Эколого-экономическая эффективность технологических процессов очистки сточных вод

Новейшие достижения науки и техники, разработка технологий, обеспечивающих снижение негативного воздействия на окружающую среду, невозможны без экологоэкономических обоснований.

Любая хозяйственная деятельность человека отражается на состоянии окружающей среды, поэтому производственные вопросы надо решать комплексно, сопоставляя с эколого-экономическими последствиями.

За последние столетия особенно усилилось антропогенное воздействие на водную среду. К серьезным последствиям для окружающей среды привел непомерный отбор воды из природных источников. Происходит непрерывное истощение природных ресурсов, в первую очередь, пресной воды. Пресная вода – необходимое условие жизни на Земле. Проблемы неограниченного потребления водных ресурсов для удовлетворения потребностей человечества с каждым днем обостряются. Во многих странах наблюдается хронический недостаток воды, случаются частые засухи. С каждым годом растет население Земли, вследствие чего увеличивается потребление воды. За последние годы увеличилось количество людей, вынужденных употреблять некачественную питьевую воду, что может приводить к росту заболеваемости. Поэтому охрана водных объектов от различных загрязнений стала одной из важнейших глобальных проблем [1, с. 346].

Вода является ценным и наиболее распространенным сырьевым ресурсом. Основной задачей охраны от различных загрязнений водных источников является уменьшение потребления воды и сброса СВ в водоемы. Однако население России считает, что территория страны большая и воды будет всегда достаточно. Конечно, в процессе водопотребления вода не перестает существовать, но неизбежно загрязняется сама и загрязняет окружающую среду.

Любая хозяйственная деятельность, проводимая на водосборных территориях (в т.ч. лесопользование, растениеводство и животноводство, сооружение дорог, развитие поселков и городов), оказывает влияние на их экологическое состояние. Некоторые российские водные объекты подвергаются интенсивному использованию, вследствие чего резко снизилось водное биоразнообразие и биопродуктивность. Водоемы потеряли питьевое и рекреационное значение [2, с. 172–173].

Все прошлое столетие реки и озера интенсивно использовались, в т.ч. и как приемники сточных вод. Пока вода в реках бежала (а не стояла, как сегодня, например, в Волге), и пока сточные воды содержали вещества, которые как-то поддавались биологическому разложению, ситуация была местами очень сложной и даже опасной, но не критической. Однако естественная способность к самоочищению многих российских рек и других водоемов была необратимо подорвана.

Многие загрязнители по своей структуре не известны для природных циклов воспроизводства, и природа не способна справиться с накопленными и качественно измененными продуктами, созданными человеком для удовлетворения своих потребностей. Например, полимерные отходы, поступившие на полигонное захоронение, загрязняют окружающую среду на многие десятилетия [3].

71% поверхности Земли приходится на гидросферу. Вода – самое распространенное вещество в природе. Без воды существование живых организмов невозможно в принципе. Особую роль играют пресные воды Земли, общий объем которых невелик – всего 2,5% от массы вод океана (приблизительно 30 млн. км3). Крупнейшие запасы пресной воды приходятся на озеро Байкал – около 23 тыс. км3. Подавляющая часть пресной воды для людей в повседневной жизни труднодоступна, т.к. связана с полярными льдами и подземными водоносными слоями. Поэтому задача первостепенной важности – предотвращение загрязнения водных объектов как источников пресной воды [4].

Около половины воды, потребляемой человечеством, превращается в сточные воды (СВ), сбрасываемые (после далеко не всегда эффективной очистки), как отмечено, на водосборные площади и в водные объекты (поверхностные и подземные), которые интенсивно загрязняются.

Проблема России не в дефиците воды, а в её качестве. Почти все города, а их в России более тысячи, снабжаются водой не из скважин, а из поверхностного водосбора. Около 75% городских квартир потребляют водопроводную воду весьма низкого качества, причем не исключено попадание в нее опасных микроорганизмов, а также токсичных веществ, широко используемых в промышленности и неизбежно попадающих сначала в СВ, а затем и в водопровод. Обычная городская система очистки воды не способна обезвредить подобные воды. Приблизительно 30% населения России потребляет воду, не прошедшую вообще никакой очистки, что весьма опасно для здоровья. В таких регионах РФ, как Белгородская и Курская область, Адыгея, Бурятия, Тыва, очистке подвергают не более 10% воды [5, с. 85–87].

Россия катастрофически отстает от стран ЕС по уровню контроля водоснабжения. В соответствии с законодательством в РФ вода должна проверяться по 54 показателям (на практике, в большинстве регионов это, как правило, происходит только на бумаге по причине отсутствия оборудования). Для сравнения: в Великобритании вода контролируется по 70 показателям, при этом в год делается около 100 тысяч анализов.

Пробы воды, не соответствующие нормам, в Великобритании составляют 0,01%, а в России – более 40%, что свидетельствует о питьевой непригодности такой воды. Например, очистные сооружения, находящиеся вдоль реки Волги и использующие воду из неё, рассчитаны на работу с первым (высшим) классом. На самом деле вода в Волге относится к самому низкому – третьему классу питьевой воды. Содержание в волжской воде фенолов, нефтепродуктов, солей меди и цинка превышает ПДК в 5–12 раз.

В странах ЕС для очистки воды применяют УФ-технологии, в России же преимущественно для очистки воды используют хлор (на Рублевской водопроводной станции в Москве для очистки воды применяют озон) [6, с. 91–93].

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), инвестирование 1 доллара в развитие водоснабжения позволяет сэкономить от 4 до 12 долларов в системе здравоохранения.

В настоящее время в России доля СВ, проходящих очистку, не превышает 65%. В этой связи особую роль приобретает инженерная защита окружающей среды в части скорейшего решения технологических задач водоочистки, водоподготовки, оборотного водоснабжения, предотвращения загрязнения водоемов и их истощения. Очистка СВ – составная часть инженерной экологии, сервиса экосистем и природоохранных объектов.

Водные объекты не в силах справиться с возрастающим количеством загрязняющих веществ, вследствие этого процессы самоочищения не происходят, поэтому сточные воды перед попаданием в водные объекты должны проходить очистку [7, с. 71–73].

Универсального способа очистки сточных вод от всех вредных веществ и примесей не существует, поэтому при выборе систем очистки надо это учитывать. Как правило, очистка СВ от различных загрязнений происходит не одним каким-то методом, а последовательно несколькими. Снижение содержания в СВ специфических примесей до допустимых норм требует применения различных и часто комбинационных технологических решений.

В промышленности применяют механические, биологические, химические (реагентные) и физико-химические методы очистки сточных вод [8].

Одним из весьма эффективных, но недостаточно широко используемых в российской практике методов очистки СВ является флотация, которую можно также использовать для извлечения из СВ ценных компонентов (в т.ч. растворенных).

Флотация – процесс извлечения (разделения) взвешенных в водной среде мелких твердых частиц, растворенных в воде ПАВ или йонов металлов с помощью генерируемых в объеме пульпы или непосредственно на твердых частицах воздушных пузырьков, которые выносят закрепившиеся на них частицы или адсорбированные ПАВ в пенный слой, удаляемый из процесса. В основе флотации лежат процессы смачивания [9].

Флотационное выделение загрязняющих веществ из сточных вод характеризуется, по сравнению с отстаиванием, значительно большей скоростью процесса, которая во многом определяется скоростью подъема воздушных пузырьков в воде (приблизительно 1-16 см/с).

Флотационную очистку СВ применяют в различных производствах: нефтеперерабатывающей и химической промышленности, цветной металлургии, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, производстве искусственного волокна, кожевенном, красильном и гальваническом производстве, машиностроении, а также в коммунальном хозяйстве, прачечных и др. [10].

Объектами для флотации при очистке сточных вод могут быть:

• — растворенные ПАВ;

• — твердые гидрофобные загрязнения (нерастворимые взвешенные частицы);

• — нефтепродукты, масла, жиры;

• — растворенные соли (ионы тяжелых металлов);

• — гидроксиды металлов;

• — хлопья скоагулированных коллоидов;

• —    суспензия избыточного активного ила (после биологической очистки СВ) [11, с. 16—19].

Наиболее привлекательно технологически и экономически применение флотации для очистки СВ от растворенных ПАВ. Адсорбируясь на поверхности поднимающихся воздушных пузырьков, ПАВ выносятся в пенный слой и удаляются из процесса (по своей сути процесс, называемый пенным фракционированием, аналогичен процессу сорбции на твердых сорбентах). Иными словами, простая продувка сточных вод воздухом в виде мелких пузырьков (их дисперсность возрастает с увеличением концентрации ПАВ) дает высокий технологический эффект. Степень очистки СВ от ПАВ может достигать 98%. Применение специальных флотореагентов не требуется. Флотация проводится при рН 9,5—12. В процессе очистки от ПАВ одновременно происходит удаление из СВ диспергированных и эмульгированных частиц [12].

Чаще всего СВ загрязнены анионными ПАВ. При содержании в СВ катионных ПАВ процесс флотации интенсифицируется с помощью подачи в процесс реагентов — рекомендуется последовательная подача эмульсии аполярных масел и полиакриламида (реагент – флокулянт). Время флотации не превышает 20 минут, рН 9,5–11.

Безреагентная флотация эффективна при очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов от загрязнений маслами и взвешенными тонкими частицами, которые обычно покрыты пленкой масел (извлечение загрязнений составляет 90–99%, время флотации – 4–6 мин), при очистке СВ мясокомбинатов от жиромассы (степень очистки – 70–75%, причем сфлотированную жиромассу утилизируют, превращая в жировой концентрат путем дальнейшей термической переработки). При флотационной очистке СВ от нефтепродуктов удается снизить их концентрацию до 3–5 мг/л при исходной концентрации нефтепродуктов 30–40 мг/л.

При флотации хлопьев скоагулированных коллоидов и гидроксидов металлов с соосажденными вместе с ними различными примесями необходимо учитывать, что «флотационная активность» хлопьев по мере их «старения» заметно падает и через несколько часов они могут потерять способность флотироваться. Наилучшими с точки зрения флотации хлопьев скоагулированных коллоидов и гидроксидов являются условия, когда выделение пузырьков газа из раствора и образование хлопьев происходят одновременно [13, с. 20–24].

Флотация все шире используется для извлечения из сточных вод (в частности, из промышленных СВ гидрометаллургических и обогатительных предприятий) ионов тяжелых металлов – меди, цинка, кадмия, молибдена, никеля, кобальта и др. Ионы металлов с помощью собирателей переводятся в труднорастворимые соединения и затем флотируются. В качестве собирателей используются алкилксантогенаты ROCSn , алкилкарбоксилаты RCOO¯, алкилсульфаты RO5O^ , алкилсульфонаты R5O3 , алкилфосфаты ROPO^ .

Разработан оригинальный способ флотации из СВ ионов кадмия, основанный на использовании специального носителя – биомассы микроорганизмов (грамм-положительные актиномицеты АК61 и JL322), которая концентрирует на своей поверхности катионы металлов и затем извлекается в пенный продукт флотацией. В качестве катионного собирателя используется бромид цетилтриметиламмония. Контакт собирателя с биомассой – 15 минут, рН 6–10. Десорбция кадмия с поверхности биомассы осуществляется обработкой сульфатом натрия [14, с. 105–110].

Практика показывает, что степень флотационной очистки СВ от нерастворимых примесей и взвешенных веществ часто достигает 90–98% при времени флотации

20–40 мин. Одновременно снижается концентрация поверхностно-активных веществ, бактерий и микроорганизмов.

Существенное преимущество флотации перед отстаиванием – получение пен, содержащих шламы, с более низкой влажностью, чем влажность осадка, образующегося при отстаивании. Выход шлама при флотации меньше, чем осадка при отстаивании [15, с. 196–198].

Как уже было отмечено, универсального способа очистки сточных вод от всех существующих вредных веществ не существует. Обычно в технологические схемы очистки СВ включается несколько технологических операций.

Делая вывод из вышеизложенного, можно утверждать, что сегодня на первый план выходит экономическое регулирование рационального использования, а также охраны водных ресурсов. Улучшение окружающей среды и сохранение водных объектов являются первоочередным направлением деятельности государства и общества.