Очистка промышленных сточных вод: методы, технологии, установки

Основной целью очистки сточных вод промышленных предприятий является снижение нагрузки на городские очистные сооружения и экономия средств и ресурсов самого предприятия. Согласно постановлению правительства РФ № 644 от 29.07.2013 г.: предприятия, не имеющие очистных сооружений должны выполнить их строительство до 1.01.2019 г. За последние 10-15 лет, компанией «МАЙ ПРОЕКТ» выполнено и реализовано более двух десятков локальных очистных сооружений в разных отраслях промышленности.

• Металлургии.
• Химической и нефтехимической промышленности.
• Целлюлозно-бумажной промышленности.
• Лёгкой промышленности.
• Нефтегазовой промышленности.

Технологии и методы очистки промышленных сточных вод

В зависимости от типа промышленности, состав сточных вод и методы их очистки могут сильно изменяться. Промышленные стоки в отличие от муниципальных сточных вод отличаются высокой неравномерностью притока и загрязненностью. В целом, сооружения для очистки сточных вод промышленных предприятий состоят из:

• Усреднения – для нормализации притока, как по расходу, так и по концентрации используются усреднители, которые могут быть оснащены системой перемешивания и/или аэрации.
• Механической очистки: в зависимости от типа промышленности, сточные воды могут содержать различные механические включения: от овощей и кофейных зерен, до бумажных волокон и кусков резины. Для каждого вида стока при проектировании сооружений подбирается необходимый узел механической очистки.
• Физико-химической очистки, которая обычно идет после механической очистки промышленных сточных вод и стоки содержат большое количество загрязнений в виде взвешенных и растворенных веществ. Задача физико-химической очистки удалить эти загрязнения с помощью флотации: процесса интенсификации адгезии между гидрофобными загрязняющими веществами. В результате очистки удержанные загрязнения выводятся из установки в виде осадков (флотопена, флотошлам), а очищенная вода поступает на следующий этап очистки.
• Применение биологической очистки как в случае и с городскими очистными сооружениями используется для очистки растворенных загрязнений с помощью активного ила в аэробных, анаэробных и аноксидных условиях.
• Доочистку при очистке производственных сточных вод обычно используют при повышенных требованиях очистки от взвешенных веществ и/или собственном сбросе в водоем.
• Обезвоживание осадков в технологии очистки промышленных сточных вод в отличии от городских сточных вод может иметь более широкое применение – так в частности на фермах разведения животных, обезвоживанию может также подвергаться продукты жизнедеятельности, а также на таких предприятиях широко используются установки сбраживания и компостирования, с помощью которых можно получить удобрение, биогаз и электроэнергию.
• Анаэробная очистка производственных сточных вод является специфичным видом очистки и рассчитана на стоки, которые богаты органическими вещества: в итоге получается не только очищенная вода, но и биогаз, который в последствие можно преобразовать в тепловую и/или электрическую энергию.

Помимо приведенных в разделе очистки городских сточных вод технологий, для очистки промышленных сточных вод разработан дополнительный блок решений:

• My DAF –технологии физико-химической и флотационной очистки;
• My AMI – анаэробные установки обработки производственных стоков.

Очистка сточных вод предприятий нефтехимической промышленности

Задержание нефтепродуктов. Процесс осуществляется с применением нефтеловушек с коалисцентными модулями.

Напорная флотация. Учитывая высокую концентрацию взвешенных веществ, масел и нефтепродуктов в воде, наиболее экономически выгодным процессом является предварительная флотация сточных вод с применением реагентов. Она позволяет удалять до 90-95% взвешенных веществ, масел и нефтепродуктов, тем самым снижая нагрузку на биологические очистные сооружения.

Биологическая очистка. Биологическая очистка может осуществляться как свободноплавающими организмами по запатентованной технологии LBR^®, так и прикрепленным биоценозом по технологии IBR^®. Выбор технологии осуществляется техническими специалистами ЭКОС Групп после анализа исходных данных по составу и объему.

Доочистка и обеззараживание. Доочистка осуществляется в две ступени, в первую очередь на фильтрах с синтетической загрузкой ЁРШ^®, а далее на автоматических дисковых фильтрах. После вода подвергается обеззараживанию на ультрафиолетовых установках с амальгамными лампами.

Дополнительная очистка. В зависимости от специфики производства дополнительными ступенями очистки могут являться системы фильтрации (ультрафильтрация, нанофильтрация для удаления тяжелых металлов и обратный осмос для удаления солей)

Дополнительные условия. Содержащиеся в воде сера S-2 и водород Н+ могут образовывать взрывоопасный и токсичный сероводород h3S, в связи с чем требуется применение электрооборудования во взрывозащищенном исполнении, а также мощная система вентиляции с воздухоочисткой.

Специалисты ЭКОС Групп готовы подобрать наиболее оптимальное технологическое решение и оборудование для очистки как производственных, так и ливневых сточных вод с учетом специфики производства.

Повторное использование очищеных сточных вод

По суммарному потреблению воды, нефтехимическая промышленность занимает первое место среди обрабатывающих отраслей. Главным образом вода расходуется для охлаждения нефтепродуктов и оборудования, для обессоливания нефти, для промывки топлива после защелачивания, для приготовления щелочных растворов и на другие технологические цели.

ЭКОС Групп предлагает снижение эксплуатационных расходов за счет разработки эффективных технологических схем с внедрением систем оборотного водоснабжения и подбором энергоэффективного технологического оборудования.

Очистные сооружения: виды очистки сточных вод

Очистные сооружения – это комплекс специальных сооружений, предназначенный для очистки сточных вод от содержащихся в них загрязнений. Очищенная вода либо используется в дальнейшем, либо сбрасывается в природные водоёмы (Большая советская энциклопедия).

Каждый населенный пункт нуждается в эффективных очистных сооружениях. От работы этих комплексов зависит, какая вода будет попадать в окружающую среду и как это в дальнейшем отразится на экосистеме. Если жидкие отходы не очищать вообще, то погибнут не только растения и животные, но и будет отравлена почва, а вредные бактерии могут попасть в организм человека и вызвать тяжелые последствия.

Каждое предприятие, имеющее токсичные жидкие отходы, обязано заниматься системой очистных сооружений. Таким образом, это отразится на состоянии природы, и улучшит условия жизни человека. Если очистные комплексы будут эффективно работать, то сточные воды станут безвредными при попадании в грунт и водоемы. Размеры очистных сооружений (далее – О.С.) и сложность очистки сильно зависят от загрязнённости сточных вод и их объёмов. Более подробно о этапах очистки сточных вод и видах О. С. читайте далее.

Содержание статьи

1. Основные этапы очистки сточных вод:
2. Доочистка сточных вод:
3. Вспомогательные сооружения
4. Виды очистных сооружений:
5. Проектирование, монтаж и обслуживание очистных сооружений

Этапы очистки сточных вод

Наиболее показательным в плане наличия этапов очистки воды являются городские или локальные О.С., рассчитанные на крупные населённые пункты. Именно хозяйственно-бытовые стоки наиболее сложны в очистке, так как содержат разнородные загрязнители.

Для сооружений по очистке воды из канализации характерно то, что они выстраиваются в определенной последовательности. Такой комплекс называется линией очистных сооружений. Схема начинается с механической очистки. Здесь чаще всего используются решетки и песколовки. Это начальный этап всего процесса обработки воды.

Это могут быть остатки бумаги, тряпки, вата, пакеты и другой мусор. После решеток в работу вступают песколовки. Они необходимы для того, чтобы задерживать песок, в том числе и крупных размеров.

Механический этап очистки сточных вод

Первоначально все воды из канализации поступают на главную насосную станцию в специальный резервуар. Этот резервуар призван компенсировать повышенную нагрузку в пиковые часы. А мощный насос равномерно нагнетает соответствующий объём воды для прохождения всех ступеней очистки.

Далее вода поступает в цех механической очистки. До 75% загрязнений устраняется именно на этом этапе. Здесь существует несколько приспособлений для удаления крупного мусора и нерастворимых примесей:

1. Решётки и сита улавливают крупный мусор более 16 мм – банки, бутылки, тряпки, пакеты, продукты питания, пластмассу и т.д. В дальнейшем этот мусор либо перерабатывается на месте, либо вывозится в места переработки твёрдых бытовых и промышленных отходов. Решетки представляют собой вид поперечных металлических балок, расстояние между которыми равно нескольким сантиметрам.

2. Песколовки. На самом деле они улавливают не только песок, но и маленькие камушки, осколки стекла, шлак и пр. Песок довольно быстро оседает на дно под действием силы тяжести. Затем осевшие частицы специальным устройством сгребается в углубление на дне, откуда и выкачивается насосом. Песок промывается и утилизируется.

3. Жироловки. Здесь удаляются все примеси, которые всплывают на поверхность воды (жиры, масла, нефтепродукты и пр.) и . По аналогии с песколовкой, они также удаляются специальным скребком, только с поверхности воды.

4. Отстойники – важный элемент любой линии очистных сооружений. В них происходит освобождение воды от взвешенных веществ, в том числе от яиц гельминтов. Они могут быть вертикальными и горизонтальными, одноярусными и двухъярусными. Последние наиболее оптимальны, так как при этом вода из канализации в первом ярусе очищается, а осадок (ил), который там образовался, через специальное отверстие сбрасывается в нижний ярус. Каким же образом в таких сооружениях происходит процесс освобождения воды из канализации от взвешенных веществ? Механизм довольно прост. Отстойники представляют собой резервуары больших размеров круглой или прямоугольной формы, где происходит осаждение веществ под действием силы тяжести.

Для ускорения этого процесса можно использовать специальные добавки – коагулянты или флоккулянты. Они способствуют слипанию мелких частиц вследствие изменения заряда, более крупные вещества быстрее осаждаются. Таким образом, отстойники – это незаменимые сооружения для очистки воды из канализации. Важно учесть, что при простой водоподготовке они тоже активно используются. Принцип работы основан на том, что вода поступает с одного конца устройства, при этом диаметр трубы при выходе становится больше и ток жидкости замедляется. Все это способствует осаждению частиц.

5. Прочие элементы механической очистки сточных вод могут использоваться в зависимости от степени загрязнённости воды и проекта конкретного очистительного сооружения. К ним относятся: мембраны, фильтры, септики и пр.

Если сравнивать этот этап с обычной водоподготовкой для питьевых целей, то в последнем варианте такие сооружения не применяются, в них нет необходимости. Вместо них происходят процессы осветления и обесцвечивания воды. Механическая очистка очень важна, так как в дальнейшем она позволит более эффективно провести биологическую очистку.

Биологические очистные сооружения сточных вод

Биологическая очистка может быть, как самостоятельным очистным сооружением, так и важным этапом в многоступенчатой системе больших городских очистительных комплексов.

Суть биологической очистки заключается в удалении из воды различных загрязнителей (органики, азота, фосфора и пр.) при помощи специальных микроорганизмов (бактерий и простейших). Эти микроорганизмы питаются вредными загрязнениями, содержащимися в воде, тем самым очищая её.

С технической точки зрения биологическая очистка осуществляется в несколько этапов:

1. Аэротенк – прямоугольный резервуар, где вода после механической очистки смешивается с активным илом (специальными микроорганизмами), который и очищает её. Микроорганизмы бывают 2 видов:

• Аэробные – использующие кислород для очистки воды. При использовании этих микроорганизмов воду перед попаданием в аэротенк необходимо обогащать кислородом.
• Анаэробные – НЕ использующие кислород для очистки воды.

2. Цех очистки воздуха необходим для удаления неприятно пахнущего воздуха с последующей его очисткой. Этот цех необходим, когда объём сточных вод достаточно большой и/или очистные сооружения расположены вблизи населённых пунктов.

3. Вторичные отстойники. Здесь вода очищается от активного ила путём его отстаивания. Микроорганизмы оседают на дно, где при помощи придонного скребка транспортируются к приямку. Для удаления всплывающего ила предусмотрен поверхностный скребковый механизм.

4. Обработка осадка. Схема очистки включает в себя и сбраживание осадка. Из очистных сооружений важен метантенк. Он представляет собой резервуар для сбраживания осадка, который образуется при отстаивании в двухъярусных первичных отстойниках. В ходе процесса сбраживания образуется метан, который можно использовать в других технологических операциях. Образовавшийся ил собирается и вывозится на специальные площадки для тщательного просушивания. Для обезвоживания осадка нашли широкое применение иловые площадки и вакуум-фильтры. После этого он может утилизироваться или использоваться для других нужд. Сбраживание происходит под влиянием активных бактерий, водорослей, кислорода. В схему очистки воды из канализации могут входить и биофильтры.

Оптимальнее всего размещать их до вторичных отстойников, чтобы вещества, которые унеслись с током воды из фильтров, могли осаждаться в отстойниках. Целесообразно для ускорения очистки применять так называемые преаэраторы. Это устройства, которые способствуют насыщению воды кислородом для ускорения аэробных процессов окисления веществ и биологической очистки. Нужно отметить, что очистка воды из канализации условно разделена на 2 этапа: предварительную и заключительную.

Система очистных сооружений вместо полей фильтрации и орошения может включать и биофильтры.

Биофильтры – это устройства, где сточные воды очищаются, проходя через фильтр, содержащий активные бактерии. Он состоит из твердых веществ, в качестве которых может использоваться гранитная крошка, пенополиуретан, пенопласт и другие вещества. На поверхности этих частиц образуется биологическая пленка, состоящая из микроорганизмов. Они разлагают органические вещества. По мере загрязнения биофильтры нужно периодически очищать.

Сточные воды подаются в фильтр дозировано, в противном случае большой напор может погубить полезные бактерии. После биофильтров применяются вторичные отстойники. Ил, образованный в них, поступает частично в аэротенк, а остальная его часть – на илоуплотнители. Выбор того или иного способа биологической очистки и вида очистных сооружений во многом зависит от требуемой степени очистки сточных вод, рельефа, типа грунта и экономических показателей.

Доочистка сточных вод

После прохождения основных этапов очистки из сточных вод удаляется 90-95% всех загрязнений. Но оставшиеся загрязнители, а также остаточные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности не позволяют сбрасывать эту воду в природные водоёмы. В связи с этим на очистных сооружениях и были введены различные системы доочистки сточных вод.

Биореакторы глубокой доочистки

В биореакторах происходит процесс окисления следующих загрязнителей:

• органических соединений, которые были «не по зубам» микроорганизмам,
• самих этих микроорганизмов,
• аммонийного азота.

Происходит это путем создания условий для развития автотрофных микроорганизмов, т.е. превращающих неорганические соединения в органические. Для этого используются специальные пластмассовые засыпные диск с высокой удельной площадью поверхности. Проще говоря, эти диск с отверстием в центре. Для ускорения процессов в биореакторе используется интенсивная аэрация.

Фильтры доочистки сточных вод

Фильтры очищают воду при помощи песка. Песок непрерывно обновляется в автоматическом режиме. Фильтрация осуществляется на нескольких установках путём подачи к ним воды снизу-вверх. Для того, чтобы не использовать насосы и не расходовать электричество эти фильтры устанавливают на уровне ниже чем другие системы. Промывка фильтров устроена таким образом, что не требует большого количества воды. Поэтому они занимают не такую большую площадь.

Обеззараживание воды ультрафиолетом

Дезинфекция или обеззараживание воды – важная составляющая, которая обеспечивает безопасность ее для водоема, в который она будет сброшена. Дезинфекция, то есть уничтожение микроорганизмов, является заключительным этапом очищения стоков канализации. Для обеззараживания могут применяться самые разнообразные способы: ультрафиолетовое облучение, действие переменного тока, ультразвук, гамма-облучение, хлорирование.

УФО – очень эффективный способ, с помощью которого уничтожается примерно 99% всех микроорганизмов, в том числе бактерий, вирусов, простейших, яиц гельминтов. Он основан на способности разрушать мембрану бактерий. Но этот метод не применяется так широко. Кроме того, его эффективность зависит от мутности воды, содержания в ней взвешенных веществ. И лампы УФО довольно быстро покрываются налётом из минеральных и биологических веществ. Для предотвращения этого предусмотрены специальные излучатели ультразвуковых волн.

Наиболее часто используется после очистных сооружений метод хлорирования. Хлорирование бывает разным: двойным, суперхлорированием, с преаммонизацией. Последнее необходимо для предупреждения неприятного запаха. Суперхлорирование предполагает воздействие очень больших доз хлора. Двойное действие заключается в том, что хлорирование осуществляется в 2 этапа. Это более характерно для водоподготовки. Метод хлорирования воды из канализации очень эффективен, кроме того, хлор обладает эффектом последействия, чем не могут похвастаться другие методы очистки. После обеззараживания стоки сливаются в водоем.

Очистка от фосфатов

Фосфаты – это соли фосфорных кислот. Они широко применяются в синтетических моющих средствах (стиральных порошках, средствах для мытья посуды и пр.). Фосфаты, попадая в водоёмы, приводят к их эвтрофикации, т.е. превращению в болото.

Очистка сточных вод от фосфатов осуществляется путём дозированного добавления специальных коагулянтов в воду перед сооружениями биологической очистки и перед песчаными фильтрами.

Вспомогательные помещения очистных сооружений

Цех аэрации

Аэрация – это активный процесс насыщения воды воздухом, в данном случае путём пропускания пузырьков воздуха через воду. Аэрация используется во многих процессах в очистных сооружениях. Подача воздуха осуществляется одной или несколькими воздуходувками с частотными преобразователями. Специальные датчики кислорода регулируют количество подаваемого воздуха, чтобы его содержание в воде было оптимальным.

Утилизация избыточного активного ила (микроорганизмов)

На биологическом этапе очистки сточных вод образуется избыточный ил, так как микроорганизмы в аэротенках активно размножаются. Избыточный ил обезвоживается и утилизируется.

Процесс обезвоживания проходит в несколько этапов:

1. В избыточный ил добавляется специальные реагенты, которые приостанавливают деятельность микроорганизмов и способствуют их сгущению
2. В илоуплотнителе ил уплотняется и частично обезвоживается.
3. На центрифуге ил отжимается и из него удаляются остатки влаги.
4. Поточные осушители при помощи непрерывной циркуляции тёплого воздуха окончательно высушивают ил. Высушенный осадок имеет остаточную влажность 20-30%.
5. Затем ил упаковывается в герметичные контейнеры и утилизируется
6. Вода же, удалённая из ила, отправляется обратно к началу цикла очистки.

Очистка воздуха

К сожалению, очистные сооружения пахнут не самым лучшим образом. Особенно вонючим является этап биологической обработки сточных вод. Поэтому если очистное сооружение находится вблизи населённых пунктов или объём сточных вод велик настолько, что плохо пахнущего воздуха образуется очень много – нужно подумать об очистке не только воды, но и воздуха.

Очистка воздуха, как правило, проходит в 2 этапа:

1. Первоначально загрязнённый воздух подается в биореакторы, где он соприкасается со специализированной микрофлорой, адаптированной для утилизации органических веществ, содержащихся в воздухе. Именно эти органические вещества являются причиной дурного запаха.
2. Воздух проходит стадию обеззараживания ультрафиолетом для предотвращения попадания данных микроорганизмов в атмосферу.

Лаборатория на очистных сооружениях

Вся вода, которая выходит из очистных сооружений должна систематически контролироваться в лаборатории. Лаборатория определяет наличие в воде вредных примесей и соответствие их концентрации установленным нормам. В случае превышения того или иного показателя работники очистного сооружения проводят тщательный осмотр соответствующего этапа очистки. И в случае обнаружения неисправности устраняют её.

Административно-бытовой комплекс

Персонал обслуживающий очистное сооружение может достигать нескольких десятков человек. Для их комфортной работы и создаётся административно-бытовой комплекс в него входят:

• Мастерские по ремонту оборудования
• Лаборатория
• Диспетчерская
• Кабинеты административно-управленческого персонала (бухгалтерии, кадровой службы, инженерная и пр.)
• Кабинет руководителя.

Электроподстанция

Электроснабжение О.С. выполняется по первой категории надёжности. Так как длительная остановка работы О.С. из-за отсутствия электричества может вызвать выход О.С. из строя.

Для предотвращение аварийных ситуаций электроснабжение О.С. осуществляется из нескольких независимых источников. В отделении трансформаторной подстанции предусматривается ввод силового кабеля от городской системы электроснабжения. А также ввод независимого источника электрического тока, например, от дизельного генератора, на случай аварии в городской электросети.

Заключение

На основании всего вышесказанного можно сделать заключение о том, что схема очистных сооружений очень сложна и включает различные этапы очистки сточной воды из канализации. В первую очередь необходимо знать, что данная схема применяется только для бытовых сточных вод. Если же имеют место промышленные стоки, то в этом случае дополнительно включают специальные методы, которые будут направлены на снижение концентрации опасных химических веществ. В нашем случае схема очистки включает следующие основные этапы: механическую, биологическую очистку и обеззараживание (дезинфекцию).

Механическая очистка начинается с применения решеток и песколовок, в которых задерживается крупный мусор (тряпки, бумага, вата). Песколовки нужны для осаждения излишнего песка, особенно крупного. Это имеет большое значение для последующих этапов. После решеток и песколовок схема очистных сооружений воды из канализации включает использование первичных отстойников. В них под силой тяжести оседают взвешенные вещества. Для ускорения этого процесса нередко применяют коагулянты.

После отстойников начинается процесс фильтрации, который осуществляется главным образом в биофильтрах. Механизм действия биофильтра основан на действии бактерий, которые разрушают органические вещества.

Следующий этап – вторичные отстойники. В них ил, который унесло с током жидкости, оседает. После них целесообразно использовать метантенк, в нем сбраживается осадок и вывозится на иловые площадки.

Следующий этап – биологическая очистка с помощью аэротенка, полей фильтрации или полей орошения. Заключительный этап – дезинфекция.

Виды очистных сооружений

Для обработки воды применяются самые различные сооружения. Если планируется проводить данные работы в отношении поверхностных вод непосредственно перед их подачей в разводящую сеть города, то применяются следующие сооружения: отстойники, фильтры. Для сточных вод можно использовать более широкий круг устройств: септики, аэротенки, метантенки, биологические пруды, поля орошения, поля фильтрации и так далее. Очистные сооружения бывают нескольких видов в зависимости от их предназначения. Они отличаются не только объёмами очищаемой воды, но и наличием этапов её очистки.

Городские очистные сооружения

Данные О.С. являются самым крупными из всех, они применяются в крупных мегаполисах и городах. В таких системах применяют особо эффективные методы очистки жидкости, например, химическую обработку, метантанки, установки флотации Они предназначены для очистки городских сточных вод. Эти воды представляют собой смесь бытовых и производственных стоков. Поэтому загрязнителей в них весьма много, и они очень разнообразны. Воды очищаются до нормативов сброса в водоем рыбохозяйственного назначения. Нормативы регламентируются приказом Минсельхоза России от 13.12.2016 г. № 552 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения».

На данных О.С., как правило, используются все этапы очистки воды, описанные выше. Наиболее показательным является пример Курьяновских очистных сооружений.

Курьяновские О.С. являются крупнейшими в Европе. Его мощность составляет мощностью 2,2 млн.м3/сут. Они обслуживают 60% сточных вод города Москвы. История этих объектов уходит своими корнями в далёкий 1939 год.

Локальные очистные сооружения

Локальные очистные сооружения – это сооружения и устройства, предназначенные для очистки сточных вод абонента перед их сбросом в систему коммунальной канализации (определение дано Постановлением Правительства РФ от 12 февраля 1999 г. №167).

Существует несколько классификаций локальных О.С., например, существуют локальные О.С. подключаемые к центральной канализации и автономные. Локальные О.С. могут использоваться на следующих объектах:

• В небольших городах
• В поселках
• В санаториях и пансионатах
• На автомойках
• На приусадебных участках
• На производственных предприятиях
• И на прочих объектах.

Локальные О.С. могут быть весьма различны от небольших узлов до капитальных сооружений, которые ежедневно обслуживает квалифицированный персонал.

Очистные сооружения для частного дома.

Для утилизации сточных вод частного дома используется несколько решений. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Однако выбор всегда остаётся за владельцем дома.

1. Выгребная яма. По правде говоря, это даже не очистное сооружение, а просто резервуар для временного хранения стоков. При заполнении ямы вызывается ассенизационная машина, которая выкачивает содержимое и отвозит его для дальнейшей переработки.

Эту архаичную технологию до сих пор используют из-за её дешевизны и простоты. Однако она имеет и существенные недостатки, которые, порой, сводят на нет все её достоинства. Сточные воды могут попадать в окружающую среду и подземные воды, тем самым загрязняя их.  Для ассенизаторской машины нужно предусматривать нормальный подъезд, так как вызывать её придётся достаточно часто.

2. Накопитель. Представляет собой ёмкость из пластика, стеклопластика, металла или бетона, куда сливаются сточные воды и хранятся. Затем они выкачиваются и утилизируются ассенизаторской машиной. Технология аналогична выгребной яме, но воды не загрязняют окружающую среду. Минусом такой системы является тот факт, что весной при большом количестве воды в грунте накопитель может быть выдавлен на поверхность земли.

3. Септик – представляет собой большие емкости, в них такие вещества, как крупная грязь, соединения органики, камни и песок уходят в осадок, а такие элементы, как различные масла, жиры и нефтепродукты остаются на поверхности жидкости. Бактерии, которые обитают внутри септика, добывают кислород для жизни из выпавшего осадка, при этом снижают уровень азота в сточных водах. Когда жидкость выходит из отстойника, то становится осветленной. Затем ее очищают при помощи бактерий. Однако важно понимать, что в такой воде остается фосфор. Для окончательной биологической очистки могут применяться поля орошения, поля фильтрации или колодцы-фильтры, работа которых тоже основана на действии бактерий и активного ила. На этой площади нельзя будет выращивать растения с глубокой корневой системой.

Септик весьма дорог и может занимать большую площадь. Следует иметь ввиду, что это сооружение, которое предназначено для очистки небольшого количества бытовых сточных вод из канализации. Однако результат стоит затраченных средств. Более наглядно устройство септика отражено на рисунке ниже.

4. Станции глубокой биологической очистки являются уже более серьёзным очистным сооружением в отличии от септика. Для работы этого устройства требуется электроэнергия. Однако и качество очистки воды составляет до 98%. Конструкция является достаточно компактной и долговечной (до 50 лет эксплуатации). Для обслуживания станции в верху, над поверхностью земли имеется специальный люк.

Ливневые очистные сооружения

Несмотря на то, что дождевая вода считается достаточно чистой, однако она собирает с асфальта, крыш и газонов различные вредные элементы. Мусор, песок и нефтепродукты. Для того, чтобы всё это не попадало в ближайшие водоёмы и создаются ливневые очистные сооружения.

В них вода проходит механическую очистку в несколько этапов:

1. Отстойник. Здесь под действием силы тяжести Земли оседают на дно крупные частицы – камешки, осколки стекла, металлические детали и пр.
2. Тонкослойный модуль. Здесь масла и нефтепродукты собираются на поверхности воды, где и собираются на специальных гидрофобных пластинках.
3. Сорбционный волокнистый фильтр. Он улавливает всё то, что пропустил тонкослойный фильтр.
4. Коалесцентный модуль. Он способствует отделению частиц нефтепродуктов, всплывающих на поверхность, размер которых больше 0,2 мм.
5. Угольный фильтр доочистки. Он окончательно избавляет воду от всех нефтепродуктов, которые в ней остаются после прохождения предыдущих ступеней очистки.

Проектирование очистных сооружений

Проектирование О.С. определить их стоимость, правильным образом выбрать технологию очистки, обеспечить надежность работы конструкции, привести сточные воды к нормам качества. Опытные специалисты помогут найти эффективные установки и реагенты, составят схему очистки сточных вод и введут установку в эксплуатацию. Еще один важный момент – составление сметы, которая позволит планировать и контролировать расходы, а также внести коррективы в случае необходимости.

На проект О.С. сильно влияют следующие факторы:

• Объёмы сточных вод. Проектирование сооружений для приусадебного участка это одно, а проект сооружений для очистки сточных вод коттеджного посёлка – это другое. Притом нужно учитывать, что возможности О.С. должны быть больше текущего количества сточных вод.
• Местность. Сооружения для очистки сточных вод требуют подъезда специального транспорта. Также нужно предусмотреть электропитание объекта, отведение очищенной воды, расположение канализации. О.С. могут занимать большую площадь, однако они не должны создавать помех соседним зданиям, сооружениям, участкам дорогам и другим сооружениям.
• Загрязнённость сточных вод. Технология очистки ливневых вод сильно отличается от очистки хозяйственно-бытовых.
• Требуемый уровень очистки. Если заказчик хочет сэкономить на качестве очищаемой воды, то необходимо использовать простые технологии. Однако если нужно сбрасывать воду в природные водоёмы, то качество очистки должно быть соответственным.
• Компетентность исполнителя. Если Вы заказываете О.С. у неопытных компаний, то готовьтесь к неприятным сюрпризам в виде увеличения смет на строительство или вплывшего по весне септика. Это случается потому, что в проект забывают включить достаточно критичные моменты.
• Технологические особенности. Используемые технологии, наличие или отсутствие этапов очистки, необходимость возведения систем, обслуживающих очистное сооружение – всё это должно отражаться в проекте.
• Другое. Невозможно всё предусмотреть наперёд. По мере проектирования и монтажа очистного сооружения в проект плана могут вноситься различные изменения, которые нельзя было предусмотреть на начальном этапе.

Этапы проектирования очистного сооружения:

1. Предварительные работы. Они включают изучение объекта, уточнение пожеланий заказчика, анализ сточных вод и пр.
2. Сбор разрешительной документации. Этот пункт, как правило, актуален для возведения больших и сложных сооружений. Для их строительства необходимо получить и согласовать соответствующую документацию у надзорных инстанций: МОБВУ, МОСРЫБВОД, Росприроднадзор, СЭС, Гидромет и пр.
3. Выбор технологии. На основании п. 1 и 2. происходит выбор необходимых технологий, используемых для очистки воды.
4. Составление сметы. Затраты на строительство О.С. должны быть прозрачны. Заказчик должен точно знать сколько стоят материалы, какова цена устанавливаемого оборудования, какой фонд оплаты труда рабочих и т.д. Также следует учесть затраты на последующее обслуживание системы.
5. Эффективность очистки. Несмотря на все расчёты результаты очистки могут быть далеки от желаемых. Поэтому уже на этапе планирования О.С. необходимо провести эксперименты и лабораторные исследования, которые помогут избежать неприятных неожиданностей после окончания строительства.
6. Разработка и согласование проектной документации. Для начала возведения очистных сооружений необходимо разработать и согласовать следующие документы: проект санитарно-защитной зоны, проект нормативов допустимых сбросов, проект предельно допустимых выбросов.

Монтаж очистных сооружений

После того как проект О.С. был подготовлен и все необходимые разрешения были получены наступает стадия монтажа. Хотя монтаж дачного септика сильно отличается от строительства очистного сооружения коттеджного посёлка, однако всё равно они проходят несколько стадий.

Во-первых, подготавливается местность. Роется котлован для установки очистного сооружения. Пол котлована засыпается песком и утрамбовывается, либо бетонируется. Если очистное рассчитано на большое количество сточных вод, то как правило, оно возводится на поверхности земли. В таком случае заливается фундамент и на него уже устанавливается здание или сооружение.

Во-вторых, осуществляется монтаж оборудования. Оно устанавливается, подключается к системе канализации и водоотведения, к электрической сети. Этот этап очень важен так как он требует от персонала знаний специфики работы настраиваемого оборудования. Именно неправильным монтаж, чаще всего, становится причиной выхода из строя оборудования.

В-третьих, проверка и сдача объекта. После монтажа готовое очистное сооружение проходит проверку на качество очистки воды, а также на способность работать в условиях повышенной нагрузки. После проверки О.С. сдаётся заказчику или его представителю, а также, при необходимости, проходит процедуру государственного контроля.

Обслуживание очистных сооружений

Как и любое оборудование очистное сооружение тоже нуждается в обслуживании. В первую очередь из О.С. необходимо удалять крупный мусор, песок, а также избыточный ил, которые образуются в ходе очистки. На крупных О.С. количество и разновидность удаляемых элементов может быть значительно больше. Но в любом случае удалять их придётся.

Во-вторых, осуществляется проверка работоспособности оборудования. Неполадки в каком-либо элементе могут быть чреваты не только снижением качества очистки воды, но и выходом из строя всего оборудования.

В-третьих, в случае обнаружения поломки, оборудование подлежит ремонту. И хорошо, если оборудование будет на гарантии. Если же гарантийный срок истёк, то ремонт О.С. придётся осуществлять за свой счёт.

Причины поломки очистных сооружений:

1. Неправильный выбор вида О.С. на стадии проектирования.
2. Неправильный монтаж оборудования.
3. Превышение предельного количества сточных вод.
4. Сбои в электроснабжении.
5. Нерегулярная очистка О.С.
6. Нарушение правил пользования О.С.
7. Прочее.

Таким образом, в этой статье мы получили определение очистных сооружений, узнали основные этапы очистки сточных вод (механический и биологический). Поняли, что во многих случаях следует сточные воды доочищать. Вспомогательные помещения используются только на крупных О.С. Видов очистных сооружений существует достаточно много: городские, локальные, ливневые и пр. Все они предназначены для различных объёмов сточных вод и мест их использования. Жизненный цикл О.С. можно разделить на 3 этапа: проектирование, монтаж и обслуживание.

Если вас интересует стоимость очистных сооружений, то уточняйте информацию у опытных специалистов по телефону +7 (495) 662-40-35. Сотрудники нашей компании имеют многолетний опыт работы в данной сфере, обладают соответствующими знаниями, потому быстро и качественно подберут для вас подходящие системы очистки и модели оборудования.

Если у Вас есть какие-либо вопросы, то оставьте свои контактные данные, наш специалист свяжется с Вами!

Новые подходы к решению проблемы очистки сточных вод | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Тема, что и говорить, не слишком аппетитная, однако весьма важная. Нет такой отрасли промышленности, в которой не использовалась бы вода и не стояла бы проблема её очистки. В одной только Германии промышленность расходует почти 10 миллиардов кубометров воды в год. Поэтому нет ничего удивительного в том, что поиск новых, более экономичных и экологичных технологий очистки воды ведут многие научно-исследовательские учреждения в разных странах мира. Эти же технологии призваны заодно и уменьшить объёмы потребляемой воды за счёт её повторного использования внутри предприятия. Но такая схема предъявляет особые требования к комплексам очистных сооружений. До недавнего времени очистные сооружения на промышленных предприятиях мало чем отличались от муниципальных систем того же назначения. В их основе лежит принцип биологической очистки: сточные воды пропускаются сквозь решётки, где бактерии расщепляют подлежащие удалению примеси и загрязнения. Затем в специальных бассейнах или резервуарах, именуемых отстойниками, происходит процесс осаждения, или седиментации бактерий и взвешенных примесей под действием силы тяжести. Этот ил скапливается на дне отстойников, а очищенные таким образом воды могут быть спущены в реку или какой-то иной природный водоём. В принципе подобные системы работают вполне эффективно, однако весь этот процесс очистки занимает слишком много времени, а в любом промышленном производстве время – деньги. Именно поэтому некоторые предприятия начали внедрять новую технологию очистки сточных вод, основанную на использовании мембранных биореакторов. В Германии таких предприятий сегодня уже около 80-ти, – говорит Петер Корнель (Peter Cornel), профессор Технического университета в Дармштадте, и поясняет:

То, что в очистных сооружениях традиционной конструкции достигается за счёт процесса седиментации, здесь реализуется посредством своего рода сита, то есть очень мелкопористой мембраны. Иными словами, мы процеживаем сточные воды через мембрану с отверстиями диаметром около 0,001 миллиметра. И она задерживает все те бактерии, которые используются для биологической очистки сточных вод.

Эту биомассу предприятия вынуждены, как правило, сжигать. Ведь в отличие от так называемых хозяйственно-фекальных, то есть бытовых сточных вод, в процессе очистки которых образуется ил, пригодный для использования в сельском хозяйстве в качестве удобрения, промышленные сточные воды зачастую содержат вредные примеси, попадание которых в окружающую среду крайне нежелательно. Зато вода, прошедшая через мембрану, в большинстве случаев может быть повторно использована для нужд производства. Профессор Корнель говорит:

Конечно, пить такую воду нельзя – так же, как нельзя пить стоки любой другой водоочистной установки. Однако мембранная система имеет то преимущество, что она воду отчасти дезинфицирует. Правда, мембрана задерживает только бактерии. Вирусов это не касается: они гораздо мельче и легко преодолевают мембрану, так что, повторяю, то, что мы имеем на выходе, – это не питьевая вода. Но для дальнейшего применения на том же промышленном предприятии более высокой степени очистки воды, как правило, и не требуется.

Конечно, в принципе возможно использование ещё более мелкопористых мембран, способных задерживать вирусы и даже молекулы тех веществ, которые не поддаются биологическому расщеплению. Однако о внедрении этой так называемой нанофильтрации в реальную практику промышленного производства пока говорить не приходится, да и вряд ли когда-нибудь придётся. Ведь чем мельче поры мембраны, тем более высокое давление необходимо для прокачивания сквозь неё сточных вод, что привело бы к существенному удорожанию всей системы. Те же самые экономические соображения заставляют инженеров использовать в большинстве случаев полимерные мембраны, хотя эксплуатационные показатели и прочностные характеристики керамических фильтров гораздо выше. Но они и дороже. Профессор Ганноверского университета Карл-Хайнц Розенвинкель (Karl-Heinz Rosenwinkel) подчёркивает:

Широкому распространению мембранной техники сегодня препятствует, прежде всего, её недостаточно высокая экономичность. Тут предстоит решить сразу несколько проблем. Во-первых, нужно радикально уменьшить энергопотребление. Во-вторых, необходимо сделать оборудование более простым в эксплуатации, более устойчивым к механическим нагрузкам и прочим негативным воздействиям, чтобы оно надёжно функционировало на любом предприятии и в любых производственных условиях.

Есть у мембранных биореакторов и ещё один недостаток, над преодолением которого упорно работают инженеры: фильтры постепенно засоряются, со временем на них образуется тонкая бактериальная плёнка, забивающая поры, так что пропускная способность мембраны падает. На практике эта проблема решается двумя методами. Во-первых, каждый час фильтры в течение одной-двух минут промывают потоком воды, пущенной во встречном направлении. Однако этого недостаточно, поэтому раз в несколько недель систему полностью отключают, мембраны извлекаются и промываются в кислотных или щелочных растворах. Понятно, что всё это не слишком технологично. По мнению Петера Корнеля, главная задача состоит в том, чтобы:

…оптимизировать технологию промывки мембран так, чтобы можно было ограничиться использованием «лёгких» химикатов, не наносящих значительного ущерба окружающей среде. Ведь применение «тяжёлых» химикатов само по себе требует больших дополнительных расходов на нейтрализацию и регенерацию отработавших реактивов. Экологичность реактивов является сегодня очень важным экономическим фактором.

Несмотря на наличие этих «детских болезней», новая технология всё шире внедряется в практику. Отрадно, что среди предприятий, оборудовавших свои очистные сооружения такими мембранными фильтрами, доминируют представители отраслей, потребляющих особенно много воды – пищевой, химической, фармацевтической и целлюлозно-бумажной.

Впрочем, при разработке нового оборудования для очистки сточных вод инженеры не ограничиваются модернизацией традиционных технологий. Имеются и принципиально новые подходы – например, идея заменить биологическую очистку ультразвуковой.

Вообще-то ультразвук нашёл пока более широкое применение в медицине и в машиностроении, чем в химии. В химии же повышения скорости реакций в жидкой среде традиционно принято добиваться увеличением давления, температуры, концентрации реагентов или же применением катализаторов. Между тем, использование ультразвука позволяет получить ряд эффектов, недостижимых другими методами. Сюда относится, прежде всего, так называемая ультразвуковая кавитационная обработка жидкой среды. Дело в том, что пропущенная сквозь сосуд с жидкостью мощная узконаправленная ультразвуковая волна может вызвать её практически мгновенное вскипание, то есть образование в жидкости множества чрезвычайно мелких пузырьков, диаметр которых измеряется тысячными долями миллиметра. Но жидкость переходит в возбуждённое состояние очень ненадолго, и именно на этом и основаны приёмы и технологии, используемые в ультразвуковой химии, – говорит Тимоти Мейсон (Timothy Mason), профессор университета в Ковентри:

Вы получаете пузырьки, которые сразу же схлопываются, высвобождая при этом гигантское количество энергии. Гигантское количество – это означает, что в очень малых объёмах температура может достигать от 6-ти до 7-ми тысяч градусов Цельсия. Такие температуры имеют место на поверхности Солнца.

Под стать этим температурам и давление, возникающее при схлопывании кавитационных пузырьков: оно может достигать 500-т бар, то есть в 500 раз превышать атмосферное давление. Таким образом, каждый коллабирующий пузырёк действует на окружающую его среду как миниатюрная бомба, – поясняет профессор Мейсон:

Представьте себе, что вся эта энергия выделяется в непосредственной близости от содержащейся в воде примеси, то есть рядом с молекулой какого-то вредного вещества. Никакие химические связи не способны выдержать такой удар. Значит, энергия схлопывающегося пузырька разрушит эту молекулу.

Заодно коллабирующий пузырёк разрывает и химические связи молекул воды, находящихся в его окружении. При этом образуются так называемые свободные радикалы – чрезвычайно активные в химическом отношении атомы кислорода и водорода с неспаренным электроном. Эти свободные радикалы «атакуют» и разрушают не только молекулы содержащихся в воде примесей, но и микроорганизмы. Уве Найс (Uwe Neis), профессор Технического университета в Гамбурге, специализирующийся на прикладных аспектах сонохимии, говорит:

Таким образом, бактерии и другие обитающие в воде микроорганизмы, включая патогенные, могут быть уничтожены без применения химических дезинфицирующих средств, которыми принято пользоваться сегодня. Это достигается с помощью ультразвука.

Если говорить об очистке сточных вод, то на практике установка выглядит так: на одном из участков канализационного трубопровода устанавливаются мощные ультразвуковые генераторы и излучатели, которые и производят кавитационную обработку воды. Ещё совсем недавно эта инновационная технология существовала только в виде прототипа, а сегодня профессор Найс не без гордости говорит:

В некоторых областях мы уже достигли стадии коммерческого применения наших разработок.

В частности, ультразвуковые установки уже имеются в качестве дополнения к промышленным очистным сооружениям традиционной конструкции. Эта же технология с недавних пор применяется и для дезинфекции заражённого грунта: он вынимается экскаватором, облучается ультразвуком и засыпается обратно в карьер. Правда, такие ультразвуковые системы страдают теми же недостатками, которые присущи мембранным биореакторам: они обходятся недёшево как в производстве, так и в эксплуатации, а кроме того, потребляют довольно много энергии. Поэтому разработчики во главе с профессором Найсом ищут пути создания разного рода комбинированных устройств, что позволило бы до некоторой степени снизить эксплуатационные расходы. В частности, одно из направлений исследований может заинтересовать тех посетителей плавательных бассейнов, которые страдают аллергией на хлорированную воду. Профессор Найс говорит:

В любом плавательном бассейне время от времени приходится чистить дно ванны. Для этих целей промышленность выпускает специальные устройства – я называю их «пылесосами». Так вот, совсем недавно к нам поступил запрос: не можем ли мы предложить технологию, сочетающую механическую очистку с ультразвуковой обработкой? Ведь это позволило бы не только чистить, но и дезинфицировать бассейн. Готового решения у нас пока нет, но мы активно работаем в этом направлении.

Хотя очистка промышленных сточных вод ставит перед специалистами больше проблем, чем очистка бытовых стоков, немало сложных вопросов приходится решать и инженерам, занятым эксплуатацией муниципальных канализационных сетей. Тем более, что общая протяжённость этих сетей составляет в Германии 400 тысяч километров. К тому же тот вроде бы весьма отрадный факт, что многие жители страны, проникшись заботами экологов, стали экономить воду, в результате чего её расход существенно сократился, привёл и к некоторым негативным последствиям: поскольку разного рода примесей и вредных веществ в сточных водах меньше не стало, а уменьшилось только количество самой воды, то попадающая в канализацию жижа стала менее текучей, зато более концентрированной и в химическом отношении более агрессивной. Эксплуатационники жалуются, что при осмотре канализационных колодцев их всё чаще встречает не хоть и затхлый, но более или менее нейтральный запах, а почти невыносимая вонь. Соответственно, и чистить канализацию приходится всё чаще. Самый простой способ – струя воды. Берт Босселер (Bert Bosseler), научный руководитель Института подземной инфраструктуры в Гельзенкирхене, говорит:

Спереди рукав имеет специальный наконечник, на нём расположены 8-12 форсунок, через которые под высоким давлением подаётся вода. Работать с этим устройством очень непросто. Большое значение имеет расстояние от ствола до стенки трубы. Ведь наша задача – убрать по возможности всю грязь, но при этом ни в коем случае не повредить трубу.

Этот риск наиболее высок в трубопроводах малого сечения, поэтому для них предложена альтернативная технология. Гораздо более щадящий метод, – говорит Босселер, – это очистка воздушно-водяной смесью:

Сквозь трубопровод посылается пузырь воздуха. На границе с водой он создаёт завихрения, которые отрывают грязь от внутренней стенки трубы, и она уносится потоком.

В сельской местности эксплуатационники нередко используют для очистки канализационных труб растворы, содержащие ферменты. Главная цель – поддержание внутренней поверхности трубопровода в чистом состоянии, потому что чем глаже поверхности, тем меньше грязи к ней пристаёт. Впрочем, это верно лишь до определённой степени. В идеале внутренние стенки трубопровода должны были бы обладать водоотталкивающими свойствами, а ведь этот так называемый эффект лотоса объясняется, как известно, наличием на поверхности листьев этого растения особой микроструктуры. Поэтому исследования ведутся и в этом направлении, – говорит Берт Босселер:

Уже имеются первые наработки, в основе которых – стремление пойти нетрадиционным путём и создать на внутренней поверхности трубы мельчайшие упорядоченные неровности, своего рода микроструктуру. Завихрения и ускорения, возникающие на этой структуре, не дают грязи осаждаться внутри трубы, препятствуют образованию наслоений.

Первые успешные шаги в этом направлении сделаны в Веймаре и Берлине. В частности, учёные берлинского Технического университета провели испытания технологии, позволяющей оборудовать уже находящиеся в эксплуатации канализационные трубы такой микроструктурой. Для этого сквозь старую трубу протаскивается полимерный рукав, выстилающий её изнутри и обладающий водоотталкивающими свойствами. К такой трубе грязь не пристаёт – почти не пристаёт.

Технологии очистки сточных вод пищевых предприятий

Технологии очистки стоков пищевых предприятий

Сточные воды предприятий пищевой промышленности содержат высокие концентрации биологически активных загрязняющих веществ, поэтому здесь целесообразно использовать методы эффективного обеззараживания. С другой стороны в стоках находятся вещества, которые применяются для повторного использования: жиры — в косметической промышленности, осколки костей и минерализованный осадок — в производстве удобрений и биодобавок.

Такие особенности предполагают совершенствование работы очистных сооружений, внедрение новых высокоэффективных станций очистки с применением современного оборудования и узлов.

При выборе технологии очистки сточных вод пищевых предприятий стоит руководствоваться требованиями к качеству очищенной воды. Высокая концентрация загрязнителей и преобладание органики и минеральных взвесей предполагает проводить очистку в несколько стадий, которые позволят довести ее степень до требований сброса в водоемы рыбо-хозяйственного назначения. Основными этапами являются:

• предварительная очистка от грубых примесей решетками-улавливателями;
• удаление жиров и жироподобных примесей жироловушками и сепараторами жира;
• извлечение коллоидных примесей и эмульгированных жиров в метантенках или флотационных установках;
• собирание и дегидратация флотошлама;
• реагентная обработка коагулянтами и флокулянтами;
• осветление отстаиванием и процеживанием.

Технологическая схема очистки сточных вод пищевых предприятий:

Сточные воды от предприятий пищевой промышленности поступают на очистные станции неравномерно, количественный и качественный состав загрязняющих веществ значительно изменяется в зависимости от этапа технологического процесса, поэтому требуется обязательное усреднение их потоков после механической очистки и отстаивания.

Перед сбросом в водоемы рыб-хоз назначения необходимо провести биологическую очистку, нитрификацию, денитрификацию и обеззараживание.

Во многих технологических процессах на предприятиях пищевой промышленности используется только питьевая вода, что затрудняет повторное ее использование.

Argel

Очистка природной и сточной воды

Пояснительная записка по разработке программы по теме:

«Решение проблем обеспечения населения качественной питьевой водой и очистки промышленных сточных вод на основе модульных очистных сооружений, использующих гибкие технологии контроля качества на основе принципов экономичности, энергоэффективности, компактности   в малых городах и поселениях Российской Федерации»

Генеральная Ассамблея ООН на 58-й сессии, в своей резолюции A/RES/58/217 от 23 декабря 2003 г., провозгласила период начиная с 22 марта 2005  до 2015 года , Международным десятилетием действий «Вода ради жизни» . В документе ООН «Право на воду» указывается: «Сегодня человечество стоит перед лицом серьезного глобального кризиса водных ресурсов, так как в настоящее время один миллиард человек во всем мире не имеет доступа к чистой питьевой воде, а более двух миллиардов человек не располагают достаточным количеством систем очистки воды, что является главной причиной заболеваний, вызываемых употреблением воды, которая не соответствует санитарным стандартам». ВОДА – чрезвычайно важный ресурс для жизни и деятельности человека, поэтому право человека на чистую воду фактически является правом на жизнь.

Вода – самое распространенное вещество в природе. Водой покрыто больше 70% земной поверхности, а масса достигает 10¹⁸ т. Из этой массы воды на Земле 97,5% составляют соленые воды морей и океанов, остальные 2,5% приходятся на пресную воду (включая ледники и айсберги). Пресной воды на Земле, доступной для человека, примерно полпроцента от всей существующей массы воды, и это количество угрожающе быстро уменьшается из-за нарастающего загрязнения природных вод. Масштабы использования воды более чем в два раза превышают темпы роста населения, а  рост потребности в чистой воде превышает возможности пополнения запасов пресноводных источников естественным образом. Предполагается, что к 2025 году около семидесяти процентов населения Земли будут жить в районах со средней или острой нехваткой воды. В Руководстве Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) в рамках проведения Международного десятилетия действий «Вода ради жизни» говорится, что в «настоящее время обеспечение доступа к воде и средствам санитарии, имеющее такое исключительно важное значение для благосостояния и развития человека, приобрело характер одного из приоритетных направлений деятельности международного сообщества». Институциональные и управленческие учреждения в странах, заинтересованные неправительственные  организации должны принимать участие в разработке решений, программ в области научных разработок, новых технологий, рациональных методов использования водных ресурсов, решения проблем очистки сточных вод и рециклирования вод для вторичного использования, очистки питьевых вод и обессоливания морских вод. Фактическое положение дел, указывается в документах ВОЗ, требует  увеличения финансирования в области водоснабжения, а также привлечения частного сектора к осуществлению эффективных действий в случаях аварий, катастроф, низкого санитарного качества питьевых вод и повышения качества питьевой воды за счет ее обработки в домашних условиях.

       Вода играет жизненно важную роль в быту и промышленности. Однако в чистом виде она в природе не существует, поскольку представляет собой универсальный растворитель для ионных и ковалентных соединений. В воде обнаружено более 2000 природных веществ и элементов, из которых идентифицированы лишь 750, в основном, органические соединения. Все поверхностные и подземные воды содержат в определенных концентрациях вещества, с которыми вода контактировала в гидрологическом цикле. Эти вещества могут быть полезными, нейтральными или вредными  как для организма человека, так и для различных  технологий в промышленности. Подземные воды содержат естественные природные примеси, являющиеся продуктами растворения геологических пород и достаточно стабильны по составу для данного водного горизонта. Поверхностные воды менее стабильны по химическому составу и, помимо природных веществ и элементов, в значительном количестве включают токсичные техногенные вещества и микробиологические загрязнения, попадающие в водные бассейны со стоками промышленных предприятий, сельскохозяйственными и городскими стоками. В круговорот воды в природе вовлекаются и радиоактивные отходы с атомных электростанций. Сброс в водные источники неочищенных сточных вод приводит к микробиологической загрязненности воды. По оценкам Всемирной организации здравоохранения 80% заболеваний в мире вызваны низким качеством и антисанитарным состоянием воды. Особенно остро проблема качества воды стоит в сельской местности – примерно 90% всех сельских жителей в мире постоянно пользуются для питья и купания загрязненной водой.

          Природа уже не в состоянии справиться с загрязнениями, попадающими в естественные поверхностные водные бассейны с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами, и вопрос получения безопасной с точки зрения здоровья человека воды поднимается на новый экономический и экологический уровень.

Например, в 2010 году в Ставропольском крае было зарегистрировано 18 случаев высокого загрязнения азотными соединениями, фосфатами, марганцем с уровнем превышения от 10 до 50 ПДК.

Во многих районах Российской Федерации отмечается присутствие в источниках питьевого снабжения специфических высокотоксичных соединений, таких, как соединения железа, марганца, меди и других тяжелых металлов, фтора, бора, радиоактивных нуклидов, органических веществ. В ряде источников вода имеет неприятный запах и цвет и не соответствует нормам по органолептическим свойствам.

Для природных вод характерна повышенная концентрация железа, марганца, сероводорода, солей жесткости, гуматных веществ. В подземной воде могут присутствовать комплексные органические соединения («гуматное железо»), метан, сероводород, марганец, высокая концентрация кальция и магния, анаэробные бактерии, тяжелые металлы, радон. Следы нефтепродуктов появляются уже на глубине около ста метров. На практике муниципальная водоочистка сводится, в основном, к удалению из воды различными физическими методами (в частности, осаждением и фильтрованием) твердых взвешенных веществ и дезинфекции воды, как правило, хлором. Вода из подземных источников, а тем более вода из колонок, колодцев зачастую вообще не подвергается никакой обработке. В некоторых случаях применяют процессы аэрирования в сочетании с фильтрованием (например, при удалении сероводорода и обезжелезивании воды). В результате, в обработанной воде из поверхностных источников могут присутствовать ионы тяжелых металлов, токсичные растворенные органические, хлорорганические и неорганические вещества, вирусы.

          Запах воды, в основном, связан с присутствием органических веществ (естественного или промышленного происхождения), хлора и хлорорганических соединений, сероводорода, аммиака или деятельностью бактерий (необязательно патогенных).

          Неприятный привкус вызывает наибольшее количество жалоб потребителей. К веществам, влияющим на этот показатель, относятся магний, кальций, натрий, медь, железо, цинк,  бикарбонаты (например, жесткость воды), хлориды и сульфаты.

           Цветность воды обусловлена присутствием окрашенных органических веществ, например, гуминовых веществ, водорослей, железа, марганца, меди, алюминия (в сочетании с железом), или окрашенных промышленных загрязняющих отходов.

           Мутность вызвана наличием в воде мелкодисперсных взвешенных частиц (глинистых, илистых компонентов, коллоидного железа и др.). Мутность приводит к снижению эффективности обеззараживания и стимулирует рост бактерий.

           В качестве допустимой концентрации веществ, влияющих на эстетические и органолептические показатели, принимается концентрация в 10 (для органических веществ) и более раз ниже пороговой. Однако чрезмерные усилия по полному устранению веществ, влияющих на органолептические показатели, в масштабах населенных пунктов могут оказаться неоправданно дорогостоящими и даже невозможными. В этой ситуации целесообразно использовать правильно подобранные локальные фильтры и системы водоподготовки, системы аэрации (например, для сероводорода).

         Соединения азота присутствуют в воде в основном в поверхностных источниках в виде нитратов и нитритов и относятся к веществам с санитарно-токсикологическим показателем вредности. Согласно СанПиН 10-124 РБ99 ПДК нитратов по NO₃ составляет 45мг/л (класс опасности 3), а нитритов по NO₂ – 3мг/л (класс опасности 2). Избыточное содержание этих веществ в воде может вызывать кислородное голодание за счет образования метгемоглобина (форма гемоглобина, в которой железо гема окислено до Fe(III), не способного переносить кислород),  а также  заболевания некоторыми формами рака. Наиболее подвержены метгемоглобинемии грудные дети и новорожденные. Вопрос очистки питьевой воды от нитратов наиболее остро стоит для сельских жителей, поскольку широкое использование нитратных удобрений приводит к накоплению их в почве, а затем, как следствие, и в реках, озерах, колодцах и неглубоких скважинах.

         Удалить нитраты и нитриты из питьевой воды на сегодняшний день можно двумя методами – на основе обратного осмоса и на основе ионного обмена. К сожалению, сорбционный метод (с использованием активированных углей) как наиболее доступный характеризуется низкой эффективностью.

         Метод обратного осмоса обладает чрезвычайно высокой эффективностью, однако следует учитывать  его дороговизну и тотальное обессоливание воды. Для преодоления этих недостатков разработаны и предлагаются специальные селективные анионообменные смолы, сродство которых по отношению к нитрат-ионам наиболее высокое.

         Железо в воде относится к 3 классу опасности с органолептическим показателем вредности. Уже в концентрациях около 0,3 мг/л железо окрашивает в рыжеватый цвет сантехническую арматуру, белье и придает неприятный привкус воде и напиткам, при концентрациях более 0,1 мг/л может приводить к образованию осадка в трубах и придавать воде грязный вид при одновременном присутствии алюминия. В зависимости от формы содержания в воде железо эффективно удаляется методами напорной аэрации, контактной коагуляции с последующим фильтрованием, каталитического окисления.

         Марганец часто сопутствует железу в подземных водах. Даже при концентрациях 0,05 мг/дм³, что  в два раза ниже предельно допустимой, марганец может откладываться в виде налета на внутренних поверхностях труб с последующим отслаиванием и образованием взвешенного в воде осадка черного цвета. При концентрациях 0,15 мг/дм³ и выше марганец может окрашивать белье и придавать неприятный привкус напиткам. СанПиН 10-124  РБ99 относит марганец к 3 классу опасности. Предельно допустимая концентрация  0,1 мг/дм³ устанавливается с позиций его красящих свойств. Марганец, в зависимости от ионной формы, можно удалить методами аэрации с последующим фильтрованием (при pH > 8,5), каталитическим окислением, ионным обменом, обратным осмосом или дистилляцией.

        Жесткость воды обусловлена, в основном, присутствием в ней растворенных солей кальция и магния. Гидрокарбонаты этих металлов неустойчивы и со временем преобразуются в нерастворимые в воде карбонатные соединения, выпадающие в осадок и вызывающие твердые отложения в водопроводных сетях, повышенное потребление моющих веществ. Соли кальция и магния влияют также на привкус воды; магний может вызывать слабительное действие в присутствии сульфат-ионов.

          Что касается тяжелых металлов (ТМ), то большинство из них обладает высокой биологической активностью. В процессе водоподготовки в обработанной воде могут появиться новые примеси (например, на этапе коагуляции может появиться токсичный алюминий). Авторы монографии «Тяжелые металлы во внешней среде» отмечают, что «согласно прогнозам и оценкам в будущем они (тяжелые металлы) могут стать более опасными загрязнителями, чем отходы атомных электростанций и органические вещества». «Металлический прессинг» может стать серьезной проблемой в связи с тотальным влиянием тяжелых металлов на организм человека. Хронические интоксикации ТМ имеют выраженное нейротоксическое действие, а также существенно влияют на эндокринную систему, кровь, сердце, сосуды, почки, печень, на процессы обмена. Воздействуют они и на репродуктивную функцию человека. Некоторые металлы обладают аллергенным действием (хром, никель, кобальт, железо), могут приводить к мутагенным и канцерогенным последствиям (соединения кадмия, хрома, никеля). Облегчает положение пока, в большинстве случаев, невысокая концентрация тяжелых металлов в подземной воде. Более вероятно присутствие тяжелых металлов в воде из поверхностных источников, а также появление их в воде в результате вторичного загрязнения. Наиболее эффективный способ удаления ТМ – использование фильтрующих систем на основе обратного осмоса.        

         Влияние превышения ПДК некоторых веществ в питьевой воде по данным ВОЗ, USEPA, ЕС на человека приведены в таблице.

          Необходимо также отметить, что, например, в Российской Федерации, 60% действующих очистных сооружений перегружены, 38% сооружений эксплуатируются 25-30 лет и более. Износ водопроводных и канализационных сетей с каждым годом нарастает и уже достиг 62%, из-за чего происходят прорывы, аварии и отключения. Это вызывает не только потери воды и перебои в водоснабжении, но и загрязнение природной среды и нарушение санитарно-эпидемиологического благо­получия населения.

         В Российской Федерации в последние годы от снижения качества питьевой воды, особенно страдают малые города и поселки, имеющие централизованные системы подачи воды.

На первых страницах Руководства по контролю качества питьевой воды, изданного в Женеве Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), приведена цитата: «…необходимы постоянные усилия по поддержанию качества питьевой воды на наиболее высоком возможном уровне. Уровень воздействия токсичных веществ должен быть как можно более низким». Поскольку возможности государств в этом плане ограничены, и здравый смысл подсказывает, что неразумно доводить до совершенства всю подаваемую для хозяйственно-питьевых нужд воду, то находит все большее понимание идея локальной доочистки воды от специфических примесей. Эта идея давно укрепилась в фармацевтике, в теплоэнергетике, в очистке воды для специальных технологических целей и находит все большее применение в доочистке питьевой воды. Таким образом, в Концепции программы предлагается создание комплексных локальных модульных систем водоподготовки  на принципе экономической целесообразности.

Требования к качеству воды, используемой для питьевых целей, вызывает необходимость создания комплексного локального водоподготовительного оборудования для очистки природной воды или коррекции ее примесного состава.

Для достижения требуемого  качества воды по токсикологическим, радиационным, органолептическим и микробиологическим показателям, включенным в нормативы на питьевую воду, в устройствах водоподготовки используются  физические, химические и электрохимические методы удаления и (или) нейтрализации примесей. При этом УВО само не должно выделять в очищаемую воду неконтролируемые, а тем более вредные, примеси.

        В конструкцию современного оборудования и устройств очистки воды должны закладываться принципы экономичности и эффективности, компактности, модульности и системности устройств, использования новых эффективных материалов и технологий, комплексного  конструирования систем водоподготовки, автоматизации процессов водоподготовки, энергосбережения, создания локальных водоочистных устройств.

        При конструировании локальных модульных  систем применяется метод объединения в единый комплекс различных, как правило,  «узкоспециализированных» установок, воздействующих на один вид или группу родственных видов примесей. По способу поступления воды устройства водоподготовки  могут быть напорные и безнапорные. Принципу компактности и технологичности в наибольшей степени удовлетворяют напорные локальные установки. Для осуществления возможности достижения в обрабатываемой воде контролируемой концентрации определенных видов примесей (кондиционирование воды), обеззараживания и стабилизационной обработки  воды широко используется дозирующая техника и вспомогательная техника (насосы, компрессоры).

       Системы могут монтироваться на общей раме или помещаться в утепленный контейнер. Локальные модульные системы и станции водоподготовки позволяют охватить широкий спектр удаляемых из воды и нейтрализуемых примесей, таких как: бактерии и вирусы; железо, тяжёлые металлы и радионуклиды; канцерогенные и мутагенные хлорорганические соединения и нитраты; органические вещества, влияющие на цветность, привкус и запах воды; соли жёсткости; нерастворимые в воде механические частицы (песок, ржавчина, илистые и  (или) глинистые включения и т.д.).

        В комплексной водоподготовке предлагается использовать такие виды фильтрующих материалов, как инертные и каталитические гранулированные фильтрующие наполнители, ионообменные смолы (аниониты и катиониты), сорбционные углеродные материалы,  микрофильтры, ультра-, нано- и обратноосмотические мембраны.

Системы обезжелезивания служат для удаления из воды растворенного железа (II), находящегося в воде в ионной или органической форме («гуматное железо») и, иногда, в десятки раз превышающего предельно допустимые концентрации, а также марганца и сероводорода. Существуют различные виды активных (каталитических) и пассивных гранулированных фильтрующих наполнителей,  а также многослойных комбинированных фильтрующих наполнителей, используемых в зависимости от состава воды и технологических требований. Для  некоторых видов наполнителей требуется вспомогательное оборудование (регенерационные баки, аэротанки, инжекторы, дозаторы и т.п.). Процесс работы систем полностью автоматизирован.

Системы умягчения воды предназначены для удаления из воды солей жесткости (в основном, кальция и магния), наличие которых приводит к преждевременному выходу из строя водопроводных устройств и нагревательных приборов, повышенному расходу топливно-энергетических ресурсов и моющих средств, отрицательному влиянию на кожу человека. В качестве наполнителей используются различные пищевые ионообменные смолы в H⁺, Na⁺(K⁺), OH^—, Cl^— –форме. Процесс регенерации оборудования автоматизирован и может контролироваться с помощью таймерного программатора в жестко заданное время  или по расходу воды с помощью электронного контроллера, связанного с датчиком расхода воды (что более экономично).

       Системы и фильтры механической очистки  воды используются для улавливания твердых нерастворимых частиц (окалина, песок, ржавчина, карбонатный осадок, глинистые включения и т.п. частички взвешенных веществ) и устанавливаются, как правило, в качестве пред- и пост-фильтров комплекса водоподготовки. Конструктивно системы и фильтры механической очистки  представляют собой автоматизированные (или с ручным управлением) установки напорного типа на основе одно- или многослойных инертных гранулированных фильтрующих  наполнителей, сетчатые или дисковые  промывные фильтры (ручные и автоматические), и картриджные фильтры со сменными фильтроэлементами, обеспечивающими самую тонкую микрофильтрацию.

        Системы сорбционной очистки  воды удаляют токсичные органические вещества, галогены (например, хлор), а также органические и некоторые неорганические вещества, влияющие на цветность, запах и привкус, улучшая, таким образом, органолептические характеристики воды. Конструктивно фильтры сорбционной очистки  представляют собой автоматизированные (или ручные) установки напорного типа с гранулированным активированным углем (древесные активированные угли, активированные угли на основе скорлупы кокосовых орехов, гидроантрациты, активированные угли импрегнированные солями тяжелых металлов) или картриджные, сочетающие  угольные гранулированные материалы, прессованные карбон-блоки, импрегнированные угольным порошком фильтры с микрофильтрами в едином модуле.

       Установки на основе обратного осмоса (RO), ультра- и нано-фильтрации предназначены для глубокой доочистки воды, обеспечивая самую высокую эффективность удаления практически всех видов  примесей, а также примесей, не удаляемых обычными методами очистки. Поры мембран обратноосмотических установок имеют размеры молекулы воды, поэтому для длительной работы такого оборудования требуется предварительная подготовка воды с использованием микрофильтров, установок умягчения, установок сорбционной очистки, иногда применяются дозаторы. Для обеспечения работы обратноосмотических установок требуются  насосы повышения давления, КИПиА и  ставится такое оборудование в качестве финишной ступени комплекса водоподготовки, а также для разбавления исходной воды с целью ее кондиционирования по примесному составу.

       Установки обеззараживания  воды необходимы для уничтожения бактерий и вирусов и, таким образом, обеспечения безопасности воды в бактериологическом отношении.

        В качестве установок для обеззараживания воды физическим методом применяются ультрафиолетовые облучатели, состоящие из  корпуса из пищевой нержавеющей стали, УФ-лампы в кварцевом чехле, устройств питания  и управления. Поглощение УФ — излучения микробом приводит к повреждению клеточных мембран и необратимому фотохимическому воздействию на молекулы ДНК. Усиление эффекта обеззараживания достигается в некоторых конструкциях введением дополнительно УЗ-генераторов кавитационных областей. Установки снабжаются датчиками мощности излучения и  блоками промывки. Для обеспечения высокой эффективности обеззараживания требуется предварительная подготовка воды. Химический способ обеззараживания основан на обработке воды хлором, озоном, ионами серебра и меди, электрохимической активацией воды или дозированием в обрабатываемую воду активных окислительных ионов и радикалов (хлора, диоксида хлора, пероксида водорода, озона, атомарного и ионизированного кислорода), в том числе полученных электрохимической активацией растворов NaCl.

         Созданы безреагентные комплексные системы очистки воды для индивидуальных потребителей, способные эффективно окислять и удалять примеси из природных вод, обеспечивая получение воды питьевого качества. В их основе лежит блок электрохимического окисления – БЭХО, который позволяет проводить высокоэффективное окисление химических соединений и проводить дополнительную бактериологическую очистку воды без использования дополнительных реагентов. Комбинация трех аппаратов (блока электрохимического окисления, фильтра механической очистки и фильтра-сорбента) позволяют проводить глубокую очистку подземных вод и доочистку водопроводной воды у индивидуальных потребителей с высокой эффективностью.

Разработанные в настоящее время установки, позволяющие значительно повысить эффективность очистки сточных вод от тяжелых металлов, используются на многих предприятиях России.

В настоящее время инновационное развитие невозможно без учета основных принципов  зеленой химии. Распространение основных принципов зеленой химии в научной и промышленной среде в России   протекает не достаточно высокими темпами. Многие  еще спорят о «цвете», в то время, как основное внимание должно быть обращено на распространение основных принципов, являющихся основой рационального природопользования. Понятие зеленая химия, в настоящее время, подразумевает  разработку и применение химических продуктов и процессов, уменьшающих или исключающих использование и образование вредных веществ.

Зеленая химия — одно из важнейших направлений предотвращения загрязнения окружающей природной среды отходами производства и потребления. Усиление контроля над использованием химикатов во всех областях народного хозяйства, возрастание размеров штрафных санкций, запрещение применения ряда опасных химических соединений  в технологических процессах явились для промышленности мощным побудительным мотивом к поиску замещающих химикатов, альтернативным технологиям, энерго- и ресурсосбережению, что является одним из основных условий рационального природопользования.

Поэтому принципы зеленой химии должны быть  положены в основу технических и технологических решений в процессах очистки сточных вод и получения питьевой воды, разрабатываемых в соответствии с данной программой.

          Цель предлагаемой программы — разработка гибких технологических схем и оборудования для очистки природных и сточных вод, содержащих специфические загрязнители: фториды, радиоактивные нуклиды, соединения бора, остатки гуминовых кислот и продукты их распада, железо, сульфиды, сероводород и др., с доведением их до питьевого качества. Создание 5 гибких экологически чистых технологических схем и 20 видов оборудования для оснащения типовых модульных систем водоподготовки для получения из природных вод различного состава от 2 до 300 м³ /час качественной питьевой воды.

         Задачи программы:

1. Определить наиболее типичные по приоритетным загрязняющим веществам и их сочетаниям составы природных вод, используемых для получения питьевой воды из источников питьевого водоснабжения, а также наиболее экологически опасные промышленные сточные воды малых предприятий, содержащие тяжелые металлы.
2. Разработать 5 гибких энергоэффективных и ресурсосберегающих технологических решений, обеспечивающих эффективное удаление из природных  вод приоритетных примесей, с получением питьевой воды, отвечающей  соответствующим  нормам;
3. Разработать основные аппараты и подобрать вспомогательное оборудование для оснащения разработанных технологических схем производительностью от 2 до 300 м³/час для процессов водоподготовки и очистки сточных вод малых предприятий от тяжелых металлов;
4. Разработать, спроектировать, изготовить и провести апробацию 5 типовых модульных систем различной производительности для водоподготовки из природных вод различного состава и очистки сточных вод малых предприятий от тяжелых металлов в антивандальном исполнении;

Сроки реализации программы – 3 года, в том числе по этапам:

1. На первом этапе планируется провести научно-техническую  разработку и определить оптимальные параметры процессов водоподготовки, выполнить технико-экономическое обоснование технологических решений и схем. Время выполнения этапа 6 месяцев.

2. На втором этапе   — разработать высокоэффективное, энергосберегающее основное оборудование для оснащения  разработанных экологически чистых технологических схем водоподготовки и водоочистки и подобрать вспомогательное оборудование соответствующей производительности. Время выполнения этапа 1 год.

3. На третьем этапе —  разработать, спроектировать, изготовить 5 типовых модульных систем водоподготовки различной производительности в антивандальном исполнении для получения качественной питьевой воды из  природных вод различного состава и очистки промышленных сточных вод малых предприятий. Время выполнения этапа 1 год.

4. На четвертом этапе – провести практическую апробацию 5 гибких экологически чистых технологических схем и 20 видов оборудования в типовых модульных системах водоподготовки, предназначенных для получения из природных вод различного состава от 2 до 300 м³ /час качественной питьевой воды. Время выполнения этапа 6 месяцев.

Государственным заказчиком-координатором Программы целесообразно определить Министерство ЖКХ  РФ, головным исполнителем    — Российский Химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, исполнителями-Российские инновационные предприятия.

Результаты – реализация мероприятий Программы позволит разработать типовые проекты станций водоподготовки модульного типа ; улучшить качество жизни и здоровье населения малых городов и поселков за счет повышения качества воды, используемой для питья; улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения, а в ряде случаев ликвидации загрязнения окружающей среды на локальных станциях водоподготовки; обеспечить создание новых рабочих мест на заводах по производству очистного оборудования.

Вода Magazine — Комплексные технологии очистки сточных вод предприятий по добыче и переработке рудного золота

Сточные воды горно-обогатительных производств характеризуются большим содержанием взвешенных веществ, низкой прозрачностью, относительно высокой минерализацией и разнообразием специфических ингредиентов, высоким содержанием металлов, цианидов и их комплексов с металлами, роданидов, токсичных органических загрязнителей (флотореагентов и флокулянтов). Внедрение водооборота на таких производствах требует проведения специальных исследований, разработки высокоэффективных методов очистки оборотных вод, обеспечивающих не только возврат воды необходимого качества, но и извлечение ценных компонентов. Проблема очистки жидких отходов, а также оборотных и сточных вод может быть решена с помощью комбинированных технологий, базирующихся на современных физико-химических и биотехнологических методах обезвреживания.

Неблагополучная экологическая ситуация, которая сложилась во многих странах (в том числе и в России), требует серьезных усилий ученых и общественности хотя бы для стабилизации существующего уровня загрязненности воздуха, воды, почвы и растительности. В настоящее время в нашей стране только осуществляется разработка нормативно-правовой базы для перехода на нормирование негативного воздействия на окружающую среду с использованием наилучших существующих (доступных) технологий (НСТ). В развитие Директивы 96/61ЕС в странах Евросоюза были разработаны и утверждены отраслевые справочники НСТ (Best Available Techniques REFerences — BREF) [1]. При этом международные информационно-технические справочники наилучших доступных технологий могут быть использованы лишь в качестве основы для разработки информационно-технических справочников наилучших доступных технологий, с учетом климатических, географических, экономических, технических и (или) технологических особенностей Российской Федерации [2].

В связи с этим архиважное значение приобретают процессы разработки и реализации новых экологически чистых технологий для рационального использования природных ресурсов, а именно, глубокой переработки сырья и отходов производства и потребления во всех сферах хозяйственной деятельности, технологий защиты окружающей среды от техногенных воздействий, включающие комплексное использование вновь добываемого сырья, переработку жидких и твердых техногенных отходов, создание бессточных производств [3, 4]. Особенно это актуально для предприятий минерально-сырьевого комплекса, т.к. добыча и переработка минерального сырья в отличие от большинства других видов деятельности оказывает воздействие на все элементы биосферы — литосферу, гидросферу, атмосферу, включая естественную биоту, независимо от способа разработки месторождений [5, 6, 7].

Добыча и переработка полезных ископаемых останется и в перспективе одним из стратегических направлений экономики России. По запасам и добыче многих видов полезных ископаемых, в том числе благородных металлов, наша страна входит в число мировых лидеров. Так, общая добыча и производство золота в РФ в 2010 году составили 202,677 т, и, по данным GFMS, наша страна вышла на четвертое место (после Китая, Австралии и США) среди основных поставщиков золота на международный рынок [8]. С 2002 года наметилась устойчивая тенденция роста добычи золота из коренных месторождений (70% от общей добычи в 2010 году. При этом с завершением разведки двух сверхкрупных месторождений (Сухой Лог и Наталкинское) доля коренных месторождений составила уже около 85% запасов золота России [9, 10].

Наиболее эффективным способом извлечения золота из руд является цианидное выщелачивание, несмотря на высокую токсичность и стоимость цианистого натрия. Арсенал технологий извлечения металла пополнился такими методами, как «уголь в пульпе», кучное с цианированием и биологическое выщелачивание и др. В настоящее время наблюдается интенсивный рост потребления цианидов, вызванный увеличением общего объема переработки коренных месторождений, а также ростом использования метода кучного выщелачивания [11]. В 2009 году расход цианида натрия в золотодобывающей отрасли России составил 33,3 тыс. т. или 250-300 т/т коренного золота (по данным «Инфомайн»). Сегодня золотоизвлекательные фабрики (ЗИФ), безусловно, могут быть отнесены к сложным химическим производствам с высоким удельным потреблением как воды, так и химических реагентов, и источникам загрязнения окружающей среды.

Переход к замкнутым циклам производственного водоснабжения с организацией локальных схем очистки оборотных вод является основным направлением в охране водных ресурсов, предполагающим значительное снижение удельного водопотребления вплоть до полного исключения попадания сточных вод в реки и водоемы [12].

Современными проектами обогатительных фабрик горных предприятий предусматривается достаточно высокий уровень оборотного водоснабжения (до 90-95% и более). Обеспечение стабильности основных технологических процессов обуславливает необходимость разработки оптимальных методов кондиционирования оборотных вод и схем водоснабжения практически для каждого объекта исследования в отдельности.

Сточные воды горнобогатительных производств являются сложными поликомпонентными системами и существенно разнятся между собой по химическому составу вследствие различий в вещественном составе перерабатываемых руд, схемах и реагентных режимах их переработки, изменений состава загрязняющих примесей в условиях протекания сложных физико-химических процессов. Характерным для сточных вод является большое содержание взвешенных веществ, низкая прозрачность, относительно высокая минерализация и разнообразие специфических ингредиентов, высокое содержание металлов, цианидов и их комплексов с металлами, роданидов, токсичных органических загрязнителей (флотореагентов и флокулянтов).

Внедрение водооборота требует проведения специальных исследований, разработки высокоэффективных методов очистки оборотных вод, обеспечивающих не только возврат воды необходимого качества, но и извлечение ценных компонентов. Проблема очистки жидких отходов, а также оборотных и сточных вод может быть решена с использованием комбинированных технологий, базирующихся на современных физико-химических и биотехнологических методах обезвреживания.

В настоящей статье рассмотрены технологии, разработанные авторами и апробированные на золотоизвлекательных фабриках в условиях Восточной Сибири.

Батоевой А.А. с соавторами [13, 14] разработана эффективная система регенерации легколетучих соединений сточных или оборотных растворов (на примере цианидов) AVR-методом (acidification-volatilization-reneu-tralization или «подкисление-отгонка- нейтрализация») с применением массообменных аппаратов центробежно-барботажного типа (рис. 1).

Установлено, что в условиях интенсивного массообмена при рН < 3 проведение AVR-процесса в центробежно-барботажных аппаратах (ЦБА) сопровождается не только практически полным регенеративным извлечением свободного цианида из отработанных растворов цианирования и осаждением металлов, но и частичным окислением тиоцианатов с образованием дополнительного количества HCN. Однако AVR-процесс не позволяет добиться снижения концентрации цианидов до норм ПДК. Помимо этого из растворов не извлекаются тиоцианаты, что требует проведения заключительной стадии обезвреживания, которая может быть осуществлена одним из окислительных методов.

В последнее время появляется все больше разработок по созданию новых и усовершенствованию безреагентных методов очистки сточных вод. Среди таких методов наиболее экологически и экономически целесообразными являются деструктивные методы на основе гальванокоагуляции, гальванохимического окисления, а также фитотехнологическая доочистка.

В Байкальском институте природопользования СО РАН [15, 16] разработан способ очистки тиоцианатсодержащих сточных и оборотных вод, заключающийся в пропускании воды с предварительно введенным пероксидом водорода через гальванокоагуляционную загрузку, представляющую собой смесь из равных объемных частей железной стружки и кокса, с одновременной подачей кислорода воздуха. Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что метод гальванохимического окисления позволяет реализовать процесс эффективной деструкции тиоцианатов в концентрационном диапазоне Cscn 100 мг/л (рис. 2, 3).

Сравнительные эксперименты по окислению тиоцианатов в различных железопероксидных системах показали, что при прочих равных условиях при ГХО наблюдается резкий рост начальной скорости окисления, что приводит к существенному снижению продолжительности окисления SCN- по сравнению с окислением в гомогенной системе {Fe3+ -h3O2} (рис. 3).

Это объясняется спецификой введения катализаторов в реакционную смесь, т.к. гальванопара железо-кокс при контакте с водой и воздухом одновременно активирует восстановление кислорода и непрерывно генерирует ионы Fe (II) и (III). В целом метод гальванохимической очистки промышленных сточных и оборотных вод от тиоцианатов имеет ряд преимуществ по сравнению с целым рядом деструктивных (очистка хлорной известью, озонирование и т.д.) методов. Во-первых, метод ГХО прост в аппаратурном оформлении, во-вторых, он позволяет значительно уменьшить эксплуатационные расходы и снизить себестоимость процесса очистки за счет исключения дополнительного введения катализатора, сокращения продолжительности процесса и использования в качестве активной загрузки производственных отходов.

Еще одним перспективным вариантом безреагентной доочистки сточных вод является метод фитотехнологий. Тимофеевой С.С. [17, 18] серией экспериментов показано, что водоросли и водные растения устойчивы к цианидам. Концентрация цианида натрия 100 мг/л не оказывает существенного влияния на ростовые реакции элодеи канадской и сценедесмуса квадрикауда, напротив, при действии цианида в концентрациях 1-50 мг/л наблюдается интенсивный рост растений и увеличение содержания белка.

Ингибиторный эффект зависит от рН, при рН 8-10 выражен значительно слабее, чем при рН 6, что, вероятно, является следствием деструкции цианидов в кислой среде и наличием цианидутилизирующей способности у микроводорослей и высших водных растений.

Биохимическим анализом установлено, что в течение всего эксперимента содержание белка в растениях остается постоянным или увеличивается при высоких концентрациях цианидов (10-100 мг/л). Активность оксидоредуктаз в растениях при экспозиции на растениях на растворах цианидов в концентрации 10 мг/л (фитомасса растений 5 г/л) изменяется незначительно, разница статистически недостоверна. Хотя известно, что цианиды являются ингибиторами металлсодержащих ферментов, наблюдаемый феномен можно объяснить наличием в растениях систем детоксикации цианидов. Резюмируя токсикометрические экспериментальные данные можно заключить, что водоросли и водные растения обладают высокой токсикорезистентностью к цианидам. Накопление цианидов в растениях не происходит, и они содержат ферменты, способные использовать цианиды как сырье в биохимических превращениях.

Доказано, что водные растения с высокими скоростями разрушают эти соединения, процесс биодеструкции осуществляется ферментативным путем при катализе специфической ферментной системой бета-цианоаланинсинтеза бета-цианоаланингидратаза. Продуктами ферментативной деструкции являются нетоксичные вещества — аминокислоты: аспарагин, цистеин и тиоэфиры. Процесс обезвреживания токсичных цианидов, роданидов, меркаптанов и сульфидов является истинным, так как происходит полная их нейтрализация, сопровождающаяся образованием веществ, используемых в биосинтезе белка.

Фитотехнология внедряется при глубокой или дополнительной очистке (доочистке) сточных вод с применением высшей водной растительности, которая успешно используется во многих странах мира на протяжении последних 50 лет.

Более 30 лет под руководством профессора С.С.Тимофеевой ведутся исследования по разработке и внедрению фитотехнологий очистки сточных вод и обезвреживания отходов в условиях резко континентального климата [19-28].

Одним из существенных преимуществ очистных сооружений с использованием фитотехнологии является их долговечность. Почти полное отсутствие металлических частей, которые подвержены коррозии, а также насосного оборудования, благодаря самотечному движению очищаемой воды обеспечивает очистным сооружениям на основе фитотехнологии почти неограниченный период эксплуатации, о чем свидетельствует опыт многих государств. В разных странах они получили такие названия: Constructed wetland, Reed bed, Artificial wetland, биоплато, биоинженерные сооружения, ботанические площадки и т. п.

К основным типам биоинженерных сооружений с использованием сообществ водной растительности относятся:
— гидроботанические площадки — мелководные акватории произвольной конфигурации с естественными зарослями водной растительности, создаваемые в естественных понижениях рельефа местности или на специально обволованных территориях;
— фитофильтрационные устройства — фильтрационные полосы тростника и других видов растений, создаваемые на намывных гребнях;
— биопруды с посадками специально подобранных видов водной растительности;
— искусственные болота — обволованные искусственные или естественные понижения рельефа местности с болотной растительностью;
— биоплато — гидротехнические сооружения, в которых сообщества водной растительности использются в качестве биофильтров. Они бывают береговые, русловые, устьевые, наплавные, инфильтрационные.

В отличие от аэротенков, биофильтров эксплуатация таких сооружений более проста и надежна. В настоящее время в мире эксплуатируется свыше 3000 очистных сооружений с использованием фитотехнологии. В таких очистных сооружениях создаются условия для интенсификации естественных процессов самоочищения вод при участии микроорганизмов и водной растительности.

Каждый тип очистных сооружений на основе фитотехнологии имеет свои особенности в зависимости от направления фильтрации воды. Как правило, фильтрационные биоплато представляют собой земляные фильтрующие сооружения, которые загружаются щебнем, гравием, керамзитом, песком или другими фильтрующими материалами. Фильтрация сточной жидкости осуществляется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. На поверхности сооружений высаживаются древесно-кустарниковые и травянистые растения. Очистка сточных вод осуществляется в результате жизнедеятельности группировок сосудистых растений, биопленки, микрофитов, микроорганизмов, грибов и актиномицетов в ризосфере корневой системы растений. Фильтрационные блоки имеют, как правило, противофильтрационный экран из одного- двух слоев глины или полимерной (гидротехнической) пленки.

Поверхностные биоплато размещаются в выемках, поверхность которых засаживается высшей водной растительностью — камышом, тростником, рогозом, осокой и другими местными видами. В качестве поверхностных биоплато могут использоваться болотистые участки местности, заросшие растительностью.

Высшая водная растительность, кроме функции очистки сточных вод, обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) жидкости в летний период — на 10-15%.

Наплавные биоплато представляют собой плавающие сетки из синтетических волокон, в отверстиях которых высаживают травянистые многолетние растения с развитой корневой системой. Наплавные биоплато хорошо зарекомендовали себя для очистки вод от плавающих примесей (пены, хлопьев, нефтепродуктов и др.).

Русловые биоплато представляют собой посадки высшей водной растительности по сечению русла водотоков. Береговые биоплато формируются в виде насаждений высшей водной растительности вдоль берегов водотоков.

Русловые и береговые биоплато предназначены преимущественно для очистки природных вод и восстановления качества воды водотоков — рек и каналов.

Комплекс биоплато для очистки сточных вод может состоять из следующих сооружений:
— сооружения механической очистки, а для производственных сточных вод еще и сооружения физико-химической очистки;
— фильтрационные блоки с вертикальным и горизонтальным движением воды;
— поверхностные блоки.

К настоящему времени под руководством проф. С.С. Тимофеевой детально изучены механизмы обезвреживания гидатофитами в регионах Сибири и Севера более 100 компонентов сточных вод различных отраслей промышленности. Установлено, что водные растения характеризуются высокой токсикорезистентностью к наиболее экологически опасным компонентам сточных вод обогатительных фабрик: цианидам, роданидам, сульфидам, меркаптанам, сульфидрильным собирателям (бутиловый ксантогенат; бутиловый дитиофосфат). Для золотоизвлекательных фабрик рекомендуется фитотехнология, включающая три ступени, засаживаемых в следующей последовательности:
— 1-я ступень — харовые водоросли С плотностью покрытия 2,5 кг/м2;
— 2-я ступень — элодея канадская с плотностью 1,5 кг/м2;
— 3-я ступень — рдесты и рогозы 30-40 экз./м2.

Схема реализована и опробована на Ангренской ЗИФ и Текелийском свинцово-цинковом комбинате.

При проектировании комплекса сооружений с применением фитотехнологий можно рекомендовать следующий алгоритм действий:

1. Выбор оптимальных параметров процессов деструкции органических веществ за счет жизнедеятельности биоты и иммобилизации регенерированных минеральных соединений. Эти исследования выполняются в условиях лабораторного эксперимента (микрокосм).

2. Выбор места расположения очистных сооружений, включая сооружения механической очистки, так, чтобы очищаемая вода перетекала из одного блока в другой самотеком, а комплекс сооружений биоплато вписывался в рельеф местности как его составная часть.

3. Выбор системы водоотвода при отключении блоков (секций) биоплато на период проведения ремонтных работ и аварийных ситуаций. Следует предусмотреть устройства для прекращения подачи сточных вод на любое сооружение, работающее во взаимозаменяемом режиме.

4. Строительство сооружений с использованием фитотехнологии желательно осуществлять в течение нескольких месяцев и закончить строительные работы в теплый период с тем, чтобы успеть к началу холодов осуществить посадку высшей водной растительности на блоках биоплато. Обычно плотность растительности должна достигать 10-12 стеблей на 1 м2 поверхности блока. При недостаточной плотности весной или летом следующего года осуществляется дополнительная посадка.

5. Растительность, которая развивается на поверхности блоков биоплато, не следует косить или сжигать. Отмирающие стебли и листва растений образуют торфяной слой (детрит), толщиной около 1 мм в год, где формируется биоценоз который дополнительно поглощает соединения азота и фосфора и, главное, обеспечивает надежное обеззараживание сточных вод.

6. Адаптация биогеоценоза биоплато к условиям нормальной эксплуатации происходит при подаче воды с дебитом 0,1-0,25 расчетной нагрузки. Этот процесс длится до тех пор, пока в очищаемой воде на выходе из биоплато не будет установлено снижение содержания загрязняющих веществ, которое свидетельствует о начале работы искусственного биогеоценоза. Это наступает ориентировочно через 2-4 месяца после начала опытной эксплуатации.

7. Для обеспечения эффективной эксплуатации биоплато при отрицательных температурах необходимо выполнять ряд требований. В зимний период следует максимально сохранять температуру сточных вод как в самом биоплато, так и в сооружениях и коммуникациях перед входом в биоплато (в отстойнике, колодцах и подводящих трубах). Растительная подстилка и грунтовой субстрат, накапливающиеся в биоплато, обеспечивают теплоизоляцию в холодный период года. Эта подстилка также аккумулирует снег, ограничивая конвекцию и снижая потери тепла. Для эффективной работы биоплато в зимний период необходимо поддерживать постоянный ток воды через сооружения. Глубина воды в блоках должна быть не менее 40-60 см. При этом в верхней части водной зоны инфильтрационных блоков образуется слой льда в виде крыши толщиной 5-10 см. Подо льдом поддерживается температура воды не менее +5 °С, достаточная для прохождения процессов очистки. Как показал опыт эксплуатации сооружений биоплато, эффективная очистка и бесперебойная работа в зимний период обеспечиваются даже при температурах ниже -30°С, при этом вода на выходе из биоплато имеет температуру не ниже +3°С.

Сооружения на основе фитотехнологий работают как самонастраивающаяся и саморегулируемая система. Для их надежной работы необходимо поддерживать оптимальный режим эксплуатации, соблюдая сравнительно простые правила:
— подача воды на сооружения должна быть постоянной, перерывы не должны превышать 1-2 суток;
— следует регулярно удалять из блока механической очистки осажденные и плавающие примеси;
— своевременно заменять проржавевшие металлические детали блока механической очистки (решетки, шиберы и др.) и регулирующей аппаратуры (задвижки, патрубки и др.), устранять оседание колодцев и трубопроводов;
— при отрицательных температурах обеспечивать условия прохождения очистки под ледяной «крышей»;
— при необходимости производить дополнительную посадку высшей водной растительности на поверхности блоков биоплато;
— через 5-7 лет эксплуатации при необходимости производить замену или разрыхление поверхностного слоя фильтрующего материала инфильтрационных блоков на глубину 5- 10 см;
— при необходимости делать обратную промывку дренажных трубопроводов.

Сооружения биоплато вместе с сооружениями механической очистки обслуживает один человек.
Срок службы фильтрационных блоков между капитальными ремонтами составляет не менее 20-25 лет. Поверхностные блоки в ремонте не нуждаются.

8. Кроме функций биоинженерного сооружения, биоплато как высокопроизводительная экосистема создает пространственную неоднородность в обедненных антропогенно-естественных ландшафтах, предоставляет дополнительные места обитания и пищевые ресурсы для многих видов флоры и фауны, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для поддержания биоразнообразия. Применение принципов ландшафтного дизайна при проектировании и строительстве биоплато позволяет широко использовать декоративные возможности сооружений для улучшения эстетики промплощадок и прилегающей территории.

Комбинированные методы потенциально являются экологически более чистыми, т.к. при их использовании принципиально возможна полная минерализация трудноокисляемых поллютантов. Перспективно также комплексное использование физико-химических и биологических методов, а именно реализация двухступенчатых процессов, один из которых представляет собой химическое окисление, а второй — биологическое окисление, с целью снижения общего объема реактора и минимизации энергии и материалов. Выбор метода (совокупности методов) обезвреживания токсичных примесей зависит в большей мере от характера (химической природы) сточных вод, их объема, концентраций загрязнителей, требований к качеству очищенной воды и др.
На основании полученных результатов разработана комплексная технология обезвреживания оборотных растворов цианидного выщелачивания золота из сульфидных флотоконцентратов с реализацией AVR- процесса (процесса регенерации цианида) (рис. 4).

 Литература:
1. Reference Document on Best Available Techniques for Management of tailing and waste-rock in mining activities// Europian Commission, Directorat-General Joint Research Centre, Institute for Prospective Tecnological Studies Sustainability in Industry, Energy and Transport.- July, 2004.- URL: http://ec.europa.eu/environment/ ippc/ brefs/mtwr_final_0704.pdf (дата обращения 06.07 2011 г.)
2. Проект федерального закона «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации (в части совершенствования нормирования в области охраны окружающей среды и введения мер экономического стимулирования хозяйствующих субъектов для внедрения наилучших технологий)» //Официальный сайт Минприроды России URL:http://www.mnr.gov.ru/regulatory/detail.php?ID=20817 (дата обращения 07.07.2011г.).
3. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды.- М.: Химия.- 1989.-512 с.
4. Приоритеты национальной экологической политики России. Центр экономики России. М., 1999.
5. Воробьев А.В., Каргинов К.Г., Ананикян С.А., Одинцова Е.С. Оценка воздействия на окружающую среду предприятий горной промышленности// Экологическая экспертиза.-2002.- №3.- С.96-104.
6. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П. Человек и природа: противоречия и пути их преодоления// Вестник Российской академии наук.- 2002.- Т. 72, № 5.- С. 405-409.
7. Певзнер М.Е. Горная экология: Учеб. пособ. для вузов — М.: Изд. МГГУ, 2003.- 395 c.
8. Брайко В.Н., Иванов В.Н. Ежегодный доклад Союза золотопромышленников «Золото — 2010»//Золото и технологии.- 2011.- №2(12) http://zolteh.ru/index.php? dn=news&to=art&id=343 .
9. Минеральное сырье: от недр до рынка: в 3-х т.- Т.1. Благородные металлы и алмазы/ Под ред. А.П. Ставского.- М.: Научный мир, 2011.- 400 с.
10. Волков А.В. Перспективы золотодобычи в Иркутской области//Золото и технологии.-2010.- №3(10) ttp://zolteh.ru/ index.php?dn=news&to=art&id=298
11. Огрель Л.Д. Тенденции и особенности использования химических реагентов золотодобывающими предприятиями России// Золото и технологии.-2010.- №3(10) http://zolteh.ru/index.php?dn= news&to=art&id=306
12. Ласкорин Б.Н., Барский Л.А., Персиц В.З. Безотходная технология переработки минерального сырья. Системный анализ.- М.: Недра, 1984.- 334 с.
13. Батоева А.А. Перспективные методы очистки цианидсодержащих оборотных и сточных вод// Вестник ИрГТУ.- 2011.-№ 10.- С.57-63.
14. Патент РФ №2310614. Способ обезвреживания цианид- и роданидсодержащих сточных вод/ Рязанцев А.А., Асалханов А.А., Батоева А.А Цыбикова Б.А. и др. — Опубл. 20.11.2007, Бюл. №32.
15. Батоева А.А., Цыбикова Б.А. Гальванохимическое окисление тиоцианатов// Журнал прикладной химии.- 2010.- Т.83, №11.- С.1816-1819.
16. Патент РФ № 2366617. Способ очистки сточных вод от тиоцианатов/Цыбикова Б.А., Батоева А.А. — Опубл. 10.09.2009, бюл.№25.
17. Тимофеева С.С., Жгунова Л.В. Токсикологическая экспертиза свободных и связанных цианидов, метиламина на автотрофных организмах// Иркутск,1983. — 17с. Деп. в ВИНИТИ,1983ю-№665-83 Деп.
18. Тимофеева С.С. Влияние компонентов золотоизвлекательных фабрик на растительные тест-объекты //Обобщенные показатели качества воды. Практические вопросы биотестирования и биоиндикации.-Черноголовка, 1983.
19. Тимофеева С. С. Экологическая биотехнология. Иркутск: Изд-во ИрГТУ.-1999 — 210 c.
20. Кашина Н.Ф., Тимофеева С.С., Ежова Л.Н., Кожова О.М. Оптимизация гидроботанического способа очистки сточных вод от ароматических аминов методами математического планирования эксперимента //Водные ресурсы .-1983.- №3.-с.153-160.
21. Тимофеева С.С., Меньшикова О.А. Роль макрофитов в очищении воды от алифатических аминов //Водные ресурсы .- 1984.-№3.-с.109-114.
22. Тимофеева С.С., Краева В.З., Меньшикова О.А. Роль водорослей и высших водных растений в обезвреживании цианидсодержащих сточных вод //Водные ресурсы .-1985.-№6.-с.111-116.
23. Тимофеева С.С., Меньшикова О.А, Использование макрофитов для интенсификации биологической очистки роданидсодержащих сточных вод//Водные ресур- сы .-1985.-№6.-с.80-85.
24. Timofeeva S.S., et al. Treatment of sewage containing aromatic amibes with par- ticipation of macrophytes //Acta hydrochim. hydrobiol. Part.1 -1987.-Bd.15.- Hf.6.-s.611- 622; Part.2 .-1988.- Bd.16.- Hf.1; s.73-80.
25. Тимофеева С.С., Русецкая Г.Д. Роль макрофитов в обезвреживании флотореагентов //Водные ресурсы.-1989.- №4.-с.187-94.
26. Тимофеева С.С., Тимофеев С.С. Биотехнологическая очистка сточных вод объектов нефтедобычи //Безопасность в техносфере, №4, 2010, с. 12-16
27. Тимофеева С.С., Тимофеев С.С., Медведева С.А.Биотехнологическая утилизация нефтешламов и буровых отходов //Вестник ИрГТУ, № 1, 2010. С. 158-163.
28. Тимофеева С.С., Тимофеев С.С. Системы с высшей водной растительностью для очистки сточных вод// Вода Маgazine, № 10 (50) октябрь 2011. с. 56-60.

Журнал «Вода Magazine», №5 (57), 2012 г.

Возможности использования водосберегающих технологий: локальные системы очистки сточных вод

очистка сточных вод | Процесс, история, важность, системы и технологии

Очистка сточных вод , также называемая очисткой сточных вод , удаление примесей из сточных вод или сточных вод до того, как они достигнут водоносных горизонтов или естественных водоемов, таких как реки, озера, устья и океаны.Поскольку чистая вода не встречается в природе (т.е. вне химических лабораторий), любое различие между чистой водой и загрязненной водой зависит от типа и концентрации примесей, обнаруженных в воде, а также от ее предполагаемого использования. В общих чертах, вода считается загрязненной, если она содержит достаточно примесей, которые делают ее непригодной для определенного использования, такого как питье, плавание или рыбалка. Хотя на качество воды влияют природные условия, слово загрязнение обычно подразумевает деятельность человека как источник загрязнения.Загрязнение воды, таким образом, вызывается в первую очередь сливом загрязненных сточных вод в поверхностные или грунтовые воды, а очистка сточных вод является основным элементом борьбы с загрязнением воды.

Популярные вопросы

Что такое сточные воды?

Сточные воды — это загрязненная форма воды, образующаяся в результате дождевых стоков и деятельности человека. Еще ее называют канализацией. Обычно их классифицируют по способу образования — в частности, бытовые сточные воды, промышленные сточные воды или ливневые сточные воды (ливневые сточные воды).

Как образуются сточные воды?

• Бытовые сточные воды образуются в результате использования воды в жилых домах, на предприятиях и в ресторанах.
• Промышленные сточные воды образуются в результате сброса производственных и химических производств.
• Дождевая вода в городских и сельскохозяйственных районах собирает мусор, песок, питательные вещества и различные химические вещества, загрязняя поверхностные сточные воды.

Какие обычные загрязнители присутствуют в сточных водах?

Сточные воды содержат широкий спектр загрязняющих веществ.Количество и концентрация этих веществ зависит от их источника. Загрязняющие вещества обычно подразделяются на физические, химические и биологические. Общие загрязнители включают сложные органические вещества, соединения, богатые азотом и фосфором, и патогенные организмы (бактерии, вирусы и простейшие). Синтетические органические химические вещества, неорганические химические вещества, микропластики, отложения, радиоактивные вещества, масло, тепло и многие другие загрязнители также могут присутствовать в сточных водах.

Как сточные воды обрабатываются на очистных сооружениях?

Очистные сооружения используют физические, химические и биологические процессы для очистки воды.Процессы, используемые на этих объектах, также подразделяются на предварительные, первичные, вторичные и третичные. На предварительном и первичном этапах удаляются ветошь и твердые частицы. Вторичные процессы в основном удаляют взвешенные и растворенные органические вещества. Третичные методы обеспечивают удаление питательных веществ и дальнейшую очистку сточных вод. Дезинфекция, последний шаг, уничтожает оставшиеся патогены. Отходы, образующиеся в процессе обработки, отдельно стабилизируются, обезвоживаются и отправляются на свалки или используются на земле.

Почему так важно восстановление ресурсов сточных вод?

Сточные воды представляют собой сложную смесь металлов, питательных веществ и специальных химикатов. Восстановление этих ценных материалов может помочь компенсировать растущие потребности общества в природных ресурсах. Концепции восстановления ресурсов развиваются, и исследователи исследуют и разрабатывают многочисленные технологии. Рекультивация и повторное использование очищенной воды для орошения, пополнения запасов подземных вод или рекреационных целей — это особые области внимания.

Историческая справка

Прямой сброс сточных вод

Во многих древних городах были дренажные системы, но они в первую очередь предназначались для отвода дождевой воды с крыш и тротуаров. Ярким примером является дренажная система Древнего Рима. Он включал в себя множество поверхностных водоводов, которые были связаны с большим сводчатым каналом, называемым Cloaca Maxima («Великая канализация»), по которому дренажные воды поступали в реку Тибр. Построенная из камня и грандиозная, Cloaca Maxima является одним из старейших существующих памятников римской инженерии.

Cloaca Maxima

Выход из Cloaca Maxima в реку Тибр, Рим, Италия.

Lalupa

В средние века в городской канализации и дренаже не было прогресса. Использовались тайные хранилища и выгребные ямы, но большинство отходов просто сбрасывались в сточные канавы, чтобы их смыло через канализацию во время наводнения. Туалеты (унитазы) были установлены в домах в начале 19 века, но они обычно были связаны с выгребными ямами, а не с канализацией. В густонаселенных районах местные условия вскоре стали невыносимыми, поскольку выгребные ямы редко опорожнялись и часто переполнялись.Угроза общественному здоровью стала очевидной. В Англии в середине 19 века вспышки холеры были связаны непосредственно с источниками колодезной воды, загрязненной человеческими отходами из кладовых и выгребных ям. Вскоре возникла необходимость подключить все туалеты в крупных городах напрямую к ливневой канализации. В результате сточные воды с земли возле домов переместились в близлежащие водоемы. Таким образом, возникла новая проблема: загрязнение поверхностных вод.

Раньше говорили, что «решение проблемы загрязнения — это разбавление.«Когда небольшое количество сточных вод сбрасывается в проточный водоем, происходит естественный процесс самоочищения струи. Однако в густонаселенных общинах образуются такие большие объемы сточных вод, что одно лишь их разбавление не предотвращает загрязнения. Это требует определенной обработки или очистки сточных вод перед их утилизацией.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Строительство централизованных очистных сооружений началось в конце 19 — начале 20 веков, в основном в Великобритании и США.Вместо того, чтобы сбрасывать сточные воды непосредственно в ближайший водоем, их сначала пропускали через комбинацию физических, биологических и химических процессов, которые удалили некоторые или большинство загрязнителей. Также, начиная с 1900-х годов, были разработаны новые системы сбора сточных вод для отделения ливневой воды от бытовых сточных вод, чтобы очистные сооружения не перегружались в периоды влажной погоды.

После середины 20 века растущая озабоченность общества качеством окружающей среды привела к более широкому и более строгому регулированию методов удаления сточных вод.Требовались более высокие уровни лечения. Например, предварительная очистка промышленных сточных вод с целью предотвращения воздействия токсичных химикатов на биологические процессы, используемые на очистных сооружениях, часто становилась необходимостью. Фактически, технология очистки сточных вод продвинулась до такой степени, что стало возможным удалять практически все загрязнители из сточных вод. Однако это было настолько дорого, что такие высокие уровни лечения обычно не были оправданы.

Станции очистки сточных вод стали большими сложными объектами, для работы которых требовалось значительное количество энергии.После роста цен на нефть в 1970-х годах забота об энергосбережении стала более важным фактором при разработке новых систем контроля загрязнения. Следовательно, землеотвод и подземный сброс сточных вод стали получать повышенное внимание там, где это возможно. Такие «низкотехнологичные» методы борьбы с загрязнением могут не только способствовать экономии энергии, но также могут служить для повторного использования питательных веществ и пополнения запасов грунтовых вод.

Что такое усовершенствованная очистка сточных вод?

Что такое доочистка сточных вод?

Определение усовершенствованной очистки сточных вод

Американский институт инженеров-химиков определяет усовершенствованную очистку сточных вод как «любой процесс, который может уменьшить количество примесей в сточных водах ниже того [того, что] достижимо с помощью традиционной вторичной или биологической очистки.”

Почему необходимы современные технологии очистки сточных вод?

Современные решения по очистке сточных вод стали предметом глобального интереса, поскольку отдельные лица, сообщества и отрасли находят способы сохранить основные ресурсы доступными и пригодными для использования. Усовершенствованная очистка сточных вод необходима, поскольку общество смягчает последствия роста населения, урбанизации, индустриализации и истощения питьевой воды.

Очистка сточных вод не всегда может обеспечить эффективную очистку сточных вод, что может вызвать ряд проблем, включая проблемы с запахом и проблемы со здоровьем.Чтобы справиться с этими проблемами, внедряются новые методы очистки сточных вод.

С применением передовых технологий очистки сточных вод возможно дальнейшее улучшение качества сточных вод за пределы ограничений традиционных технологий для достижения цели восстановления или сохранения ресурсов. Сточные воды со станций предварительной очистки сточных вод могут быть переработаны прямо или косвенно для увеличения доступного бытового водоснабжения.

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, с точки зрения общественного здравоохранения, «адекватные и надежные средства дезинфекции являются наиболее важными характеристиками передового процесса очистки сточных вод.”

Каковы процессы глубокой очистки сточных вод?

Усовершенствованные процессы очистки сточных вод могут быть биологическими, физико-химическими процессами или их комбинацией.

Биологические процессы для глубокой очистки сточных вод

Биологические процессы удаляют питательные загрязнители, такие как азот и фосфор.

Периодически декантируемые системы отстойников расширенной аэрации для удаления азота и системы биологически усиленного удаления фосфора являются важными технологиями доочистки.Расширенная система аэрации лагуны биологически удаляет азот из бытовых сточных вод.

Биологическое удаление азота — это двухэтапный процесс. Первый этап — это нитрификация аммиачного азота в нитрат-азот нитрифицирующими бактериями, а второй этап — денитрификация нитратного азота в газообразный азот.

Физико-химические процессы для глубокой очистки сточных вод

Физико-химические процессы, включая глубинную фильтрацию, фильтрацию в плавающих средах и мембранную фильтрацию.

Согласно оценке устойчивости передовых технологий очистки сточных вод (Hoibye et al., 2008), к другим передовым технологиям очистки сточных вод относятся:

Новые технологии очистки могут успешно удалять из сточных вод широкий спектр сложных загрязнителей. Поскольку мир борется с сокращением водных ресурсов, усовершенствованная очистка сточных вод станет критически важной для восстановления водных ресурсов как для питьевого, так и для непитьевого использования.

Новые тенденции в технологиях очистки сточных вод: текущая перспектива

Одной из основных причин, которые привели к появлению новых или улучшенных технологий очистки сточных вод, является законодательство и огромные штрафы, которые взимаются, когда сброс сточных вод не соответствует установленному сбросу. пределы.Это влияние на финансовое благополучие заводов и промышленных предприятий привело к появлению новых или улучшенных технологий очистки.

Анаэробные и аэробные технологии стали популярными в последнее время при очистке органических сточных вод из-за их безвредности для окружающей среды и экономической эффективности. Однако анаэробные технологии на голову выше других технологий из-за низкого энергопотребления.

Характер сточных вод в первую очередь диктует выбор применяемой технологии, и поэтому очень важно охарактеризовать потоки для определения ключевых характеристик сточных вод, таких как ХПК, TS, VS и содержание соли, среди прочего.Основная направленность этой главы основана на трех новых технологиях, а именно технологиях мембранных, микроводорослевых и микробных топливных элементов (MFC). Эти технологии могут использоваться независимо или последовательно в качестве лечебного механизма.

3.1 Мембранная технология

Мембранная технология (МТ) охватывает связанные инженерные и научные подходы к транспортировке компонентов, видов или веществ через мембраны или через них [44]. Этот метод обычно используется для объяснения механических процессов разделения потоков газа или жидкости.Мембраны классифицируются как тонкослойные барьеры для разделения по размеру, которые обычно интегрируются с химической и биологической очисткой, или как автономные системы при вторичной очистке сточных вод [44, 45]. Для типичного мембранного механизма обычно существует движущая сила, такая как полупроницаемый барьер, который контролирует скорость движения компонентов за счет фракционного проникновения и отталкивания через поры разных размеров, как показано на рисунке 1. Проникновение и избирательное отторжение являются функция размера пор мембраны и химического сродства позволяет получать поток продукта, лишенный целевых компонентов.Некоторые преимущества и недостатки представлены на рисунке 2.

Рисунок 1.

Мембранная селективная проницаемость для различных растворенных веществ адаптирована из Tetteh et al., 2019 [45].

Рисунок 2.

Некоторые преимущества и недостатки мембранной технологии. По материалам Burggraaf 1996 [46].

3.1.1 Классификация мембран

3.1.1.1 Микрофильтрация

Микрофильтрация (MF) использует механизм просеивания для удержания макромолекул или частиц размером более 0.1 мкм, а точнее в диапазоне 0,1–10 мкм [45]. В отличие от ультрафильтрации (UF), обратного осмоса (RO) и нанофильтрации (NF), трансмембранное давление (TMP) для обеих сторон мембраны низкое в результате удержания более мелких частиц. Таким образом, для MF требуется относительно небольшой TMP, то есть ниже 2 бар, но он может варьироваться от 0,1 до 2 бар [47]. Большие размеры пор мембран MF ограничивают удаление взвешенных твердых частиц, бактерий, вирусов, цист простейших и, в меньшей степени, органических коллоидов в данном регионе [48].

3.1.1.2 Ультрафильтрация

Эффективность процессов ультрафильтрации (УФ) в настоящее время получает все большее признание в качестве предварительной обработки для опреснения воды и применения в мембранных биореакторах. UF, как и MF, использует физическое просеивание в качестве механизма разделения. Размер пор, отсечка по молекулярной массе (MWCO) и давление для фильтрации через УФ мембрану составляют от 0,05 мкм до 1 нм, 1–500 кДа и рабочее давление 1–7 бар [47]. Фактически, УФ с определенным MWCO непроницаемы для соединений с молекулярной массой, превышающей MWCO, и продемонстрировали 3–6 log удаления устойчивых к хлору цист простейших, коллоидов, вирусов и бактерий группы кишечной палочки.Использование MF и UF в качестве предварительной обработки для обратного осмоса (RO) все чаще встречается в промышленных масштабах. Оба могут служить в качестве стратегий предварительной обработки для процессов NF и RO для уменьшения загрязнения мембраны, которая применяется в качестве дополнительной обработки для химического осаждения с целью удаления органических химикатов, регулирования pH и удаления фосфора, твердости и металлов. Загрязнение чрезвычайно заметно при УФ применениях из-за высокой молекулярной массы удерживаемых фракций по сравнению с небольшими перепадами осмотического давления и коэффициентом диффузии жидкой фазы.Однако это не оказывает отрицательного влияния на спрос на УФ, поскольку любая конструкция, конфигурация и применение будут нарушены [49, 50]. На конфигурацию для применения могут влиять механическая стабильность, гидродинамические требования и финансовые последствия.

3.1.1.3 Ионообменные мембраны

Мембраны классифицируются как анионообменные мембраны (AEM), если полимерная матрица заделана фиксированными группами положительного заряда, и наоборот, для катионообменных мембран (CEM) [51], что включает проникновение анионов / катионов и отторжение катионов / анионов в сточных водах.Электродиализ (ED), обратный электродиализ (RED), диффузионный диализ (DD) и мембранный процесс Доннана (DMP) являются примерами таких, которые обычно включают обмен ионами между растворами через мембрану, как показано на рисунке 3. Применение метода эти процессы обычно основаны на типе сточных вод, о котором обычно сообщают как об энергоресурсном механизме разделения по градиенту потенциала.

Рисунок 3.

Принципиальная схема ED адаптирована из Obotey 2020 [47].

3.1.1.4 Обратный и прямой осмос

Обратный осмос (RO) часто называют герметичной мембраной и широко используется в солоноватой воде и в очистных сооружениях. Его эффективность при опреснении оказалась более эффективной, чем обычное многоступенчатое термическое опреснение [49]. Высокое внешнее давление от 15 до 150 бар является результатом гипертонической подачи и обычно превышает осмотическое давление, которое применяется для удержания растворенного вещества, а также предотвращения и обеспечения проникновения растворителя при MWCO около 100 Да через механизм диффузии [47] .Некоторые преимущества системы обратного осмоса, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях, включают низкое энергопотребление, простую конфигурацию и эксплуатацию, низкую тенденцию к засорению мембран и высокую степень защиты от широкого спектра загрязняющих веществ. При градиенте концентрации в качестве движущей силы разделение и концентрирование при прямом осмосе (FO) происходит, когда концентрированный раствор (например, соли, такие как NaCl) вытягивает воду из менее концентрированного исходного раствора. FO используется в условиях окружающей среды, поэтому необратимое загрязнение невелико.Однако для достижения желаемого технологического процесса и оптимальной конфигурации RO располагаются поэтапно и проходят этапы. Последовательность стадий включает поток концентрата первой стадии в качестве входного отверстия для загрузки второй стадии. Кроме того, потоки пермеата с обеих ступеней направляются в один выпускной канал.

3.1.1.5 Электродиализ (ED) и обратный электродиализ (EDR)

Эти процессы сочетают в себе принципы выработки электричества и ионопроницаемых мембран для отделения растворенных ионов от воды [45].Разница в электрическом потенциале приводит к переносу ионов из разбавленного раствора в концентрированный через ионопроницаемую мембрану. Во время электродиализа используются два типа ионообменных мембран, как показано на рис. 3. Один из них проницаем для анионов и отталкивает катионы, а другой — для катионов и отводит анионы. Есть также два потока: концентрат и разбавитель (сырье). Когда электрический ток проходит через систему, ионы из разбавителя мигрируют в концентрат через противоположно заряженные мембраны (катионы мигрируют к катоду, а анионы мигрируют к аноду).Затем катионы удерживаются положительно заряженной анионообменной мембраной (AEM). Точно так же анионы удерживаются катионообменной мембраной (CEM). Результатом этого является обеднение исходного потока ионами, в то время как поток концентрата становится богатым ионами [44].

3.1.2 Применение мембранной технологии (МТ)

Более широкий спектр промышленных и экологических применений МТ основан на его преимуществах, таких как (1) чистая технология, (2) энергосбережение (в большинстве случаев) и (3 ) возможность замены традиционных процессов; такие как системы фильтрации, дистилляции, ионного обмена и химической очистки [52].Схематическое представление приложений МП показано на рисунке 4. Другими преимуществами являются (4) его способность производить высококачественную продукцию и (5) гибкость в проектировании системы. Благодаря многопрофильному применению этот метод применяется в нескольких отраслях, включая водоподготовку для бытового и промышленного водоснабжения, химическую, фармацевтическую, биотехнологическую, пищевую, металлургическую, а также в различных процессах разделения.

Рисунок 4.

Применение мембранных процессов адаптировано из Obotey 2020 [47].

3.2 Очистка сточных вод от микроводорослей (MWWT)

Водная безопасность — это перспектива, которая определяет надежную доступность воды приемлемого качества и количества для здоровья, жизнеобеспечения и производства; в сочетании с приемлемым уровнем рисков, связанных с водой [53, 54]. Однако динамика населения и рост промышленных предприятий вызвали дисбаланс в уравнении водных ресурсов. Внутреннее использование воды и спрос на воду в производственном секторе экономики вместе с коммерческими услугами и сельскохозяйственным сектором превзошли возможности снабжения источников питьевой воды [54].Неэтичный сброс сточных вод из некоторых из этих источников приводит к серьезным социальным, медицинским и экологическим проблемам. Кроме того, страны с дефицитом пресной воды испытывают растущую потребность в поощрении стратегий повторного использования воды из-за недостаточного количества осадков и отсутствия возможностей для сбора дождевой воды, что, в свою очередь, направлено на сокращение сброса сточных вод. Функциональные очистные сооружения для муниципалитетов по всему миру доказали свою высокую требовательность к работе с точки зрения затрат химикатов и энергии.Хотя основными стадиями очистки являются первичный, вторичный и третичный, сточные воды этих предприятий способствуют вторичному загрязнению, поскольку они не могут соответствовать требованиям «зеленой капли» [54]. Фиторемедиация — это зеленая стратегия, которая улавливает остаточные загрязнители из сточных вод и делает их пригодными для повторного закачивания в систему водоснабжения. Использование систем очистки сточных вод на основе микроводорослей получило серьезное внимание исследовательского сообщества; и в сотрудничестве с промышленностью были разработаны различные технологии и стратегии очистки сточных вод для удовлетворения конкретных потребностей в этом секторе [55].

3.2.1 Вмешательство в микроводоросли

Стандартные питательные среды были оптимизированы для конкретных штаммов микроводорослей и впоследствии модифицированы для культивирования многих других штаммов. Затем они используются в качестве шаблонов для определения характеристик сточных вод и выбора штамма микроводорослей или консорциума микроводорослей, которые наилучшим образом могут обрабатывать данный источник сточных вод. Протокол борьбы с микроводорослями (MAIP) в основном разработан для того, чтобы очистить сточные воды от СОСВ от остаточных загрязнителей и одновременно производить высокоценные продукты, тем самым отвечая требованиям «зеленой капли» [2, 3].Таким образом, MAIP интегрирован в обычные очистные сооружения и модернизирует их до усовершенствованных очистных сооружений (AWWTP). Это, в свою очередь, дает возможность связывать нитраты и ортофосфаты, что в случае неудачи приведет к эвтрофикации, которая будет индуцироваться и распространяться в принимающих водах [3]. Необходимость регулировать выбросы азота и фосфора в окружающую среду вытекает из следующего: (i) поскольку свободный аммиак, аммиачный азот вреден для рыб и другой водной биоты, (ii) аммиак потребляет растворенный кислород (DO) и, следовательно, представляет собой потенциал истощения DO, (iii) и фосфор, и азот являются питательными веществами для растений и, следовательно, способствуют эвтрофикации, (iv) ион NO ₃ , нитрат-азот вступает в реакцию и соединяется с гемоглобином, что способствует детской смертности.Кроме того, нитрат-азот может быть восстановлен до мутагенных нитрозаминов в желудочно-кишечном тракте, что создает большую опасность для младенцев [56]. Различные исследовательские группы [57, 58, 59, 60] сообщили о наличии новых загрязнителей (ВП) в WW и о возможных нежелательных эффектах, которые многие из них могут оказывать на окружающую среду и живые организмы. Эти EP включают, среди прочего, пестициды, фармацевтические препараты и средства личной гигиены; предложены некоторые технологии их удаления; такие как стратегии физико-химической и биологической очистки.Удаление EP с использованием чистых штаммов микроводорослей оказалось эффективным. Однако технологии удаления EP на основе микроводорослей не получили заметного внимания в мировом исследовательском сообществе.

Пропаганда использования микроводорослей для связывания питательных веществ сточных вод в качестве метода очистки получила признание во всем мире. Однако есть скептицизм в отношении использования сточных вод для выращивания микроводорослей для производства биомассы и биопродуктов. Это в первую очередь связано с тем, что сточные воды поступают из самых разных источников и, следовательно, обладают широким спектром свойств, стабильность которых находится под вопросом.Таким образом, предварительная обработка является необходимым этапом для очистки сточных вод с микроводорослями, что снижает экономию процесса. Это приводит к необходимости принятия интегрированного протокола очистки сточных вод микроводорослей [61, 62, 63, 64].

3.2.2 Стратегии очистки сточных вод от микроводорослей

Помимо способности микроводорослей связывать Nh4-N, NO3- -N и PO43-, микроводоросли также удаляют тяжелые металлы и органический углерод из сточных вод, предотвращая вторичное загрязнение. Однако предыдущие исследования показали, что микроводоросли редко могут расти в неразбавленных сточных водах из-за высоких концентраций аммония и других соединений, часто присутствующих в сточных водах.Различные виды микроводорослей демонстрируют разные индексы роста при каждой очистке сточных вод. Поэтому крайне важно выбрать подходящий штамм микроводорослей для очистки данного источника сточных вод. Унгуряну с соавторами [63, 65] сообщили, что микроводоросль C. mexicana продемонстрировала самый высокий уровень удаления азота, фосфора и углерода из сточных вод свинокомплексов по сравнению с пятью другими видами ( C. vulgaris , M. reisseri , Nitzschia cf. pusilla , O. multisporus и S.косой ). При культивировании микроводоросли C. zofingiensis в сточных водах свиноводства с использованием различных коэффициентов разбавления было удалено 79,84% ХПК, 82,70% общего азота и 98,17% общего фосфора [63]. В другом исследовании с использованием V. vulgaris 60–70% ХПК и 40–90% Nh5 ⁺ -N были удалены из разбавленных сточных вод свиноводства [65]. Самый высокий процент удаления был получен для сточных вод, разбавленных в 20 раз. Хотя доочистка городских сточных вод и рекультивация потоков отходов животноводства является дополнительным технологическим и экономическим давлением на муниципалитеты и фермы, которое угрожает их экономической устойчивости, но в то же время дает возможность [63].Однако есть несколько проблем с существующими системами выращивания микроводорослей. Например, водоросли, выращенные в открытом водоеме или системе желобов, взвешиваются в воде в присутствии растворимых и взвешенных отходов, и их может быть чрезвычайно трудно собрать, поскольку масляные микроводоросли имеют диаметр примерно 5–10 микрометров. Многие из высокопродуктивных микроводорослей не могут быть легко отфильтрованы и собраны с помощью центрифугирования, что является дорогостоящей единичной операцией. Водоросли можно собирать осаждением; однако это медленный процесс и требует значительных площадей.Соли металлов можно использовать в качестве флокулянтов для облегчения седиментации; однако это приводит к загрязнению воды. Системы водорослевых прудов также подвержены вымыванию, когда водоросли покидают систему и попадают в поверхностные воды [63, 65]. Интегрированные системы очистки сточных вод с микроводорослями являются примерами «зеленой» технологии, которая включает в себя как обычные очистные сооружения, так и протокол очистки сточных вод с микроводорослями, которые, как считается, в первую очередь предназначены для решения насущных проблем, таких как глобальное потепление и изменение климата. Биомасса микроводорослей, образующаяся при очистке сточных вод, представляет собой поглотитель углерода и, таким образом, смягчает негативное влияние CO ₂ за счет фотосинтетического связывания этого парникового газа [66].

3.2.2.1 Открытые водоемы

Открытые водоемы подразделяются на естественные системы, искусственные водоемы и емкости. Природные системы включают озера и лагуны; искусственные пруды, которые представляют собой открытые пруды без перемешивания, круглые открытые пруды, смешанные с помощью смесителя с центральным шарниром, или пруды с желобом; и контейнеры. К обычно используемым формам относятся водоемы с желобом, круглые пруды и резервуары, из которых наибольшее внимание привлекли водоемы с желобом [64].

Пруды для стабилизации отходов используются для очистки сточных вод десятками тысяч небольших населенных пунктов по всему миру.Эти пруды дешевы, просты в эксплуатации и обеспечивают эффективную очистку сточных вод с точки зрения удаления органического углерода и патогенов. Однако удаление фосфора в прудах-стабилизации отходов часто невелико, обычно от 15 до 50% [62, 64]. Из-за этого регулирующие органы все больше настаивают на модернизации систем прудов для предотвращения эвтрофикации принимающих водоемов. Проблема в том, что современные варианты модернизации часто включают использование дозирования химикатов, что способствует вторичному загрязнению, что делает восстановление и повторное использование фосфора очень трудным, а в некоторых случаях почти невозможным.Что необходимо, так это устойчивое и дешевое решение для удаления фосфора из сточных вод и, в идеале, для восстановления и повторного использования фосфора. Была выявлена ​​потенциально появляющаяся технология экологического процесса, при которой микроводоросли в системах прудов стабилизации отходов могут быть инициированы к чрезмерному накоплению фосфора в своих клетках. Хотя микроводоросли в озерах могут накапливать полифосфаты, есть потенциал использования этого природного явления для оптимизации удаления фосфора в прудах для очистки сточных вод от водорослей [62, 63].

Рис. 5 (A) Это пруд с каналом, в котором используется моторизованное лопаточное колесо (PW) для инициирования и поддержания движения и перемешивания клеток микроводорослей (MC), тем самым предотвращая их осаждение на слой реактора. Он увеличивает воздействие света и питательных веществ на МК и способствует межфазному массопереносу. Однако, хотя потребность PW в энергии смешения относительно низка, эффективность переноса газа также невысока. В некоторых случаях аэраторы используются для добавления CO ₂ , чтобы улучшить рост микроводорослей и, следовательно, способствовать секвестрации питательных веществ из бульона.Пруд работает при преобладающей температуре, а интенсивность света зависит от поступающей солнечной инсоляции [67]. Рисунок 5 (B) представляет собой прямоугольный открытый несмешиваемый пруд (ROP). У МС здесь нет привилегии равного освещения. MC, которые находятся около дна, экранируются от света теми, что выше, тем самым создавая слепые зоны для фотосинтетической активности, что приводит к снижению плотности клеток (CD) и продуктивности. На рисунке 5 (C) показаны открытые круглые контейнеры (OCC), которые не смешиваются. На рисунке 5 (D) показаны системы круглых открытых водоемов (COPS), оборудованные смесителями [15, 16].

Рис. 5.

Системы открытых прудов с микроводорослями [66, 67, 101].

3.2.2.2 Закрытые биореакторные системы (CBR)

Закрытые фотобиореакторные системы характеризуются (i) эффективными фотосинтетическими действиями, связанными с адекватным контролем рабочих переменных, (ii) меньшим риском загрязнения и (iii) минимизацией потери воды за счет испарение, которое является серьезной проблемой в открытых системах. Однако закрытые системы более дороги, так как они должны быть построены из прозрачных материалов, более сложны в эксплуатации и их сложно масштабировать.Закрытые фотобиореакторы различаются по конфигурации, и основными типами являются барботажные колонны, эрлифтные реакторы, трубчатые (петлевые) реакторы и реакторы с мешалкой. Фотобиореакторы, использующие микроводоросли для очистки сточных вод и производства биомолекул, имеют (i) повышенную эффективность использования световой энергии, (ii) адекватную систему смешивания, (iii) простоту контроля условий реакции, (iv) снижение гидродинамической нагрузки на клетки. [68, 69, 70].

Рисунок 6 представляет собой графическое изображение сценариев фотобиореактора для пузырьковой колонны, эрлифта и кольцевой конфигурации.Реактор с барботажной колонной в основном представляет собой цилиндрический сосуд с газораспределителем внизу. Газ барботируется в виде пузырьков либо в жидкую фазу, либо в суспензию жидкость-твердое вещество без механического перемешивания. Во время работы перемешивание и массообмен CO ₂ осуществляются за счет действия барботеров с внешним источником света. Конфигурация газового распределителя важна, поскольку она определяет свойства пузырьков; такие как размер пузырька, который, в свою очередь, влияет на задержку газа и другие гидродинамические параметры, связанные с пузырьковыми колоннами.Эффективность фотосинтеза зависит от скорости потока газа, которая дополнительно зависит от фотопериода, поскольку жидкость регулярно циркулирует от центральных темных зон к внешним фотическим зонам. Это подвергает больше MC воздействию питательных веществ в среде, которой в контексте данной главы являются сточные воды. Эффективность фотосинтеза может быть увеличена за счет увеличения скорости потока газа (≥ 0,05 м / с), что, в свою очередь, приводит к более коротким фотопериодам [68, 69]. Этот тип реактора имеет преимущества более высоких скоростей массообмена; и низкие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание благодаря меньшему количеству движущихся частей.Однако обратное перемешивание и коалесценция были определены как основные проблемы для этих реакторов. Существует верхний предел увеличения скорости потока, при превышении которого образовавшийся неоднородный поток в конечном итоге вызовет обратное смешение компонентов газа. Масштабируемость и экономичность выращивания микроводорослей с использованием фотобиореакторов остаются проблемами, которые необходимо преодолеть для крупномасштабного производства микроводорослей.

Рисунок 6.

Реакторы барботажной колонны Płaczek et al., 2017 [47].

Hom-Diaz и его сотрудники [57] в экспериментальном фотобиореакторе на 1200 л микроводорослей (PBR) использовали туалетные сточные воды (WW) и оценили способность PBR удалять фармацевтически активные соединения (PhAC).Питательные вещества (аммиак-азот, нитрат-азот и общий фосфор) были удалены, а химическая потребность в кислороде (ХПК) была эффективно снижена до 80%, в то время как до 48% фармацевтических остатков были удалены, что позволило удовлетворить экологические требования. требование сброса.

Фотобиореакторы с воздушным лифтом состоят из двух взаимосвязанных зон, называемых стояком и нижним, в кольцевой установке. Как правило, существует два типа эрлифтных фотобиореакторов: (i) с внутренним контуром и (ii) с внешним контуром [19].Для эрлифтного реактора с внутренним контуром две области разделены либо вытяжной трубой, либо раздельным цилиндром, в то время как для эрлифтного реактора с внешним контуром подъемная труба и нисходящая труба физически разделены двумя разными трубами. Смешивание осуществляется путем пропускания газа через барботер в стояке без механического перемешивания. Стояк является синонимом барботажной колонны, где барботажный газ движется вверх беспорядочно и беспорядочно и снижает плотность стояка, заставляя жидкость двигаться вверх.Задержка газа в нижнем углу значительно влияет на динамику жидкости в эрлифтном реакторе, заставляя жидкость опускаться. Внешний контур, который представляет собой вытяжную трубу, дает определенные преимущества эрлифтному биореактору, а именно предотвращает слипание пузырьков за счет их направления ; более равномерное распределение касательных напряжений по всему реактору. Это подвергает большее количество MC питательным веществам, минералам, летучим органическим соединениям и множеству других загрязнителей для связывания и роста клеток; усиление циклического движения жидкости, тем самым увеличивая скорость массо- и теплопередачи [70, 71, 72].

Полностью закрытые трубчатые фотобиореакторы потенциально привлекательны для крупномасштабного аксенического культивирования микроводорослей и являются одним из наиболее подходящих типов для массового выращивания на открытом воздухе. Трубчатые фотобиореакторы состоят из набора прямых, спиральных или петлевых прозрачных трубок, которые обычно изготавливаются из прозрачного пластика или стекла. Водоросли циркулируют по трубкам с помощью насоса или эрлифта [21].

Многие факторы способствуют неспособности микроводорослей удалять питательные вещества и производить биомассу.Некоторые минералы, такие как кальций, железо, диоксид кремния, магний, марганец, калий, медь, сера, кобальт и цинк, также влияют на развитие микроводорослей в сточных водах, наряду с pH, температурой, светом, смешиванием и растворенным кислородом, которые влияют на развитие. нормы и химический состав микроводорослей в системах очистки сточных вод [73, 74].

3.2.3 Преимущества очистки сточных вод из микроводорослей

Молинуево-Салсес и его сотрудники [75] указали на преимущества систем очистки сточных вод на основе микроводорослей, которые включают:

1. очистку различных видов сточных вод, включая бытовые, коммерческие, сельскохозяйственные и др. и промышленные сточные воды

2. сокращение загрязняющих веществ и патогенов

3. восстановление питательных веществ в виде биомассы

4. снижение выбросов CO ₂ выбросы газа

5. восстановление метаболитов и

6. экономия энергии сточные воды на основе текстильных обесцвечивателей (TDW) были обработаны микроводорослями, Scenedesmus sp .для удаления органического углерода с помощью лабораторных реакторов, которые достигли 92,4% удаления цвета, снижения химической потребности в кислороде (ХПК) на 89,5%, углеводов на 97,4% и органических кислот на 94,7% [22]. Фейзи и его сотрудники [23] утверждают, что выращивание микроводорослей с использованием городских и сельскохозяйственных сточных вод в прудах с высокой интенсивностью водорослей (HRAP) разделяет питательные вещества на биомассу микроводорослей, которую можно извлекать и повторно использовать.

   3.2.4 Проблемы с очисткой воды из микроводорослей

   Несмотря на все преимущества, необходимо преодолеть некоторые проблемы, прежде чем можно будет применить протокол очистки воды из микроводорослей.Проблемы включают (1) потребность в земле, (2) влияние характеристик сточных вод, (3) влияние на окружающую среду и условия эксплуатации и (4) сбор биомассы и повышение ее ценности [14]. Однако такие ограничения, как отделение биомассы водорослей от воды, эффективность процесса в холодном климате и ограниченная способность биомассы водорослей снижать содержание микрозагрязнителей в сточных водах, препятствуют полномасштабному использованию [76].

   3.3 Микробные топливные элементы для очистки сточных вод

   Чтобы построить устойчивую платформу для будущего, обществу необходимо существенно снизить свою зависимость от ископаемого топлива.Это сокращение может затем минимизировать глобальный масштаб загрязнения. Как обсуждалось в этой главе, эти две глобальные проблемы могут быть одновременно решены за счет применения технологий очистки сточных вод, которые уменьшают загрязнение и обеспечивают исходные блоки для биотоплива. В последние годы произошла смена парадигмы, когда сточные воды, которые также можно назвать отходами, используются промышленными предприятиями для производства электроэнергии. В частности, исследования показали, что ряд методов биологической обработки можно использовать для производства биоэнергии или биохимических веществ при очистке промышленных сточных вод.В частности, обработка сточных вод пивоваренных заводов была выделена для применения микробных топливных элементов (МТЭ) [77]. Одним из таких примеров этого метода является использование MFC для одновременной очистки сточных вод и производства биоэнергии, которую чаще всего называют биоэлектричеством. Производство этих биопродуктов происходит путем простого преобразования органической и химической энергии, содержащейся в сточных водах, в электрическую энергию. Для дальнейшего изучения этих возможностей в этом разделе сначала описывается MFC, во-вторых, обсуждается применение MFC для очистки сточных вод, а в-третьих, рассматриваются различные методы и операции, которые используют MFC для очистки сточных вод при одновременном производстве электроэнергии.Кроме того, в нем также описаны другие применения и биоэнергетические продукты этого метода, его преимущества и недостатки, а также другие перспективные применения технологии MFC в очистке сточных вод. MFC — это устройство, которое преобразует органические вещества в электричество с использованием микроорганизмов в качестве биокатализатора. Типичный MFC состоит из трех основных компонентов: электродов, сепаратора и электрогенов. Все МФЦ содержат два электрода, которые, в зависимости от конструкции, могут быть разделены на одну или две камеры.Эти камеры работают как полностью смешанные реакторы. Как показано на рисунке 7 ниже, каждый электрод размещается с каждой стороны мембраны, которая может быть протонообменной мембраной (PEM) или катионообменной мембраной (CEM). Анод обращен к камере, содержащей жидкую фазу, а катод обращен к камере, содержащей только воздух [78].

   Рис. 7.

   Схематическая диаграмма и изображения типичного двухкамерного микробного топливного элемента (MFC), полученные от Logan et., 2006 [77].

   В вышеупомянутой литературе предлагалось использовать углерод, графит и материалы на основе металлов в качестве электродов. Например, в качестве электродов подходят материалы из углеродной ткани, углеродной бумаги, углеродного войлока [79], гранул графита, углеродной сетки [80], платины, платиновой сажи и активированного угля с одно-, трубчатой ​​или многоэлектродной конфигурацией [81] . Эти электроды должны иметь свойства, которые делают их биосовместимыми и стабильными. Кроме того, рекомендуется высокая электрическая проводимость и большая площадь поверхности [82, 83].Катод может подвергаться воздействию воздуха или других дополнительных акцепторов электронов, таких как перманганат, гексацианоферрат хрома, азокраситель и т. Д. [84]. Сепаратор представляет собой катионообменную мембрану [85] или солевой мостик [86], который используется для удержания камеры. Разность потенциалов, возникающая между двумя камерами, заставляет электроны перемещаться по цепи, в то время как микробное разложение сточных вод действует как субстрат для генерации биоэлектричества [87]. Впервые МФЦ стали использоваться для очистки сточных вод еще в 1991 году [88].Городские сточные воды содержат множество органических соединений, которые могут служить топливом для МФУ. Количество энергии, вырабатываемой MFC в процессе очистки сточных вод, потенциально может вдвое снизить потребность в электроэнергии в обычном процессе очистки, который потребляет значительное количество электроэнергии для аэрации активного ила. МФУ позволяют утилизировать на 50–90% меньше твердых частиц, чем традиционные методы обработки активного ила. Анаэробные варочные котлы иногда интегрируются с реакторами периодического действия с аэробным секвенированием для решения проблем утилизации осадка [89].Кроме того, органические молекулы, такие как ацетат, пропионат и бутират, могут быть полностью расщеплены на CO2 и h3O. Гибридные МФЦ, включающие как электрофилы, так и анодофилы, особенно подходят для очистки сточных вод, поскольку большее количество органических веществ может быть разложено различными органическими веществами. МФУ, использующие определенные микробы, демонстрируют особую способность удалять сульфиды по мере необходимости при очистке сточных вод [90]. МФЦ могут усиливать рост биоэлектрохимически активных микробов во время очистки сточных вод, обеспечивая таким образом стабильность работы.Однокамерные МФЦ с непрерывным потоком и безмембранные МФЦ предпочтительны для очистки сточных вод на фоне озабоченности по поводу масштабирования других технологий [91, 92, 93]. Хозяйственные отходы, сточные воды пищевой промышленности, свиные сточные воды и кукурузная солома — все это подходящие источники биомассы для МФЦ, поскольку они богаты органическими веществами [94, 95, 96]. В некоторых случаях может быть уменьшено до 80% химической потребности в кислороде (ХПК) [95, 97], а колумбическая эффективность до 80% была получена Kim et al. [98].

   Технологии MFC — многообещающая, но новая стратегия очистки сточных вод, поскольку сам процесс очистки становится методом улавливания энергии в виде электричества или газообразного водорода, а не в качестве чистого потребителя электроэнергии.В начале 1990-х Ким и его коллеги продемонстрировали, что бактерии могут использоваться в биотопливном элементе в качестве индикатора концентрации лактата в воде [79], что, в свою очередь, поддерживает производство электроэнергии [80]. Хотя выработка электроэнергии была низкой, не было очевидно, окажет ли эта технология большое влияние на снижение прочности сточных вод. В 2004 году это изменилось, и связь между производством электроэнергии с помощью МФЦ и очисткой сточных вод была четко установлена, когда было доказано, что бытовые сточные воды можно очищать до практического уровня, одновременно производя электричество [81].Количество электроэнергии, произведенной в этом исследовании, хотя и невелико (26 мВт / м2), было значительно выше, чем ранее полученное с другими типами сточных вод. Исследования, проведенные до 2004 года, показали, что органические и неорганические вещества в морских отложениях могут быть использованы в конструкции MFC нового типа [82], что делает очевидным, что для выработки электроэнергии из органических материалов можно использовать самые разные субстраты, материалы и системные архитектуры. содержание бактериальной биомассы. Тем не менее, уровни мощности во всех этих приложениях были относительно низкими.Последняя разработка, которая подняла текущий интерес к MFC, достигла пика, когда удельная мощность на два порядка больше была получена в MFC с добавлением глюкозы [83]. Для этого приложения не требовались экзогенные химические медиаторы или катализаторы, поэтому эта операция была чисто биологической.

   После этих демонстраций началось соревнование по продвижению довольно практичного подхода к приложениям MFC. Первой целью является разработка масштабируемого подхода и дизайн МФЦ для различных типов очистки сточных вод [77].Хотя энергии, которая может быть получена из сточных вод, может быть недостаточно для питания типичного города, сообщалось, что значительное количество энергии может быть использовано для питания очистных сооружений. Как можно увидеть в нескольких исследованиях, рассмотренных выше по технологии MFC, стоимость энергии на душу населения не является особенно значительной и впечатляющей. Кроме того, можно отметить, что наиболее значительная экономия энергии, связанная с использованием MFC для очистки сточных вод, помимо выработки электроэнергии и удаления высокопрочных загрязнителей из этих устойчивых субстратов, — это экономия затрат на аэрацию и обработку твердых частиц на типичных очистных сооружениях.Основными эксплуатационными расходами на очистку сточных вод являются аэрация, обработка ила и перекачка. Утверждалось, что одна только аэрация может составлять половину эксплуатационных расходов на типичных очистных сооружениях [84]. Снижение этой стоимости может также гарантировать, что очистные сооружения станут чистыми производителями энергии, если МФЦ будут интегрированы с другими технологиями очистки.

   3.3.1 Применение микробных топливных элементов в очистке сточных вод

   Применение MFC для очистки сточных вод включает в себя ряд преимуществ, таких как долгосрочная устойчивость, использование возобновляемых ресурсов, разложение органических и неорганических отходов, производство био-водорода и удаление таких соединений, как нитраты и т. д.[85]. Сообщество электрохимически активных микробов требует глубокого понимания химического состава своего раствора, чтобы участвовать в полномасштабном внедрении и использовании технологии MFC для производства электроэнергии. [9]. В идеальных лабораторных условиях эти системы вырабатывают удельную мощность от 2 до 20 мВт / м ² [86]. Однако количество энергии на основе биомассы, производимой микробными процессами, очень мало. Он еще не полностью раскрыл свой потенциал для работы в пилотных установках. Также было отмечено, что успех конкретных применений МФЦ при очистке сточных вод будет зависеть от концентрации и способности к биологическому разложению органических веществ в сточных водах, температуры сточных вод и отсутствия токсичных химикатов [77].Одним из первых приложений могла бы стать разработка экспериментального реактора на промышленных предприятиях, где имеется высококачественный и надежный приток. Сточные воды пищевой промышленности и сточные воды варочных котлов являются хорошими кандидатами. Более того, снижение образования осадка может существенно сократить срок окупаемости. В долгосрочной перспективе разбавленные субстраты, такие как бытовые сточные воды, можно обрабатывать с помощью МФЦ, тем самым уменьшая потребность общества в том, чтобы вкладывать значительные количества энергии в их очистку. Также может появиться широкий спектр альтернативных приложений, начиная от разработки биосенсоров и устойчивого производства энергии с морского дна до биобатарей, работающих на различных биоразлагаемых видах топлива.Хотя полномасштабные и высокоэффективные MFC еще не достижимы, эта технология многообещающая, и в ближайшем будущем инженеры и ученые, несомненно, преодолеют серьезные препятствия [87]. Растущее давление на окружающую среду и призыв к использованию возобновляемых источников энергии будут еще больше стимулировать развитие этой технологии до полномасштабной эксплуатации завода. В рамках вышеупомянутых применений МФЦ в очистке сточных вод, потенциал для применения этой технологии в качестве типичного датчика для анализа концентрации загрязняющих веществ для мониторинга и контроля процессов на месте [88].Пропорциональная поправка между колумбической эффективностью MFC и прочностью сточных вод может предложить MFC в качестве датчиков потенциальной биологической потребности в кислороде (БПК) [79]. Точный метод измерения значения БПК жидкости — вычисление ее выхода по шкале Колумбия. В ряде работ, а именно [79, 89], показана сильная линейная зависимость между колумбовым выходом и прочностью сточных вод в диапазоне концентраций БПК. Датчики BOD типа MFC имеют преимущество, поскольку они обладают превосходной стабильностью работы, а также хорошей воспроизводимостью и точностью.Датчик БПК типа MFC, созданный с использованием микробов, может работать более пяти лет без дополнительного обслуживания [79]. Эти биологические датчики обещают более длительный срок службы, чем обычные версии датчиков БПК, описанные в литературе.

   3.3.2 Перспективные методы MFC в очистке сточных вод и повышении ценности электроэнергии

   Отходы биомассы являются дешевым и относительно многочисленным источником электронов для микробов, способных производить электрический ток вне клетки [84].Быстро развивающиеся микробные электрохимические технологии, такие как микробные топливные элементы, являются частью разнообразной платформы будущих технологий существенного производства энергии и химии. В этом разделе мы обсуждаем ключевые достижения, которые сделают возможным использование экзоэлектрогенных микроорганизмов для производства биотоплива, газообразного водорода, метана и других ценных неорганических и органических химикатов. Более того, в этом разделе будут подробно рассмотрены ключевые проблемы внедрения этих систем и их сравнение с аналогичными технологиями использования возобновляемых источников энергии.Хотя коммерческие разработки уже ведутся в нескольких различных приложениях, начиная от очистки сточных вод и заканчивая промышленным химическим производством, все еще требуются дальнейшие исследования в отношении эффективности, масштабируемости, срока службы систем и надежности МФЦ в области очистки сточных вод и производства биоэнергии [84].

   Было разработано производство электроэнергии с использованием бытовых сточных вод в системе плоских пластин, и было установлено, что она способна непрерывно генерировать электричество из органических веществ в сточных водах во время их очистки [81].После периода акклиматизации продолжительностью около 1 месяца с помощью микробиологического топливного элемента с плоской платформой (FPMFC) в течение пяти месяцев было получено постоянное производство электроэнергии из сточных вод. Для сточных вод, содержащих 2463 мг ХПК / л, средняя плотность мощности 560 мВт / м ² была получена с гидравлическим временем удерживания (HRT) 2,0 ч (скорость потока 0,22 мл / мин; среднее значение ХПК 164 мг / л). и расход воздуха 2 мл / мин с резистором сопротивлением 470 Ом. В этих рабочих условиях скорость удаления ХПК составляла 1.2 мг / л мин (удаление 58% ХПК), а максимальная удельная мощность была достигнута при скорости потока 0,22 мл / мин. Эта плотность мощности была примерно на 10% выше, чем полученная в типичных условиях эксплуатации с резистором Ом на 470 Ом.

   Непрерывная очистка сточных вод и выработка электроэнергии с использованием однокамерного микробиологического топливного элемента (SCMFC) были успешно опробованы с достижимыми результатами [81, 90]. Было обнаружено, что система может генерировать 26 мВт / м ² при максимальной плотности мощности при снижении на 80% ХПК.В специально разработанной системе меньшего размера, разработанной Liu et al. [91] показали, что до 28 мВт / м ² энергии может быть произведено с бытовыми сточными водами. Далее было продемонстрировано, что, удалив протонообменную мембрану (PEM), они могут генерировать максимум 146 мВт / м ² мощности. В этих системах анод был отделен от ПЭМ / катода или простого катода в большой камере, но анодная камера не перемешивалась, за исключением потока жидкости в систему. В других МТЭ анодная камера часто смешивалась в [92, 93, 94].В водородных топливных элементах электроды обычно объединены в единую полосу, разделенную ПЭМ. Это необходимо для того, чтобы два электрода находились рядом, чтобы усилить протонную проводимость между двумя электродами. Однако PEM, такие как нафион, проницаемы для кислорода, что приводит к переносу небольшого количества кислорода из катодной камеры в анодную камеру.

   Очистка бытовых сточных вод была исследована при двух различных температурных градиентах (23 ± 3 ° C и 30 ± 1 ° C) и в режимах потока (периодическая и непрерывная) с использованием однокамерных микробных топливных элементов с воздушным катодом (MFC). ввиду влияния рабочих параметров, влияющих на производство электроэнергии [93].Температура была важным параметром, влияющим на эффективность и выработку электроэнергии. Наивысшая удельная мощность 422 мВт / м ² (12,8 Вт / м ³ ) была достигнута в условиях непрерывного потока и мезофильных условиях при уровне загрузки органических веществ 54 г ХПК / л в сутки с уменьшением ХПК на 25,8%. Было обнаружено, что рекуперация энергии в значительной степени зависит от рабочих условий (режим потока, температура, скорость загрузки органических веществ и гидравлическое время удерживания (HRT)), а также от архитектуры реактора.Результаты показывают, что основными преимуществами использования температурных градиентов в последовательной конфигурации MFC для очистки бытовых сточных вод являются экономия энергии, низкий уровень твердых частиц и более высокая эффективность очистки.

   Исследование МФЦ, используемых для производства электроэнергии из различных источников соединений, включая ацетат, лактат и глюкозу, доказало их высокую эффективность и универсальность в применении для очистки сточных вод [95]. Совершенно очевидно, что была подчеркнута возможность производства электроэнергии в МФЦ из бытовых сточных вод, в то же время выполняя биологическую очистку сточных вод (снижение ХПК).Испытания проводились с использованием SCMFC, содержащего восемь графитовых электродов (анодов) и один воздушный катод. Система работала в условиях непрерывного потока со сточными водами первичного осветлителя, полученными с местной станции очистки сточных вод. Прототип реактора SCMFC генерировал электрическую мощность ( максимум 26 мВт / м ² ) при снижении ХПК примерно на 80%. Выходная мощность была пропорциональна времени гидравлического удержания в диапазоне от 3 до 33 часов и силе поступающей сточной воды в диапазоне 50–220 мг / л для ХПК.Генерация тока контролировалась в первую очередь эффективностью катода. Оптимальные характеристики катода были получены при использовании пассивного воздушного потока, а не принудительного воздушного потока (4,5–5,5 л / мин). КПД системы Columbic, основанный на снижении ХПК и генерации тока, был <12%, что указывает на то, что значительная часть органического вещества была недоступна для микроорганизмов, что ограничивало текущее поколение. Биореакторы, основанные на выработке электроэнергии в МФЦ, могут представлять собой совершенно новый подход к очистке сточных вод.Если выработка электроэнергии в этих системах может быть увеличена, технология MFC может предоставить новый метод компенсации эксплуатационных расходов на очистные сооружения, одновременно делая усовершенствованную очистку сточных вод более доступной как для развивающихся, так и для промышленно развитых стран.

   Развитие электроэнергии с помощью MFC первоначально исследовалось на предмет ее потенциального вклада в приложения в космических исследованиях [96]. Обсуждалось, что одним из определяющих факторов в технологии MFC является использование прикладных микробных культур, которые отвечают за преобразование электрической энергии из химических связей в субстратах.В последнее десятилетие, несмотря на интенсивное развитие, существует пробел в знаниях о производстве электроэнергии из микробов и проверке производства электроэнергии. Метод быстрого скрининга основан на восстановлении микробного железа (III) и не требует какой-либо инфраструктуры MFC. Метод подходит для одновременной оценки множества видов или штаммов микробов; и таким образом есть возможность расширить диапазон потенциальных биокатализаторов MFC и иметь возможность прогнозировать выработку электроэнергии из выбранных культур.Знания, полученные в результате этого исследования, касающиеся восстановления роста железа (III), использования субстрата, адгезии и образования биопленок, внеклеточных проводящих белков и измерений продукции окислительно-восстановительного медиатора, необходимы для использования G.toluenoxydans и S xiamenensis видов для различных типов применения MFC (очистка сточных вод и / или производство энергии). Эта информация жизненно важна для дальнейшего улучшения деформации и создания эффективной конструкции MFC для производства электроэнергии.Виды S.xiamenensis DSMZ 22215 могут эффективно катализировать мальтозу или мальтодекстрин . Эта способность делает микробы доступными для использования в системах MFC для очистки сточных вод на основе крахмала (например, сточных вод пивоваренных заводов, сточных вод крахмала и целлюлозно-бумажной промышленности).

   Одновременная очистка сточных вод для биологического производства электроэнергии через мембранно-электродную сборку MFC с воздушным катодом в сточных водах после обработки крахмала (SPW) в качестве субстрата была доказана в этом исследовании [81].За все время экспериментов было установлено, что оптимальное выходное напряжение 490,8 мВ и плотность мощности 293,4 мВт / м ² было установлено при плотности тока 893,3 мА / м ² . В третьем цикле экспериментов также было зафиксировано внутреннее сопротивление 120 Ом. Эффективность удаления COD и Nh5 + −N увеличивалась со временем с максимальным значением 98,0% и 90,6% соответственно. Это было выше, чем большинство заявленных работ по эксплуатации МФЦ. Высокие значения удаления нитратов могли быть результатом как биологических, так и физико-химических процессов.Columbic Efficiency (CE) был невысоким (максимум 8,0%) и в основном был вызван другими акцепторами электронов в SPW и диффузией кислорода во время длительных периодов эксплуатации. СЭМ выявило наличие биопленки на аноде, в которой короткие палочковидные палочки могли быть доминирующими бактериями, ответственными за работу MFC. Это исследование продемонстрировало возможность использования технологии MFC для выработки электроэнергии и одновременной обработки SPW с высоким удалением ХПК и Nh5 + −N, что обеспечивает привлекательную альтернативу для снижения затрат на очистку сточных вод при выработке электроэнергии из возобновляемых источников.

   3.3.3 Преимущества и недостатки

   (Ограничения) MFC в WWT

   MFC имеют несколько преимуществ и недостатков (Таблица 2), как эксплуатационных, так и функциональных, по сравнению с применяемыми в настоящее время технологиями очистки сточных вод для удаления высоких органических загрязнителей в форма ХПК и для повышения ценности биоэнергетики в форме электричества [97]. Производство биоэнергии в результате очистки сточных вод в основном считается зеленым или синим аспектом энергии МФЦ [91].Электричество вырабатывается прямым путем из биомассы и органических веществ, следовательно, химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую. Сообщается также, что прямое преобразование субстратов сточных вод в биоэнергию составляет треть потребляемой энергии при термическом сжигании биогаза [84]. Из-за сбора электрической энергии урожайность роста бактерий в MFC значительно ниже, чем выход ила в аэробном процессе [84, 98]. Обычно отходящий газ анаэробного процесса имеет высокое содержание азотистых газов вместе с целевым водородом и метаном [77].Отходящие газы MFC имеют меньшую экономическую жизнеспособность, поскольку энергия, содержащаяся в подложке, ранее была направлена ​​в анодную камеру MFC во время обработки [77]. Газ, образующийся в анодной камере MFC, может быть буквально выпущен, учитывая отсутствие больших количеств или других пахучих соединений, и, кроме того, в окружающую среду не выделяются аэрозоли с вредными или нежелательными бактериями. Производство электроэнергии с помощью MFC значительно улучшилось и достигло целевого уровня первичной мощности, по крайней мере, в небольших системах, но масштабирование по-прежнему является большой проблемой и основным ограничением применения технологий MFC.Высокая стоимость катионообменных мембран, возможность биообрастания и связанное с этим высокое внутреннее сопротивление ограничивают выработку электроэнергии и ограничивают практичность и коммерческое применение этого метода [99].

   02

   Преимущества	Недостатки (ограничения)
   	9002		2. Список преимуществ и недостатков МФЦ, полученный из Quach-Cu et al., 2018 [61]. Бытовые сточные воды — это органические вещества с содержанием энергии, почти в 10 раз превышающей энергию, необходимую для очистки [100]. Хотя появляющиеся методы являются многообещающими, ни один из существующих сегодня процессов не может полностью извлечь всю энергию, доступную в сточных водах, без дополнительных инвестиций в их исследования и разработки [99]. Главный недостаток применения MFC связан со временем запуска процесса и его последовательностью, которая может составлять от 4 до 103 дней в зависимости от посевного материала, материалов электродов, конструкции реактора и рабочих условий (температуры, скорости внешней нагрузки и т. Д.), но на это в значительной степени влияет тип субстрата, подаваемого в систему MFC [95]. Еще одним важным препятствием на пути увеличения масштабов использования МФЦ для очистки сточных вод является нехватка буферной емкости электролитов. Для этого могут потребоваться некоторые внешние посредники или химические вещества для поддержания и стабилизации водородного потенциала анодной и катодной камер. Это должно улучшить процесс очистки сточных вод, но по-прежнему способствовать повышению ценности биоэнергетики в системе MFC. Какие компании-поставщики оборудования для биологической очистки сточных вод и технологические компании являются лучшими? Биологический системы очистки сточных вод могут быть эффективными и экономичными технологиями для разрушение и удаление органических загрязнителей из сильно загрязненных органикой отходы, например, производимые в пищевой и коммунальной промышленности. отрасли.Поскольку этот вид лечения может состоять из чрезвычайно сложных набор технологий, которые используют естественные процессы для разрушения нежелательных органических загрязняющие вещества, новые виды технологий биологической очистки сточных вод продолжают появляться. Если ты в настоящее время изучаем варианты биологической очистки сточных вод для вашей промышленной предприятия, важным вопросом, который следует рассмотреть, является «, какое оборудование для биологической очистки сточных вод является лучшим и технологические компании ? » В SAMCO мы уверены, что наши биологические решения по очистке сточных вод являются одними из лучших и самых передовых в мире отрасли, но мы также считаем, что это важно для наших потенциальных клиентов чтобы быть в курсе всех доступных вариантов при поиске решений для удовлетворения своих уникальные технологические потребности и условия.Чтобы помочь вам в поиске вариантов, мы выделили ведущих производителей систем биологической очистки сточных вод, нижеуказанные поставщики и поставщики услуг: Акватек Кто они Aquatech — технология промышленной очистки воды. компания , специализирующаяся на опреснении, обороте и повторном использовании воды, и с нулевым сбросом жидкости (ZLD). В Компания базируется в США и обслуживает клиентов по всему миру с момента своего основания. 1981 год основания.Aquatech проектирует, продает и сдает в аренду тепловые, физические и химические процессы и системы очистки сточных вод, а также поставляет оборудование и запчасти. Что они предлагают В дополнение к термическим, физическим и химическим технологиям Aquatech, Aquatech предлагает серию BioMOD ™, представляющую собой упакованные мембранные биореакторы, которые включают биологическую очистку сточных вод как MBR, так и MBBR. Их биологические системы очистки могут быть интегрированы с прямой солнечной энергией, а также они предлагайте пакеты, которые помогают ускорить стабилизацию. Веолия Кто они Находится в пригороде Парижа, Франция, Veolia Water Технологии — это прежде всего во всем мире водоочистного оборудования, услуг, и ремонтная рота . С рядом решений по очистке воды и устойчивое восстановление воды, Veolia предлагает технологические решения для промышленные и научно-исследовательские компании. Что они предлагают Veolia перекачивает более широкий спектр биологических сточных вод технологии систем очистки, такие как биопленочные реакторы с подвижным слоем и интегрированные процессы с активированным илом с фиксированной пленкой.Их биопленочные носители могут быть адаптированы к нескольким процессам и приложениям, а их системы могут удалить азот, аммиак и другие биологические загрязнители сточных вод. Evoqua Water Технологии Кто они Evoqua — провайдер из США. продуктов и услуг для очистки воды и сточных вод. Компания строит и обслуживающие заводы и модульные блоки для клиентов по всему миру. Evoqua’s решения используют сред и мембранную фильтрацию, физических и химическая обработка воды , и разделение IX , среди других технологий, и охватывают различные приложения, включая очистку технологической воды, оптимизацию установки и очистка сточных вод для соответствия нормативным требованиям и экологическим требованиям. Что они предлагают Evoqua осуществляет широкий спектр систем биологической очистки воды. решения, включая аэробные и анаэробные варианты, такие как окисление канавы, множество мембранных биореакторов и несколько различных типов аэрации технологии. Их система Orbal® — это обычная система активного ила, способная выполнять нитрификацию и денитрификация одновременно в конструкции концентрической петли. Суэц Кто они В 2017 году SUEZ Water Technologies приобрела GE Water и Process Technologies, бывшее известным подразделением General Electric и GE Power.СУЭЗ занимается исследованиями и разработками передовые технологии очистки воды и сточных вод, как для промышленных а также для малых и жилых помещений. Компания базируется в Франция, но производит и продает ряд очистного оборудования из своих 20 региональные офисы, расположенные по всему миру. Что они предлагают Suez предлагает технологии MBR и активного ила, такие как большинство поставщиков технологий биологической очистки воды, но они также используют ZeeLung, форму аэрации это более эффективно, чем закачка воздуха в резервуары, которые могут подниматься на поверхность и, даже в некоторых случаях, быть утерянным.В их технологии используется мембранная фильтрация. биореакторы для обеспечения прямого контакта кислорода с биопленкой, которая переносит кислород путем диффузии. Результат — более эффективный перенос кислорода с меньшее потребление энергии. Condorchem Энвитек Кто они Condorchem Envitech — компания, занимающаяся экологическими технологиями. который ориентирован на очистку сточных вод клиентов (особенно ZLD) и воздуха выбросы. Первоначально основанная более 25 лет назад как Condoroil Ibérica, Компания начала с продажи химических продуктов в Испании и Португалии.Теперь они предоставляют решения по очистке сточных вод и выбросов в атмосферу для промышленных предприятий. предприятия по всему миру и в нескольких отраслях. Что они предлагают Condorchem предлагает как аэробные, так и анаэробные биологические технологии очистки сточных вод, такие как активный ил, MBR, MBBR и более. Их продукты BIOCARB ® основаны на технологии FBR, но используют фильтры из гранулированного лигнита. внутри реактора, что увеличивает эффективность биопленки, пока обеспечение питания микроорганизмов. Как можно САМКО поможет? SAMCO имеет более чем 40-летний опыт работы проектирование и производство систем биологической очистки сточных вод по индивидуальному заказу, поэтому не стесняйтесь обращаться к нам со своими вопросами. Наши решения по биологической очистке, включая Решения FBBR, MBR, MBBR и активного ила, среди прочего, могут помочь вам объект: уменьшить свой след, использование химикатов и потребление энергии производить высококачественные сточные воды рециркулировать органически загрязненную воду управлять высокими уровнями БПК и трудно очищаемыми сточными водами Для получения дополнительной информации или для связи , Свяжитесь с нами здесь.Вы также можете посетить наш веб-сайт, чтобы позвонить инженеру или запросить расценки. Мы поможем вам разработать правильное решение и реалистичную стоимость вашей системы биологической очистки сточных вод. Для получения дополнительной информации о биологической очистке сточных вод см. Другие статьи, которые могут вас заинтересовать: Решения для очистки сточных вод | Veolia Основные этапы очистки сточных вод Первичная очистка: Первая стадия процесса очистки воды направлена ​​на отделение взвешенных твердых частиц (SS) от сточных вод.Мы удаляем от 70% до 90% этих материалов с помощью наших процессов флокуляции / коагуляции / осаждения и флотации — с введением химических реагентов в зависимости от требуемой степени очистки. Вторичная очистка: Используя передовые методы биологической очистки, такие как анаэробные и аэробные технологии, можно очистить поток сточных вод для удаления растворенных загрязнителей, содержащихся в сточных водах, таких как углерод, азот и фосфор. Третичная очистка и повторное использование (полировка): Используя высокоэффективные технологии, Veolia может дополнительно очищать сточные воды, чтобы соответствовать очень строгим требованиям TSS (общее количество взвешенных твердых частиц), BOD (биологическая потребность в кислороде), COD (химическая потребность в кислороде) и питательные вещества. пределы сброса.Кроме того, в зависимости от требований проекта, эта вода может быть дополнительно очищена, чтобы можно было повторно использовать воду на другой территории объекта, чтобы еще больше уменьшить водный след объекта. Прочие важные области, связанные с очисткой сточных вод Обработка осадка: Остаточный материал в любом процессе очистки сточных вод. Управление, переработка и восстановление этого вещества — одна из наших специализаций в Veolia Water Technologies. Используя различное оборудование или процессы, мы можем определить наиболее рентабельный и экологически чистый метод управления этим побочным продуктом. Управление ливневыми водами: Во многих случаях ливневые явления создают проблемы для очистных сооружений, особенно для муниципальных очистных сооружений. Ливневые стоки могут значительно увеличить поток, что приведет к сокращению времени удержания на заводе и затруднит достижение требуемого качества сточных вод. Другая проблема заключается в том, что увеличенный поток может поставить под угрозу последующие процессы биологической очистки, такие как системы активного ила, из-за вымывания взвешенных наростов. Технология Nereda® — Решения по очистке сточных вод от Royal HaskoningDHV ROYAL HASKONINGDHV И ПЕЧЕНЬЕ Здесь вы найдете всю информацию, относящуюся к файлам cookie, используемым Royal HaskoningDHV. Наша политика в отношении файлов cookie Мы стремимся предоставить вам как можно более полную и прозрачную информацию о файлах cookie, которые мы используем на royalhaskoningdhv.com. Мы используем файлы cookie, чтобы повысить удобство использования нашего веб-сайта.См. Ниже, чтобы узнать больше о файлах cookie и сопоставимых технологиях, для чего они используются и как вы можете отказаться от файлов cookie, если захотите. Мы будем держать вас в курсе любых событий, касающихся файлов cookie, через эту страницу. Что такое файлы cookie? Файлы cookie — это небольшие файлы, которые сохраняются на вашем компьютере. Файлы cookie могут использоваться, чтобы определить, подключался ли ваш компьютер к одной из наших страниц раньше. На вашем компьютере идентифицируется только файл cookie. Затем личные данные могут храниться в файлах cookie после того, как вы предоставите свое согласие или если это абсолютно необходимо по техническим причинам, например, для входа в онлайн-функцию, защищенную паролем. Типы файлов cookie: Файлы cookie, используемые Royal HaskoningDHV, можно разделить на разные типы: Функциональные файлы cookie: Функциональные файлы cookie необходимы для обеспечения правильной работы нашего веб-сайта и предоставления запрошенных вами услуг, например автоматического входа в систему или автоматическое заполнение ваших данных. Аналитические файлы cookie: файлы cookie, которые помогают нам узнать, что мы можем улучшить на веб-сайте. Отслеживающие файлы cookie (собственные и сторонние): файлы cookie, которые используются для определения ваших привычек просмотра, что позволяет адаптировать услуги и отображать контент, относящийся к продуктам, и другой контент в разных областях.Если вы решите не принимать файлы cookie, наши службы могут работать не так, как задумано. Файлы cookie, используемые Royal HaskoningDHV В настоящее время на этом веб-сайте используются следующие файлы cookie: Функциональные файлы cookie: New Relic: этот файл cookie гарантирует, что каждый пользователь может без проблем посетить веб-сайт. Аналитические файлы cookie: Google Analytics: служба отслеживания, которая сообщает нам, как посетители используют наш сайт, чтобы помочь нам улучшить взаимодействие с пользователем.Кроме того, эти файлы cookie также дают представление об успешности нашей рекламы на сторонних веб-сайтах. Диспетчер тегов Google: служба, которая помогает нам управлять пикселями отслеживания. Hotjar: служба отслеживания, которая помогает нам узнать, что можно улучшить на веб-сайте. Файлы cookie для отслеживания (сторонние): Google DoubleClick: файлы cookie, которые собирают информацию о том, как посетитель использует наш веб-сайт. Эта информация используется для показа наиболее релевантной рекламы для конкретного пользователя на сторонних сайтах.DoubleClick использует анонимные файлы cookie. Эти файлы cookie собирают информацию, касающуюся вашей активности на нашем веб-сайте, и хранят эту информацию под анонимным идентификационным номером. Эти файлы cookie не хранят никаких личных данных, таких как ваш IP-адрес, имя или другую информацию. Информация из файла cookie затем может использоваться для отображения рекламы, а также продуктов и другого контента Royal HaskoningDHV на других веб-сайтах, которые содержат информацию, которую вы просматривали. Google AdWords: файлы cookie, которые собирают информацию о том, как посетитель использует наш веб-сайт.Эта информация используется для показа рекламы на сторонних сайтах (Google), которая наиболее актуальна для конкретного пользователя на основе его недавних поисков. Google AdWords использует файлы cookie сеанса и постоянные файлы cookie для своих рекламных продуктов. Пиксель Facebook: файлы cookie, которые собирают информацию о том, как посетитель использует наш веб-сайт. Эта информация используется для отображения рекламы на сторонних сайтах (Facebook), которая наиболее актуальна для конкретного пользователя в зависимости от его активности на сайте. AddThis: позволяет делиться контентом через Facebook, Twitter и LinkedIn.AddThis использует файлы cookie для сбора информации о том, как посетитель использует наш веб-сайт. Эта информация используется для предоставления целевой рекламы и персонализированного контента на этом и других веб-сайтах, которые вы можете посещать. Если вы решите заблокировать файлы cookie на royalhaskoningdhv.com, вы все равно сможете посещать этот веб-сайт. Однако возможно, что вы не сможете использовать все разделы или функции веб-сайта. Если вы предпочитаете вообще не получать файлы cookie, вы также можете настроить параметры своего интернет-браузера, чтобы полностью заблокировать размещение файлов cookie какими-либо сайтами. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт