4996

21

отношении и не сопровождающийся образованием побочных продуктов, негативно влияющих на окружающую природную среду и здоровье человека. Второе место – метод озонирования (94 балла). Далее – озонофлотация (83 балла), лазерная обработка (76 баллов). Традиционное хлорирование (71-72 балла) – на 6 месте.

Свод правил СП 32.13330.2012 (п. 9.2.11.2) рекомендует производить

обеззараживание сточных вод ультрафиолетовым излучением.

Традиционный метод обеззараживания хлором допускается к применению при обеспечении обязательного дехлорирования обеззараженных сточных вод перед сбросом в водный объект.

Метод хлорирования

Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окислении и инактивации ферментов, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, в результате чего последние погибают.

Для обеззараживания сточных вод применяется хлорная известь (на станциях до 1000 мз/сут), а также хлор и его производные.

Количество активного хлора, вводимого на единицу объема сточной воды, называется дозой хлора и выражается в граммах (г/м3).

СНиПом 2.04.03-85 и СП 32.13330 установлены дозы хлора для снижения Coli-форм на 99,9% в зависимости от степени очистки:

-10 мг/л – после механической очистки (аварийный случай);

-3 мг/л – после полной биологической очистки.

Хлор должен быть тщательно перемешан со сточной водой, а затем находиться в контакте со сточной жидкостью в течение не менее 30 мин. Остаточный хлор в очищенной воде должен быть не менее 1,5 мг/л.

При применении метода хлорирования в технологической схеме должны быть:

-хлораторная со складом хлора;

-смеситель;

-контактные резервуары.

Хлорное хозяйство следует проектировать согласно СП 31.13330. Хлор подается в смесители или в контактные резервуары в виде хлорной воды.

Для смешения сточной воды с хлорсодержащим реагентом можно применять смесители любого типа.

В качестве контактных резервуаров могут применяться отстойники (вертикальные, горизонтальные, радиальные). Емкость контактного резервуара определяется исходя из продолжительности контакта очищенных сточных вод с хлором.

Существующие типовые разработки контактных резервуаров позволяет одновременно осуществлять и смешение с хлором и контакт. Смешение осуществляется воздухом. Разработаны 2, 3 и 4 секционные резервуары со следующими конструктивными параметрами: В = 6,0 м; Н = 3,2 м; L = 18 – 33 м (при пропускной способности до 100 тыс. м3/сут).

22

До конца 70-х годов ХХ века хлорирование преобладало для дезинфекции воды в коммунальном хозяйстве городов. Другие методы обеззараживания в этот период находились в стадии лабораторных испытаний. Именно в 70-х годах было обнаружено, что побочные продукты – галогенорганические соединения, образующиеся при хлорировании, в питьевой воде представляют опасность для здоровья людей, а в сточной воде

– наносят серьезный ущерб водоемам. Существуют и другие не менее важные факторы, продвигающие другие технологии обеззараживания сточных вод. В целом, к недостаткам хлорирования относится следующее:

1)Имеет место образование опасных побочных продуктов – хлорорганических соединений и хлораминов, обладающих высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогентностью. Они аккумулируются в донных отложениях, в рыбе и других гидробионтах. Водоем как источник водоснабжения загрязняется.

2)Недостаточная эффективность хлорирования в отношении ряда микроорганизмов, таких как вирусы, спорообразующие бактерии и цисты простейших.

3)Транспортирование и хранение больших запасов хлора опасно для человека и окружающей среды.

4)Потребность в крупных емкостных сооружениях – контактных резервуарах.

Метод озонирования

Озонирование является наиболее распространенным химическим методом обеззараживания воды с использованием соединений кислорода.

Озон (О3) - аллотропная модификация кислорода. Озон обладает высокой бактерицидной активностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды даже по отношению к спорообразующим бактериям и вирусам. Благодаря сильной окислительной способности озон разрушает клеточные мембраны и стенки. Обработка сточных вод озоном на заключительном этапе позволяет получить более высокую степень очистки и обезвредить различные токсичные соединения.

Синтетическим путем озон получают при коронном (тихом) разряде, который образуется в узком слое воздуха между электродами высокого напряжения (5-29 кВ) при атмосферном давлении. Соответствующие аппараты называются генераторами озона или озонаторами. На практике применяют озонаторы двух типов: с пластинчатыми электродами н цилиндрические озонаторы с трубчатыми электродами.

Коронный разряд сопровождается выделением теплоты, поэтому озонаторы должны быть оборудованы системой водяного охлаждения. Выход озона зависит от температуры воздуха, подаваемого в область коронного разряда. Поскольку с повышением температуры увеличивается распад О3, то подаваемый воздух должен быть холодным, а также чистым и

23

сухим. Как правило, выход озона составляет 10-20% от содержания в воздухе кислорода.

Озонаторная установка состоит из узла подготовки воздуха, озонатора, контактной камеры и трансформатора. Расход электроэнергии на получение озона, а тем самым себестоимость озонирования во многом зависит от подготовки воздуха. В процессе подготовки воздух очищается, сушится и охлаждается. В современных озонаторах на изготовление 1 кг О3 расходуется 20...30 кВт/ч электроэнергии, из которых на озонатор приходится 14...18 кВт/ч. Необходимое количество воздуха на получение 1 кг озона составляет

70...80 м3.

Эффективность озонирования зависит от количества и свойств загрязняющих воду веществ, от дозы О3, температуры и рН воды, от применяемого метода диспергирования озоновоздушной смеси в воду.

Доза озона и оптимальная схема озонирования определяются на основе предварительных технологических исследований.

Рекомендованные дозы озона:

Д= 15 – 30 мг/л – после полной биологической очистки сточных вод;

Д= 6 – 10 мг/л – после сооружений доочистки.

Время пребывания в контактной камере – 0,3 – 0,5 часа.

Озонирование считалось эффективной и экологически более чистой технологией по сравнению с хлорированием. Однако при глубоком исследовании данного метода выявлено образование таких побочных продуктов, как альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и др. соединения, которые относят к классу токсичных.

Данный метод для обеззараживания сточных вод широкого распространения не получил ввиду следующих недостатков:

1)Технически сложный метод (подготовка воздуха, синтез озона, смешение….);

2)Высокая токсичность озона;

3)Невысокое качество отечественных озонаторных установок (отечественные производители – ОАО «Курганхиммаш», НПО «Техозон» г. Дзержинск);

4)Потребность в специально обученном персонале;

5)Высокие эксплуатационные расходы вследствие высокой энергоемкости процесса синтеза озона – 30 – 40 кВт-ч/кг озона (высокая стоимость обеззараживания).

УФ обеззараживание сточных вод

Метод обеззараживания воды ультрафиолетовым (УФ) излучением получил широкое распространение во всем мире в последние 30 лет. Одной из основных мотиваций распространения метода УФ-обеззараживания послужил обнаруженный в 70-х годах ХХ века факт, что хлорирование воды приводит к образованию опасных побочных продуктов. Анализ

24

альтернативных хлорированию технологий обеззараживания показал, что все окислительные технологии обеззараживания приводят к образованию тех или иных побочных продуктов, большинство из которых представляют опасность для здоровья людей. Вторым важным фактором в продвижении УФ технологии явилась недостаточная эффективность хлорирования в отношении в отношении ряда микроорганизмов, таких как вирусы и цисты простейших. Ультрафиолетовое обеззараживание оказалось идеальным решением обеих этих проблем, что и послужило причиной бурного развития УФ технологии во всем мире.

Эффект обеззараживания основан на воздействии УФ-лучей с длиной волны 200 -300 нм на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Бактерицидное облучение действует почти мгновенно – уничтожается патогенная микрофлора, включая вирусы и спорообразующие бактерии.

Способ не требует введения химических реагентов и не приводит к образованию вредных побочных продуктов. Не требуются контактные резервуары.

К достоинствам УФ технологии относятся:

-высокая эффективность УФ в отношении всех видов микроорганизмов;

-отсутствие образования побочных продуктов обеззараживания при УФ обработке;

-экономичность и безопасность УФ оборудования;

-возможность ликвидации хлорного хозяйства.

Установки УФ обеззараживания комплектуются ртутными лампами 2х

типов: ртутно-кварцевые высокого и аргоно-ртутные низкого давления,

которые размещаются или в воздухе над поверхностью воды или погружаются в воду в кварцевых чехлах, защищающих лампы от влияния температуры воды.

Доза облучения устанавливается экспериментально. Исследования показали что Д = 30 кДж/см2 .

«Мосводоканалом» разработана «Концепция по обеззараживанию сточных вод на Московских станциях аэрации», предусматривающая применение УФ-метода. Южное Бутово, Зеленоград применяют УФ обеззараживание на установках немецкого производства.

В настоящее время в России эксплуатируется более 100 станций УФ обеззараживания сточных вод, из них более 20 – с производительностью от 50 тыс. м3/сут., в том числе в городах: Липецк (90000 м3/сут), Ангарск

(250000 м3/сут), Тольятти (290000 м3/сут), Рязань (320000 м3/сут).

Реализовываются проекты по внедрению УФ обеззараживания на крупнейших станциях аэрации г. Москвы. В 2005 г. в Санкт-Петербурге введены в эксплуатацию Юго-Западные очистные сооружения канализации, оснащенные наилучшими технологиями и в том числе УФ-комплексом отечественного производства. Подготовлен к реализации проект по

25

внедрению УФ обеззараживания на Нижегородской станции аэрации.

Главный отечественный производитель – НПО «ЛИТ» - производит установки производительностью 1 – 6000 м3/ч. НПО «ЛИТ» занимает 3-е место по объемам производства. В табл. 6 приведена номенклатура УФ оборудования НПО «ЛИТ».

Установки УФ-обеззараживания воды состоят из камеры обеззараживания, пульта управления и блока промывки. Основной элемент – камера обеззараживания, обычно изготавливаемая из пищевой нержавеющей стали. Внутри камеры располагаются бактерицидные лампы, заключённые в прочные кварцевые чехлы, которые исключают контакт УФ лампы с водой. Количество ламп и их расположение определяется производительностью установки, её предназначением, типом и качеством обрабатываемой воды. На камере находятся подводящие и отводящие патрубки, пробоотборники, смотровое окно, УФ-датчик и другие элементы. Система автоматики находится на выносном пульте управления. Вода, проходя через камеру обеззараживания, непрерывно подвергается облучению ультрафиолетом, убивающим находящиеся в воде микроорганизмы.

НПО «ЛИТ» разработало станции УФ обеззараживания сточных вод лоткового типа производительностью от 3000 до 400000 м3/сут. На рис. 4 приведены типы УФ установок.

26

Рис.5. Установки ультрафиолетового обеззараживания сточных вод Контроль за эффективностью работы УФ комплекса ведётся по дозе

облучения, которая рассчитывается как произведение интенсивности излучения в камере облучения УФ установки на время нахождения воды под облучением. Снижение дозы облучения происходит в результате загрязнения кварцевых чехлов ламп отложениями органического и минерального состава. В связи с этим один раз в 2-3 месяца осуществляется химическая промывка УФ установки слабым раствором щавелевой кислоты с концентрацией 0,2 % в течение 2-3 часов, в результате чего обеспечивается полное восстановление прозрачности чехлов. Замена ламп осуществляется через 1,5 года.

Большое значение при обработке воды бактерицидными лампами имеет сопротивляемость бактерий воздействию излучению. Находящиеся в воде микроорганизмы обнаруживают различную сопротивляемость действию бактерицидных лучей. Эффективность обеззараживания воды определяется по количеству оставшихся в живых бактерий кишечной палочки, т.к. они имеют повышенную сопротивляемость воздействию бактерицидных лучей по сравнению с патогенными неспорообразующими бактериями.

Опыт эксплуатации УФ установок показал, что самые значительные эксплуатационные затраты обусловливаются необходимостью замены ультрафиолетовых ламп и возможной их чистки в период работы.

К недостаткам метода УФ-обеззараживания сточных вод можно отнести следующее:

1)Высокие капитальные затраты (высокая стоимость УФ-

установок).

2)Периодическая промывка (1 раз в 3 месяца) кварцевых чехлов ламп и замена ламп (1 раз в 1,5 года).

3)Достаточно высокая прозрачность обрабатываемой воды.

Несмотря на указанные недостатки, безреагентный и экологически чистый ультрафиолетовый метод обработки в сравнении с озонированием требует в два раза меньше капиталовложений и в пять раз меньше эксплуатационных затрат. Это связано с небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании); отсутствием необходимости в специальном обслуживающем персонале; с отсутствием организации специальных мер безопасности.

Для эффективного обеззараживания любым методом рекомендуемый уровень взвешенных веществ – 10 мг/л. Однако на реальных очистных сооружениях содержание взвешенных веществ после вторичных отстойников в среднем составляет 10 – 20 мг/л. Максимальные значения могут составлять до 30 – 40 мг/л. Практический опыт эксплуатации показывает, что обеззараживание УФ-облучением до требований СанПиН 2.1.5.980-00 обеспечивается при условии средних значений взвешенных веществ – 15–20 мг/л и максимальных до 30 мг/л. При этих условиях в большинстве случаев требуемая доза составляет 30 кДж/см2 .

27

Но в настоящее время необходимо учитывать повышение устойчивости микрофлоры к воздействию хлора, озона и ультрафиолета. Это естественный процесс эволюции. Микробиологи ведущих научных центров Америки, Азии и Европы показывают в своих отчетах, что за последние 15-20 лет устойчивость патогенной микрофлоры к хлору повысилась в 5-6 раз, к озону в 2-3 раза, к ультрафиолету в 4 раза. А это означает, что с учетом дальнейшего повышения устойчивости микроорганизмов спор, вирусов и простейших к перечисленным выше методам обеззараживания воды и стоков необходимо при проектировании закладывать уровни воздействия с учетом динамики роста сопротивляемости объекта воздействия. Именно поэтому, сейчас в экономически развитых странах минимальная доза воздействия ультрафиолетового излучения определена в 40 мДж/см2, а во всех проектируемых станциях по обеззараживанию воды и стоков закладывается доза ультрафиолетового излучения 70-100 мДж/см2. В этом случае наиболее перспективными являются методы комбинированного воздействия на воду различных дезинфицирующих средств и способов.

Обеззараживание воды ультразвуком

Ультразвук – это упругие колебания и волны, частота которых выше 15-20 кГц. При воздействии ультразвука на жидкость возникают специфические физические, химические и биологические эффекты – кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие. Бактерицидное действие ультразвукового излучения в основном связано с кавитацией. Кавитация – это возникновение в жидкости массы пульсирующих газовых пузырьков. При ультразвуковом воздействии наблюдается рост кавитационного пузырька до максимального размера. Затем пузырек лопается, создавая ударные волны. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Кроме того, в кавитационном пузырьке возникают активные радикалы, например радикал ОН-, являющийся сильнейшим окислителем. Кавитация

возникает при интенсивностях звукового поля выше порогового значения

0,3-1 Вт/см2.

Единой теории, объясняющей бактерицидное действие ультразвука, до настоящего времени не существует. Однако большинство исследователей придерживаются мнения, что в ультразвуковом поле происходит преимущественно механическое разрушение бактерий в результате ультразвуковой кавитации. Эту гипотезу подтверждают данные электронной микроскопии. На снимках, сделанных при помощи электронного микроскопа, у озвученных бактерий можно четко заметить разрушение клеточной оболочки, чего не наблюдается у бактерий, убитых нагреванием. Впоследствии было установлено, что 80% всех разрушений клетки – механические, а 20% – электроакустические.

28

Толщина слоя воды при озвучивании (в определенных пределах) мало влияет на бактерицидный эффект, и процент гибели клеток для слоев до 10 см практически одинаков. Бактерицидный эффект ультразвука не зависит от мутности (в пределах до 50 мг/л) и цветности озвучиваемой воды, распространяется в равной мере как на вегетативные, так и на споровые формы микроорганизмов, сильно зависит от интенсивности колебаний. Увеличение интенсивности, как правило, приводит к повышению бактерицидного действия ультразвука. Озвучивание микроорганизмов с малой интенсивностью может стимулировать их рост. На основании опытных данных определено, что для получения эффекта обеззараживания воды, отвечающего нормативным требованиям, необходима интенсивность ультразвука не менее 2 Вт/см2 при частоте колебаний 20-50 кГц.

Т.е. преимуществом использования ультразвука перед многими другими средствами обеззараживания сточных вод служит его нечувствительность к таким факторам, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов и присутствием в воде растворенных веществ. Дополнительные полезные функции выполняют образующиеся при кавитации активные радикалы. Эти соединения ускоряют процессы окисления.

Единственный фактор, который влияет на эффективность обеззараживания сточных вод ультразвуком является интенсивность ультразвуковых колебаний. Ультразвук — это звуковые колебание, частота которых находится значительно выше уровня слышимости человеческого уха. Частота ультразвука от 20000 до 1000000 Гц, следствием чего и является его способность разрушать оболочки микроорганизмов. Бактерицидное действие ультразвука разной частоты весьма значительно и зависит от интенсивности звуковых колебаний.

Обеззараживание и очистка воды ультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции. Но для обеззараживания ультразвуком отсутствуют критерии и методы контроля процесса, а также нормативные документы, регламентирующие его использования для обеззараживания питьевой и сточной воды.

Очистка и обеззараживание воды ультразвуком ограничена также нормами отечественных действующих стандартов безопасности. При эксплуатации установок, использующих излучение в соответствующем частотном диапазоне, регламентируется мощность, расстояние до рабочего места, иные параметры. Общим требованием является необходимость исключения контакта человека с поверхностью, по которой может передаваться ультразвук.

В настоящее время на российском рынке представлено промышленное оборудование для обеззараживания воды, сочетающему в себе обработку

ультрафиолетом и ультразвуком. В качестве преимуществ такого

29

оборудования перед традиционными системами УФ-облучения анонсируется более выраженный эффект обеззараживания и отсутствие необходимости в очистке кварцевых чехлов ламп.

Одним из таких методов является одновременное воздействие на воду ультразвука и ультрафиолета, применяемого в новой технологии обеззараживания воды под названием «Лазурь». В ее основе непрерывная обработка воды ультрафиолетовым излучением, с плотностью потока не менее 40 мДж/см2. и длиной волны 253,7 нм и 185 нм с одновременным ультразвуковым воздействием плотностью около 2 вт/см2 и акустическими колебаниями. В 1996 г. метод запатентован с приоритетом России. Предлагаемая на его базе технология «Лазурь» успешно реализована и апробирована с 1997 г. в бактерицидных установках модульного исполнения серии «Лазурь– М». В процессе обработки проходящего потока воды ультразвуком от излучателя, размещаемого непосредственно в корпусе камеры фотохимического реактора, в воде образуются короткоживущие парогазовые «каверны». Они возникают в момент локального разряжения в воде и взрываются при сжатии воды в объеме модуля установки на неоднородностях с частотой в несколько десятков килогерц. При этом, за счет резкого изменения давления и температуры, в воде практически полностью уничтожается патогенная микрофлора, образуются активные радикалы ОН, так как в роли неоднородностей выступают споры грибков, бактерии, собственно и являющиеся мишенями обработки. Радикалы ОН являются мощнейшим катализатором, который на несколько порядков увеличивает воздействие ультрафиолетового излучения.

Электроимпульсное обеззараживание сточных вод

Достаточно новым способом обеззараживания воды является электроимпульсный способ - использование импульсивных электрических разрядов (ИЭР).

Сущность метода заключается в возникновении электрогидравлического удара, так называемого эффекта Л. А. Юткина.

Суть электроимпульсной технологии обеззараживания состоит в воздействии на обрабатываемую воду высоковольтным электрическим разрядом, вызывающим разрушение клеток микроорганизмов (бактерий, вирусов) в первую очередь за счет генерируемой в воде ударной волны.

Технологический процесс состоит из шести ступеней:

∙подача жидкости в рабочий объём при равномерном профиле распределения скорости (причём рабочий объём заполняют с воздушным промежутком, а равномерный профиль распределения жидкости помогает уменьшить энергоёмкость процесса);

∙зарядку накопителя электроэнергии в режиме постоянной мощности;

30

∙инициирование одного или серии электрических разрядов в жидкости при скорости нарастания переднего фронта напряжения не менее 1010 В/с (энергию дозируют путём отсчёта зарядов);

∙усиление эффекта разрушения микроорганизмов за счет формирования волн растяжения при отражении волн сжатия, образованных электрическим разрядом от свободной поверхности жидкости;

∙подавление или гашение ударных волн в подводящих и отводящих жидкость магистралях для исключения их разрушения;

∙отведение обеззараженной жидкости из рабочего объёма.

Однако этот способ имеет ряд недостатков, в частности относительно высокую энергоемкость (0,2-1 кВтч/м3) и, как следствие – дороговизну.

Биомембранная технология обеззараживания сточных вод

Традиционные способы очистки сточных вод опираются на последующее обширное обеззараживание, в целях соответствия жестким требованиям микробиологической безопасности. Биомембранная технология относится к современным способам очистки и обеззараживания городских сточных вод. Хорошо разработанные и управляемые мембранные биореакторы (МБР) способны достигать постоянно эффективного удаления взвешенных твердых частиц, простейших и колиформных бактерий, содержащихся в стоках. При оптимальных условиях работы, системы МБР также могут существенно снижать содержание различных вирусов и фагов.

Технология МБР включает в себя биологический реактор, интегрированный с микрофильтрационными (MF) или ультрафильтрационными (UF) мембранами, который сочетает в себе биологическую очистку активным илом и мембранную фильтрацию в упрощенном одностадийном процессе. Первоначально использующаяся для мелкосерийной обработки трудноочищаемых сточных вод, технология МБР неуклонно растет в последние десятилетия. Мембрана является абсолютным барьером для твердых частиц и микроорганизмов, содержащихся в стоках.

Диапазон мембранной фильтрации для удержания патогенных микроорганизмов показан на рисунке 6. MF мембраны имеют размер пор 0,1-10 мкм, в то время как размеры пор UF мембран могут находиться в диапазоне от 5 до 100 нм, хотя наиболее часто UF мембраны, используемые в МБР, имеют размер пор ≈0.01 мкм. Мембраны в основном изготавливаются из полимеров, таких как: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полипропилен (PP), полисульфона (ПС), поливинилидендифторид (PVDF) и полиэтилен (ПЭ).