УДК 504.75.06
АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
№30,
Науки о Земле
Иванчук Анастасия Максимовна
Малич Екатерина Владимировна
Смородинова Мария Михайловна
Ключевые слова: СТОЧНЫЕ ВОДЫ; ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД; БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА; МЕТОДЫ ОЧИСТКИ; ЭКОЛОГИЯ; WASTEWATER; WASTEWATER TREATMENT; BIOLOGICAL TREATMENT; TREATMENT METHODS; ECOLOGY.
Современная концепция очистки промышленных сточных вод отходит от классической технологии «на конце трубы» в сторону «децентрализованных процессов очистки сточных вод», «интегрированного управления водными ресурсами» и, в конечном итоге, максимально приближена к «безводным процессам». Центральная идея — экономия воды. В классической концепции очистных сооружений, производящих промежуточные или готовые продукты, обрабатываются сточные воды, часто смешанные вместе. Такая концепция характерна для первого периода очистки промышленных сточных вод. После отбора проб качество воды определяется и сравнивается с нормативными требованиями, и очищенная вода сбрасывается в поверхностные воды. Практически во всех случаях очистка городских сточных вод выполняется таким же образом. Часто бывает больше благоприятен и экономичен для очистки некоторых промышленных стоков с использованием специализированных процессов («децентрализованная очистка стоков»), обеспечивающих качество воды, позволяющее повторно использовать один или несколько водных потоков и сэкономить пресную воду. Следующим этапом развития является объединение производственных процессов и очистки сточных вод при помощи инструмента, часто называемого «интегрированное управление водными ресурсами» (устойчивое водопользование, промышленное водопользование, более чистое производство и т. д.).
Как правило, улучшение происходит за счет полного изменения парадигмы производственного процесса с целью сокращения потребления воды и энергии, а также образования отходов. Здесь производственным инженерам и инженерам-экологам необходимо сотрудничать, создавать и строить одну команду. Мы рассмотрим основы, необходимые для лучшего понимания процессов, происходящих на установках «конечной очистки» и «децентрализованной очистки сточных вод».
Можно следовать двум различным концепциям очистки сточных вод: либо отделение примесей от воды, либо частичная или полная минерализация примесей. Процессы разделения основаны на механике жидкости
или на синтетических. Кроме того, можно использовать физико-химические процессы, такие как адсорбция и коагуляция, для отделения растворенных или эмульгированных соединений от воды. Примеси могут быть минерализованы биологическими и химическими процессами.
Мы хотим сосредоточить наше внимание на биологических процессах. Другие, такие как осаждение или мембраны, будут обсуждаться в связи с процессом активного ила и мембранными биореакторами.
Целью процедуры децентрализованной очистки сточных вод является уменьшение количества сточных вод до минимально возможного уровня. Это может быть выполнено:
• для непрерывных производственных процессов;
• для периодических процессов с большими резервуарами для хранения, которые можно использовать для реализации почти постоянного расхода во время наполнения.
Часто необходимо использовать прерывистые процессы обработки и другие методы оптимизации. Особенно подходят физико-химические процессы, например:
• зачистка;
• дистилляция, ректификация;
• адсорбция, абсорбция;
• осаждение, флокуляция;
• влажное окисление;
• испарение;
• сжигание и др.
По сути, все эти процессы биологической очистки могут быть интересны, если их стоимость невысока по сравнению с другими процессами очистки.
Мы хотим рассмотреть не только биологическую очистку, но и разработку новых производственных процессов с уменьшенным уровнем потребления воды и сырья и с уменьшенным образованием сточных вод. Для этого мы должны направить наш интерес на весь производственный процесс и рассмотреть новые методы экономии воды и небиологические способы очистки воды.
Загрязнение воды и очистка сточных вод обычно делятся на две различные области применения, т.е. промышленные и городские сточные воды. Процессное интегрированное управление водными ресурсами характеризуется тремя процедурами управления:
1. Сведение к минимуму использования воды уже может быть важной целью, но может оказаться, что повторное использование воды невозможно, или случаи ограничены, а преимущества слишком малы. Только в случае объединения двух или трех процессов многократное использование воды может обеспечить значительную экономию;
2. Разработка новых процессов и оптимизация существующих или новых с целью экономии воды, материалов и энергии должны быть первым шагом в
управлении водными ресурсами. Цена на пресную воду, затраты на очистку сточных вод и плату за сброс в поверхностные воды должны быть рассмотрены, чтобы найти лучший путь для устойчивого развития, который представляет собой баланс экономического успеха, защиты окружающей среды и социального признания;
3. Регенерация и рециркуляция воды должны приниматься во внимание там, где есть нехватка пресной воды, что делает необходимым, по крайней мере, частично замкнуть круговорот воды.
В последние годы наблюдается активное использование высоко эффективной мембранной технологии в сфере очистки сточных вод. Рост применения мембран при очистке стоков объясняется, с одной стороны, непрерывным развитием мембранных материалов и дизайна мембран, и значение оперативного управления, с другой стороны.
Цели применения мембранных процессов различны, например, восстановление компонентов или возвращение в цикл очищенной воды с целью её повторного использования. Процессы микро- и ультрафильтрации при очистке сточных вод позволяют исключить необходимость во вторичном осветлителе, увеличить концентрацию микроорганизмов в биоценозе активного ила или получить свободные от взвешенных веществ стоки. В случае очистки промышленных сточных вод и организации рецикла воды предпочтение отдается применению нанофильтрации и обратного осмоса.
Методы физико-химической очистки используются для удаления растворенных в сточной воде примесей или взвешенных веществ. Процесс коагуляции используется зачастую перед применением физико-химической очистки, поскольку существует необходимость в глубоком выделении взвешенных веществ, находящихся в поступающей на очистку воде.
Суть процесса коагулирования заключается в добавлении до подачи стоков в отстойники коагулянтов (реагентов), позволяющих с большой скоростью выделить из сточной воды мелкие эмульгированные и взвешенные вещества, которые не поддаются осаждению в условиях простого отстаивания.
За границей интенсификация процессов хлопьеобразования, смешивания, осветления осуществляется за счет использования осветлителей, имеющих «взвешенный фильтр», и осветлителей, обладающих «циркуляцией и хлопьевидной суспензией».
Сорбционная очистка (адсорбция) позволяет произвести выделение некоторых нерастворимых веществ из многокомпонентных смесей. Сорбция растворенного вещества из раствора на поверхность сорбента возможна в случае, если силы взаимодействия молекул поверхности сорбента с молекулами растворенного вещества превосходят силы межмолекулярного взаимодействия растворителя с растворенным веществом.
К достоинствам сорбционной очистки могут быть отнесены: высокая эффективность при малых концентрациях загрязнений сточных вод и возможность выделения ценных растворенных веществ из многокомпонентных смесей.
При наличии в сточных водах ароматических соединений, слабых электролитов или не электролитов, гидрофобных алифатических соединений применение методов сорбционной очистки является наиболее рациональным, в том случае же, если в стоках обнаруживаются неорганические соединения и низшие одноатомные спирты, применение метода сорбционной очистки становится невозможным.
Биологическая очистка сточных вод — это многоступенчатый способ удаления потенциально опасных веществ из сточных вод, реагентов путем их разложения специально выведенными бактериями и другими простейшими (одноклеточными) организмами. Биоочистка – способ, который заменяет весь процесс очистки сточных вод механическими и физико-химическими этапами.
Чтобы уменьшить негативную нагрузку на акватории, в современной России необходимо внедрить передовые технологии и применить глубокое извлечение биогенных элементов из сточных вод. Поэтому вопросы удаления растворенных органических веществ, в том числе азотных и фосфорных групп, входящих в состав белковых соединений, нуклеиновых кислот, нуклеопротеинов и др. с целью предотвращения антропогенного загрязнения вод, имеют особое значение.
Поскольку поглощение питательных веществ происходит через внешнюю поверхность, бактерии характеризуются высокой скоростью роста, что приводит к высокой скорости удаления субстрата.
Растворенные вещества:
а) Органические материалы:
• биологически разлагаемые вещества;
• не поддающиеся биологическому разложению вещества.
б) Неорганические материалы:
• питательные вещества, используемые микроорганизмами частично или полностью;
• ионы металлов и тяжелых металлов, часто используемые микроорганизмами в очень малых количествах в качестве микроэлементов (часто токсичны в несколько более высоких концентрациях.
Активный ил поступает в установки биологической очистки вместе со сточными водами, вместе с примесями, содержащимися в стоках. Он создает сложную биомассу, различные виды бактерий и организмов (черви, актиномицеты, грибы и т. Д.), которые питаются загрязнениями и увеличивают биомассу.
От эффективности работы активного ила напрямую зависит качество очистки сточных вод. Поэтому важно уметь создать комфортные условия для его развития. Для организации биологической очистки сточных вод необходимо контролировать следующие параметры:
• достаточное количество питательных веществ, поступающих со стоками
• их соотношение с концентрацией микроорганизмов живой биомассы
• колебание температур от + 120С до + 300С
• Значение рН среды в диапазоне от 6,5 до 8,5.
Кислород необходим для всех аэробных биологических процессов. Обычно скорость его потребления зависит от массопереноса кислорода.
Метод озонирования также используется для обеззараживания сточных вод. По сравнению с методом дезинфекции сточных вод хлором озон обладает более сильным бактерицидным, вируцидным и спороцидным действием. Он эффективно разрушает клеточные мембраны бактерий, вирусов и спор, плесень, которая приводит к ее смерти. Благодаря своему высокому окислительному потенциалу озон взаимодействует со многими органическими веществами и обеспечивает их превращение в минеральные соединения. Однако использование озона для дезинфекции сточных вод имеет свои особенности. Таким образом, при наличии достаточно высоких концентраций органических соединений в сточных водах в воде, обработанной озоном, могут образовываться токсичные вещества. Поэтому после предварительной обработки целесообразно использовать озоновую дезинфекцию сточных вод, которая снижает содержание взвешенных веществ до 3-5 мг/дм3, а БПК -до 10 мг/дм3.
Основные трудности в обеззараживании сточных вод озоном связаны с достаточно высокими затратами электроэнергии, необходимыми для получения озона, сложностью электрических разрядов озонаторов, низкой растворимостью озона в теплой воде, высокой токсичностью самого озона и возможностью образования токсичных побочных продуктов. За счет образования в воде органических соединений, являющихся питательным веществом для бактерий, озонирование сточных вод может способствовать вторичному росту микроорганизмов, что значительно снижает эффективность процесса дезинфекции.
Одним из наиболее эффективных и действенных методов обеззараживания, который приводит к обеззараживанию сточных вод, а не к образованию опасных токсичных веществ в обеззараженной воде, оказался способ обеззараживания воды с использованием ультрафиолетового излучения. УФ излучение вредно для большинства микроорганизмов, присутствующих в воде. УФ обеззараживание воды осуществляется при прямом воздействии ультрафиолетового излучения на клеточную и молекулярную структуру микроорганизмов, вызывая разрушение молекул ДНК и повреждение клеточной оболочки микроорганизмов, что приводит к их немедленной гибели.
Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами происходит без вредных соединений в воде. Единственным условием применения метода УФ очистки является правильная доза ультрафиолетового излучения, которая необходима для уничтожения микроорганизмов в воде.
В технологии очистки воды используется пероксид водорода, преимущества которого: экологичность. чистота (без воды от загрязнения субстрата снижение продукции); возможность применения в разнообразных температурных Р и рН среды; высокая удельная концентрация кислорода от различных примесей сточных вод; хорошая растворимость в воде; высокая стабильность сырья, растворов окислителей на хранение; простота аппаратурного оформления водного процесса. Благодаря своим преимуществам перекись широко используется при очистке промышленных отходов. Ее чаще всего используют для восстановления сернистых соединений: сероводорода и сульфидов, сульфитов, тиосульфатов и др. Сероводород является высокотоксичным компонентом сточных вод, используемым в биохимии, перекись с образованием серной кислоты, что приводит к коррозии бетона и металла.
В сочетании с сероводородом и сульфидами йод является селективным окислителем, что связано с относительно быстрой кислородной реакцией соединений серы и лаборатории. инерция Йода средствами и МН. органично. соединения часто встречаются в сточных водах, и он отличается от других. — агенты службы. Нейтрализовать сероводород в национальных водах должно быть унесено в сети давления и длинных коллекторах силы тяжести.
Пероксид водорода также используется для восстановления цианидных соединений, азота и хлора.
Очистка городских сточных вод связан с образованием «отходов», среди которых в первую очередь выделяются осадки и вредные газообразные выбросы. Источники запахов – практически все элементы, присутствующие в составе канализации. Возникновение и развитие данных видов отходов приводит к нарушению жизнедеятельности экосистем.
Проблемы восстановления нарушенных экосистем и очистки от загрязнений сточных вод все более активно решаются с использованием биологических методов. В экологической биотехнологии в последние годы идет активное развитие использования специально подобранных биопрепаратов, которые положительно влияют на процесс биологической очистки сточных вод, приводя к его ускорению.
На данный момент существует большое количество биопрепаратов для очистки сточных вод, которые представляют собой консорциумы микроорганизмов, полученные с использованием метода накопительных культур, как правило, из активного ила аэротенков, находящихся на городских очистных сооружениях. В составе биологических препаратов находятся быстро растущие штаммы, позволяющие запустить процесс разложения органических веществ, выступающих в качестве загрязнителей.
Жизнедеятельность микроорганизмов, входящих в биопрепарат, позволяет выработать ферменты, расщепляющие белки, жиры, сложные углеводы, нефтепродукты (специализированные препараты) до более простых легко разлагаемых веществ. Добавление биопрепарата приводит к увеличению концентрации микроорганизмов, что в свою очередь приводит к более высокой степени очистки.
Выводы
В результате проведенной работы были рассмотрены существующие методы очистки сточных вод. В связи с тем, что классические методы очистки не справляются нынешними нагрузками на них, возникает необходимость модернизации очистных сооружений. Для улучшения эксплуатационных характеристик очистных сооружений могут быть использованы биопрепараты, позволяющие:
1. Минимизировать затраты ресурсов;
2. Не выводить сооружения из работы;
3. Интенсифицировать процессы очистки.
Список литературы
- Wiesmann U. Fundamentals of Biological Wastewater Treatment / U. Wiesmann, I. S. Choi, E. M. Dombrowski — Weinheim: Wiley-VCH, cop. 2007. – 362 p.
- Allahverdiev S.R/, Eroshenko V.I., Budnichenko A.V. New microbiological fertilizer in agriculture. Danish Scientific Journal, 2020, vol.2, №38, р. 57 – 58.
- ИТС 10-2019. Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов // 103 с.
- Чистякова А.В., Орлов В.А., Чухин В.А. Диагностика технического состояния металлических трубопроводов // Природообустройство. 2016. No 2. С. 40 – 42.
- СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. — введ. 2001.01.01. — М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 2000. — 14 с.
- Долина Л. Ф. Очистка сточных вод от биогенных элементов Долина Л. Ф. – 2011.
- Mittal A. Biological wastewater treatment //Water Today. – 2011. – Т. 1. – С. 32-44.
- Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчет сооружений биологической очистки сточных вод. // Волгоград : Панорама, 2015. – с. 282 – 296.
- Стольберг Ф.В. Экология города. К. : Либра, 2000. – с. 315 – 327.