Очистные сооружения 21-го века. Магнитно-кавитационная очистка общесплавных сточных вод

Введение

Побочным продуктом жизнедеятельности и хозяйствования человека являются сточные воды. Еще на заре цивилизации, в условиях становления и развития крупных городов, возникла проблема обеспечения экологической и санитарно-эпидемиологической безопасности населения, которая первоначально решалась методом канализования.

Канализация – это комплекс санитарных мероприятий и инженерных сооружений, обеспечивающих своевременный сбор и удаление (транспортирование) сточных вод за пределы населенных пунктов, а также их очистку, обезвреживание и обеззараживание.

Канализация существовала еще в древнем Риме (2500 лет до н.э.), затем она появилась в Египте и Древней Греции; и представляла собой систему водотоков (Рис1), куда попадали нечистоты из домов, дождевые стоки, воды бассейнов и фонтанов. По этой системе стоки или сбрасывались в ближайшую реку (Рис2), или поступали на поля, где по системе каналов использовались в качестве систем орошения.

Рис. 1 Сохранившиеся остатки системы кализации в Риме

Рис. 2 Сохранившаяся точка сбора сточных вод в р. Тибр

В середине первого тысячелетия, культурно и технологически высокоразвитая Римская империя была захвачена отсталыми народами (варварами). И с принятием христианства (на несколько веков затормозившего развитие цивилизации в целом), вопросы по обеспечению элементарных бытовых нужд людей отошли на последний план. Церкви, стремящейся к абсолютной власти и религиозному (по этой причине – невежественному) обществу были чужды понятия об экологической и санитарно-гигиенической безопасности.

Вопросы утилизации отходов и сточных вод в городах решались самым примитивным способом, при котором большинство нечистот (в том числе и отходы жизнедеятельности) выбрасывалось прямо на улицы (Рис.3,4), по которым (порой) в прямом смысле этого слова - было опасно ходить (Рис.5,6).

Рис. 3 "Отхожее место" (туалет) в средневековом доме. Вид внутри

Рис. 5 Туалеты на стене средневекового замка

Рис. 4 "Отхожее место" (туалет) в средневековом доме. Вид снаружи

Рис. 6 Гравюра 15-го века (бытовая зарисовка, объясняющая первоначальное назначение зонтиков и широкополых шляп)

Рост городов и населения в целом, а также зарождение промышленного производства, со временем увеличил объем сточных вод, которые (чаще всего по специально созданному уклону улиц) дождями и талыми водами сбрасывались в реки, что привело к их загрязнению по всей Европе.

Итогом такого отношения к бытовым и хозяйственным вопросам в условиях тотального главенства церкви и отсутствия элементарной бытовой культуры (сие «от диавола»), явились многочисленные вспышки эпидемий и инфекционных заболеваний, которые веками уносили сотни тысяч жизней в средневековой Европе.

Примечание:

Справедливости ради следует отметить и иные, совпавшие по времени, причины эпидемий в средние века:

- Начиная с Х века н.э. началось массовое уничтожение лесов Европы, которое связано с ростом численности населения, распространением хлебопашества, скотоводства и мануфактур. Дефицит древесины (единственный в те времена источник энергии) вызвал резкое увеличение ее стоимости, что ограничило возможность населения пользоваться горячей водой и соблюдать элементарные санитарно - гигиенические нормы.
- В 1233 году папа Григорий IX издает буллу «Vox in Rama», в которой черная кошка названа «одним из воплощений Сатаны». Это (с учетом невежества и власти церкви во всех сферах общества) приводит к тотальному истреблению кошек по всей Европе. (всех без исключения расцветок). Итог - резкое увеличение популяции крыс в городах, являющихся переносчиками инфекций (в том числе чумы).

В 1868 г в Лондоне создается Комиссия, которая исследует причины заражения речной воды и разрабатывает способы очистки сточных вод.

Примечание:

Итоговый документ Комиссии написан речной водой, имеющей цвет чернил (взвешенные, дубильные вещества и иные загрязняющие вещества).

По итогам работы Комиссии был составлен документ, положивший начало систем очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.

Выдержка из текста: «Несмотря на введение небывалых ранее налогов и неизбежное недовольство подданных её Величества, мы вынуждены признать, что очистка нечистот и их отвод в безопасные места - являются чрезвычайно срочной необходимостью, вызванной катастрофическим загрязнением Темзы. Если не сделать этого сейчас, то расходы йоменов на лечение и захоронения - превысят любое увеличение налогов».

Первые очистные сооружения были построены в Лондоне в конце 19-го века. Первоначально это была система из отстойника и песчано-галечной двухступенчатой очистки от механического мусора и взвесей (Рис.7), при которой осажденный шлам вывозился на поля (Рис.8).

Рис. 7 Система очистки сточных вод от механических взвесей

Рис. 8 Поля сброса биошлама (отходов) начало 20-го века

На рубеже 19-го и 20-го веков была разработана и предожена к применению более эффективный способ очистки – биологический.

Проект первой станции биологической очистки в России был разработан и утвержден для Царского Села 20 марта 1903г. С момента их запуска в эксплуатацию (1905 год) началась история очистных сооружений в нашей стране.

Со временем технологии усложнялись:

- первые аэротенки появились в 1914 году (В России в 1922 году).
- первая станция очистки, сочетающая биологические пруды, аэротенки и биофильтры (Кожуховская -37 тысяч м3/сут.), была открыта в 1929–1933 гг. (г. Москва).
- для обеспечения требований санитарно-эпидемиологической безопасности - очищенные стоки подвергались хлорированию

Промежуточные выводы:

- Технология биологической очистки сточных вод – это технология более, чем вековой давности
- Биологические очистные сооружения эффективными в условиях отсутствия промышленных сточных вод (отсутствовали стоки химических производств и их производных)
- На момент разработки и внедрения технология биологической очистки являлась передовой и полностью отвечала требованиям по обеспечению экологической безопасности

Физико-химические процессы биологической очистки сточных вод

Типовая блок-схема Биологических Очистных Сооружений (БОС) приведена не рис.9

Рис 9. Типовая блок-схема БОС

Классическая (биологическая) технология очистки состоит из двух стадий:

На первой стадии процесса бактерии рода Nitrosomonas окисляют азот аммонийный до нитритов. В качестве субстрата Nitrosomonas может использовать аммонийный азот, мочевину, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется. Удаление из сточных вод аммонийного азота происходит в результате процесса нитрификации, которая осуществляется автотрофными бактериями, использующими для питания неорганический углерод (углекислоту, карбонаты, бикарбонаты). Присутствие в воде органических веществ может тормозить развитие нитрифицирующих бактерий. Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии способны потреблять только тот азот, который не использован гетеротрофными микроорганизмами, развивающимися при наличии органических веществ и потребляющими азот в процессе конструктивного обмена. Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают кислород, необходимый нитрификаторам.

- При нитрификации в качестве источника кислорода бактериями используются также гидрокарбонаты НСО3-, при этом увеличивается концентрация угольной кислоты Н2СО3 и, следовательно, снижается pH среды. Степень снижения рН зависит от величины щелочности воды: на 1 мг окисленного азота используется 8,7 мг щелочности.
- При условии осуществления нитрификации в аэротенке необходимо учитывать дополнительный расход кислорода из расчета 4,6 мг О2 на 1 мг окисленного азота.
- Прирост биомассы бактерий при нитрификации составляет примерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота, причем основная часть приходится на Nitrosomonas.
- Около 98% азота окисляется при этом до нитратов, остальное количество входит в состав клеточной биомассы.
- Доля нитрифицирующих бактерий в общей биомассе активного ила может составлять от 0,5% до 2,5%, по абсолютной величине - от 17 мг/л до 55 мг/л.

Основным требованием к процессу нитрификации, при осуществлении его в аэротенках, является наличие достаточной биомассы бактерий-нитрификаторов. Поскольку скорость роста автотрофов значительно ниже чем, гетеротрофов, ведущих процесс разложения органических загрязнений, при осуществлении процесса нитрификации в одном сооружении с окислением органических загрязнений требуется увеличение продолжительности очистки или снижение органической нагрузки. Скорость прироста бактерий-нитрификаторов определяет минимальный возраст активного ила в аэротенке, ниже которого эти бактерии будут просто изыматься из аэротенка с избыточным активным илом.

На второй стадии Для удаления из воды окисленных форм азота - нитритов и нитратов, образующихся в результате нитрификации, осуществляется процесс денитрификации, сущность которого заключается в том, что гетеротрофные бактерии - денитрификаторы (Tluoresccus, Denitrificans, Pyacvaneum) в процессе своей жизнедеятельности для окисления органического вещества используют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота.

Бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов.

Реакции окисления азота аммонийного:

1) 2NH₄⁺ + 3O₂ = 2NO₂^- + 2H₂O + 4H⁺
2) 2NO₂^- + О₂ = 2NO₃^-

- Процесс биологической денитрификации проводится в анаэробных условиях в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. Органические вещества окисляются кислородом, который был извлечен из нитритов и нитратов.
- Окисляются в основном легко окисляемые вещества: углеводы, органические кислоты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать высокомолекулярные полимерные соединения.
- Максимальная интенсивность процесса достигается при рН 7.0-8.2. При значениях рН ниже 6,1 и выше 9,6 процесс полностью затормаживается. Повышение температуры интенсифицирует процесс.

Основные недостатки систем биологической очистки стоков:

1. Критичность к входным характеристикам (параметрам) стоков

2. Неспособность гибко реагировать:

- на изменения режимов сброса стоков;
- на изменения химического состава стоков;
- на природные колебания температуры;
- на кратковременные/длительные остановки производства.

3. Не чистит

- Антибиотики
- Гормональные препараты
- Фармпрепараты
- Сложноокисляемые органические соединения (продукты химических производств и их производные)

4. Не нейтрализует и не переводит в более низкий класс опасности большинство токсичных соединений

5. Сложность сохранения постоянного количества биомассы бактерий. Если их будет меньше нормы, сточные воды не очистятся полностью.

6. Необходимость строгого соблюдения технологического режима биологической очистки. При нарушениях эффективность метода значительно снижается.

7. Не все органические соединения подлежат переработке. Если в сточных водах есть токсические соединения, их нужно удалить, иначе биомасса погибнет. При ХПК свыше 700 мгО/л активный ил гибнет и биологические очистные сооружения перестают работать.

Примечание:

- 90% сточных вод нашего времени – это общесплавные ( смесь хозяйственно-бытовых и производственных)
- Бытовые и многие производственные сточные воды содержат значительное количество органических веществ, способных быстро загнивать и служить питательной средой, обусловливающей возможность массового развития различных микроорганизмов, в том числе патогенных бактерий;

Выводы:

1. В современных условиях (общесплавной характер стока) и при наличии в нем химических соединений, которых ранее не существовало, биологические очистные сооружения не выполняют задачи:

- Очистки сточных вод до требований СанПиН 2.1.5.980-00
- Обеспечения экологической безопасности
- Выполнение требований ст.1065 ГК РФ «Предупреждение причинения вреда»

2. Требуются технологии очистки сточных вод, соответствующие (адекватные) вызовам современности

Магнитно-кавитационная очистка

В качестве перспективного способа в последнее время рассматривается обработка хозбытовых и фекальных вод с применением гидродинамической обработки (Технология переработки сточных вод ЖКХ, агропромстоков и применение обеззараженной воды для орошения а их осадков в качестве удобрения).

Технология гидродинамической обработки воды и промышленных стоков представляет собой, так называемый, деструктивный метод, в основу которого, в отличие от регенеративных методов, удаляющих примеси из воды в твердую (адсорбция), газовую (десорбция) или водную жидкую (экстракция) фазы, положено внесение химических изменений в структуру и состав молекул примесей. Причем, наиболее действенным превращением является окисление веществ, которое также служит наиболее эффективным средством в отношении микроорганизмов, в том числе и патогенных.

Технический результат достигается применением окислительных технологий АОР (Advanced Oxidation Processes) – комплексное воздействие сильных окислителей – окисление озоном или перекисью водорода, а так же радикалами OH в условиях кавитации, совместно с обработкой ударными механическими воздействиями в рабочей зоне ГДР (гидродинамического реактора) с последующим механическим отделением образующегося осадка. Использованная технология обеспечивает отличные результаты при очистке сточной воды как хозяйственно-бытовой, так и промышленного и сельскохозяйственного стока.

В процессе многофакторной обработки суммарная эффективность воздействия на воду получается выше, чем при воздействии каждым из факторов в отдельности, т.е. проявляется синергетический эффект.

Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — физический процесс образования пузырьков (каверн, или пустот) в жидких средах, с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии, которое сопровождается шумом и гидравлическими ударами.

Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну. В своей основе кавитация имеет тот же механизм действия, что и ударная волна в воздухе, возникающая в момент преодоления твердым телом звукового барьера.

РЕАКТОР РОТОРНО ВИХРЕВОГО ТИПА (далее РРВТ) предназначен для ускорения физико-химических и механо-физических процессов при обработки сточных вод под воздействием бегущего электромагнитного поля высокой мощности на находящейся в рабочей зоне ферромагнитные частицы (иглы) на любые подаваемые в рабочую зону веществ (жидкие, газообразные, твердые и т.д.).

Устройство и принцип работы

Основным принципом работы РРВТ является воздействие бегущего электромагнитного поля высокой мощности и находящихся в рабочей зоне РРВТ ферромагнитных частиц («иголок») на любые обрабатываемые вещества - газообразные, жидкие или твердые. При этом обрабатываемые вещества изменяют свое строение на молекулярном уровне, а конечные продукты приобретают качественно новые свойства.

При этом не принципиально, какой сток обрабатывается.

Рабочей зоной РРВТ служит немагнитная труба, диаметром от 70 до 120 мм установленного в расточке индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле.

В рабочей зоне располагаются ферромагнитные частицы (иглы) которые под воздействием вращающего электромагнитного поля вращаются вокруг наименьшей своей оси со скоростью близкой к скорости вращения магнитного поля, и одновременно перемещаются по рабочей зоне.

Кроме того, каждый ферромагнит совершает колебания относительно вектора напряженности магнитного поля (эти колебания достигают нескольких тысяч периодов в секунду).

Таким образом РРВТ является своеобразным «электромагнитным миксером» совершающим вращение с угловой переменной скоростью, что приводит к быстрому диспергированию компонентов. Удельная (суммарная) энергия вращающегося поля достигает 10 кВт/м3.

При необходимости, на входе в обрабатываемую сточную воду подается необходимый реагент.

Схема РРВТ (Патент № 2720613) представлена на Рис. 10

Рис. 10 Схема РРВТ

1 - Корпус; 2 - Индуктор; 3 - Иголки; 4 - Сменная вставка; 5 - Рабочая зона (труба)

Физико-химические процессы:

- В жидкой среде каждая иголка является микро-электролизером, у которого полюса постоянно перемагничиваются (явление магнитострикции), непрерывная работа которой насыщает рабочую зону ионами различной полярности.
- Магнитострикция способна резко изменять скорости, и даже направление окислительно-восстановительных реакций.
- Вращение и соударение (около 100 раз в секунду) иголок вызывает ультразвуковую акустическую ударную волну силой около 150 тН/мм3, действующую на очень малом расстоянии (микроны).
- Возникающий синергетический магнитно-кавитационный эффект усиливает и увеличивает результат комплексного воздействия на жидкую среду в десятки, а порой и сотни раз (в зависимости от плотности, хим.состава и прочих характеристик среды).

При физико-химических процессах, происходящих в РРВТ, за счет резкого увеличения скорости протекания реакций, происходит снижение концентрации нитритов, нитратов, фосфатов и иных соединений.

Далее воды с реагентом направляется либо на систему ультрафильтрации, либо в емкость накопитель-отстойник.

Происходит разделение жидкости на техническую воду и шлам, которые можно использовать в дальнейшем.

Техническую (минерализированную) воду можно использовать для полива растений (огорода, газона и т.п.) Шлам используется как удобрение.

Сравнительная таблица работы предельных значений ПДК основных загрязнений сточных вод БОС и РРВТ

Области применения технологии РРВТ:

- Предприятия агропромышленного комплекса: животноводство, мясопереработка, птицеводство, растениеводство и другие;
- Жилищно-коммунальное хозяйство: стоки промышленных предприятий, стоки от хозяйственно-бытовой деятельности населения;
- Пищевые производства: хладокомбинаты, мясомолочная промышленность, масложировые производства, переработка рыбы и другие;
- Продуктовые розничные сети и пр.;

Преимущества Технологической линии с РРВТ

- Простота в эксплуатации оборудования полная автоматизация
- Незначительные занимаемые площади под оборудование (компактность);
- Снижение санитарной зон (с 500 до 50 м);
- Отсутствие иловых карт, лагун, полей фильтраций;
- Снижение затрат на СМР;

Качество обработки сточных вод ЖКХ и их осадков по содержанию токсичных элементов, микробиологическим и паразитологическим показателям соответствует требованиям ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 и СанПин2.1.7.573-96.

Общее (схематическое) описание и оборудование станции очистки (модуль) общесплавных сточных вод на основе РРВТ, производительностью 500 м3/сутки

Модульность данного типа станций очистки общесплавных сточных вод позволяет кассетно (кратно) увеличивать производительность очистных сооружений без остановки действующей линии.

Схема размещения оборудования модуля приведена на рис.11.