Субстрати на основі органовмісних відходів для рекультивації та ремедіації полігонів твердих побутових відходів

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі підвищення рівня екологічної безпеки полігонів твердих побутових відходів шляхом розроблення комплексної технології одержання та визначення оптимальних умов використання субстратів із органовмісних відходів на основі типових осадів стічних вод та природних сорбентів для проведення біологічної рекультивації та ремедіації техногенно порушених земель. Проаналізовано сучасний стан сфери поводження та управління твердими побутовими відходами та осадами стічних вод в Україні та світі. Наголошено на доцільності переробки осадів стічних вод технологією компостування з отриманням органо-мінерального добрива, тобто перетворенням відходів на вторинний матеріальний ресурс, що суттєво зменшить екологічне навантаження на діючі мулові майданчики. У зв’язку з цим осади стічних вод розглядаються як потенційні ресурси, які можна використати для забезпечення потреб людства поживними речовинами. Тому таке поводження з відходами є раціональним та економить ресурси, є важливим для стійкості економіки та збереження екосистеми, а також зменшує залежність від невідновлювальних природних ресурсів. Розглянуто та оцінено світовий досвід застосування осадів стічних вод в технологіях рекультивації порушених земель. Здійснено мікробіологічні дослідження осаду стічних вод на вміст в них патогенних мікроорганізмів. Встановлено, що найвище значення загального мікробного числа було виявлено у 2–3 річних («старих») осадах стічних вод, а у свіжовідібраних - у 2 рази нижчим. Проте цей показник у суміші для компостування №1 був у 10 разів нижчим в порівнянні із аналогічним показником у «старих» осадах стічних вод. Значення загального мікробного числа сумішей для компостування №2, №3, №4 знижувалося у 1,5, 4 та 6 разів відповідно, порівняно із зразками «старих» осадів стічних вод. Досліджено, що свіжовідібрані осади стічних вод є помірно забруднені термофільними мікроорганізмами, які відіграють важливе значення у процесі компостування, оскільки вони відповідають за деструкцію органічних речовин. Найвищу ж чисельність цих мікроорганізмів було виявлено у зразку компостувальної суміші №3, яка складалася із 50% свіжовідібраних і 50% старих осадів стічних вод. Встановлено, що зразки «старих» і «свіжовідібраних» осадів стічних вод містили бактерії роду Salmonella. У зразках компостувальних сумішей цих бактерій не виявлено. Найвищу чисельність фітопатогенних бактерій виявлено у 2-3 річних зразках осадів стічних вод, проте у компостувальних сумішах чисельність цих мікроорганізмів в 16 – 25 разів була нижчою в порівнянні із зразками у 2-3 річних осадів стічних вод. Досліджено, що найбільш сприятливим компонентом для створення ростового субстрату є суміш «свіжовідібраних» і «старих» осадів (біокомпост №3), який в поєднанні з незначною часткою природних сорбентів може бути ефективним для проведення рекультивації полігонів твердих побутових відходів, що зводить до мінімуму необхідність у використанні родючого шару ґрунту. Розроблено математичну модель процесу сорбції полютантів природними сорбентами, які внесені у склад субстрату. На основі моделі розраховано, що максимальне значення необхідного часу для адсорбційного очищення від іонів важких металів в процесах ремедіації не перевищує однієї доби, що дозволяє рекомендувати застосовуваний спосіб для реального впровадження. The dissertation is dedicated to solving the scientific problem of increasing the level of environmental safety of municipal solid waste landfills by developing a complex technology for obtaining and determining the optimal conditions for using substrates from organic waste based on typical sewage sludge and natural sorbents for biological reclamation and remediation of man-made disturbed lands. The current state of handling and management of solid household waste and sewage sludge in Ukraine and the world is analyzed. Emphasis is placed on the expediency of processing sewage sludge using composting technology to obtain organo-mineral fertilizer, that is, turning waste into a secondary material resource, which will significantly reduce the environmental load on existing sludge sites. In this regard, sewage sludge is considered as a potential resource that can be used to meet the nutrient needs of mankind. Therefore, such waste management is rational and saves resources, is important for the sustainability of the economy and the preservation of the ecosystem and also reduces dependence on non-renewable natural resources. The world experience of using sewage sludge in the technologies of reclamation of disturbed lands is considered and evaluated. Microbiological studies of sewage sludge were carried out for the content of pathogenic microorganisms in them. It was established that the highest value of the total microbial number was found in 2–3-year ("old") sewage sludge, in freshly collected it was 2 times lower. However, this indicator in composting mixture #1 was 10 times lower compared to this indicator in "old" sewage sludge. The value of the total microbial number of composting mixtures No.2, No.3, No.4 decreased by 1.5, 4 and 6 times respectively compared to samples of "old" sewage sludge. It was found that freshly collected sewage sludge is moderately contaminated with thermophilic microorganisms which play an important role in the composting process as they are responsible for the destruction of organic substances. The highest number of these microorganisms was found in the sample of composting mixture No.3 which consisted of 50% freshly selected and 50% "old" sewage sludge. It was established that samples f "old" and "freshly selected" sewage sludge contained bacteria of the genus Salmonella. These bacteria were not detected in samples of composting mixtures. The highest number of phytopathogenic bacteria was found in 2–3-year samples of sewage sludge but in composting mixtures the number of these microorganisms was 16-25 times lower compared to samples of 2–3-year sewage sludge. It has been investigated that the most favorable component for creating a growth substrate is a mixture of "freshly selected" and "old" sediments (biocompost No.3) which in combination with a small proportion of natural sorbents can be effective for the reclamation of municipal solid waste landfills which in turn minimizes the need in the use of the fertile soil layer. A mathematical model of the process of sorption of pollutants by natural sorbents which are included in the composition of the substrate has been developed. On the basis of the model, it was calculated that the maximum value of the required time for adsorption prification from heavy metal ions in remediation processes does not exceed one day which allows recommending the applied method for real implementation.