УДК 504

Использование современных аналитических методов для решения проблем фильтрации сточных вод

 

Алимпиев Глеб Павлович – студент-бакалавр факультета информационных технологий Московского Политехнического Университета.

Махов Сергей Михайлович – аспирант факультета пищевых технологий и биоинженерии Московского государственного университета технологий и управления имени К. Г. Разумовского.

Аннотация: Учитывая, что вода является основным растворителем в живых организмах, а также в быту и промышленных деятельностях, ее необходимо обрабатывать как можно более тщательно после многократного использования для получения безопасного качества воды. В данной статье описываются и оцениваются некоторые современные методы биотехнологии, используемые в очистке сточных вод. Рассматриваются проблемы, которые могут возникать при сбросе сточных вод в поверхностные водоемы. Представлены современные методы очистки сточных вод: механические, химические, биологические, физико-химические и комбинированные. Описывается эффективность биологической очистки сточных вод с использованием биоинженерных сооружений.

Ключевые слова: очистка сточных вод, методы обеззараживания, очистные сооружения, ультрафильтрация, сонохимия, окисление влажным воздухом.

Наш мир развивается быстрыми темпами, и этот прогресс означает огромную нагрузку на природные ресурсы. Одной из основных общих проблем является образование огромного количества сточных вод [1]. Существуют несколько основных источников загрязнения воды: домашние сточные воды, сельскохозяйственные сточные воды, промышленные сточные воды и поверхностные стоки воды [2]. Загрязнение рек, морей и океанов сточными водами приводит к исчезновению разнообразной флоры и фауны водных систем и косвенно влияет на здоровье человека из-за биомагнификации (накопления токсических веществ в пищевой цепи) [1]. Решение проблемы улучшения качества поверхностных стоков во многом зависит от наличия высокоэффективных очистных сооружений на предприятиях и используемых методов очистки сточных вод.

Вода является источником всей жизни и жизненно важным ресурсом для всего человечества, так как каждый человек состоит в среднем из 65-70% воды. Для окружающей среды вода остается объектом превосходства, без которого невозможна ни одна жизнь [1]. После использования вода считается отходами из-за присутствия различных загрязнителей, которые влияют на ее качество. К таким загрязнителям относятся тепло, осадки, неорганические химические вещества, органические соединения, радиоактивные вещества и мертвые органические вещества; следует отметить, что большая часть загрязнений в наших сточных водах органическая [2]. Реки способны в некоторой степени поглощать и разлагать эти органические загрязнители благодаря самоочищающемуся процессу. Несмотря на то, что природа способна к самоочищению, количество органического вещества, которое мы производим, превышает способность водотока к самоочищению [3]. Согласно ВОЗ, около 30% всех заболеваний и 40% смертей по всему миру вызываются загрязненной водой [4]. Поэтому важно разрабатывать технологии, способные очищать сточные воды для повторного использования без ущерба для экосистемы.

Биотехнология находит широкое применение во многих отраслях, таких как очистка окружающей среды, пищевая промышленность и горнодобывающий сектор [5]. В отличие от традиционного физико-химического метода очистки сточных вод, который в основном использует химические вещества, биотехнологические методы заключаются в использовании микроорганизмов, таких как водоросли, грибы, бактерии или их части, взаимодействующих с и удаляющих нежелательные вещества из сточных вод [6–7].

Согласно некоторым исследованиям, процессы биологической очистки сточных вод можно разделить на три основных системы: биоремедиацию, фиторемедиацию и микоремедиацию. Микоремедиация, считается эффективным методом борьбы с постоянно возрастающей проблемой загрязнения воды, использует пищеварительные ферменты грибов или их производные для разложения загрязнителей, таких как тяжелые металлы, пестициды и углеводороды, и удаления загрязнителей из воды [8]. Фиторемедиация, с другой стороны, использует растения и некоторые микроорганизмы в ризосфере для помощи в восстановлении загрязненной воды [9]. Первый метод (микробиологическая биоремедиация) основан на аэробной и анаэробной обработке микроорганизмами, такими как окислительные пруды, аэрационные и анаэрационные пруды, аэробные и анаэробные биореакторы, активный и пьянящий фильтры, вращающиеся биологические контакторы итд [4]. Кроме того, широкое распространение получили биостимуляция (которая предполагает использование комбинации местных микроорганизмов и модификаций окружающей среды, например, добавление минеральных питательных веществ для повышения обмена веществ с загрязнителями микроорганизмами) и биоаугментация (где в загрязненную зону добавляются дополнительные культуры микроорганизмов с определенными способностями к уменьшению загрязнителей) [4].

Помимо традиционного метода очистки сточных вод путем отстаивания и доочистки на фильтрах (рис. 1), пользующегося популярностью по сей день, существуют альтернативные, более современные методы очистки и доочистки сточных вод, имеющие ряд преимуществ перед классическим методом. Такими методами являются мембранные технологии и применение фильтров с прикреплённой биомассой.

Одним из самых высокоэффективных современных методов очистки сточных вод является метод с применением технологии мембранного биологического реактора.

Рисунок 1. Традиционная схема очистки с применением активного ила

Данный метод предполагает возвращение очищенных сточных вод к гидрологическому циклу с применением мембранного модуля, предназначенного для разделения иловой смеси, который является его основным отличием от классического метода очистки с применением активного ила. Схему очистки с применением мембранного биореактора приведена на рис. 2.

В настоящее время существует множество технологических решений в области обработки поверхностных вод методом ультрафильтрации.

Наиболее привлекательным вариантом использования ультрафильтрации является обработка воды непосредственно из поверхностных и подземных источников без применения дополнительных ступеней очистки.

Наиболее перспективной схемой для получения воды высокого качества из солесодержащих сточных вод является комбинация коагуляции и ультрафильтрации (рис. 4).

Рисунок 4. Схема ультрафильтрационной очистки

Процесс фильтрации происходит с помощью самовсасывающего насоса под действием вакуума, который создается внутри половолоконной мембраны. Через поверхность мембран фильтруется смесь сточных вод и активного ила снаружи вовнутрь [1].

После фильтрации вода поступает по напорным трубопроводам для обеззараживания, в то время как в мембранном резервуаре остается активный ил, поддерживающийся с помощью аэратора, встроенного в мембранный модуль во взвешенном состоянии.

Мембранные установки просты в эксплуатации и обслуживании, могут использоваться для городских и промышленных сточных вод.

Рисунок 5. Схема мембранного биореактора

1 - реактор, 2 - аэратор, 3 - половолоконные мембраны, 4 - воздух, 5 - очищенная вода, 6, 9 - насосы, 7 - манометр, 8 – фильтрат

В качестве эффективной технологии очистки воды, можно отдельно выделить химические методы, которые могут быстро окислять и полностью разлагать органические загрязнители. Среди различных химических методов усовершенствованный процесс окисления («Advanced oxidation processes» - АОР) по праву считается лучшим методом очистки органических сточных вод. Высокая эффективность минерализации, быстрая скорость реакции окисления и отсутствие вторичных продуктов загрязнения являются преимуществами АОР. использованы для очистки сточных вод от загрязнителей.

Фотокатализ основан на инициировании окислительно-восстановительного процессов в присутствии света. Как правило, полупроводники используются в качестве катализаторов в фотокаталитических процессах при разложении органических загрязнителей на CO2 и H2O. Когда фотоны с определенной энергией поглощаются полупроводниковым катализатором, происходит генерация электронов и дырок (e- и h+) с восстановительной и окислительной способностями, соответственно. Сразу после этого образовавшиеся e-/h+ будут мигрировать на поверхность катализатора, и часть их будет участвовать непосредственно в процессе деградации загрязняющего вещества, а другая часть будет образовывать активные радикалы (например, ·OH, O2-), которые затем вступят

в реакции. Однако в процессе переноса часть фотогенерированных электронов

рекомбинирует с дырками и, таким образом снижая квантовую эффективность.

Рисунок 6. Механизм образования гидроксильных радикалов путем

1. a) окисления по Фентону; b) электрохимическое окисление; c) сонохимическое окисление; d) фотокаталитическое окисление [1]

Окисление Фентона представляет собой метод глубокого окисления, в котором используется цепная реакция Fe2+ и перекиси водорода (H2O2) для образования каталитической группы OH-. H2O2 разлагается до OH- при каталитическом воздействии Fe2+. В целом ОН- представляет собой радикал, способный окислять различные опасные и тугоплавкие органические соединения благодаря своим окисляющим свойствами. Окисление Фентона имеет смысл применять для очистки органических сточных вод, которые трудно поддаются биологическому разложению или очистке с помощью обычных химических методов. стать заменой Fe2+ для активации H2O2, пероксимоносульфат, пероксидисульфат и др. [3].

Окисление влажным воздухом использует ·OH, образующийся при высокой температуре и давлении, которые вступают в реакции с небольшими молекулами загрязняющих веществ, которые менее токсичны и более подвержены разложению. Однако основным недостатком технологии является невозможность полной минерализации загрязняющих веществ. Небольшие кислородсодержащие органические соединения в сточных водах трудно разложить до углекислого газа и воды за одну стадию. Кроме того, азотсодержащие органические соединения не могут быть полностью преобразованы в азот [8].

Связывание загрязнений со специальными реагентами в ходе химических реакций и образование безвредных веществ с последующим удалением части продуктов реакции в виде осадков или газов - основа метода физико-химической очистки. Эффективны для очистки стоков от растворенных веществ и некоторых взвешенных примесей.

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, обратный осмос, термическая обработка и другие.

Методы коагуляции и флокуляции применяются при очистке нсфтссодсржащих сточных вод и обычно используются на второй стадии очистки с применением коагулянтов.

Разновидностью коагуляции является флокуляция. Процесс коагуляции происходит под действием высокомолекулярных органических и минеральных соединений - флокулянтов. Эти крупные молекулы адсорбируют коллоидные частицы из сточной воды, образуя хлопьевидный осадок.

Одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ является сорбция. Метод сорбции направлен на извлечение из сточных вод ценных растворенных веществ. Сорбционные методы используются для глубокой очистки сточных вод, в частности от пестицидов, гербицидов, красителей, ПЛВ. Наиболее эффективными сорбентами являются активные угли.

Для очистки сточных вод от нефтепродуктов, ПЛВ, жиров и масел используется процесс флотации. Он позволяет извлечь частицы, которые плохо смачиваются водой (гидрофобные) и поднять их на поверхность вместе с пузырьками газа или жиров [3].

Среди методов очистки сточных вод значительное место отведено биологическим методам, основанным на способности микрофлоры разрушать органические вещества, являющиеся загрязнителями воды и одновременно питательной средой для бактериальной массы. Биологическая очистка осуществляется безреагентным путем и проводится при минимальных затратах энергии на массовую единицу удаляемых веществ. Биологическая очистка сточных вод может происходить в естественных (поля орошения, фильтрации, биологические пруды) и искусственных условиях (биофильтры, аэротенки).

В качестве искусственных методов биологической очистки используют биофильтры и аэротенки. Биофильтры представляют собой слои фильтрующего материала, через которые поступает вода. На полуочищенной воде поселяются микроорганизмы, и начинается процесс минерализации органики.

Аэротенки представляют собой сооружения в виде железобетонных прямоугольных резервуаров длиной до 100 м., которые делятся на секции. Главным составляющим аэротенков является активный ил. Он включает в себя микроорганизмы и твёрдые частицы. Сточные воды после отстойников поступают в аэротенки, где происходит окисление и минерализация органических соединений. Время пребывания сточных вод в аэротенках составляет от 8 до 10 ч.

Существуют разные методы обработки стоков. Выбор оптимального способа производится в зависимости от вида присутствующих в воде загрязнении. Дождевая вода в тщательном очищении не нуждается, поэтому используют, в основном, механические методы. При переработке бытовых стоков непременно применяют биологическую очистку с использованием определенных видов микроорганизмов.

Список литературы

1. Радайкин Д.Г., Бобков A.A. Обзор достижений в области очистки сточных вод // Наука настоящего и будущего. 1. С. 121-125.
2. Бобков A.A., Радайкин Д.Г. Исследование фотокаталитический свойств наноструктур оксида цинка, легированных магнием // Сборник научных трудов «Нанофизика и Наноматериалы». 2021. С. 34-42.
3. Радайкин Д.Г., Бобков А.А. и др. Исследование влияния внедренных наночастиц серебра на фотокаталитическую активность ZnO // НАУЧНЫЙ АЛЬМАНАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ. 2022. №1-9. С. 12-20.
4. Новикова, О. К. Технология очистки сточных вод: учеб, пособие / О. К. Новикова. — Гомель: БелГУТ, 2020. - 306 с.
5. Харькина, О. В. Методы расчёта сооружений биологической очистки: сравнительный анализ / О. В. Харькина // НДТ. - 2021. - № 6. - С. 50-62.
6. Мешенгиссер, Ю. М. Ретехнологизация сооружений очистки сточных вод / К). М. Мешенгиссер. - М.: Вокруг цвета, 2012. - 211 с.
7. Dengsheng M., Huan Y. et al. Critical review of advanced oxidation processes in organic wastewater treatment // Chemosphere. 2021. 275. 130104.
8. Geise G. M Water purification by membranes: the role of polymer science / G. M Geise. H. Lee. D. J. Miller. B. D. Freeman. J. E. McGrath. D. R. Paul // J. Polym. Sci. Part В Phys. -2010.-№48.-P. 1685-1718.
9. Ziajahromi S. Wastewater treatment plants as a pathway for microplastics: development of a new approach to sample wastewater-based microplastics / S. Ziajahromi. P. A. Neale. L. Rintoul. F. D. L. Leusch // Water Res. - 2017. -№112.-P. 93-99.