Практический опыт утилизации иловых отходов канализации города Усть-Каменогорска

Город Усть-Каменогорск является одним из наиболее крупных промышленных и культурных центров Казахстана. Благоприятное расположение территории, выражающееся в непосредственной близости сырьевых ресурсов (руд цветных и редких металлов, золота, угля, строительных материалов), наличие дешевой гидроэнергии (Усть-Каменогорская и Бухтарминская ГЭС), способствовали быстрому становлению и развитию экономического потенциала города. Здесь локализованы крупные предприятия цветной металлургии, атомно-промышленного, золото- и редкометалльного комплексов, теплоэнергетики, машино- и приборостроения, транспорта, стройиндустрии, легкой и пищевой промышленности, лесопереработки, коммунального и сельского хозяйства и многие другие.

Особенностью инфраструктуры города является ее нерациональность, выражающаяся в тесном пространственном совмещении промышленных и селитебных зон. Это вызвано как объективными причинами (передислокация в город эвакуированных предприятий и необходимость их быстрого ввода в эксплуатацию во время Великой Отечественной войны), так и субъективными факторами, которые кроются в недооценке возможных негативных экологических последствий деятельности предприятий.

Следовательно, перенасыщение территории города крупными промышленными объектами, тесное совмещение промышленных зон с жилыми застройками областного центра, далеко небезупречная с экологической точки зрения полувековая деятельность предприятий, привели к загрязнению токсическими веществами, в первую очередь – тяжелыми металлами (ТМ) всех компонентов окружающей среды: атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, биоты. Следует добавить, что в черте города размещены многочисленные хранилища отходов производства (ОП) и потребления (ТБО), которые усугубляют отрицательное воздействие основных производств на окружающую среду.

Одним из объектов города, обеспечивающим его жизнедеятельность, являются Левобережные очистные сооружения (ЛОС). В связи с нерешенностью вопросов, касающихся модернизации этого предприятия, возникли проблемы по утилизации всё возрастающих объемов иловых отходов станции. Эта проблема обусловлена тем, что к 2010 году вместимость иловых карт достигла своей критической черты. Нерешенность данной задачи может вызвать экологический кризис, связанный с необходимостью сброса больших объемов илов непосредственно в реку Иртыш, которая является источником водоснабжения расположенных ниже по течению городов Республики Казахстан (РК) и несет трансграничные функции.

Проведенный обзор путей утилизации осадков сточных вод (ОСВ) в РК и других странах позволяет сделать следующие выводы:

1) В большинстве развитых капиталистических стран система формирования ОСВ исключает попадание в канализационные сети стоков промышленных предприятий, что позволяет иловые отходы, богатые органикой, широко использовать в производстве растительной сельскохозяйственной продукции.

2) В крупных городах Казахстана, в том числе Усть-Каменогорске, ОСВ представлены промышленно-бытовыми стоками, что обуславливает их загрязнение тяжелыми металлами и другими токсическими веществами.

3) Обезвоживание илов в населенных пунктах РК осуществляется естественным путем на самых простейших технологических сооружениях – иловых картах. Эта система весьма несовершенна и не эффективна, в результате чего иловые отходы долгое время сохраняют пастообразное состояние, что в значительной мере затрудняет их захоронение или использование в рекультивационных целях.

4) Научные организации области не проявляют заметного интереса к проблеме утилизации иловых отходов. На прошедших в последние годы экологических форумах представленные доклады носят обзорный характер, а сделанные рекомендации вяло воспринимаются производственниками.

Сложившаяся дилемма очень непроста: либо нужно находить относительно недорогую нетрудоемкую технологию утилизации иловых отходов, либо сбрасывать хозяйственно-бытовые стоки города в р. Иртыш без очистки.

Сознавая всю сложность ситуации, специалисты Алтайского отдела Института геологических наук им. К.И. Сатпаева, Управления природных ресурсов и регулирования природопользования ВКО, ТОО «Ерлитос», ГКП «Өскемен-Водоканал», начиная с 2004 года, начали теоретическую проработку вопроса по возможности использования ОСВ в практических целях для рекультивации техногенно нарушенных земель и выращивания технических сельскохозяйственных культур.

Были опробованы и проанализированы илы разных сроков складирования, проработаны многочисленные опубликованные источники, в том числе нормативные документы (в частности, ГОСТ Р 17.4.3.07-2001, регулирующий использование иловых отходов станций водоочистки России), результаты обследований ОСВ городских очистных сооружений, выполненные предприятиями «Лотос» АО «УМЗ», химико-аналитическим отделом ТОО «Алтайтехэнерго», сохранившиеся заключения ведущих специалистов ВКО: станции химизации сельского хозяйства, ПГО «Востказгеология» и многие другие документы.

В результате была разработана технология утилизации иловых отходов, которая запатентована ТОО «Ерлитос» за № 19204 под названием «Органоминеральный грунт». Суть ее заключается в создании искусственного почвенного субстрата путем составления смеси из бентонитоподобных глин или суглинков, обладающих минеральной основой, и илистых отходов, богатых органикой. Подготовленный на этой базе пилотный проект, прошедший согласование УД ГСЭН г. Усть-Каменогорска и утвержденный Акимом областного центра, явился основой, позволившей начать широкомасштабные работы по рекультивации техногенно нарушенных земель (карьеров, полигонов отходов производства и потребления и др.) с использованием осадков сточных вод.

Основными предпосылками для убедительных выводов по возможности использования илов в рекультивационных целях, стали результаты изучения вещественного и химического состава ОСВ и их токсикологические показатели.

Так, по результатам рентгеноструктурного и термографического анализов иловые отходы ЛОС характеризуются следующим минеральным составом:

Как видно из представленных данных, до 41% состава илов приходится на органическую составляющую, что предопределяет широкие возможности использования этих отходов в различных сферах деятельности.

Токсикологический эксперимент по определению среднесмертельных доз (LD50) и установления степени токсичности иловых отходов ЛОС для теплокровных животных (белые мыши, белые крысы) проводился в лаборатории токсикологии полимеров и других веществ Государственной санитарно-эпидемиологической службы Республики Казахстан. Исследования проводились по методике, изложенной в РД 11.17.9971-90 «Методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов (осадков)».

Для исследований были отобраны 3 пробы илов 2001-2002, 2003 и 2004 годов складирования. Отходы всех трех проб отнесены к IV классу токсичности – малотоксичные отходы.

Спектральный анализ ОСВ показал наличие в них относительно высоких концентраций тяжелых металлов – таблица 1.

Следует подчеркнуть, что для рекультивации техногенно нарушенных земель используется органоминеральный грунт, состоящий из одной части илов и двух частей суглинков.

Расчеты показывают, что суммарный показатель загрязнения Z_с нового органоминерального грунта, представленного такой смесью, составляет лишь 31,5 превышений над единичным фоном, что соответствует умеренному уровню загрязнения почв [1, 2]. То есть, органоминеральный грунт по уровню загрязняющих веществ будет в 3,0 раза (Z_с 31,5 против 95,1) менее токсичным по сравнению с ОСВ, что позволяет идентифицировать его с нетоксичными отходами V класса. Данный вывод подтверждается пунктами 5, 6 Предварительного патента Республики Казахстан № 19204.

Следует добавить, что:

- иловые отходы ЛОС относятся к малоопасным токсичным веществам IV класса и соответствуют по этому параметру промышленным отходам, захороненным на полигоне № 3;

- тяжелые металлы в иловых отходах связаны в форме органоминеральных соединений. Относительные содержания водорастворимых форм токсических элементов составляют десятые-сотые доли процента и не представляют опасности для экологии окружающей среды;

- использование суглинков для создания нового почвенного субстрата обеспечит дополнительное блокирование подвижных форм ТМ;

- сформированный грунт, приравненный к V классу опасности, характеризуется высоким содержанием органической составляющей, что обеспечивает его потенциальное плодородие и возможность проводить посев трав с последующим созданием зеленой зоны для г. Усть-Каменогорска.

Таблица 1. Сравнительные результаты спектрального анализа проб промотходов, ОСВ, четвертичных суглинков и нового органоминерального грунта

Примечание: н/о – содержание элемента ниже чувствительности анализа

С_ср – среднее содержание элемента;

С_фон – фоновое содержание элемента (почвы);

К_с – коэффициент концентрации, равный К_с =

Крупные города различных стран, каждый по своему, решают проблему утилизации ОСВ, но гвоздь этой проблемы заключается в том, что в Казахстане на сооружениях канализации проходят очистку не чисто хозяйственно-бытовые стоки, а промышленно-бытовые стоки, которые, как правило, несут повышенные концентрации ТМ, что не позволяет их использовать, как это делается в развитых странах, в качестве органо-минеральных удобрений в сельскохозяйственном производстве.

Потребность обедненных светлокаштановых пахотных почв на левобережье Иртыша в органических удобрениях не может быть удовлетворена только внесением традиционного навоза, поэтому поиск дополнительных источников гумуса является актуальной задачей для сельскохозяйственных районов не только Восточно-Казахстанской области, но и Республики в целом.

Есть основание полагать, что разработанная и запатентованная ТОО «Ерлитос» технология утилизации ОСВ с их одновременным использованием для рекультивации техногенно нарушенных земель, в первую очередь – полигонов твердых бытовых и промышленных отходов, является «прорывным проектом», решающим, с одной стороны, вывоз ОСВ из промышленных чеков, и с другой стороны – восстановление техногенно нарушенных земель.

Апробация разработанной технологии проводилась в городе Усть-Каменогорске на полигоне промышленных отходов № 3 в 2006, 2009 и 2010 годах.

С точки зрения глубины антропогенного воздействия, полигон складирования промышленных отходов № 3 представляет собой преобразованный ландшафт, полностью утративший свою первоначальную структуру – рис. 1. Большая часть территории завалена битым кирпичом, шлаком неизвестного происхождения, формовочным песком, крупными железобетонными конструкциями, строительным мусором и др.

Рис. 1. Состояние полигона промышленных отходов № 3 до начала рекультивации

Рекультивационные работы на полигоне выполнялись в три последовательных этапа: подготовительный, этапы технической и биологической рекультивации. В свою очередь, каждый этап разбит на ряд последовательных стадий, показанных на операционной схеме выполнения работ – рис. 2.

Рис. 2. Операционная схема выполнения рекультивации техногенно нарушенных земель с использованием иловых отходов ЛОС

Подготовительный этап включал сбор документов и получение права землепользования, разработку и согласование рабочего проекта, закупку семян.

В технический этап рекультивации выполнены работы по планировке участка с последующим формированием трех рекультивационных слоев, из которых первый слой представлен суглинками, второй – иловыми отходами и третий – снова суглинками. В основании первого рекультивационного слоя формируется противофильтрационный экран, представленный неогеновыми глинами павлодарской свиты.

Биологический этап работ выполнялся с целью фитомелиорации участка и формирования привлекательного вида природно-техногенного ландшафта. Биологический этап распадается на три основные стадии: предпосевная подготовка почвенного субстрата, посев травянистой растительности и контроль над состоянием всходов.

Предпосевная подготовка почвы необходима для окончательной планировки участка рекультивации, измельчения крупных комков с тем, чтобы обеспечить примерно одинаковую плотность поверхности грунта. Это в свою очередь позволяет произвести заделку семян на одинаковую глубину – 1-1,5 см, что гарантирует в последующем надежные дружные всходы.

В качестве фитомелиоранта выбрана люцерна – растение, хорошо приспособленное к климатическим условиям Восточного Казахстана, имеющее сильно развитую корневую систему, обладающее устойчивостью к неблагоприятным физико-химическим свойствам грунта.

Посев люцерны проведен в конце сентября в преддверии обильных осадков, что обеспечило дружные всходы на 7-8 день.

Результаты работ по утилизации ОСВ и рекультивации полигона промышленных отходов № 3 позволяют сделать вывод об эффективности использования иловых отходов в качестве компонента органоминерального грунта. В процессе выполнения работ за три года было утилизировано свыше 23 000 тонн илов, участку площадью 9 га возвращены общесанитарные функции, что позволяет эти земли вводить в хозяйственный оборот – рис. 3.

Рис.3. Общий вид участка после завершения рекультивационных работ

В заключение следует подчеркнуть, что на сегодня в Республике Казахстан отсутствуют хорошо проработанные нормативные документы, регламентирующие требования к утилизации иловых отходов.

Это вызывает необходимость изыскивать какие-то «свои» версии, что, в свою очередь, создает определенные трудности при разработке технологических регламентов и прохождения экологических экспертиз.

Главной причиной, сдерживающей широкое использование ОСВ, в первую очередь, в сельскохозяйственном производстве, является относительно высокое содержание в отходах тяжелых металлов. В настоящее время многие промышленные предприятия областного центра не имеют собственных очистных сооружений и по договорам с ГКП «Өскемен-Водоканал», сбрасывают свои сточные воды в городские канализационные сети. В последующем эти стоки проходят только биологическую очистку и ТМ, используемые в технологических процессах предприятий, локализуются в твердой фазе, т.е. иловых осадках. Очевидно, что в настоящее время назрела необходимость разработки таких правовых норм, при которых предприятиям невыгодно было бы загрязнять окружающую среду. Сегодня же уполномоченные органы просто щадят промобъекты, большая часть которых находится в частной собственности или под иностранным управлением, поскольку они предоставляют рабочие места для жителей областного центра. Эти предприятия ограничиваются платежами за загрязнение ОС, которые не компенсируют наносимый экологический ущерб: нормативы ПДС, в частности, как правило, приближаются к реальным объемам сбросов.

Рекомендации

Для успешного решения проблемы иловых отходов Левобережных очистных сооружений города Усть-Каменогорска необходимо:

1) Создать правовые и экономические условия для строительства очистных сооружений на всех предприятиях, имеющих промышленные стоки. В таком случае появится возможность широкого использования ОСВ в сельскохозяйственном производстве для повышения урожайности посевных культур.

2) Разработать целевую долговременную программу использования ОСВ для рекультивации полигонов промышленных и твердо-бытовых отходов и как удобрений для выращивания кормовых, технических культур, в создании зеленых зон вокруг города и придорожных зон с ежегодным гарантированным финансированием.

3) В кратчайшие сроки завершить реконструкцию Левобережных очистных сооружений и сдать в эксплуатацию цех обезвоживания илов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Минздрав СССР. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М., 1987.

2. Сапаргалиев Е.М. – научн. руководитель. Отчет по теме: «Изучение состояния загрязнения почв района г. Усть-Каменогорска и результаты ландшафтного картирования». Усть-Каменогорск, 2007. Фонды ТОО «АГЭИ».