CC BY
0УДК ДК 631.587:628.31(574)
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
БЕСКЕМПИРОВА АЙГЕРИМ МУРАТОВНА
Старший преподаватель кафедры История, Таразский региональный универсиет им.М.Х.Дулати, Тараз, Казахстан
Аннотация. В статье рассматривается современный уровень развития науки и техники в данной области свидетельствует о том, что как в краткосрочной, так и долгосрочной перспективах для защиты водоемов от загрязнения сточными водами останутся в силе указанные методы и способы очистки сточных вод и их сочетания друг с другом, так как при применении комбинированных методов возрастает вероятность получения более надежных положительных результатов.
Ключевые слова: сточные воды, очистка, деминерализация, обратный отмос, коагуляция, осаждение, биосорбция, фильтрация.
В республике Казахстан нормативно-правовыми документами не допускается сброс сточных вод, независимо от степени их очистки, в поверхностные водные объекты, недра, на поля фильтрации и в естественные понижения рельефа местности без специального разрешения уполномоченного государственного органа в области использования и охраны водного фонда [1-4].
Если еще в середине прошлого века методы разбавления сточных вод имели широкое распространение, то к 1970-му году возросший дефицит водных ресурсов сделал его бесперспективным [5-8]. Неоспоримым историческим фактом является решение проблемы сточных вод, от которой зависит дальнейшее развитие цивилизации и техники.
Разнообразный характер и состав загрязнений, содержащихся в сточных водах, требует и разных приемов и сооружений для их очистки и обеззараживания.
Применяемые в настоящее время в мировой практике методы очистки сточных вод разделяются на следующие [9-20]:
- механические;
- биологические;
- химические;
- физико-химические;
- биохимические;
- обеззараживающие (дезинфекционные).
Современный уровень развития науки и техники в данной области свидетельствует о том, что как в краткосрочной, так и долгосрочной перспективах для защиты водоемов от загрязнения сточными водами останутся в силе указанные методы и способы очистки сточных вод и их сочетания друг с другом, так как при применении комбинированных методов возрастает вероятность получения более надежных положительных результатов. Городские сточные воды в сооружениях подвергаются специализированной очистке. Технологии очистки сточных вод в настоящее время развиваются в направлении интенсификации применения биологических, биохимических и физико-химических методов, конечной целью которых является повторное использование глубоко очищенных сточных вод на промышленных предприятиях и утилизация их в орошаемом земледелии [20].
Сооружения, предназначенные для извлечения из сточной жидкости загрязняющих веществ, имитируют процессы самоочищения воды в природных условиях, однако интенсивность проходящих в них процессов гораздо выше. Полная схема очистки сточных вод включает узлы механической и биологической очистки, дезинфекции очищенной воды и обработки осадков. Механическая очистка сточных вод - окончательная стадия, если по местным условиям и в соответствии с санитарными правилами сточные воды можно после
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
дезинфекции выпустить в водоем. Чаще всего механическая очистка - это предварительная стадия перед биохимической [20, с. 3].
Одним из эффективных технических средств механической очистки сточ-ных вод является применение различных типов гидроциклонов [11, с. 62], особенно при очистке промышленных сточных вод, загрязненных оседающими примесями. Анализ конструктивных решений гидроциклонов, применяемых для сточных вод с плавающими примесями нефтепродуктов, позволил выявить новые конструкции гидроциклонов. К примеру, в последние годы национальным институтом интеллектуальной собственности признаны как изобретения:
- гидроциклонная нефтеловушка, а.с. №58860;
- фильтрационная насосная установка, а.с. № 58984.
В настоящее время основным средством биологической очистки сточных вод являются аэротенки [9, с. 13; 13, с. 36; 14, с. 22], подразделяющиеся на два основных типа: аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители. В первом случае сточная жидкость подается в начало аэротенка и выходит в его конце, во втором - она подается с широкой стороны аэротенка, по всей его длине и собирается в отводной канал, расположенный на противоположной стороне аэротенка. Из аэротенка жидкость поступает во вторичный отстойник, где активный ил отстаивается. Отстоявшаяся вода после дезинфекции выпускается в водоем.
Биологическая очистка сточных вод осуществляется в сооружениях, работающих в естественных или искусственно созданных условиях. К первым относятся биологические пруды, поля орошения и поля фильтрации. К сооружениям биологической очистки, работающим по принципу очистки воды в водоемах, относятся биологические пруды и аэротенки. В этих сооружениях основную роль в процессах очистки играют водные микроорганизмы.
До недавнего времени считалось, что очистка сточных, вод является наиболее универсальным приемом в борьбе с загрязнением водоемов. Однако существующие технологические схемы очистки сточных вод позволяют достигать очищающего эффекта до 85-90%, т.е. 10-15% наиболее стойкие загрязнения все же поступают в водоемы, а в условиях интенсивного развития промышленности и бурного роста городов эти проценты весьма значителено влияют на объемы образующихся стоков, требующих очистки [21, с. 68].
В таблице 1 приведены применяемые в настоящее время технологические схемы очистки городских сточных вод.
Биохимическая очистка в искусственно созданных условиях может быть полной и неполной. В первом случае концентрация БПК и взвешенных веществ в очищенной воде не должна превышать 15-25 мг/л (эффект очистки до 90-95%), и неполной - при уменьшении БПК на 40-80% [5, с. 31; 9, с. 33;].
Необходимая степень очистки воды в каждом конкретном случае определяется условиями выпуска в водоем или технологическими требованиями, если очищенная вода возвращается в производство [3, с. 18].
Таблица 1- Технологические схемы очистки городских сточных вод
Код Типовая технология водоохраны (ТТВ) Передовая технология водоохраны (ПТВ) Наилучшая технология (НТВ)
101 Полная биологическая очистка
102 ПБО + осаждение по фосфору
103 ПБО +нитрификация-Денитрификация
201 ПБО + зернистые фильтры
202 ПБО + зернистые фильтры и аэрируемые пруды
203 ПБО + флотация
204 ПБО + флотация и аэрируемые пруды
205 ПБО + коагуляция, отдувка +угольные адсорберы
301 ПБО аммиака, зернистые фильтры
206 302 ПБО + зернистые фильтры и ионообменные смолы +угольные адсорберы
В таблице 2 приведены показатели состава очищенных сточных вод для типовых, передовых и наилучших технологий счистки. Курсивом выделены концентрации, соответствующие требованиям нормативов ПДК для рыбохозяйственных водоемов. Остальные значения концентраций (выделены жирным шрифтом) остаются недостижимыми даже при применении в наилучших технологиях очистки. Таблица 2 - Показатели состава очищенных городских стоков по [41], мг/л.
Вещества На входе Типовые Передовые технологии водоохраны Наилучшие
101 102 103 203 204 205 206 301 302
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Взвешенные 250 12 10 10 6 6 1 1 1 0,75
БПК полн 250 15 13 12 6 4 3 3 1 0,5
Аммоний 16 8 8 3,2 6,4 1,6 1,34 0,48 0,32 0,16
Фосфор 15 7,5 3 1,2 7 1 0,8 0,8 0,07 0,06
Нефтепрод. 25 2,5 2 2 0,5 0,3 1 0,3 0 0
СПАВ 20 4 4 4 0,5 0,1 3 0,3 0,06 0,04
Хлориды 300 300 300 300 270 270 300 270 240 230
Сульфаты 100 100 100 100 90 90 100 90 80 77
Хром 6 + 2,5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,3 0,4 0,2 0,01 0,01
Никель 0,5 0,25 0,25 0,25 0,2 0,15 0,2 0,1 0,05 0,03
Медь 0,5 0,1 0,1 0,1 0,08 0,06 0,08 0,04 0 0
Цинк 1,0 0,3 0,3 0,3 0,24 0,15 0,24 0,1 0,05 0,03
Свинец 0,1 0,05 0,05 0,05 0,04 0,03 0,04 0,03 0,01 0,01
Наиболее распространенный способ биологической очистки сточных вод не может обеспечить в полной мере защиту природных водоемов от загрязнения. Очищенные этим способом сточные воды необходимо разбавлять в 5-10 раз чистой водой, но в ряде случаев требуемого разбавления не удается достичь. Так, для стоков производства синтетических волокон кратность разбавления составляет 1:185, полиэтилена или полистирола - 1:29 [6, с. 18;].
На обезвреживание сточных вод во всем мире ежегодно требуется 5500 км3 чистой воды - втрое больше, чем на все другие нужды человечества. Эта величина составляет уже 30% устойчивого стока всех рек земного шара.
Биохимическая очистка пригодна для удаления органических веществ, наличие которых определяется величиной БПК, но не является эффективной для удаления стойких органических веществ, определяемых величиной ХПК. Даже хорошо очищенные стоки после биохимической очистки имеют загрязнения органическими веществами, величина которых по ХПК равна 50-120 мг/л [14, с. 28].
Для удаления этих стойких органических веществ применяются методы: обратный осмос, вымораживание, химическое окисление, дистилляция, адсорбция. Технология этих процессов в настоящее время не доведена до такой степени, которая обеспечивала бы эффективное применение их для удаления органических загрязнений из сточной воды.
Известно, что на сооружениях первичной (механической) очистки городских сточных вод полностью удаляются плавающие вещества, песок в песколовках задерживается в отстойниках и метантеках. Содержание взвешенных веществ снижается примерно на 55-60%, а органических на 20-30% [14, с. 53].
На сооружениях вторичной (биологической) очистки содержание органических веществ в городских и производственных сточных водах снижается до 5-10% от начального [37].
Эффективность очистки на сооружениях представлена в таблице 3. Таблица 3 - Сравнительная эффективность различных методов очистки бытовых сточных вод
Методы очистки Уменьшение, %
БПК5 взвешенные вещества количество бактерий
Механическая 30 - 35 50 - 60 40 - 60
Биологическая на биологических фильтрах 70 - 80 70 - 80 85 - 90
Сооружениях с активным илом 75 - 85 85 - 90 90 - 95
Полях орошения 90 - 95 90 - 95 90 - 95
Из данных таблицы следует, что технологии очистки сточных вод, даже наилучшие, неспособны обеспечить параметры концентраций, соответствующие ПДК.
Зарубежные, и специально поставленные отечественные исследования показали, что эффективность современных методов биологической очистки сточных вод от бактериологических показателей не превышают 85-90% [10, с. 13].
Практика санитарного надзора показывает, что когда должна быть создана гарантия надлежащего обеззараживания сточных вод, при которой сточные воды могли бы считаться практически свободными от возбудителей инфекции, обязательна почвенная очистка (поля орошения). При этом должна соблюдаться оптимальная нагрузка на единицу площади.
Качество сточных вод, образующихся на промышленном предприятии, и концентрации в них загрязняющих веществ определяются многими факторами: отраслью промышленного производства и видом исходного сырья, режимом технологических процессов, возможностью утилизации отходов производства, удельным расходом воды на единицу продукции. Сточные
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
воды большинства предприятий содержат минеральные и органические загрязнения в самых различных сочетаниях.
Анализ работы производственных очистных сооружений показал, что они не всегда и не полностью оберегают окружающую среду от вредного воздействия отходов производства. Ориентировочные расчеты показывают, что даже наличие очистных сооружений на каждом предприятии при современной технологии очистки (при 80-95% удаления сбрасываемых примесей из сточных вод) не позволяет полностью решить задачу охраны водоемов (таблица 4) [12, с. 19;].
Таблица 4 - Эффективность очистки промышленных сточных вод [17, с. 41]
Метод очистки Степень очистки, %
по нерастворимым веществам по БПК
Механический (отстаивание) 60 - 90 30 - 40
Механический (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием) 80 - 85 40 - 50
Физико-химический (электростатический, ионный обмен, сорбция) 90 50 - 75
Биологический 90 80 - 90
Методы очистки промышленных сточных вод зависят от характера и концентрации содержащих в них веществ, а также от особенностей производства.
Механическая и биологическая очистка применяются преимущественно на коммунальных и общезаводских сооружениях, если в стоках содержатся главным образом органические вещества. Биологическая очистка от металлов дает непостоянный и неодинаковый эффект для разных веществ - от 0 до 90%. Состав и концентрация вредных веществ многих предприятий химической, машиностроительной, металлургической, целлюлозно-бумажной и нефтеперерабатывающей промышленности не позволяют применять биологическую очистку.
Иногда с учетом особенностей состава сточных вод, содержащихся в них примесей и разных компонентов, применяются разные методы локальной очистки. Для извлечения концентрированных загрязнений сточных вод отдельных цехов.
В настоящее время на передовых по технике очистки сточных вод предприятий Германии применяются современные методы очистки: осаждение в ваннах непрерывное и периодическое, цементация, выпаривание, флотация, адсорбция активным углем, электродиализ, ионный обмен, обратный осмос.
В Англии применятся самые современные методы глубокой очистки сточных вод - обратный осмос, активный уголь, окисление при высоких температурах (3500°С) и повышенном давлении (20 МПа); осадок после удаления сжигается.
В Японии применяются электродиализ, гиперфильтрование, фильтрование с применением силы магнитного притяжения, ионный обмен, адсорбция на активном угле.
Но и в этих странах предприятия полного извлечения вредных веществ и сточных вод обеспечить не удалось, хотя остаточные количества невелики порядка 1,0-10 мг/л [20, с. 3;]. Применение разных методов очистки сточных вод от неорганических веществ имеет свои особенности.
Химические методы очистки - коагуляция и осаждение, нейтрализация кислот и щелочей - применяются чаще по сравнению с физико-химическими методами. Эти методы применяются для удаления коллоидных и взвешенных веществ, освобождения от наиболее тяжелых металлов, нейтрализации кислот и щелочей, обезвреживании ядовитых веществ.
Недостатком химических методов очистки сточных вод от неорганических веществ является безвозвратная потеря ценных металлов, кислот, щелочей. Очищенные сточные воды не могут использоваться повторно из-за большого содержания солей.
Таким образом, существующая в мировой практике современная технология и техника очистки сточных вод не дают возможности предупредить поступление в водоемы вредных остаточных загрязнений.
С одной стороны, очищать воду современными методами до ПДК водоемов -чрезвычайно дорогостоящее мероприятие. С другой - наблюдаются ежегодные убытки от загрязнения как поверхностных, так и подземных ресурсов.
Одной искусственной механической и даже биохимической очистки сточных вод недостаточно: водоемы не могут самостоятельно очищаться от остаточных загрязнений [21, с. 88;].
Доочистка предназначена для удаления из сточных вод загрязнений, оставшихся после вторичной очистки. Этот вид обработки сточных вод называют по-разному: третичной, глубокой или дополнительной очисткой (доочисткой), либо передовыми методами, как это широко принято за рубежом (advanced treatment).
Известно, что при очистке сточных вод на хорошо работающих аэрацион-ных сооружениях или биологических фильтрах обеспечивается снижение БПК сточных вод до 1012 мг/л (реже до 8 мг/л), а содержание взвешенных веществ в стоке вторичных отстойников уменьшается до 10 мг/л. Величина ХПК очищенных сточных вод в значительной степени зависит от количества и характера производственных сточных вод, поступающих в канализацию.
Величинами БПК, ХПК и содержанием взвешенных веществ контролируется, в основном, эффективностью работы сооружений биохимической очистки. В настоящее время во многих случаях показатели очистки по БПК и содержанию взвешенных веществ необходимо доводить до величин, близких к нулю, и, кроме того, добиваться максимального снижения содержания в очищенных сточных водах фосфора и азота, которые способствует бурному росту водорослей в водоемах.
При наличии технологических возможностей препятствием достижения значений ПДК, во многих случаях становится высокая стоимость очистки, особенно при очистных технологиях малой производительности, где удельные инвестиции на единицу объема стоков в несколько раз выше, чем на ОС высокой пропускной способности (таблица 5) [13, с. 97;].
Однако как показали исследования и практический опыт, решение проблемы охраны водоемов от загрязнений путем «полной» очистки сточных вод оказывается наиболее трудным как технически, так и экономически. Строительство очистных сооружений связано с большими капиталовложениями, достигающими 20-30% от стоимости промышленного комплекса. При этом, чем меньше концентрации вредных веществ в сточных водах, которые нужно достигнуть, практически оказываются вовсе недоступными в большинстве случаев, когда ставится задача «полной» очистки сточных вод.
Таблица 5 - Удельная стоимость очистки различной эффективности и производительности, тенге/м3
Производительность ОС, тыс.м3/сутки Технологии очистки
ПБО ПБО+НД +К+ОА+ЗФ +УА
5-10 22 25 33 38
25-32 15 17 22 26
40-50 11 13 17 20
64-80 10 11 15 17
130-150 7 8 10 12
160-220 6 7 9 11
Примечание - ПБО - полная биологическая очистка; НД - нитрификация -денитрификация; К - коагуляция; ОА - отдувка азота; ЗФ - зернистые фильтры; УА -угольная адсорбция_
Одним из основных направлений в борьбе с загрязнением водоемов на современном этапе является внедрение оборотного и повторного водоснабжения, освоение бессточных схем, малоотходных или безотходных производств. В Казахстане величина оборотного водоснабжения достигает 5-6 млрд.м3/год или 25-30% от общего водопотребления [13, с. 119].
В системах оборотного водоснабжения в воде накапливаются соли, что в ряде случаев недопустимо при использовании очищенной воды в технологических процессах. При обработке сточных вод на сооружениях доочистки в той или иной степени снижается содержание указанных загрязнений в зависимости от конкретных требований. Однако не представляется возможным весь объем образующихся сточных вод в промышленности коммунальном хозяйстве и животноводческих комплексах направить на повторное водоснабжение. В связи с этим, выбирая оптимальные решения в вопросе охраны водных ресурсов от загрязнения и его рационального использования, необходимо использовать весь комплекс возможных мероприятий в каждом конкретном случае:
- осуществление перевода производства на «сухую» технологию;
- снижение удельной водоемкости производства;
- осуществление перевода производства на оборотное водоснабжение;
- внедрение эффективных способов очистки сточных вод.
Одним из эффективных способов доочистки сточных вод и его повторного использования является почвенный метод на оросительных системах ОССВ. Использование сточных вод на оросительных системах является экономически целесообразным, ибо вместе со сбрасываемыми загрязненными сточными водами безвозвратно теряется огромное количество удобрительных веществ, которые с эффектом могли бы быть использованы в сельском хозяйстве для восстановления плодородия почвы, повышения урожайности сельскохозяйственных культур на полях и создания интенсивных луговых угодий.
Наукой и практикой доказано, что из всех известных методов очистки сточных вод наиболее эффективным и в то же время наиболее долговечными, простыми в устройстве и эксплуатации являются почвенный метод доочистки сточных вод.
Использование почвенных методов очистки сточных вод позволяет: уменьшить забор чистых природных вод для целей орошения сельскохозяйственных земель, являясь для маловодного Казахстана резервом оросительной воды; использовать более рационально водные ресурсы; исключить непосредственный сброс очищенных и недоочищенных сточных вод в водоемы и облегчить тем самым разрешение проблемы санитарной охраны водоемов; непрерывно повышать плодородие почв и получать высокие устойчивые урожаи сельскохозяйственных культур; вовлечь в дополнительный сельскохозяйственный оборот малопродуктивные и малопригодные без удобрительного полива земли.
Внедрение в практику почвенных методов очистки сточных вод приносит значительный дополнительный доход, за счет которого в короткие сроки окупаются все затраты на устройство сооружений. В тех случаях, когда происходит спуск значительных объемов сточных вод в небольшие водоемы и на сооружениях вторичной очистки не достигается требуемая по расчету степень очистки, прибегают к почвенной доочистке вод. Из других методов лишь почвенная очистка на полях орошения может дать близкие пределы бактериальной очистки. Практика санитарного надзора показывает, что когда должна быть создана гарантия надлежащего обеззараживания сточных вод, при которой сточные воды могли бы считаться практически свободными от возбудителей инфекции, обязательна почвенная очистка (поля орошения). При этом должна соблюдаться оптимальная нагрузка на единицу площади в сочетании с последующим пропуском отводимых дренажных вод через пруды, рассчитанные на 5-10-суточный объем этих вод. Если по климатическим условиям
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
невозможно устройство и эксплуатация прудов, надо обеспечить повторную фильтрацию
через почву. При правильной организации такой очистки в дезинфекции хлором нет нужды
[9, с. 39].
ЛИТЕРАТУРА
1. Экологический кодекс Республики Казахстан. - Алматы.: Юрист, 2017. - 172 с.
2. Водный кодекс Республики Казахстан. - Алматы.: Юрист, 2013. - 69 с.
3. Правила охраны поверхностных вод Республики Казахстан. РНД 1.01.03-94. - Алматы, 1994. - 30 с.
4. Методика по установлению предельно-допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ на поля фильтрации рельефа местности. РНД 211.3.03.03-200. - Кокшетау, 2000. - 7 с.
5. Черкинский С.Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы. - М.: Литература по строительству, 1971. - 208 с.
6. Новиков Ю.В. Воде быть чистой. - М.: Московский рабочий, 1977. - 128 с.
7. Кушелев В.П. Охрана природы от загрязнений промышленными выбросами. - М.: Химия, 1979. - 240 с.
8. Яковлев С.В., Нечаев А.П., Мясникова Е.В., Максимов А.В., Кочерян А.Г. Принципы оценки и источников загрязнения поверхностных водных объектов //Мелиорация и водное хозяйство. - 2001. - №1. - С.36-37.
9. Кутырин И.М. Охрана воздуха и поверхностных вод от загрязнения. - М.: Наука, 1980. -86 с.
10. Руководство по коммунальной гигиене. /под ред. проф. С.Н. Черкинского. - М.: Медгиз, 1962. Том II. - 763 с.
11. Беличенко Ю.П., Полянинов Л.Я. Охрана водных ресурсов. - М.: Россельхозиздат, 1976. -133 с.
12. Жангужинов Е.М. Очистка сточных вод. - Тараз: Тараз университет^ 2009. - 157 с.
13. Покровский В.Н., Аракчеев Е.П. Очистка сточных вод тепловых электростанций. - М.: Энергия, 1980. - 256 с.
14. Тыртышный Е. Существующие системы управления водными ресурсами в Казахстане: аналитический обзор. - Алматы, 2004. - 80 с.
15. Яковлев С.В. Технологические проблемы очистки природных и сточных вод //Мелиорация и водное хозяйство. - 1998. - №3. - С.31-32.
16. Швецов В.Н. Перспективные методы и технологии очистки сточных вод //Мелиорация и водное хозяйство. - 1998. - № 3. - С.33-35.
17. Долгоносов Б.М., Кочарян А.Г. Принципы назначения предельно допустимых сбросов в системе водоохранных мероприятий бассейна реки //Мелиорация и водное хозяйство. -1998. - №3. - С.39-41.
18. Нежиховский Р.А. Водные проблемы: социально-экономические и экологические аспекты //Мелиорация и водное хозяйство. - 1990. - №11. - С.15-17.
19. Орловский З.А. Очистка сточных вод за рубежом. - М.: Стройиздат, 1974. - 192 с.
20. Родзиллер И.Д., Яковлев С.В. Доочистка сточных вод //материалы VI Всесоюзного симпозиума по современным проблемам самоочищения водоемов и регулирования качества воды. - Таллин, 1979. - С.1-8.
21. Молоков М.В., Шифрин В.Н. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок. - М.: Стройиздат, 1977. - 104 с.
