Продвинутые решения для очистки сточных и водоснабжения: устойчивые технологии для чистой воды

Технологии очистки сточных вод и водоснабжения

Долгое время вода считалась дешевым и безграничным ресурсом, который металлургическая промышленность воспринимала как должное. Однако в современных условиях водные ресурсы становятся все более дефицитными из-за растущего дисбаланса между наличием пресной воды и ее потреблением, поэтому доступ к чистой и безопасной воде стал одной из главных проблем современного общества. Спрос на воду неуклонно растет по трем основным причинам: (i) увеличение населения и миграция в засушливые регионы, (ii) быстрая промышленная разработка и рост водопотребления на душу населения, (iii) изменение климата, приводящее к смене погодных режимов в населенных районах. Это перевело сталелитейную промышленность в новую эру ограниченности водных ресурсов. Кроме того, за последние три десятилетия по всему миру усилилась озабоченность загрязнением окружающей среды, что привело к введению более строгих экологических норм.

Металлургическая промышленность потребляет огромные объемы пресной воды для различных нужд: охлаждение, подавление пыли, очистка, температурный контроль (термическая обработка), транспортировка отходов (зола, шлам, шкала) и другие. Вода является неотъемлемым элементом ряда технологических процессов: увлажнение коксогоуглёной зарядки, пелетизация синтерной смеси, производство зеленых пеллет при получении оксидных пеллет, паро- и энерговыработка, гранулирование доменного шлака и др. Большое водопотребление порождает значительные объемы сточных вод, подлежащих сбросу. Сбросы сточных вод металлургии признаны одним из факторов загрязнения водных объектов. Сточные воды сталелитейных производств содержат множество растворенных и нерастворенных веществ и химикатов.

Основные направления использования процессной воды в металлургии: охлаждение и очистка процессных газов, прямое охлаждение кокса и шлака, охлаждение и очистка стали, промывка продукции, подготовка процессных растворов, охлаждение технологического оборудования. Большая часть воды используется для бесконтактного охлаждения оборудования. Вода также задействована в паро- и энерговыработке.

Классификация сточных вод

Процессные сточные воды — любые сточные воды, контактирующие с процессом, продуктом, побочными продуктами или сырьем при производстве железа и стали. Сюда также относятся воды от дожжения шлака, мойки оборудования, газоочистных установок, промывочные воды и загрязненные охлаждающие воды. Канализационные и дождевые стоки не считаются процессными. Бесконтактные охлаждающие воды (не контактирующие с процессом, продуктами, побочными продуктами или сырьем) также не относятся к процессным. Непроцессные сточные воды образуются при нетехнологических операциях: коммунальные стоки (остатки водоподготовки, котельный сброс, газоочистные воды от установок тепловозврата, воды когенерации), обработанные или необработанные воды систем ремедиации грунтовых вод, дренажные воды фундаментов и другие потоки, не связанные с производством.

Сброс сточных вод — сброс обработанных или необработанных вод в приемный водный объект. Сброс может происходить из очистных сооружений или при переполнении коллекторов. Необработанный сброс создает неблагоприятные условия: (i) истощение кислорода и образование запахов, (ii) негативное влияние на здоровье из-за патогенных микроорганизмов, (iii) накопление ил и пены, (iv) эвтрофикация водоемов за счет роста водных растений и водорослей (сточные воды содержат питательные вещества), (v) выделение большого количества зловонных газов при разложении органики. Необработанный сброс загрязняет водные объекты, поэтому очистка сточных вод перед сбросом в природные водоемы обязательна.

Загрязнители сточных вод

Природная вода содержит множество растворенных примесей, поэтому ее называют «универсальным растворителем». Даже дистиллированная и дождевая вода не являются абсолютно чистыми — они содержат следы аммиака и других веществ. В поверхностных и грунтовых водах растворены натрий, кальций, железо, фосфор, магний, сульфат и др.

Необработанная бытовая вода имеет привкусный запах, pH 6,5–8, серо-бурый цвет. Загрязнители делят на четыре класса: (i) органические, (ii) неорганические, (iii) патогены, (iv) прочие. Основные загрязнители сточных вод:

• Твердые частицы — растворенные и взвешенные твердые вещества. Взвешенные могут быть коллоидными (неосаждающимися) или осаждающимися. Взвешенные твердые вещества (ВСВ) приводят к иловому осадку и анаэробным условиям. Рост ВСВ снижает способность водоема поддерживать биоразнообразие. Взвесь поглощает солнечное тепло, повышая температуру и снижая растворенный кислород. Плавучие твердые частицы (масло, жир) формируют пену, удаляемую пеносъемниками.
• Биоразлагаемые органические вещества — белки, углеводы, жиры. Оцениваются по БПК (биохимическое потребление кислорода) и ХПК (химическое потребление кислорода). БПК — кислород, необходимый бактериям для окисления органики за 5 дней при 20 °C. ХПК — химическое окисление органического углерода (кроме некоторых ароматиков). Высокие БПК и ХПК снижают кислород в водоемах, нанося вред аквабиоценозам. Биологическая стабилизация без очистки истощает природные ресурсы кислорода и создает септические условия.
• Патогены — микроорганизмы, вызывающие заболевания. Инфекционные болезни передаются через патогены в сточных водах.
• Питательные вещества — азот, фосфор, углерод. При сбросе в воду стимулируют нежелательный рост водной флоры. Избыток на суше загрязняет грунтовые воды.
• Критические загрязнители — органические и неорганические соединения с канцерогенным, мутагенным или высоким острым токсичным действием. Их наличие минимизируется в целях охраны здоровья и защиты биологических процессов очистки.
• Рефрактерные органические вещества — устойчивы к традиционным методам очистки. Примеры: ПАВ, фенолы, пестициды. Могут быть токсичны для биологических процессов.
• Тяжелые металлы — присутствуют в сточных водах различных цехов. Их удаление обязательно при сбросе в водоемы питьевого водоснабжения. Наличие тяжелых металлов также ограничивает использование стабилизированного осадка (биосолидов) в сельском хозяйстве.
• Растворенные неорганические вещества — кальций, натрий, сульфат и др. Удаляются при сбросе в водоемы питьевого назначения.
• Растворенные химикаты — широкий спектр в зависимости от процесса. Требует оценки типа загрязнителя, концентрации, расхода, биоразлагаемости. Даже 1 мг/л может окрасить воду, ухудшая эстетику и фотосинтез. Кислоты и щелочи создают экстремальный pH. Некоторые химикаты устойчивы к традиционной очистке.

Органические загрязнители содержат углерод. Биоразлагаемые потребляются бактериями, создавая потребность в кислороде (БПК). Рефрактерные органики устойчивы к биодеградации. Неорганические не биоразлагаемы, но могут быть питательными веществами для микроорганизмов — обычно критических загрязнителей или металлов (взвешенные или растворенные).

Патогены — бактерии, вирусы из человеческих/животных отходов или неудачно утилизированных больничных отходов. Гигиена при работе со сточными водами критически важна. Другие примеси — тепловые отходы. Сброс нагретой воды вызывает скачок температуры и расхода. Типичный источник — бесконтактная охлаждающая вода. В зависимости от назначения водоема устанавливаются лимиты температуры сброса. Радиоактивные отходы могут поступать из лабораторий. Их сброс в канализацию недопустим.

Цели и принципы водоочистки

Водоочистка решает три задачи: (i) сохранение физико-химических и биологических свойств воды водозабора для питьевого и производственного использования, (ii) очистка сточных вод для защиты здоровья населения без вреда окружающей среде, (iii) сохранение естественных свойств водных объектов для сохранения аквабиоценозов, питьевой воды для животных, рекреации и эстетики.

Очистка строится на комбинации элементарных операций (блоков процесса), основанных на узком наборе физико-химических принципов. Те же механизмы работают и для подготовки питьевой воды из любых источников, и для очистки сточных вод (сточных, промышленных) до безопасного сброса.

Традиционные технологии улучшают качество сбрасываемых вод и предотвращают загрязнение чистых ресурсов, но не делают воду пригодной для повторного использования рядом с местом образования. Передовые технологии нужны для преодоления этого ограничения и стимулирования водопользования по замкнутым циклам.

Продвинутые процессы бывают биологическими, физико-химическими или гибридными. Биологические процессы удаления азота и фосфора создают базу для дальнейшей очистки до качества многоразового использования. Физико-химические методы (глубинная фильтрация, флотирующая фильтрация, мембранная фильтрация) играют ключевую роль в технологиях водопользования. Мембранная фильтрация дает высокое качество вытекающей воды, требует минимум дезинфекции и образует мало осадка. Гибридные процессы объединяют преимущества биологических и физико-химических методов в одной стадии.

Технологии водоочистки делят на четыре группы: (i) физические, (ii) химические, (iii) биологические, (iv) энергоемкие.

Физические методы

Удаляют твердые частицы через сита, фильтрующие материалы, гравитационное осаждение или пневмофлотацию. Частицы, захваченные пузырьками воздуха, поднимаются на поверхность и удаляются. Физические методы — это в основном технологии твердо-жидкостного разделения, где доминирует фильтрация. Фильтрация делится на традиционную и нетрадиционную. Это неотъемлемый элемент схем водоподготовки и очистки сточных вод, но только один из множества блоков современной установки. Выбор оборудования зависит от целей очистки.

Химические методы

Химикаты меняют свойства загрязнителей, облегчая их удаление: формируют флоку или тяжелые частицы для улучшенного физического разделения. Основаны на химических взаимодействиях удаляемых примесей. Химическое добавление либо разделяет загрязнители от воды, либо деструктирует/нейтрализует их вредное действие. Применяются как самостоятельно, так и в комплексе с физическими методами.

Биологические методы

Используют микроорганизмы для деградации органических загрязнителей. Естественные процессы биодеградации интенсифицируются в реакторах для удаления органики и питательных веществ. Микроорганизмы метаболизируют питательные вещества, коллоиды, растворенную органику, образуя очищенную воду. Излишки биомассы удаляются физическими методами. Биологические процессы предпочтительны за счет энерго- и химической эффективности.

Энергоемкие методы

Тепловые методы выполняют двойную роль: стерилизация для получения высококачественной питьевой воды и обработка твердых отходов/илов из водоочистки. В последнем случае — стерилизация илов, загрязненных органикой, и/или уменьшение объема. Уменьшение объема критично: существует компромисс между загрязненной водой и опасными твердыми отходами. Энергоемкие технологии включают электрохимические методы, применяемые в основном к питьевой воде — стерилизация и кондиционирование для достижения органолептического качества.

Все четыре группы могут комбинироваться или использоваться выборочно в зависимости от целей. Выбор оптимальной комбинации зависит от: (i) требований к чистоте вытекающей воды, (ii) количества и качества обрабатываемой воды, (iii) физико-химических свойств загрязнителей, (iv) свойств образующихся твердых отходов, (v) стоимости очистки, включая утилизацию осадка.

Стратегии очистки сточных вод металлургии

Очистка сточных вод сталелитейных заводов требует комплексных стратегий удаления различных загрязнителей: (i) удаление твердых частиц, (ii) удаление масел и жиров, (iii) удаление биоразлагаемой органики, (iv) процесс активированного ила, (v) процесс фильтров с наполнителем, (vi) очистка токсичных материалов, (vii) нейтрализация кислот и щелочей, (viii) очистка прочих органических веществ. Очистные сооружения сталелитейных заводов называются установками очистки сточных вод (УОС).

Цели УОС: (i) обеспечить сброс воды надлежащего качества, (ii) удалять загрязнители максимально эффективно и дешево, (iii) избегать/минимизировать вторичные воздействия (запахи, газы, шум, утилизация твердых отходов), (iv) производить воду для повторного использования и рециркуляции, (v) рекуперировать соли при экономической целесообразности. При проектировании УОС учитывают: (i) требуемое качество вытекающей воды / разрешительные нормативы, (ii) объем сточных вод, (iii) мощность производственного цеха, (iv) сложность технологии, простота эксплуатации, адаптивность, надежность, энергопотребление, (v) капитальные и операционные расходы, (vi) доступная площадь, (vii) масса образующегося осадка и требования к его утилизации.

Очистка сточных вод различных цехов обычно происходит в УОС, построенных в зоне производства. Очистка придает сточным водам свойства, позволяющие безопасно сбрасывать их в водоемы или рециркулировать в процесс (полностью или частично). В зависимости от характеристик применяются разные комбинации физических, химических, биологических и энергоемких технологий для удаления твердых частиц, органики и иногда питательных веществ.

Процессы очистки (Рис. 1) делятся на те же четыре группы. Очистка проводится на четырех стадиях: предварительной, первичной, вторичной и третичной. Эти стадии отражают степень очистки.

Предварительная очистка

Цель — удаление материалов, вызывающих заторы, засорение и абразивный износ последующего оборудования. Проводится до подачи воды в УОС для повышения его эффективности. Удаляются крупные твердые частицы и крупногабаритные включения. Их удаление критично для эксплуатационной надежности последующих стадий. Применяются: (i) контроль запахов, (ii) предварительная аэрация, дробление крупных твердых частиц, удаление крупных включений на ситах и решетках. Часто удаляют масло/жир и корректируют pH.

Первичная очистка

Первый этап (или второй после предварительной). Включает физико-химическую коррекцию pH от щелочной зоны к нейтральной и гравитационное осаждение взвешенных твердых частиц в первичных отстоях для снижения нагрузки по БПК и ВСВ на последующие стадии. Первичные отстойники уменьшают проблемы последующих биологических процессов: меньше масла/жира и накопления биомассы в биореакторе, минимизируется осадкообразование и риск «нефиламентозного» разбухания активированного ила.

Задачи первичной очистки: удаление осаждающихся органических и неорганических твердых частиц осаждением и удаление плавучих материалов пеносъемом. На этом этапе удаляют 35–55% входящей БПК, 55–75% ВСВ, 70% масел и жиров. Частично удаляются органический фосфор, азот и тяжелые металлы, ассоциированные с твердыми частицами, но коллоидные и растворенные компоненты не затрагиваются.

Основной процесс — осаждение в первичных отстоях. Снижаются ВСВ и ассоциированная БПК, готовя воду к следующей стадии. Главная цель — удаление осаждающихся твердых частиц и пеносъем.

Первичная очистка использует физико-химические процессы для обеспечения удовлетворительной работы последующих стадий. Главный процесс — осаждение, вспомогательные — тонкая ситовка, флокуляция и флотация. Флокуляция предшествует химической обработке (известь, альuminate, проприетарные реагенты). Цель — удаление металлов осаждением и частичного коллоидного БПК с образованием химического осадка. Применяются коагуляционно-флокуляционные процессы для улучшения разделения твердых фаз.

Флокуляция

Физико-химический процесс агрегации вязких коллоидных и мелкодисперсных взвешенных частиц путем физического перемешивания и добавления химического коагулянта. Состоит из быстромешалки и флокулятора. Стока смешивается с коагулянтами в быстромешалке, затем проходит через флокулятор, где медленное перемешивание собирает частицы в более тяжелые и осаждаемые флокулы. Перемешивание усиливается диффузной аэрацией или механическими лопастями. Используются натуральные органические полимеры, неорганические электролиты, синтетические полиэлектролиты. Выбор реагента зависит от свойств загрязнителей.

Осаждение

Цель первичного осаждения — разделение твердой и жидкой фаз в сточных водах. Гравитационно удаляются легкоосаждающиеся твердые частицы (преимущественно органика и плавучие вещества — жиры, масла). Осажденные твердые частицы — первичный ил. Процесс снижает ВСВ вluentной воде. Хотя объем первичного ила составляет лишь ~2% от объема вluentной воды, он содержит 30–40% органической нагрузки (по ХПК) и 40–60% нагрузки по ВСВ. В камере осаждения предусмотрены баффлы, пеносъемники для удаления жиров и плавучей взвеси, механические скраперы для удаления ила с дна.

Эффективность удаления твердых частиц зависит от конструкции отстоя/кларификатора. Отстойник включает: входное баффлование для гашения энергии, зону покоя для осаждения, механизмы удаления осажденных твердых частиц, низкую скорость потока на выходе.

Флокуляторы и отстойники могут быть прямоугольными, круглыми или наклонно-пластинчатыми (Ламелла). Выбор зависит от условий площадки, доступной площади, опыта проектировщиков. Желательно иметь два и более резервуара. Прямоугольные и Ламелла-отстойники занимают меньше площади, чем круглые, что важно при дефиците территории.

Прямоугольные отстойники имеют прямолинейное течение, улучшающее флокуляцию (при химически обусловленном осаждении) и сокращающее время удержания. Вода входит с одного конца, проходит через входное баффлование, движется вдоль резервуара к водосборным желобам. Соотношение длина:ширина 3:1–5:1, донный уклон 1%. Механический скрапер собирает ил в зону сбора, откуда он откачивается.

В круглых отстоях (Рис. 2) течение радиальное. Вода вводится в центр (или по периметрии). В центральной схеме вода идет через центральную трубу и баффл («центральный колодец») и течет радиально к водосбору по окружности. Диаметр центрального колодца 15–25% от диаметра резервуара, высота 1–2,5 м. Зона покоя должна удовлетворять требованиям к поверхностной нагрузке и глубине для дискретного и флокулянтного осаждения.

Очищенная вода сбрасывается через V-образные водосборы. Дно имеет уклон для концентрации и удаления ила. Ил удаляется механическими граблями. Типичное время удержания 2–3 часа. Удаление ВСВ 45–55%.

Давленная пневмофлотация

Воздушные пузырьки поднимают взвешенные частицы на поверхность для их сбора и удаления. Пузырьки прикрепляются к частицам, обеспечивая их всплытие. Взвешенные твердые частицы, диспергированные масла и жиры из масляных сточных вод и других выбросов удаляются давленной пневмофлотацией (ДПФ).

Для удаления масел и жиров ДПФ особенно эффективна, когда удельный вес взвешенных твердых частиц близок к 1,0. Процесс использует сжатый воздух для образования микропузырьков (10–50 мкм), которые прикрепляются к частицам, поднимая свободные масляные капли на поверхность для пеносъема. ДПФ очень эффективна для масел/жиров, так как они не осаждаются естественным образом (удельный вес < 1). При эмульгированном масле нужны химикаты для дестабилизации эмульсии.

Наддувной поток может быть всей вluentной водой, частью входа или уже очищенной водой (вытекающей). Соответственно ДПФ бывает полного потока, частичного потока или рециркуляционного. Рис. 3 показывает схему ДПФ. Наиболее распространен рециркуляционный режим: меньше оборудования для напора (меньше энергозатрат), нет абразивного износа насосов, предотвращается образование коллоидов и эмульсий в насосной системе.

ДПФ снижает концентрацию масел до 10–25 мг/л при вluentной концентрации ≤500 мг/л. ДПФ работает при более высоких гидравлических нагрузках, чем гравитационное осаждение, поэтому время удержания короче (15–30 мин), что делает установки компактнее. ДПФ бывает круглой и прямоугольной конструкции.

В резервуаре напора вода надавливается и контактирует с воздухом. Насыщенная под давлением вода проходит через редукционный клапан на дно флотатора. При снижении давления из раствора выходят мелкие пузырьки, которые прикрепляются к взвешенным частицам и застревают в иловых хлопьях, всплывают на поверхность, где их непрерывно сбивают, а ил собирают с дна. Эффективность удаления масел ДПФ повышается добавлением коагулянтов.

Химические процессы очистки

Химическую очистку применяют предпочтительно до биологической (удаляет токсичные химикаты, убивающие микроорганизмы) или на любой стадии по необходимости.

Удаление растворенных твердых веществ

Методы: (i) превращение во взвешенные вещества — химическое осаждение загрязнителя в твердой или газообразной форме для физического разделения, (ii) адсорбция на твердом материале (порошковый/гранулированный активированный уголь), (iii) режекция плотными мембранами (обратный осмос, нанофильтрация), (iv) превращение в относительно безвредные конечные продукты.

Преобразование задействует химию/биохимию: окислительно-восстановительные (редокс) или нередокс реакции. Многие процессы идут по окислению — конечные продукты органических загрязнителей: CO₂, нитраты, вода. Примеры восстановления: погашение излишков хлора бисульфитом, биохимическое восстановление нитратов до азота (денитрификация). Важные нередокс процессы: коррекция pH, осаждение солей щелочноземельных металлов (карбонат кальция, сульфат).

Нейтрализация

Необработанные сточные воды имеют широкий диапазон pH, что затрудняет очистку. Для оптимизации эффективности pH корректируют нейтрализацией. Для снижения pH добавляют серную или соляную кислоту, для повышения — негидратированную известь или гидроксид натрия. Нейтрализацию проводят в быстромешалке или выравнивающем резервуаре. Финальная коррекция pH перед сбросом обеспечивает соответствие нормативу.

Осаждение

Двухстадийный процесс удаления металлов: (1) смешивание осаждающих реагентов со стоками, образование нерастворимых металлических осадков; (2) удаление осажденных металлов через отстой и фильтрацию, последующая обработка и утилизация/рециркуляция ила. Ключевой параметр — pH-контроль.

Растворимость гидроксидов металлов амфотерна: растет при высоком и низком pH. Для каждого металла есть оптимальный pH осаждения гидроксида. Так как в стоках обычно несколько металлов, выбор оптимального реагента и pH-среда становится сложным компромиссом. Реагенты: известь, гидроксид натрия, сульфат натрия (содовая), сульфид натрия, сульфат железа. Для сурьмы, мышьяка, хрома, меди, свинца, никеля, цинка — гидроксидное осаждение; для ртути, свинца, меди, серебра, кадмия — сульфидное. Рис. 4 — схема химической очистки для удаления металлов.

Вторичная очистка

Вторичная очистка — биохимическое распадение взвешенных и растворенных органических веществ микроорганизмами. Основные биологические процессы: процесс активированного ила (ПАИ) и биологическая фильтрация. Основа — микробиологическое разрушение органики. Микробы используют органику как источник углерода и энергии.

Для удаления органических загрязнителей наиболее эффективна биологическая очистка. Используются естественно присутствующие в стоках микробы. Некоторые неорганические соединения (аммиак, цианид, сульфид, сульфат, тиоцианат) также биоразлагаемы. Биологические процессы классифицируются: (i) аэробные — микробы требуют кислород, (ii) анаэробные — растут без кислорода, используя сульфат, фосфат или другие органики, (iii) факультативные — растут как в присутствии, так и в отсутствии кислорода.

Аэробные процессы: биореактор с контролируемой биомассой и отстойник для разделения биомассы от вытекающей воды. Требуют больше энергии и дают больше ила, чем анаэробные. Пример: при нагрузке 100 кг ХПК аэробная установка требует 100 кВт·ч на аэрацию, дает 30–60 кг ила, вытекающая нагрузка 2–10 кг ХПК. Анаэробная при той же нагрузке дает только 5 кг ила (в 6–12 раз меньше) и 40–45 м³ биогаза (≈382 кВт·ч электроэнергии), но вытекающая вода имеет ХПК в 2 раза выше (хуже качество).

Ключевые параметры биологической очистки

• Гидравлическое время удержания (ГВУ) — среднее время в аэробазе = объем / средний расход, часы. Должно быть достаточно для удаления требуемой БПК. Зависит от типа системы: 0,5–120 ч. Чем ниже ГВУ, быстрее вода покидает установку.
• Взвешенные твердые вещества смешанной жидкости (ВСВСЖ / MLSS) — критически важный контрольный параметр. Связан с осадочными свойствами ила, качеством вытекающей воды, соотношением пища/микроорганизмы (П/М). MLSS — суммарные взвешенные твердые вещества (бактерии, мертвая биомасса, высшие формы жизни). Органическая часть — MLVSS (летучие ВСВСЖ) = 0,75 MLSS. MLSS регулируется расходом излишнего ила. Типичные значения зависят от типа процесса. Высокая концентрация MLSS уменьшает габариты оборудования — отсюда популярность мембранных биореакторов (MBR) в тесных условиях.
• Соотношение пища/микроорганизмы (П/М / F/M) — органическая нагрузка на ПАИ. Критический фактор проектирования и эксплуатации, определяет объем аэробазы. Диапазон 0,5–1,5. Для традиционных установок цель 0,2–0,5. При высокой П/М (0,8–1,5) скорость очистки выше, но осадочные свойства ила ухудшаются. При низкой П/М (0,05–0,2) медленное удаление БПК, хорошее осаждение ила, но система уязвима к пиковым нагрузкам.
• Возраст ила (среднее время пребывания клеток / MCRT, время удержания твердых фаз / SRT) — общая масса ила в аэробазе и отстое / суточные потери ила (излишний активированный ил + вытекающая вода). 0,5–75 сут. Короткий возраст = высокое П/М, длинный = низкое П/М. Оценка качества ила микроскопом (100×) ежедневно предупреждает проблемы. Важные индикаторы: бактерии, грибы, водоросли, инфузории, колесоверты, черви. Наличие высших форм коррелирует с работой установки. Хорошо осаждающийся ил — золотисто-коричневый, с прикрепляющимися инфузориями и сукториами. Низкий возраст — преобладание свободно плавающих инфузорий (парамеции), высокие пики БПК — отсутствие высших форм. Старый ил — много нематод или колесовертов.
• Иловой индекс (SVI) — ил наливают в 1-литровый месяцилиндр, отмечают % осажденного ила каждые 5 мин в течение 30 мин. SVI в мл/г. Надежный диагностический тест. 30–400 мл/г. <150 — хорошее осаждение, >150 — разбухание ила.

Другие ключевые переменные биореактора:

• Потребность в кислороде — для окисления органики, эндогенного дыхания, полной нитрификации TKN. Типичная концентрация в аэробазе 2–4 мг/л. Выше 4 мг/л — для удаления азота. Выше — расточительство электроэнергии.
• Выработка ила (выход ила) — распад биомассы дает ил. Для промышленных систем может быть 0,15 кг/кг БПК (коксовое производство).
• Коэффициент рециркуляции ила — часть ила возвращается для поддержания биомассы в аэробазе. Отношение объемного расхода рециркуляции к вluentному. Мощность системы рециркуляции ≥200% от среднесуточного вluentного расхода.
• Потребность в питательных веществах (C:N:P) — биомассе нужны N, P, микроэлементы (Fe, Ca, Mg, Cu, Zn...). Промышленные стоки часто бедны N и P — дозают (мочевина, суперфосфат, аммонийфосфат). Минимальное C:N:P для аэробных процессов 100:5:1, для анаэробных 330:5:1.

Основные биологические процессы

Аэробные — процесс активированного ила (ПАИ)

Биологические процессы с аэробной биомассой в суспензии традиционно называют ПАИ. Разработан в Великобритании в начале 1900-х для бытовых сточных вод, адаптирован для промышленных. ПАИ и его модификации очищают биоразлагаемые стоки умеренной концентрации (10–1000 мг/л БПК) и высокой (>1000 мг/л БПК). ПАИ не удаляет тяжелые металлы и суммарные растворенные твердые вещества (СРТВ). Некоторые примеси (цианид, хром, ртуть) ингибируют ПАИ и другие биопроцессы. ПАИ делят по массовой нагрузке на три группы: (i) низконагруженные (продленная аэрация, окислительные канавы), (ii) средненагруженные (конвенциональные), (iii) высоконагруженные.

ПАИ: смешивание отстоевшей первичной воды или выравненного вluentа с микробиальной культурой в «смешанной жидкости». Смешанная жидкость проходит через аэробазу с достаточным кислородом для микробов. Перемешивание доставляет кислород и пищу, заставляет микробы слипаться в флокулы, предотвращая их осаждение в аэробазе. Образуется «излишний активированный ил» (ИАИ) — микробы и излишки биомассы. Твердые частицы и очищенная вода разделяются во вторичном отстое или мембранном биореакторе (MBR). Большинство ИАИ возвращается в аэробазу как рециркулируемый активированный ил (РАИ) для поддержания популяции и обеспечения достаточного возраста ила для деградации ХПК и ароматичных углеводородов. Остаток удаляется и утолщается.

Вторичный отстойник выполняет двойную функцию: очистка воды и концентирование ила. Процесс чувствителен к колебаниям pH — экстремальный pH сбивает систему и перегружает отстойник. Рис. 5 — схема ПАИ и MBR.

Азотосодержащие соединения токсичны для аквабиоценозов, истощают кислород в приемных водах, вредят здоровью, снижают потенциал водопользования. Их удаляют (при избытке) нитрификацией, затем денитрификацией. Органический азот → аммиак → нитрит → нитрат → газообразный азот. Денитрификация потребляет щелочность — нужно следить за pH. На 1 мг/л аммиачного азота требуется 7,14 мг/л бикарбонатной щелочности. Кислород нужно держать около 4 мг/л для денитрификации. Управление процессами настраивается индивидуально под характеристики стоков и оптимальную работу.

Аэробные — процесс окислительной канавы

Разработан в 1950-х в Нидерландах, вариант ПАИ — особая форма продленной аэрации. Канава кольцевая. Сточные воды, микробы и активированный ил перемешиваются в непрерывном цикле для завершения нитрификации и денитрификации. Оборудование: корпус канавы, аэрационно-мешательные устройства, вход и выход. Благодаря длительному ГВУ (20–36 ч), низкой органической нагрузке и большому возрасту ила по сравнению с конвенциональным ПАИ, можно опустить выравнивание, первичное осаждение и илоразрушение.

Преимущества: (i) низкое энергопотребление, (ii) низкое обслуживание, (iii) простота эксплуатации, низкие капитальные затраты, (iv) мало ила за счет длительного SRT, (v) устойчивость к шоковым нагрузкам и гидравлическим скачкам за счет большого ГВУ. Недостатки: качество вытекающей воды по ВСВ хуже ПАИ, нужна большая площадь.

Аэробные — секвенциальный.batch-реактор (SBR)

SBR отличается от других ПАИ — это пакетный процесс. Все стадии ПАИ (первичное осаждение, биологическое окисление, вторичное осаждение) происходят в одном резервуаре. Этапы: заполнение, реакция, осаждение, отбор, пауза. SBR компактен, низкие капитальные затраты. Используется при дефиците площади — один резервуар вместо аэробазы и отстоя. Очищает азот и фосфор. Стандартные циклы 4–6 ч, 4–6 циклов/сут. По сравнению с конвенциональным ПАИ: устойчивость к шоковым нагрузкам, гибкость за счет регулировки времени цикла, низкая выработка ила.

Фильтры с наполнителем (триклинг-фильтры)

Разработаны в 1890-х — пример фиксированной биопленки (в отличие от суспензии ПАИ). Состоят из грубого наполнителя: округлые камни (25–100 мм), щебень, деревянные/пластиковые ламеллы, пластиковые кольца. Сточные воды распыляются движущимися или стационарными насадками. Наполнитель дает большую площадь для роста биопленки ~10 мм толщиной. Во внешнем слое (0,1–0,2 мм) аэробные бактерии разрушают органику. При утолщении биопленка отслаивается, растет новый слой. Современные фильтры используют пластик вместо камней — легче, глубина наполнителя до 6 м (каменные 3 м), выше фильтры на меньшей площади.

Эффлюент рециркулируют для предотвращения высыхания наполнителя, повышения эффективности, снижения запахов. Иногда два фильтра в серии для сильных стоков. Распылители вращаются 2–5 об/мин, типичная удельная нагрузка 0,6–2,4 м³/(м²·ч). При низкой нагрузке вода не проникает в глубину均匀но — каналирование, инкубация мух, запахи. Низконагруженные фильтры — естественная вентиляция, высоконагруженные — принудительная (вентиляторы).

За фильтром следует вторичный отстойник. Классификация по органической и гидравлической нагрузке: низконагруженные, промежуточные, высоконагруженные, грубые, сверхвысоконагруженные. Преимущества: (i) меньше энергии, чем ПАИ, (ii) простая эксплуатация, нет контроля MLSS и удаления ила, (iii) лучшее восстановление после шоковых токсичных нагрузок, (iv) нет разбухания ила во вторичных отстоях, (v) компактны для малых площадей, (vi) меньше обслуживания, эффективны при высокой концентрации органики (зависит от наполнителя), (vii) лучшие свойства утолщения ила. Недостатки: качество вытекающей воды (БПК, ВСВ) хуже ПАИ, может требовать доочистки; запахи, мухи, забивание наполнителя, при низких температурах естественная вентиляция работает плохо.

Биореактор на движущемся наполнителе (MBBR)

Разработан в 1980-х компанией Kaldnes (Скандинавия). Современный процесс фиксированной биопленки — микробы растут на пластиковом наполнителе. Наполнитель из высокоплотного полиэтилена или полипропилена, диаметр 13–25 мм, большая удельная площадь, биомасса растет внутри, в постоянном движении за счет сжатого воздуха с дна. Применяется в промышленной очистке в аэробном и анаэробном режимах, с денитрификацией или без, в зависимости от режима перемешивания.

Преимущества: подходит для высоких органических нагрузок, улучшенные осадочные свойства, не нужна рециркуляция ила из вторичного отстоя — «однопроходной» процесс, компактен, малый футурпринт, модульная конструкция. Может ретрофитнуть существующие ПАИ, меньше операционных органов управления, меньше механики и приборов, чем MBR. Типичное ГВУ 2–3 ч против 12–24 ч для ПАИ. Недостатки vs ПАИ: нужна более высокая концентрация кислорода, более тонкая предварительная ситовка вluentной воды, дополнительные потери напора на сетках экранирования наполнителя.

Мембранный биореактор (MBR)

Внешние MBR разработаны в 1960-х, популярность пришла после создания погруженных (погруженных) MBR в конце 1980-х. Низкие операционные расходы погруженных MBR и снижение стоимости мембран сделали MBR популярным для бытовых и промышленных сточных вод. MBR для промышленных отходов с БПК 5000–40000 мг/л, диапазон выходной БПК 200–600 мг/л. Рис. 6 — принцип MBR.

Качество вытекающей воды конвенционального ПАИ сильно зависит от гидродинамики отстоя и осадочных свойств ила — переменчивая производительность. Нужен большие отстойники с длительным удержанием. MBR устраняет эти недостатки.

MBR — гибрид двух взаимозависимых процессов: биологическая очистка и мембранная фильтрация (Рис. 5). Похож на конвенциональный ПАИ — в обоих смешанная жидкость в суспензии в аэробазе. Разница — метод разделения биосолидов. В MBR мембраны создают непроницаемый барьер на основе микрофильтрации (МФ) с порой 0,6 мкм или ультрофильтрации (УФ) с порой 0,04 мкм, не зависящие от гравитационного осаждения. Таким образом, MBR объединяет аэрацию, отстой и фильтрацию в один шаг с концентрацией MLSS 20000 мг/л и выше — меньший футурпринт, чем конвенциональный ПАИ.

MBR дает качество вытекающей воды, не зависящее от состояния ила, с высоким удалением органики, стойких загрязнителей, питательных веществ: удаление ХПК 99%, ВСВ 100%. Высокое качество идеально для рециркуляции. Особенность — большой возраст ила, но это способствует загрязнению мембран. MBR можно ставить прямо перед обратным осмосом (ОО), минуя ионообмен или другую защиту мембран, если жесткость/масштабобразующие вещества не избыточны.

Две конфигурации MBR: погруженные и боковые (side-stream). Погруженные чаще в крупных промышленных установках, боковые — в малых. Различия в типе мембран: полые волокна, плоские пластины, трубчатые. Погруженные используют полые волокна или плоские пластины, боковые — трубчатые. MBR дает эквивалент очистки ПАИ + МФ/УФ.

Несмотря на преимущества, у MBR есть вызовы в промышленном применении. Преимущества: (i) футурпринт на 25% меньше, (ii) заменяет отстойник и гравитационный фильтр конвенциональных систем, (iii) идеален для тесных площадок, низкое ГВУ 4–8 ч. MBR создает непроницаемый барьер для твердых частиц — лучшее качество вытекающей воды: БПК <5 мг/л, мутность <0,1 НТУ. Главная проблема — загрязнение мембран, снижающее производительность, требующее частой чистки/замены, повышающее затраты на обслуживание и эксплуатацию. Все MBR требуют тонких сит ≤3 мм. Ил может быть трудно обезвоживаем. SRT независим от ГВУ. Достигают высокий возраст ила 15–140 сут. Модульная расширяемость, меньше запахов, гибкая эксплуатация, меньше сбоев. Процесс автоматизируем.

Вторичные отстойники

Две задачи: (1) утолщить и осадить твердые частицы после биологической очистки, (2) дать чистый эффлюент. Отстойники ПАИ проектируют не только по гидравлической поверхностной нагрузке, но и по нагрузке твердыми частицами — нужны и очистка, и утолщение. Главная переменная — возраст ила (MCRT). Важный параметр — нагрузка твердыми частицами (площадь для утолщения в зоне сжатия). Отстойники прямоугольные или круглые.

Третичная очистка

Конвенциональная вторичная очистка часто недостаточна для нормативов сброса в поверхностные воды. Нужен третичный полиш: доочистка твердых частиц и органики, деколоризация, деградация рекальцитрантных соединений, удаление питательных веществ, дезинфекция. Устойчивые загрязнители, не удаленные вторичной стадией, устраняются третичной. Эти процессы называются «третичными», так как ставятся после вторичной, но некоторые (окислительные) могут стоять до биологической для улучшения биоразлагаемости рекальцитрантов.

Перед рециркуляцией, повторным использованием или сбросом в среду третичная очистка — финальный полиш. Для удаления питательных веществ (N, P), токсинов (пестициды, ЛОС, металлы), полиша эффлюента (БПК, ВСВ). Это продолжение вторичной биологической очистки для дальнейшей стабилизации кислородопотребляющих веществ и удаления N, P.

Физико-химические методы разделения: адсорбция на активированном угле, флокуляция, осаждение. Наиболее частые применения: фильтрация и дезинфекция, при необходимости — удаление аммиака и фосфора. Аммиак токсичен для рыб, фосфор вызывает цветение водорослей.

Фильтрация

Разделение: твердо-жидкая смесь проходит через пористый материал (фильтрующий наполнитель), удерживающий твердые частицы и пропускающий фильтрат. Гранулярные полиширующие фильтры удаляют ВСВ в диапазоне 5–50 мг/л. Наиболее частые — мультимедийные фильтры. Качество фильтрата зависит от размера, заряда, геометрии взвешенных частиц и наполнителя, а также от водоанализа и режима работы. По наполнителю: (i) однослойные (песок или антрацит), (ii) двухслойные (песок + антрацит), (iii) мультимедийные (гранат, песок, антрацит).

Частые наполнители — песок и антрацит. Эффективный размер зерна: мелкий песок 0,35–0,5 мм, антрацит 0,7–0,8 мм. Двухслойный (антрацит над песком) по сравнению с однослойным песком дает более глубокое проникновение взвеси в слой наполнителя — более эффективная фильтрация и более длинные циклы между промывками. Проектная глубина слоя ≥0,8 м. В двухслойном: 0,5 м песка + 0,3 м антрацита.

В промышленности фильтры в стальных давительных корпусах с эпоксидным покрытием, внутренними коллекторами для распределения воды и дренажной системой для сбора фильтрата и обратной промывки.

Корпус давительного фильтра рассчитан на давление, поэтому можно применить больший перепад давления для более высоких слоев, более мелких зерен, более высоких фильтрационных скоростей. Проектные фильтрационные скорости 10–20 м/ч, скорости обратной промывки 40–50 м/ч. Доступное давление 2–4+ бар.

Для вод с высоким загрязняющим потенциалом: скорости <10 м/ч и/или двухпроходная медиа-фильтрация. Если нужно увеличить расход при отключении одного фильтра — повышение должно быть плавным, чтобы не сбросить ранее отложенные частицы.

Эксплуатация: вluentная вода входит сверху, просачивается через слой, забирается коллектором снизу. Периодически, при перепаде давления 0,3–0,6 бар, фильтр промывают и промывают сливом отложенного. Время промывки ~10 мин. Перед возвратом в работу фильтр промывают в слив до соответствия спецификации. Чрезмерные скорости промывки ведут к потере наполнителя.

Вариации глубокой фильтрации — высокоскоростная фильтрация (гораздо более высокие скорости). Кроме медиа-фильтров — дисковые и картриджные фильтры, также защищают мембранные системы. Дисковые фильтры из складчатой ткани — очень высокие скорости, малый футурпринт, очень высокое качество воды для рециркуляции, не требуют интенсивной обратной промывки.

Продвинутые процессы водоочистки также применяются как третичная стадия. Они доводят качество конвенционально очищенных стоков до уровня, пригодного для рециркуляции и повторного использования, включая питьевое. Дополнительные третичные процессы: мембранные (микрофильтрация, ультрофильтрация, нанофильтрация), обратный осмос, передовые окислительные процессы (ПОП), дополнительная дезинфекция (озонирование, УФ-излучение). Некоторые описаны ниже.

Мембранные технологии

Мембраны — популярный выбор для водопользования с 1960-х. Стоимость снизилась драматически, вместе с технологическими прорывами в дизайне, вариантах и предельных режимах — быстро расширяется спектр применений. В давленной мембранной фильтрации мембраны разделяют компоненты жидкости под давлением. Экстремально малые поры обеспечивают селективный проход растворенных веществ. Популярность — в эффективности удаления и растворенных, и взвешенных твердых частиц. Материалы: цеellulose acetate, полиамиды, полисульфоны, полипропилен, нейлон, полиакрилонитрил, поликарбонат, ПВА, ПТФЭ, керамика, металлические композиты. Размер поры — параметр селективности. По размеру поры — 4 типа давленных мембран. МФ и УФ — низкодавленные (крупные поры). Нанофильтрация — среднее давление. ОО (малые поры) — значительное давление.

Передовые окислительные процессы (ПОП)

ПОП — процессы генерации и использования мощных, но относительно неселективных гидроксильных радикалов в количествах, достаточных для окисления большинства сложных химикатов в вытекающей воде. ПОП превосходят традиционные альтернативы: устраняют небиоразлагаемую органику, исключают утилизацию остаточного ила. После фтора (E° = -3,06 В) гидроксильные радикалы (OH·) имеют наивысший окислительный потенциал (E° = -2,86 В). В ПОП генерируются OH·, которые реагируют с органикой, давая CO₂ и воду. ПОП делят на нефотохимические и фотохимические. Фотохимические требуют источника света — обычно УФ. Низковольтные УФ-лампы: длина волны 254 нм. Максимальное поглощение озона — 253,7 нм. Из нефотохимических наиболее распространены: озонирование, O₃/H₂O₂, реакция Фентона.

Озонирование

Открыт в 1785 г. Озон (O₃) — широко применяемое сильное окислительное средство (E° = -2,07 В) для дезинфекции питьевой воды и сточных вод, деколоризации, удаления запахов, деградации органики, разрушения цианида. При комнатной температуре — синеватый резкий газ, слабо растворим в воде, высококоррозионен, токсичен, взрывоопасен при концентрации в воздухе >20%. Как гермицид — в 3125 раз быстрее хлора. Эффективность озонирования растет при высоком pH и температуре. При растворении в воде/стоках O₃ остается молекулой (pH >7, медленная реакция) или разлагается (pH >8), давая OH· — на 35% более сильный окислитель, чем O₃. Обе реакции идут одновременно, кинетика сильно зависит от характеристик воды (pH, концентрация органики, ПАВ, концентрация озона, температура). pH 8–10 оптимален для окисления органики. Растворимость озона в воде низкая и падает с ростом температуры. При 20 °C 100% растворимость = 570 мг/л. Предпочтительный диапазон 25–50 °C.

Упрощенный механизм озонирования при высоком pH: 3 O₃ + H₂O = 2 OH· + 4 O₂. Молекулярный O₃ — селективный окислитель, реагирует только с определенными соединениями, поэтому применяется в малых дозах для промышленных стоков. Ингибирует/уничтожает пенообразующие свойства остаточных ПАВ, окисляет значительную часть ХПК. Таким образом, O₃ улучшает общую биоразлагаемость вытекающей воды, превращая рекальцитранты в легко усваиваемые соединения — может применяться до или после биологической очистки. Остаточный кислород в выходящем газе рециркулируется в вторичную биологическую установку, снижая потребность в аэрации. Еще одно преимущество — не увеличивает массу ила.

O₃ подают в газообразной форме, из-за нестабильности генерируют на месте из воздуха или чистого кислорода УФ-излучением, электрохимией или коронным разрядом. Датчики утечки O₃ — звуковые/визуальные предупреждения и аварийная остановка генераторов. O₃ деактивируется при высокой концентрации солей. Вариация — процесс O₃/H₂O₂. Разработан для снижения дозы O₃, H₂O₂ катализирует образование большего количества OH·. При низком pH реакция медленная, при высоком (щелочной) — быстрая.