1. Введение
Интенсивный рост промышленности и увеличение выброса отходов захватывает все больше жизненного пространства, нанося колоссальный вред здоровью людей. Человечество вплотную подошло к необходимости принимать экстренные меры для восстановления естественного баланса в биосфере при помощи внедрения современных технологий, дающих возможность полной утилизации разных видов отходов и восстановлению исходных свойств экосистем планеты. Отходы химических предприятий, образующиеся в виде илового осадка после очистки остатков сточных вод (ОСВ), являются большой проблемой городов. Социально-экологический аспект данного вопроса заключается в катастрофическом расширении площадей под хранение ОСВ, в заражении почвы, наземных и подземных вод бактериями, в распространении газов в воздухе.[10]
Осадки сточных вод – сложная многокомпонентная система, состоящая из органической и минеральной частей. Качество иловых осадков в основном зависит от нормы водоотведения, развития и характера промышленности, эффективности работы локальных очистных сооружений предприятий, от состава городских очистных сооружений. Токсичность и опасность таких осадков заключается в том, что в некоторых из них содержатся тяжелые металлы. [7].
В настоящее время все большую актуальность приобретают работы по изучению токсичности ОСВ, вариантов их очистки с целью дальнейшего применения. Вторичное использование иловых осадков в качестве ценного органоминерального продукта, полученного из бросового сырья, будет способствовать не только развитию сельского хозяйства, но и спасению Земли от экологической катастрофы.
Цель: оценить токсичность иловых осадков, взятых с территории химического предприятия по выпуску удобрений.
Задачи:
1. Изучить химический состав водной вытяжки из иловых осадков по следующим показателям: рН среды, содержание ионов Cl¯
.
2. Измерить массовые доли веществ, содержащихся в иловых осадках, с помощью энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра.
3. Прорастить семена кресс-салата на средах с различным содержанием иловых осадков.
Гипотеза: иловые осадки с территории химического предприятия вредны для окружающей среды из-за своей токсичности.
Предмет исследования: осадки сточных вод, взятые с территории химического производства по выпуску удобрений.
2. Обзор литературы
В настоящее время большая часть образующихся осадков сточных вод после соответствующей обработки не используется в виде сырья или продукции. Основной объем осадка в качестве отходов IV или V класса опасности депонируется на объектах размещения отходов. При этом предприятия несут колоссальные транспортные расходы, осуществляют плату за размещение и негативное воздействие на окружающую среду. В то время как после обработки в соответствии с установленными гигиеническими требованиями, осадки сточных вод могут быть широко использованы в сельском хозяйстве, дорожном строительстве, городском благоустройстве и в качестве сырья для строительных материалов. [11]
Согласно ГОСТ Р 17.4.3.07–2001 «Охрана природы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений» допускается использовать в качестве удобрений осадки, образующиеся в процессе очистки хозяйственно-бытовых, городских, а также близких к ним по составу производственных сточных вод и продукцию (удобрения) на основе осадков. Использованию подлежат осадки, прошедшие технологические стадии обработки на очистных сооружениях канализации в целях снижения массы, объема, влажности, улучшения физико-механических свойств, стабилизации органических веществ, снижения запаха, обеззараживания, придания благоприятного товарного вида. [11]
Исследования применения ОСВ показывают их высокую результативность. Во ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова и других институтах в течение многих десятилетий ведутся исследования по рациональному использованию на удобрение осадков сточных вод станций аэрации г. Москвы, а также других городов и населенных пунктов. На их основе разработана и опубликована «Стратегия использования осадков сточных вод и компостов на их основе в агрикультуре» (2002 г.), в которой принимали участие также специалисты НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды имени А.Н. Сысина, Института медицинской паразитологии и тропической медицины имени Е.И. Марциновского, зарубежные ученые. [3]
Проведенные в 2005–2017 годах в OПX Волжского НИИ гидротехники и мелиорации исследования по использованию ОСВ очистных сооружений г. Энгельса в качестве органического удобрения на темно-каштановых, среднесуглинистых орошаемых почвах показали высокий агроэкономический эффект и регламентированное их внесение не представляет экологической опасности. Внесение ОСВ в качестве органического удобрения оказало положительное действие на содержание доступного азота в почве опытного участка, обеспечило прибавку урожая выращиваемых культур. Кроме того, в год внесения ОСВ в почву резкого изменения содержания тяжелых металлов в почве на всех вариантах опыта не было выявлено. В то же время ОСВ образуются с участием промышленных сточных вод и могут содержать некоторые минеральные загрязнения. К таким загрязнениям относятся металлсодержащие микрокомпоненты (тяжелые металлы) и мышьяк. Но в осадках, сформированных в последние 15 лет, выявлена тенденция снижения концентраций тяжелых металлов и мышьяка. [6]
Леонид Убугунов – директор Института общей экспериментальной биологии Сибирского отделения РАН, почвовед–агрохимик, доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки России много лет занимался проблемами осадков городских сточных вод. «Только в России за год образуется более семи миллиардов тонн отходов, в том числе 30 миллионов тонн составляют осадки городских сточных вод. Это канализационные и промышленные отходы, которые складируются в городской черте и пригородной зоне, представляя собой огромные залежи. Отходы населения загрязняют природу и пагубно влияют на здоровье человека. Поэтому перед человечеством стоит актуальная задача – утилизация данных отходов и их вторичное использование в промышленности и сельском хозяйстве. Осадки городских сточных вод можно использовать в виде удобрений, как это уже делают во всём мире. ОСВ могут использоваться не только в сельском хозяйстве, но и в лесопитомниках при выращивании саженцев и вноситься как удобрение при высадке этих саженцев и деревьев в грунт». [9]
В Институте катализа СО РАН впервые разработан метод каталитической утилизации иловых осадков коммунальных сточных вод – одного из наиболее требовательных и сложных в утилизации видов отходов – с одновременной выработкой энергии для местного теплоснабжения. Метод подразумевает сжигание канализационных илов в кипящем слое катализатора и при этом позволяет исключить большинство недостатков традиционных способов их утилизации. Данная разработка уже перешла в стадию внедрения: спроектирован специализированный комплекс утилизации иловых осадков очистных сооружений для ОАО «Омскводоканал». [3]
Отечественный и зарубежный опыт использования осадка сооружений биологической очистки сточных вод свидетельствует о перспективности способа его утилизации в качестве удобрения при отсутствии токсичных примесей, в частности, соединений тяжелых металлов. В Германии, например, из 50 млн.т ежегодно образующихся осадков в качестве удобрения используется примерно 30 %, депонируется до 60 % и сжигается не более 10%. В Нидерландах, при ежегодном количестве 5,5 млн.т ила до 70 % используется в качестве удобрения. Определенный опыт такой утилизации имеется в Швейцарии, Индии и других странах. [8].
В странах ЕС приняты национальные документы по обращению с осадками сточных вод, а также имеется устойчивая тенденция к сокращению захоронения и сжигания осадка в пользу повторного использования осадка в виде удобрений, почвогрунтов, компостов. [11]
3. Методы исследования
1. ПНД Ф 14.1;2;3;4.121-97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений рН в водах потенциометрическим методом. [2,5]
2. Методика измерений массовой доли Al, Si, P, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Sn, Pb в смазочных маслах рентгеноспектральным методом с применением энергодисперсионных рентгенофлуоресцентных спектрометров типа EDX фирмы Shimadzu. М-02-2807-12.
3. Методика качественного химического анализа. [4]
4. Метод отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. [2]
5. Исследование загрязнений почвы с помощью анализа роста и развития биоиндикатора кресс-салат. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и хорошей всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. [1]
В качестве субстрата для проращивания семян кресс-салата была взята почва из лесной зоны города Тольятти; иловые осадки с химического предприятия по выпуску удобрений, образовавшиеся в процессе биологической очистки, нитрификации и денитрификации.
Проба 1 – 1 часть ила:1 часть почвы;
Проба 2 - 1 часть ила:2 части почвы;
Проба 3 – 2 части ила: 1 часть почвы.
4. Основная часть
Все опыты и измерения проводились в Тольяттинском государственном университете, на базе лаборатории кафедры «Химическая технология и ресурсосбережение».
4.1.Приготовление водной вытяжки и определение pH среды
В ходе фильтрации получилось 30 мл водной вытяжки из илового осадка с высокой цветностью, представляющей собой прозрачную темно-коричневую жидкость. Вытяжка из илового осадка имеет показатель pH=8,55, что соответствует щелочной среде.
4.2. Качественный химический анализ водной вытяжки
Таблица1. Содержание ионов Cl¯ в вытяжке иловых осадков
|
Осадок
|
||
|
мг на |
г на 100 г почвы, % |
|
|
Большой хлопьевидный |
>10 |
Десятые доли |
|
Сильная муть |
5-10 |
Сотые доли |
|
Опалесценция |
0,1-1 |
Тысячные доли |
вытяжкиВ процессе реакции образовался большой хлопьевидный осадок, это показывает, что в водной вытяжке содержатся ионы хлора в количестве >10 Мг на 100 
вытяжки/десятые доли г на 100 г почвы, %. (таблица 1)
Таблица 2. Содержание ионов 
в вытяжке иловых осадков
|
Осадок |
||
|
Мг на 100 см^3 вытяжки |
г на 100г почвы, % |
|
|
Большой, быстро оседающий на дно |
50 |
Десятые доли |
|
Муть, появляющаяся сразу |
1-10 |
Сотые доли |
|
Медленно появляющаяся слабая муть |
0,5-1 |
Тысячные доли |
В процессе реакции сразу появлялась муть, это показывает, что в водной вытяжке осадка содержатся сернокислые соли в количестве 1-10 мг на 100 вытяжки/сотые доли г на 100 г почвы, %. (таблица 2)
Таблица3. Содержание ионов 
в вытяжке иловых осадков
|
Осадок |
||
|
мг на 100 см^3 вытяжки |
г на 100г почвы, % |
|
|
Большой, выпадающий сразу |
50 |
Десятые доли |
|
Муть, выделяющаяся при перемешивании |
1-10 |
Сотые доли |
|
Слабая муть, выделяющаяся при стоянии |
0,1-1 |
Тысячные доли |
В процессе реакции появилась слабая муть, которая выделилась при стоянии, это показывает, что в водной вытяжке осадка присутствует кальция в количестве 0,1-1 мг на 100 вытяжки/тысячные доли г на 100 г почвы, %. (таблица 3).
В пробе на 
цвет водной вытяжки осадка остался неизменным, это свидетельствует о том, что нитратов не обнаружено.
4.3. Измерение массовых долей веществ рентгеноспектральным методом с применением энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометратипа EDX фирмы Shimadzu
Иловые осадки содержат биогенные элементы натрий, кальций, сера, фосфор, которые находятся в большем количестве относительно других элементов. Химические элементы, в том числе тяжелые металлы, полученные из образцов, не превышают ПДК. (диаграмма 1).
4.4. Определения токсичности иловых осадков методом биотестирования
Динамика всхожести проростков кресс-салата показывает, что наибольшая всхожесть наблюдается у пробы №3 (2 части илового осадка, 1 часть почвы). Наличие илового осадка способствует более интенсивной всхожести семян кресс-салата и развитию проростков относительно контрольных образцов. Более высокое процентное содержание ила в пробах 1 и 3 благотворно влияет на проростки. (диаграммы 2,3).
5. Выводы
1. Вытяжка иловых осадков имеет щелочную среду.
2. Содержание ионов Cl¯ в водной вытяжке не превышает предельно допустимых концентраций.
3. Высушенные иловые осадки в наибольшем количестве содержат биогенные элементы Na, Ca, S, P.
4. Количество тяжелых металлов не превышает ПДК.
5. Наличие илового осадка способствует более интенсивной всхожести семян кресс-салата и развитию проростков относительно контрольных образцов.
6. Заключение
Анализ иловых осадков с территории городского химического предприятия, выпускающего удобрения, показал, что они не являются токсичными. Все вещества, присутствующие в них, находятся в пределах допустимой нормы, тяжелых металлов, способных нанести вред живым организмам, не выявлено. Гипотеза не подтвердилась. Данные иловые осадки могут быть использованы как удобрения для плантаций деревьев и лесонасаждений, любых общественных зон и рекультивации земель. Однако, применение иловых осадков в качестве удобрений на пашнях, для плодоовощных культур, плодовых деревьев, возможно только после обязательной стабилизации и обеззараживания от патогенных микроорганизмов, поскольку растения, являющиеся продуктами питания, могут накапливать в своих органах различные вещества.