Методы очистки сточных вод

На сегодняшний день практически любая деятельность человека тесно связана с использованием природных ресурсов для производственных или бытовых нужд. Одним из наиболее потребляемых ресурсов является вода, используемая на всех этапах жизненного цикла большинства производимых товаров, а также в быту и сельском хозяйстве. Водозабор и последующее использование чистой воды сопровождается изменением ее химических и физических свойств, что связано с загрязнением различными веществами и соединениями.

Согласно Водному кодексу Российской Федерации, сточными водами являются все воды, сброс в водные объекты которых осуществляется после их предварительного использования или сток которых осуществляется с водосборной площади.

Необходимость очистки сточных вод регламентируется в соответствии с законодательной базой Российской Федерации, а именно: Федеральным законом № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», согласно которому, при осуществлении хозяйственной или иной деятельности, необходимо соблюдать принцип минимизации негативного воздействия на окружающую среду посредством использования наилучших доступных технологий и соблюдения нормативных концентраций загрязняющих веществ.

Качество и количество сбрасываемых сточных вод нормируется различными законодательными актами, в зависимости от их происхождения и места сброса. Общие положения и правила при осуществлении водоотведении обозначены в Федеральном законе №416 от 07.12.2011 “О водоснабжении и водоотведении”. При отведении стоков в централизованную систему водоотведения следует руководствоваться положениями постановления Правительства РФ от 29.07.2013 г. №644, а при отведении непосредственно в водный объект - приказом Министерства сельского хозяйства РФ от 13.12.2016 №552. При очистке сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений или городских округов следует соблюдать Постановление Правительства РФ от 15 сентября 2020 г. № 1430.

Внедрение и корректная эксплуатация грамотно спроектированных очистных сооружений, соблюдающих положения наилучших доступных технологий в области очистки сточных вод, позволяет обеспечивать достижение нормативных показателей концентраций загрязняющих веществ, что не только снижает негативное воздействие на водные экосистемы, но и позволяет избегать регулярные платы за превышения концентраций веществ.

В настоящей статье рассмотрены основные методы и технологии очистки сточных вод, каждые из которых имеют свои преимущества и недостатки, а также различные условия эксплуатации.

При разработке технологических схем очистки сточных вод любого типа необходимо соблюдать принцип минимизации эксплуатационных и капитальных затрат, за счет сокращения потребляемых энергоресурсов, реагентов и объема возводимых сооружений при одновременном достижении максимального эффекта очистки. Выбор метода очистки должен основываться на индивидуальном подходе в каждом конкретном случае: детальном изучении исходных данных, результатах проектно-изыскательских работ, опыте и компетентности технолога-проектировщика.

К сегодняшнему дню, разработано множество вариаций технологий очистки сточных вод различными проектными институтами и организациями. Однако почти все из них основываются на следующих базовых методах:

• физических;
• химических;
• физико-химических;
• биологических.

Стоит отметить, что один и тот же метод может быть применен как в целях предварительной очистки, так и на этапе финишной доочистки, поэтому последовательность методов на практике сильно разнится и определяется проектной организацией в индивидуальном порядке в зависимости от специфики исходного стока. Однако общая логика последовательности извлечения примесей от наиболее грубодисперсных и легкоудаляемых (с точки зрения времени и затрат) к коллоидным и растворенным частицам сохраняется в большинстве технологических решений.

Как можно судить из названия, физические методы очистки сточных вод основываются на механических, тепловых, электромагнитных, ультразвуковых и других физических процессах для удаления загрязняющих веществ. Методы данной группы являются универсальными и благодаря разностороннему принципу действия применяются для удаления различных фракций загрязнений практически на всех стадиях очистки сточных вод.

В качестве предварительной стадии обычно применяют механическую очистку сточных вод, предназначенную для удаления крупногабаритного мусора и наиболее грубодисперсных нерастворимых примесей с отрицательной или положительной плавучестью с диаметром частицы до 1 мкм.

К основным и финишным физическим методам очистки относятся следующие процессы:

• флотация;
• фильтрация;
• баромембранные процессы;
• сорбция;
• термическая обработка;
• ультрафиолетовое обеззараживание.

Химические методы очистки основаны на применении реактивов и реагентов, вызывающих протекание химических реакций при их взаимодействии с загрязняющими компонентами системы и/или водой. Процессы, основанные на данном методе, могут быть использованы на различных стадиях очистки сточных вод в качестве основных или вспомогательных этапов очистки. Эффект от применения реагентов напрямую зависит от поставленной перед ними задачи. 

К данным методам относят:

• нейтрализацию и pH-коррекцию;
• коагуляцию и флокуляцию;
• реагентное окисление;
• реагентное восстановление;
• обеззараживание.

Также, стоит отметить, что данные методы зачастую тесно связаны с протекающими физическими процессами и могут быть отнесены к физико-химическим методам в случае комбинированного воздействия.

Данные способы очистки сточных вод основаны на комбинированном применении химических и физических процессов, благодаря чему осуществляется деструкция или сепарация загрязняющих компонентов. Процесс очистки сточных вод может осуществляться благодаря:

• электрохимической обработке;
• ионному обмену;
• обезвоживанию осадка с добавлением флокулянта;
• сорбционной очистки;
• напорной реагентной флотации;
• усовершенствованным окислительным процессам (AOPs).

Представленные технологии обеспечивают высокую степень очистки, но требуют значительный эксплуатационных затрат на электроэнергию и реагенты. Физико-химические методы широко распространены и применяются для очистки сточных вод всех типов, однако наиболее рациональным является их использование при очистке производственных вод, благодаря их относительной резистентности к переменчивому составу и расходу.

Биологические методы очистки сточных вод основываются на окислительной способности микроорганизмов, пребывающих в очистных сооружениях в виде скоплений колоний.

В зависимости от используемой технологии, данные скопления образуются либо на поверхности специально вносимого материала и закрепляются на нем, либо пребывают в иммобилизованном состоянии, образуя флоки. Множество флоков и колоний простейших микроорганизмов образуют активных ил, который сорбирует на своей поверхности частицы различной природы. Вне зависимости от состояния, в котором пребывают колонии микроорганизмов, они способны окислять и потреблять органические соединения по ферментативному механизму для своего питания и деления.

Размер флоков активного ила колеблется от 10 мкм до 1 мм, что позволяет очищать от них воду на вторичных отстойниках или путем фильтрации (технология МБР).

На очистных сооружениях при контакте микроорганизмов активного ила с углеродосодержащими (органическими) соединениями в аэробных условиях происходят следующие процессы:

• окисление органических веществ;
• синтез биомассы;
• окисление клеточной биомассы.

Механизм процесса очистки сточных вод от органических соединений начинается с того, что на хлопки активного ила постепенно адсорбируются коллоидные частицы и высокомолекулярные соединения. Микроорганизмы активного ила, вступая с ними в контакт, начинают выделять пищеварительные ферменты энзимы, именно поэтому взаимодействие носит ферментативный характер. Выделяемые микроорганизмами ферменты являются избирательными катализаторами. После контакта органических соединений с энзимами начинается гидролитическое расщепление сложных молекул до более простых. Получившиеся в процессе распада низкомолекулярные соединения спокойно проходят через мембрану клетки и вступают в ферментативные реакции уже внутри ее.

На сегодняшний день разработано значительное количество различных вариаций схем на основе биологической очистки. Ниже представлены лишь некоторые из них.

1. Аэробная биологическая очистка: метод базируется на аэробных микроорганизмах, которые нуждаются в кислороде для своей жизнедеятельности. Важным условием для процесса аэробного окисления органических соединений является концентрация растворенного кислорода в воде не ниже 0,6 мг/л. Из-за того, что микроорганизмы слипаются в хлопки, аэробным бактериям внутри хлопка необходимо содержание кислорода в иловой смеси на уровне 1,0–1,3 мг/л, в противном случае внутри хлопка развиваются анаэробные условия, что приводит к ухудшению качества очистки и гибели аэробного микробного сообщества.
2. Анаэробная биологическая очистка: в этом методе используются микроорганизмы, которые не нуждаются в кислороде. Загрязнения разрушаются путем ферментации, и в результате образуется метан, который может быть использован в качестве топлива.
3. Биофильтрация: в этом методе микроорганизмы прикрепляются к поверхности фильтрующего материала.

Различные комбинации технологий биологической очистки, а также создание определенных условий на каждом из этапов, способны обеспечивать требуемое качество воды по основным показателям - взвешенные вещества, ХПК, БПК, азот общий, азот аммонийный, фосфор фосфатов.

На практике в большинстве случаев обеспечить соблюдение нормативных показателей концентраций загрязняющих веществ возможно лишь сочетанием разобранных методов, процессов и технологий.

Технологические схемы состоят из следующий блоков, каждый из которых выполняет свою функцию и имеет определенную направленность действия:

• блок предварительной механической очистки;
• блок основной очистки;
• блок доочистки;
• блок обработки осадка (по необходимости);
• блок приготовления и дозирования реагентов.

Рассмотрим более подробно комбинированную схему очистки на примере станции очистки канализационных сточных вод ДекаПроф.

1. Сточные воды от самотечной хозяйственно-бытовой канализации поступают в канализационную насосную станцию, где при помощи канальной дробилки происходит измельчение крупногабаритного мусора.
2. Далее воды насосами подачи напорно подаются на вертикальную шнековую решетку в результате чего происходит задержание компонентов системы с диаметром частиц более 6 мм.
3. Затем воды поступают на горизонтальную песколовку, где извлекаются крупные минеральные и органические примеси диаметром до 0,5 мм.
4. Заключительным этапом механической очистки является барабанное сито с прозорами до 0,1 мм, где задерживаются частицы, не подвергшиеся седиментации в песколовке. Образующийся объем отходов удаляется в контейнеры для последующей утилизации на полигоне.
5. Затем предварительно подготовленные сточные воды подаются в двухсекционный резервуар-усреднитель, где происходит их частичное накопление и усреднение по составу и расходу. Данный этап необходим, для поддержания стабильной работы основного блока очистки.
6. Из двух усреднителей сточные воды насосами подаются в три секции аэротенков с предвключенной аноксидной зоной, за счет чего достигается процесс денитрификации (восстановления азотных соединений (нитритов и нитратов)) и, как следствие, снижение концентрации азота нитратов. Осаждению активного ила препятствуют установленные мешалки.
7. После зоны денитрификации воды самотеком поступают в аэротенк с установленной системой аэрации, за счет чего обеспечивается одновременный процесс окисления органических веществ (снижение ХПК и БПК) и нитрификации (восстановление аммиачного азота в нитриты и нитраты).
8. Возврат активного ила в зону денитрификации осуществляется погружными насосами. За счет дозирования коагулянта в возвратный поток активного ила достигается реагентное осаждение соединений фосфора. Избыточный активный ил поступает на оборудование обработки осадка, где при помощи дозирования флокулянта происходит его обезвоживание.
9. Отделенная иловая вода возвратным потоком поступает в усреднитель, а осадок удаляется в контейнер для последующей утилизации.

Заключительным этапом является пропускание вод через ультрафильтрационную мембрану, за счет чего происходит разделение очищенной воды и активного ила, а также повышение концентрации последнего в биореакторе.

Инактивация патогенных микроорганизмов осуществляется на установке обеззараживания путем ультрафиолетового излучения. Очищенные сточные воды поступают в резервуар очищенной воды, откуда часть воды расходуется на нужды станции, а остальная часть отправляется на выпуск в водный объект. 

В заключение, отметим, что для очистки одних и тех же сточных вод или сточных вод близких по составу и характеру поступления могут быть использованы различные сочетания и комбинации методов и технологий. 

Основными критериями при выборе технологий очистки является степень эффективности их работы, количество потребляемой электроэнергии и реагентов, сложность и стоимость эксплуатации и обслуживания, автономность и минимальная стоимость реализации. Разработка технологического решения, удовлетворяющего всем обозначенным критериям, должна основываться на индивидуальном подходе в каждом конкретном случае, включающем детальное изучение исходные данных и результатов проектно-изыскательских работ. 

Специалисты производственной компании Дека обладают всеми необходимыми компетенциями для реализации самых сложных проектов по очистке сточных вод.