Набор технологий по очистке загрязненных стоков содержит множество методов, которые в совокупности позволяют добиться наибольшего эффекта в процессе водоочистки для многократного возвращения использованной воды в хозяйственную сферу
В основу части методов положены природные процессы, которые позволяют избавиться от загрязняющих воду веществ. Остальные способы являются чисто технологическими решениями. И те и другие дополняют друг друга, образуя четкую систему, направленную на защиту окружающей среды и сбережение водных ресурсов.
По способу воздействия на загрязняющие вещества методы можно разделить на три основных категории: механические, физико-химические и биологические.
Механическая очистка
Суть механической водоочистки состоит в воздействии на содержащиеся в бытовых стоках загрязняющие примеси посредством осаждения, флотации и фильтрования. Каждый из этих способов используется для очистки стоков от определенных примесей, характеризующихся размером и массой частиц.
Так, осаждение применяется для удаления из воды примесей, состоящих из крупных фракций, таких как песок или взвеси. Устройства для механической водоочистки при этом используют силу тяжести или центробежную силу и прекрасно справляются с загрязняющими фракциями крупных – от 0,15 мм – размеров.
Обычно очистка происходит в отстойниках, расположенных каскадами, где стоки некоторое время отстаиваются в каждом поочередно. Затем частично осветленная после каскадного отстаивания вода под напором подается на следующий этап очистного процесса (рис. 1).
Рис. 1. Каскадный отстойник
Методом флотации не только устраняются грубые примеси, такие как взвеси различной природы, но и нефть (рис. 2). При этом мелкие пузырьки воздуха прикрепляются к частицам примесей и выносят их на поверхность в виде пены, которая в свою очередь удаляется с поверхности воды механическими устройствами. Насыщение очищаемой воды воздушными пузырьками осуществляется под давлением через пористые материалы или форсунки, с использованиемтурбин или электролиза – этот процесс называется электрофлотацией.
Рис. 2. Флотационная установка
Фильтрование является самым популярным методом очистки воды от взвесей и фракций более тонкого порядка и широко распространено в производственных процессах, в которых для технологических целей используется оборотная вода. При фильтровании применяются материалы, обладающие различной степенью пористости, через которые пропускается загрязненная или использованная вода. Грубые фракции (рис. 3) задерживаются при помощи сеток с определенными размерами ячеек.
Рис. 3. Отсек механической очистки
Физико-химические способы
Очистка сточных вод может осуществляться и физико-химическим методом в случаях, когда необходимо избавиться от загрязнений более мелкой фракции – от 0,1 до 10 мкм – и коллоидных примесей с размером частиц от 0,001 до 0,1 мкм. Также этот способ позволяет очистить воду от кислотного, щелочного и ионного (только от некоторых ионов) загрязнения. Методика физико-химической очистки содержит несколько способов, направленных на конкретные загрязнители воды.
Нейтрализация. Этот способ применяется в основном для борьбы с кислотным или щелочным загрязнением. Против кислоты используют вещества, содержащие основание, и наоборот, против щелочи используют кислотосодержащие реагенты. Например, для нейтрализации кислых сред широко применяются аммиак, мраморная крошка, известь, сода, зола, шлак и др.
Эти два способа очень схожи между собой по принципу воздействия на мелкофракционные и коллоидные загрязнители. Только в первом случае для связывания загрязнителей применяются минеральные соединения, такие как соли трехвалентных алюминия и железа, а во втором – высокомолекулярные вещества, такие как активированная кремниевая кислота. Также в качестве флокулянтов могут использоваться и некоторые органические полимеры: полиакриломид, полиэтиленимин, крахмал и др.
При коагуляции малорастворимые гидроксиды алюминия и железа, получившиеся в результате гидролиза, связываются с примесями органического и неорганического происхождения и образуют хлопья, имеющие сетчатую и рыхлую структуру, которые достаточно легко извлекаются из воды. При этом в большом объеме образуется осадок, имеющий до 99% влажности, который требует утилизации, что является ощутимым недостатком этого способа.
При флокуляции активные группы реагента связываются сразу с несколькими твердыми частицами загрязнителей с образованием тех же хлопьев. К сожалению, еще не найден такой флокулянт, который стал бы универсальным связующим для различных загрязнителей, что и является недостатком этого способа. Хотя, если флокуляция правильно организована, существует возможность выделять определенные компоненты в достаточно полном объеме для повторного их использования.
Обратный осмос. Этот способ используется для глубокой очистки бытовых и промышленных стоков. Суть его состоит в повышенной степени фильтрации, или гиперфильтрации, загрязненной воды, осуществляемой через полупроницаемую мембрану под высоким давлением в 3–8 МПа. На мембране происходит разделение растворов, и сквозь нее проникают только молекулы воды. Остальные же молекулы и ионы загрязнителей задерживаются. Избирательность мембраны по отношению к загрязняющим веществам и ее проницаемость являются основным условием эффективности данного процесса, который позволяет выделять и вторично использовать такие вещества, как кислоты, соли, сахар и прочее. Обратный осмос целесообразен в качестве последующего этапа после проведения более грубых стадий очистки.
Ионообменный способ. Он основан на способности катионных или анионных групп загрязнителей вступать в реакцию с катионитами или анионитами ионообменных смол, выступающих в этом процессе в качестве фильтров, и оседать на них. Иониты могут быть сильно- и слабокислотными, а аниониты – сильно- и слабоосновными. При этом способе водоочистки возможно регенерировать ионообменные смолы и использовать их повторно, но что более важно – выделять конкретные вещества из загрязненных стоков.
Деструктивный метод. В случае, если в силу различных причин какое-то вещество удалить полностью из загрязненных сточных вод не представляется возможным, для водоочистки можно использовать деструктивный метод, заключающийся в разложении загрязняющих веществ на составляющие, которые не оказывают негативного воздействия на окружающую среду. Вот несколько основных деструктивных методов, использующихся при очистке сточных вод.
Парофазное окисление. При температуре 900–1100°С происходит сжигание органического вещества сточных вод с высокой степенью обеззараживания при получении минимального количества отходов, но с большими энергетическими затратами.
Жидкофазное окисление. Органическое вещество, содержащееся в стоках, окисляется кислородом при температуре 350 °С под давлением в 60–70 атм. с получением пара, CO2 и воды, которые, в свою очередь, также могут использоваться для производства электроэнергии или пара. Недостаток – повышенная энергоемкость, накипь и коррозия, делающие оборудование недолговечным.
Парофазное каталитическое окисление органики сточной воды кислородом при температуре от 260 до 540 °С позволяет добиться высокого процента обеззараживания воды – до 95%. Но при этом способ обладает большой энергоемкостью и содержит опасность отравления катализатором.
Окислительная деструкция. Органическое вещество загрязненных вод окисляется химическими соединениями, такими как озон, перманганат калия, персульфат, бихроматы и прочими. Доступен и прост в использовании, не требует особых энергозатрат, но имеет и свои недостатки, такие как высокая стоимость окислителей и строгое соблюдение точной их дозировки.
Биологические методы
Несмотря на то, что и механические, и физико-химические методы основательно освобождают воду от загрязняющих веществ, все-таки полного эффекта по очистке сточных вод от множества органических примесей – как простых, так и сложных – они не дают. Для более тщательного обеззараживания стоков перед тем, как их сбросить в водоемы, применяется биологическая очистка (рис. 4). В основе этого метода лежит способность некоторых микроорганизмов (при определенных условиях) расщеплять органику на более простые составляющие, такие как вода, углекислота, сульфат-ионы, нитриты и прочее. Другими словами, при этом методе происходит минерализация органики.
Рис. 4. Биологическая очистка вод
По типу жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в процессе очистки, методы делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные процессы протекают в кислородной среде, а анаэробные, наоборот, при отсутствии кислорода. Есть еще микроорганизмы, которые требуют для своей жизнедеятельности наличие азота. Усвоение азотистых соединений, протекающее в кислородной среде, называется нитрификацией. А в среде, где кислород отсутствует, – денитрификацией.
Аэробные методы биологической очистки различаются по типу резервуаров, в которых и происходят процессы окисления органических веществ. Резервуары могут быть как природного происхождения – биологические пруды и фильтрующие поля, так и искусственного – аэротенки и биофильтры.
Так называемые поля фильтрации являются специально отведенными участками земли, заселенными аэробными микроорганизмами, на которые сбрасываются загрязненные стоки. В процессе жизнедеятельности этих микроорганизмов органика, загрязняющая воду, разлагается на углекислый газ и Н2О, и параллельно с этим синтезируется биомасса бактерий.
Пруды для биологической очистки сточных вод характеризуются прежде всего тем, что в них полностью отсутствует (или совсем небольшое) течение, они имеют очень небольшую глубину и множество микроводорослей, производящих кислород, и обильно заселены простейшими организмами, которые питаются бактериями. Под воздействием микроорганизмов органические вещества минерализуются и выводятся из воды. Применение биологических прудов не ограничивается только очисткой стоков, но может – и используется – и для очистки речной воды, которая впадает в водохранилища.
К сожалению, данные системы биологической очистки имеют и свои минусы:
- сезонность протекания процессов;
- малая пропускная способность;
- большая площадь отведенных участков;
- необходимость постоянного наблюдения за уровнем грунтовых вод.
Аэротенки и биофильтры представляют собой искусственные сооружения для биологической очистки сточных вод. В них активизация процесса минерализации загрязняющих веществ достигается созданием и поддерживанием таких необходимых условий, при которых микроорганизмы способны максимально эффективно перерабатывать органические загрязнители. По своей сути это имитаторы природных процессов. Аэротенки имитируют биологические пруды, а биофильтры – фильтрационные поля.
Аэротенки – это емкости глубиной до 6 м, в которых на хлопьях активного ила располагаются массовые поселения микроорганизмов, способных расщеплять органические вещества. Стоки после очистки в аэротенках направляются в отстойники, в которых активный ил выпадает в осадок. Часть осажденного ила отправляется на регенерацию и затем снова попадает в аэротенк.
Биофильтр отличается от аэротенка тем, что вместо активного ила в нем используется крупнозернистый материал, являющийся стационарным носителем для микроорганизмов. Преимущества биофильтров перед аэротенками заключаются в их более простой конструкции, повышенной надежности и способности успешно противостоять периодическим перегрузкам по степени загрязнения и объему поступающих стоков.
Система биологической очистки стоков по своей сути живая система, эффективность и производительность которой ограничена определенными факторами, важнейшим из которых является предельно допустимая концентрация органических загрязняющих веществ. Поэтому, чтобы не допустить массовой гибели микроорганизмов, в систему необходимо подавать сточные воды, прошедшие предварительную очистку и в которых предельная концентрация не должна превышать следующих параметров:
- нефтепродукты ≤ 25,0 мг/л;
- СПАВ ≤ 20,0 мг/л;
- сульфиды 1,0 мг/л;
- медь ≤ 0,5 мг/л;
- хром ≤ 2,5 мг/л;
- цинк ≤ 1,0 мг/л;
- азот ≤ 5,0 мг/л;
- фосфор ≤ 1,0 мг/л.
В случаях, если присутствие органических загрязнителей в сточных водах превышает 1000 мг/л, применяется анаэробный метод биологической очистки, при котором нет нужды в дополнительной аэрации воды и в утилизации получаемых излишков биомассы. К тому же сами емкости для анаэробной очистки, изготовленные из железобетона или металла, оснащены минимальным количеством нестандартных устройств и оборудования, что также является положительной стороной данного метода. Но есть и негативный момент, который состоит в выделении метана в окружающую атмосферу в процессе работы анаэробных микроорганизмов и требует создания системы, позволяющей проводить постоянный мониторинг его концентрации в воздухе.
Как уже отмечалось выше, процесс очистки сточных вод требует комплексного применения перечисленных способов в том или ином случае. Ведь даже после этапа биологической очистки полученную воду нельзя сразу сбрасывать в естественную среду – ее необходимо подвергнуть дополнительному озонированию или УФ-облучению.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 4 107
