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

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 504

ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ В XX - НАЧАЛЕ XXI в.

© 2016 С.В. Измайлова, А.В.Васильев

Самарский государственный технический университет

Статья поступила в редакцию 15.12.2015

Рассмотрены основные аспекты развития экологической науки в ХХ-начале XXI в. на примере очистки сточных вод как в России, так и в зарубежных странах. Ключевые слова: сточные воды, очистка, этапы.

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

Измайлова Светлана Васильевна, аспирантка кафедры «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: sveta-1483@mail.ru

Васильев Андрей Витальевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: vasilyev. av@samgtu. ru

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 механико-химические 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-ХХ1 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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев М.И. Очистка сточных вод [под ред. Ф.В.

Кармазинова].СПб.: Новый журнал, 2013. 496 с.

2. Ботук Б.О. Очистка бытовых сточных вод [под

ред. И.В. Бородина]. 2-е изд. Москва: МКХ РСФСР, 1949. 304 с.

3. Васильев А.В. Комплексный экологический мониторинг как фактор обеспечения экологической безопасности // Академический журнал Западной Сибири. 2014. Т. 10. № 2. С. 23.

4. Васильев А.В., Гусарова Д.В. Биотестирование степени токсичности смазочно-охлаждающих жидкостей и анализ основных методов снижения их негативного воздействия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 3-1. С. 542-545.

5. Общие подходы к биоиндексационной оценке водных экосистем по степени токсичности / А.В. Васильев, В.В. Заболотских, Ю.П. Терещенко, В.А. Васильев // В сборнике: ЕЬРП,-2013. Экология и безопасность жизнедеятельности промышлен-но-транспортных комплексов: сборник трудов IV Международного экологического конгресса (VI Международной научно-технической конференции). Научный редактор: А.В. Васильев. 2013. Т. 4. С. 55-61.

6. ВороновЮ.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод [под ред. Ю.В. Воронова]. 4-е изд. М.: МГСУ, 2006. 697 с.

7. Иванов В. Ф. Очистка городских сточных вод [ под ред. Я.М. Слуцкого]. 2-е изд. Одесса: ОНТУ ВСНХ УССР, 1929. 508 с.

8. Карелин Я.А. Очистка производственных сточных вод предприятий нефтяной промышленности [ под ред. В.В. Абрамова]. 1-е изд. Москва: ГНТИ НГТЛ, 1953. 298 с.

9. Карманов А.П., Полина И.Н. Технология очистки сточных вод: учебное пособие : самост. учеб. электрон. изд. Сыкт.лесн. ин-т. Электрон. дан. -Сыктывкар: СЛИ, 2015. 207 с.

10. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Левченко и др. М.: Химия, 1983. 288 с.

11. Очистка нефтезагрязненных сточных вод с использованием доломитовой муки / М.А. Николаева, А.В. Васильев, А. А. Пименов, П.Е. Красников, В.Ю. Пивсаев // В книге: XIV Всероссийская конференция-школа «Химия и инженерная экология». Сборник докладов. 2014. С. 20-22.

12. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер, Б.Н. Репин. М.: Высшая школа, 1994. 332 с.

13. Перегудов Д.Н., Васильев А.В. Биодиагностика воздействия промышленности на биоту // В сборнике: Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды. Материалы XIII Международной научно-практической конференции " Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики": Тольятти, 21-24 апреля 2016 г. В 5 томах. Т. 2. С. 188191.

14. Стахов Е.А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов [под ред. С.К. Васильева]. Л.: Недра, 1983. 263 с.

15. Очистка промышленных сточных вод: сборник [общ. ред. А.И. Жукова]. М., 1960. 290 с.

16. Очистка промышленных сточных вод: сборник [общ. ред. С.В. Яковлева]. М., 1959. 106 с.

17. Данилович Д.А. Энергоресурсный подход к очистке сточных вод и обработке осадка // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоот-ведения. 2014. № 3. С. 16-23.

18. Vasilyev A.V. Method and approaches to the estimation of ecological risks of urban territories // Safety of Technogenic Environment. 2014. № 6. Pp. 43-46.

MAIN ISSUES OF DEVELOPMENT OF ECOLOGICAL SCIENCE IN XX - BEGINNING OF XXI CENTURY

© 2016 S.V. Izmailova, A.V. Vasilyev

Samara State Technical University, Samara

Main issues of development of ecological science in XX - beginning of XXI century are considered on the example of waste water purification as in Russia as in Foreign countries. Keywords: waste waters, purification, stages.

Svetlana Izmailova, Postgraduate Student of the of Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: sveta-1483@mail.ru

Andrey Vasilyev, Doctor of Technical Science, Professor, Head at the of Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: vasilyev.av@samgtu.ru