Основные промышленные методы очистки сточных вод: традиционные и инновационные подходы

Сегодня практически каждая сфера человеческой деятельности неизбежно связана с потреблением природных ресурсов для производственных или бытовых нужд. Одним из самых востребованных является вода, которая используется на всех стадиях жизненного цикла большинства товаров, а также в повседневной жизни и сельском хозяйстве. Забор воды и ее дальнейшее использование изменяют ее химические и физические характеристики, что связано с загрязнением различными веществами и соединениями.

Сточные воды: определение и виды

Согласно Водному кодексу Российской Федерации, сточными признаются все воды, которые сбрасываются в водные объекты после их предварительного использования или сток с водосборных площадей.

Необходимость очистки сточных вод регулируется законодательством РФ, в том числе Федеральным законом № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», который требует соблюдения принципа минимизации негативного воздействия на природу при осуществлении хозяйственной или иной деятельности. Это достигается через применение наилучших доступных технологий и соблюдение нормативных уровней загрязняющих веществ.

Качество и объем сточных вод, подлежащих сбросу, регулируются различными законодательными актами в зависимости от их источника и места сброса. Основные правила водоотведения изложены в Федеральном законе № 416 от 07.12.2011 «О водоснабжении и водоотведении». Если сточные воды сбрасываются в централизованную систему водоотведения, необходимо руководствоваться Постановлением Правительства РФ от 29.07.2013 г. № 644, а при сбросе в водоем — Приказом Министерства сельского хозяйства РФ от 13.12.2016 № 552. Также для очистки сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения в населенных пунктах или городских округах следует соблюдать Постановление Правительства РФ от 15 сентября 2020 г. № 1430.

Правильное внедрение и эксплуатация очистных сооружений, соответствующих принципам наилучших доступных технологий для очистки сточных вод, обеспечивает достижение нормативных уровней загрязняющих веществ, что помогает минимизировать негативное воздействие на водные экосистемы и избежать дополнительных расходов на штрафы за превышение концентраций.

В данной статье рассмотрены основные методы и технологии очистки сточных вод, каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения, а также различные условия применения.

Методы очистки: общие принципы и классификация

При разработке технологических схем очистки сточных вод необходимо придерживаться принципа минимизации эксплуатационных и капитальных затрат, что достигается за счет сокращения потребления энергии, реагентов и объема строящихся объектов при максимальной эффективности очистки. Выбор метода очистки должен быть индивидуальным, с учетом детального анализа исходных данных, результатов проектных исследований и опыта проектировщика.

Сегодня существует множество вариантов технологий очистки сточных вод, разработанных различными проектными институтами и организациями. Тем не менее почти все они основаны на нескольких основных методах:

• физическом;
• химическом;
• физико-химическом;
• биологическом.

Важно отметить, что один и тот же метод может применяться как на этапе предварительной очистки, так и на стадии финальной доочистки. Поэтому последовательность методов варьируется в зависимости от специфики исходных сточных вод и определяется проектной организацией на основе индивидуальных условий. Однако общая логика — от грубых и легко удаляемых примесей к более сложным коллоидным и растворенным частицам — сохраняется в большинстве решений.

Физические методы

Как следует из названия, физические методы очистки сточных вод основаны на использовании различных физических процессов, таких как механические, тепловые, электромагнитные, ультразвуковые и другие, для удаления загрязнителей. Они являются универсальными, так как могут быть применены для удаления различных типов загрязнений на разных этапах очистки воды, благодаря многофункциональности принципа их действия.

На начальном этапе очистки обычно используется механический метод, предназначенный для удаления крупных частиц мусора и грубых нерастворимых примесей с положительной или отрицательной плавучестью, размер которых может достигать до 1 мкм.

К более сложным и завершающим физическим методам очистки относятся:

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

Химические методы

Химические методы очистки основываются на применении различных реагентов, которые инициируют химические реакции при взаимодействии с загрязняющими веществами в воде. Эти процессы могут использоваться на разных стадиях очистки как основные, так и вспомогательные этапы, в зависимости от поставленных задач. Эффективность применения химических веществ зависит от конкретной цели, которая ставится перед каждым из них.

Основные химические методы очистки включают:

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

Стоит отметить, что многие из этих методов часто используются в сочетании с физическими процессами, что позволяет отнести их к физико-химическим методам, когда они применяются в комбинированной форме для достижения оптимального результата.

Физико-химические методы

Эти методы очистки сточных вод основаны на сочетании химических и физических процессов, что позволяет эффективно разрушать или отделять загрязняющие вещества. Процесс очистки может включать следующие технологии:

• электрохимическая обработка;
• ионный обмен;
• обезвоживание осадков с добавлением флокулянтов;
• сорбционная очистка;
• напорная реагентная флотация;
• усовершенствованные окислительные процессы (AOPs).

Представленные методы обеспечивают высокий уровень очистки, однако они требуют значительных эксплуатационных затрат на электроэнергию и реагенты. Физико-химические методы широко используются для очистки сточных вод разных типов, но особенно эффективны при очистке производственных вод, так как они более устойчивы к изменяющимся составу и количеству загрязнителей.

Биологические методы

Биологические методы очистки сточных вод основаны на способности микроорганизмов окислять органические вещества, присутствующие в воде. Эти микроорганизмы живут в очистных сооружениях, образуя колонии или флоки.

В зависимости от технологии колонии микроорганизмов могут фиксироваться на поверхности специальных материалов или оставаться в иммобилизованном состоянии, формируя активный ил. Он обладает свойством сорбировать различные загрязнители на своей поверхности. Активный ил, размер флоков которого варьируется от 10 мкм до 1 мм, эффективно очищает воду на вторичных отстойниках или через фильтрацию (технология МБР).

Процесс очистки заключается в следующем: когда микроорганизмы активного ила контактируют с углеродсодержащими органическими соединениями в аэробных условиях, происходят следующие реакции:

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

Механизм очистки начинается с того, что на флоках активного ила адсорбируются коллоидные частицы и высокомолекулярные вещества. Микроорганизмы на этих флоках выделяют ферменты, что делает процесс ферментативным. Эти ферменты действуют как катализаторы, расщепляя сложные молекулы на более простые, которые затем проходят через клеточную мембрану и участвуют в дальнейших ферментативных реакциях внутри клетки.

Сегодня существует множество различных схем биологической очистки сточных вод, каждая из которых может быть адаптирована под конкретные условия. Рассмотрим несколько распространенных методов.

• Аэробная биологическая очистка. Этот метод основывается на микроорганизмах, которые используют кислород для окисления органических загрязнителей. Ключевым фактором является поддержание концентрации растворенного кислорода в воде на уровне не ниже 0,6 мг/л. Важно также, чтобы внутри хлопьев, образующихся при слипании микроорганизмов, уровень кислорода в иловой смеси был в пределах 1,0–1,3 мг/л. Если кислорода недостаточно, в хлопьях создаются анаэробные условия, что снижает эффективность очистки и может привести к гибели аэробных микроорганизмов.
• Анаэробная биологическая очистка. В данном методе используются микроорганизмы, которые не требуют кислорода. Окисление загрязнителей происходит через ферментацию, в результате чего образуется метан, который можно использовать в качестве топлива.
• Биофильтрация. Микроорганизмы в этом методе прикрепляются к поверхности фильтрующего материала, что позволяет эффективно удалять загрязняющие вещества из сточных вод.

Комбинирование различных методов биологической очистки и создание оптимальных условий на каждом этапе позволяет достичь необходимого качества воды по таким показателям, как взвешенные вещества, ХПК (химическое потребление кислорода), БПК (биохимическое потребление кислорода), общие и аммонийные азоты, фосфаты.

Комбинированные методы очистки

На практике для достижения нормативных показателей концентраций загрязняющих веществ часто применяется сочетание различных методов и технологий. Технологические схемы очистки обычно включают несколько блоков, каждый из которых выполняет свою задачу:

• Блок предварительной механической очистки — удаление крупных загрязнителей.
• Блок основной очистки — основное удаление загрязняющих веществ.
• Блок доочистки — финишная очистка для достижения требуемых параметров.
• Блок обработки осадков — в случае необходимости обработка осадков для их обезвреживания.
• Блок приготовления и дозирования реагентов — добавление химических веществ для улучшения очистки.

В конце стоит подчеркнуть, что для очистки одинаковых или схожих по составу сточных вод могут быть использованы различные комбинации методов и технологий, адаптированные под конкретные условия.

При выборе оптимальных технологий очистки важнейшими критериями становятся их эффективность, потребление электроэнергии и реагентов, сложность эксплуатации и обслуживания, а также стоимость реализации и уровень автономности системы. Разработка технологического решения, которое отвечает всем этим требованиям, должна основываться на индивидуальном подходе, включая тщательное исследование исходных данных и результатов проектно-изыскательских работ для каждого конкретного случая.