Комбинированный способ очистки и обеззараживания сточных вод

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 628.162.1.004.68:691

Ю.С. САРКИСОВ, докт. техн. наук, профессор,

Б.П. ЛАШКИВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент,

Н.П. ГОРЛЕНКО, канд. хим. наук, доцент,

А. Ф. РЕХТИН, доцент,

Е.П. ЛАШКИВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент,

ТГАСУ, Томск

КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД

В работе рассматриваются аспекты очистки и обеззараживания сточных вод различными физическими и химическими методами. Приводятся их сравнительные характеристики по эффективности достигаемого положительного эффекта. Показано, что наиболее целесообразно применять комбинированные методы очистки и обеззараживания сточных вод, а именно вещественно-полевые способы.

Введение в 2001 г. более жестких требований к качеству очистки и особенно обеззараживания сточных вод стимулировало поиск новых эффективных способов обработки воды и развития систем водоснабжения и водоотведения.

Анализ существующих методов обеззараживания воды показал, что наибольшее распространение в настоящее время получили способы обработки воды химически активными реагентами либо воздействием на нее УФ-облу-чением. От озонирования, несмотря на высокую эффективность обеззараживания, повсеместно стали отказываться из-за отсутствия, прежде всего, установок и устройств, генерирующих озон, не оказывающих негативного воздействия на здоровье присутствующего персонала, на развитие растений и животных прилегающих территорий. Кроме того, озон вызывает активную коррозию оборудования и трубопроводов, а значит, необходимо использование инженерных коммуникаций из дорогостоящих нержавеющих материалов.

На станциях очистки сточных вод при использовании озона в качестве технологической схемы обработки достигается высокий бактерицидный и ви-рулицидный эффект. Однако, несмотря на то, что озон является мощным дезинфицирующим агентом, использование его на конечной стадии очистки сточной жидкости не исключает риск вторичного загрязнения воды микроорганизмами. Остаточная концентрация озона исчезает быстро, по мере воз© Ю.С. Саркисов, Б.П. Лашкивский, Н.П. Горленко, А.Ф. Рехтин,

Е.П. Лашкивский, 2007

растания рН и температуры: при рН = 7,6 и ( = 20 °С озон в количестве 0,4 мг/л разлагается менее чем через 1 ч. На возрождение бактериальной активности в озонированных водах оказывает влияние несколько факторов, в частности температура, состояние сети, состав сточных вод и т.д.

В связи с вышеизложенным в целях предотвращения дестабилизации процесса обеззараживания целесообразно применение наряду с озонированием дополнительного обеззараживания воды реагентами, обладающими большей, чем озон, стабильностью, а именно: хлором или диоксидом хлора. Обычно хлор используется тогда, когда сточные воды, подлежащие очистке, содержат трудноокисляемые вещества и аммонийный азот. В иных случаях повторная дезинфекция производится диоксидом хлора. Однако озон быстро разлагает оксид хлора, образуя С102- и затем С103", что заставляет вводить дезинфектант после полного исчезновения следов озона. Такое мероприятие сопряжено с высокой стоимостью процесса озонирования - это вызывает необходимость применения более эффективных методов обеззараживания, обладающих высоким биоцидным действием. Наиболее перспективным методом обеззараживания сточных вод является УФ-облучение, исключающее образование побочных продуктов, негативно влияющих на окружающую природную среду и здоровье человека, а также исключающее влияние на процесс обеззараживания величины рН и температуры сточной жидкости.

Основной задачей при выборе УФ-облучения было повышение барьерной роли очистных сооружений в отношении устойчивых к хлорированию микроорганизмов. Это обусловлено тем, что влияние ультрафиолетового излучения происходит за счет фотохимических процессов внутри микроорганизмов, и поэтому даже при резком изменении физико-химических параметров обрабатываемой воды эффективность обеззараживания остается стабильно высокой. УФ-облучение не ухудшает органолептических показателей воды. В обрабатываемой воде не обнаруживаются мутагенные и токсичные соединения. Температура воды и колебания рН среды практически не влияют на эффект обеззараживания воды ультрафиолетом.

Наибольшим антимикробным действием обладает УФ-излучение с длиной волны 250-260 нм, при котором происходят необратимые повреждения молекул ДНК микроорганизмов. При УФ-излучении в сточной воде реализуется ряд радикальных реакций, в которые вовлекаются не только легко-, но и трудноокисляемые вещества, что способствует дополнительной очистке сточных вод.

Аппаратурно-технологическое оформление процесса УФ-облучения следует считать более простым, чем при реагентной обработке (не требуется реагентного хозяйства, расходного склада), что в некоторых случаях приводит к экономическим выгодам по сравнению с хлорированием. Как при поверхностном, так и при погружном расположении УФ-излучателей необходимая экспозиция составляет: для биологически очищенных сточных вод -15 мин., а для глубокоочищенных (нитри-, денитрификация, БПКполн. - 6 мг/л, взвеси - 5 мг/л) - 5 мин.

Для аппаратов с высокотурбулентным перемешиванием и с погружными источниками УФ-излучения, помимо увеличения дезинфицирующего эф-

фекта, турбулентно двигающийся поток воды препятствует быстрому зарастанию биопленкой кварцевых чехлов бактерицидных ламп.

Несмотря на указанные преимущества, применение этого метода ограничено производительностью выпускаемых аппаратов, которая, как правило, не превышает 1000 м3/ч. УФ-обеззараживание целесообразно применять на станциях до 200-250 тыс. м3/сут. Энергоемкость данного метода составляет 0,02-0,05 кВт-ч/м3, что вполне сравнимо с энергоемкостью процесса хлорирования [1].

Комбинированная обработка воды хлорсодержащим реагентом и УФ-облу-чением не приводит к образованию новых веществ, опасных для окружающей среды. Но при расчете дозы облучения должны учитываться коэффициент пропускания воды, который, в свою очередь, зависит от качества и расхода воды, времени наработки ламп и их количества, концентрации гипохлорита натрия или другого хлорирующего реагента. Совершенствование систем очистки позволяет в значительной мере снизить бактерицидную загрязненность и повысить качество воды. Однако отказаться от хлорирования воды полностью невозможно, так как хлор является дезинфекантом пролонгирующего действия. В то же время применение хлорсодержащих реагентов требует соблюдения правил безопасности при эксплуатации хлораторных установок, а также при транспортировке реагентов к очистным сооружениям. Применение больших объемов хлорреагентов нежелательно, особенно вблизи урбанизированных территорий. Наименее токсичным и безопасным из них является гипохлорит натрия. Использование современных дозирующих устройств гипохлорита натрия позволяет обеспечить надежность данного метода обеззараживания. Обработка воды гипохлоритом натрия в отличие от других хлорирующих реагентов обусловлена также и сведенной практически к нулю опасностью террористических актов в случае его применения.

Таким образом, комбинированное использование УФ-облучения и обработки воды гипохлоритом натрия имеет неоспоримое преимущество по сравнению с другими известными методами [2].

Дальнейшее совершенствование этих методов связывают с их сочетанием с магнитной обработкой воды. Многочисленными исследованиями установлено [3-5], что обработка воды постоянным магнитным полем приводит к интенсификации физико-химических процессов. К ним относятся: адсорбция, ионный обмен, массобмен частиц, повышение растворяющей способности воды, увеличение подвижности ионов и др. Показано, что диэлектрическая проницаемость воды возрастает на 1-3 единицы. рН увеличивается на 1-2 ед., окислительно-восстановительный потенциал на 30-49 %. Растворимость тяжелых металлов, таких как железо, хром, никель, повышается в 1,4 раза, а скорость образования осадков увеличивается в 2-3 раза. Магнитное поле способствует и обеззараживанию воды, так как устойчивость микроорганизмов в асимметричном градиентном магнитном поле резко снижается. Достоинства этого метода заключаются в следующем:

- высокая технологичность, экономичность и экологическая безопасность;

- не требуется специального технического обслуживания;

- отсутствие побочных эффектов образования новых устойчивых продуктов реакции;

- хорошая совместимость с другими методами обеззараживания и осаждения тяжелых металлов;

- долговечность работы магнитных активаторов (величина магнитной индукции постоянных магнитов не изменяется в течение 10-15 лет).

Недостатки метода состоят в резком снижении эффекта магнитной обработки в условиях высоких температур (выше 80 °С) и зависимости от колебаний количественного и качественного состава воды.

Проведенный нами анализ существующих методов обеззараживания сточных вод показал, что наиболее эффективным, экономически целесообразным и экологически безопасным следует считать применение комбинированного метода очистки, включающего биоочистку, обеззараживание водным раствором гипохлорита натрия, использование ультрафиолетового излучения и постоянного магнитного поля. Отличительной особенностью биологических сорбентов является их способность к самовосстановлению и самоочищению.

Химизм воздействия гипохлорита натрия состоит в следующем. Вначале данный реагент подвергается в воде гидролизу с образованием гидроксида натрия и хлорноватистой кислоты:

№СЮ + Н20 = НС1О + №0Н.

Хроноватистая кислота является сильным окислителем, так как содержит в своем составе активный хлор. Она вносит основной вклад в процесс обеззараживания волы. Кроме того, в ее присутствии интенсифицируется переход ионов двухвалентного железа, а также других тяжелых металлов в более высокую степень окисления, а следовательно, способствует более эффективному их осаждению. Эта кислота слабо диссоциирует на ионы, а гидроксид натрия полностью распадается на ионы с образованием свободных ОН-ионов. Помимо образования комплексных соединений, в растворе возможно протекание следующих реакций:

4Бе2+ + 3О2 + 6Н2О = 4Ре(0Н)3|;

Бе3+ + 30Н- = Бе(0Н)3|;

№2+ + 2ОН- = №(0НЫ;

Сг3+ + 3ОН- =Сг(0Н)3|.

В результате протекания химических реакций образуются соответствующие гидрооксиды тяжелых металлов (Бе3+, N12+, Сг3+), которые постепенно выпадают в осадок и подвергаются дальнейшей утилизации. Произведения растворимости (ПР) указанных химических соединений соответствуют следующим значениям: 3,8-10-18; 8,3-10-18; 6,3-10-31.

Низкие значения ПР, как показывают расчеты для чистых водных растворов, уже при рН, близкой к нейтральной среде, концентрация свободных ионов тяжелых металлов в сточной воде не должна превышать уровень ПДК. В сточных водах эти значения могут различаться на несколько логарифмических единиц в зависимости от физико-химического состава сточной воды.

Так, при рН = 6-8 расчетная концентрация ионов металлов в чистой воде представлена в таблице.

Расчетные концентрации ионов тяжелых металлов в воде в зависимости от рН среды

Значения рН Концентрация ионов металлов, г/л

Сг3+ Ре3+ №2+ Си 2+

рН - 6 0,14-10-9 5,0-10-8 4,4-10-6 6,1-10-7

рН = 7 0,25-10-9 2,8-10-8 2,0-10-6 2,8-10-7

рН = 8 0,44-10-9 1,6-10-8 0,9-10-6 1,3-10-7'

Действие УФ-излучения приводит не только к обеззараживанию раствора, но и к эффективному разрушению органических комплексных соединений и дополнительному образованию свободных гидроксидных групп, согласно протеканию фотохимической реакции по схеме:

пН,О + Ьу ^ пОН.

Следует отметить, что если ионы тяжелых металлов образуют комплексные соединения с органическими компонентами раствора, то их удаление возможно только при использовании энергоемких процессов, таких, например, как термическое разложение. Именно по этой причине целесообразно использование УФ-излучения. Магнитное поле, как указано выше, также способствует процессу увеличения концентрации ОН- ионов. Повышение щелочности воды стимулирует коллоидно-химические процессы очистки воды от органических соединений.

Совместная обработка сточных вод гипохлоритом натрия, УФ-облу-чением и градиентным магнитным полем позволяет значительно повысить эффективность обеззараживания воды. Но не менее важным является благотворное влияние постоянного магнитного поля на все технологические процессы очистки воды, на эффективность удаления нефтепродуктов, на скорость осаждения соединений тяжелых металлов, на характер обезжелезивания воды, на количество удержания взвешенных частиц.

Рациональный учет перечисленных технологических факторов с физико-химическими методами обработки воды позволяет в единой технологической схеме обеспечить эффективность очистки и обеззараживания сточных вод. А организация мероприятий по сбросу и утилизации отходов водоочистки сточных вод и разработке технологий их вторичного использования в производстве, например, строительных материалов, керамики, загрузки фильтров и т.д. стимулирует создание замкнутых технологий очистки сточных вод, удовлетворяющих принципам «зеленой» химии и концепции устойчивого развития [6, 7].

Таким образом, предлагаемый комбинированный способ обработки сточной воды является наиболее эффективными, простым в исполнении, не требующим больших финансовых затрат на внедрение и может быть рекомендован для применения в технологических схемах очистки сточных вод.

Библиографический список

1. Костюченко, С.В. Ультрафиолетовое облучение - современный метод обеззараживания воды / С.В. Костюченко // Водоснабжение и санитарная техника. - 2005. - № 12. -Ч. 1. - С. 21-22.

2. Костюченко, С.В. Применение УФ-обеззараживания на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» / С.В. Костюченко, С.В. Волков, С.Г. Зайцева // Там же. - С. 23-27.

3. Мокроусов, Г.М, Физико-химические процессы в магнитном поле / Г.М. Мокроусов, Н.П. Горленко. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1988. - 128 с.

4. Информационные взаимодействия в неживой и живой природе / Б.И. Лаптев, Н.П. Горленко, Г.Н. Сидоренко [и др.]. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1999. - 108 с.

5. Delovanju informacij na zive in nezive sisteme, Mis / B.I. Laptev, G.N. Sidorenko, V.T. Ska-tov. - 2007. - 194 p.

6. Актуальные проблемы экологии и природопользование Сибири в глобальном контексте: сборник статей. В 2 ч. / под. ред. С.Н. Кирпотина. - Томск : Изд-во НТЛ, 2005. - 152 с.

7. СанПиН 2.1.5.980-2000. Гигиенические требования к охране поверхностных вод.

Yu.S. SARKISOV, B.P. LASHKIVSKY, N.P. GORLENKO, A.F. RECHTIN, E.P. LASHKIVSKY

COMBINED WAY OF SEWAGE PURIFICATION AND DISINFECTION

Some aspects of sewage purification and disinfection by physical and chemical methods are considered in the paper. Their comparative characteristics on the achieved positive effectiveness are given. It was shown that the most rational way is the use of combined methods of sewage purification and disinfection, namely material-field ways.