Сточные воды — это крупнотоннажные отходы, объем которых увеличивается с ростом общей численности населения планеты. В процессе их очистки образуется большое количество иловых осадков. Они содержат широкий спектр загрязняющих веществ — тяжелые металлы, патогенные микроорганизмы, токсичные органические и неорганические соединения. Но вместе с этим отличаются высоким содержанием макроэлементов, необходимых для роста растений и восстановления поврежденной почвы. Проблема утилизации этих отходов и использование их потенциала в сельском хозяйстве актуальна для мирового сообщества. Ученые ПНИПУ подобрали особый химический состав для утилизации вредных веществ в иловых осадках и разработали способ их переработки. Исследование позволяет эффективно и экономически выгодно получить безопасный материал, пригодный для рекультивации нарушенных земель.
Статья опубликована в журнале «Energies» № 5, 2024 год.
Большинство крупных городов оборудованы очистными сооружениями, которые становятся источником образования иловых осадков. Из-за их негативных свойств простое захоронение неприемлемо. Оно приводит к выбросам парниковых газов в атмосферу, теряется энергетический и материальный потенциал осадков. Сообщество ученых в России ищет способы уменьшить объем таких отходов и использовать их в качестве вторсырья, например, в сельском хозяйстве.
При этом важно предварительно их обработать — убрать высокую обводненность и большое содержание загрязняющих веществ. Из-за тяжелых металлов и фармацевтических препаратов их трудно использовать в качестве удобрения для растений. Но подвергнутые детоксикации осадки подходят в тех случаях, когда требуется много почвенного материала, например, для восстановления нарушенных земель. Вырубка лесов, добыча полезных ископаемых и использование пестицидов ухудшает состояние почвы, из-за чего требуется ее рекультивация. В этом может помочь искусственно созданный, плодородный, чистый технический грунт, в данном случае, из очистных отходов.
Для его производства иловые осадки необходимо предварительно подвергать дезодорации (уничтожению неприятных запахов) и детоксикации (удалению токсичных веществ). То есть снизить выбросы зловонных испарений и сделать тяжелые металлы в составе нерастворимыми, чтобы в дальнейшем они не вымывались в окружающую среду и не вредили растениями. Для этого обычно используют разные термические и химические методы, но они решают либо только по одной проблеме за раз, либо не эффективны против подвижных форм тяжелых металлов.
Ученые Пермского Политеха экспериментально подобрали уникальный химический состав из реагентов, которые минимизируют в иловых осадках и запах, и тяжелые металлы одновременно. На основе выбранного состава разработали технологию переработки отходов для получения материала, который восстановит поврежденную почву.
— Мы исследовали характеристики осадков до и после их обработки различными добавками. И доказали, что использование определенных комбинаций препаратов для химической обработки более эффективно, чем их применение по отдельности. Комплексный подход одновременно решает проблему с неприятным запахом и опасными загрязнителями. Наш состав включает в себя негашеную известь, гипохлорит натрия и торф. Такое сочетание реагентов положительно влияет на снижение выбросов запахов из осадка и на связывание тяжелых металлов – их содержание в отходах снижается на 15-81%, — рассказывает старший преподаватель кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ Анна Цыбина.
Для очистки от зловонных выбросов применяют хлорноватистую кислоту, гипохлорит кальция, перекись водорода, но сильное окисление из-за них вредит структуре органического материала. Поэтому выгоднее использовать более дешевый, но при этом эффективный реагент — гипохлорит натрия.
Детоксикация осадков сточных вод основана на замене тяжелых металлов щелочноземельными или на их связывании в труднорастворимые соединения. Для этого нужны гуминовые вещества, например, торф или чернозем. Кальцийсодержащие реагенты, такие как мел, гипс или известь, улучшают этот процесс. Они замещают ионы тяжелых металлов на кальций и при этом не препятствуют росту растений.
Чтобы выбрать подходящие вещества, политехники сформировали пробы из иловых осадков и экспериментировали с разными сочетаниями реагентов. Составы оценивали по интенсивности запаха, значениям кислотности, содержанию аммиака и сероводорода в газовых выбросах (как самых опасных и сильно концентрированных из загрязняющих веществ). В результате наиболее эффективными из реагентов, используемых при дезодорации, оказался гипохлорит натрия. А кальций и торф способствуют детоксикации осадков и образованию плодородного гумуса, богатого питательными веществами.
Наибольшее содержание металлов в осадках характерно для марганца, меди, никеля, свинца и цинка. Поэтому на них ученые обращали особое внимание. Их значения в составе снизились до пределов допустимого диапазона. Исследование полученных почвоподобных материалов показало, что они относятся к классу малоопасных. Это подтверждает возможность их использования для регенерации земель.
— Мы предлагаем перерабатывать осадки сточных вод в два этапа. Сначала в цехе механического обезвоживания с помощью раствора гипохлорита натрия и извести для дезодорации. Затем на открытой площадке, например, в иловых отстойниках, где к осадку добавляют торф. Эта двухэтапная обработка сводит к минимуму дурнопахнущие выбросы, — поделилась Анна Цыбина.
Политехники рассчитали материальный баланс технологического процесса: на 1 т обезвоженного осадка сточных вод приходится 16,4 кг извести, 2,7 литра гипохлорита натрия и 123 кг торфа. Обработка отходов очистных сооружений таким составом в течение 10-15 суток помимо дезодорации также положительно влияет на связывание подвижных форм тяжелых металлов, содержание которых в осадках снижается до пяти раз.
Разработанный учеными ПНИПУ способ нейтрализует осадки сточных вод для получения на их основе безопасного материала, пригодного для восстановления нарушенных земель. Технология позволяет не только уменьшить объемы очистных отходов, но и использовать их как технический грунт, что экологически и экономически целесообразно.