СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

MODERN METHODS OF WASTEWATER TREATMENT

Nikita Pugachev

Master’s student, Volgograd State Technical University Institute of Architecture and Construction,

Russia, Volgograd

Lidiya Khorzova

PhD, Associate Professor, Volgograd State Technical University Institute of Architecture and Construction,

Russia, Volgograd

АННОТАЦИЯ

В работе проанализированы актуальные подходы к очистке загрязненных вод, ориентированные на доведение содержания опасных компонентов до разрешенных показателей. Для достижения этой цели применяются как передовые технологии, так и проверенные временем методики и аппаратура. Работа охватывает физико-химические методы (фильтрация, осаждение, окисление) и биологические методы (биологическая очистка, активный ил), а также передовые технологии, и новейшие разработки. Рассмотрен экономический аспект влияния выбора способа очистки сточных вод.

ABSTRACT

The paper analyzes current approaches to cleaning polluted waters aimed at bringing the content of components to permitted levels. To achieve this goal, both advanced technologies and proven methods and equipment are used. The work is distinguished by physical and chemical methods (filtration, sedimentation, oxidation) and biological methods (biological treatment, activated sludge), as well as advanced technologies and the latest developments. The economic aspect of choosing the final wastewater treatment is considered.

Ключевые слова: очистка сточных вод, экология, методы очистки, инновации, экологически чистые технологии.

Keywords: wastewater treatment, ecology, treatment methods, innovations, environmentally friendly technologies.

Неочищенные сточные воды – одна из самых острых экологических проблем нашего времени. Сброс этих вод в водоемы, почву и атмосферу влечет за собой ряд отрицательных последствий, влияющих на экосистемы и здоровье человека. Вредные вещества в отходах могут загрязнять водные ресурсы, ухудшая состояние флоры и фауны, а также качество питьевой воды.

Основной компонент сточных вод – органика, которая при разложении поглощает кислород, необходимый водным организмам. Это снижает уровень кислорода в воде, вызывая гибель рыб и других водных существ, нарушая баланс экосистемы и приводя к исчезновению видов. Сточные воды содержат патогенные микроорганизмы, опасные для здоровья человека и животных, вызывая вспышки заболеваний, передающихся через воду.

В сточных водах также присутствуют тяжелые металлы, которые накапливаются в организмах водных обитателей и попадают в пищевую цепь, отравляя людей. Эти металлы могут вызывать различные заболевания, включая онкологию, и негативно влиять на развитие детей. Химические вещества, содержащиеся в сточных водах, также способны вызывать мутации и нарушения в репродуктивной системе водных организмов, влияя на их популяции и экосистемы. Загрязнение почвы сточными водами также ухудшает ее качество, снижая плодородие и негативно влияя на сельское хозяйство. При испарении загрязненных вод образуются токсичные пары, ухудшающие качество воздуха и вызывающие респираторные заболевания [6].

Здоровье как людей, так и животных, напрямую зависит от состояния окружающей среды.

В связи с этим, устранение загрязнения является одним из ключевых факторов поддержания здоровой экосистемы.

Предварительная обработка стоков посредством механических методов – ключевой этап водоочистки, нацеленный на извлечение нерастворимых компонентов и суспензий. Этот подход, основанный на физических принципах, таких как процеживание, седиментация и просеивание, применяется на различных стадиях очистки.

После фильтрации стоки направляются в отстойники, где взвешенные частицы оседают, образуя осадок, который удаляется. Легкие вещества, такие как жиры, всплывают и также удаляются. Это значительно уменьшает содержание твердых веществ.

Эффективность механической очистки воды зависит от размера частиц, скорости потока, оборудования, типа и степени загрязнения стоков [1].

Механические методы очистки вод эффективны в удалении крупных включений и мусора, а также наиболее грубодисперсных частиц минерального и органического происхождения. 

Показатели эффективности:

• Удаление взвешенных частиц. Механическая очистка позволяет убирать взвешенные частицы примерно на 50–60%.
• Удаление крупных частиц. Крупные частицы удаляются на 80–95%.

В среднем механический метод позволяет удалить до 60% примесей. Поэтому его относят к промежуточному этапу водоподготовки, после которого используют более эффективные системы фильтрации. Часто используется в комплексе с биологической очисткой, повышая эффективность до 95–99%.  [13].

Однако у механических методов есть и недостатки, среди которых:

• Неполное удаление загрязнений. Сооружения механической очистки направлены на удаление только крупногабаритного мусора и грубодисперсных минеральных и органических включений, не обеспечивая очистку от растворённых органических веществ и ионов.
• Необходимость регулярного обслуживания. Для поддержания эффективности механические системы требуют регулярной чистки и обслуживания.
• Утилизация отходов. Задерживаемый мусор и образующийся осадок требуют регулярной утилизации, что приводит к дополнительным затратам.

Механическая обработка облегчает последующие этапы биологической и химической очистки.

Чаще всего механическую очистку, комбинируют с другими методами.

Биологическая очистка вод считается одним из наиболее эффективных методов удаления загрязняющих веществ. Современные технологии позволяют избавиться от загрязнителей, включая азот, фосфор и органические соединения. В промышленных условиях биологическая очистка сточной воды избавляет от 98% загрязнений [14].

Биологический метод перерабатывает аммонийный азот, органические соединения, калий, фосфор, кальций, белки, жиры и углеводы. Микроорганизмы поглощают органические компоненты сточных вод и разрушают их, образуя углекислый газ, воду и биомассу. Биологическая очистка может быть аэробной (с кислородом) или анаэробной (без кислорода).

Однако у биологического метода есть и недостатки:

• Зависимость от условий. Процесс очистки может быть замедлен или прекращён, если не оптимальны температура, pH, наличие кислорода и питательных веществ.
• Длительность процесса. Биологическая очистка сточных вод может занимать длительное время, особенно если загрязнение воды высокое.
• Необходимость контроля. Для обеспечения оптимальных условий для микроорганизмов нужен постоянный контроль и регулирование процесса.
• Не все органические соединения подлежат переработке. Если в сточных водах есть токсические соединения, их нужно удалить, иначе биомасса погибнет.

В целом биологическая очистка — перспективное направление в области экотехнологий. 

Химические методы очистки воды считаются одними из самых эффективных и быстродействующих. Это связано с тем, что активные вещества переводят растворённые примеси в твёрдое нерастворимое состояние. В дальнейшем такие включения удалить намного проще, чем более мелкие частицы и взвеси [15].

Основной принцип химической очистки заключается в использовании реагентов, которые реагируют с загрязнителями, нейтрализуя или осаждая их.

Данный метод эффективно удаляет разнообразные загрязнения, включая тяжелые металлы, органические соединения и болезнетворные микроорганизмы. В отличие от биологических методов, зависящих от микроорганизмов, химическая очистка дает более оперативные результаты и применяется там, где биологические процессы неэффективны [7].

Преимущества химической очистки воды:

• Нейтрализация неорганических примесей. Вода при обработке реагентами проходит через нейтрализацию соединений, растворённых в ней, обесцвечивание и обеззараживание. 
• Обезвреживание токсичных веществ. Например, метод подходит для обезвреживания цианидов, комплексов меди и цинка, сульфидов и сероводорода.
• Удаление опасных частиц. Химическая очистка эффективно борется с мышьяком, ртутью, хромом и другими опасными для жизни частицами.

Однако у химического способа очистки воды есть и недостатки: высокие затраты, связанные с энергопотреблением систем и с тем, что используемые реактивы стоят довольно дорого. Кроме того, химическая очистка воды не является универсальным и санитарно надёжным методом водоподготовки [16].

Важно помнить, что химические методы очистки воды должны быть реализованы под строгим контролем экспертов по водоподготовке. Они применяются в основном на промышленных предприятиях Работать с реагентами в домашних условиях без соответствующих знаний, опыта и оборудования крайне опасно. 

В современной очистке сточных вод все большее распространение получают мембранные методы, основанные на использовании полупроницаемых мембран для разделения компонентов. Эти методы применяются в водоподготовке, очистке стоков и переработке промышленных отходов. Суть заключается в селективном прохождении молекул через мембрану, что позволяет удалять загрязняющие элементы, такие как соли, органика и микроорганизмы.

Существуют различные виды мембран, различающиеся по размеру пор и механизму действия: микро-, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Они отличаются по величине задерживаемых частиц, от бактерий и коллоидов до солей и органических соединений. Мембранные технологии отличаются высокой производительностью, универсальностью и компактностью по сравнению с биологическими или химическими методами очистки.

Однако они имеют недостатки, такие как засорение мембран, что снижает эффективность и увеличивает затраты. Разрабатываются методы предобработки для снижения нагрузки на мембраны. Также, высокая стоимость оборудования и эксплуатации ограничивает их применение [3].

Несмотря на это, мембранные технологии становятся все более востребованными, современные материалы позволяют улучшить характеристики мембран, повышая эффективность очистки и снижая затраты.

Фитоочистка, или фитотехнология технология, представляет собой еще один современный метод очистки сточных вод с использованием растений. Этот подход использует способность некоторых видов растений поглощать, трансформировать и накапливать загрязняющие вещества из воды, что делает его эффективным и экологически чистым способом решения проблемы очистки сточных вод.

Фитоочистка востребована из-за повышения требований к качеству воды и ужесточения экологических норм. Традиционные методы очистки часто неэффективны или затратны в условиях растущего загрязнения водных ресурсов. Фитоочистка имеет преимущества: низкие операционные расходы, отсутствие сложного оборудования и интеграция в экосистемы.

Процесс фитоочистки состоит из нескольких этапов. Сначала сточные воды поступают в специальные сооружения, где находятся растения, обладающие способностью очищать воду. Чаще всего используются такие виды, как камыш, рогоз, осока и некоторые водные растения, такие как ряска и эйхорния. Эти растения обладают высокой способностью поглощать питательные вещества, такие как азот и фосфор, а также тяжелые металлы и органические загрязнители [4].

В последнее время электрохимическая очистка становится заметным и инновационным методом очистки. Это современный и эффективный способ очистки сточных вод, основанный на использовании электричества для удаления загрязнений. В его основе лежат электрохимические процессы, в которых электрический ток, проходящий через сточные воды, вызывает реакции, разрушающие или осаждающие загрязняющие элементы. Этот метод становится все более популярным благодаря своей высокой эффективности и универсальности в отношении различных типов загрязнений.

Электрохимическая обработка результативно избавляет от тяжелых металлов, органики и ядовитых субстанций. Под действием электричества запускаются реакции окисления-восстановления, преобразующие растворённые загрязнители в менее опасные соединения или полностью удаляющие их. Это критически значимо для промышленных отходов с высоким содержанием опасных элементов.

В отличие от общепринятых способов, электрохимические технологии сводят к минимуму объем образующегося осадка, тем самым уменьшая расходы на его обработку и захоронение.

Данный метод легко встраивается в имеющиеся очистные комплексы и может применяться как в стационарных, так и в передвижных установках. В аграрном секторе он подходит для очистки дренажных вод, а в промышленности – для жидкостей, насыщенных химическими веществами.

Результативность метода определяется составом сточных вод, и, к сожалению, не все виды загрязнений поддаются электрохимическому удалению. Затраты на аппаратуру и электроэнергию также могут быть ощутимым фактором.

Совершенствование электродных материалов в совокупности с оптимизацией технологических процессов способно увеличить продуктивность очистки и снизить потребление энергии[5].

Анализ экономической рентабельности критически важен при принятии решений в самых разных сферах, включая бизнес, государственное управление и экологические инициативы. Он подразумевает изучение баланса между затратами и прибылью, связанными с реализацией проекта, и позволяет судить об обоснованности инвестиций.

В условиях дефицита ресурсов и жесткой конкуренции за финансирование, понимание экономической целесообразности особенно значимо. Например, при создании передовых способов очистки сточных вод важно учитывать не только первоначальные расходы на технику и технологии, но и долговременные преимущества, такие как уменьшение текущих расходов, снижение выплат за загрязнение и улучшение здоровья граждан [8].

Инвестиции в экологически безопасные технологии могут привести к существенным экономическим преимуществам, включая новые рабочие места и развитие новых секторов экономики[9].

При оценке экономической целесообразности необходимо учитывать как прямые финансовые показатели, так и косвенные выгоды. Улучшение качества воды в реках и водоемах может повысить привлекательность региона для туристов, что, в свою очередь, активизирует местную экономику[10].

Кроме того, чистая вода и здоровая экосистема способствуют улучшению здоровья населения, что может уменьшить расходы на медицинское обслуживание и повысить продуктивность работы.

Список литературы:

1. Буркова С. А. Современные методы очистки сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий / С. А. Буркова , И. А. Шаньязов // Вестник науки. –  2021. –  №6 (39). –  С. 169-172.
2. Новикова А. Е. Современные методы очистки воды / А. Е. Новикова, К. С. Руина // Вестник науки. – 2021. – №1 (34). – С. 146-149.
3. Лопаева Н. Л. Современные технологии очистки сточных вод / Н. Л. Лопаева // АОН. – 2021. – №3. – С. 6.
4. Ружицкая О. А.  Анализ современных технологий глубокой очистки сточных вод с целью внедрения на городские очистные сооружения / О А. Ружицкая, А В. Жолобова, В С. Липатов // Системные технологии. – 2023. – №1 (46). – С. 112-119.
5. Захарова А. Г. Роль микроорганизмов и современный метод очистки сточных вод / А. Г. Захарова // Вестник науки. – 2024. – №12 (81). – С. 1684-1690.
6. Короткоручко Д. Ю. Современные методы очистки сточных вод / Д. Ю. Короткоручко // Вестник науки и образования. – 2021. – №17 (120). – C. 11-16.
7. Ружицкая О. А. Опыт очистки сточных вод в гальваническом производстве: современные технологии и реальные кейсы / О. А. Ружицкая, А. А. Словцов, А. С. Поплавская // Инновации и инвестиции. – 2024. – №1. – С. 358-363.
8. Дмитриева Т. В. Виды осадков и современные способы очистки воды / Т. В. Дмитриева // Вектор ГеоНаук. – 2018. – №4. – С. 42-47.
9. Измайлова А. Р., Рустамова А. И. Технологии обезвреживания сточных вод гальванического производства / А. Р. Измайлова, А. И. Рустамова // E-Scio. –2020. – №4 (43). – С. 516-519.
10. Пашкевич М. А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие: новые подходы к очистке сточных вод / М. А. Пашкевич, А. С. Данилов, В. А. Матвеева // Записки Горного института. – 2024. – №267. – С. 341-342
11. Механическая очистка сточных вод кратко https://megavtogal.com/pereskazy1/mehanicheskaya-ochistka-stochnyh-vod-kratko.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F (дата обращения: 26.03.2025)
12. Биологические методы очистки сточных вод: преимущества и недостатки https://acs-nnov.ru/preimushhestva-i-nedostatki-biologicheskih-metodov.html (дата обращения: 27.03.2025)
13. Химические способы очистки воды: в чем их преимущества? https://altair-aqua.ru/blog/vodopodgotovka/himicheskie-sposoby-ochistki-vody-v-chem-ih-preimushchestva/ (дата обращения: 26.03.2025)
14. Химические способы очистки воды: в чем их преимущества? https://www.bwt.ru/useful-info/khimicheskie-sposoby-ochistki-vody-v-chem-ikh-preimushchestva/ (дата обращения: 26.03.2025)
15. Как сегодня очищают воду? Обзор инновационных технологий и мировой опыт https://www.c-o-k.ru/articles/kak-segodnya-ochischayut-vodu-obzor-innovacionnyh-tehnologiy-i-mirovoy-opyt (дата обращения: 27.03.2025)