Очищенные осадки сточных вод как удобрение

Введение

Деконтаминированный осадок сточных вод

Биосолиды – это твердые органические вещества, извлеченные в процессе очистки сточных вод и используемые в качестве удобрения. Ранее фермеры обычно использовали животный навоз для улучшения плодородия почвы. В 1920-х годах сельскохозяйственные производители стали использовать также осадок сточных вод с местных очистных сооружений. Многолетние научные исследования подтвердили, что биосолиды содержат питательные вещества, сходные с теми, что присутствуют в животном навозе. Биосолиды, используемые в качестве удобрений в сельском хозяйстве, как правило, подвергаются обработке для предотвращения распространения вызывающих заболевания патогенов. Некоторые осадки сточных вод не могут быть квалифицированы как биосолиды из-за содержания стойких, биоаккумулирующихся и токсичных химических веществ, радионуклидов и тяжелых металлов в концентрациях, достаточных для загрязнения почвы и воды при внесении на землю.

Терминология

Биосолиды могут быть определены как органические твердые вещества сточных вод, которые могут быть повторно использованы после прохождения соответствующих процессов обработки осадка сточных вод, приводящих к его стабилизации, таких как анаэробное сбраживание и компостирование. В качестве альтернативы, определение биосолидов может быть ограничено местными нормативными требованиями и распространяться только на твердые вещества сточных вод, прошедшие определенную последовательность обработки и содержащие патогенных микроорганизмов и токсичных химических веществ в концентрациях ниже установленных норм. Аналогичное определение используется на международном уровне, например, в Австралии. Официальное использование термина "биосолиды" может регулироваться государственными нормами. Однако в неформальном употреблении он описывает широкий спектр полутвердых органических продуктов, образующихся при очистке сточных вод или осадка сточных вод. Это могут быть любые твердые вещества, илообразные отложения или жидкие шламы, образующиеся в процессе очистки бытовых сточных вод, включая пену и твердые вещества, удаляемые на этапах первичной, вторичной или углубленной очистки. Материалы, не соответствующие нормативному определению "биосолидов", могут обозначаться альтернативными терминами, такими как "осадок сточных вод".

Количество

В 2004 году в США было образовано приблизительно 7,1 миллиона сухих тонн биосолидов на примерно 16 500 муниципальных очистных сооружениях. Сложности, возникающие при увеличении использования биосолидов, включают капитальные затраты на строительство анаэробных реакторов и сложность соблюдения норм охраны здоровья. Также вызывают опасения новые проблемы, связанные с микрозагрязнителями в сточных водах (например, стойкими фармацевтическими загрязнителями), что усложняет процесс производства высококачественных биосолидов. Некоторые муниципалитеты, штаты или страны запретили использование биосолидов на сельскохозяйственных землях. Биосолиды могут быть идеальным средством для улучшения структуры почвы и удобрением, способствующим росту урожая для обеспечения растущего населения. Биосолиды могут содержать макроэлементы – азот, фосфор, калий и серу, а также микроэлементы – медь, цинк, кальций, магний, железо, бор, молибден и марганец. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) установило количественные ограничения на содержание мышьяка, кадмия, меди, свинца, ртути, молибдена, никеля, селена и цинка, но не регулирует уровни диоксинов. В биосолидах также могут присутствовать загрязнители из фармацевтических препаратов и средств личной гигиены, а также некоторые стероиды и гормоны. В 2001 году в биосолидах были обнаружены значительные уровни стойких, биоаккумулирующихся и токсичных (PBT) полибромированных дифениловых эфиров. В 2014 году Геологическая служба США проанализировала девять различных потребительских продуктов, содержащих биосолиды в качестве основного ингредиента, на предмет содержания 87 органических химических веществ, входящих в состав чистящих средств, средств личной гигиены, фармацевтических препаратов и других продуктов. Анализ выявил 55 из 87 исследованных органических химических веществ как минимум в одном из девяти образцов биосолидов, при этом в одном образце было обнаружено до 45 химических веществ. В 2014 году город Шарлотт (штат Северная Каролина) обнаружил экстремально высокие уровни полихлорированных бифенилов (ПХБ) в своих биосолидах после получения информации о незаконных сбросах ПХБ на региональных очистных сооружениях по всему штату. В 2013 году внесение биосолидов в почву в Южной Каролине было приостановлено после принятия Департаментом здравоохранения и охраны окружающей среды Южной Каролины (SCDHEC) экстренного постановления, запрещающего внесение в почву любых биосолидов, загрязненных ПХБ, независимо от их класса (A или B). Вскоре после этого SCDHEC расширил рекомендации по потреблению рыбы, содержащей ПХБ, практически для всех водоемов, прилегающих к полям, на которых вносились биосолиды. В 2019 году в штате Мэн было установлено, что 95% образующихся в штате осадков сточных вод содержат небезопасные уровни пер- и полифторалкильных веществ (PFAS). На нескольких фермах, где биосолиды использовались в качестве удобрений, были обнаружены PFAS-загрязненные почвы, грунтовые воды, животные и сельскохозяйственные культуры. Существует вероятность аналогичного загрязнения сотен других ферм. Впоследствии штат ввел дополнительные правила, ограничивающие внесение биосолидов. В 2023 году Артуро А. Келлер из Школы экологических наук и менеджмента Брен при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре начал работу над решениями для устранения этих PFAS, включая создание биоугля в качестве удобрения из биосолидов. Использование биосолидов в качестве удобрения привело к загрязнению говядины, выращенной в Мичигане, PFAS. В октябре 2021 года EPA объявила о Стратегическом плане действий по PFAS, который включает оценку риска PFAS (PFOA и PFOS) в биосолидах.

Approximately 7.1 million dry tons of biosolids were generated in 2004 at approximately 16,500 municipal wastewater treatment facilities in the United States. Challenges faced when increasing the use of biosolids include the capital needed to build anaerobic digesters and the complexity of complying with health regulations. There are also new concerns about micro pollutions in sewage (e. g. environmental persistent pharmaceutical pollutants), which make the process of producing high quality biosolids complex. Some municipalities, states or countries have banned the use of biosolids on farmland. Biosolids can be an ideal agricultural conditioner and fertilizer which can help promote crop growth to feed the increasing population. Biosolids may contain macronutrients nitrogen, phosphorus, potassium and sulphur with micronutrients copper, zinc, calcium, magnesium, iron, boron, molybdenum and manganese. The United States Environmental Protection Agency (EPA) has set numeric limits for arsenic, cadmium, copper, lead, mercury, molybdenum, nickel, selenium, and zinc but has not regulated dioxin levels. Contaminants from pharmaceuticals and personal care products and some steroids and hormones may also be present in biosolids. Substantial levels of persistent, bioaccumulative and toxic (PBT) polybrominated diphenyl ethers were detected in biosolids in 2001. The United States Geological Survey analyzed in 2014 nine different consumer products containing biosolids as a main ingredient for 87 organic chemicals found in cleaners, personal care products, pharmaceuticals, and other products. These analysis detected 55 of the 87 organic chemicals measured in at least one of the nine biosolid samples, with as many as 45 chemicals found in a single sample. In 2014, the City of Charlotte, North Carolina, discovered extreme levels of polychlorinated biphenyls (PCBs) in their biosolids after being alerted by that illegal PCB dumping was taking place at regional waste water treatment plants across the state. Biosolids land application in South Carolina was halted in 2013 after an emergency regulation was enacted by the South Carolina Department of Health and Environmental Control (SCDHEC) that outlawed any PCB contaminated biosolids from being land applied regardless if Class A or Class B. Very soon thereafter, SCDHEC expanded PCB fish consumption advisories for nearly every waterway bordering biosolids land application fields. In 2019, the state of Maine found that 95% of sewage sludge produced in the state contained unsafe levels of Per and polyfluoroalkyl substances (PFAS) chemicals. Several farms that had spread biosolids as fertilizer were found to have PFAS contaminated soil, groundwater, animals and crops. Hundreds of other farms were potentially similarly contaminated. The state subsequently imposed additional rules restricting biosolids spreading. In 2023, Arturo A. Keller at the Bren School of Environmental Science & Management within the University of California, Santa Barbara began working on solutions to eliminate these PFAS, including creating bio char fertilizers from the bio solids. Biosolids used as a fertilizer have resulted in PFAS contamination of beef raised in Michigan. In October 2021 EPA announced the PFAS Strategic Roadmap which includes risk assessment for PFAS (PFOA and PFOS) in biosolids.

Патогены

В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) предписывает определенные процессы обработки, направленные на существенное снижение уровня определенных так называемых индикаторных организмов в биосолидах. Однако, Исследовательский фонд водной среды США (Water Environment Research Foundation) показал, что некоторые патогены все же выживают после обработки осадка сточных вод. Нормативные акты EPA разрешают широкое применение только биосолидов, не содержащих обнаруживаемых патогенов; применение тех, в которых патогены остаются, ограничено.

Соединенные Штаты

В Кодексе федеральных правил Соединенных Штатов (CFR), раздел 40, часть 503 регулирует обращение с осадочными илами (биосолидами). В рамках этого федерального регламента биосолиды обычно классифицируются по-разному в зависимости от содержания в них загрязняющих веществ и степени их обработки (последняя определяет как степень снижения привлекательности для переносчиков, так и степень снижения содержания патогенов). Эти факторы также влияют на способы их распространения (насыпью или в мешках) и уровень надзора при мониторинге, что, в свою очередь, определяет места и объемы их применения. Национальная органическая программа запрещает использование биосолидов при выращивании сертифицированных органических сельскохозяйственных культур.

Европейский союз

Европейский Союз (ЕС) первым принял нормативные акты, регулирующие внесение биосолидов в почву; это было сделано для ограничения риска распространения патогенов и загрязнения окружающей среды. Эти риски обусловлены тем, что некоторые метаболиты сохраняются после процессов очистки сточных вод. Интенсивность дебатов об использовании биосолидов варьируется в разных странах ЕС.

История

По мере роста общественной обеспокоенности по поводу утилизации увеличивающихся объемов твердых отходов, образующихся в Соединенных Штатах при очистке сточных вод, предписанной Законом о чистой воде, Water Environment Federation (WEF) начала поиск нового названия, чтобы отличать чистый, пригодный для использования в сельском хозяйстве продукт, получаемый в результате современной очистки сточных вод, от более ранних форм осадка сточных вод, широко известных как источник неприятных или опасных условий. Из 300 предложенных вариантов название "biosolids" было предложено доктором Брюсом Логаном из Университета Аризоны и утверждено WEF в 1991 году.

Примеры

Милорганит – торговая марка биополистных удобрений, производимых Милуокийским объединенным канализационным округом. Переработанное органическое азотное удобрение, производимое на водоочистной станции острова Джонс в Милуоки, штат Висконсин, продается по всей Северной Америке и снижает потребность в минеральных удобрениях. Loop – торговая марка биополистного почвоулучшителя, производимого отделом очистки сточных вод округа Кинг. С 1976 года Loop добавляется в GroCo – коммерчески доступный компост. Несколько местных ферм и лесов также используют Loop непосредственно. TAGRO – сокращение от "Tacoma Grow" и производится городом Такома, штат Вашингтон, с 1991 года. Dillo Dirt производится городом Остин, штат Техас, с 1989 года. Биополистные вещества применяются в качестве удобрений в центральном пшеничном регионе Австралии в рамках программы переработки, осуществляемой компанией Water Corporation.