно котлована покрываются защитным водонепроницаемым экраном. По контакту экрана с депонируемым иловым осадком укладывается пластовый дренаж для сбора и отвода фильтрата и дождевой воды.
Котлован заполняется ООСВ на всю глубину одним ярусом и затем устраивается верхняя часть дренажа, замыкающая его по периметру осадка.
После окончания работ по устройству верхней части дренажа он перекрывается защитным экраном из местных суглинков толщиной 0,4-0,6 м с числом пластичности более 0,1.
Укладка суглинков в защитный экран производится при среднем коэффициенте водонасыщения 0,9. При этом допускаются примеси песка, гравия и щебня, в количестве, зависящем от гранулометрического состава грунта.
Применение защитных экранов из местных суглинков в сочетании с пластовым дренажом по контакту экрана с массивом депонируемого осадка позволяет снять напоры фильтрации с экрана, собрать и направить загрязненную воду поверхностного стока и фильтрат на очистку, чтобы исключить отрицательное влияние депонируемого осадка на природную среду.
Дренаж из щебня по откосам и в основании емкости депонирования устраивается до укладки осадка. При этом щебень отделяют от суглинка экрана и осадка геотекстилем. Верхняя часть дренажа выполняется из песка, укладываемого на мембрану из геотекстиля, размещенную на поверхности массива депонируемого осадка для повышения его несущей способности.
Надвижка песка на мембрану из геотекстиля производится бульдозером с удельным давлением 0,02 МПа.
Перекрытие песка защитным экраном из суглинка производится также по геотекстилю. Работы производятся бульдозерами по всему участку депонирования от бортов вмещающей емкости к центру насыпи.
ООСВ разгружается из автосамосвалов с разгрузочных площадок в виде пирсов, располагаемые равномерно по площади депонирования.
Для укладки ООСВ одним ярусом используется свойство тиксотропии.
При сбрасывании с пирсов нарушается структура ООСВ, что обеспечивает равномерное распределение его между пирсами.
Затем структура ООСВ постепенно восстанавливается.
Способ депонирования осадка одним ярусом позволяет исключить промежуточные слои грунта и увеличить нагрузку ООСВ на площадь депонирования.
Этот способ депонирования осадка реализован при реконструкции иловой площадки N 8 КОС. На полигоне депонирования площадью 18 га и глубиной 10 м было уложено 910 тыс. м3 ООСВ и произведено его перекрытие. Нагрузка осадка при депонировании составила 50 500 м3/га.
6.3.2. Опыт рекультивации иловых площадок Люблинских полей фильтрации.
На территории иловых площадок Люблинских полей фильтрации находилось около 15 млн. м3 иловых осадков. Эмиссия аммиака и сероводорода составляла соответственно 11385 т/год и 353 т/год. Генерировался биогаз, в результате чего периодически наблюдалось выделение метана в приземное воздушное пространство. Площадки полей являлись источником загрязнения подземных вод.
В целях отработки технологии укладки и определения механических свойств обезвоженных осадков были проведены исследования, позволившие моделировать устойчивость полигонов различных конструкций.
Были испытаны полигоны поверхностные, заглубленные с послойной укладкой осадка, с полным заполнением тела полигона обезвоженным осадком.
Установлено, что при реконструкции иловых площадок станций аэрации с использованием обезвоженного осадка в качестве рекультиванта наиболее оптимальна однослойная укладка осадка.
Отвод фильтрата и дождевой воды из осадка производится в вертикальном и горизонтальном направлениях дренажем, устроенным по периметру карты. С очисткой дренажных вод.
При рекультивации иловых площадок производилось экранирование их ложа. Защитные экраны выполнялись из местных суглинков. Технология уплотнения грунтов естественной влажности обеспечила формирование диспергационной структуры грунта, что на порядок и более снизило водопроницаемость, по сравнению с грунтом с ненарушенной флокуляционной структурой.
Применение подобного способа захоронения ОИО обеспечило нагрузку на полигон в 54 000 м3/га.
6.3.3. Исследование насыпи ООСВ компанией "Экопром-мониторинг".
Компанией "Экопром-мониторинг" выполнен комплекс полевых и лабораторных исследований опытной насыпи ООСВ, применяемого для рекультивации отработанных пространств карьерных выработок. Работы проводились по двум направлениям - геодинамические и газо-геохимические исследования. (http://e-monitoring.ru/rec_osv.html).
Геодинамические исследования включали определение физико-механических свойств опытной насыпи обезвоженного осадка, оценку возможности исключения из насыпи промежуточной изоляции из суглинистых грунтов и определение оптимальных конструктивных решений по устройству ограждающих дамб обвалования.
Оценка физико-механических свойств ООСВ производилась при выходе материала из фильтр-прессов, в кавальере, в автомашинах-перевозчиках после транспортировки, на карте после разгрузки автомашин-перевозчиков, на картах трехмесячного, девятимесячного и трехлетнего складирования.
В состав лабораторных исследований вошли определения физических свойств, гранулометрического состава ООСВ, определение прочностных и деформационных свойств и уплотняемости ООСВ.
Установлено, что ООСВ имеет среднюю влажность 76,8 %.
Величина потери при прокаливании в среднем 49 %.
То есть чуть более половины, 51%, сухого остатка - неорганическая часть.
Установлено, что в процессе хранения ООСВ происходит дифференциация (сегрегация) осадка по плотности и влажности с тенденцией увеличения плотности и влажности с глубиной.
Прочностные характеристики илового осадка 3-х месячной и 9-ти месячной отсыпок близки между собой.
Сжимаемость свежеотсыпанного материала в 2,5 раза ниже сжимаемости материала 3-х годичной укладки (то есть осмотическая влага удалена полностью).
Известно, что сжимаемость глинистых пород (осадок во многом похож по свойствам на глиняные породы) зависит от минералогического состава, степени дисперсности, состава обменных катионов, пористости, а также от состояния породы и условий сжатия. Наиболее гидрофильные монтмориллонитовые глины характеризуются большей сжимаемостью по сравнению с каолинитовыми.
При одинаковых условиях сжимаемость глинистых пород тем больше, чем выше их дисперсность. Глины, насыщенные Na , более сжимаемы, чем глины, насыщенные Са. Чем больше пористость, тем больше абсолютная величина сжатия.
При сжатии глинистых пород большую роль играют гидратные оболочки вокруг минеральных частичек, воспринимающие часть нагрузки и деформирующиеся при сжатии, а также непосредственное взаимодействие частиц, притягивающихся друг к другу молекулярными силами; при ненарушенной структуре имеют значение цементационные связи.
Сжимаемость одной и той же глины может быть резко различной в зависимости от нарушенности структуры: при равной начальной пористости и влажности и одинаковом составе воды образцы с нарушенной структурой сжимаются больше.
В трехфазном состоянии, когда в порах глинистого грунта, кроме воды, находится воздух, имеющий возможность свободно выходить из грунта, сжатие происходит более быстро и не зависит от водопроницаемости. Гидратные оболочки при этом деформируются, но влажность породы в первый период не меняется.
Упругие (обратимые) деформации пород связаны с упругими деформациями водно-коллоидных и кристаллизационных связей между частицами, а в породах, не полностью насыщенных водой, - с упругими деформациями пузырьков газов в поровом растворе. (http://www.geoda.ru/library/geology).
На основании исследований был отвергнут вариант отсыпки грунтовых подушек на ООСВ для устройства подъезда транспорта и возведения дамб ограждения, как требующий завоза больших объемов песка и суглинка и сокращающий полезный объем карьеров.
Более предпочтительным был признан вариант поэтапного возведения ограждающих дамб обжатого профиля с заложением откосов 1:1 на плотных юрских глинах с одновременным заполнением карт ООСВ. Он менее затратен и технологически более обусловлен, поскольку обеспечивает подъезд машин в любую точку отсыпки ООСВ.
Устройство в пределах отработанного карьера сразу нескольких карт отсыпки позволило увеличить сроки отсыпки слоя и увеличить время тиксотропного упрочнения материала до отсыпки последующего слоя.
Упрочнение илистых осадков способствует возрастанию баланса сил, удерживающих откосы и обеспечивает возможность возведения обжатых профилей дамб.
Возведение дамб с заложением откосов 2:1 и 1,5:1 на юрских глинах признано возможным в случае использования их в качестве ограждающих элементов между картами отсыпки. Допускается движение легкого транспорта с удельным давлением не более 0,5 кг/см2.
Для защиты водоносных горизонтов от загрязнения борта отработанных карьеров необходимо закрывать противофильтрационным экраном. В качестве естественного противофильтрационного экрана основания могут служить юрские глины.
Целью газо-геохимических исследований являлась оценка интенсивности генерации биогаза ООСВ и грунтами, используемые для пересыпки участков складирования на различных уровнях разреза насыпной толщи; определение состава биогаза; оценка масштабов эмиссии СН4 и СО2 с поверхности площадок складирования ООСВ в приземный воздух.
Газо-геохимические исследования выполнялись на двух участках складирования осадка. Первый участок располагался на площадке, где было проведено захоронение ООСВ с послойной "пересыпкой" суглинком и покрытие площадки суглинком. Второй участок располагался на площадке, где складирование осадка осуществлялось без пересыпки суглинком.
На обоих участках проводилось шпуровое газовое опробование приповерхностных отложений насыпной толщи осадка; определение физико-химических параметров ООСВ и грунтов (влажность и потеря от прокаливания); определение газогенерирующей способности ООСВ и грунтов; режимные наблюдения за составом газа в стационарной скважине на первой площадке; определение эмиссии в приземный воздух СН4 и СО2 с поверхности различных участков складирования ОИО и определение их концентраций в приземном воздухе.
Установлено, что поступающие на рекультивацию ООСВ обладают газогенерирующей способностью до 100 см3/кг сутки. На вновь отсыпанных картах поток метана на дневную поверхность достигает около 600 000 см3/м2 сутки, двуокиси углерода - 200 000 см3/ м2 сутки.
В насыпной толще осадок генерирует по всей толще. Содержание метана в складируемой толще осадка может доходить до 50 % об. Состав генерируемого газа на глубине 6 метров: СН4-43.5% об., СО2-31.6% об., N2-25% об., Н2-0.1% об.
На картах длительного хранения осадка поток биогаза на дневную поверхность отсутствует. Поскольку органика полностью перерабатывается.
Следует особо отметить то обстоятельство, что в ООСВ содержится комплекс ферментов, ускоряющих процессы биодеструкции.
При попадании в сточные воды мочи вместе с N-компонентом привносятся такие ферменты, как амилаза (диастаза) и уропепсин, которые ускоряют процесс анаэробного разложения в 2,5-3 раза.
7. Оценка уменьшения объема депонированного осадка.
Первичная плотность ООСВ составляет 900-1000 кг/м3, твердая фаза имеет среднюю плотность 1200-1400 кг/м3. (http://engineeringsystems.ru/o/osadki-g-r-dskih-i-proizvodstvennih-stochnih-vod.php).
По данным МГУП "Мосводоканал" плотность ООСВ составляет 900 кг/м3.
Соотношение органической и неорганической составляющей в твердой фазе 49:51.
Плотность органической составляющей - около 1 кг/м3.
Неорганическая часть - в основном двуокись кремния, глинистые частицы.
Можно рассмотреть степень сходства физико-химических свойств ООСВ с песчаными, глинистыми грунтами, озерным илом (сапропелем), аквагрунтами.
Основная масса песков состоит из кварца и полевых шпатов. В качестве примесей всегда присутствуют другие минералы - силикаты, глинистые и т. д. (http://www.tzom.ru/text/index003.php).
Насыпная плотность природного песка 1300-1500 кг/м3.
Песок изменяет свой объем и соответственно насыпную плотность при изменении влажности.
При влажности 3-10 % плотность песка резко снижается по сравнению с плотностью сухого песка, поскольку песчинки покрываются тонким слоем воды, и общий объем песка возрастает. При дальнейшем увеличении влажности вода входит в межзерновые пустоты песка, вытесняя воздух, и насыпная плотность песка снова увеличивается.
Плотность песка зависит от содержания в нем глины. Чистый песок может иметь плотность 1400 кг/м3, а песок с большим содержанием глины и влаги - 1800 кг/м3.
Глинистые грунты представляют собой агрегаты глинистых частиц чешуйчатого строения (слюда, хлорит и др.) размером менее 0,005 мм и песчаных (зернистых) частиц разных размеров (http://www.svarchik.ru/glina.htm).
Чешуйчатая и мелкозернистая (пылеватая) фракции глинистых грунтов имеют большую удельную поверхность и тонкие капилляры.
В глинистых грунтах влажность колеблется от 3 % (сухая глина) до 80-90 % (разжиженная глина), причем по мере насыщения водой объем глинистых грунтов увеличивается за счет изменения объема пустот между частицами.
Аквапочвы - биокосные тела, формирующиеся на дне водоемов под воздействием факторов почвообразования. (А.М.Ивлев, О.В.Нестерова. К вопросу об изучении аквапочв /Вестник ДВО РАН. 2004. N 4. http://eps.dvo.ru/vdv/2004/4/pdf/).
По гранулометрическому составу аквапочвы сложены минерально-илистым материалом. Минеральные частицы состоят в основном из кремниево-железистых соединений. С уменьшением размерности в их составе уменьшается содержание кремнезема и увеличивается содержание железа, алюминия, кальция и фосфора.
В донных отложениях сырьем для процессов гумусообразования являются биополимеры животного происхождения - углеводы, белки, липиды, лигнин, хитин, глюкозиды, воск и др. Биополимеры разлагаются в условиях восстановительной среды в нижней части донного отложения.
Мономеры конденсируются в высокомолекулярные соединения - гуминовые и фульвокислоты - по типу меланоидного синтеза, что приводит к образованию гумуса. Формирование и накопление гумуса переводит рыхлые осадки из категории донных отложений в категорию почв (http://www.bsu.ru/content/hecadem/gininova_ab/cl).
Накоплению гумуса способствуют повышенное содержание оснований и азота и легкоразлагаемых веществ (белков и других азотсодержащих компонентов - напомним, что в ООСВ органика в основном белковая).
Сапропель - вещество преимущественно биологического происхождения, образующееся под водой, на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосных организмов, при большой роли бактериальных процессов, происходящих в поверхностных слоях отложений при малом доступе кислорода (http://sapropek.narod.ru/p9.htm).
Состоит из илового раствора, скелета и коллоидного комплекса. В иловый раствор входит вода и растворенные в ней вещества - минеральные соли, низкомолекулярные органические соединения, витамины и ферменты. Скелет, или состав сапропеля представляет собой неразложившиеся остатки растительного происхождения, а коллоидный комплекс - сложные органические вещества, которые придают сапропелю желеобразную консистенцию.
Сапропели разделяются по химическому составу минеральной части на кремнеземистые, известковистые и смешанного типа.
По содержанию органического вещества сапропели подразделяет на две группы: на собственно сапропели, содержащие больше чем 50% органического вещества, и на обедненные органическим веществом сапропели, имеющие его в своем составе 15-50%.
Характерной особенностью сапропелей является высокое влагонасыщение в естественном состоянии. Естественная влажность сапропелевых отложений составляет 84,0-96,0% (в среднем - 88,4%).
Различия влажности объясняются неоднородностью химического состава сапропелей и разным соотношением зольной и органической частей. Органическое вещество способно связывать большее количество воды, чем минерализованное, за счет осмотического проникновения молекул воды и образования водородных связей с функциональными группами твердой фазы сапропелей.
В сапропелях отмечают различные категории воды. Основную категорию удерживаемой сапропелем воды (до 70-80% полной влагоемкости) составляет слабосвязанная вода макропор, которая удерживается в материале механически и не обладает сколько-нибудь заметной энергией связи, 12-15% приходится на воду, иммобилизованную внутри рыхлых коллоидов, 8-15%-это физически связанная вода, в том числе 3-5% - прочносвязанная.
Свободная вода является средой для развития микробиологических и связанных с ними физико-химических процессов в сапропелях.
Развитая удельная поверхность сапропелей способствует развитию процессов химического взаимодействия воды с твердой фазой, из которой вода в результате длительного контакта способна насыщаться многими растворимыми органическими и минеральными компонентами.
Состав органического вещества сапропелей представлен битумоидами, углеводным комплексом (гемицеллюлозы и целлюлозы), гуминовыми веществами (гуминовыми кислотами, фульвокислотами), негидролизуемым остатком.
В органических сапропелях количество органического вещества составляет 70-93 % от сухого вещества, в кремнеземистых и карбонатных -15-60, в смешанных - от 43 до 58%.
Mинеральная часть чаще представлена глинистыми, песчанистыми и мелкоалевритовыми терригенными или карбонатными частицами.
Плотность сапропелей зависит от степени уплотнения, минерализации (http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geolog/4490/).
Естественная влажность зависит от типа осадков и является функцией их гранулометрического состава; чем тоньше материал отложений, тем больше их удельная поверхность и тем выше в них процент влаги.
Глинистый сапропель характеризуется высоким содержанием золы, залегает обычно в придонных слоях озерных отложений, пластичный, тяжелый.
Кальциевый (известковистый) сапропель имеет зольность более 30% (в т. ч. 50-65% СаО).
Кремнеземистый сапропель относится к высокозольным отложениям: содержание золы превышает 30% (в т. ч. более 30% SiO2 и менее 10% СаО).
Водно-физические свойства донных отложений озер НП "Самарская лука" (Условия формирования гранулометрического состава иловых отложений на территории национального парка "Самарская лука". © 2009 Н.Г. Шерышева, Т.А. Ракитина, Л.П. Поветкина. Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти (Россия). http://www.ssc.smr.ru/media/journals/samluka/2009/18_3_15)
| Озеро | Тип ила | Объемный вес, г/мл | | Ужиное | почвенно-песчаный ил | 1,42 | | Золотенка | илистый песок | 1,36 | | Харовое | песчанистый ил | 1,30 | | Б. Шелехметское | песчанистый ил | 1,25 | | Серебрянка | алевритовый ил | 1,16 |
Сапропели озер Томской области (С.А. Бабенко, О.К. Семакина, К.П. Бокуцова, О.В. Лиханова. Разработка технологии гранулирования органо-минеральных удобрений на основе озерных сапропелей./Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. N 1).
| Озеро | Влажность, % | Зольность, % | Плотность, кг/м3 | | Кирек | 75,3 | 49,7 | 1910 | | Кирек | 86,0 | 49,4 | 1730 | | Яково | 93,6 | 26,4 | 1470 | | Чистое | 54,6 | 89,5 | 1036 | | Светлое-1 | 94,7 | 14,0 | 1052 | | Светлое-2 | 83,7 | 59,7 | 1057 | | Темное | 62,7 | 86,5 | 1329 | | Жарково | 75,8 | 69,5 | 1208 |
Можно принять плотность ООСВ с зольностью 49% и влажностью около 75%, претерпевшего процессы седиметации, микробиологического метаморфизма в анаэробных условиях, равной 1,4 кг/дм3.
Плотность исходной органической компоненты, состоящей в основном из белков (наиболее трудно окисляются) близка к плотности воды - 1 кг/м3.
Плотность минеральной компоненты - 2,2 кг/дм3.
Плотность сухого остатка - 1,4 кг/м3.
Твердая часть остатка со временем уменьшается по массе, поскольку газовыделение на первом этапе депонирования сохраняется. То есть процесс деструкции продолжается. Часть органики разрушается анаэробными бактериями, находящимися в остатке.
При первоначальном размещении ООСВ помещается в обваловку. Выдерживается в течение определенного времени, чтобы осадок упрочнился. При исходной влажности 76% за время выдержки влажность снижается примерно на 3% (за счет испарения с верхнего, незакрытого слоя, а также инфильтрации влаги в ограждающие и подстилающие слои суглинка).
В итоге объем депонированного ООСВ может уменьшиться в объеме примерно на 40%. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании технологии рекультивации.
Заключение.
Использование ООСВ для рекультивации карьеров, остающихся после добычи полезных ископаемых (пески, глины, пр.) является достаточно привлекательным приемом утилизации этих веществ.
Сжигание дороже, опаснее (в силу особенностей самой технологии).
Применение в качестве техногенных почв требует обязательного разделения промышленных, ливневых и бытовых сточных вод перед очисткой.
22.02.2010 г.
www.viperson.ru
Viperson.ru
Док. 620783
Перв. публик.: 22.02.10
Последн. ред.: 27.10.10
Число обращений: 0
Спасибо Владимир Ильич
|
