Одной из многочисленных экологических проблем современной цивилизации является утилизация отходов производства и потребления, в том числе осадков сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений.

В России, например, за год образуется порядка 2 млн. тонн осадков по сухому весу (при исходной влажности 98 % их масса составляет порядка 100 млн. тонн). Только по официальным данным, например, в Московской области накоплено более 120 млн. тонн неутилизированных ОСВ, ежегодно эта цифра увеличивается на 14–20 млн. тонн, суммарная площадь иловых полей превысила 700 га. По оценкам специалистов ГУПР МПР России по Московской области, суммарное годовое количество образования этих отходов – около 5 млн. тонн; по оценкам ПК «Реконт», одной из организаций, специализирующихся на переработке отходов Московского региона, – не менее 14 млн. тонн, а может быть, и все 20. Количество осадков, лежащих на иловых картах оценивают от 107 до 130 млн. тонн соответственно.

Осадки городских очистных сооружений представляют собой органические (до 80 %) и минеральные (около 20 %) примеси, выделенные из воды в результате механической, биологической и физико-химической очистки. В состав ОСВ входят вещества, обладающие общетоксическим, токсикогенетическим, эмбриотоксическим, канцерогенным и другими негативными свойствами. Осадки часто содержат высокие концентрации тяжелых металлов (ТМ), а также патогенную микрофлору, яйца гельминтов. Хранящиеся на иловых картах и отвалах осадки очистных сооружений, как правило, относятся ко второму классу (высокоопасные) или третьему классу (опасные) отходов. Выделяемые ОСВ вредные газы могут превышать предельно допустимые концентрации в несколько раз, дурно пахнут. Их запах равен 4–5 баллам по шкале органолептических показателей.

Основная масса осадков складируется на иловых площадках и отвалах, создавая технологические проблемы в процессе очистки стоков. Условия их хранения, как правило, приводят к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв, растительности. Поступая в подземные и грунтовые воды, водная вытяжка из ОСВ придает им цветность, привкусы, что негативно отражается на качестве таких вод. Эта проблема с каждым годом обостряется и требует безотлагательного решения. В России ОСВ практически полностью хранятся на территориях очистных сооружений, что превращает эти территории в очаг бактериологической и токсикологической опасности.

В настоящее время развернута работа по инвентаризации всех объектов очистки сточных вод, начиная с эффективности работы самих очистных сооружений и заканчивая положением на иловых картах. Такое серьезное значение придается проблеме не случайно. В 99 % случаев иловые карты расположены рядом с очистными сооружениями, имеющими сброс в реку, то есть расположены на берегах рек. В последние 15–20 лет на большинстве очистных сооружений очистка карт не осуществлялась, и в настоящее время они переполнены. В результате этого, во-первых, некуда сбрасывать вновь образующиеся осадки; во-вторых, при паводке очень вероятно разрушение обваловки и поступление содержимого карт в реки.

Особенно перспективным является метод, основанный на использовании вермикультуры. В качестве вермикультуры используются навозные черви. Из всех отходов коммунального хозяйства наибольшее значение имеют осадки сточных вод очистных сооружений. Активный ил, наряду с навозом крупного рогатого скота, – один из наиболее ценных субстратов для вермикомпостирования. Использование ОСВ в качестве сырья для вермикомпостирования имеет большие перспективы. В смеси с бытовым мусором его широко используют для переработки в вермикомпост за рубежом. Однако в нашей стране этот метод пока не нашел широкого применения, хотя такие работы и ведутся в ряде регионов России. Так, в Красноармейске (Московская обл.), начиная с 1995 г. в илы, перемешанные с навозом, помещается культура компостных дождевых червей («Оболенский гибрид»), которые перерабатывают данную субстанцию в биогумус. Процесс идет в специальных контейнерах в строгом соответствии с регламентом ОПР 23433262–02–95, разработанным отделом экологической биотехнологии НИЦ ТБП (Серпухов), и дает городскому зеленому хозяйству 7–10 тыс. тонн удобрения ежегодно. В других городах – Вышний Волочок (1991 г., завод ферментных препаратов), Балабаново (АО «Плитспичпром», 1993 г.), Железногорск (Красноярск-26, городские очистные сооружения, 2003 г.) – эта технология получила положительную оценку и также нашла применение.

При производстве микробиологических препаратов образуется большое количество органических отходов (осадок сточных вод, последрожжевой остаток или бражка, биошрот, гидролизный лигнин, некондиционные биопрепараты и др.), использование которых в сельском хозяйстве затруднено из-за неблагоприятных свойств этих отходов: они сильно обсеменены микробами, имеют специфический неприятный запах и пр. Предложено перерабатывать эти отходы с помощью дождевых червей.

Благодаря деятельности червей удается получать из отходов микробиологической промышленности ценное, экологически безопасное органическое удобрение. Для этого различные отходы микробиологической промышленности смешивают со свиным навозом, увлажняют, подвергают предварительной ферментации в течение 12 дней и заселяют червями. Используют культуру червей, адаптированных к осадку сточных вод, образующемуся на локальных очистных сооружениях микробиологических предприятий. Обнаружено, что черви лучше всего растут и размножаются на субстрате, состоящем из осадка сточных вод (40 %), биошрота или кукурузной шелухи (30 %), свиного навоза (20 %) и некондиционных бакпрепаратов (10 %). Переработку проводят в течение 6 месяцев, обеспечивая полив и регулярную подкормку червей. За время вермикомпостирования происходит разложение органического вещества отходов, они обеззараживаются, обогащаются ферментами и легкоусвояемыми для растений минеральными веществами. Биогумус, полученный из отходов микробиологических производств, содержит в оптимальном соотношении необходимые растениям питательные вещества, обогащен гуминовыми веществами (до 27 %), характеризуется высокой биологической активностью.

По результатам конкурса Международного фонда биотехнологий им. академика И. Н. Блохиной «Биотехнологические проекты для повышения качества жизни человека» в 2003 году серебряной медалью награждено ООО «Ставропольский экспериментальный завод» за разработку и внедрение проекта «Агробиоцентр вермикультивирования по утилизации осадков сточных вод».

Черви, поглощая ОСВ или субстраты на их основе, выделяют вместе с копролитами большое количество собственной микрофлоры, ферментов и других биологически активных веществ, которые обладают антисептическими свойствами. Они препятствуют развитию патогенной флоры, выделению зловонных газов и обеззараживают почву. Черви способны накапливать в теле тяжелые металлы и переводить их в связанные формы, недоступные для растений, что позволяет расширить спектр применения конечного продукта переработки. Этот процесс протекает без применения реагентов, что делает биологическую утилизацию экологически безопасной и не приводит к вторичному загрязнению поверхностных водоемов, грунтовых и подземных вод, почв. Технология утилизации с помощью навозных червей связана со сравнительно низкими затратами на строительство и эксплуатацию устройств для вермикомпостирования.

Большой практический интерес представляет разработанная в Италии (провинция Форли) технология переработки городских отходов вместе с илом сточных вод в стальной конусообразной башне высотой 10 м, диаметром в верхней части 2 м, в нижней – 0,5 м. Осадки сточных вод, заселенные червями, загружают сверху, в верхней части бункера их перемешивают с помощью шнека для улучшения аэрации и создания благоприятных условий для жизнедеятельности червей. В нижней, неаэрируемой части бункера собирается готовый компост. Ежесуточно на такой установке перерабатывается до тонны отходов.

Во Франции для вермикомпостирования отходов сконструирована установка в виде цилиндрической башни, состоящей из 24 пластиковых поддонов диаметром 230 см, поставленных один на другой. Поддоны заполняют субстратом и заселяют червями. Весь процесс компостирования полностью автоматизирован.

Методом вермикомпостирования перерабатываются в компост отходы в городе Капри: из 60 тыс. тонн твердых бытовых отходов и 25 тыс. тонн ила сточных вод на площадке площадью 600 кв. м получают около 30 тыс. тонн вермикомпоста.

В Великобритании также накоплен определенный опыт разведения червей. На Ротамстедтской опытной станции ведутся интенсивные исследования в области экологии дождевых червей, а также использования их для переработки различных отходов, включая ОСВ очистных сооружений.

Большой практический интерес представляют также способы, в которых дождевых червей содержат на модифицированных древесных стружках, помещенных в большие заглубленные бассейны. Сверху их орошают сточной водой. Черви съедают органику, оседающую на опилках. Таким способом производится очистка сточных вод от загрязняющих веществ.

В таких странах как Италия, Нидерланды, США широко изучают применение вермикультуры для утилизации бытового мусора и ОСВ очистных сооружений. В странах ЕЭС ежегодно производится около 6 Мт ила (по СВ), причем до 30 % применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Компост на основе ОСВ может содержать до 70 % гумуса. ОСВ содержат в среднем 65–75 % органических веществ в пересчете на сухой вес, азота – 2–6 %, фосфора – 0,9–6,5 %, калия – 0,2–0,5 % и ряд микроэлементов.

По содержанию азота, фосфора и калия ОСВ не уступает навозу. Однако этот способ осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и токсичных элементов. Исследования по изучению влияния ОСВ канализационных очистных сооружений на червей показали, что интактные отходы вызывают гибель исследуемых червей. Решение этой проблемы возможно при добавлении к ОСВ наполнителей в пропорциях, делающих эти субстраты витальными.

Были определены виды наполнителей и их соотношений с обезвоженными и нейтрализованными ОСВ очистных сооружений канализации г. Йошкар-Ола, к которым черви могли бы адаптироваться. Адаптационные способности анализировались по следующим критериям: биомасса червей, число генераций и качество потомства. Плотность посадки червей составляла 6 половозрелых особей на 1 дм3 субстрата. Влажность субстрата колебалась от 65 % до 70 %, рН среды – от 6,5 до 7,3 при температуре 18–22 °C. Продолжительность эксперимента составила 91 день. Опыты проводились в четырех сериях по три повторности в каждой в течение летне-осеннего сезона.

Наибольший прирост молоди и биомассы зафиксирован в субстратах, содержащих 60 % ОСВ и 40 % листового опада. Менее пригодными для жизнедеятельности червей оказались субстраты, содержащих 60 % ОСВ и 40 % торфа; 40 % ОСВ, 30 % торфа и 30 % соломы. Полученные результаты экспериментов свидетельствуют о возможности использования червей для переработки ОСВ.

Данные анализов содержания тяжелых металлов в ОСВ после цеха обезвоживания и нейтрализации очистных сооружений г. Йошкар-Ола до и после переработки показали снижение Zn на 25 %, Mn на 60 %, Ni на 15 %, Cu на 30 %, Cd на 50 %, Pb на 10 % при переработке субстратов, содержащих 40 % листовой опада и 60 % ОСВ. Эти результаты свидетельствуют о перспективности использования переработки ОСВ с помощью биологических объектов.

Дождевые черви хорошо исследованы с точки зрения их микроэлементного состава и аккумуляции элементов-токсикантов в своих телах (Martin, Coughtrey, 1982; Покаржевский, 1985; Greig-Smith et al., 1992; Edwards, Bohlen, 1996). При попадании червей в среду, загрязненную микроэлементами, они достаточно легко аккумулируют их в своих тканях. Например, концентрация марганца в L.terrestris даже на заповедных территориях может колебаться в зависимости от места сбора от 68 до 127 мг/кг сухой массы, меди – от 50 до 69, цинка – от 172 до 320, молибдена – от 1,5 до 3,1, кобальта – от 5,8 до 6,2 мг/кг сухой массы. Содержание железа в дождевых червях от 200 мг/кг у почвенных дождевых червей доходит до 1450 мг/кг у E.fetida (Покаржевский, 1985). Загрязнение резко увеличивает концентрацию микроэлементов в телах червей фактически на порядок, а иногда и на порядки. В первую очередь это касается свинца и кадмия (Martin, Coughtrey, 1982; Покаржевский, 1985). Органические загрязнители также интенсивно аккумулируются в организме дождевых червей, что рассмотрено в ряде монографий и сборников (Greig-Smith et al., 1992; Donker et al., 1994; Edwards, Bohlen, 1996; Sheppard et al., 1998).

Аккумуляция тяжелых металлов или органических ксенобиотиков при культивировании червей на загрязненных субстратах не является препятствием для вермикультуры, так как методы очистки позволяют получить препараты, соответствующие нормам, но при этом черви способствуют уменьшению объема загрязненных субстратов.

Эффективность вермитехнологии на ОСВ в сравнительном аспекте с другими субстратами изучена в Брянской государственной сельскохозяйственной академии на открытой площадке и в закрытом отапливаемом помещении. В конце технологического опыта количество взрослых червей максимально возросло на субстрате с ОСВ, обогнав навоз крупного рогатого скота, конский и свиной навоз. Та же тенденция наблюдалась и по показателю количества молодых червей, числа коконов и выходу биомассы. А вот по выходу копролита ОСВ оказались на последнем месте.

Токсикологическая оценка биогумуса, проведенная по суммарному содержанию валовых и подвижных форм тяжелых металлов свинца, кадмия, кобальта, хрома, марганца, цинка, меди, железа, выявила значительное уменьшение их содержания при переработке навоза крупного рогатого скота дождевыми червями. Исходным субстратом для получения биогумуса явились: ОСВ – 70 %, подстилочный навоз – 20 %, солома – 10 % (водоканал Клин).

Данные этих исследований говорят о том, что использование вермикультуры для утилизации осадков сточных вод позволяет значительно снизить содержание тяжелых металлов. Их уменьшение не имеет четкой закономерности. Так, снижение содержания тяжелых металлов в биогумусе из активного ила колебалось от 22,3 (Sr) до 1,3 раза (Cd). Эти различия связаны в первую очередь с уровнем содержания того или иного элемента. Но такой четкой зависимости может и не быть.

При вермикультивировании осадков сточных вод (водоканал Клин) изменения были менее значительными, и они колебались от 2,9 (Pb) до 1,4 (Cu) раза. Несмотря на то, что содержание Pb превышает ПДК, в биогумусе из осадков сточных вод исчезли такие элементы как кадмий, кобальт, ртуть, что значительно снизило общую токсичность по сравнению с исходным субстратом.

Необходимо отметить высокое содержание цинка во всех рассматриваемых образцах биогумуса. Но, как установлено Б. Г. Ильиным, при загрязнении почвы цинком даже свыше 10 ПДК картофель, капуста, томат, морковь пригодны к употреблению по своим гигиеническим нормам.

Аналогичные результаты получены и другими исследователями. Установлено, что в процессе вермикультивирования происходит снижение как валовых, так и подвижных форм тяжелых металлов. Максимальная концентрация тяжелых металлов в организме калифорнийских червей отмечается уже через 10 дней, и содержание отдельных элементов в них увеличивается в 2–8 раз по сравнению с червями, находившимися в навозе крупного рогатого скота. Процесс зависит от адаптации червей к сырью. В серии опытов с твердыми отходами городских очистных сооружений, используемыми в различных соотношениях с соломой и птичьим пометом, количество червей увеличилось в течение 4,5 месяца в варианте опыта 35:25:45 в 30 раз, а в варианте 20:10:70 – всего в 7 раз.

Потенциал вермикультуры в качестве способа уменьшения популяций патогенных микроорганизмов был доказан в лабораторных условиях Митчелом еще в 1978 году. Но чтобы получить статус легитимного метода обеззараживания ОСВ, эта методика должна была пройти пилотные и широкомасштабные испытания и превратиться в стандартную операционную процедуру (СОП).

В марте 1997 года US EPA (организация по защите окружающей среды США) в сотрудничестве с American Earthworm Company (американская компания по разведению червей) начали совместный эксперимент в городе Окои штата Флорида. На основании информации, собранной во время эксперимента, предполагалось разработать методологию переработки отходов для US EPA. Для того чтобы US EPA приняла вермикультивирование в качестве альтернативного метода для получения продукта класса «А» США «Process to Further Reduce Pathogens» (PFRP) (самый высокий класс требований), необходимо было получить трех-четырехкратное уменьшение популяции патогенных микроорганизмов. Именно такое снижение привело бы к уверенности в том, что продукт, прошедший вермикомпостирование, соответствует всем нормам и требованиям класса «А» (фекальные колиформы – <1000 м.к./г сухого веса осадка; Salmonella sp. – <3 м.к./4 г сухого веса осадка и др.).

Эксперимент показал, что черви могут уменьшать популяции патогенных микроорганизмов, удовлетворяя стандартам US EPA, всего лишь за 144 часа, причем достижение стандартных значений по концентрации фекальных колиформ происходило через 24 часа (шестикратное снижение концентрации – 98,7 %), по Salmonella sp. – через 72 часа (тринадцатикратное снижение – 99,9 %), по энтеровирусам – через 72 часа (шестикратное снижение – 98,82 %), по яйцам гельминтов – через 144 часа (шестикратное снижение – 98,87 %).

Вермикомпостирование продемонстрировало достаточно быстрое уменьшение концентрации патогенных организмов, чтобы удовлетворить требования наивысшего стандарта класса «А». Более того, полученные результаты в 3–4 раза превышали стандартные требования. В сравнительном аспекте с другими, гораздо более дорогими и технологичными способами стабилизации отходов очистных сооружений, метод вермикомпостирования относительно недорог и требует минимум техники. Кроме того, в процессе вермикультивирования отсутствует фаза предварительного компостирования. До недавнего времени этот шаг осуществлялся для того, чтобы уменьшить популяцию патогенных микроорганизмов, но настоящее исследование показало, что черви и сами прекрасно справляются с этой задачей. Польза, которую могут принести черви очистным сооружениям, превысила прогнозы, предшествовавшие эксперименту.

Было доказано, что вермикультивирование способно с большей эффективностью и меньшей стоимостью заменить собой все известные на сегодняшний день методы переработки ила сточных вод из городской канализации. При расчете «посевной дозы» червей исходят из того, что норма потребления отходов в сутки равна 1,5 их массы. Тогда еженедельное соотношение биомассы червей и массы отходов должно составлять 1:7. Новые отходы не должны добавляться в течение как минимум 144 часов, чтобы максимизировать подавление жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. Возможность обеззараживания ОСВ дождевыми червями подтверждается многочисленными исследованиями. После компостирования конечный продукт не содержит патогенной микрофлоры и яиц гельминтов.

Низкая себестоимость переработки ОСВ с помощью вермикультивирования и производства вермикомпостов обеспечит высокую экономическую эффективность при использовании их в качестве нетрадиционных органических удобрений.

Полученный вермикомпост, согласно СанПиН 2.1.7.573–96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения» и ГОСТ Р 17.4.3.07–2001 «Охрана природы. Почвы. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрения», после установления класса токсичности может быть использован в качестве почвоулучшающей добавки и органического удобрения под технические, кормовые и древесно-кустарниковые культуры. Компосты из ОСВ применяются для удобрения земель, отводимых под посадки древесно-кустарниковых насаждений, питомников, парков, под долголетние культурные сенокосно-пастбищные угодья, при перезалужении, под зернофуражные, силосные, технические культуры, а также на паровые поля и при рекультивации земель.