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 для получения сточных вод , которые пригодны для сброса в окружающую среду или предполагаемого повторного использования, тем самым предотвращая загрязнение воды от неочищенных сбросов сточных вод. [2] Сточные воды содержат сточные воды из домохозяйств и предприятий и, 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 канализацией ), которые транспортируют сточные воды на очистные сооружения. В городах, имеющих объединенную канализацию , канализация также будет транспортировать городские стоки (ливневые воды) на очистные сооружения. Очистка сточных вод часто включает два основных этапа, называемых первичной и вторичной очисткой , в то время как расширенная очистка также включает этап третичной очистки с процессами полировки и удаления питательных веществ. Вторичная очистка может уменьшить органическое вещество (измеряемое как биологическая потребность в кислороде ) из сточных вод, используя аэробные или анаэробные биологические процессы. Так называемый шаг четвертичной очистки (иногда называемый усовершенствованной очисткой) также может быть добавлен для удаления органических микрозагрязнителей, таких как фармацевтические препараты. Это было реализовано в полном масштабе, например, в Швеции. [3]
Было 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, доступность земли, потребности в энергии и аспекты устойчивости . В развивающихся странах и в сельских районах с низкой плотностью населения сточные воды часто очищаются различными местными системами канализации и не транспортируются в канализацию. Эти системы включают септики , подключенные к дренажным полям , местные системы канализации (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]
На глобальном уровне, по оценкам, очищается 52% сточных вод. [5] Однако показатели очистки сточных вод сильно различаются в разных странах мира. Например, в то время как страны с высоким уровнем дохода очищают около 74% своих сточных вод, развивающиеся страны очищают в среднем всего 4,2%. [5]
Очистка сточных вод является частью области санитарии . Санитария также включает в себя управление человеческими отходами и твердыми отходами , а также управление ливневыми водами (дренаж). [6] Термин «очистные сооружения» часто используется взаимозаменяемо с термином « очистные сооружения сточных вод» . [4] [ нужна страница ] [7]
Термин «очистные сооружения сточных вод » (ОСВ) в настоящее время часто заменяют термином « очистные сооружения сточных вод » (ОСВ). [7] [8] Строго говоря, последний является более широким термином, который может также относиться к очистке промышленных сточных вод.
Термины «центр оборотного водоснабжения» или «установки по переработке воды» также используются как синонимы.
Общая цель очистки сточных вод — производить сточные воды , которые можно сбрасывать в окружающую среду, вызывая при этом как можно меньшее загрязнение воды , или производить сточные воды, которые можно повторно использовать полезным образом. [9] Это достигается путем удаления загрязняющих веществ из сточных вод. Это форма управления отходами .
Что касается биологической очистки сточных вод, цели очистки могут включать в себя различные степени следующих действий: преобразование или удаление органических веществ, питательных веществ (азота и фосфора), патогенных организмов и определенных следовых органических компонентов (микрозагрязнителей). [7] : 548
Некоторые типы очистки сточных вод производят канализационный ил , который может быть обработан перед безопасной утилизацией или повторным использованием. При определенных обстоятельствах обработанный канализационный ил может быть назван биотвердыми веществами и может быть использован в качестве удобрения .
Типичные значения физико-химических характеристик неочищенных сточных вод в развивающихся странах были опубликованы следующим образом: 180 г/чел./день для общего содержания твердых веществ (или 1100 мг/л в пересчете на концентрацию), 50 г/чел./день для БПК (300 мг/л), 100 г/чел./день для ХПК (600 мг/л), 8 г/чел./день для общего азота (45 мг/л), 4,5 г/чел./день для аммиачного азота (25 мг/л) и 1,0 г/чел./день для общего фосфора (7 мг/л). [10] : 57 Типичные диапазоны для этих значений: 120–220 г/чел./день для общих твердых веществ (или 700–1350 мг/л, если выражать как концентрацию), 40–60 г/чел./день для БПК (250–400 мг/л), 80–120 г/чел./день для ХПК (450–800 мг/л), 6–10 г/чел./день для общего азота (35–60 мг/л), 3,5–6 г/чел./день для аммиачного азота (20–35 мг/л) и 0,7–2,5 г/чел./день для общего фосфора (4–15 мг/л). [10] : 57
Для стран с высоким уровнем дохода «нагрузка органического вещества на человека» составляет приблизительно 60 граммов БПК на человека в день. [11] Это называется эквивалентом населения (ПЭ) и также используется в качестве параметра сравнения для выражения концентрации промышленных сточных вод по сравнению со сточными водами.Канализация (или канализационная система) — это инфраструктура , которая транспортирует сточные воды или поверхностный сток ( ливневые , талые , дождевые воды ) с помощью канализации. Она охватывает такие компоненты, как приемные стоки , люки , насосные станции , ливневые переливы и сетчатые камеры общесплавной или бытовой канализации . Канализация заканчивается на входе в очистные сооружения или в точке сброса в окружающую среду . Это система труб, камер, люков или смотровых камер и т. д., которая транспортирует сточные воды или ливневые воды.
Во многих городах сточные воды (муниципальные сточные воды или городские стоки) отводятся вместе с ливневыми водами в общесплавной канализационной системе на очистные сооружения. В некоторых городских районах сточные воды отводятся отдельно в бытовую канализацию , а стоки с улиц отводятся в ливневые стоки . Доступ к этим системам для технического обслуживания обычно осуществляется через люк . В периоды обильных осадков в канализационной системе может произойти переполнение общесплавной канализации или переполнение бытовой канализации , в результате чего неочищенные сточные воды попадают непосредственно в водоприемники. Это может представлять серьезную угрозу для здоровья населения и окружающей среды.Сточные воды могут очищаться вблизи места их образования, что можно назвать децентрализованной системой или даже локальной системой ( локальная канализация , септики и т. д.). В качестве альтернативы сточные воды могут собираться и транспортироваться по сети труб и насосных станций на муниципальные очистные сооружения. Это называется централизованной системой (см. также канализация и трубы и инфраструктура ).
Было разработано большое количество технологий очистки сточных вод, в основном с использованием биологических процессов очистки (см. список технологий очистки сточных вод ). В самом широком смысле их можно сгруппировать в высокотехнологичные (высокая стоимость) и низкотехнологичные (низкая стоимость) варианты, хотя некоторые технологии могут попадать в любую из категорий. Другие классификации группировок — это интенсивные или механизированные системы (более компактные и часто использующие высокотехнологичные варианты) и экстенсивные или естественные или основанные на природе системы (обычно использующие естественные процессы очистки и занимающие большие площади). Эта классификация иногда может быть упрощена, поскольку очистные сооружения могут включать комбинацию процессов, а интерпретация концепций высокотехнологичных и низкотехнологичных, интенсивных и экстенсивных, механизированных и естественных процессов может различаться в зависимости от места.
Ниже приведены примеры более низкотехнологичных, часто менее дорогих систем очистки сточных вод. Они часто потребляют мало или вообще не потребляют энергии. Некоторые из этих систем не обеспечивают высокого уровня очистки или очищают только часть сточных вод (например, только туалетные сточные воды ), или они обеспечивают только предварительную очистку, как септики. С другой стороны, некоторые системы способны обеспечить хорошую производительность, удовлетворительную для нескольких применений. Многие из этих систем основаны на естественных процессах очистки, требующих больших площадей, в то время как другие более компактны. В большинстве случаев они используются в сельской местности или в небольших и средних по размеру общинах.
Например, пруды-стабилизаторы отходов являются недорогим вариантом обработки, практически не требующим энергии, но для них требуется много земли. [4] : 236 Благодаря их технической простоте большая часть экономии (по сравнению с высокотехнологичными системами) приходится на расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание. [4] : 220–243
Примеры систем, которые могут обеспечить полную или частичную очистку только туалетных сточных вод:
Примеры более высокотехнологичных, интенсивных или механизированных, часто относительно дорогих систем очистки сточных вод приведены ниже. Некоторые из них также являются энергоемкими. Многие из них обеспечивают очень высокий уровень очистки. Например, в общем, процесс с использованием активированного ила 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 базовые варианты обработки. К ним относятся: применение ила , орошение , замачивание , поле выщелачивания , пруд для разведения рыбы , пруд для плавающих растений, утилизация воды/ пополнение грунтовых вод , поверхностная утилизация и хранение. [12] : 138
Применение сточных вод к земле является как типом обработки, так и типом окончательной утилизации. [4] : 189 Это приводит к пополнению запасов грунтовых вод и/или к эвапотранспирации. Применение к земле включает в себя системы с низкой скоростью, быструю инфильтрацию, подповерхностную инфильтрацию, поверхностный сток. Это делается путем затопления, борозд, разбрызгивания и капельного орошения. Это система обработки/утилизации, которая требует большого количества земли на человека.
_reactor_in_Brazil.png/1280px-Upflow_anaerobic_sludge_blanket_(UASB)_reactor_in_Brazil.png){kind=spacer}
Нагрузка органическими веществами на человека — это параметр, используемый при проектировании очистных сооружений. Эта концепция известна как эквивалент населения (ПЭ). Базовое значение, используемое для ПЭ, может варьироваться в зависимости от страны. Обычно используемые определения, используемые во всем мире, следующие: 1 ПЭ равен 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 Поэтому каждый анализ специфичен для конкретного участка. Можно использовать оценку жизненного цикла (LCA), а критерии или весовые коэффициенты приписываются различным аспектам. Это делает окончательное решение в некоторой степени субъективным. [4] : 216 Существует ряд публикаций, помогающих с выбором 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 акцент может быть сделан на стоимости строительства и эксплуатации, а также на простоте процесса. [4] : 218
Выбор наиболее подходящего процесса очистки сложен и требует экспертных данных, часто в форме технико-экономических обоснований . Это связано с тем, что основные важные факторы, которые следует учитывать при оценке и выборе процессов очистки сточных вод, многочисленны. Они включают: применимость процесса, применимый поток, приемлемое изменение потока, характеристики втекающего потока, ингибирующие или тугоплавкие соединения, климатические аспекты, кинетика процесса и гидравлика реактора , производительность, остатки обработки, обработка ила, экологические ограничения, требования к химическим продуктам, энергии и другим ресурсам; требования к персоналу, эксплуатации и обслуживанию; вспомогательные процессы, надежность, сложность, совместимость, доступность площади. [4] : 219
Что касается воздействия очистных сооружений на окружающую среду, в процесс отбора включены следующие аспекты: запахи, привлечение переносчиков , транспортировка шлама, санитарные риски, загрязнение воздуха , загрязнение почвы и подпочвы, загрязнение поверхностных или грунтовых вод , обесценивание близлежащих территорий, неудобства для близлежащего населения. [4] : 220
Запахи, выделяемые очисткой сточных вод, обычно являются признаком анаэробного или септического состояния. [16] На ранних стадиях обработки, как правило, выделяются дурно пахнущие газы, причем жалобы чаще всего поступают на сероводород . Крупные перерабатывающие предприятия в городских районах часто обрабатывают запахи с помощью угольных реакторов, контактной среды с биошламами, небольших доз хлора или циркулирующих жидкостей для биологического захвата и метаболизма вредных газов. [17] Существуют и другие методы контроля запахов, включая добавление солей железа, перекиси водорода , нитрата кальция и т. д. для управления уровнями сероводорода . [18]
Потребности в энергии различаются в зависимости от типа процесса очистки, а также от прочности сточных вод. Например, сконструированные водно-болотные угодья и стабилизационные пруды имеют низкие потребности в энергии. [19] Для сравнения, процесс с использованием активированного ила имеет высокое потребление энергии, поскольку он включает этап аэрации. Некоторые очистные сооружения производят биогаз из процесса обработки ила сточных вод , используя процесс, называемый анаэробным сбраживанием . Этот процесс может производить достаточно энергии для покрытия большинства энергетических потребностей самого очистного сооружения. [7] : 1505
Для установок по очистке активированного ила в Соединенных Штатах около 30 процентов годовых эксплуатационных расходов обычно требуются на энергию. [7] : 1703 Большая часть этой электроэнергии используется для аэрации, насосных систем и оборудования для обезвоживания и сушки осадка сточных вод . Современные установки по очистке сточных вод, например, для удаления питательных веществ, требуют больше энергии, чем установки, которые обеспечивают только первичную или вторичную очистку. [7] : 1704
Небольшие сельские установки, использующие капельные фильтры, могут работать без чистых энергетических потребностей, весь процесс осуществляется гравитационным потоком, включая распределение потока опрокидывающегося ведра и удаление шлама из отстойников на сушильные площадки. Обычно это практично только в холмистой местности и в районах, где очистные сооружения относительно удалены от жилья из-за трудностей в управлении запахами. [20] [21]
В развитых странах с высоким уровнем регулирования промышленные сточные воды обычно проходят по крайней мере предварительную очистку, если не полную очистку на самих заводах, чтобы снизить нагрузку загрязняющих веществ , перед сбросом в канализацию. Предварительная очистка имеет следующие две основные цели: во-первых, предотвратить попадание токсичных или ингибирующих соединений на биологическую стадию очистных сооружений и снизить их эффективность. Во-вторых, избежать накопления токсичных соединений в образующемся осадке сточных вод, что может снизить его полезные возможности 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 популяции биологических очистных сооружений. [ необходима цитата ]
.jpg/1280px-Anaerobic_treatment_pond_(6910359715).jpg)
Городские жители во многих частях мира полагаются на местные системы санитарии без канализации, такие как септики и выгребные ямы , а управление фекальным шламом в этих городах представляет собой огромную проблему. [22]
Для очистки сточных вод в некоторых сельских районах широко распространено использование септиков и других локальных канализационных сооружений (OSSF), например, они обслуживают до 20 процентов домов в США [23]
Очистка сточных вод часто включает в себя два основных этапа, называемых первичной и вторичной очисткой, в то время как расширенная очистка также включает в себя этап третичной очистки с процессами полировки. [13] Различные типы очистки сточных вод могут использовать некоторые или все этапы процесса, перечисленные ниже.
Предварительная очистка (иногда называемая предварительной очисткой) удаляет грубые частицы, которые можно легко собрать из неочищенных сточных вод, прежде чем они повредят или засорят насосы и канализационные линии отстойников первичной очистки .
Поступающая в сточные воды вода проходит через решетку для удаления всех крупных предметов, таких как банки, тряпки, палки, пластиковые пакеты и т. д., которые переносятся в потоке сточных вод. [24] Чаще всего это делается с помощью автоматизированной механической решетки с граблями на современных заводах, обслуживающих большое население, в то время как на небольших или менее современных заводах может использоваться очищаемая вручную решетка. Действие граблей механической решетки обычно регулируется в соответствии с накоплением на решетках и/или скоростью потока. Твердые частицы собираются и позже утилизируются на свалке или сжигаются. Для оптимизации удаления твердых частиц могут использоваться решетки или сетчатые сетки различных размеров. Если крупные твердые частицы не удаляются, они попадают в трубы и движущиеся части очистной установки и могут нанести существенный ущерб и снизить эффективность процесса. [25] : 9
Песок состоит из песка , гравия , камней и других тяжелых материалов. Предварительная обработка может включать канал или камеру для удаления песка или песка, где скорость входящих сточных вод снижается, чтобы обеспечить осаждение песка. Удаление песка необходимо для (1) уменьшения образования отложений в первичных отстойниках, аэротенках, анаэробных реакторах, трубах, каналах и т. д. (2) уменьшения частоты очистки резервуаров, вызванной чрезмерным накоплением песка; и (3) защиты движущегося механического оборудования от истирания и сопутствующего ненормального износа. Удаление песка необходимо для оборудования с близко обработанными металлическими поверхностями, такого как измельчители, тонкие сита, центрифуги, теплообменники и мембранные насосы высокого давления.
Песколовки бывают трех типов: горизонтальные песколовки, аэрируемые песколовки и вихревые песколовки. Вихревые песколовки включают механически вызванные вихри, гидравлически вызванные вихри и многолотковые вихревые сепараторы. Учитывая, что традиционно системы удаления песка были разработаны для удаления чистых неорганических частиц размером более 0,210 миллиметров (0,0083 дюйма), большая часть более мелкого песка проходит через потоки удаления песка в нормальных условиях. В периоды интенсивного потока осажденный песок ресуспендируется, и количество песка, достигающего очистной установки, существенно увеличивается. [7]
Уравнительные бассейны могут использоваться для достижения выравнивания потока. Это особенно полезно для комбинированных канализационных систем , которые производят пиковые потоки в сухую погоду или пиковые потоки в сырую погоду, которые намного выше средних потоков. [7] : 334 Такие бассейны могут улучшить производительность процессов биологической очистки и вторичных отстойников. [7] : 334
Недостатки включают капитальные затраты и требования к пространству для бассейнов. Бассейны также могут служить местом для временного хранения, разбавления и распределения партий сбросов токсичных или высококонцентрированных сточных вод, которые в противном случае могли бы препятствовать биологической вторичной очистке (например, сточные воды из переносных туалетов или фекальный шлам , который доставляется на очистные сооружения в вакуумных грузовиках ). Бассейны выравнивания потока требуют переменного управления сбросом, обычно включают положения для обхода и очистки, а также могут включать аэраторы и контроль запаха. [26]
На некоторых крупных заводах жир и смазка удаляются путем пропускания сточных вод через небольшой резервуар, где скиммеры собирают жир, плавающий на поверхности. Воздуходувки в основании резервуара также могут использоваться для сбора жира в виде пены. Однако многие заводы используют первичные отстойники с механическими поверхностными скиммерами для удаления жира и смазок.
Первичная очистка — это «удаление части взвешенных твердых частиц и органических веществ из сточных вод». [7] : 11 Она заключается в том, что сточные воды медленно проходят через бассейн, где тяжелые твердые частицы могут осаждаться на дно, в то время как масло, жир и более легкие твердые частицы всплывают на поверхность и удаляются. Эти бассейны называются первичными отстойниками или первичными осветлителями и обычно имеют гидравлическое время удерживания (HRT) от 1,5 до 2,5 часов. [7] : 398 Осевшие и плавающие материалы удаляются, а оставшаяся жидкость может быть сброшена или подвергнута вторичной очистке. Первичные отстойники обычно оснащены механически приводимыми в действие скребками, которые непрерывно перемещают собранный ил к бункеру в основании резервуара, откуда он перекачивается на установки по очистке ила. [25] : 9–11
Очистные сооружения, подключенные к объединенной системе канализации, иногда имеют обходную схему после первичной очистки. Это означает, что во время очень сильных осадков вторичные и третичные системы очистки могут быть обойдены, чтобы защитить их от гидравлической перегрузки, а смесь сточных вод и ливневых вод получает только первичную очистку. [27]
Первичные отстойники удаляют около 50–70% взвешенных твердых частиц и 25–40% биологической потребности в кислороде (БПК). [7] : 396
Основные процессы, вовлеченные во вторичную очистку сточных вод, предназначены для удаления как можно большего количества твердого материала. [13] Они используют биологические процессы для переваривания и удаления оставшегося растворимого материала, особенно органической фракции. Это можно сделать с помощью процессов взвешенного роста или биопленки. Микроорганизмы, которые питаются органическим веществом, присутствующим в сточных водах, растут и размножаются, составляя биологические твердые частицы или биомассу. Они растут и группируются вместе в форме хлопьев или биопленок, а в некоторых конкретных процессах — в виде гранул. Биологический хлопья или биопленка и оставшиеся мелкие твердые частицы образуют ил, который можно осадить и отделить. После отделения остается жидкость, которая почти не содержит твердых частиц и имеет значительно сниженную концентрацию загрязняющих веществ. [13]
Вторичная очистка может уменьшить содержание органических веществ (измеряемых как биологическая потребность в кислороде) в сточных водах, используя аэробные или анаэробные процессы. Организмы, участвующие в этих процессах, чувствительны к присутствию токсичных материалов, хотя они не должны присутствовать в высоких концентрациях в типичных городских сточных водах.
Расширенная очистка сточных вод обычно включает три основных этапа, называемых первичной, вторичной и третичной очисткой, но также может включать промежуточные этапы и процессы окончательной доочистки. Целью третичной очистки (также называемой усовершенствованной очисткой ) является обеспечение конечной стадии очистки для дальнейшего улучшения качества сточных вод перед их сбросом в принимающий водоем или повторным использованием. На любой очистной станции может использоваться более одного процесса третичной очистки. Если практикуется дезинфекция, это всегда конечный процесс. Это также называется доочисткой сточных вод . Третичная очистка может включать биологическое удаление питательных веществ (альтернативно, это можно классифицировать как вторичную очистку), дезинфекцию и удаление микрозагрязнителей, таких как экологически стойкие фармацевтические загрязнители .
Третичная очистка иногда определяется как что-то большее, чем первичная и вторичная очистка, чтобы обеспечить сброс в высокочувствительную или хрупкую экосистему, такую как эстуарии , реки с низким течением или коралловые рифы . [28] Очищенная вода иногда дезинфицируется химически или физически (например, с помощью лагун и микрофильтрации ) перед сбросом в ручей , реку , залив , лагуну или водно-болотные угодья , или ее можно использовать для орошения поля для гольфа, зеленой зоны или парка. Если она достаточно чистая, ее также можно использовать для пополнения грунтовых вод или в сельскохозяйственных целях.
Фильтрация песком удаляет большую часть остаточных взвешенных веществ. [25] : 22–23 Фильтрация через активированный уголь , также называемая адсорбцией угля, удаляет остаточные токсины . [25] : 19 Микрофильтрация или синтетические мембраны используются в мембранных биореакторах и также могут удалять патогены. [7] : 854
Урегулирование и дальнейшее биологическое улучшение очищенных сточных вод может быть достигнуто путем хранения в больших искусственных прудах или лагунах. Эти лагуны являются высокоаэробными, и колонизация местными макрофитами , особенно тростником, часто поощряется.
Дезинфекция очищенных сточных вод направлена на уничтожение патогенов (болезнетворных микроорганизмов) перед утилизацией. Она становится все более эффективной после завершения большего количества элементов вышеуказанной последовательности обработки. [29] : 359 Целью дезинфекции при очистке сточных вод является существенное сокращение количества патогенов в воде, которая будет сбрасываться обратно в окружающую среду или использоваться повторно. Целевой уровень сокращения биологических загрязнителей, таких как патогены, часто регулируется председательствующим государственным органом. Эффективность дезинфекции зависит от качества очищаемой воды (например, мутности , pH и т. д.), типа используемой дезинфекции, дозировки дезинфицирующего средства (концентрации и времени) и других экологических переменных. Вода с высокой мутностью будет очищаться менее успешно, поскольку твердые частицы могут защищать организмы, особенно от ультрафиолетового света или если время контакта мало. Как правило, короткое время контакта, низкие дозы и высокие потоки препятствуют эффективной дезинфекции. Распространенные методы дезинфекции включают озон , хлор , ультрафиолетовое излучение 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 генерировать хлорированные органические соединения, которые могут быть канцерогенными или вредными для окружающей среды. Остаточный хлор или хлорамины также могут быть способны хлорировать органический материал в естественной водной среде. Кроме того, поскольку остаточный хлор токсичен для водных видов, очищенные сточные воды также должны быть химически дехлорированы, что увеличивает сложность и стоимость обработки.
Вместо хлора, йода или других химикатов можно использовать ультрафиолетовый (УФ) свет. Поскольку не используются химикаты, очищенная вода не оказывает неблагоприятного воздействия на организмы, которые впоследствии ее потребляют, как это может быть в случае с другими методами. УФ-излучение наносит вред генетической структуре бактерий, вирусов и других патогенов , делая их неспособными к размножению. Основными недостатками УФ-дезинфекции являются необходимость частого обслуживания и замены ламп, а также необходимость в высокоочищенных сточных водах для обеспечения того, чтобы целевые микроорганизмы не были защищены от УФ-излучения (т. е. любые твердые частицы, присутствующие в очищенных сточных водах, могут защищать микроорганизмы от УФ-излучения). Во многих странах УФ-свет становится наиболее распространенным средством дезинфекции из-за опасений по поводу воздействия хлора при хлорировании остаточной органики в очищенных сточных водах и при хлорировании органики в принимающей воде.
Как и при УФ-обработке, тепловая стерилизация также не добавляет химикатов в очищаемую воду. Однако, в отличие от УФ, тепло может проникать в жидкости, которые не являются прозрачными. Тепловая дезинфекция также может проникать в твердые материалы в сточных водах, стерилизуя их содержимое. Системы термической очистки стоков обеспечивают низкоресурсную, низкообслуживаемую очистку стоков после установки.
Озон ( O 3 ) образуется при пропускании кислорода ( O 2 ) через высоковольтный потенциал , в результате чего третий атом кислорода присоединяется и образует O 3 . Озон очень нестабилен и реактивен и окисляет большинство органических материалов, с которыми он вступает в контакт, тем самым уничтожая многие патогенные микроорганизмы. Озон считается безопаснее хлора, потому что, в отличие от хлора, который необходимо хранить на месте (очень ядовит в случае случайного выброса), озон образуется на месте по мере необходимости из кислорода в окружающем воздухе. Озонирование также производит меньше побочных продуктов дезинфекции, чем хлорирование. Недостатком дезинфекции озоном является высокая стоимость оборудования для генерации озона и требования к специальным операторам. Очистка сточных вод озоном 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, предотвращая прохождение 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 для питательных нагрузок на человека и концентрации питательных веществ в неочищенных сточных водах в развивающихся странах были опубликованы следующим образом: 8 г/чел/д для общего азота (45 мг/л), 4,5 г/чел/д для аммиачного азота (25 мг/л) и 1,0 г/чел/д для общего фосфора (7 мг/л). [4] : 57 Типичные диапазоны для этих значений: 6-10 г/чел/д для общего азота (35–60 мг/л), 3,5-6 г/чел/д для аммиачного азота (20–35 мг/л) и 0,7-2,5 г/чел/д для общего фосфора (4–15 мг/л). [4] : 57
Чрезмерный выброс в окружающую среду может привести к загрязнению питательными веществами , что может проявиться в эвтрофикации . Этот процесс может привести к цветению водорослей , быстрому росту и последующему распаду популяции водорослей. Помимо дезоксигенации, некоторые виды водорослей вырабатывают токсины, загрязняющие питьевую воду .
Азот аммиака в форме свободного аммиака (NH3 ) токсичен для рыб. Азот аммиака, когда он превращается в нитрит и далее в нитрат в водоеме, в процессе нитрификации, связан с потреблением растворенного кислорода. Нитрит и нитрат также могут иметь значение для общественного здравоохранения, если их концентрация в питьевой воде высока , из-за заболевания, называемого метагемоглобинемией . [4] : 42
Удаление фосфора важно, поскольку фосфор является ограничивающим питательным веществом для роста водорослей во многих пресноводных системах. Поэтому избыток фосфора может привести к эвтрофикации. Это также особенно важно для систем повторного использования воды , где высокие концентрации фосфора могут привести к загрязнению оборудования, расположенного ниже по течению, например, обратного осмоса .
Для удаления азота и фосфора доступен ряд процессов обработки. Биологическое удаление питательных веществ (БНП) рассматривается некоторыми как тип вторичного процесса обработки, [7] а другими как третичный (или продвинутый ) процесс обработки.
Азот удаляется посредством биологического окисления азота из аммиака в нитрат ( нитрификация ), за которым следует денитрификация , восстановление нитрата до газообразного азота. Газообразный азот выбрасывается в атмосферу и таким образом удаляется из воды.
Нитрификация сама по себе является двухэтапным аэробным процессом, каждый из которых осуществляется с помощью различных типов бактерий. Окисление аммиака (NH 4 + ) до нитрита (NO 2 − ) чаще всего осуществляется с помощью таких бактерий, как Nitrosomonas spp. ( нитрозо относится к образованию нитрозофункциональной группы). Окисление нитрита до нитрата (NO 3 − ), хотя традиционно считается, что оно осуществляется с помощью Nitrobacter spp. (нитро относится к образованию нитрофункциональной группы ), как теперь известно, в окружающей среде осуществляется преимущественно с помощью Nitrospira spp.
Денитрификация требует бескислородных условий для поощрения формирования соответствующих биологических сообществ. Бескислородные условия относятся к ситуации, когда кислород отсутствует, но присутствует нитрат. Денитрификация облегчается широким разнообразием бактерий. Процесс активированного ила , песчаные фильтры , пруды стабилизации отходов , искусственные водно-болотные угодья и другие процессы могут быть использованы для снижения содержания азота. [25] : 17–18 Поскольку денитрификация представляет собой восстановление нитрата до газа диазота (молекулярного азота), необходим донор электронов . Это может быть, в зависимости от сточных вод, органическое вещество (из самих сточных вод), сульфид или добавленный донор, такой как метанол . Ил в бескислородных резервуарах (резервуарах денитрификации) должен быть хорошо перемешан (смесь рециркулированной смешанной жидкости, возвратного активированного ила и сырого притока), например, с помощью погружных миксеров для достижения желаемой денитрификации.
Со временем различные конфигурации обработки для процессов с использованием активированного ила развивались для достижения высоких уровней удаления азота. Первоначальная схема называлась процессом Лудзак-Эттингера. Она не могла достичь высокого уровня денитрификации. [7] : 616 Модифицированный процесс Лудзак-Эттингера (MLE) появился позже и был улучшением первоначальной концепции. Он рециркулирует смешанный ликвор из выпускного конца аэротенка в головку аноксидного резервуара. Это обеспечивает нитрат для факультативных бактерий. [7] : 616
Существуют и другие конфигурации процесса, такие как вариации процесса Барденфо. [30] : 160 Они могут отличаться размещением аноксидных резервуаров, например, до и после резервуаров аэрации.
Исследования сточных вод в Соединенных Штатах в конце 1960-х годов оценили средний вклад на душу населения в 500 граммов (18 унций) в моче и кале, 1000 граммов (35 унций) в синтетических моющих средствах и меньшие переменные количества, используемые в качестве химикатов для контроля коррозии и накипи в системах водоснабжения. [31] Контроль источника с помощью альтернативных формул моющих средств впоследствии снизил наибольший вклад, но, естественно, содержание фосфора в моче и кале осталось неизменным.
Фосфор может быть удален биологическим путем в процессе, называемом улучшенным биологическим удалением фосфора . В этом процессе определенные бактерии, называемые полифосфат-аккумулирующими организмами (PAOs), избирательно обогащаются и накапливают большие количества фосфора в своих клетках (до 20 процентов от их массы). [30] : 148–155
Удаление фосфора также может быть достигнуто путем химического осаждения , обычно с солями железа (например, хлоридом железа ) или алюминия (например, квасцами ), или известью. [25] : 18 Это может привести к более высокому образованию шлама, поскольку гидроксиды осаждаются, а добавленные химикаты могут быть дорогими. Химическое удаление фосфора требует значительно меньших площадей для оборудования, чем биологическое удаление, его легче эксплуатировать и оно 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 постоянно. В любом случае, использование как биологического, так и химического удаления фосфора имеет преимущество в том, что оно не увеличивает производство ила так сильно, как химическое удаление фосфора само по себе, с недостатком в виде увеличенных начальных затрат, связанных с установкой двух разных систем.
После удаления фосфор в виде богатого фосфатом канализационного ила может быть отправлен на свалку или использован в качестве удобрения в смеси с другими переработанными канализационными илами. В последнем случае обработанный канализационный ил иногда также называют биотвердыми 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 в малом бизнесе или промышленности, экологически стойкие фармацевтические загрязнители (EPPP) или пестициды, могут не быть устранены в обычно используемых процессах очистки сточных вод (первичная, вторичная и третичная очистка) и, следовательно, привести к загрязнению воды. [36] Хотя концентрации этих веществ и продуктов их разложения довольно низки, все еще существует вероятность нанесения вреда водным организмам. Для фармацевтических препаратов следующие вещества были идентифицированы как токсикологически значимые: вещества с эффектами , нарушающими работу эндокринной системы , генотоксичные вещества и вещества, которые усиливают развитие бактериальной резистентности . [37] Они в основном относятся к группе EPPP.
Методы устранения микрозагрязнителей с помощью четвертой стадии очистки во время очистки сточных вод внедрены в Германии, Швейцарии, Швеции [3] и Нидерландах, а испытания продолжаются в нескольких других странах. [38] Такие этапы процесса в основном состоят из фильтров с активированным углем , которые адсорбируют микрозагрязнители. Сочетание усовершенствованного окисления с озоном, за которым следует гранулированный активированный уголь (ГАУ), было предложено в качестве экономически эффективной комбинации обработки для фармацевтических остатков. Для полного снижения количества микропластов было предложено сочетание ультрафильтрации с последующим ГАУ. Также изучается использование ферментов, таких как лакказа , выделяемая грибами. [39] [40] Микробные биотопливные элементы исследуются на предмет их способности обрабатывать органические вещества в сточных водах. [41]
Для сокращения количества фармацевтических препаратов в водоемах также изучаются меры контроля за источниками, такие как инновации в разработке лекарств или более ответственное обращение с лекарствами. [37] [42] В США Национальная инициатива по возврату лекарств является добровольной программой для широкой общественности, призывающей людей возвращать излишки или просроченные лекарства и избегать их смывания в канализацию. [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 в процессе очистки сточных вод. Обработка осадка направлена на снижение веса и объема осадка для снижения затрат на транспортировку и утилизацию, а также на снижение потенциальных рисков для здоровья при использовании вариантов утилизации. Удаление воды является основным средством снижения веса и объема, в то время 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 воздухом и компостирование могут быть привлекательными для сельских общин, в то время как ограниченная доступность земли может сделать аэробное сбраживание и механическое обезвоживание предпочтительными для городов, а экономия за счет масштаба может стимулировать альтернативы рекуперации энергии в мегаполисах.
Осадок в основном представляет собой воду с некоторым количеством твердого материала, удаленного из жидких сточных вод. Первичный ил включает осаждаемые твердые частицы, удаленные во время первичной очистки в первичных отстойниках . Вторичный ил представляет собой ил, отделенный во вторичных отстойниках, которые используются в биореакторах вторичной очистки или процессах с использованием неорганических окислителей . В интенсивных процессах очистки сточных вод полученный ил необходимо удалять из жидкой линии на постоянной основе, поскольку объемы резервуаров в жидкой линии недостаточны для хранения ила. [44] Это делается для того, чтобы поддерживать компактность и сбалансированность процессов очистки (производство ила примерно равно удалению ила). Ил, удаленный из жидкой линии, поступает в линию обработки ила. Аэробные процессы (такие как процесс с использованием активированного ила ), как правило, производят больше ила по сравнению с анаэробными процессами. С другой стороны, в обширных (естественных) процессах очистки, таких как пруды и искусственные водно-болотные угодья , образующийся ил остается скапливаться в очистных сооружениях (жидкостная линия) и удаляется только после нескольких лет эксплуатации. [45]
Варианты обработки ила зависят от количества образующихся твердых веществ и других условий, характерных для конкретного участка. Компостирование чаще всего применяется на небольших заводах с аэробным сбраживанием для операций среднего масштаба и анаэробным сбраживанием для операций большего масштаба. Иногда ил пропускается через так называемый предварительный сгуститель, который обезвоживает ил. Типы предварительных сгустителей включают центробежные сгустители ила, [46] вращающиеся барабанные сгустители ила и ленточные фильтр-прессы. [47] Обезвоженный ил может быть сожжен или вывезен за пределы участка для утилизации на свалке или использования в качестве сельскохозяйственной добавки к почве. [48]Очистные сооружения могут оказывать значительное влияние на биотический статус принимающих вод и могут вызывать некоторое загрязнение воды, особенно если используемый процесс очистки является только базовым. Например, для очистных сооружений без удаления питательных веществ эвтрофикация принимающих водоемов может стать проблемой.
В 2024 году Королевская инженерная академия опубликовала исследование о влиянии сточных вод на общественное здоровье в Соединенном Королевстве. [52] Исследование привлекло внимание средств массовой информации, с комментариями ведущих специалистов здравоохранения Великобритании, включая сэра Криса Уитти . В нем изложены 15 рекомендаций для различных органов Великобритании по значительному снижению рисков для здоровья населения за счет повышения качества воды в ее водных путях , таких как реки и озера.
После публикации отчета газета The Guardian взяла интервью у Уитти, который заявил, что улучшение качества воды и очистки сточных вод должно быть первостепенной задачей и «приоритетом общественного здравоохранения». Он сравнил это с искоренением холеры в 19 веке в стране после усовершенствования сети очистки сточных вод. [53] Исследование также выявило, что низкий уровень воды в реках сопровождался высокой концентрацией сточных вод , а также периодами наводнений или сильных ливней. Хотя сильные ливни всегда были связаны с переливом сточных вод в ручьи и реки, британские СМИ зашли так далеко, чтобы предупредить родителей об опасности плавания в мелких реках в теплую погоду. [54]
Комментарии Уитти прозвучали после того, как исследование показало, что в Великобритании наблюдается рост числа людей, использующих прибрежные и внутренние воды в рекреационных целях. Это может быть связано с растущим интересом к таким видам деятельности, как плавание в открытой воде или другие водные виды спорта . [55] Несмотря на этот рост рекреации, плохое качество воды означало, что некоторые люди заболевали во время соревнований. [56] В частности, Олимпийские игры в Париже 2024 года были вынуждены отложить многочисленные мероприятия, связанные с плаванием, такие как триатлон, из-за высокого уровня сточных вод в реке Сена . [57]
Все чаще люди используют очищенные или даже неочищенные сточные воды для орошения с целью выращивания урожая. Города являются прибыльными рынками для свежих продуктов, поэтому они привлекательны для фермеров. Поскольку сельское хозяйство должно конкурировать за все более дефицитные водные ресурсы с промышленностью и муниципальными пользователями, у фермеров часто нет альтернативы, кроме как использовать воду, загрязненную сточными водами, непосредственно для полива своих культур. Использование воды, содержащей патогены, таким образом может быть сопряжено со значительными опасностями для здоровья. Всемирная организация здравоохранения разработала руководящие принципы по безопасному использованию сточных вод в 2006 году. [58] Они выступают за «многобарьерный» подход к использованию сточных вод, при котором фермерам рекомендуется применять различные меры по снижению риска. К ним относятся прекращение орошения за несколько дней до сбора урожая, чтобы патогены могли погибнуть на солнце, осторожное применение воды, чтобы она не загрязняла листья, которые, скорее всего, будут съедены сырыми, очистка овощей дезинфицирующим средством или высушивание фекального шлама, используемого в сельском хозяйстве, перед его использованием в качестве удобрения для людей. [59]
До 20 века в Европе сточные воды обычно сбрасывались в водоем, например, реку, озеро или океан. Очистки не было, поэтому разложение человеческих отходов было предоставлено экосистеме . Это могло бы привести к удовлетворительным результатам, если бы ассимилирующая способность экосистемы была достаточной, что в настоящее время нечасто случается из-за растущей плотности населения. [4] : 78
Сегодня ситуация в городских районах промышленно развитых стран обычно такова, что канализация направляет свое содержимое на очистные сооружения, а не напрямую в водоем. Однако во многих развивающихся странах основная часть муниципальных и промышленных сточных вод сбрасывается в реки и океан без какой-либо очистки или после предварительной очистки или только первичной очистки. Это может привести к загрязнению воды . Существует мало надежных данных о доле сточных вод, собранных в канализации, которые очищаются во всем мире. Глобальная оценка ПРООН и ООН-Хабитат в 2010 году заключалась в том, что 90% всех образующихся сточных вод сбрасываются в окружающую среду неочищенными. [63] Более недавнее исследование, проведенное в 2021 году, показало, что во всем мире очищается около 52% сточных вод. [5] Однако показатели очистки сточных вод крайне неравномерны для разных стран мира. Например, в то время как страны с высоким уровнем дохода очищают примерно 74% своих сточных вод, развивающиеся страны очищают в среднем всего 4,2%. [5] По состоянию на 2022 год без достаточной очистки более 80% всех сточных вод, образующихся в мире, сбрасываются в окружающую среду. Страны с высоким уровнем дохода очищают в среднем 70% производимых ими сточных вод, согласно данным UN Water. [34] [64] [65] Только 8% сточных вод, образующихся в странах с низким уровнем дохода, подвергаются какой-либо очистке. [34] [66] [67]
Совместная программа мониторинга (СПМ) водоснабжения и санитарии ВОЗ и ЮНИСЕФ в 2021 году сообщила, что 82% людей с канализационными подключениями подключены к очистным сооружениям, обеспечивающим как минимум вторичную очистку. [68] : 55 Однако это значение сильно различается между регионами. Например, в Европе, Северной Америке, Северной Африке и Западной Азии в общей сложности 31 страна имела всеобщую (>99%) очистку сточных вод. Однако в Албании, на Бермудских островах, в Северной Македонии и Сербии «менее 50% сточных вод подвергались вторичной или более качественной очистке», а в Алжире, Ливане и Ливии это значение составляло менее 20% сточных вод, которые подвергались очистке. В отчете также установлено, что «во всем мире 594 миллиона человек имеют канализационные подключения, которые не получают достаточной очистки. Еще больше людей подключены к очистным сооружениям, которые не обеспечивают эффективную очистку или не соответствуют требованиям к сточным водам». [68] : 55
Цель устойчивого развития 6 содержит задачу 6.3, которая сформулирована следующим образом: «К 2030 году улучшить качество воды путем снижения загрязнения, устранения, сброса и минимизации выбросов опасных химических веществ и материалов, сокращения вдвое доли неочищенных сточных вод и существенного увеличения переработки и безопасного повторного использования во всем мире». [62] Соответствующий показатель 6.3.1 — это «доля безопасно очищенных сточных вод». Ожидается, что производство сточных вод увеличится на 24% к 2030 году и на 51% к 2050 году. [34] [69] [70]
Данные за 2020 год показали, что все еще слишком много не собранных бытовых сточных вод: только 66% всех потоков бытовых сточных вод были собраны на очистных сооружениях в 2020 году (это определено на основе данных из 128 стран). [8] : 17 На основе данных из 42 стран за 2015 год в отчете говорится, что «32% всех потоков сточных вод, образующихся из точечных источников, получили по крайней мере некоторую очистку». [8] : 17 Что касается сточных вод, которые действительно были собраны на централизованных очистных сооружениях, около 79% были безопасно очищены в 2020 году. [8] : 18
История очистки сточных вод имела следующие этапы развития: она началась с внесения сточных вод в почву ( фермы по очистке сточных вод ) в 1840-х годах в Англии, за которыми последовала химическая очистка и осаждение сточных вод в резервуарах, затем биологическая очистка в конце 19 века, что привело к разработке процесса активного ила, начавшегося в 1912 году. [71] [72]
Только в конце 19 века стало возможным очищать сточные воды путем биологического разложения органических компонентов с помощью микроорганизмов и удаления загрязняющих веществ. Обработка земель также постепенно становилась все менее осуществимой, поскольку города росли, а объем производимых сточных вод больше не мог быть поглощен сельскохозяйственными угодьями на окраинах.
Эдвард Франкланд 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 производит нитрифицированный сток (аммиак превращается в нитрат), и что фильтр остается незасоренным в течение длительного времени. [73] Это установило революционную на тот момент возможность биологической очистки сточных вод с использованием контактного слоя для окисления отходов. Эта концепция была подхвачена главным химиком Лондонского столичного совета по работам Уильямом Либдином в 1887 году:
В большинстве стран сбор и очистка сточных вод регулируются местными и национальными нормами и стандартами .
В Европейском союзе 0,8% от общего объема потребления энергии идет на очистные сооружения. [34] [76] Европейскому союзу необходимо сделать дополнительные инвестиции в размере 90 млрд евро в сектор водоснабжения и утилизации отходов, чтобы достичь своих климатических и энергетических целей к 2030 году. [34] [77] [78]
В октябре 2021 года члены британского парламента проголосовали за то, чтобы продолжить разрешать сброс неочищенных сточных вод из общесплавных канализационных систем в водные пути. [79] [80]
В настоящее время « Delhi Jal Board » (DJB) работает над строительством крупнейшего в Индии завода по очистке сточных вод. Он будет введен в эксплуатацию к концу 2022 года с предполагаемой мощностью 564 млн. куб. м/л. Предполагается, что он решит существующую ситуацию, когда неочищенные сточные воды сбрасываются непосредственно в реку «Ямуна».
В Ливии очисткой муниципальных сточных вод занимается генеральная компания по водоснабжению и водоотведению в Ливии, которая входит в компетенцию Министерства жилищно-коммунального хозяйства. По всей стране насчитывается около 200 очистных сооружений, но лишь немногие из них функционируют. Фактически, 36 крупных очистных сооружений находятся в крупных городах; однако только девять из них функционируют, а остальные находятся на ремонте. [87]
Крупнейшие действующие очистные сооружения сточных вод расположены в Сирте, Триполи и Мисурате, с проектной мощностью 21 000, 110 000 и 24 000 м3/день соответственно. Более того, большинство остальных очистных сооружений представляют собой малые и средние установки с проектной мощностью приблизительно от 370 до 6700 м3/день. Таким образом, 145 800 м3/день или 11 процентов сточных вод фактически очищаются, а остальные сбрасываются в океан и искусственные лагуны, хотя они и не очищаются. Фактически, неработающие очистные сооружения сточных вод в Триполи приводят к сбросу более 1 275 000 кубических метров необработанной воды в океан каждый день. [87]
Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
