CC BY
218
стр. 112 из 184
УДК 628.3
DOI: 10.12737/16090
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Доронкина Ирина Геннадиевна, кандидат технических наук,
доцент кафедры физического воспитания и безопасности жизнедеятельности,
Борисова Оксана Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры сервисного инжиниринга, [email protected]
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Авторами изучены эколого-экономические проблемы и пути для их решения. В статье освещено негативное антропогенное воздействие на водные объекты, которые являются важнейшим компонентом природной среды, особое внимание уделено очистке сточных вод (СВ), что является первостепенной задачей в части предотвращения загрязнения водных объектов как источников пресной воды. Показано, что повышение эколого-экономической эффективности очистки СВ может быть связано с применением технологии флотации.
Вредные вещества, поступающие в атмосферу с промышленными выбросами, возвращаются с атмосферными осадками на землю, загрязняя водоемы и почву.
В настоящее время в России доля сточных вод, проходящих очистку, не превышает 65%. Приблизительно 30% населения России потребляет воду, не прошедшую никакой очистки, что весьма опасно для здоровья и не способствует безопасной жизнедеятельности.
Человек интенсивно использует природную воду после её необходимой очистки и подготовки в своей хозяйственной деятельности - в быту, в промышленности, в сельскохозяйственном производстве. Для целого ряда производств (пищевая промышленность, производство полупроводников и люминофоров, ядерная техника), а также для медицинских целей, для выполнения химанализов и пр. требуется вода особой чистоты.
Можно констатировать, что вследствие негативного воздействия на окружающую среду выбросов веществ, которые загрязняют атмосферный воздух, сбросов загрязняющих веществ в водные объекты, попадания в грунтовые воды токсичного фильтрата (образуется на объектах размещения твердых отходов), водосборные площади и водные объекты (поверхностные и подземные) интенсивно загрязняются. Поэтому очистка сточных вод как составная часть инженерной экологии, сервиса экосистем и природоохранных объектов приобретает все большее значение.
Ключевые слова: защита окружающей среды, сточные воды, экологоэкономическая эффективность
стр. 113 из 184
Новейшие достижения науки и техники, разработка технологий, обеспечивающих снижение негативного воздействия на окружающую среду, невозможны без экологоэкономических обоснований.
Любая хозяйственная деятельность человека отражается на состоянии окружающей среды, поэтому производственные вопросы надо решать комплексно, сопоставляя с эколого-экономическими последствиями.
За последние столетия особенно усилилось антропогенное воздействие на водную среду. К серьезным последствиям для окружающей среды привел непомерный отбор воды из природных источников. Происходит непрерывное истощение природных ресурсов, в первую очередь, пресной воды. Пресная вода - необходимое условие жизни на Земле. Проблемы неограниченного потребления водных ресурсов для удовлетворения потребностей человечества с каждым днем обостряются. Во многих странах наблюдается хронический недостаток воды, случаются частые засухи. С каждым годом растет население Земли, вследствие чего увеличивается потребление воды. За последние годы увеличилось количество людей, вынужденных употреблять некачественную питьевую воду, что может приводить к росту заболеваемости. Поэтому охрана водных объектов от различных загрязнений стала одной из важнейших глобальных проблем [1, с. 346].
Вода является ценным и наиболее распространенным сырьевым ресурсом. Основной задачей охраны от различных загрязнений водных источников является уменьшение потребления воды и сброса СВ в водоемы. Однако население России считает, что территория страны большая и воды будет всегда достаточно. Конечно, в процессе водопотребления вода не перестает существовать, но неизбежно загрязняется сама и загрязняет окружающую среду.
Любая хозяйственная деятельность, проводимая на водосборных территориях (в т. ч. лесопользование, растениеводство и животноводство, сооружение дорог, развитие поселков и городов), оказывает влияние на их экологическое состояние. Некоторые российские водные объекты подвергаются интенсивному использованию, вследствие чего резко снизилось водное биоразнообразие и биопродуктивность. Водоемы потеряли питьевое и рекреационное значение [2, с. 172-173].
Все прошлое столетие реки и озера интенсивно использовались, в т. ч. и как приемники сточных вод. Пока вода в реках бежала (а не стояла, как сегодня, например, в Волге), и пока сточные воды содержали вещества, которые как-то поддавались биологическому разложению, ситуация была местами очень сложной и даже опасной, но
стр. 114 из 184
не критической. Однако естественная способность к самоочищению многих российских рек и других водоемов была необратимо подорвана.
Многие загрязнители по своей структуре не известны для природных циклов воспроизводства, и природа не способна справиться с накопленными и качественно измененными продуктами, созданными человеком для удовлетворения своих
потребностей. Например, полимерные отходы, поступившие на полигонное захоронение, загрязняют окружающую среду на многие десятилетия [3].
71% поверхности Земли приходится на гидросферу. Вода - самое распространенное вещество в природе. Без воды существование живых организмов невозможно в принципе. Особую роль играют пресные воды Земли, общий объем которых невелик - всего 2,5% от массы вод океана (приблизительно 30 млн. км3). Крупнейшие запасы пресной воды приходятся на озеро Байкал - около 23 тыс. км3. Подавляющая часть пресной воды для людей в повседневной жизни труднодоступна, т. к. связана с полярными льдами и подземными водоносными слоями. Поэтому задача первостепенной важности -предотвращение загрязнения водных объектов как источников пресной воды [4].
Около половины воды, потребляемой человечеством, превращается в сточные воды (СВ), сбрасываемые (после далеко не всегда эффективной очистки), как отмечено, на водосборные площади и в водные объекты (поверхностные и подземные), которые интенсивно загрязняются.
Проблема России не в дефиците воды, а в её качестве. Почти все города, а их в России более тысячи, снабжаются водой не из скважин, а из поверхностного водосбора. Около 75% городских квартир потребляют водопроводную воду весьма низкого качества, причем не исключено попадание в нее опасных микроорганизмов, а также токсичных веществ, широко используемых в промышленности и неизбежно попадающих сначала в СВ, а затем и в водопровод. Обычная городская система очистки воды не способна обезвредить подобные воды. Приблизительно 30% населения России потребляет воду, не прошедшую вообще никакой очистки, что весьма опасно для здоровья. В таких регионах РФ, как Белгородская и Курская область, Адыгея, Бурятия, Тыва, очистке подвергают не более 10% воды [5, с. 85-87].
Россия катастрофически отстает от стран ЕС по уровню контроля водоснабжения. В соответствии с законодательством в РФ вода должна проверяться по 54 показателям (на практике, в большинстве регионов это, как правило, происходит только на бумаге по причине отсутствия оборудования). Для сравнения: в Великобритании вода контролируется по 70 показателям, при этом в год делается около 100 тысяч анализов.
стр. 115 из 184
Пробы воды, не соответствующие нормам, в Великобритании составляют 0,01%, а в России - более 40%, что свидетельствует о питьевой непригодности такой воды. Например, очистные сооружения, находящиеся вдоль реки Волги и использующие воду из неё, рассчитаны на работу с первым (высшим) классом. На самом деле вода в Волге относится к самому низкому - третьему классу питьевой воды. Содержание в волжской воде фенолов, нефтепродуктов, солей меди и цинка превышает ПДК в 5-12 раз.
В странах ЕС для очистки воды применяют УФ-технологии, в России же преимущественно для очистки воды используют хлор (на Рублевской водопроводной станции в Москве для очистки воды применяют озон) [6, с. 91-93].
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), инвестирование 1 доллара в развитие водоснабжения позволяет сэкономить от 4 до 12 долларов в системе здравоохранения.
В настоящее время в России доля СВ, проходящих очистку, не превышает 65%. В этой связи особую роль приобретает инженерная защита окружающей среды в части скорейшего решения технологических задач водоочистки, водоподготовки, оборотного водоснабжения, предотвращения загрязнения водоемов и их истощения. Очистка СВ -составная часть инженерной экологии, сервиса экосистем и природоохранных объектов.
Водные объекты не в силах справиться с возрастающим количеством загрязняющих веществ, вследствие этого процессы самоочищения не происходят, поэтому сточные воды перед попаданием в водные объекты должны проходить очистку [7, с. 71-73].
Универсального способа очистки сточных вод от всех вредных веществ и примесей не существует, поэтому при выборе систем очистки надо это учитывать. Как правило, очистка СВ от различных загрязнений происходит не одним каким-то методом, а последовательно несколькими. Снижение содержания в СВ специфических примесей до допустимых норм требует применения различных и часто комбинационных технологических решений.
В промышленности применяют механические, биологические, химические (реагентные) и физико-химические методы очистки сточных вод [8].
Одним из весьма эффективных, но недостаточно широко используемых в российской практике методов очистки СВ является флотация, которую можно также использовать для извлечения из СВ ценных компонентов (в т.ч. растворенных).
Флотация - процесс извлечения (разделения) взвешенных в водной среде мелких твердых частиц, растворенных в воде ПАВ или йонов металлов с помощью генерируемых
стр. 116 из 184
в объеме пульпы или непосредственно на твердых частицах воздушных пузырьков, которые выносят закрепившиеся на них частицы или адсорбированные ПАВ в пенный слой, удаляемый из процесса. В основе флотации лежат процессы смачивания [9].
Флотационное выделение загрязняющих веществ из сточных вод характеризуется, по сравнению с отстаиванием, значительно большей скоростью процесса, которая во многом определяется скоростью подъема воздушных пузырьков в воде (приблизительно 1-16 см/с).
Флотационную очистку СВ применяют в различных производствах: нефтеперерабатывающей и химической промышленности, цветной металлургии, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, производстве искусственного волокна, кожевенном, красильном и гальваническом производстве, машиностроении, а также в коммунальном хозяйстве, прачечных и др. [10].
Объектами для флотации при очистке сточных вод могут быть:
— растворенные ПАВ;
— твердые гидрофобные загрязнения (нерастворимые взвешенные частицы);
— нефтепродукты, масла, жиры;
— растворенные соли (ионы тяжелых металлов);
— гидроксиды металлов;
— хлопья скоагулированных коллоидов;
— суспензия избыточного активного ила (после биологической очистки СВ) [11, с. 16—19].
Наиболее привлекательно технологически и экономически применение флотации для очистки СВ от растворенных ПАВ. Адсорбируясь на поверхности поднимающихся воздушных пузырьков, ПАВ выносятся в пенный слой и удаляются из процесса (по своей сути процесс, называемый пенным фракционированием, аналогичен процессу сорбции на твердых сорбентах). Иными словами, простая продувка сточных вод воздухом в виде мелких пузырьков (их дисперсность возрастает с увеличением концентрации ПАВ) дает высокий технологический эффект. Степень очистки СВ от ПАВ может достигать 98%. Применение специальных флотореагентов не требуется. Флотация проводится при рН 9,5—12. В процессе очистки от ПАВ одновременно происходит удаление из СВ диспергированных и эмульгированных частиц [12].
Чаще всего СВ загрязнены анионными ПАВ. При содержании в СВ катионных ПАВ процесс флотации интенсифицируется с помощью подачи в процесс реагентов —
стр. 117 из 184
рекомендуется последовательная подача эмульсии аполярных масел и полиакриламида (реагент - флокулянт). Время флотации не превышает 20 минут, рН 9,5-11.
Безреагентная флотация эффективна при очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов от загрязнений маслами и взвешенными тонкими частицами, которые обычно покрыты пленкой масел (извлечение загрязнений составляет 90-99%, время флотации - 4-6 мин), при очистке СВ мясокомбинатов от жиромассы (степень очистки - 70-75%, причем сфлотированную жиромассу утилизируют, превращая в жировой концентрат путем дальнейшей термической переработки). При флотационной очистке СВ от нефтепродуктов удается снизить их концентрацию до 3-5 мг/л при исходной концентрации нефтепродуктов 30-40 мг/л.
При флотации хлопьев скоагулированных коллоидов и гидроксидов металлов с соосажденными вместе с ними различными примесями необходимо учитывать, что «флотационная активность» хлопьев по мере их «старения» заметно падает и через несколько часов они могут потерять способность флотироваться. Наилучшими с точки зрения флотации хлопьев скоагулированных коллоидов и гидроксидов являются условия, когда выделение пузырьков газа из раствора и образование хлопьев происходят одновременно [13, с. 20-24].
Флотация все шире используется для извлечения из сточных вод (в частности, из промышленных СВ гидрометаллургических и обогатительных предприятий) ионов тяжелых металлов - меди, цинка, кадмия, молибдена, никеля, кобальта и др. Ионы металлов с помощью собирателей переводятся в труднорастворимые соединения и затем флотируются. В качестве собирателей используются алкилксантогенаты ROCS*, алкилкарбоксилаты RCOO , алкил сульфаты R05C^, алкил сульфонаты RSO^,
алкилфосфаты ROPO%~-
Разработан оригинальный способ флотации из СВ ионов кадмия, основанный на использовании специального носителя - биомассы микроорганизмов (грамм-положительные актиномицеты АК61 и JL322), которая концентрирует на своей поверхности катионы металлов и затем извлекается в пенный продукт флотацией. В качестве катионного собирателя используется бромид цетилтриметиламмония. Контакт собирателя с биомассой - 15 минут, рН 6-10. Десорбция кадмия с поверхности биомассы осуществляется обработкой сульфатом натрия [14, с. 105-110].
Практика показывает, что степень флотационной очистки СВ от нерастворимых примесей и взвешенных веществ часто достигает 90-98% при времени флотации
стр. 118 из 184
20-40 мин. Одновременно снижается концентрация поверхностно-активных веществ, бактерий и микроорганизмов.
Существенное преимущество флотации перед отстаиванием - получение пен, содержащих шламы, с более низкой влажностью, чем влажность осадка, образующегося при отстаивании. Выход шлама при флотации меньше, чем осадка при отстаивании [15, с. 196-198].
Как уже было отмечено, универсального способа очистки сточных вод от всех существующих вредных веществ не существует. Обычно в технологические схемы очистки СВ включается несколько технологических операций.
Делая вывод из вышеизложенного, можно утверждать, что сегодня на первый план выходит экономическое регулирование рационального использования, а также охраны водных ресурсов. Улучшение окружающей среды и сохранение водных объектов являются первоочередным направлением деятельности государства и общества.
Литература
1. Шубов Л.Я., Ставровский М.Е., Олейник А.В. Технология отходов. - М.: АЛЬФА-М: ИНФРА-М, 2011.
2. Смирнов Д.Г. Технология комплексной очистки сточных вод с минимизацией образования избыточного ила и осадка // Вестник МГСУ. - 2009. - №2.
3. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Технологии сточных вод.
Контроль качества окружающей среды: учеб. пособие. - М., 2013. [Электронный ресурс]: № госрегистрации 0321401109.
4. Шубов Л.Я., Борисова О.Н., Доронкина И.Г. Технологии сточных вод
(инженерная защита гидросферы) // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. - 2010. - №6. - 128 с.
5. Каширская Т.А. Очистка сточных вод без очистных сооружений // Экология производства. - 2010. - № 5.
6. Кулинич О. А. Биологическая очистка воды и донных отложений в закрытых водоемах // Экология производства. - 2010. - № 10.
7. Борзенков В. И. Плоскорамный аппарат для мембранной очистки стоков // Экология производства. - 2010. - №5.
8. Каракеян В. И., Кольцов В. Б. Теоретические основы зашиты окружающей среды. - Ч. 2. Специальные методы очистки сточных вод и основные методы сепарации твердых отходов. - М., 2005. - 164 с.
стр. 119 из 184
9. Самыгин В.Д., Игнаткина В.А. Процессы и аппараты очистки сточных вод. -М.: МИСиС. - 2009. - 222 с.
10. Иванков С.И., Жосан В.А., Иванков Р.С. Современные способы очистки и утилизации сточных вод и их осадков на основе запатентованных технических решений // Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. - 2007. - № 2.
11. Ильин В.И., Бродский В.А., Колесников В.А. Разработка технологических решений для очистки сточных вод от загрязнений органической природы // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2015. - № 4 (88).
12. Очистка сточных вод / М. Хенце, П. Армоэс, И. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван. - М.: Мир, 2004. - 480 с.
13. Ксенофонтов Б.С., Антонова Е.С. Оптимизация процесса флотационной очистки сточных вод // Водоочистка. - 2015. - №3.
14. Максимов Е.А., Васильев В.И. Электрофлотационная очистка жиросодержащих сточных вод // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2015. - №3.
15. Приоритетные направления экологизации в сфере обращения с отходами / Н.В. Внукова, Н.П. Горох, Е.Е. Решта, Л.Я. Шубов // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. - 2006. - Вып. 34.
ECOLOGICAL AND ECONOMIC EFFICIENCY OF TECHNOLOGICAL PROCESSES
OF WASTEWATER TREATMENT
Irina Doronkina, PhD in Engineering sciences, Associate Professor, [email protected],
Oksana Borisova, PhD in Engineering sciences, Associate Professor, [email protected]
Russian State University of Tourism and Service Moscow, Russian Federation
The article deals with the ecological and economic challenges and ways to solve them. Water bodies are an essential component of the natural environment and a source of fresh water, therefore prevention of their pollution as is a priority. The article highlights the negative human impact on water bodies; special attention is given to wastewater treatment (WT). The article shows that the increase of ecological and economic efficiency of wastewater treatment can be Associate d with the use of flotation technology.
Harmful substances enter the atmosphere from industrial emissions and return with atmospheric precipitation to the ground, contaminating soil and water bodies.
In today's Russia the share of wastewater that passed through treatment does not exceed
65%.
Approximately third part of population in Russia uses untreated water, as is very dangerous for health and is not conducive to safety.
стр. 120 из 184
Man makes extensive use of natural water after its required treatment and preparing in its economic activity - in household activities, in industry, in agricultural production. High purity water is needed for a number of industries: food processing, semiconductors and phosphors, nuclear engineering, as well as for medical purposes, to perform chemical analysis and so on.
Catchment areas and water bodies (surface and underground) are intensively polluted by toxic air pollutants, water pollutants, landfill leachate (forms at the municipal solid waste disposals). Therefore, treatment of wastewater as part of environmental engineering, services of ecosystems and protected areas is becoming increasingly important.
Keywords: environmental protection, wastewater, ecological and economic efficiency
References
1. Shubov L.Y., Stavrovskij M.E., Olejnik A.V. Tehnologija othodov [Waste Technology]. Moscow: ALFA-M: INFRA-M, 2011.
2. Smirnov D.G. Tehnologija kompleksnoj ochistki stochnyh vod s minimizaciej obrazovanija izbytochnogo ila i osadka [Technology of complex waste water treatment whith minimizing the formation of sludge and sediment] // Vestnik MGSU. 2009. Iss. 2. PP. 172-173.
3. Shubov L.Y., Borisova O.N., Doronkina I.G. Tehnologii stochnyh vod. Kontrol' kachestva okruzhajushhej sredy [Technology wastewater. Quality control of the environment]. Moscow, 2013.
4. Shubov L.Y., Borisova O.N., Doronkina I.G. Tehnologii stochnyh vod (inzhenernaja zashhita gidrosfery) [Wastewater Technology (Engineering protection of hydrosphere)] // Nauchnye i tehnicheskie aspekty ohrany okruzhajushhej sredy [Scientific and technical aspects of environmental protection]. 2010. Iss. 6. 128 p.
5. Kashirskaja T.A. Ochistka stochnyh vod bez ochistnyh sooruzhenij [Wastewater treatment without sewage treatment plants] // Ekologija proizvodstva [Industrial Ecology]. 2010. Iss. 5.
6. Kulinich O.A. Biologicheskaja ochistka vody i donnyh otlozhenij v zakrytyh vodoemah [Biological treatment of water and sediments in closed waters] // Ekologija proizvodstva [Industrial Ecology]. 2010. Iss. 10.
7. Borzenkov V.I. Ploskoramnyj apparat dlja membrannoj ochistki stokov [Plate-device for membrane wastewater treatment] // Ekologija proizvodstva [Industrial Ecology]. 2010. Iss. 5.
8. Karakejan V.I., Kol'cov V.B. Teoreticheskie osnovy zashity okruzhajushhej sredy. Part 2. Special'nye metody ochistki stochnyh vod i osnovnye metody separacii tverdyh othodov [Theoretical bases of environmental protection. Part 2. Special methods of wastewater treatment and basic methods of solids separation]. Moscow, 2005. 164 p.
стр. 121 из 184
9. Samygin V.D., Ignatkina V.A. Processy i apparaty ochistki stochnyh vod [Processes and devices of wastewater treatment]. Moscow: MISiS, 2009. 222 p.
10. Ivankov S.I., Zhosan V.A., Ivankov R.S. Sovremennye sposoby ochistki i utilizacii stochnyh vod i ih osadkov na osnove zapatentovannyh tehnicheskih reshenij [Modern methods of treatment and disposal of sewage and sediment based on patented technological solutions] // Nauchnye i tehnicheskie aspekty ohrany okruzhajushhej sredy [Scientific and technical aspects of environmental protection]. 2007. Iss. 2.
11. Il'in V.I., Brodskij V.A., Kolesnikov V.A. Razrabotka tehnologicheskih reshenij dlja ochistki stochnyh vod ot zagrjaznenij organicheskoj prirody [Development of technological solutions for wastewater treatment from contamination of organic nature] // Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie [Water treatment. Water preparation. Water supply]. 2015. Iss. 4 (88).
12. Ochistka stochnyh vod [Wastewater treatment] / M. Hence, P. Armojes, I. Lja-Kur-Jansen, Je. Arvan. Moscow: Mir, 2004. 480 p.
13. Ksenofontov B.S., Antonova E.S. Optimizacija processa flotacionnoj ochistki stochnyh vod [Optimization process of the flotation wastewater treatment] // Vodoochistka [Water treatment]. 2015. Iss. 3.
14. Maksimov Y.A., Vasilyev V.I. Elektroflotacionnaja ochistka zhirosoderzhashhih stochnyh vod [Electrical Flotation of Fat-containing Waste Waters] // Vodnoe hozjajstvo Rossii: problemy, tehnologii, upravlenie [Water sector of Russia: problems, technologies, management]. 2015. Iss. 3. PP. 105-111.
15. Vnukova N.V., Goroh N.P., Reshta E.E., Shubov L.Ja. Prioritetnye napravlenija ekologizacii v sfere obrashhenija s othodami [Priority areas in the ecologization of waste management] // Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo avtomobil'no-dorozhnogo universiteta [Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University]. 2006. Iss. 34-35.
