CC BY
238
УДК 502(075)
Б01: 10.12737/2559
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Шубов Лазарь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, член сообщества экспертов РФ по рациональному природопользованию, bgdtf@rambler.ru
Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами, Москва, Российская Федерация
Борисова Оксана Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры физической культуры и безопасности жизнедеятельности, bgdtf@rambler.ru,
Доронкина Ирина Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры
физической культуры и безопасности жизнедеятельности, dora1096@yandex.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Освещены виды негативного воздействия отходов на окружающую среду, отмечена необходимость ее инженерной защиты и безопасности жизнедеятельности. Подчеркнута задача первостепенной важности - предотвращение загрязнения водных объектов как источников пресной воды, особое внимание при этом уделено очистке сточных вод (СВ).
Приведены укрупненные характеристики СВ и дана классификация методов их очистки. Показано, что повышение экоэффективности очистки СВ может быть связана с применением технологии флотации.
Ключевые слова: отходы, инженерная защита окружающей среды, сточные воды, флотация.
Глобальной для всего мира является проблема отходов - главных загрязнителей окружающей среды. Проблема отходов, наравне с проблемами энергии и воды, является всеобщей проблемой, связанной с каждым сектором экономики.
Многие отходы 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.
Негативное воздействие отходов на окружающую среду связано с выбросами загрязняющих веществ в атмосферный воздух (газообразные отходы), сбросами загрязняющих веществ в водные объекты и на водосборные площади (сточные воды),
размещением отходов производства и потребления на специальных объектах - полигонах захоронения, хвостохранилищах и т.п. Соответственно видам негативного воздействия отходов на окружающую среду процессы ее инженерной защиты должны предусматривать защиту атмосферы, гидросферы и литосферы. Весьма актуально повышение эффективности технологических процессов инженерной защиты окружающей среды.
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). 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.
Приблизительно половина потребляемой человечеством воды превращается в сточные воды (СВ), сбрасываемые (после далеко не всегда эффективной очистки) на водосборные площади и в водные объекты (поверхностные и подземные).
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. В таблице 1 представлена характеристика сточных вод отдельных производств.
Таблица 1 - Укрупненная характеристика сточных вод отдельных производств
Производство Загрязняющие вещества Примечание
Деревообработка и целлюлозно-бумажная промышленность Сульфаты, лигнин сульфатный и органические серосодержащие соединения (соответственно 46%, 28% и 15% от общего количества загрязняющих веществ); уксусная кислота, аммонийный азот и метанол (по 2-3% от общего количества загрязняющих веществ) Менее 1% от общего количества загрязняющих веществ: нитраты, жиры и масла, формальдегид, железо
Машиностроение Нефтепродукты, сульфаты, хлориды, взвешенные вещества, цианиды, соли металлов (железа, меди, цинка, никеля, хрома, молибдена, кадмия), соединения азота Подотрасли: автомобильное машиностроение, горнорудное, металлургическое, железнодорожное, коммунальное и др.
Химическая промышленность Хлориды кальция, натрия и магния, взвешенные частицы, сульфат кальция, карбамид, медь, аммиак, метанол, формальдегид, фосфорная кислота, серная, соляная и азотная кислоты Производство аммиака, азотной и соляной кислоты, кальцинированной соды, суперфосфата, метанола, нитробензола и др.
Текстильная промышленность Взвешенные вещества, сульфаты, хлориды, нитраты, ПАВ, соли металлов (железа, меди, цинка, никеля, хрома, свинца)
Кожевенная промышленность Фенолы, жиры и масла, соединения азота, метанол, формальдегид, хром, алюминий -
Промышленность стройматериалов Взвешенные вещества, нефтепродукты, аммонийный азот, нитраты, фосфор, магний, железо
Пищевая промышленность Органические вещества, сульфаты, фосфаты, нитраты, нитриты, щелочи, кислоты, моющие вещества, твердые остатки, микроорганизмы
Бытовые сточные воды Органические вещества (58%), минеральные вещества (42%) Возможно бактериальное и биологическое загрязнение
Цветная металлургия (обогатительное производство) рН 8-12, взвешенные частицы, сульфаты и хлориды (суммарно 1 г/л), ксантогенаты и дитиофосфаты (1 мг/л), тяжелые металлы (медь, цинк и свинец -соответственно 4-6мг/л, 2-6мг/л и 0,6-1,5мг/л), кальций (около 100мг/л), цианиды Хвосты полиметаллических фабрик (20-40% твердого). В хвостохранилище за счет естественных процессов окисления содержание загрязняющих веществ снижается
Полигонное захоронение ТБО рН 6-8, железо (15-750 мг/л), медь (100 мг/л), кадмий (6мг/л), аммонийный азот (500-750 мг/л), взвешенные вещества, бактерии Количество сточных вод 2000-3000м3/га год. ХПК 22000-3000мг/л О2, БПК 13000-200мг/л О2 (показатели снижаются по мере старения полигона)
Гальванические производства (сточные воды образуются в основном в операциях промывки деталей) Тяжелые металлы (100-10000мг/л), кислоты (20-20000 мг/л), щелочи (20-20000мг/л), цианиды (5-100000 мг/л), хром (5-200000мг/л), механические примеси (до 400 мг/л) Отработанные травильные растворы содержат от 10000 до 50000мг/л загрязнений (кислоты, щелочи, масла, механические примеси)
Россия катастрофически отстает от стран ЕС по уровню контроля за водоснабжением. В соответствии с законодательством в РФ вода должна проверяться по 54 показателям (в большинстве регионов, из-за отсутствия оборудования, это правило соблюдается только на бумаге). Для сравнения: в Великобритании вода контролируется по 70 показателям, при этом в год делается около 100 тысяч анализов. Пробы воды, не соответствующие нормам, в Великобритании составляют 0,01%, а в России - более 40%, что свидетельствует о питьевой непригодности такой воды. Например, вода в Волге относится к так называемому третьему (самому низкому) классу питьевой воды, а очистные сооружения большинства волжских городов, потребляющих воду из реки,
рассчитаны на работу с первым - высшим классом. 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 преимущественно для очистки воды применяют хлор (на Рублевской водопроводной станции в Москве для очистки воды применяют озон).
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.
Очистка СВ необходима, чтобы не допустить загрязнения водных объектов, процессы самоочищения которых не способны справиться с большими нагрузками загрязняющих веществ, многие из которых для природных процессов воспроизводства неизвестны. В таблице 2 представлена характеристика загрязнителей сточных вод.
Таблица 2 - Укрупненная характеристика загрязнителей сточных вод
№№ п/п Группы компонентов, эффекты Влияние на окружающую среду
1. Микроорганизмы (патогенные бактерии, вирусы, одноклеточные организмы) Риск при использовании в пищу рыбы, риск при купании
2. Биоразлагаемые органические вещества Снижение концентрации кислорода в водных объектах (как следствие дефицита кислорода - снижение биоразнообразия в водном объекте)
3. Другие органические вещества (масла, жиры, красители, пестициды, фенол и др.) Токсический эффект, биоаккумуляция
4. Макроэлементы (азот, фосфор, аммоний) Токсический эффект, снижение концентрации кислорода, эвтрофикация (обогащение водных объектов биогенными элементами, может приводить к «цветению» воды)
5. Металлы, соли металлов (Си, РЬ, N1, С4 Сг) Токсический эффект, биоаккумуляция
6. Кислоты, щелочи Токсический эффект, коррозия
7. Сероводород Токсический эффект, запах, вкус
8. Радиоактивность Токсичность, накопление
9. Температурные эффекты (горячая вода) Смена условий жизнедеятельности для флоры и фауны
При выборе системы очистки СВ необходимо учитывать, что универсального способа очистки одновременно от всех вредных примесей и веществ не существует, как
правило, очистка СВ от загрязнений производится последовательно несколькими методами. Инженерная задача снижения до допустимых норм содержания в СВ специфических вредных примесей требует применения различных и часто комбинационных технологических решений.
В промышленности применяют механические, биологические, химические (реагентные) и физико-химические методы очистки СВ :
- механические - процеживание, отстаивание (гравитационная сепарация), сепарация в центробежном поле, фильтрование;
- биологические - аэробное разложение органических веществ (минерализация), нитрификация, денитрификация, биологическое удаление фосфора, анаэробное разложение органических веществ (метановое сбраживание);
- химические (реагентные) - нейтрализация, химическое осаждение, окисление, восстановление, агрегирование (укрупнение коллоидных частиц и шламов - процессы коагуляции и флокуляции);
- физико-химические - флотация, адсорбция, ионный обмен с использованием ионитов, мембранные процессы.
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 том числе растворенных).
Флотация - процесс извлечения (разделения) взвешенных в водной среде мелких твердых частиц, растворенных в воде ПАВ или йонов металлов с помощью генерируемых 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.
Флотационное выделение загрязняющих веществ из СВ 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: в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, в цветной металлургии, в целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, в производстве искусственного волокна, в кожевенном, красильном и гальваническом производстве, в машиностроении, а также в коммунальном хозяйстве, прачечных и др.
Объектами для флотации при очистке СВ 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).
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 СВ 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.
Чаще всего СВ загрязнены анионными ПАВ. При содержании в СВ катионных ПАВ процесс флотации интенсифицируется с помощью подачи в процесс реагентов -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 СВ 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.
Флотация все шире используется для извлечения из СВ (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 алкилкарбоксилаты ЯСОО , алкилсульфаты ЯО^О^, алкилсульфонаты алкилфосфаты ИОРО*~.
Разработан оригинальный способ флотации из СВ ионов кадмия, основанный на использовании специального носителя - биомассы микроорганизмов (грамм-положительные актиномицеты АК61 и 1Ь322), 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.
Некоторые практические сведения по флотационной очистке СВ различных производств приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты очистки СВ флотацией
Предприятия Содержание загрязняющих веществ, мг/л БПК или ХПК, мг/л О2
до после до после
флотации флотации флотации флотации
Нефтеперерабатывающие заводы 441 95 - -
Мясоконсервные производства 1400 85,6 1225 67,3
Бумажные фабрики 1180 97,5 210 62,6
Производство растительного масла 890 94,8 3048 91,6
Консервирование фруктов и овощей 1350 80 790 60,0
Мыловаренные заводы 392 91,5 309 91,6
Клееваренные заводы 542 94,3 1822 91,8
Бытовые СВ (населенные места, предв. очистка) 252 69 325 49,2
Кожевенные заводы 3790 95 2000 60
Фабрики первичной обработки шерсти 5600 98,5 11710 80
Меховые фабрики 1985 88,5 4300 63,9
Заводы технических кож 600 85 - -
Заводы искусственного волокна 416 96 527 50
Практика показывает, что степень флотационной очистки СВ от нерастворимых примесей и взвешенных веществ часто достигает 90-98% при времени флотации 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.
Поскольку, как отмечено, универсального способа очистки одновременно от всех вредных веществ не существует, технологические схемы очистки СВ включают, как правило, несколько технологических операций.
На рисунке приведена прогрессивная технологическая схема очистки нефтесодержащих СВ, включающая операцию флотации.
СВ
1
Процеживание
(решетки)
Примеси
у
Отстаивание
(на технологическое (на захоронение)
использование)
Рисунок - Технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод
В заключение можно сделать следующие выводы.
1. Отмечена актуальность и важность предотвращения загрязнения водных объектов, как источников пресной воды.
2. Приведены укрупненные характеристики СВ и дана классификация методов их очистки.
3. Показано, что для повышения эффективности очистки СВ извлечение из них ценных компонентов (в т.ч. растворимых) целесообразно использовать методы флотации.
Литература
1. Каширская, Т. А. Очистка сточных вод без очистных сооружений // Экология производства. - 2010. - № 5. - С. 85-87.
2. Технологические аспекты охраны окружающей среды // ВИНИТИ. - 2010. -№№1-12.
3. 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. -91 с.
4. Каракеян, В.И., Кольцов, В.Б. Процессы и аппараты зашиты окружающей среды. Ч. 1. Процессы и аппараты защиты атмосферы. - М.,2007. - 124 с.
5. Сумм, Б.Д., Горюнов, Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. - М.: Химия, 1976. - 230 с.
ON IMPROVING THE ECO-EFFICIENCY OF WASTEWATER TREATMENT TECHNOLOGIES
Shubov Lazar' Iakovlevich, Doctor of Engineering, Professor, Associate Expert of the RF Association of Environmental Management, Resource Conservation and Waste Management Research Center, Moscow Russia, bgdtf@rambler.ru,
Borisova Oksana Nikolaevna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Physical Culture and Vital Functions Safety, Russian State University of Tourism
and Service, Moscow, Russia, bgdtf@rambler.ru,
Doronkina Irina Gennad'evna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Physical Culture and Vital Functions Safety, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, dora1096@yandex.ru
The article highlights the hazardous impact of waste on the environment; emphasizes the expediency of introducing engineering protection and vital functions safety procedures into the
CTp. 162 H3 210
overall process of environmental protection; prioritizes the prevention of fresh water supplies pollution through adequate wastewater treatment.
The authors provide classificatory characteristics of wastewater and propose a classification of wastewater treatment methods. The authors claim that treatment eco-efficiency may be related to flotation technology application.
Key words: waste, engineering protection of the environment, wastewater, flotation.
References
1. Kashirskaia, T.A. Ochistka stochnykh vod bez ochistnykh sooruzhenii [Wastewater Treatment in the Absence of Wastewater Treatment Facilities]. Ekologiia proizvodstva [The Ecology of Manufacturing]. - 2010. - № 5. - pp. 85-87.
2. Tekhnologicheskie aspekty okhrany okruzhaiushchei sredy [Technologica aspects of environment protection]. VINITI [All-Russian Institute of Scientific and Technical Information of the Russian Academy of Sciences].. - 2010. - №№1-12.
3. Ivankov, S.I., Zhosan, V.A., & Ivankov, R.S. Sovremennye sposoby ochistki i utilizatsii stochnykh vod i ikh osadkov na osnove zapatentovannykh tekhnicheskikh reshenii [Modern patented-knowledge-based approaches to wastewater and wastewater sludge treatment and disposal]. Nauchnye i technicheskie aspekty okhrany okruzhaiushchei sredy [Scientific and technical aspects of environmental protection]. -2007. - № 2. - p.91.
4. Karakeian, V.I., & Kol'tsov, V.B. Protsessy i apparaty zashchity okruzhaiushchei sredy [The Procedures and Protective Apparatus of Environmental Protection]. Ch.1 Protsessy i apparaty zashchity atmosfery [Part 1. The Procedures and Apparatus of the Protection of the Atmosphere]. - Moscow, 2007. - p.124.
5. Summ, B.D., & Goriunov, Iu.V. Fiziko-khimicheskie osnovy smachivaniia i rastekaniia [The Physicochemical Basics of Wetting and Spreading]. Moscow: Khimiia [Chemistry] Publ., 1976. - p.230.
