Основные методы очистки сточных вод

Хозяйственно-бытовые стоки – незаменимый спутник многоквартирных и частных домов, так как они помогают сохранять жилье в чистоте и защищать его от опасных бактерий. Но не стоит забывать и о природе. Чтобы окружающая среда не загрязнялась, важно проводить своевременную очистку сточных вод. Рассказываем, какие методы используются в третьем десятилетии 21-го века.

Необходимость очистки сточных вод

Сточные воды – это все виды жидкостей и смесей, которые утилизируются в локальных очистных сооружениях (септиках) или специальных централизованных станциях, обслуживающих жилые массивы или целые города. Необходимость в применении подходящих методов очистки объясняется тем, что химический состав стоков включает в себя целый ряд токсичных веществ и прочих загрязнений в виде взвесей или осадка. Бактерии, бытовая химия и прочие органические или неорганические соединения в составе воды могут нанести вред флоре и фауне, поэтому их удаление – обязательный шаг для защиты окружающей среды.

Одна из самых серьезных причин для установки фильтров – бактериологическое загрязнение фекальных или бытовых стоков. Жидкость в канализационных трубах содержит возбудители инфекционных заболеваний, в числе которых холера, брюшной тиф, дизентерия, полиомелит, сальмонеллез, вирусный гепатит и прочие. Кроме того, сточные воды часто служат причиной обнаружения яиц гельминтов в открытых водоемах и других источниках. Проблема носит массовый характер, так как, согласно данным Всемирной организации здравоохранения, в XX веке от последствий загрязнения воды пострадали до 67% жителей Земли. Чтобы окружающая среда была защищена от биологических загрязнений, отработанные стоки необходимо очищать специальными фильтрами. Процесс удаления бактерий называется обеззараживанием, или дезинфекцией. Он помогает не только поддерживать чистоту окружающей среды с ее обитателями, но и защитить людей от эпидемии инфекционных заболеваний, передающихся через питьевую или техническую воду.

Методы очистки сточных вод зависят от группы, к которой они относятся. Есть 2 категории стоков, различающихся основными загрязнениями и способами. Их применяют для фильтрации:

Хозяйственно-бытовые – сливы из квартир и домов. В них содержится небольшое количество бытовых химикатов, но основную опасность представляют бактерии, способные заражать значительную территорию.
Производственные, или промышленные – стоки предприятий, образованные в результате применения жидкости в технологических процессах. Такая вода не содержит микроорганизмов, но чрезмерно насыщена токсичными химическими соединениями (органика и неорганика). Эти вещества опасны для растений и животных в зоне водосброса.

Чтобы разобраться с тем, какие методы применяют для очистки, важно узнать, какие виды загрязнений чаще всего встречаются.

Виды загрязнений сточных вод

Химический и биологический состав бытовых стоков или отходов промышленности напрямую зависит от источника сброса жидкости. Органические и неорганические соединения, микроорганизмы или твердые частицы не могут быть отфильтрованы одним универсальным фильтром. Для фильтрации применяются узкоспециализированные установки, поэтому информация о загрязнениях – ключ к успешной очистке.

В зависимости от источника стоков, канализация может содержать следующие примеси:

Нефтепродукты. Попадают в водоемы или сточные воды в виде отходов нефтеперерабатывающих заводов и нефтехимических предприятий. Часто с такими соединениями соседствуют поверхностно-активные вещества, тяжелые металлы. Эти загрязнения влияют на химические свойства воды, из-за чего в ней падает содержание растворенного кислорода и вязкость. В открытых водоемах это чревато «цветением» воды и мором рыбы.
Древесные частицы. Древесина, целлюлоза или волокна бумаги оказываются в стоках из-за деятельности целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств. Чаще всего такие вещества обнаруживаются в виде взвесей, которые находятся в толще воды. Попадая в открытый водоем или подземные воды, древесина начинает разлагаться. Компоненты взвесей производят органику, а также токсичные газообразные соединения–метан, углекислый газ и сероводород. Их избыток приводит к ухудшению растворения кислорода. При критически низких концентрациях кислородных молекул все живые существа в водоеме погибают
Отходы текстильной промышленности. Заводы, производящие ткани и прочую подобную продукцию, утилизируют через сточные воды вещества, находящиеся в составе натуральных или синтетических тканевых волокон. Кроме того, в процессе производства используются красители, некоторые из которых содержат тяжелые металлы, а также элементы цинка, меди, свинца, хрома или никеля. Отсутствие очистки приводит к тому, что такие вещества накапливаются в водоемах и живых организмах, проживающих в них. Это делает их непригодными для пищи и замедляет биохимические процессы. Если в составе стоков находятся поверхностно-активные вещества, образуется пена, препятствующая растворению кислорода.
Пищевые отходы, бытовые или отбросы из предприятий по производству продуктов питания. В эту категорию входят жиры и другие органические соединения. Некоторые из них находятся в сточных водах в виде взвесей, а другие растворимы, поэтому обнаруживаются только лабораторным анализом. Органика – питательная среда для размножения микроорганизмов, в том числе патогенных.
Вещества с животноводческих ферм и птицефабрик. Помимо фекального загрязнения, в таких стоках содержится шерсть, пух и прочие включения. Если на предприятиях проводится забой скота или обработка мяса, в утилизируемую жидкость также будет попадать органика – жиры, белки и прочие вещества. Без качественной очистки от биологических загрязнений в водоеме, в который проводится сброс, появится закисленная среда, которая негативно сказывается на жизнедеятельности водной фауны. Кроме того, в такой воде начинается брожение или гниение, что может сделать экосистему водоема непригодной для жизни. Схожее действие оказывают и рыбные заводы, так как ненасыщенные жирные кислоты, клетчатка и прочие органические вещества накапливаются в водной среде, приводя к значительному ухудшению ее качества.
Включения песка, глины. Присутствуют в любых стоках, но чаще всего встречаются в промышленных системах водоотведения. Может показаться, что песок не токсичен, поэтому фильтровать его не обязательно. Однако на самом деле включения взвесей делают воду в водоеме мутной. Из-за этого растения недополучают солнечный свет, что приводит к снижению уровня растворенного кислорода. При критических показателях мутности со временем пруд или река станет непригодной для жизни рыб.
Нитраты, удобрения, ядохимикаты. Загрязняют природные воды из-за деятельности химических заводов, которые их производят, а также из-за обработки полей. Независимо от причин, по которым загрязненная жидкость оказывается в воде, последствия для экосистем наступают незамедлительно. Многие вещества, использующиеся в сельском хозяйстве, не выводятся из организма водных обитателей, что приводит к их накоплению. Такая рыба становится токсичной, а ее употребление способно вызвать отравление.
Фекальное загрязнение. Продукты жизнедеятельности человека и животных загрязняют окружающую среду через бытовые стоки, сельскохозяйственные предприятия. В таких отходах содержатся патогенные бактерии и яйца гельминтов, которые длительное время могут сохранять жизнедеятельность. Водоемы, загрязненные такими сточными водами, опасны даже для купания, так как случайное попадание микроорганизмов в человеческий организм чревато серьезным отравлением или инфекционным заболеванием.
Поверхностно-активные вещества (СПАВ, АПАВ). Разновидность органических соединений, которая используется для образования пены в моющих и чистящих средствах. Их открытый сброс может оказать непосредственное токсическое воздействие на водных обитателей, а также перекрыть доступ кислорода в толщу воды, что приведет к постепенному загниванию экосистемы и ее гибели.

Описанные выше загрязнения рассматривались в контексте их воздействия на открытые водоемы, но даже при сбросе на грунт или в дренаж токсичные стоки представляют опасность. Хотя слои почвы играют роль природного фильтра, избыток примесей все равно проникает в грунтовые воды, откуда беспрепятственно разносится в открытые источники, колодцы и скважины. Чтобы избежать этого, любой вид стоков, от слива из частного дома до водосброса крупных предприятий, должен проходить очистку. Методы и используемые фильтры определяются с учетом состава отходов, их концентрации и объемов, проходящих через очистные сооружения.

Механические методы очистки сточных вод

Механическая очистка жидкости – это первый этап обработки сточных вод. В локальных септиках и специальных сооружениях используемые механизмы могут различаться, но суть способа одна – отделить от жидкостиил, жир и твердые загрязнения. Нерастворимые включения затем утилизируются в соответствии с их химическим составом: твердые вещества – как строительный мусор, а фекальные загрязнения и ил – на специальных полигонах.

Для механической фильтрации стоков применяются следующее оборудование:

Механизированные решетки. Используются в крупных очистных сооружениях. Извлекают твердые загрязнения на начальном этапе очистки, выводя их для дальнейшей утилизации через мусоросборник. Решетки бывают вертикальными, горизонтальными или наклонными (ступенчатыми). Они отсеивают крупный мусор, а в следующую камеру переходят только мелкие включения, взвеси и коллоидные частицы.

Отстаивание. Процесс, который является основным в крупных станциях и септиках частных домов. В отсеках без течения жидкость очищается от взвесей и прочих частиц путем их расслоения. Вещества, которые легче воды (например, жиры), поднимаются на поверхность, откуда могут быть удалены механическим способом, а твердые элементы оседают на дно, образуя слой ила (осадок затем откачивается илососом, чтобы удалить из него всю воду и переработать или утилизировать на полигоне). Этот элемент очистных мероприятий защищает дальнейшие этапы фильтрации от процессов гниения, а также от засорения фильтров избыточным количеством крупных включений. Промышленные модели отстойников могут быть усовершенствованы модулями, которые ускоряют оседание примесей.
Отстаивание специального назначения. Применяется для фильтрации нефтепродуктов, жира и маслянистых веществ. Эти резервуары оборудованы олеофильными пластинами – элементами, которые притягивают определенный тип органических соединений. После отстаивания органика оказывается на пластинах, а вода отталкивается от них. Более простой механизм – жироуловитель, то есть установка, которая отделяет всплывшие масла или жиры и выводит их из состава жидкости.

Гидроциклон. Ускоренная версия стандартной механической очистки. Эффективность этого способа обеспечивается электрическими механизмами, которые используют действие центробежной силы. Внутри специальной установки создается вращательно движение жидкости, в результате чего происходит разделение жидкой и твердой фазы. Очищенная вода легче, поэтому она оказывается во внутренней части спирали и выбрасывается через отверстие для слива, а примеси сохраняются для дальнейшего механического обезвоживания и утилизации

Песколовки – установки для вычленения из состава жидкости минеральных соединений, в том числе песка. Подобно гидроциклонам, песколовка имеет конусообразную форму. Вода внутри выполняет вращательные движения с малой скоростью, в результате чего песчинки остаются в виде осадка. После выведения из состава воды песок утилизируется. Стоки, очищенные от взвешенных частиц, направляются в следующий отсек очистных сооружений, где проводится другой этап очистки.
Обработка центрифугой. Часть механических загрязнений может быть удалена под воздействием центробежной силы. Для этого центрифуга вращается вместе с жидкостью, помещенной внутрь нее. Возможно проведение процесса в таком исполнении: центробежное фильтрование – способ, в ходе которого осажденные частицы остаются на специальном фильтре-перегородке, а также осаждение, при котором отделение примесей происходит без задействования специальных мембран.

Фильтрация. Способ, в ходе которого сточная жидкость разделяется на воду и твердый осадок с применением мембран, или перегородок, не пропускающих взвешенные и твердые вещества. Для фильтрации применяются специализированные мембраны из полипропилена, полистирола или пенополиуретана. Альтернатива – природные наполнители из бурого угля, керамзита, гравия, кварцевого песка и прочих материалов. Поток воды может быть направлен в восходящем или нисходящем направлении. Если поток воды направлен вверх, это может привести к уплотнению ила в фильтре. Восходящие модели защищены от этого, поэтому фильтрация выполняется с большей надежностью, а необходимость в регулярном обслуживании систем не возникает.
Микрофильтрация. Одна из разновидностей фильтров, нацеленная на мелкие частицы в составе стока. Как правило, эта методика применяется на завершающих этапах очистки сточных вод, уже после предварительной очистки на грубых мембранах. Удалению поддаются частицы диаметром 0,1-1 мкм, в число которых входит большинство органических токсинов, встречающийся в хозяйственно-бытовых или промышленных системах водоотведения. В качестве очистной мембраны выступают препятствия из керамики, металла, стекла и полимерных материалов.

Как правило, механическая фильтрация применяется для первичного удаления из водного состава примесей – твердых частиц, взвесей и больших скоплений загрязняющих веществ. Эта методика чаще всего неспособна справиться с микроорганизмами или специфическими загрязнениями. Для такой очистки применяются специализированные способы, в том числе химическая и биологическая очистка.

Химический метод очистки сточных вод

Химический способочистки подразумевает использование особых реагентов – веществ, вступающих в реакцию с загрязнителями и нейтрализующих их. Такой подход применяется, когда нужно избавиться от конкретной группы примесей, которая не может быть отфильтрована механическим методом. В очистных сооружениях могут применяться разные типы химочистки, их название аналогично химической реакции, которая протекает при контакте стока с реагентом.

Озонирование. Озон – газ, выполняющий роль сильного окислителя, а также имеющий антибактериальный эффект. Он удаляет из состава воды тяжелые металлы, мышьяк и прочие вещества. Кроме того, озон уничтожает живые клетки в воде – микроорганизмы, водоросли, грибковые образования.
Осаждение. Способ борьбы с растворенными веществами. В воду вводится реагент, при контакте с которым примеси переходят в нерастворимую форму. Образовавшийся осадок может быть удален механической фильтрацией или откачан из отстойника.
Реакции окисления и восстановления. Реагентом выступает перманганат калия, пероксид водорода, фтор и прочие окислители или восстановители. Реакция окисления нейтрализует опасную органику и неорганические соединения, в числе которых медные или цинковые соли, цианиды, сероводород.
Реакции нейтрализации. Применяются для устранения кислот и щелочей, которые часто оказываются в отходах промышленных предприятий. Один из самых дешевых методов – смешать кислотный и щелочной потоки сточных вод, чтобы они нейтрализовали друг друга. Если это невозможно, применяются специальные реагенты, в том числе содовые смеси, гидроксид кальция и прочие кислотосодержащие или щелочные соединения.

Все используемые реагенты должны быть тщательно дозированы, в полном соответствии с концентрацией загрязнений. Несоблюдение этого правила приведет к тому, что используемые для очистки вещества попадут в открытые водоемы через сброс и сами нанесут вред окружающей среде и экосистеме пруда или реки.

Выделенные в процессе отстаивания и химочистки вещества, утилизируются разными способами. Некоторые вывозятся на специализированные полигоны, другие даже могут применяться в качестве источника биотоплива.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Физико-химическое очищение используется для комплексного удаления из состава стоков разнотипных вредных соединений. Они основываются не только на химических реакциях, но и на ряде физических процессов.

Ионный обмен. Растворенные вещества находятся в воде в ионной форме. Для их удаления используются ионообменные смолы – гранулированная загрузка для фильтров. В зависимости от типа используемых смол, удается отфильтровать ионы металлов, соли, мышьяк, цианиды и даже некоторые радиоактивные элементы. На выходе получается очищенная вода, которая не имеет токсического эффекта.

Сорбция. Применение сорбентов – веществ, которые притягивают загрязнители на себя. Это метод глубокой очистки, способный справиться с органикой, не поддающейся простому химическому устранению. Часто используемые сорбенты – это уголь, керамзит.
Коагуляция. Этот способ основан на действии коагулянтов – реагентов, которые воздействуют на взвеси, заставляя их слипаться в более крупные сгустки. После этого метода остается удалить осадок или отфильтровать полученную жидкость.
Флотация. Эффективный метод, основанный на применении воздуха. Емкость со стоками аэрируется, в результате чего взвеси и прочие нерастворимые загрязнения увлекаются на поверхность пузырьками воздуха. Альтернатива – электрофлотация, при которой воздух не вводится, а через емкость пропускается электрический ток. Флотационный эффект достигается воздействием электролитических газов.

Электролиз. Воздействие электрического тока на загрязненные стоки с целью вывести из их состава загрязнения. Обычно применяется в комплексе с другими перечисленными методиками.

Биологические методы очистки сточных вод

Биологическая очистка – это воздействие на сточные воды микроорганизмов, которые перерабатывают патогенные органические соединения. Такой способ обеспечивает наиболее полную очистку от фекального загрязнения и прочих примесей, содержащихся в хозяйственно-бытовых стоках. Очистка выполняется активным илом – концентратом микроорганизмов. В ходе биоочистки концентрация бактерий растет, поэтому время от времени их необходимо откачивать и утилизировать.

В зависимости от типа бактерий, применяются следующие виды очистки:

Анаэробная. Внедряются бактерии, не использующие в качестве источников энергии кислород. Очистка проходит медленно, но не требует электроэнергии для аэрации стоков. Применяется в простых септиках – энергонезависимых отстойниках для частных домов, дач и коттеджей.
Аэробная. Для жизнедеятельности активного ила используется кислород из воздуха, который нагнетается в стоки компрессором. Аэробные бактерии быстро справляются с растворенной органикой, поэтому такие установки применяются не только в локальных станциях биологической очистки, но и в системах централизованных канализаций.

Важно: биологическая очистка неспособна удалить из состава воды микроорганизмы. Чтобы избежать заражения почвы или водоемов, перед сбросом очищенные стоки необходимо подвергать обеззараживанию.

Комбинированные методы очистки сточных вод

Комбинированная очистка – это подход, при котором используется несколько очистных сооружений. На выходе получается чистая вода, которую можно сбросить в подготовленный дренаж или водоем без вреда для экосистемы. В некоторых случаях такая вода даже пригодна для повторного использования.

Важный этап комбинированной очистки – это применение одного из следующих способов:

Обратный осмос. Гиперфильтрация, для которой применяется полупроницаемая мембрана, задерживающая почти все вещества, кроме молекул воды. Под действием насоса жидкость проталкивается через мембрану, а концентрат загрязнений утилизируется. Чтобы повысить эффективность и продлить срок службы системы обратного осмоса, предварительно проводится механическая, биологическая очистка, а также микрофильтрация.

Электрохимическая очистка. Комбинация химических реагентов и воздействия электричеством, которое усиливает их эффективность. Например, с электролизом сочетаются коагулянты (электрокоагуляция), удаление взвесей флотацией и электрохимическая деструкция, которая разбивает токсины на более мелкие молекулы, не представляющие опасности.

После всех циклов очистки проводится обеззараживание стоков – удаление микроорганизмов. Для этого применяется озонирование, хлорирование или обработка УФ-лучами. Если перед этим применялся обратный осмос, дополнительное обеззараживание не требуется, так как полупроницаемая мембрана неприступна для бактерий.

Влияние неочищенных стоков на окружающую среду

Неочищенные стоки из канализационных систем и промышленных предприятий – главная причина загрязнения окружающей среды. Токсины, содержащиеся в жидкости, делают почву и водоемы непригодными для жизни и сельскохозяйственного использования, а при критических загрязнениях проникают даже в подземные воды, колодцы и скважины. Качественная очистка – обязательное требование государства.

Важно! Частные дома и дачи также должны быть оборудованы системами очистки стоков – септиками или станциями биологической очистки. Использование выгребных ям загрязняет грунтовые воды и окружающую территорию, делая ее непригодной для выращивания сельскохозяйственных культур.

Какая отработанная вода считается самой опасной?

Самые опасные загрязнения, которые могут находиться в сточных водах, – это:

Микроорганизмы, гельмины (фекальное загрязнение).
Нефтепродукты (деятельность НПЗ и химпромышленности).
Тяжелые металлы (сбросы металлургических и химических комбинатов).
Кислоты и щелочи, утилизируемые лабораториями или промышленными объектами.

Оборудование для очистки сточных вод

Сточные воды можно и нужно очищать даже в частных домовладениях. Это не только улучшает экологию на участке, но и помогает экономить на услугах ассенизаторов. В автономных системах применяются:

Септики – энергонезависимые системы, в которых происходит механическая и биологическая очистка.

Станции глубокой биологической очистки – комплексные системы, удаляющие органику и микроорганизмы, после чего вода может быть сброшена в дренажный или накопительный колодец, канаву.

В централизованных системах используются заводы комбинированной очистки, адаптированные под загрязнения, присутствующие в стоках. Среди используемого оборудования – механические фильтры, отстойники, аэротенки биологической очистки, реагентные фильтры и станции обеззараживания. Правильное строительство и обслуживание таких заводов защищает окружающую среду от загрязнений.