Основные аспекты развития экологической науки в XX - начале XXI в. (на примере очистки сточных вод)

Очистка сточных вод как отдельное направление появилась в конце XIX - начале XX веков и становится всё более актуальной проблемой [1-18].

Рост городов, развитие промышленности привело к образованию значительных объёмов бытовых и производственных сточных вод. Стоки, содержащие токсичные загрязнения и патогенные микроорганизмы, поступали без очистки в водные объекты и на ландшафт городов. В результате их воздействие на здоровье людей и на природу приобрело угрожающие размеры, в Европе вспыхнули сильнейшие эпидемии (холера, чума).

Систематические поиски учёными и инженерами методов очистки бытовых, производственных сточных вод, строительство канализационных сетей, разработка специальных условий сброса сточных вод начались активно с середины XIX в.

В конце XIX очистка городских сточных вод осуществлялась примитивными сооружениями такими как: поля орошения, поля фильтрации, а дезинфекция сточных вод - известью или хлорным газом.

Из всех стран Европы Англия первая занялась разработкой мер по очистке сточных вод. В 1865 г комиссией, изучавшей вопросы о загрязнении и самоочищении рек, были предложены 2 способа очистки хозяйственно-бытовых сточных вод: поля орошения (биологический метод) и применение извести и хлорного газа для дезинфекции. Взгляды английских специалистов отразились и на других странах Европы – Париже, Берлине.

Позже в Германии стали внедрять механико-химические способы очистки с использованием реагентов, но широкого применения этот способ не нашёл, ввиду использования

дорогостоящих реагентов и образования значительного количества отходов, которые уничтожались в морях.

В конце XIX в начале ХХ веков в Англии появились элементы очистки сточных вод загни-ватели, биофильтры, аэротенки (биологический способ), которые стали вытеснять механикохимические способы и поля орошения. Затем биологическая очистка становилась конструктивно сложной и состояла уже из 2-х ступеней очистки, например: заливных фильтров с крупно и мелкозернистым коксом и полей фильтрации. В отличие от Англии Германия отказалась от очистки биологическим методом и стала внедрять механический способ очистки - решётки, сита, жироловки, осаждение сточных вод в бассейнах и колодцах без химических реактивов. В других странах Европы вопрос очистки сточных вод городов не достиг той степени развития, как в Англии и Германии.

В России очистка сточных вод развивалась медленными темпами из-за отсутствия систем водоотведения городов. Из канализированных в России городов Одесса (1887 г.), Москва (1898 г.), и Киев (1895 г.) эксплуатировали поля орошения, а Харьков - биологическую станцию. Но российские учёные активно вели эксперименты и разрабатывали новые технологии по очистке сточных вод.

Таким образом, первая половина ХХ века была направлена на поиск учёными технических решений по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод городов.

Быстрое развитие промышленности в ХХ веке с использованием в технологических процессах воды привело к образованию производственных сточных вод сложного химического состава. Наиболее распространённые методы очистки первой половины ХХ в. - механические и биологические, не позволяли очищать сточные воды от широкого спектра загрязнителей. Во второй половине ХХ века учёными стран Европы началось активное исследование качества производственных сточных вод и поиск новых, технических решения по очистке. В результате появилась чёткая классификация методов и аппаратов сточных вод, появилось понятие нормативов предельного сброса загрязняющих веществ.

Профессор В.Ф. Иванов и профессор Б.О. Ботук в своих научных работах приводят следующую классификацию методов очистки сточных вод: механический, механико-химический, физический, биологический.

Механический метод предназначен для очистки от взвешенных веществ и всплывающих примесей. Сооружения механической очистки сточных вод - песколовки, решётки и сита, осадочные бассейны (отстойники), осадочные колодцы, жироловки, нефтеловушки.

Сущность механико-химического метода заключалась в том, что после прохождения сточных вод через механические сооружения к ним добавлялись реактивы, после чего сточная вода поступала в бассейн для отстаивания. Сооружения – фильтры, реакторы.

Физические методы, были основаны на кипячении, дистилляции или выпаривании сточных вод и не получили широкого распространения, так как для получения необходимой тепловой энергии требовались огромные расходы. Более распространёнными методами очистки стали ионно-обменная очистка, сорбционная очистка с помощью активированных углей, микрофильтры, гидроциклоны, флотаторы.

Биологический метод очистки сточных вод предназначен для очистки от органических соединений с помощью микроорганизмов в естественных и искусственных условиях. Биологический способ включал в себя поля орошения, фильтрационные поля, биологические фильтры, аэротенки и аэрофилътры.

Основные способы дезинфекции сточных вод в ХХ в. – термические, химические. Термический метод заключался в обработке жидкости кипячением под давлением и при температуре 120° С в котлах. Химическая дезинфекция очищенных вод производилась в осадочных бассейнах и колодцах, в которые вводились реактивы: едкая известь, кислоты, соли тяжелых металлов и вещества, обладающие окислительными свойствами.

Выбор метода очистки производственных сточных вод зависел от состава и расхода сточных вод, от экономической составляющей. Очистные сооружения производственных сточных вод состояли из комбинированных методов очистки. Так для нефтеперерабатывающих заводов, где основным загрязнителем являются всплывающие и растворённые нефтепродукты, использовалась 3-х ступенчатая схема очистка с аппаратами механо-химичсекого, физического, биологи- ческого способа очистки. Для гальванических цехов, предприятий горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов, где основным загрязнителем являлтсь ионы тяжёлых металлов, использовались механо-химические и физические методы очистки.

Основная тенденция ХХ века – эффективная очистка сточных вод от загрязняющих веществ органического и минерального происхождения.

На рубеже ХХ-XXI веков отрасль очистки сточных вод развивалась, видоизменялась, совершенствовалась, следовала за развитием науки и технологий.

В начале XXI века появились новые тенденции развития методов очистки сточных вод. Согласно современному подходу, очистка сточных вод должна быть эффективной, очищенные стоки вовлечены в повторное использование, а осадки и тепловая энергия сточных вод утилизированы. Новые тенденции направлены на экономию и на сохранение энерго- и ресурсопотоков.

В XXI веке классификация методов очистки сточных вод выглядит следующим образом: механические методы очистки, физико-химические и биологические.

Сооружения механической очистки сточных вод предназначены для задержания нерастворен-ных примесей. К ним относятся: решетки, сита, песколовки, нефтеловушки, масло- и смолоулови-тели, отстойники, центрифуги и гидроциклоны, фильтры различных конструкций.

В процессе эволюции оборудование механической очистки сточных вод совершенствовалось, дорабатывались скребковые механизмы, а также появились новые фильтрующие элемент. Основное направление развития – экономия занимаемой площади и эффективность очистки. Так по сравнению с XX в. в XXI веке появились новые виды песколовок - тангенциальные и аэрируемые, отстойники, состоящие из блоков с тонкослойными элементами (плоские или рифленые пластины, трубчатые элементы), усреднители – многоканальные и аэрируемые, многоярусные нефтеловушки и.т.д. В качестве фильтрующих элементов стали использовать - синтетические сорбенты, активные угли, некоторые производственные отходы – шлаки, опилки, минеральные сорбенты – глины, гидроксиды и алюмогели металлов, силикагели.

Физико-химические методы используют для удаления из сточных вод растворимых газов, тонкодисперсных взвешенных и коллоидных частиц, минеральных и органических растворенных веществ. В XXI веке физико-химические методы очистки стали актуальными. Наиболее широкое распространение получили следующие методы: ионный обмен, флотация, электрохимические методы и мембранные.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.18, №4(5), 2016

Метод биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические вещества для питания в процессе жизнедеятельности. Часть органических веществ превращается в воду, нитрит- и сульфат-ионы, диоксид углерода, часть идет на образование биомассы.

Сооружения биологической очистки разделяются на 2 вида: с очисткой в условиях, близких к естественным; с очисткой в искусственно созданных условиях.

Распространенный способ дезинфекции обработка ультрафиолетом. Применение УФ-лучей - физическое воздействие на бактерии, вирусы и микроскопические грибы.

В XXI веке в связи с разнообразием загрязнений в сточных водах на смену традиционным методам механической и биологической очистки, пришли современные экономичные процессы разделения растворов на мембранах и использование электрохимических, биологических процессов. Одновременно с этим отыскиваются пути повторного использования сточных вод, уже прошедших очистку. Основные преимущества современных методов: непрерывность работы, экологичность, отсутствие реагентного хозяйства, полная автоматизация процесса.

Таким образом, в течение ХХ века отрасль очистки сточных вод развивалась в направлении поиска и применения наиболее эффективных и экономичных технологий очистки сточных вод и уничтожения загрязнений.

В первой половине ХХ века разрабатывались и внедрялись технологии очистки городских сточных вод. Наиболее распространёнными способами очистки сточных вод были – механический (песколовки, отстойники) и биологический (поля орошения, поля фильтрации, биологические фильтры).

Во второй половине ХХ века разрабатывались и внедрялись физико-химические методы очистки бытовых и промышленных сточных вод (коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен).

На рубеже XX-XXI вв. произошла смена приоритетов человеческого мышления с экономического направления на экологическое.

В XXI в. основные задачи направления очистки сточных вод -внедрение ресурсосберегающих, нано- и биотехнологий, позволяющих снизить нагрузку на окружающую среду, и создание замкнутых циклов, позволяющих свести к минимуму потребление свежей воды.