Очистка сточных вод (или очистка бытовых сточных вод , очистка муниципальных сточных вод ) — это тип очистки сточных вод , целью которого является удаление загрязняющих веществ из сточных вод с получением сточных вод , пригодных для сброса в окружающую среду или для предполагаемого повторного использования, тем самым предотвращая загрязнение воды необработанными водами. сбросы сточных вод. [2] Сточные воды содержат сточные воды домашних хозяйств и предприятий, а также, возможно, предварительно очищенные промышленные сточные воды . Существует большое количество процессов очистки сточных вод на выбор. Они могут варьироваться от децентрализованных систем (включая системы очистки на месте) до крупных централизованных систем, включающих сеть труб и насосных станций (называемых канализационными ), которые доставляют сточные воды на очистные сооружения. В городах, где есть комбинированная канализация , канализационные трубы также будут отводить городские стоки (ливневые воды) на очистные сооружения. Очистка сточных вод часто включает в себя два основных этапа, называемых первичной и вторичной очисткой , в то время как расширенная очистка также включает этап третичной очистки с процессами очистки и удаления питательных веществ. Вторичная очистка может уменьшить количество органических веществ (измеряемых как биологическое потребление кислорода ) из сточных вод с помощью аэробных или анаэробных биологических процессов. Для удаления органических микрозагрязнителей, таких как фармацевтические препараты, также может быть добавлена так называемая четвертичная стадия очистки (иногда называемая продвинутой обработкой). Это было реализовано в полном масштабе, например, в Швеции. [3]
Разработано большое количество технологий очистки сточных вод, в основном с использованием процессов биологической очистки. Инженеры-проектировщики и лица, принимающие решения, должны учитывать технические и экономические критерии каждой альтернативы при выборе подходящей технологии. [4] : 215 Часто основными критериями выбора являются: желаемое качество сточных вод, ожидаемые затраты на строительство и эксплуатацию, наличие земли, энергетические потребности и аспекты устойчивости . В развивающихся странах и в сельских районах с низкой плотностью населения сточные воды часто очищаются с помощью различных локальных канализационных систем, а не сбрасываются в канализацию. Эти системы включают в себя септики, подключенные к дренажным полям , локальные канализационные системы (OSS), системы вермифильтрации и многое другое. С другой стороны, современные и относительно дорогие очистные сооружения могут включать третичную очистку с дезинфекцией и, возможно, даже четвертую стадию очистки для удаления микрозагрязнителей. [3]
По оценкам, на глобальном уровне очищается около 52% сточных вод. [5] Однако уровень очистки сточных вод крайне неодинаков в разных странах мира. Например, в то время как страны с высоким уровнем дохода очищают примерно 74% своих сточных вод, развивающиеся страны очищают в среднем лишь 4,2%. [5]
Очистка сточных вод является частью области санитарии . Санитария также включает в себя управление отходами жизнедеятельности человека и твердыми отходами , а также управление ливневыми (дренажными) водами. [6] Термин « станция по очистке сточных вод» часто используется как синоним термина «станция по очистке сточных вод» . [4] [ нужна страница ] [7]
Термин очистные сооружения (СТП) (или очистные сооружения ) в настоящее время часто заменяют термином очистные сооружения (ОСВ). [7] [8] Строго говоря, последний представляет собой более широкий термин, который также может относиться к очистке промышленных сточных вод.
Термины «центр переработки воды» или «водоочистные сооружения» также используются как синонимы.
Общая цель очистки сточных вод состоит в том, чтобы производить сточные воды , которые можно сбрасывать в окружающую среду, вызывая при этом как можно меньше загрязнения воды , или производить сточные воды, которые можно повторно использовать с пользой. [9] Это достигается за счет удаления загрязнений из сточных вод. Это форма обращения с отходами .
Что касается биологической очистки сточных вод, цели очистки могут включать в себя различную степень: преобразование или удаление органических веществ, питательных веществ (азота и фосфора), патогенных организмов и специфических микрозагрязнителей (микрозагрязнителей). [7] : 548
Некоторые виды очистки сточных вод приводят к образованию осадка сточных вод , который можно обработать перед безопасной утилизацией или повторным использованием. При определенных обстоятельствах обработанный осадок сточных вод можно назвать твердым биологическим веществом и использовать в качестве удобрения .
Типичные значения физико-химических характеристик неочищенных сточных вод в развивающихся странах были опубликованы следующим образом: 180 г/человек/день для общего содержания твердых веществ (или 1100 мг/л, если выражать концентрацию), 50 г/человек/день для БПК ( 300 мг/л), 100 г/человек/день для ХПК (600 мг/л), 8 г/человек/день для общего азота (45 мг/л), 4,5 г/человек/день для аммиака-N (25 мг /л) и 1,0 г/человека/сутки для общего фосфора (7 мг/л). [10] : 57 Типичные диапазоны этих значений составляют: 120–220 г/человека/сутки для общего содержания твердых веществ (или 700–1350 мг/л, если выражать их в виде концентрации), 40–60 г/чел/сутки для БПК ( 250–400 мг/л), 80–120 г/чел/сут для ХПК (450–800 мг/л), 6–10 г/чел/сут для общего азота (35–60 мг/л), 3,5–6 г/человека/сутки для аммиака-N (20–35 мг/л) и 0,7–2,5 г/чел/сутки для общего фосфора (4–15 мг/л). [10] : 57
Было обнаружено, что для стран с высоким уровнем дохода «нагрузка органических веществ на человека» составляет примерно 60 граммов БПК на человека в день. [11] Это называется эквивалентом населения (PE) и также используется в качестве параметра сравнения для выражения силы промышленных сточных вод по сравнению со сточными водами.Канализация (или канализационная система) — это инфраструктура , которая передает сточные воды или поверхностные стоки ( ливневые , талые , дождевые воды ) с помощью канализационных коллекторов. В его состав входят такие компоненты, как приемные стоки , лазы , насосные станции , ливневые переливы, а также сетчатые камеры объединенной канализации или санитарной канализации . Канализация заканчивается на входе в очистные сооружения или в месте сброса в окружающую среду . Это система труб, камер, люков и т. д., по которым транспортируются сточные или ливневые воды.
Во многих городах сточные воды (или городские сточные воды) подаются вместе с ливневыми водами в комбинированную канализационную систему на очистные сооружения. В некоторых городских районах сточные воды отводятся отдельно в канализационные коллекторы , а стоки с улиц – в ливневые стоки . Доступ к этим системам в целях технического обслуживания обычно осуществляется через люк . В периоды большого количества осадков в канализационной системе может произойти комбинированное переполнение канализации или перелив санитарной канализации , что вынуждает неочищенные сточные воды течь непосредственно в принимающие воды. Это может представлять серьезную угрозу здоровью населения и окружающей среде.Сточные воды можно очищать вблизи места образования сточных вод, что можно назвать децентрализованной системой или даже локальной системой ( собственное канализационное сооружение , септики и т. д.). В качестве альтернативы сточные воды можно собирать и транспортировать по сети труб и насосных станций на муниципальные очистные сооружения. Это называется централизованной системой (см. также канализация и трубы и инфраструктура ).
Разработано большое количество технологий очистки сточных вод, в основном с использованием процессов биологической очистки (см. список технологий очистки сточных вод ). В широком смысле их можно разделить на высокотехнологичные (высокие затраты) и низкотехнологичные (низкие затраты), хотя некоторые технологии могут относиться к любой из этих категорий. Другими группирующими классификациями являются интенсивные или механизированные системы (более компактные и часто использующие высокотехнологичные варианты) по сравнению с экстенсивными или естественными или природными системами (обычно использующими естественные процессы очистки и занимающими большие площади). Иногда эта классификация может быть упрощенной, поскольку очистные сооружения могут включать в себя комбинацию процессов, а интерпретация понятий высокотехнологичных и низкотехнологичных, интенсивных и экстенсивных, механизированных и естественных процессов может варьироваться от места к месту.
Ниже показаны примеры более низкотехнологичных и часто менее дорогих систем очистки сточных вод. Они часто используют мало энергии или вообще не используют ее. Некоторые из этих систем не обеспечивают высокий уровень очистки или очищают только часть сточных вод (например, только сточные воды туалетов ), или обеспечивают только предварительную очистку, как септики. С другой стороны, некоторые системы способны обеспечить хорошую производительность, удовлетворительную для нескольких приложений. Многие из этих систем основаны на естественных процессах очистки и требуют больших площадей, тогда как другие более компактны. В большинстве случаев они используются в сельской местности или в малых и средних общинах.
Например, пруды-стабилизаторы отходов представляют собой недорогой вариант переработки, практически не требующий энергии, но для них требуется много земли. [4] : 236 Благодаря их технической простоте большая часть экономии (по сравнению с высокотехнологичными системами) приходится на затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. [4] : 220–243.
Примеры систем, которые могут обеспечить полную или частичную очистку только сточных вод туалетов:
Ниже приведены примеры более высокотехнологичных, интенсивных или механизированных, часто относительно дорогих систем очистки сточных вод. Некоторые из них также являются энергоемкими. Многие из них обеспечивают очень высокий уровень лечения. Например, в общих чертах, процесс с активным илом обеспечивает высокое качество сточных вод, но является относительно дорогим и энергоемким. [4] : 239
Существуют и другие варианты процесса, которые можно классифицировать как варианты утилизации, хотя их также можно понимать как варианты базовой очистки. К ним относятся: внесение ила , орошение , яма для вымачивания , поле для выщелачивания , пруд для разведения рыбы , пруд с плавающими растениями, водоотведение/ пополнение подземных вод , поверхностное удаление и хранение. [12] : 138
Применение сточных вод на земле является одновременно видом очистки и типом окончательного удаления. [4] : 189 Это приводит к пополнению подземных вод и/или к эвапотранспирации. Наземное применение включает медленнодействующие системы, быструю инфильтрацию, подземную инфильтрацию, наземный поток. Это делается методом заливания, борозд, разбрызгивания и капельного полива. Это система очистки/удаления, требующая большого количества земли на человека.
_reactor_in_Brazil.png/1280px-Upflow_anaerobic_sludge_blanket_(UASB)_reactor_in_Brazil.png){kind=spacer}
Нагрузка органического вещества на душу населения является параметром, используемым при проектировании очистных сооружений. Эта концепция известна как эквивалент населения (PE). Базовое значение, используемое для PE, может варьироваться в зависимости от страны. Во всем мире обычно используются следующие определения: 1 PE соответствует 60 граммам БПК на человека в день, а также 200 литрам сточных вод в день. [13] Эта концепция также используется в качестве параметра сравнения для выражения прочности промышленных сточных вод по сравнению со сточными водами.
При выборе подходящего процесса очистки сточных вод лица, принимающие решения, должны учитывать технические и экономические критерии. [4] : 215 Таким образом, каждый анализ индивидуален для конкретного участка. Можно использовать оценку жизненного цикла (LCA), при этом различным аспектам присваиваются критерии или веса. Это делает окончательное решение в некоторой степени субъективным. [4] : 216 Существует ряд публикаций, помогающих в выборе технологии. [4] : 221 [12] [14] [15]
В промышленно развитых странах наиболее важными параметрами при выборе процесса обычно являются эффективность, надежность и требования к пространству. В развивающихся странах они могут быть другими, и основное внимание может быть уделено затратам на строительство и эксплуатацию, а также простоте процесса. [4] : 218
Выбор наиболее подходящего процесса очистки сложен и требует участия экспертов, часто в форме технико-экономического обоснования . Это связано с тем, что основные важные факторы, которые следует учитывать при оценке и выборе процессов очистки сточных вод, многочисленны. Они включают в себя: применимость процесса, применимый расход, допустимое изменение расхода, характеристики притока, ингибирующие или тугоплавкие соединения, климатические аспекты, кинетику процесса и гидравлику реактора , производительность, остатки очистки, переработку осадка, экологические ограничения, требования к химическим продуктам, энергии и другим ресурсам. ; требования к персоналу, эксплуатации и техническому обслуживанию; вспомогательные процессы, надежность, сложность, совместимость, доступность площади. [4] : 219
Что касается воздействия очистных сооружений на окружающую среду, в процесс отбора включаются следующие аспекты: запахи, привлечение переносчиков , транспортировка осадка, санитарные риски, загрязнение воздуха , загрязнение почвы и недр, загрязнение поверхностных или грунтовых вод , обесценивание близлежащих территорий, неудобство для близлежащего населения. [4] : 220
Запахи , исходящие при очистке сточных вод, обычно являются признаком анаэробного или септического состояния. [16] На ранних стадиях переработки обычно образуются газы с неприятным запахом, при этом сероводород является наиболее распространенным источником жалоб. Крупные технологические предприятия в городских районах часто обрабатывают запахи с помощью угольных реакторов, контактной среды с биошламами, небольшими дозами хлора или циркулирующими жидкостями для биологического улавливания и метаболизма вредных газов. [17] Существуют и другие методы борьбы с запахом, включая добавление солей железа, перекиси водорода , нитрата кальция и т. д. для регулирования уровня сероводорода . [18]
Потребности в энергии варьируются в зависимости от типа процесса очистки, а также от прочности сточных вод. Например, построенные водно-болотные угодья и стабилизационные пруды требуют мало энергии. [19] Для сравнения, процесс с активным илом требует высоких энергозатрат, поскольку он включает стадию аэрации. Некоторые очистные сооружения производят биогаз в процессе обработки осадка сточных вод с помощью процесса, называемого анаэробным сбраживанием . Этот процесс может производить достаточно энергии для удовлетворения большей части энергетических потребностей самой станции очистки сточных вод. [7] : 1505
На установках по очистке активного ила в США около 30 процентов годовых эксплуатационных расходов обычно приходится на энергию. [7] : 1703 Большая часть этой электроэнергии используется для аэрации, насосных систем и оборудования для обезвоживания и сушки осадка сточных вод . Усовершенствованные очистные сооружения, например, для удаления питательных веществ, требуют больше энергии, чем установки, которые обеспечивают только первичную или вторичную очистку. [7] : 1704
Небольшие сельские электростанции, использующие капельные фильтры, могут работать без потребления чистой энергии, поскольку весь процесс приводится в движение гравитационным потоком, включая распределение потока через опрокидывающиеся ковши и удаление шлама из отстойников на сушильные площадки. Обычно это практично только в холмистой местности и в районах, где очистные сооружения находятся относительно далеко от жилых домов из-за сложности борьбы с запахами. [20] [21]
В развитых странах с жестким регулированием промышленные сточные воды перед сбросом в канализацию обычно проходят по крайней мере предварительную, если не полную, очистку на самих заводах для снижения содержания загрязняющих веществ . Предварительная очистка преследует две основные цели: во-первых, предотвратить попадание токсичных или ингибирующих соединений на биологическую стадию очистных сооружений и снизить ее эффективность. И, во-вторых, чтобы избежать накопления токсичных соединений в осадке сточных вод, что уменьшило бы возможности его повторного использования . Некоторые промышленные сточные воды могут содержать загрязняющие вещества, которые не могут быть удалены очистными сооружениями. Кроме того, переменный поток промышленных отходов, связанный с производственными циклами, может нарушить динамику численности населения на установках биологической очистки. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-Anaerobic_treatment_pond_(6910359715).jpg)
Городские жители во многих частях мира полагаются на локальные системы канализации без канализации, такие как септики и выгребные ямы , а управление фекальными осадками в этих городах представляет собой огромную проблему. [22]
Для очистки сточных вод в некоторых сельских районах широко распространено использование септиков и других канализационных сооружений (OSSF), например, обслуживающих до 20 процентов домов в США [23].
Очистка сточных вод часто включает два основных этапа, называемых первичной и вторичной очисткой, в то время как усовершенствованная очистка также включает этап третичной очистки с процессами очистки. [13] Различные типы очистки сточных вод могут использовать некоторые или все технологические этапы, перечисленные ниже.
Предварительная очистка (иногда называемая предварительной очисткой) удаляет грубые материалы, которые можно легко собрать из неочищенных сточных вод, прежде чем они повредят или засорят насосы и канализационные линии отстойников первичной очистки .
Поступающая в сточную воду вода проходит через решетчатую решетку , чтобы удалить все крупные предметы, такие как банки, тряпки, палки, пластиковые пакеты и т. д., переносимые потоком сточных вод. [24] Чаще всего на современных предприятиях, обслуживающих большое количество населения, это делается с помощью автоматизированного решетчатого сита с механическими граблями, тогда как на небольших или менее современных предприятиях может использоваться сито, очищаемое вручную. Скорость сгребания механического решетчатого сита обычно регулируется в зависимости от накопления на решетчатых ситах и/или скорости потока. Твердые вещества собираются и позже выбрасываются на свалку или сжигаются. Для оптимизации удаления твердых частиц можно использовать решетчатые или сетчатые сита различных размеров. Если твердые частицы не удаляются, они попадают в трубы и движущиеся части очистных сооружений и могут привести к существенному повреждению и снижению эффективности процесса. [25] : 9
Песок состоит из песка , гравия , камней и других тяжелых материалов. Предварительная очистка может включать в себя канал или камеру для удаления песка или песка, в которой скорость поступающих сточных вод снижается, чтобы обеспечить осаждение песка. Удаление песка необходимо для (1) уменьшения образования отложений в первичных отстойниках, аэротенках, анаэробных варочных котлах, трубах, каналах и т.п. (2) уменьшения частоты очистки резервуаров, вызванной чрезмерным накоплением песка; и (3) защитить движущееся механическое оборудование от истирания и сопутствующего ненормального износа. Удаление песка необходимо для оборудования с тщательно обработанными металлическими поверхностями, такого как измельчители, тонкие сита, центрифуги, теплообменники и диафрагменные насосы высокого давления.
Пескокамеры бывают трех типов: горизонтальные песколовки, аэрированные песколовки и вихревые песколовки. Вихревые песколовки включают механически индуцированные вихревые сепараторы, гидравлически индуцированные вихревые сепараторы и многолотковые вихревые сепараторы. Учитывая, что традиционно системы удаления песка разрабатывались для удаления чистых неорганических частиц размером более 0,210 миллиметра (0,0083 дюйма), большая часть более мелкого песка проходит через потоки удаления песка при нормальных условиях. В периоды сильного потока отложенный песок ресуспендируется, и количество песка, попадающего на очистные сооружения, существенно увеличивается. [7]
Для выравнивания потока можно использовать уравнительные бассейны. Это особенно полезно для комбинированных канализационных систем , которые производят пиковые расходы в сухую погоду или пиковые расходы в сырую погоду, которые намного превышают средние расходы. [7] : 334 Такие бассейны могут улучшить производительность процессов биологической очистки и вторичных отстойников. [7] : 334
К недостаткам относятся капитальные затраты на бассейны и требования к пространству. Бассейны также могут служить местом для временного хранения, разбавления и распределения периодических сбросов токсичных или высококонцентрированных сточных вод, которые в противном случае могли бы препятствовать вторичной биологической очистке (например, сточные воды из переносных туалетов или фекальный осадок , доставляемый на очистные сооружения в вакуумных грузовиках) . ). Бассейны с выравниванием потока требуют переменного контроля расхода, обычно включают в себя средства для обхода и очистки, а также могут включать аэраторы и средства контроля запаха. [26]
На некоторых более крупных предприятиях жир и жир удаляются путем пропускания сточных вод через небольшой резервуар, где скиммеры собирают жир, плавающий на поверхности. Воздуходувки в основании резервуара также можно использовать для извлечения жира в виде пены. Однако многие заводы используют первичные осветлители с механическими поверхностными скиммерами для удаления жира и жира.
Первичная очистка представляет собой «удаление части взвешенных веществ и органических веществ из сточных вод». [7] : 11 Он заключается в медленном прохождении сточных вод через резервуар, где тяжелые твердые частицы могут оседать на дно, в то время как масло, жир и более легкие твердые частицы всплывают на поверхность и смываются. Эти бассейны называются первичными отстойниками или первичными отстойниками и обычно имеют время гидравлического удержания (HRT) от 1,5 до 2,5 часов. [7] : 398 Осевшие и плавающие материалы удаляются, а оставшаяся жидкость может быть сброшена или подвергнута вторичной переработке. Первичные отстойники обычно оснащены скребками с механическим приводом, которые непрерывно перемещают собранный ил к бункеру в основании резервуара, откуда он перекачивается на очистные сооружения. [25] : 9–11
Очистные сооружения, подключенные к комбинированной канализационной системе, иногда имеют байпасную схему после установки первичной очистки. Это означает, что во время очень сильных дождей системы вторичной и третичной очистки можно обойти, чтобы защитить их от гидравлической перегрузки, и смесь сточных и ливневых вод подвергается только первичной очистке. [27]
Первичные отстойники удаляют около 50–70% взвешенных веществ и 25–40% биологической потребности в кислороде (БПК). [7] : 396
Основные процессы вторичной очистки сточных вод направлены на удаление как можно большего количества твердого материала. [13] Они используют биологические процессы для переваривания и удаления оставшегося растворимого материала, особенно органической фракции. Это можно сделать либо с помощью процессов приостановленного роста, либо с помощью процессов биопленки. Микроорганизмы, питающиеся органическими веществами, присутствующими в сточных водах, растут и размножаются, образуя биологические твердые вещества или биомассу. Они растут и группируются в форме хлопьев или биопленок, а при некоторых специфических процессах – в виде гранул. Биологические хлопья или биопленка и оставшиеся мелкие твердые частицы образуют осадок, который можно осаждать и отделять. После разделения остается жидкость, практически не содержащая твердых частиц и со значительно пониженной концентрацией загрязняющих веществ. [13]
Вторичная очистка может уменьшить количество органических веществ (измеряемых как биологическое потребление кислорода) из сточных вод с помощью аэробных или анаэробных процессов. Организмы, участвующие в этих процессах, чувствительны к присутствию токсичных материалов, хотя не ожидается, что они будут присутствовать в высоких концентрациях в типичных городских сточных водах.
Глубокая очистка сточных вод обычно включает три основных этапа: первичную, вторичную и третичную очистку, но может также включать промежуточные этапы и процессы окончательной очистки. Цель третичной очистки (также называемой глубокой очисткой ) состоит в том, чтобы обеспечить заключительную стадию очистки для дальнейшего улучшения качества сточных вод перед их сбросом в принимающий водный объект или повторным использованием. На любой очистной станции может использоваться более одного процесса третичной очистки. Если практикуется дезинфекция, это всегда заключительный процесс. Это также называется полировкой сточных вод . Третичная обработка может включать биологическое удаление питательных веществ (в качестве альтернативы ее можно классифицировать как вторичную очистку), дезинфекцию и удаление микрозагрязнителей, таких как стойкие фармацевтические загрязнители окружающей среды .
Третичная очистка иногда определяется как нечто большее, чем первичная и вторичная очистка, с целью обеспечить сброс в очень чувствительную или хрупкую экосистему , такую как устья рек , реки с низким течением или коралловые рифы . [28] Очищенную воду иногда дезинфицируют химически или физически (например, с помощью лагун и микрофильтрации ) перед сбросом в ручей , реку , залив , лагуну или водно- болотное угодье , или ее можно использовать для орошения поля для гольфа, зеленой дорожки или парк. Если он достаточно чистый, его также можно использовать для пополнения подземных вод или в сельскохозяйственных целях.
Песочная фильтрация удаляет большую часть остаточных взвесей. [25] : 22–23 Фильтрация через активированный уголь , также называемая адсорбцией углерода, удаляет остаточные токсины . [25] : 19 Микрофильтрация или синтетические мембраны используются в мембранных биореакторах и также могут удалять патогены. [7] : 854
Очистка и дальнейшее биологическое улучшение очищенных сточных вод может быть достигнуто путем их хранения в крупных искусственных прудах или лагунах. Эти лагуны очень аэробны, и часто поощряется колонизация местными макрофитами , особенно тростником.
Дезинфекция очищенных сточных вод направлена на уничтожение болезнетворных микроорганизмов (болезнетворных микроорганизмов) перед их утилизацией. Его эффективность возрастает после завершения большего количества элементов вышеуказанной последовательности лечения. [29] : 359 Целью дезинфекции при очистке сточных вод является существенное снижение количества болезнетворных микроорганизмов в воде, которая подлежит сбросу обратно в окружающую среду или повторному использованию. Эффективность дезинфекции зависит от качества обрабатываемой воды (например, мутности , pH и т. д.), типа используемой дезинфекции, дозировки дезинфицирующего средства (концентрация и время) и других переменных окружающей среды. Вода с высокой мутностью будет обрабатываться менее успешно, поскольку твердые вещества могут защищать организмы, особенно от ультрафиолета или при малом времени контакта. Как правило, короткое время контакта, низкие дозы и большие потоки препятствуют эффективной дезинфекции. Общие методы дезинфекции включают озон , хлор , ультрафиолет или гипохлорит натрия . [25] : 16 Монохлорамин , который используется для питьевой воды, не используется при очистке сточных вод из-за его стойкости.
Хлорирование остается наиболее распространенной формой дезинфекции очищенных сточных вод во многих странах из-за его низкой стоимости и многолетней истории эффективности. Одним из недостатков является то, что хлорирование остаточного органического материала может привести к образованию хлорорганических соединений, которые могут быть канцерогенными или вредными для окружающей среды. Остаточный хлор или хлорамины также могут быть способны хлорировать органические материалы в естественной водной среде. Кроме того, поскольку остаточный хлор токсичен для водных видов, очищенные сточные воды также должны подвергаться химическому дехлорированию, что усложняет и увеличивает стоимость очистки.
Вместо хлора, йода или других химикатов можно использовать ультрафиолетовый (УФ) свет. Поскольку не используются никакие химические вещества, очищенная вода не оказывает вредного воздействия на организмы, которые впоследствии ее потребляют, как это может быть в случае с другими методами. УФ-излучение повреждает генетическую структуру бактерий, вирусов и других болезнетворных микроорганизмов , делая их неспособными к размножению. Ключевыми недостатками УФ-дезинфекции являются необходимость частого обслуживания и замены ламп, а также необходимость тщательной очистки сточных вод, чтобы гарантировать, что целевые микроорганизмы не защищены от УФ-излучения (т. е. любые твердые вещества, присутствующие в обработанных сточных водах, могут защитить микроорганизмы от УФ-свет). Во многих странах УФ-излучение становится наиболее распространенным средством дезинфекции из-за опасений по поводу воздействия хлора при хлорировании остаточной органики в очищенных сточных водах и при хлорировании органических веществ в принимающей воде.
Как и в случае с УФ-обработкой, термическая стерилизация не приводит к добавлению химикатов в обрабатываемую воду. Однако, в отличие от УФ-излучения, тепло может проникать в непрозрачные жидкости. Тепловая дезинфекция также может проникать в твердые материалы сточных вод, стерилизуя их содержимое. Системы термического обеззараживания сточных вод обеспечивают обеззараживание сточных вод с минимальными затратами ресурсов и низкими эксплуатационными расходами после установки.
Озон ( O 3 ) генерируется путем пропускания кислорода ( O 2 ) через потенциал высокого напряжения , в результате чего третий атом кислорода присоединяется и образует O 3 . Озон очень нестабилен, реактивен и окисляет большую часть органических материалов, с которыми вступает в контакт, тем самым уничтожая многие патогенные микроорганизмы. Озон считается более безопасным, чем хлор, потому что, в отличие от хлора, который необходимо хранить на месте (очень ядовит в случае случайного выброса), озон генерируется на месте по мере необходимости из кислорода в окружающем воздухе. Озонирование также производит меньше побочных продуктов дезинфекции, чем хлорирование. Недостатком озоновой дезинфекции является высокая стоимость оборудования для генерации озона и требования к специальным операторам. Озоновая обработка сточных вод требует использования генератора озона , который обеззараживает воду, поскольку пузырьки озона просачиваются через резервуар.
Мембраны также могут быть эффективными дезинфицирующими средствами, поскольку они действуют как барьеры, предотвращающие проникновение микроорганизмов. В результате конечный сток может быть лишен патогенных организмов, в зависимости от типа используемой мембраны. Этот принцип применяется в мембранных биореакторах .
Сточные воды могут содержать высокие уровни питательных веществ азота и фосфора . Типичные значения биогенной нагрузки на человека и концентрации питательных веществ в неочищенных сточных водах в развивающихся странах были опубликованы следующим образом: 8 г/человек/день для общего азота (45 мг/л), 4,5 г/человек/день для аммиака -N (25 мг/л) и 1,0 г/человека/сутки для общего фосфора (7 мг/л). [4] : 57 Типичные диапазоны этих значений составляют: 6–10 г/человек/день для общего азота (35–60 мг/л), 3,5–6 г/человек/день для аммиака-N (20–35 мг /л) и 0,7-2,5 г/человека/сутки по общему фосфору (4-15 мг/л). [4] : 57
Чрезмерное попадание в окружающую среду может привести к загрязнению биогенными веществами , что может проявиться в эвтрофикации . Этот процесс может привести к цветению водорослей , быстрому росту, а затем и распаду популяции водорослей. Некоторые виды водорослей не только вызывают дезоксигенацию, но и производят токсины, которые загрязняют запасы питьевой воды .
Аммиачный азот в форме свободного аммиака (NH 3 ) токсичен для рыб. Аммиачный азот при превращении в нитрит и далее в нитрат в водоеме в процессе нитрификации связан с потреблением растворенного кислорода. Нитриты и нитраты также могут иметь значение для общественного здравоохранения, если их концентрации в питьевой воде высоки из-за заболевания, называемого метагемоглобинемией . [4] : 42
Удаление фосфора важно, поскольку фосфор является питательным веществом, ограничивающим рост водорослей во многих системах пресной воды. Поэтому избыток фосфора может привести к эвтрофикации. Это также особенно важно для систем повторного использования воды , где высокие концентрации фосфора могут привести к загрязнению последующего оборудования, такого как обратный осмос .
Для удаления азота и фосфора доступен ряд процессов очистки. Биологическое удаление питательных веществ (BNR) рассматривается некоторыми как тип вторичного процесса очистки [7] , а другие – как третичный (или продвинутый ) процесс очистки.
Азот удаляется путем биологического окисления азота из аммиака в нитрат ( нитрификация ) с последующей денитрификацией — восстановлением нитрата до газообразного азота. Газообразный азот выбрасывается в атмосферу и таким образом удаляется из воды.
Нитрификация сама по себе представляет собой двухэтапный аэробный процесс, каждый этап которого обеспечивается разными типами бактерий. Окислению аммиака (NH 4 + ) до нитрита (NO 2 - ) чаще всего способствуют такие бактерии, как Nitrosomonas spp. ( нитрозо относится к образованию нитрозофункциональной группы ). Окислению нитрита до нитрата (NO 3 - ), хотя традиционно считается, что ему способствуют Nitrobacter spp. (нитро относится к образованию нитрофункциональной группы ), как теперь известно, в окружающей среде способствуют преимущественно Nitrospira spp.
Денитрификация требует бескислородных условий, чтобы стимулировать формирование соответствующих биологических сообществ. Аноксическими условиями называют ситуацию, когда кислород отсутствует, но присутствует нитрат. Денитрификации способствует большое разнообразие бактерий. Процесс с активным илом , песчаные фильтры , пруды-стабилизаторы отходов , построенные водно-болотные угодья и другие процессы могут быть использованы для снижения содержания азота. [25] : 17–18 Поскольку денитрификация представляет собой восстановление нитрата до газообразного динитрогена (молекулярного азота), необходим донор электронов . В зависимости от сточных вод это могут быть органические вещества (из самих сточных вод), сульфиды или добавленные доноры, такие как метанол . Осадок в бескислородных резервуарах (денитрификационных резервуарах) должен быть тщательно перемешан (смесь рециркулируемой смешанной жидкости, возвратного активного ила и неочищенного стока), например, с помощью погружных мешалок , чтобы добиться желаемой денитрификации.
Со временем были разработаны различные конфигурации очистки для процессов с активным илом, обеспечивающие высокий уровень удаления азота. Первоначальная схема называлась процессом Лудзака-Эттингера. Не удалось достичь высокого уровня денитрификации. [7] : 616 Модифицированный процесс Лудзака-Эттингера (MLE) появился позже и представлял собой усовершенствование исходной концепции. Он перерабатывает смешанную жидкость из выпускного конца аэротенка в верхнюю часть бескислородного резервуара. Это обеспечивает нитраты для факультативных бактерий. [7] : 616
Существуют и другие конфигурации процесса, например варианты процесса Барденфо. [30] : 160 Они могут отличаться расположением бескислородных резервуаров, например, до и после аэротенков.
Исследования сточных вод в США в конце 1960-х годов показали, что средний вклад на душу населения составляет 500 граммов (18 унций) мочи и фекалий, 1000 граммов (35 унций) синтетических моющих средств и меньшие переменные количества, используемые в качестве химикатов для борьбы с коррозией и накипью в системах водоснабжения. . [31] Контроль источника с помощью альтернативных составов моющих средств впоследствии снизил наибольший вклад, но, естественно, содержание фосфора в моче и фекалиях осталось неизменным.
Фосфор можно удалить биологическим путем в процессе, называемом усиленным биологическим удалением фосфора . В ходе этого процесса специфические бактерии, называемые организмами, накапливающими полифосфаты (ПАО), избирательно обогащаются и накапливают внутри своих клеток большое количество фосфора (до 20 процентов их массы). [30] : 148–155.
Удаление фосфора также может быть достигнуто путем химического осаждения , обычно с помощью солей железа (например, хлорида железа ) или алюминия (например, квасцов ) или извести. [25] : 18 Это может привести к увеличению образования осадка, поскольку гидроксиды выпадают в осадок, а добавляемые химикаты могут быть дорогими. Химическое удаление фосфора требует значительно меньшей площади оборудования, чем биологическое удаление, проще в эксплуатации и часто более надежно, чем биологическое удаление фосфора. Другой метод удаления фосфора — использование гранулированного латерита или цеолита . [32] [33]
Некоторые системы используют как биологическое удаление фосфора, так и химическое удаление фосфора. Химическое удаление фосфора в этих системах может использоваться в качестве резервной системы, когда биологическое удаление фосфора не удаляет достаточно фосфора, или может использоваться непрерывно. В любом случае использование как биологического, так и химического удаления фосфора имеет преимущество, заключающееся в том, что производство осадка не увеличивается в такой степени, как химическое удаление фосфора само по себе, но недостатком является увеличение первоначальных затрат, связанных с установкой двух разных систем.
После удаления фосфор в виде осадка сточных вод , богатого фосфатами , может быть отправлен на свалку или использован в качестве удобрения в смеси с другими переваренными осадками сточных вод. В последнем случае обработанный осадок сточных вод также иногда называют твердыми биологическими веществами. 22% мировых потребностей в фосфоре можно удовлетворить за счет переработки бытовых сточных вод. [34] [35]
Микрозагрязнители, такие как фармацевтические препараты, ингредиенты бытовой химии, химикаты, используемые на малых предприятиях или в промышленности, стойкие фармацевтические загрязнители окружающей среды (EPPP) или пестициды, не могут быть удалены в обычно используемых процессах очистки сточных вод (первичная, вторичная и третичная очистка) и, следовательно, приводят к загрязнение воды. [36] Хотя концентрации этих веществ и продуктов их разложения довольно низки, вероятность нанесения вреда водным организмам все же существует. Что касается фармацевтических препаратов , то следующие вещества были идентифицированы как токсикологически значимые: вещества, оказывающие эндокринное разрушительное действие, генотоксичные вещества и вещества, усиливающие развитие бактериальной резистентности . [37] В основном они относятся к группе ЭППП.
Методы удаления микрозагрязнителей посредством четвертой стадии очистки сточных вод применяются в Германии, Швейцарии, Швеции [3] и Нидерландах, а испытания продолжаются в ряде других стран. [38] Такие этапы процесса в основном состоят из фильтров с активированным углем , которые адсорбируют микрозагрязнители. Комбинация глубокого окисления озоном с последующим применением гранулированного активированного угля (ГАУ) была предложена в качестве экономически эффективной комбинации обработки остатков фармацевтических препаратов. Для полной редукции микропластов было предложено сочетание ультрафильтрации с последующим использованием ГАУ. Также исследуется использование ферментов, таких как лакказа , выделяемых грибами. [39] [40] Микробные биотопливные элементы исследуются на предмет их способности очищать органические вещества в сточных водах. [41]
Чтобы сократить попадание фармацевтических препаратов в водоемы, также изучаются меры контроля источников, такие как инновации в разработке лекарств или более ответственное обращение с лекарствами. [37] [42] В США Национальная инициатива «Вернуть обратно» представляет собой добровольную программу, ориентированную на широкую общественность и поощряющую людей возвращать излишки или лекарства с истекшим сроком годности и избегать их сброса в канализационную систему. [43]
_at_a_large_sewage_treatment_plant.jpg/1280px-Mechanical_dewatering_(centrifuge)_at_a_large_sewage_treatment_plant.jpg)
Обработка осадка сточных вод описывает процессы, используемые для управления и утилизации осадка сточных вод , образующегося во время очистки сточных вод. Обработка осадка направлена на уменьшение веса и объема осадка для снижения затрат на транспортировку и утилизацию, а также на снижение потенциальных рисков для здоровья, связанных с вариантами утилизации. Удаление воды является основным средством уменьшения веса и объема, тогда как уничтожение патогенов часто достигается путем нагревания во время термофильного сбраживания, компостирования или сжигания . Выбор метода обработки осадка зависит от объема образующегося осадка и сравнения затрат на обработку, необходимых для доступных вариантов утилизации. Сушка на воздухе и компостирование могут быть привлекательными для сельских сообществ, в то время как ограниченная доступность земли может сделать аэробное сбраживание и механическое обезвоживание предпочтительными для городов, а экономия за счет масштаба может стимулировать альтернативные способы рекуперации энергии в мегаполисах.
Осадок представляет собой в основном воду с некоторым количеством твердых веществ, удаленных из жидких сточных вод. Первичный ил включает осаждающиеся твердые частицы , удаленные при первичной очистке в первичных отстойниках . Вторичный ил — это ил, отделенный во вторичных осветлителях, которые используются в биореакторах вторичной очистки или в процессах с использованием неорганических окислителей . При интенсивных процессах очистки сточных вод образующийся осадок необходимо постоянно удалять из жидкостной линии, поскольку объемы резервуаров жидкостной линии недостаточны для хранения осадка. [44] Это делается для того, чтобы процессы очистки были компактными и сбалансированными (производство осадка примерно равно удалению осадка). Осадок, удаленный из жидкостной линии, поступает на линию очистки осадка. Аэробные процессы (такие как процесс с активным илом ), как правило, производят больше ила по сравнению с анаэробными процессами. С другой стороны, в ходе экстенсивных (естественных) процессов очистки, таких как пруды и искусственные водно-болотные угодья , образующийся ил остается накапливаемым в очистных установках (линии подачи жидкости) и удаляется только после нескольких лет эксплуатации. [45]
Варианты обработки осадка зависят от количества образующихся твердых частиц и других условий, специфичных для конкретного участка. Компостирование чаще всего применяется на небольших предприятиях с аэробным сбраживанием для операций среднего размера и анаэробным сбраживанием для крупномасштабных операций. Осадок иногда пропускают через так называемый предварительный загуститель, который обезвоживает осадок. Типы предварительных загустителей включают центробежные загустители ила, [46] загустители ила с вращающимся барабаном и ленточные фильтр-прессы. [47] Обезвоженный ил можно сжигать или вывозить за пределы площадки для захоронения на свалке или использования в качестве удобрения для сельскохозяйственных почв. [48]Очистные сооружения могут оказывать существенное влияние на биотический статус принимающих вод и вызывать некоторое загрязнение воды, особенно если используемый процесс очистки является лишь базовым. Например, для очистных сооружений без удаления питательных веществ проблемой может стать эвтрофикация принимающих водоемов.
Все чаще люди используют очищенные или даже неочищенные сточные воды для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур. Города являются прибыльными рынками для свежих продуктов, поэтому они привлекательны для фермеров. Поскольку сельскому хозяйству приходится конкурировать за все более скудные водные ресурсы с промышленностью и муниципальными пользователями, у фермеров часто нет альтернативы, кроме как использовать воду, загрязненную сточными водами, непосредственно для полива своих посевов. Использование воды, насыщенной патогенами, может представлять серьезную опасность для здоровья. Всемирная организация здравоохранения разработала рекомендации по безопасному использованию сточных вод в 2006 году. [52] Они выступают за подход «множественных барьеров» к использованию сточных вод, при котором фермерам рекомендуется применять различные модели поведения, снижающие риск. К ним относятся прекращение орошения за несколько дней до сбора урожая, чтобы болезнетворные микроорганизмы погибли под солнечным светом, осторожное применение воды, чтобы она не загрязняла листья, которые могут быть съедены сырыми, очистка овощей дезинфицирующим средством или высыхание фекального осадка, используемого в сельском хозяйстве, перед использованием. как человеческий навоз. [53]
До 20-го века в Европе канализационные трубы обычно сбрасывались в водоемы, например , в реки, озера или океаны. Очистки не было, поэтому разложение отходов жизнедеятельности человека было оставлено на усмотрение экосистемы . Это могло бы привести к удовлетворительным результатам, если ассимиляционная способность экосистемы достаточна, что в настоящее время не часто случается из-за увеличения плотности населения. [4] : 78
Сегодня ситуация в городских районах промышленно развитых стран обычно такова, что канализационные трубы направляют свое содержимое на очистные сооружения, а не непосредственно в водоем. Однако во многих развивающихся странах основная часть городских и промышленных сточных вод сбрасывается в реки и океан без какой-либо очистки или только после предварительной очистки или первичной очистки. Это может привести к загрязнению воды . Существует мало надежных данных о доле сточных вод, собранных в канализационных системах и подлежащих очистке в мире. По глобальной оценке ПРООН и ООН-Хабитат в 2010 году 90% всех образующихся сточных вод выбрасывается в окружающую среду без очистки. [57] По оценкам более недавнего исследования, проведенного в 2021 году, во всем мире очищается около 52% сточных вод. [5] Однако уровень очистки сточных вод крайне неодинаков в разных странах мира. Например, в то время как страны с высоким уровнем дохода очищают примерно 74% своих сточных вод, развивающиеся страны очищают в среднем лишь 4,2%. [5] По состоянию на 2022 год без достаточной очистки более 80% всех сточных вод, образующихся в мире, будет выбрасываться в окружающую среду. По данным UN Water, страны с высоким уровнем дохода очищают в среднем 70% сточных вод, которые они производят. [34] [58] [59] Только 8% сточных вод, образующихся в странах с низкими доходами, подвергаются какой-либо очистке. [34] [60] [61]
Совместная программа мониторинга (СПМ) водоснабжения и санитарии ВОЗ и ЮНИСЕФ сообщает в 2021 году, что 82% людей, имеющих подключение к канализации, подключены к очистным сооружениям, обеспечивающим как минимум вторичную очистку. [62] : 55 Однако это значение широко варьируется в зависимости от региона. Например, в Европе, Северной Америке, Северной Африке и Западной Азии в общей сложности 31 страна имела универсальную (>99%) очистку сточных вод. Однако в Албании, Бермудских островах, Северной Македонии и Сербии «менее 50% канализационных сточных вод подвергались вторичной или более качественной очистке», а в Алжире, Ливане и Ливии эта стоимость составляла менее 20% канализационных сточных вод, подвергавшихся очистке. В отчете также говорится, что «594 миллиона человек во всем мире имеют подключения к канализации, которые не получают достаточной очистки. Еще больше людей подключены к станциям очистки сточных вод, которые не обеспечивают эффективную очистку или не соответствуют требованиям к сточным водам». [62] : 55
Цель устойчивого развития 6 имеет задачу 6.3, которая сформулирована следующим образом: «К 2030 году улучшить качество воды за счет сокращения загрязнения, устранения сбросов и минимизации выбросов опасных химикатов и материалов, сокращения вдвое доли неочищенных сточных вод и существенного увеличения переработки и безопасного повторного использования во всем мире». ." [56] Соответствующий показатель 6.3.1 представляет собой «долю безопасно очищенных сточных вод». Ожидается, что производство сточных вод вырастет на 24% к 2030 году и на 51% к 2050 году. [34] [63] [64]
Данные 2020 года показали, что несобранных бытовых сточных вод по-прежнему слишком много: в 2020 году на очистных сооружениях было собрано только 66% всех потоков бытовых сточных вод (это определено по данным 128 стран). [8] : 17 На основе данных из 42 стран в 2015 году в отчете говорится, что «32 процента всех потоков сточных вод, образующихся из точечных источников, прошли хотя бы некоторую очистку». [8] : 17 В 2020 году около 79% сточных вод, которые действительно были собраны на централизованных очистных сооружениях, прошли безопасную очистку. [8] : 18
История очистки сточных вод развивалась следующим образом: она началась с землепользования ( очистных ферм ) в 1840-х годах в Англии, за которой последовала химическая обработка и осаждение сточных вод в резервуарах, а затем биологическая очистка в конце 19 века, что привело к развитию процесс активного ила, начавшийся в 1912 году. [65] [66]
Лишь в конце 19 века стало возможным очищать сточные воды путем биологического разложения органических компонентов с помощью микроорганизмов и удаления загрязняющих веществ. Очистка земель также постепенно становилась все менее осуществимой, поскольку города росли, а объем образующихся сточных вод больше не мог поглощаться сельскохозяйственными угодьями на окраинах.
Эдвард Франкленд проводил эксперименты на ферме по очистке сточных вод в Кройдоне , Англия, в 1870-х годах и смог продемонстрировать, что фильтрация сточных вод через пористый гравий приводит к образованию нитрифицированных стоков (аммиак преобразуется в нитраты) и что фильтр остается незасоренным в течение длительного периода времени. время. [67] Это установило революционную на тот момент возможность биологической очистки сточных вод с использованием контактного слоя для окисления отходов. Эту концепцию подхватил главный химик Лондонского городского управления работ Уильям Либдин в 1887 году:
В большинстве стран сбор и очистка сточных вод регулируются местными и национальными правилами и стандартами .
В Европейском Союзе 0,8% общего потребления энергии идет на очистные сооружения. [34] [70] Европейскому Союзу необходимо сделать дополнительные инвестиции в размере 90 миллиардов евро в сектор водоснабжения и переработки отходов для достижения своих целей в области климата и энергетики на 2030 год. [34] [71] [72]
В октябре 2021 года члены британского парламента проголосовали за продолжение сброса неочищенных сточных вод из переливов объединенной канализации в водные пути. [73] [74]
« Delhi Jal Board » (DJB) в настоящее время работает над строительством крупнейшей станции очистки сточных вод в Индии. Он будет введен в эксплуатацию к концу 2022 года с расчетной пропускной способностью 564 MLD. Предполагается решить существующую ситуацию, когда неочищенные сточные воды сбрасываются непосредственно в реку «Ямуна».
В Ливии очисткой городских сточных вод управляет генеральная компания по водоснабжению и водоотведению Ливии, которая находится в компетенции Министерства жилищно-коммунального хозяйства. По всей стране имеется около 200 очистных сооружений, но лишь немногие из них функционируют. Фактически, 36 крупных заводов расположены в крупных городах; однако только девять из них находятся в рабочем состоянии, остальные находятся в ремонте. [81]
Крупнейшие действующие очистные сооружения расположены в Сирте, Триполи и Мисурате, их проектная мощность составляет 21 000, 110 000 и 24 000 м3/сутки соответственно. При этом большинство оставшихся очистных сооружений представляют собой предприятия малого и среднего размера с проектной производительностью примерно от 370 до 6700 м3/сут. Таким образом, 145 800 м3/день или 11 процентов сточных вод фактически очищаются, а остальные сбрасываются в океан и искусственные лагуны, хотя и не подвергаются очистке. Фактически, из-за неработающих очистных сооружений в Триполи каждый день в океан сбрасывается более 1 275 000 кубических метров необработанной воды. [81]
Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
