Переработка осадков сточных вод: инновационное предложение для водоканалов

ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ

Крупнейшая экологическая проблема стран СНГ — загрязненность их территории отходами. Особую озабоченность вызывают отходы, образованные в процессе очистки городских сточных вод, — канализационные илы и осадки сточных вод (далее — ОСВ).

Основная специфика таких отходов — их двухкомпонентность: система состоит из органической и минеральной составляющей (80 и 20 % соответственно в свежих отходах и до 20 и 80 % в отходах после длительного хранения). Наличие в составе отходов тяжелых металлов обусловливает их IV класс опасности. Чаще всего такие виды отходов складируются под открытым небом и не подлежат дальнейшей переработке.

Например, в Украине к настоящему времени накоплено более 0,5 млрд т ОСВ, суммарная площадь для складирования которых составляет примерно 50 км² на пригородных и городских территориях [1].

Отсутствие в мировой практике действенных способов утилизации данного вида отходов и вызванное этим обострение экологической ситуации (загрязнение атмосферы и гидросферы, отторжение земельных площадей под полигоны для складирования ОСВ) свидетельствуют об актуальности нахождения новых подходов и технологий по вовлечению ОСВ в хозяйственный оборот.

В соответствии с Директивой Совета 86/278/ЕЕС от 12.06.1986 «О защите окружающей среды и в особенности почв при использовании в сельском хозяйстве осадков сточных вод» в странах Европейского союза в 2005 г. ОСВ были использованы следующим образом: 52 % — в сельском хозяйстве, 38 % — сожжены, 10 % — складированы [2].

Попытка России перенести зарубежный опыт сжигания ОСВ на отечественную почву (строительство мусоросжигательных заводов) оказалась неэффективной: объем твердой фазы снизился всего на 20 % при одновременном выбросе в атмосферный воздух большого количества газообразных токсичных веществ и продуктов сгорания. В связи с этим в России, как и во всех остальных странах СНГ, основным способом обращения с ОСВ остается их складирование [1–3].

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

В процессе поиска альтернативных способов утилизации ОСВ путем проведения теоретических и экспериментальных исследований и опытно-промышленной апробации нами было доказано, что решение экологической проблемы — ликвидации накопленных объемов отходов — возможно путем их активного вовлечения в хозяйственный оборот в следующих отраслях:

• дорожное строительство (производство органо-минерального порошка взамен минерального порошка для асфальтобетона);
• строительство (производство утеплителя типа керамзит и керамического эффективного кирпича);
• аграрный сектор (производство высокогумусного органического удобрения) [2, 4–7].

Экспериментальное внедрение результатов работ было осуществлено на ряде предприятий Украины:

• дорожное покрытие площадки хранения тяжелой техники МД ПМК-34 (г. Луганск, 2005 г.), участок объездной дороги вокруг Луганска (на пикетах ПК220-ПК221+50, 2009 г.), дорожное покрытие ул. Малютина в г. Антрацит (2011 г.);

КСТАТИ

Результаты наблюдений за состоянием и качеством дорожного покрытия свидетельствуют о его хороших эксплуатационных характеристиках, превышающих по ряду показателей традиционные аналоги.

• выпуск опытной партии эффективного облегченного керамического кирпича на Луганском кирпичном заводе № 33 (2005 г.);
• производство биогумуса на основе ОСВ на очистных сооружениях ООО «Лугансквода».

КОММЕНТАРИИ К НОВАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Анализируя накопленный нами опыт утилизации ОСВ в сфере дорожного строительства, мы можем выделить следующие положительные моменты:

• предлагаемый способ утилизации позволяет вовлекать крупнотоннажный отход в сферу крупнотоннажного промышленного производства;
• перевод ОСВ из категории отходов в категорию сырья обусловливает их потребительскую стоимость — отход приобретает определенную ценность;
• в экологическом плане отход IV класса опасности размещается в дорожном полотне, асфальтобетонное покрытие которого соответствует IV классу опасности;
• для производства 1 м³ асфальтобетонной смеси можно утилизировать до 200 кг сухого ОСВ в качестве аналога минерального порошка с получением качественного материала, соответствующего нормативным требованиям к асфальтобетону;
• экономический эффект от принятого способа утилизации имеет место как в сфере дорожного строительства (снижение стоимости асфальтобетона), так и для предприятий Водоканала (предотвращение платежей за размещение отходов и др.);
• в рассматриваемом способе утилизации ОСВ согласуются технический, экологический и экономический аспекты.

Проблемные моменты связаны с необходимостью:

• кооперации и согласованности различных ведомств;
• широкого обсуждения и одобрения специалистами выбранного способа утилизации ОСВ;
• разработки и введения в действие национальных стандартов;
• внесения изменений в Закон Украины от 05.03.1998 № 187/98-ВР «Об отходах»;
• разработки технических условий на продукцию и проведения ее сертификации;
• внесения изменений в строительные нормы и правила;
• подготовки обращения в Кабинет Министров и Министерство охраны окружающей природной среды с просьбой о разработке действенных механизмов реализации проектов по утилизации отходов.

И напоследок еще один проблемный момент — в одиночку эту проблему не решить.

КАК УПРОСТИТЬ ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МОМЕНТЫ

На пути широкого использования рассматриваемого метода утилизации ОСВ возникают организационные трудности: необходима кооперация различных ведомств с различным видением своих производственных задач — коммунального хозяйства (в данном случае Водоканала — собственника отходов) и дорожно-строительной организации. При этом у них неизбежно возникает ряд вопросов, в т.ч. экономических и правовых, наподобие «А надо ли это нам?», «Затратный это механизм или прибыльный?», «Кто должен нести риски и ответственность?»

К сожалению, нет единого понимания того, что общую экологическую проблему — утилизацию ОСВ (по сути отходов общества, накопленных коммунальными предприятиями) — можно решить с помощью коммунальных предприятий дорожно-строительной отрасли путем вовлечения таких отходов в ремонт и строительство коммунальных дорог. То есть весь процесс можно осуществить в пределах одного коммунального ведомства.

К СВЕДЕНИЮ

В чем видится интерес всех участников процесса?
1. Дорожно-строительная отрасль получает осадок в виде аналога минерального порошка (одного из компонентов асфальтобетона) по цене значительно ниже стоимости минерального порошка и производит качественное асфальтобетонное покрытие с меньшей стоимостью.
2. Предприятия по очистке канализационных стоков избавляются от накопленных отходов.
3. Общество получает качественные и более дешевые дорожные покрытия с одновременным улучшением экологической ситуации на территории его проживания.

Учитывая то, что при утилизации ОСВ решается важная экологическая проблема, имеющая государственное значение, в этом случае государство должно быть самым заинтересованным участником. Поэтому под эгидой государства необходимо разработать соответствующую нормативно-правовую базу, которая отвечала бы интересам всех участников процесса. Однако для этого потребуется определенный временной интервал, который в условиях бюрократической системы может быть довольно продолжительным. В то же время, как было сказано выше, проблема накопления осадков и возможность ее решения имеют непосредственное отношение к коммунальной отрасли, поэтому и решать ее надо здесь же, что резко сократит время на все согласования, а перечень необходимой документации сузит до ведомственных норм.

ВОДОКАНАЛ КАК ПРОИЗВОДИТЕЛЬ И ПОТРЕБИТЕЛЬ ОТХОДОВ

Всегда ли нужна кооперация предприятий? Рассмотрим вариант утилизации накопленных ОСВ непосредственно предприятиями Водоканала в своей производственной деятельности.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Предприятия Водоканала после проведения ремонтных работ на трубопроводных сетях обязаны восстанавливать поврежденное дорожное полотно, что выполняется далеко не всегда. Так, по результатам проведенной нами приблизительной среднегодовой оценки объемов таких работ на Луганщине, эти объемы составляют от 100 до 1000 м² площади покрытий в зависимости от населенного пункта. Учитывая, что в структуру крупных предприятий, таких как ООО «Лугансквода», входят десятки населенных пунктов, площадь восстанавливаемых покрытий может достигать десятков тысяч квадратных метров, для чего требуются уже сотни кубических метров асфальтобетона.

Необходимость избавления от отхода, свойства которого позволяют получать в результате его утилизации качественный асфальтобетон, и, главное, возможность его применения при ремонте нарушенных дорожных покрытий являются главными причинами возможного использования рассматриваемого метода утилизации ОСВ предприятиями Водоканала.

Отметим, что ОСВ очистных сооружений различных населенных пунктов аналогичны по своему положительному воздействию на асфальтобетон, несмотря на некоторые различия химического состава.

Например, асфальтобетон, модифицированный осадками г. Луганска (ООО «Лугансквода»), г. Черкассы (ПО «Азот») и «Киевводоканал», соответствует требованиям ДСТУ Б В.2.7-119-2003 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон дорожный и аэродромный. Технические условия» (далее — ДСТУ Б В.2.7-119-2003) (табл. 1).

Давайте порассуждаем. 1 м³ асфальтобетона имеет среднюю массу 2,2 т. При введении 6–8 % осадка как заменителя минерального порошка в 1 м³ асфальтобетона можно утилизировать 132–176 кг отхода. Примем среднюю величину 150 кг/м³. Так, при толщине слоя 3–5 см 1 м³ асфальтобетона позволяет создать 20–30 м² дорожного покрытия.

Как известно, асфальтобетон состоит из щебня, песка, минерального порошка и битума. Водоканалы являются собственниками первых трех компонентов как искусственных техногенных месторождений: щебень — заменяемая загрузка биофильтров; песок и депонированный осадок — отходы песковых и иловых площадок (рис. 1). Для превращения этих отходов в асфальтобетон (полезная утилизация) нужен только один дополнительный компонент — дорожный битум, содержание которого составляет только 6–7 % от планируемого выпуска асфальтобетона.

Имеющиеся отходы (сырьевые ресурсы) и необходимость осуществления ремонтно-восстановительных работ с возможностью использования при этом указанных отходов являются основой для создания в структуре Водоканала специализированного предприятия или участка. Функциями такого подразделения будут являться:

• подготовка компонентов асфальтобетона из имеющихся отходов (стационарная);
• производство асфальтобетонной смеси (мобильная);
• укладка смеси в дорожное полотно и ее уплотнение (мобильная).

Суть технологии подготовки сырьевого компонента асфальтобетона — минерального (органо-минерального) порошка на основе ОСВ — отражена на рис. 2.

Как следует из рис. 2, исходное сырье (1) — осадок из отвалов влажностью до 50 % — предварительно просеивается через сито с размером ячеек 5 мм (2) для удаления постороннего мусора, растений и разрыхления комков. Просеянная масса просушивается (в естественных или искусственных условиях) (3) до влажности 10–15 % и подается на дополнительный просев через сито с ячейками 1,25 мм (5). При необходимости может быть выполнено дополнительное измельчение комков массы (4). Полученный порошкообразный продукт (микронаполнитель — аналог минерального порошка) упаковывается в мешки и складируется (6).

Аналогично производится подготовка щебня и песка (сушка и фракционирование). Переработка может быть осуществлена на специализированном участке, расположенном на территории очистной станции, с использованием подручного или специального оборудования.

РЕКОМЕНДУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Подготовка сырья

Рассмотрим оборудование, которое можно использовать на этапе подготовки сырья.

Вибросита

Для просева ОСВ используются вибросита различных производителей. Так, вибросита могут обладать следующими характеристиками: «Регулируемая скорость вращения вибрационного привода позволяет менять амплитуду и частоту вибрации. Герметичное исполнение позволяет использовать вибросита без системы аспирации и с использованием инертных сред. Система распределения материала на входе в вибросита позволяет использовать 99 % просеивающей поверхности. Вибросита оборудованы системой разводки разделенных классов. Торцевая замена просеивающих поверхностей. Высокая надежность, простая настройка и регулировка. Быстрая и простая замена дек. До трех просеивающих поверхностей»[1].

Приведем основные характеристики вибросита ВС-3[2] (рис. 3):

• габариты — 1200×800×985 мм;
• установленная мощность — 0,5 кВт;
• напряжение питания — 380 В;
• вес — 165 кг;
• производительность — до 5 т/час;
• размер ячеек сит — любой по заказу;
• цена — от 800 долл.

Сушилки

Для просушивания сыпучего материала — почво-грунта (осадка) и песка — в ускоренном режиме (в отличие от естественной сушки) предлагается использовать барабанные сушилки СБ-0,5 (рис. 4), СБ-1,7 и т.п. Рассмотрим принцип действия таких сушилок и их характеристики (табл. 2)[3].

Через загрузочный бункер влажный материал подается в барабан и поступает на внутреннюю насадку, расположенную по всей длине барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесный контакт с сушильным агентом при пересыпании. Непрерывно перемешиваясь, материал перемещается к выходу из барабана. Высушенный материал удаляется через разгрузочную камеру.

Комплект поставки: сушилка, вентилятор, пульт управления. В сушилках СБ-0,35 и СБ-0,5 электронагреватель встроен в конструкцию. Срок изготовления — 1,5–2,5 месяца. Стоимость таких сушилок — от 18,5 тыс. долл.

Влагомеры

Для осуществления контроля влажности материала можно использовать влагомеры различных типов, например ВСКМ-12У (рис. 5).

Приведем технические характеристики такого влагомера[4]:

• диапазон измерения влажности — от сухого состояния до полного влагонасыщения (реальные диапазоны для конкретных материалов указаны в паспорте прибора);
• относительная погрешность измерения — ±7 % от измеряемой величины;
• глубина зоны контроля с поверхности — до 50 мм;
• градуировочные зависимости на все контролируемые прибором материалы хранятся в энергонезависимой памяти, рассчитанной на 30 материалов;
• выбранный тип материала и результаты измерения индицируются на двухстрочном дисплее непосредственно в единицах измерения влажности с дискретностью 0,1 %;
• продолжительность единичного измерения — не более 2 с;
• продолжительность удержания показаний — не менее 15 с;
• электропитание универсальное: автономное от встроенного аккумулятора и от сети ~220 В, 50 Гц через сетевой адаптер (он же — зарядный);
• размеры электронного блока — 80×145×35 мм; датчика — Æ100×50 мм;
• общая масса прибора — не более 500 г;
• полный срок службы — не менее 6 лет;
• цена — от 100 долл.

К СВЕДЕНИЮ

По нашим подсчетам, для организации стационарного пункта по подготовке наполнителей асфальтобетона потребуется оборудование на сумму 20–25 тыс. долл.

Изготовление асфальтобетона с наполнителем из ОСВ и его укладка

Рассмотрим оборудование, которое можно использовать непосредственно в процессе изготовления асфальтобетона с наполнителем из ОСВ и его укладки.

Малогабаритный асфальтобетонный завод

Для изготовления асфальтобетонных смесей из производственных отходов Водоканала и использования их в дорожном покрытии предлагается самый малый по мощности из возможных комплексов — мобильный асфальтобетонный завод (мини-АБЗ) (рис. 6). Достоинствами такого комплекса являются низкая цена, небольшие эксплуатационные и амортизационные расходы. Малые габариты установки позволяют обеспечить не только ее удобное хранение, но и энергоэффективный моментальный запуск и выпуск готового асфальтобетона. При этом производство асфальтобетона осуществляется на месте укладки, минуя стадию транспортировки, с использованием смеси высокой температуры, что обеспечивает высокую степень уплотнения материала и отличное качество асфальтобетонного покрытия.

Стоимость мини-АБЗ производительностью 3–5 т/час составляет 125–500 тыс. долл., а производительностью до 10 т/час — до 2 млн долл.

Приведем основные характеристики мини-АБЗ производительностью 3–5 т/час[5]:

• температура на выходе — до 160 °С;
• мощность двигателя — 10 кВт;
• мощность генератора — 15 кВт;
• объем битумной емкости — 700 кг;
• объем топливного бака — 50 кг;
• мощность топливного насоса — 0,18 кВт;
• мощность битумного насоса — 3 кВт;
• мощность вытяжного вентилятора — 2,2 кВт;
• мощность двигателя скипового подъемника — 0,75 кВт;
• габариты — 4000×1800×2800 мм;
• вес — 3800 кг.

Дополнительно для осуществления полного цикла работ по производству и укладке асфальтобетона необходимо приобрести емкость для транспортировки горячего битума и мини-каток для укладки асфальта (рис. 7).

Дорожные катки вибрационные тандемные массой до 3,5 т имеют стоимость 11–16 тыс. долл.

Таким образом, весь комплекс оборудования, необходимого для подготовки материалов, производства и укладки асфальтобетона, может стоить около 1,5–2,5 млн долл.

ВЫВОДЫ

1. Применение предложенной технологической схемы позволит решить проблему утилизации отходов канализационных станций путем их вовлечения в хозяйственный оборот на местном уровне.

2. Реализация рассмотренного в статье способа утилизации ОСВ позволит вывести водоканалы в разряд малоотходных предприятий.

3. За счет использования ОСВ в производстве асфальтобетона может быть расширен перечень предоставляемых Водоканалом услуг (возможность ремонта внутриквартальных дорог и проездов).

Литература

1. Дрозд Г.Я. Утилизация минерализованных осадков сточных вод: проблемы и решения // Справочник эколога. 2014. № 4. С. 84–96.
2. Дрозд Г.Я. Проблемы в сфере обращения с депонированными осадками сточных вод и методы их решения // Водопостачання та водовідведення. 2014. № 2. С. 20–30.
3. Дрозд Г.Я. Новые технологии утилизации осадков — путь к малоотходным канализационным очистным сооружениям // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2014. № 3. С. 20–29.
4. Дрозд Г.Я., Бреус Р.В., Бизирка И.И. Депонированные осадки городских сточных вод. Концепция утилизации // Lambert Academic Publishing. 2013. 153 с.
5. Дрозд Г.Я. Предложения по вовлечению депонированных осадков сточных вод в хозяйственный оборот // Матер. Международного конгресса «ЭТЭВК-2009». Ялта, 2009. C. 230–242.
6. Бреус Р.В., Дрозд Г.Я. Спосіб утилізації осадів міських стічних вод: Патент на корисну модель № 26095. Україна. МПК СО2F1/52, CO2F1/56, CO4B 26/26 — № U200612901. Заявл. 06.12.2006. Опубл. 10.09.2007. Бюл. № 14.
7. Бреус Р.В., Дрозд Г.Я., Гусенцова Є.С. Асфальтобетонна суміш: Патент на корисну модель № 17974. Україна. МПК CO4B 26/26 — № U200604831. Заявл. 03.05.2006. Опубл. 16.10.2006. Бюл. № 10.