ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД ГОРОДСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

ENVIRONMENTAL SAFETY OF THE USE OF WASTE WATER SEDIMENTS OF URBAN TREATMENT FACILITIES

Alexander Korolev

Candidate of Science, Associate Professor of Department of Ecology, Nature Management and Biology Omsk State Agrarian University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

Предложена методика использования осадков сточных вод городских очистных сооружений. Согласно рекомендациям С.Е. Витковской и В.Ф. Дричко проведены расчеты с целью применения концентратов с иловых полей без угрозы загрязнения почвы сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства тяжелыми металлами.

ABSTRACT

A method of using wastewater sludge from urban wastewater treatment plants is proposed. According to the recommendations of S. Vitkovskaya and V. Drichko, calculations were carried out for the purpose of using concentrates from silt fields without the threat of contamination of the soil of agricultural land and crop products with heavy metals.

Ключевые слова: осадок сточных вод; очистные сооружения; иловые карты; тяжелые металлы, почвы.

Keywords: sewage sludge; treatment facilities; silt maps; heavy metals, soils.

Одной из нерешенных проблем крупных городов является утилизация осадков сточных вод (ОСВ), которые накапливаются десятками тысяч тонн и представляют серьезную экологическую угрозу. Известные способы их утилизации (сжигание, захоронение и др.) связаны с серьезными финансовыми затратами и не решают проблему экологической безопасности. В то же время многочисленными исследованиями установлено, что ОСВ содержат большое количество органического вещества (в некоторых случаях 40 % и более), азота (до 6 %), фосфора (до 2,5…3,0 % Р₂О₅), калия (до 0,3…0,5 % К₂О), микроэлементов (МЭ) и могут быть использованы в качестве удобрения при возделывании сельскохозяйственных культур. В мире применяется до 30 % образующихся ОСВ, в России по ориентировочным данным – не более 5,7 %. По удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу и правильное применение их в сельском хозяйстве позволяет повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур [1-3]. Сдерживающим фактором является присутствие в них токсикантов (прежде всего тяжелых металлов) и необходимость обязательного научного обоснования применения в каждом случае, т. к. состав ОСВ разных городов отличается качественным и количественным разнообразием химических соединений и присутствующих элементов [4].

Цель исследования: оценка физико-химических свойств и содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Cd, Cr, Pb) в ОСВ промышленных и хозяйственных стоков г. Семей (Республика Казахстан, Восточно-Казахстанская область).

Объекты исследования: ОСВ в виде обезвоженного ила с иловых карт двух предприятий г. Семей: ТОО «ЭКО – Семей» (2005) и ГКП «Семей Водоканал» (1962).

Анализ ОСВ проводили с использованием методов, принятых в агрохимии и почвоведении. Обменную кислотность (рН_KCl) и актуальную кислотность (рНн₂о) определяли потенциометрическим методом: рН устанавливали при соотношении ОСВ : раствор 1:2,5 [5]. Концентрации форм соединений ТМ определяли методом атомной абсорбции [6]: кислоторастворимых соединений – в вытяжке 1н. НCl; подвижных соединений – в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера с рН 4,8; валовое содержание – после мокрого озоления в концентрированной азотной кислоте с добавлением HClO₄.

Сточные воды города Семей состоят из промышленных и хозяйственно-бытовых стоков. В сточной воде присутствуют загрязняющие вещества, в том числе металлы: Fe, Cu, Ni, Cr⁶⁺. Очистка сточных вод, образующихся в левобережной части города, осуществляется на ГКП «Семей Водоканал» на поля фильтрации для полной биологической очистки в естественных условиях (площадь 250 га) после грубой механической очистки и задержания минеральных примесей на песколовках. Время эксплуатации картовых полей – с 1989 г., общий объем карт – 6400 000 м³ [7, 8]. Очистка сточных вод, образующихся в правобережной части города, осуществляется на ТОО «ЭКО – Семей». После грубой механической очистки и задержания минеральных примесей на песколовках и в первичных отстойниках, сточные воды проходят биологическую очистку в аэротенках. В дальнейшем очистка и осветление воды осуществляются во вторичных отстойниках. Излишки ила из аэротенков и осадки вторичных отстойников размещаются  на полях фильтрации и иловых картах. Складирование и накопление обезвоженного ила на данных предприятиях велось в течение 10-15-ти лет. Особенностями формирования промышленных стоков на предприятии ГКП «Семей Водоканал» являлись предприятия строительной, пищевой и машиностроительной индустрии (ОАО «Семипалатинский машиностроительный завод», ТОО «Семипалатинский мясокомбинат», ТОО «ПК «Цементный завод Семей», ТОО Семипалатинский завод асбестоцементных изделий, ТОО «Казахкабель», ТОО «Казэлектромаш», АО «Жана-Семей шпалзауыты», ТОО «Казполиграф»), а на предприятии ТОО «ЭКО – Семей» – кожевенной, пищевой, химической, приборостроительной, транспортной индустрии (ТОО «Семипалатинский кожевенно-меховой комбинат», ТОО «Семипалатинский химический завод», Семипалатинский завод газовой аппаратуры, ТОО «Силикат», Компания УКИЛИ, Семипалатинский гормолзавод, ТОО «Роза – валяльно-войлочный комбинат», ТОО «Семипалатинская обувная фабрика»).

Как показали исследования, образцы ОСВ двух предприятий различаются агротехническими свойствами и агротехнической ценностью.

Таблица 1.

Агротехнические свойства ОСВ ТОО «ЭКО – Семей» и ГКП «Семей Водоканал»

Таким образом, ОСВ г. Семей по показателю гидролитической кислотности, емкости поглощения близки к сероземам и подзолистым почвам.

Однако ОСВ предприятий отличаются высокими концентрациями тяжелых металлов (ТМ). Во всех осадках обнаружены значительные концентрации меди, цинка, кадмия, свинца, хрома. Разброс содержаний этих элементов составляет несколько порядков (табл. 2).

Наиболее высокие концентрации хрома отмечаются в ОСВ ТОО «ЭКО-Семей». Это связано с тем, что длительное время на очистные сооружения поступали сточные воды кожевенно-мехового комбината, обогащенные солями хрома.

В ходе проведенных исследований установлено, что в пределах города наблюдаются значительные колебания в уровне загрязнения ОСВ ТМ. Так, содержание хрома в ОСВ на ТОО «ЭКО-Семей» в 36,4 раза выше содержания этого же элемента в ОСВ ГКП «Семей Водоканал». При этом, содержание остальных из исследуемых ТМ в ОСВ ГКП «Семей Водоканал» выше, чем в ОСВ ТОО «ЭКО-Семей»: меди – в 2,18 раза, кадмия – в 1,63 раза, свинца – в 1,67 раза, цинка – на 18,4 %. Все это заставляет дифференцированно оценивать сельскохозяйственную пригодность ОСВ.

Таблица 2.

Содержание форм соединений тяжелых металлов в осадках сточных вод ТОО «ЭКО – Семей» и ГКП «Семей Водоканал»

Примечание: сверху вниз – валовое содержание, водорастворимая, обменная, кислоторастворимая формы.

Для того, чтобы нормировать поступление химических элементов в почву с ОСВ, в различных странах устанавливают ограничения на содержание тяжелых металлов в компостах. В Республике Казахстан в соответствии с СТ РК 2578-2014 Охрана природы. ПОЧВЫ. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений [9] приняты нормы к содержанию ТМ в ОСВ, которые приведены в таблице 3. Следует отметить, что данные нормы согласуются с нормативами, принятыми в Российской Федерации в соответствии с ГОСТ Р 17.4.3.07- 2001 Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений [10].

Таблица 3.

Нормирование содержания тяжелых металлов в осадках сточных вод

Подход к определению дозы ОСВ для внесения в почву был предложен В.А. Касатиковым и соавторами (1987) [11]. Дозы вводятся с учетом содержания ТМ в ОСВ и ПДК этих элементов в почве. Применение осадка возможно до тех пор, пока валовое количество ТМ в почве не достигает следующих пределов (мг/кг): кадмий – 5; свинец – фон + 12; хром – 100.

Анализируя данные из таблицы 3, становится ясным, что применение ОСВ ТОО «ЭКО-Семей» в сельскохозяйственных нуждах опасно, т. к. содержание хрома в них 17,8 раза выше требований, предъявляемым к ОСВ по данному элементу.

Согласно рекомендациям Витковской и Дричко [12], при расчете допустимой дозы внесения компостов (ДД_КОМП) в почву необходимо учитывать следующие показатели: концентрацию ТМ в почве до внесения компоста (С_ФОН); концентрацию ТМ в компосте (С_КОМП); ПДК ТМ в почве в зависимости от механического состава и кислотности почвы; количество лет (Т), в течение которых планируется вносить компост в почву. При этом, для оценки ДД_КОМП необходимо дополнительно наложить еще одно ограничительное условие: при ежегодном внесении удобрений через заданное время (t=Т) концентрация элемента в почве после применения компоста С_п ≤ 0,8 ПДК_П. Тогда:

где М_П – масса почвы с 1 га.

ДД_КОМП должно рассчитываться для тех ТМ, концентрация которых в ОСВ выше, чем ПДК для почвы. Лимитирующей дозой считается наименьшая из полученных значений ДД_КОМП. Предполагаемый подход позволяет оценить, сколько лет в конкретных условиях можно применять ОСВ без угрозы негативного воздействия содержащихся в них ТМ для почвы и возделываемой на ней продукции растениеводства.

34 % территории Республики Казахстан занимают каштановые почвы (90,6 млн га), которые расположены южнее черноземных. Они занимают большую часть Центрального Казахстана, север Прикаспийской низменности, равнины Восточно-Ка­захстанской области. Эти почвы господствуют в сухой степ­ной и полупустынной зонах и находятся в сельскохозяйственном обороте. Темно-каштановые и каштановые почвы сухой степи пригодны для богарного (т. е. неполивного) земледелия и животноводства, а светло-каштановые почвы полупустыни используются в основном как пастбища [13]. Так, по данным Е.В. Барановой в Западно-Казахстанской области Республики Казахстан каштановые почвы являются основным почвенным типом сельскохозяйственных угодий и пашни. На этих почвах в условиях Казахстана возделываются наиболее ценные сорта твердых пшениц, кукурузы и других сельскохозяйственных культур [14]. Однако плодородие почв уменьшается к югу. Темно-каштано­вые и каштановые почвы содержат всего 3-4,5 % гумуса и требуют проведения работ с целью повышения плодородия. Учитывая данные по естественному содержанию химических элементов в темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почве Восточно-Казахстанской области РК (табл. 4) можно рекомендовать с целью повышения почвенного плодородия использование ОСВ без угрозы загрязнения почвы и продукции растениеводства ТМ.

Таблица 4.

Содержание и формы соединений тяжелых металлов в темно-каштановой нормальной среднесуглинистой почве ВКО РК [15]

В соответствии с рекомендациями Витковской-Дричко, хозяйствам, занимающимся активным земледелием на темно-каштановых нормальных среднесуглинистых почвах в целях оптимизации минерального питания и повышения урожаев по интенсивным технологиям, были рассчитаны допустимые дозы внесения ОСВ ГКП «Семей Водоканал» на ближайшие 10 лет:

1. для Pb: ДД_КОМП = 3,4 т/га;
2. для Zn: ДД_КОМП = 5,75 т/га;
3. для Cd: ДД_КОМП = 0,91 т/га;
4. для Cr: ДД_КОМП = 0,27 т/га;
5. для Cu: ДД_КОМП = 13,6 т/га.

Оценивая расчетные данные можно сделать вывод, что для подобных хозяйств сухостепной зоны Восточного Казахстана в целях повышения урожаев по интенсивным технологиям можно рекомендовать внесения ОСВ ГКП «Семей Водоканал» на ближайшие 10 лет в дозах, не превышающих 0,27 т/га в год.

Список литературы:

1. Михайлов Л.Н. Научные основы применения осадков городских сточных вод в качестве удобрения / Л.Н. Михайлов, И.В. Пужайкин, М.П. Марковская, Г.К. Марковская – Самара: Кн. изд-во, 1998. – 160 с.
2. Шуравилин А.В., Сурикова Н.В. Опыт удобрения почв осадком сточных вод в Московской области // Агрохимический вестник. – 2006. – № 1. – С. 24-27.
3. Болышева Т.Н. Результаты утилизации осадков сточных вод во Владимирской области / Т.Н. Болышева, А.Р. Валитова, П.П Кижапкин., В.А. Касатиков // Агрохимический вестник. – 2006. – № 1. – С. 28-29.
4. Дрозд Г.Я. Проблемы в сфере обращения с депонированными осадками сточных вод и методы их решения // Водопостачання та водовідведення. – 2014. – № 2. – С. 20–30.
5. Практикум по почвоведению / Н.Ф. Ганжара, Б.А. Борисов, Р.Ф. Байбеков [gод ред. доктора биологических наук, профессора Н.Ф. Ганжары]. – М.: Агроконсалт, 2002. – 280 с.
6. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства // Центральный институт агрохимического обслу­живания сельского хозяйства (ЦИНАО). – М. 1992. – 63 с.
7. Данные о водоотведении и очистки сточных вод предприятия ГКП «Семей Водоканал». URL: https://www.semey-vodokanal.kz/131-otchet-o-deyatelnosti-predpriyatiya-po-predostavleniyu-uslug-vodosnabzheniya-i-vodootvedeniya-za-2016-god.html (дата обращения: 12.10.2020).
8. Шалимова К.И. Организация водоснабжения города Семей (Республика Казахстан): магистерская дис. – Томск: Томский политехнический университет, 2020. – 166 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/60977/1/TPU927764.pdf (дата обращения: 12.10.2020).
9. СТ РК 2578-2014 Охрана природы. ПОЧВЫ. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.egfntd.kz/rus/tv/377784.html?sw_gr=-1&sw_str=&sw_sec=0 (дата обращения: 06.10.2020).
10. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294847/4294847498.htm (дата обращения: 06.10.2020).
11. Методические рекомендации по применению городских отходов в системе комплексного агрохимического окультуривания полей / В.А. Касатиков, К.Е. Баринова, В.Е. Руник и др. – Владимир.: Агропром, 1987. – 21 с.
12. Витковская С.Е., Дричко В.Ф. Влияние органических отходов на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы и поступление тяжелых металлов в растения // Агрохимия. – 2002. – № 7. – С. 5-10.
13. Типы почв на территории Казахстана [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://tak-to-ent.net/publ/6-1-0-139 (дата обращения: 02.10.2020).
14. Баранова Е.В. Гумусовый режим темно-каштановых почв разного хозяйственного использования в условиях Западного Казахстана: Автореф. дис. канд. с.-х. наук. – Санкт-Петербург-Пушкин, 2012. – 23 с.
15. Панин М.С. Эколого-биогеохимическая оценка техногенных ландшафтов Восточного Казахстана / М.С. Панин. – Алматы: Изд-во «Эверо», 2000. – 338 с.