Перспективные технологии биологической очистки сточных вод

Во второй половине нашего века главным ресурсом в мире станет чистая пресная вода. Уже сейчас почти 60% нашей планеты испытывают проблемы с обеспечением водой надлежащего качества.

Наша страна по обеспечению водными ресурсами занимает второе место в мире после Бразилии. Однако, для обеспечения качества воды необходима ее эффективная очистка. Современные технологии биологической очистки сточных вод достаточно эффективны, но не лишены недостатков:

• требуются большие площади для организации очистных сооружений;
• высокие затраты электроэнергии для аэрации;
• не обеспечивают эффективной очистки от новых видов загрязнений (бытовая химия, микропластик, тяжелые металлы и др.);
• большие количества иловых осадков, которые из-за наличия тяжелых металлов очень трудно утилизировать.

Поэтому требуются решения, направленные на решение этих проблем, а также интенсификации очистки сточных вод и решения проблем утилизации иловых осадков. Эти вопросы будут рассмотрены в настоящей статье.

Основные проблемы, возникающие при биологической очистке сточных вод

Методы биологической очистки сточных вод позволяют достаточно эффективно удалить органические загрязнения. Однако, они не справляются с неорганическими веществами, которые поставляет в городские сточные воды промышленная канализация. Они должны очищаться на очистных сооружениях промышленных предприятий, но на практике они не эффективны или вообще отсутствуют в некоторых регионах нашей страны.

В результате иловые осадки биологической очистки городских сточных вод содержат опасные концентрации тяжелых металлов. Их нельзя применять в качестве органических удобрений, что изначально планировалось при внедрении этих технологий.

Такие осадки используются для рекультивации нарушенных грунтов в соответствии с ГОСТ Р 54534-2011 «Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель» или размещаются на полигонах согласно ГОСТ Р 54535-2011 «Осадки сточных вод. Требования при размещении и использовании на полигонах». Однако, чаще всего они накапливаются на иловых картах водоканалов, создавая серьезные экологические проблемы.

Применение иловых осадков в качестве удобрений возможно лишь при биологической очистке сточных вод предприятий пищевой промышленности, ферм или сельскохозяйственных производств. При этом они должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 54651-2011 «Удобрения органические на основе осадков сточных вод».

Интенсификация биологической очистки сточных вод

Существующие методы интенсификации биологической очистки позволяют решить все основные проблемы биологической очистки стоков, включая очистку от тяжелых металлов. Для этого используются:

• мембранные биореакторы;
• автоматизация процессов очистки;
• замена хлорирования очищенной воды на ультрафиолетовое облучение;
• очистка сорбентами;
• утилизация иловых осадков.

Мембранные биореакторы

Правительство нашей страны для обеспечения сбережения чистой воды, как главного ресурса современности, ужесточило требования к качеству очистки сточных вод (Постановление Правительства РФ от 22.05.2020 № 728).

Традиционные методы биологической очистки не обеспечивают эффективной очистки городских стоков, содержащих кроме органических загрязнений остатки бытовой химии, а также тяжелые металлы из промышленной канализации. Требуется строительство дополнительных сооружений глубокой доочистки сточных вод.

Помочь может применение мембранных биореакторов. Использование микрофильтрации стоков мембранами в сочетании с биохимическими методами окисления органических загрязнений позволяет увеличить производительность очистки в 2-4 раза и повысить эффективность удаления токсичных загрязнений.

Половолоконные мембранные блоки не нуждаются в дополнительных помещениях, а могут быть погружены непосредственно в аэротенки. Половолоконные мембраны представляют собой пленки толщиной до 2 мм и длиной до 2 м с размерами пор 0,03-0,1 мкм. Малые размеры пор позволяют полностью отделять очищенную воду от активного ила, имеющего размеры более 0,5 мкм и снижать концентрацию взвешенных частиц в воде менее 1 мг/л.

Мембранные биореакторы позволяют увеличить эффективность биологической очистки за счет роста концентрации активного ила до 10-20 г/л (в обычном аэротенке не более 3 г/л), при отсутствии выноса активного ила из узла илоотделения. Дополнительно снижаются энергозатраты на аэрацию до 0,25 кВт*ч/куб. м очищенной воды.

О принципах работы мембранных биореакторов можно познакомиться на следующем видео:

Ультрафиолетовое облучение очищенных вод

Эффективное отделение очищенной воды от активного ила в мембранном биореакторе позволяет вместо хлорирования очищенной воды использовать ультрафиолетовое излучение. Оно не вносит вредных веществ в отличии от хлорирования воды, которое приводит к образованию канцерогенных веществ. В результате необходима дополнительная операция по дехлорированию.

Ультрафиолетовое обеззараживание обеспечивает 100-%ную защиту от патогенных микроорганизмов, но его эффективность снижается при наличии взвешенных веществ в воде. Поэтому его целесообразно использовать совместно с использованием мембранных биореакторов.

Очистка сточных вод сорбентами

Очистку городских стоков от тяжелых металлов и других токсичных неорганических загрязнений можно эффективно осуществить за счет использования сорбентов. В традиционной технологии биологической очистки можно применять только гранулированные сорбенты (активированные угли, цеолиты и др.) для обеспечения их осаждения во вторичных отстойниках.

В мембранном биореакторе можно использовать более эффективные и дешевые порошкообразные сорбенты. Они обеспечивают удаление тяжелых металлов, пестицидов, хлорорганических соединений, нефтепродуктов и других загрязнений. Таким образом, в дальнейшем осуществляется эффективная биологическая очистка органических загрязнений, позволяющая получить очищенную воду, удовлетворяющую требованиям государственных нормативов.

Автоматизация процессов биологической очистки

Биологическая очистка стоков представляет собой сложный и достаточно чувствительный к внешним воздействиям процесс разрушения органических загрязнений микроорганизмами. Очистные сооружения большинства наших городов рассчитаны на меньшую загрузку и сейчас работают на предельных режимах, что снижает эффективность водоочистки. Поэтому автоматизация этих процессов является важнейшей задачей для эффективной работы городских очистных сооружений.

Биологическая очистка сточных вод поддается автоматизации, однако в традиционных технологиях очистки присутствуют параметры, которые сложно контролировать в автоматическом режиме. К ним относятся наличие токсичных для активного ила веществ, а также ПАВ, нефтепродуктов и др.

Интенсификация процессов водоочистки при использовании мембранных биореакторов и применении сорбентов позволяет снизить эти параметры и повысить эффективность автоматизации процессов. Это дает возможность обеспечить значительную экономию при одновременном увеличении степени очистки сточных вод.

Утилизация иловых осадков

До недавнего времени в нашей стране проблема иловых осадков была головной болью всех крупных водоканалов. Вокруг крупных российских городов накоплены миллионы куб. метров иловых осадков, а площадь для их хранения составляет сотни гектаров.

В последнее время ситуация начала меняться к лучшему. В Московском регионе и в Казане внедрены комплексы сушки иловых осадков.

Сушка иловых осадков с получением вторичной продукции

Иловые осадки высушивают при высокой температуре, образующаяся влага возвращается в систему биологической очистки стоков. Полученное сухое биотопливо используют на цементных заводах в качестве альтернативного топлива для экономии природного газа. Из 250 тонн иловых осадков получается около 50 тонн гранулята (биотоплива).

Каталитическое сжигание иловых осадков с полезным использованием тепла

В Новосибирской и Оренбургской областях, а также в Санкт-Петербурге внедрены комплексы сжигания иловых осадков с полезным использованием тепла для отопления. Сжигание-это дорогостоящий проект, но он отличается высокой производительностью и позволяет решить проблемы утилизации иловых осадков. Образующаяся при сжигании зола 4-5 классов опасности используется в дорожном строительстве и в производстве строительных материалов.

Заводы по сжиганию иловых осадков полностью автономны, тогда как более экономически выгодная их сушка с получением биотоплив для цементных заводов имеет ограничения. Это связано с тем, что только небольшое количество отечественных цементных заводов имеют автоматизированные линии их ввода в цементную печь.

Заключение

Перечисленные методы интенсификации биологической очистки сточных вод позволяют существенно улучшить качество очистки и обеспечить государственные нормативы в очищенным стокам.

Главное, что при полной очистке сточных вод от неорганических веществ и других токсичных загрязнителей иловые осадки можно будет использовать в качестве органических удобрений.

Накопленные иловые осадки можно эффективно утилизировать за счет сушки с получением биотоплива для цементных заводов или сжигания с полезным использованием тепла.