ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ МЕТОДА БИОРЕМЕДИАЦИИ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД, ОСНОВАННОГО НА СОЗДАНИИ «БИОПЛАТО» В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ОПАСНОСТИ АКТИВНОГО ВЫБРОСА АММИАКА И СЕРОВОДОРОДА В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

Автухович И.Е.¹, Постников Д.А.², Таллер Е.Б.³

¹Доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ²доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ³кандидат биологических наук, доцент,

Российский государственный аграрный университет – РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ МЕТОДА БИОРЕМЕДИАЦИИ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД, ОСНОВАННОГО НА СОЗДАНИИ «БИОПЛАТО» В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ОПАСНОСТИ АКТИВНОГО ВЫБРОСА АММИАКА И СЕРОВОДОРОДА В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ

Аннотация

С целью снижения выбросов аммиака и сероводорода от обезвоженного осадка сточных вод (ОСВ) Щелковских межрайонных очистных сооружений, был внедрен метод создания «биоплато», основанный на применении микробиологического препарата «Тамир» и растений в производственных условиях. Биопрепарат вносился в чаши-площадки депонирования ОСВ согласно схеме эксперимента. Результатом явилось снижение концентраций сильнопахнущих газов в воздухе рабочей зоны и зоны жилой застройки до уровней не превышающих ПДК. Расселение микроорганизмов биопрепарата в ОСВ подготовило его в качестве субстрата для распространения культурных и дикорастущих растений по поверхности чаш-площадок депонирования, а также создало благоприятную среду для развития полезных микроорганизмов ризосферы растений. Снижение неприятных запахов и создание растительного покрова на поверхности чаш-площадок депонирования ОСВ способствовало оздоровлению окружающей среды на территории очистных сооружений и улучшению условий труда работников.

Ключевые слова: аммиак, сероводород, осадок сточных вод (ОСВ), микробиологический препарат.

 Avtukhovich I.E.¹, Postnikov D.A.², Taller E.B.³

¹PhD in Agriculture, Professor, ²PhD in Agriculture, Professor, ³PhD in Biology, Associate Professor,

Russian Timiryazev State Agrarian University

PRODUCTION TESTING OF BIOREMEDIATION METHOD OF SEWAGE SLUGE, BASED ON CREATING “BIOPLATO” IN A HIGH RISK OF ACTIVE AMMONIA AND HYDROGEN SULFIDE EMISSION IN ATMOSPHERIC

Abstract

For the purpose of decrease in emission of ammonia and hydrogen sulfide from the dewatered sewage sludge (SS) on interdistrict Treatment Facilities of Shchelkovo, Moscow region, a method of creating "bioplato" was implemented based on the use of microbiological preparation "Tamir" and the plants under production conditions. Biological preparation was applied into sludge lagoons according to the scheme of the experiment. As the result the concentrations of strongly smelling gases in the air of the work zone and in the atmosphere of residential area have been lowered to levels under the maximum permissible concentration (MPC). Settling of microorganisms of biopreparation in sewage sludge prepared it as a substrate for the dissemination of cultural and wild plants on the surface of the SS storage lagoons, as well as created an environment for the development of beneficial microorganisms in the rhizosphere of plants.

Decreasing in emission of unpleasant odors and creation of vegetation cover on the surface of the SS storage lagoons contributed to the improvement of the environment in the territory of treatment facilities as well as the working conditions.

Keywords: ammonia, hydrogen sulfide, sewage sludge (SS), microbiological preparation.

Щелковские межрайонные очистные сооружения – одни из крупнейших в Московской области. Здесь осуществляют прием и очистку бытовых и производственных сточных вод, поступающих из четырех городов: Королев, Ивантеевка, Фрязино, Юбилейный и двух районов Подмосковья: Щелковского и Пушкинского с общей численностью населения более 700 тысяч человек. Услугами предприятия пользуются более тысячи организаций. При этом 40% стоков поступает из г. Королева, 20% - из Щелковского района, 40% - из остальных муниципальных образований. В сутки очистные сооружения принимают свыше 300 000 м³ стоков.

Летом 2014 года в подмосковном городе Щелково, расположенном в окрестностях очистных сооружений, создалась экологическая проблема. Резкий запах сероводорода распространился на весь город, и в самый пик жары люди не могли открыть форточки. Так, по данным официального доклада «О состоянии окружающей среды Щелковского муниципального района в 2014 году» [2], являющегося приложением к постановлению Щелковского муниципального района от 13.05.2015 № 1075 за 2014 год, было зарегистрировано 14 превышений ПДК сероводорода. Девятого сентября 2014 года максимальная концентрация сероводорода достигла 15,4 ПДК м.р.

Одной из основных причин сложившейся неблагоприятной экологической обстановки являются большие объемы осадка сточных вод (ОСВ), скопившегося на территории очистных сооружений. Там  было аккумулировано  более 350 000 м³ ОСВ.

Целью нашего производственного эксперимента явилось оздоровление воздушной среды на территории межрайонных очистных сооружений г. Щелково и зоны жилой застройки в их окрестностях, за счет снижения эмиссии газов с неприятным запахом от осадка сточных вод, посредством применения микробиологического препарата и выращивания растений.

Производственный эксперимент был заложен в 2015 году на двух чашах-площадках депонирования ОСВ общей площадью 64 288м², глубиной 5-9 м и общим объемом 518 156 м³.

В основу эксперимента был положен ремедиационный метод создания «биоплато» на чашах с ОСВ, путем совместного применения биопрепарата «Тамир» и  растений. Эффективность данного микробиологического препарата и его аналогов в производственных условиях показана [3, 4].

Первым этапом создания «биоплато» являлась подготовка субстрата - обитаемой среды для распространения растений и полезных микроорганизмов их ризосферы, путем внесения микробиологического препарата «Тамир», составленного на основе консорциума эффективных микроорганизмов. Изначально субстрат – обезвоженный ОСВ – был непригоден для произрастания растений, вследствие того, что представлял собой неразложившийся органический материал, токсичный для растений и биоты.

Состав препарата «Тамир»:  Lactobacillus casei 21; Streptococcus lactis 47; Rhodopseudomonas palustris 108 и др.; сапрофитные микроорганизмы, культуральная жидкость, ферменты и метаболиты, способствующие более активному разложению органических отходов естественным биологическим методом за короткий промежуток времени. Микроорганизмы использует в качестве источника питания органические вещества и их производные с получением конечных нетоксичных продуктов - метаболитов, безопасных для окружающей среды. Этим самым биопрепарат подготавливает «обитаемую среду» для последующего расселения растений. В свою очередь, растения способны снижать эмиссию газов с неприятным запахом не только путем их задержания надземной частью и образующейся дерниной, но и посредством процессов, происходящих в их ризосфере. Корневая система растений обеспечивает поверхностно-адсорбционное поглощение компонентов ОСВ, в ризосфере осуществляется окисление и расщепление нефтепродуктов, технических масел, фенолов, сульфатов, фосфатов и др., благодаря деятельности микроорганизмов ризосферы и собственно корневых выделений.

Вторым этапом создания «биоплато» – явилось постепенное распространение растений по ложу чаш - площадок накопления ОСВ, как высеваемой, так и естественной, семена которой заносятся ветром и птицами.

Последующими этапами являлось постоянное поддержание этой искусственной системы, путем регулярного внесения препарата и, в случае необходимости, подсева растений.

Первичное применение препарата осуществлялось в холодное время года -  25 февраля 2015 г. - методом глубинного бурения лунок на поверхности ОСВ и внесением в них препарата (создание микрокапсул). Вторично препарат вносился в ОСВ 30 апреля 2015 г. методом сплошного полива по периметру чаш. Далее препарат «Тамир» применяли с интервалом в две недели тем же методом. При установленной норме внесения препарата 0,2 л/м³ ОСВ, общий расход на весь комплекс мероприятий составил 19 286 л. При глубинном внесении препарата 1 л исходного стандартного раствора препарата разводили в 4 л воды, а при поверхностном – в 9 л [3, 4].

С начала апреля при установлении положительных температур были высажены черенки ивы (Salix viminales L.) и высеяны семена растений: сафлора (Carthamus tinctorius L.), горчицы (Sinapis alba L.), пшеницы (Triticum astivumL.) рогозов (Typha angustifolia L. и Typha latifolia L.). В течение вегетационного сезона, по мере необходимости, производился подсев сафлора и горчицы на проблемных участках чаш (площадок временного хранения осадка стачных вод). Ранее установлено [1], что сафлор красильный и горчица белая успешно проявляют себя в деле ремедиации грунтов. В дальнейшем осуществлялся подсев травосмеси: овсяницы красной (Festuca rubra L.); овсяница овечья  (Festuca ovina L.); овсяница луговая (Festuca pratensis HUDS.); мятлик луговой  (Poa pratensis L.).

 Впервые организован мониторинг загрязнения воздуха  над площадками депонирования ОСВ. Намечены четыре реперные точки по периметру чаш, осуществлялся контроль аммиака и сероводорода в зоне дыхания работников. Данный вид контроля дает наиболее информативные сведения о вкладе конкретного источника неприятных запахов - чаш - площадок накопления осадка – в загрязнение атмосферного воздуха территории очистных сооружений и зоны жилой застройки.

В процессе производственного эксперимента осуществлялся контроль содержания аммиака и сероводорода в воздухе зоны жилой застройки, а также  сравнительный анализ их содержания за 2014 и 2015 гг.

Для оценки влияния конкретных загрязняющих объектов - чаш-площадок накопления обезвоженного ОСВ и иловых карт очистных сооружений на экологическое состояние в городе Щелково, нами было выделено три зоны  влияния этих объектов: зона 1 (ул. Заречная, д.4, д.7, Луговой пер., д.6), зона 2 (ул. Новая фабрика, д. 10, д. 5) и зона 3 (ул. Новая фабрика, д 373, ул. Новая фабрика у шк. №6, ул. Краснознаменская, д. 8, корп. 5, Пролетарский проспект, д. 9, корп. 1). Исследования велись в периоды положительных температур: весенний, летний и осенний, когда вероятность выброса сильнопахнущих паров и газов наиболее высока.

В результате первичного замера вредных паров и газов над чашами-площадками накопления ОСВ, выполненного 06.07.2015 г., выявлено, что через 131 день с начала применения препарата «Тамир», концентрация аммиака и сероводорода в воздухе рабочей зоны оказались соответственно в 4 и 2 раза ниже ПДК для воздуха рабочей зоны (ГН 2.2.5.1313-03).

При вторичном замере данных показателей, сделанном 06.07.2015 г. - через 2 недели после первого замера (148 дней после первичного внесения препарата при последующем регулярном его внесении с интервалом в 2 недели), установлено, что концентрации аммиака в воздухе над первой и второй площадками накопления осадка в точках №3 и 4 приблизились к нормативу для воздуха зоны жилой застройки, составляющему 0,2 мг/м³ (ГН 2.1.6.13 1338-03), а в точках №1 и №2 оказались ниже ПДК соответственно в 7 и 1,3 раза. Концентрации сероводорода над обеими чашами во всех точках замеров оказались ниже ПДК для атмосферного воздуха населенных мест (0,008 мг/м³) в 2 раза.

Третий замер аммиака и сероводорода над чашами с обезвоженным ОСВ, сделанный 06.08.2015 г., показал, что концентрации аммиака оставались по-прежнему приближенными к ПДК атмосферного воздуха жилой застройки с незначительными превышениями (средняя концентрация аммиака для четырех точек измерения показана на рис. 1 А), концентрации сероводорода - держалась ниже ПДК для атмосферного воздуха зоны жилой застройки (рис. 1 Б).

Четвертый замер, сделанный 28.08.2015 г. (через 184 дня после первичного внесения препарата и 53 дня после первичного замера, произведенного 06.07.2015г., при регулярном локальном внесении препарата «Тамир» через каждые 2 недели) показал, что в результате применения биопрепарата, в воздухе над чашами в течение месяца было достоверно снижено содержание аммиака и сероводорода в среднем более чем в 2,6 и 1,5 раза соответственно (средние значения по аммиаку и сероводороду для четырех точек измерения показаны на рис. 1А и рис. 1Б соответственно). При этом концентрации указанных вредных веществ в зоне дыхания работников оказались ниже ПДК (ГН 2.1.6.13 1338-03) (рис. 1А и Б).

Рис. 1 – Изменение содержания (А) аммиака и (Б) сероводорода, мг/м³, в атмосферном воздухе над чашами-площадками депонирования ОСВ Щёлковских очистных сооружений после применения микробиологического  препарата «Тамир»

На рис. 2 А показана чаша №1 (слева от деревянного настила), поверхность которой относительно ограничена от поступления условно свежего обезво­женного ОСВ. На рис. 2 Б показана чаша №1 (справа от деревянного настила), на поверхность которой про­должает непрерывно поступать условно свежий обезвоженный ОСВ из цеха механического обезвоживания для складирования. До применения препарата «Тамир» обе стороны от настила были непригодными для произрастания рас­тений и выглядели одинаково. Под влиянием деятельности эффективных микроорганизмов, составляющих основу препарата, отмечено формирование новых и разрастание угнетенных куртин и синузий различных видов растений на чашах, неподверженных влиянию условно свежего ОСВ (рис. 2 А). На участке чаши №1, расположенном с правой стороны от настила (рис. 2. Б), по-прежнему практически отсутствует растительность, вследствие его токсичности и непригодности для произрастания растений. Условно свежий обезвоженный ОСВ (рис. 2Б), образует здесь темные наплывы, от которых периодически могут распространяться неприятные запахи при повышении температуры воздуха. Полностью исключить влияние условно свежего ОСВ, поступающего из цеха механического обезвоживания  на чашу, нельзя по условиям технологического процесса, однако можно минимизировать распространение запахов от него и создать по возможности обитаемую среду для растений. Поэтому следует обратить особое внимание на этот участок чаши №1 при его мониторинге, и регулярно вносить здесь препарат «Тамир», согласно предоставленным нами расчетам.

Рис. 2 – Развитие растительности на чаше-площадке накопления осадка  №1 по состоянию на 25.06.2015 г

где: А – участок с левой стороны от настила (без влияния условно свежего ОСВ);  Б – участок с правой стороны от настила (с поступлением условно свежего ОСВ из цеха механического обезвоживания)

Результаты замеров аммиака и сероводорода в зоне жилой застройки за 2014 год, предоставленные ЗАО «Экоаэросталкер», показали, что повышение концентрации вредных веществ в воздухе совпадает с увеличением температуры и понижением влажности. День экологического неблагополучия по аммиаку и сероводороду приходился на 19.08.2014 года. В этот день отмечена наиболее высокая температура воздуха 26̊ С при скорости юго-восточного ветра 2м/с, направленного на город.  Такие метеорологические условия утром были наиболее неблагоприятными для города с точки зрения распространения неприятных запахов со стороны очистных сооружений. Так, на Пролетарском проспекте, д. 9, корп. 1 отмечено превышение ПДК (ГН 2.1.6.13 1338-03) по аммиаку в 1,6 раза. По сероводороду превышение ПДК зарегистрировано на следующих объектах: ул. Новая Фабрика, д. 373 – в 8 раз; ул. Заречная, д. 7  - в 1,6 раза; 3-й Заречный пер., д. 6 – в 1,1 раза; Пролетарский просп., д. 9, к.1 – в 4,6 раза; Комсомольская ул., д. 20 – в 1,9 раза; ул. 8 Марта, д. 17 – в 1,4 раза.

Исследования атмосферного воздуха, проведенные в 2015 году на тех же объектах г. Щелково, разбитых на зоны влияния конкретных источников выброса (см. выше), показали, что концентрации аммиака не превышали ПДК (ГН 2.1.6.13 1338-03) в течение весеннего, летнего и осеннего периодов исследований ни в одной из трех выделенных зон влияния иловых карт и чаш-площадок накопителей ОСВ, расположенных на территории очистных сооружений (рис. 3).

Рис. 3  –  Содержание аммиака, мг/м³, в воздухе зоны жилой застройки г. Щелково в I, II и III зонах влияния различных источников выброса Щёлковских очистных сооружений

Содержание сероводорода за период с 24.04.2015 по 18.09.2015 г. было ниже ПДК в среднем в 2 раза. Лето 2015 года было достаточно холодным и влажным. Температура существенного влияния на повышение концентрации аммиака в воздухе не оказывала.

Наиболее значительное влияние на повышение концентрации аммиака и сероводорода в воздухе оказал вывоз и размещение в чашах №1 и №2, а также на их отвалах, свежего ОСВ 13 июня. Появление запаха от чаш, обнаруженное органолептическим путем в непосредственной близости от них, совпало с результатами замера, сделанными на объектах жилой застройки с 09.06.2015 по 30.06.2015 года. Так, концентрация аммиака в воздухе несколько повысилось, несмотря на невысокую температуру и некоторое повышение влажности, но по-прежнему держалась ниже уровня ПДК. На повышение концентрации аммиака в воздухе зоны жилой застройки также оказывало влияние направление ветра. Так, утром 30.06.2015 года, ветер имел северо-восточное направление - дул со стороны очистных сооружений. Однако преобладающим направлением ветра в 2015 году было северо-западное, что способствовало стабилизации экологической обстановки в зоне влияния очистных сооружений.

Размещение в чашах и на их отвалах свежего осадка сточных вод отрицательно отразилось и на развитии растений. Так, на участках, приуроченных к наплывам свежего ОСВ черного цвета, погибла растительность, вследствие создавшейся токсичности, и отмечался неприятный запах аммиака и сероводорода. Исходя из этого вывоз и складирование свежего ОСВ на чашах, находящихся в процессе реабилитации, а также в непосредственной близости от них следует полностью исключить.

На основании проведенных исследований нижеследующие выводы.

Применение микробиологического препарата в сочетании с растениями (создание «биоплато») способствует существенному снижению концентраций аммиака и сероводорода в воздухе над чашами-площадками обезвоженного осадка сточных вод.

Под влиянием деятельности эффективных микроорганизмов, составляю­щих основу препарата «Тамир», отмечено формирование новых и раз­растание угнетенных куртин и синузий различных видов растений на чашах.

В начале лета были выявлены участки токсичности на площадках накоп­ления ОСВ №1 и №2, сопряженные с неприятными запахами и гибелью растительности, обусловленные наплывами свежего ОСВ, вывезенного и складированного на указанных участках. Приняты меры к их постепенному устранению неприятных запахов, путем регулярного ло­кального внесения препарата «ТАМИР» по периметру чаш с интерва­лами в две недели.

На эмиссию вредных паров и газов от очистных сооружений могут оказывать влияние метеорологические условия (жаркая погода и низкая скорость ветра, вызывающая застой вредных паров и газов над ча­шами), а также вывоз и складирование свежего ОСВ на чашах, находящихся в процессе реабилитации и участках, расположенных в непосредственной близости от них.

 Результаты исследования атмосферного воздуха зоны жилой за­стройки г. Щелково, выполненные в 2015 году за период производст­венного эксперимента с 24.04.2015 по 18.09.2015 г., показали, что концентрации аммиака и сероводорода держалось ниже уровня ПДК  (ГН 2.1.6.13 1338-03) в среднем в 3,3 и 2 раза соответственно.

К концу лета 2015 года концентрации аммиака и сероводорода в воздухе рабочей зоны достигли нормативов для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.13 1338-03), и производственная обстановка в зоне влияния чаш-площадок накопления ОСВ на пред­приятии ЗАО «ЭКОАЭРОСТАЛКЕР» не причиняла вреда для здоровья работников. Средств индивидуальной защиты органов дыхания при ра­боте возле чаш не требовалось.

Список литературы / References

1. Автухович И.Е. Ремедиация грунтов. Индуцированная фитоэкстрак­ция / И.Е. Автухович, Д.А. Постников. - Saarbrücken, Германия: Palmarium academic publishing, 2013 – 92 С. – URL:  http://www.palmarium-publish­ing.ru/catalog/details/store/es/book/978-3-659-98426-6/Ремедиация-грун­тов?search=Индуцированная фитоэкстракция (дата обращения: 02.2017).
2. Доклад. О состоянии окружающей среды Щелковского муниципаль­ного района в 2014 году: Приложение к постановлению Администрации Щелковского муниципального района от 13.05.2015 № 1075 [Электронный ресурс] – URL: http://shhyolkovo.ru/upload/files/eko-2014.pdf (дата обращения: 02.2017).
3. Постников Д.А. О результатах применения микробиологических пре­паратов «Тамир» и «Экомик ПРО-В» в производственных условиях на очистных сооружениях/ Д.А. Постников, И.Е. Автухович, Е.Б. Таллер и др. // Ме­ждународный научно-исследовательский журнал. – 2016. – № 5(47). – С. 45-48. – URL: http://research-journal.org/wp-content/uploads/2011/10/5-6-47.pdf (дата обращения: 19.02.2017).
4. Постников Д.А. Применение биопрепаратов на очистных сооруже­ниях с целью снижения выбросов сильнопахнущих газов / Д.А. Постников, И.Е. Автухович, Е.Б. Таллер и др. // Материалы международной научно-практиче­ской конференции. «Биотехнологии в комплексном развитии регионов» Мо­сква (15-16 марта, 2016 г.). М.: ООО «РЭД ГРУПП», 2016. - С. 18-19. – URL: http://www.biotechsouz.ru/info/states-item.php?ID=208 (дата обращения: 19.02.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Avtukhovich I.E. Remediacyja pochv. Inducirovannaja fitojekstrakcija [Remediation of soil. Induced phytoextraction] / I.E. Avtukhovich, D.A. Postnikov. -  Saarbrücken, Germany: Palmarium academic publishing, 2013. – 92 p. – URL:  http://www.palmarium-publishing.ru/catalog/details/store/es/book/978-3-659-98426-6/Ремедиация-грунтов?search=Индуцированная фитоэкстракция (accessed: 02.2017). [in Russian].
2. O sostojanii okruzhajushhej sredy Shhelkovskogo municipal`nogo rajona ot 13.05.2015 № 1075 [Report. About the state of the environment of municipal district Schelkovo in 2014: Annex to the Resolution of the Administration of the municipal district Schelkovo from 13.05.2015 number 1075] [Electronic resource] – URL: http://shhyolkovo.ru/upload/files/eko-2014.pdf (accessed: 19.02.2017). [in Russian].
3. Postnikov D.A. O rezul`tatah primenenija mikrobiologicheskih preparatov “Tamir” i “Ecomic PRO” v proizvodstvennyh uslovijah na ochistnyh sooruzhenijah [About results of application of the microbiological preparations “Tamir” and “Ecomic PRO” under production conditions of Treatment Facilities] / D.A. Postnikov, I.E. Avtuhovich, E.B. Taller and others // Mezhdunarodnyj issledovatel`skij zhurnal [International Research Journal]. – 2016. – №. 5(47). – P. 45-48. – URL: http://research-journal.org/wp-content/uploads/2011/10/5-6-47.pdf (accessed: 02.2017). [in Russian].
4. Postnikov D.A. Primenenie biopreparatov na ochistnyh sooruzhenijah s cel'ju snizhenija vybrosov sil'nopahnushhih gazov [Application of biopreparations on treatment facilities for the purpose of decrease in emissions of strongly smelling gases] / D.A. Postnikov, I.E. Avtuhovich, E.B. Taller and others // Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. "Biotehnologii v kompleksnom razvitii regionov". [Proceedings of the International Scientific-Practical Conference "Biotechnologies in the integrated development of the regions"]. – M.: LTD «RJeD GRUPP» 2016. - P. 18-19. – URL: http://www.biotechsouz.ru/info/states-item.php?ID=208 (accessed: 02.2017). [in Russian].