Методы очистки сточных вод

Эффективная очистка стоков имеет решающее значение для предотвращения загрязнения окружающей среды. Она позволяет вернуть воду обратно в природные экосистемы или повторно использовать для хозяйственных нужд, снижая нагрузку на природные водные ресурсы.

Сточные воды — это жидкие отходы, образующиеся в результате различных видов человеческой деятельности: бытовой, промышленной и сельскохозяйственной. Это сложная смесь из органических и неорганических загрязнений. Органические вещества способствуют развитию патогенных микроорганизмов и вызывают дефицит кислорода в водоемах, что негативно сказывается на водной флоре и фауне. К неорганическим веществам относятся тяжелые металлы, соли, кислоты и другие химические соединения, которые могут накапливаться в живых организмах, вызывая токсическое отравление и нарушения жизненных процессов.

Без надлежащей очистки стоки могут нанести серьезный вред экосистемам: привести к избыточному росту водорослей, загрязнению почвы, а также к гибели животных и растений. Содержащиеся в них патогенные микроорганизмы, вирусы и паразиты могут стать источником инфекционных заболеваний, представляя угрозу для здоровья людей.

Цель данной статьи — познакомить читателей с основными методами очистки сточных вод, которые применяются на коммунальных и промышленных очистных сооружениях.

Методы очистки сточных вод можно разделить на несколько категорий в зависимости от их назначения и механизма действия. Каждая из них направлена на удаление определенных типов загрязнений и играет важную роль в комплексной системе очистки.

Рассмотрим более подробно основные методы:

Механические — используются на начальных этапах очистки и позволяют удалять из воды твердые частицы и крупные загрязнения. Это базовая стадия, которая подготавливает сточные воды к последующим, более сложным этапам очистки. На этом этапе удаляется до 50% взвешенных веществ и до 30% органических загрязнений.
Биологические — направлены на разложение органических веществ с помощью микроорганизмов. Они используются для удаления растворенных органических соединений и включают два основных типа процессов — аэробные и анаэробные. Позволяют значительно снизить содержание органических веществ и токсичных соединений, обеспечивая более эффективную последующую физико-химическую обработку.
Физико-химические — применяются для изменения химических свойств загрязнений и их последующего удаления. На этом этапе устраняют специфические соединения, которые невозможно удалить механическим или биологическим путем. Метод позволяет достигать высокой степени очистки сточных вод.
Дезинфекция сточных вод — уничтожение патогенных микроорганизмов для предотвращения распространения инфекций. Это обязательная заключительная стадия очистки стоков, которая обеспечивает их безопасность для экосистем и людей перед сбросом в водоемы или повторным использованием

Механические методы очистки — первая и основная стадия обработки. Они направлены на удаление твердых частиц, жиров, песка и других нерастворимых примесей, чтобы подготовить стоки для дальнейших, более сложных процессов очистки. Основные технологии включают использование решеток и сит, песколовок и нефтеуловителей. Рассмотрим каждую из них подробнее.

Решетки и сита являются первыми барьерами на пути сточных вод и предназначены для удержания крупных механических загрязнений. Их применение необходимо для защиты насосов, трубопроводов и оборудования на последующих этапах очистки от повреждений и засоров.

Основные виды решеток:

Грубые решетки — имеют большие размеры ячеек (от 25 до 100 мм) и используются для удаления крупных объектов: пластиковые бутылки, тряпки, древесина и другие твердые отходы. Они устанавливаются на начальной стадии очистки.
Средние и мелкие — имеют размеры ячеек от 5 до 25 мм и используются для удаления более мелких включений: листья, бумага и мелкий мусор. Они часто применяются после грубых решеток для дополнительной фильтрации сточных вод.
Сита — с более мелкими отверстиями (до 3 мм) и используются для удаления мелких частиц: песок, мелкие камни и органические остатки. Они обеспечивают высокую степень фильтрации и уменьшают нагрузку на последующие стадии очистки.

Песколовки — это устройства, предназначенные для удаления из сточных вод тяжелых минеральных включений: песок, гравий и мелкие камни.

Песколовки работают на основе принципа гравитационного осаждения: сточные воды замедляются, и тяжелые частицы под действием силы тяжести оседают на дно резервуара. Далее осадок удаляется механическими средствами, например, шнеками или насосами.

Основные типы песколовок:

Горизонтальные — длинные горизонтальные резервуары, где сточные воды движутся медленно вдоль корпуса, что позволяет частицам оседать на дно. Они эффективны для очистки больших объемов воды и часто используются на крупных очистных сооружениях.
Вихревые — вода движется по спирали, создавая центробежную силу, которая способствует осаждению тяжелых частиц на дно. Этот тип очистного оборудования компактен и эффективен для удаления мелких частиц.
Аэрируемые — дополнительная подача воздуха помогает отделить жиры и масла, поднимая их на поверхность для дальнейшего удаления. Они обеспечивают комплексное удаление как песка, так и жировых загрязнений.

Нефтеуловители предназначены для удаления из сточных вод нефтепродуктов и жиров, которые имеют меньшую плотность, чем у воды, и всплывают на поверхность. Удалять эти вещества важно, так как они не растворяются в воде и могут создать пленку на ее поверхности, препятствуя процессам аэробного разложения и нарушая работу биологических очистных сооружений.

В нефтеуловителях стоки медленно перемещаются по резервуару, что позволяет масляным и нефтяным пленкам всплыть на поверхность. Для их удаления используются специальные устройства, которые собирают пленку с поверхности.

Основные типы нефтеуловителей:

Горизонтальные — резервуары, где происходит отделение нефтепродуктов и жиров от воды. Жиры и масла всплывают на поверхность, а осадок накапливается на дне. Оборудование этого типа часто используют на промышленных предприятиях, где высокое содержание нефтепродуктов в сточных водах.
Коалесцентные — в этих устройствах используется специальный фильтрующий материал, который способствует слиянию мелких капель нефтепродуктов в более крупные, что облегчает их удаление с поверхности воды. Они обеспечивают высокую степень очистки и могут применяться там, где необходимо удалить мелкодисперсные нефтепродукты.

Биологические методы очистки сточных вод являются важной стадией процесса водоочистки, направленной на удаление органических загрязнений и восстановление экологического баланса. На этой стадии используют микроорганизмы, которые разрушают органические вещества, превращая их в безопасные соединения: углекислый газ, метан и воду.

В зависимости от условий, в которых происходят процессы разложения, биологические методы делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробные методы очистки сточных вод основаны на использовании микроорганизмов, которые для своей жизнедеятельности нуждаются в кислороде. Они активно разлагают органические вещества, превращая их в безопасные соединения. На этой стадии применяются аэрационные станции, биофильтры и биологические пруды.

Аэрационные станции — это очистные сооружения, в которых происходит насыщение сточных вод кислородом для поддержания жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Основная задача этого очистного оборудования — создание условий для эффективного разложения органических веществ.

Принцип работы аэрационных станций:

Сточные воды поступают в аэрационный резервуар, где происходит их интенсивное перемешивание и насыщение кислородом.
Вода аэрируется с помощью специальных устройств — аэраторов, которые подают воздух через диффузоры, образуя мелкие пузырьки.
Аэробные микроорганизмы, находящиеся в активном иле, разлагают органические вещества на простые компоненты.
Осветленная вода отделяется от активного ила, который затем частично возвращается в систему для поддержания процесса очистки.

Биофильтры — системы, в которых сточные воды проходят через фильтрующий материал, покрытый биопленкой из микроорганизмов. Это бактерии, простейшие и грибки, которые разлагают органические вещества, содержащиеся в сточных водах.

Принцип работы биофильтров:

Сточные воды подаются на поверхность фильтрующего материала (гравий, щебень, пластиковые модули), на котором развивается биопленка.
Проходя через фильтр, вода контактирует с биопленкой, где происходит разложение органических веществ на простые компоненты.
Очищенная вода собирается в нижней части фильтра и направляется на дальнейшую обработку или сброс в водоем.

Биологические пруды — это искусственные или естественные водоемы, в которых происходит естественное самоочищение сточных вод. Этот метод часто применяется для доочистки бытовых и промышленных сточных вод после предварительной механической или биологической обработки.

Принцип работы биологических прудов:

Сточные воды поступают в пруд, где под действием солнечного света, кислорода и водных микроорганизмов происходит разложение органических веществ.
Водные растения (камыш, тростник, рогоз) способствуют насыщению воды кислородом и создают благоприятные условия для развития микроорганизмов.
Микроорганизмы разлагают органику, а водные растения и осадки абсорбируют оставшиеся загрязнения.

Анаэробные методы очистки сточных вод основаны на деятельности микроорганизмов, которые не нуждаются в кислороде. Они разлагают органические вещества в анаэробных условиях, превращая их в метан и углекислый газ. Для этой технологии применяются метантенки и анаэробные реакторы.

Метантенки — это герметичные резервуары, в которых происходит анаэробное разложение органических веществ. Они используются для переработки концентрированного осадка, поступающего из отстойников.

Принцип работы метантенков:

Сточные воды поступают в устройство, где происходит гидролиз — разрушение сложных органических молекул на простые. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревается и содержимое перемешивается.
В условиях отсутствия кислорода из органических веществ образуются жирные кислоты. При дальнейшем брожении — метан и углекислый газ.
Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку.
Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле оборудования.

Анаэробные биореакторы — более сложные системы, которые обеспечивают эффективное разложение органических веществ в условиях отсутствия кислорода. Они используются для очистки сточных вод с высоким содержанием органики и на промышленных предприятиях.

Принцип работы анаэробных биореакторов:

Сточные воды поступают в реактор, где проходят через слой биомассы, содержащий анаэробные микроорганизмы.
Происходит разложение органических веществ и образование метана и углекислого газа.
Очищенная вода отделяется от осадка и удаляется из системы, а образующийся биогаз собирается для использования.

Физико-химические методы очистки сточных вод играют ключевую роль в удалении растворенных загрязнений и изменении химического состава стоков, чтобы сделать их безопасными для окружающей среды. Эти методы широко применяются на различных стадиях водоочистки, особенно когда механическая и биологическая очистка не могут обеспечить необходимое качество воды.

Рассмотрим основные физико-химические методы очистки: аэрацию, флотацию, сорбцию, ионообменную очистку и нейтрализацию.

Аэрация — это процесс насыщения сточных вод кислородом для удаления растворенных газов и летучих веществ, а также для окисления органических и неорганических загрязнений. Это важный этап подготовки сточных вод к биологической очистке, который помогает предотвратить образование сероводорода, аммиака и других токсичных соединений.

Принцип аэрации:

Вода насыщается кислородом с помощью специальных устройств — аэраторов, которые подают воздух через диффузоры или механические мешалки.
Кислород вступает в реакцию с растворенными веществами: железо, марганец и органические соединения, превращая их в нерастворимые формы, которые можно легко удалить.
Аэрация также помогает снизить концентрацию углекислого газа и летучих органических соединений.

Флотация — удаление взвешенных частиц и жиров из сточных вод с помощью мелких пузырьков воздуха, которые поднимают загрязнения на поверхность, образуя пену. Этот метод особенно эффективен для очистки сточных вод от жиров, масел и мелкодисперсных частиц, которые трудно удалить механическим путем.

Принцип флотации:

В сточные воды вводятся мелкие пузырьки воздуха, которые прилипают к частицам загрязнений, образуя агрегаты с меньшей плотностью.
Загрязнения всплывают на поверхность и образуют пену, которая удаляется специальными скребками или переливом.
Очищенная вода отделяется от пены и направляется на дальнейшую обработку.

Типы флотации:

Напорная — воздух вводится в воду под давлением, а затем давление резко снижается, что приводит к появлению мелких пузырьков. Этот метод эффективен для удаления нефтепродуктов и жиров.
Электрофлотация — используется электрический ток для создания пузырьков газа, которые поднимают загрязнения на поверхность. Применяется для очистки сточных вод от тяжелых металлов и органических соединений.
Химическая — добавление флотационных реагентов (коагулянтов и флокулянтов) улучшает связывание загрязнений с пузырьками воздуха. Метод применяется для очистки воды от мелких частиц и эмульсий.

Сорбция — процесс удаления растворенных соединений с помощью сорбентов, которые поглощают загрязняющие вещества из воды. Она эффективна для удаления органических соединений, тяжелых металлов и красителей. В качестве сорбентов часто используются активированный уголь, цеолиты, силикагели и полимерные материалы.

Принцип сорбции:

Загрязненные сточные воды проходят через слой сорбента, который поглощает растворенные вещества.
Сорбент улавливает и связывает загрязнения на своей поверхности или внутри своей структуры.
После насыщения сорбент заменяется или регенерируется, а очищенная вода направляется на дальнейшую обработку.

Типы сорбентов:

Активированный уголь. Обладает высокой пористостью и адсорбционной способностью, используется для удаления органических соединений и хлорорганики.
Цеолиты. Природные или синтетические материалы с высокой ионообменной способностью, эффективны для удаления аммония и тяжелых металлов.
Ионообменные смолы. Полимерные материалы, которые связывают ионы металлов и других загрязнений, заменяя их на безопасные ионы (например, натрий или водород).

Ионообменная очистка основана на замене вредных ионов в сточных водах на безопасные, содержащиеся в ионообменных смолах. Этот метод широко применяется для удаления ионов тяжелых металлов, нитратов, фосфатов и других растворенных соединений.

Принцип ионообменной очистки:

Сточные воды проходят через колонну, заполненную ионообменной смолой, содержащей безопасные ионы, например, натрий или водород.
Вредные ионы (свинец, кадмий, хром) замещаются на безопасные из смолы.
Смола насыщается вредными ионами. Ее регенерация проводится периодически с помощью растворов, восстанавливающих исходное состояние смолы.

Типы ионообменных смол:

Катиониты. Используются для удаления положительных ионов (например, кальция, магния, железа).
Аниониты. Применяются для удаления отрицательных ионов (например, хлоридов, сульфатов, нитратов).

Нейтрализация — это процесс регулирования кислотно-щелочного баланса (pH) сточных вод для их приведения к безопасным значениям перед сбросом в окружающую среду или дальнейшей очисткой.

Принцип нейтрализации:

В сточные воды добавляются кислоты или щелочи для изменения pH до нейтрального уровня (около 7).
Кислые сточные воды нейтрализуются щелочами (например, гидроксидом натрия), а щелочные воды — кислотами (например, серной или соляной кислотой).
После нейтрализации образуются соли, которые легко удаляются из сточных вод.

Дезинфекция сточных вод — это завершающий этап очистки, направленный на уничтожение патогенных микроорганизмов: бактерии, вирусы и паразиты. Основная его цель — обеспечить безопасность воды перед сбросом в природные водоемы или повторным использованием.

Существует несколько методов дезинфекции, наиболее распространенными из которых являются хлорирование и озонирование.

Хлорирование — один из наиболее широко применяемых методов дезинфекции сточных вод. Он заключается в использовании хлора или его соединений для уничтожения патогенных микроорганизмов. Впервые был применен в начале XX века и с тех пор зарекомендовал себя как эффективное и относительно дешевое средство дезинфекции.

Принцип хлорирования:

Хлор (Cl₂) или его соединения — гипохлорит натрия (NaOCl) или гипохлорит кальция (Ca(OCl)₂), вводятся в сточные воды.
В воде хлор реагирует с органическими и неорганическими веществами, образуя хлорноватистую кислоту (HOCl), которая является активным дезинфицирующим агентом.
Хлорноватистая кислота разрушает клеточные мембраны микроорганизмов и нарушает их метаболические процессы, что приводит к их гибели.

Хлорирование применяется на коммунальных очистных сооружениях, в промышленных системах водоочистки и водоподготовки, а также в аварийных ситуациях для быстрой дезинфекции воды. Метод эффективно используется для обеззараживания как бытовых, так и промышленных сточных вод перед их сбросом в природные водоемы или повторным использованием.

Озонирование — это метод дезинфекции сточных вод, использующий озон (O₃), который является мощным окислителем и дезинфицирующим агентом. Озон обладает сильным антимикробным действием и способен уничтожать микроорганизмы, разрушая их клеточные стенки и ДНК.

Принцип озонирования:

Озон производится на месте с помощью озонаторов, в которых кислород (O₂) пропускается через электрический разряд, превращаясь в озон (O₃).
Газ вводится в сточные воды в виде пузырьков, где он уничтожает микроорганизмы, вступает в реакцию с органическими и неорганическими веществами, разрушая их и образуя безвредные продукты (например, кислород и воду).
Озон быстро распадается, не оставляя вредных остатков в воде.

Озонирование широко используется для дезинфекции питьевой воды, очистки сточных вод в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, а также для обработки бассейнов и аквапарков. Метод особенно эффективен, когда требуется высокая степень дезинфекции без образования вредных побочных продуктов.

Выбор метода очистки сточных вод зависит от множества факторов, которые определяют эффективность процесса и его экономическую целесообразность. Основными из них являются состав сточных вод, их объемы, требуемая степень очистки. Рассмотрим наиболее значимые параметры, которые влияют на принятие решений при проектировании и эксплуатации систем водоочистки.

Состав сточных вод — это ключевой фактор, определяющий выбор метода очистки. Воды могут быть загрязнены различными веществами, включая органические и неорганические соединения, тяжелые металлы, нефтепродукты, микроорганизмы и токсичные химические вещества.

В зависимости от типа и концентрации загрязнений подбираются соответствующие методы очистки:

Органические загрязнения. Для удаления органических веществ: жиры, масла, углеводы и белки, обычно применяются биологические методы очистки (аэрационные станции, биофильтры) и физико-химические методы (сорбция, флотация). Высокая концентрация органики требует применения анаэробных методов (метантенки, анаэробные биореакторы).
Неорганические. Для удаления неорганических веществ: соли, кислоты, тяжелые металлы, используются физико-химические методы — коагуляция, ионообменная очистка и обратный осмос. Присутствие в воде токсичных соединений (цианиды или хроматы) требует применения специализированных методов нейтрализации и осаждения.
Жиры и нефтепродукты. Для их удаления используются нефтеуловители, флотация и коагуляция. Важно учитывать, что присутствие жиров и масел может снизить эффективность биологических методов очистки и вызвать засорение оборудования.
Микробиологическое загрязнение. Для уничтожения патогенных микроорганизмов применяются методы дезинфекции — хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое облучение.

Количество сточных вод напрямую влияет на выбор технологии очистки и масштабы очистных сооружений.

Для небольших предприятий или частных домов подходят компактные очистные установки — септики, биологические пруды и компактные аэрационные системы. Эти методы требуют минимальных эксплуатационных затрат и просты в обслуживании.

Для городских коммунальных систем и небольших промышленных объектов применяются стандартные аэрационные станции, песколовки, биофильтры и системы ионообменной очистки. Они обеспечивают эффективную очистку при умеренных эксплуатационных затратах.

Для крупных промышленных предприятий и мегаполисов используются высокопроизводительные комбинированные системы очистки, включающие механические, биологические и физико-химические методы. Эти системы требуют значительных капиталовложений и регулярного обслуживания, но обеспечивают высокую степень очистки даже при значительных объемах сточных вод.

Необходимая степень очистки определяется нормативными требованиями к качеству воды, которая должна быть сброшена в водоёмы или использована повторно. В разных отраслях и регионах существуют различные стандарты качества воды, устанавливающие предельные значения концентрации загрязняющих веществ.

Вблизи водоемов с высокой экологической ценностью или вблизи мест с повышенной рекреационной нагрузкой требуется более высокая степень очистки и минимизация сброса вредных веществ.

В районах с высоким уровнем грунтовых вод необходимо учитывать риск их загрязнения сточными водами, что требует применения дополнительных мер.

Очистка сточных вод — это сложный и многоэтапный процесс, включающий использование различных технологий и подходов. Правильный выбор методов очистки позволяет эффективно защитить окружающую среду и здоровье людей. В условиях роста населения и развития промышленности необходимо разрабатывать и применять инновационные методы, которые обеспечивают высокое качество очистки сточных вод и сводят к минимуму их негативное влияние на экосистемы.

Методы очистки сточных вод

Классификация методов очистки

Механические методы очистки стоков

Решетки и сита

Песколовки

Принцип работы песколовок

Нефтеуловители

Принцип работы нефтеуловителей

Биологические методы очистки

Аэробные методы

Аэрационные станции

Биофильтры

Биологические пруды

Анаэробные методы

Метантенки

Анаэробные биореакторы

Физико-химические методы очистки

Аэрация

Флотация

Сорбция

Ионообменная очистка

Нейтрализация

Дезинфекция сточных вод

Хлорирование

Озонирование

Факторы, влияющие на выбор метода очистки стоков

Состав сточных вод

Объемы сточных вод

Экологические требования и условия

Заключение