Введение. Как обосновать актуальность исследования очистки сточных вод

Промышленное развитие неизбежно ведет к обострению экологических проблем, и одной из наиболее острых является загрязнение водных объектов промышленными сточными водами. Эти стоки, содержащие широкий спект спектр загрязнителей, оказывают пагубное влияние на гидросферу, нарушая естественные экосистемы и создавая риски для здоровья человека. Зачастую традиционные очистные сооружения не способны обеспечить требуемую степень очистки, особенно когда речь идет о стойких, трудноокисляемых органических веществах, которые проходят через стандартные биологические фильтры практически без изменений.

Именно эта проблема определяет высокую актуальность поиска и внедрения передовых технологий. Цель данной дипломной работы — провести комплексный анализ и предложить эффективное решение для глубокой очистки промышленных стоков. В качестве объекта исследования выступает процесс очистки сточных вод промышленного предприятия, а предметом — эффективность использования комплексной системы на основе мембранного биореактора (MBR). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать существующие методы очистки и выявить их ограничения.
• Изучить устройство и принцип действия мембранного биореактора.
• Обосновать преимущества MBR-технологии в сравнении с традиционными подходами.
• Разработать и описать полную технологическую схему очистки, включая этап обработки образующегося осадка.

Глава 1. Аналитический обзор технологий обезвреживания промышленных стоков

1.1. Какие существуют базовые подходы к очистке

Для эффективного обезвреживания промышленных сточных вод применяется арсенал методов, которые принято классифицировать по принципу действия. Существует четыре основные группы технологий, каждая из которых решает свою специфическую задачу в общем цикле очистки.

1. Механические методы: Направлены на удаление из воды нерастворимых примесей разного размера — от крупного мусора до мелких взвесей. К ним относятся процеживание, отстаивание, фильтрация и центрифугирование.
2. Химические методы: Используются для удаления растворенных веществ путем их преобразования в нерастворимые или безвредные соединения. Основные процессы — нейтрализация, окисление и восстановление.
3. Физико-химические методы: Занимают промежуточное положение и являются одними из самых распространенных. Они включают коагуляцию, флокуляцию, адсорбцию, ионный обмен и флотацию. Эти методы эффективно удаляют тонкодисперсные и коллоидные частицы, а также некоторые растворенные примеси.
4. Биологические методы: Основаны на способности микроорганизмов использовать органические и некоторые неорганические соединения в качестве источника питания, тем самым очищая воду.

Важно понимать, что из-за сложного и разнообразного состава промышленных стоков ни один из методов в отдельности не может обеспечить требуемое качество очистки. Максимальная эффективность достигается только при построении комплексной системы, где различные технологии последовательно применяются на разных этапах, дополняя друг друга.

1.2. Как устроен этап предварительной и физико-химической обработки

Любой процесс очистки сточных вод начинается с этапа предварительной, или механической, обработки. Его главная цель — подготовка воды к последующим, более тонким стадиям очистки путем удаления грубых и взвешенных частиц. Сначала стоки проходят через решетки и сита, которые задерживают крупный мусор. Затем вода поступает в песколовки и отстойники, где под действием гравитации на дно оседают более мелкие взвешенные вещества. Для удаления нефтепродуктов применяются специальные нефтеловушки, чья эффективность может достигать 98%, однако они не способны удалить эмульгированные примеси.

После механического этапа в воде все еще остаются коллоидные частицы и растворенные загрязнители. Для их удаления применяются физико-химические методы. Ключевыми здесь являются процессы коагуляции и флокуляции. В воду добавляются специальные реагенты (коагулянты и флокулянты), которые заставляют мельчайшие коллоидные частицы «слипаться» в более крупные хлопья — флоккулы. Эти хлопья уже достаточно тяжелы, чтобы их можно было легко удалить из воды методом отстаивания или фильтрации. Этот этап критически важен, так как он значительно снижает нагрузку на последующие, более сложные и дорогостоящие ступени очистки, в частности на биологическую.

1.3. В чем заключаются традиционные методы биологической очистки

Основой удаления растворенной органики из сточных вод является биологическая очистка. Ее суть заключается в использовании жизнедеятельности микроорганизмов, которые в процессе своего метаболизма разлагают сложные органические вещества на простые и безопасные компоненты, такие как вода и углекислый газ. Наиболее распространенным традиционным методом является аэробный процесс, реализуемый в аэротенках.

Аэротенк представляет собой резервуар, в который подается сточная вода и активный ил — биоценоз из бактерий и простейших микроорганизмов. Для поддержания их жизнедеятельности в аэротенк постоянно нагнетается воздух (аэрация). Микроорганизмы активного ила поглощают органические загрязнения, очищая воду. После аэротенка иловая смесь поступает во вторичный отстойник, где активный ил отделяется от очищенной воды. Наряду с аэробными, существуют и анаэробные системы, работающие без доступа кислорода.

Однако классическая схема имеет ограничения. Одной из главных проблем становится удаление биогенных элементов — азота и фосфора. Для их глубокого извлечения требуются дополнительные, зачастую сложные и дорогостоящие методы, такие как ионный обмен, отдувка аммиака или введение стадий нитри-денитрификации.

Глава 2. Проектное решение. Глубокая очистка стоков с применением мембранного биореактора

2.1. Каковы принцип действия и ключевые узлы мембранного биореактора

В ответ на ограничения традиционных систем была разработана передовая технология — мембранный биореактор (MBR). Это инновационное решение, которое объединяет в одном модуле два процесса: классическую биологическую очистку с помощью активного ила и физическое разделение фаз с помощью мембранной фильтрации.

По своей сути, MBR — это аэротенк, в котором громоздкий вторичный отстойник заменен компактным мембранным модулем.

Ключевыми узлами установки являются:

• Биореактор: Резервуар, аналогичный традиционному аэротенку, где поддерживается высокая концентрация активного ила и происходит биохимическое разложение органических загрязнителей.
• Мембранный модуль: Это сердце технологии. Он состоит из множества микро- или ультрафильтрационных мембран с размером пор от 0.01 до 0.4 мкм. Мембраны могут быть погружены непосредственно в биореактор или вынесены во внешний контур.

Принцип действия MBR заключается в следующем: сточные воды поступают в биореактор, где микроорганизмы активного ила окисляют органику. Далее иловая смесь проходит через мембранный модуль. Под действием вакуума или давления чистая вода (пермеат) проходит сквозь поры мембраны, в то время как абсолютно все взвешенные вещества, частицы активного ила, бактерии и даже большинство вирусов полностью задерживаются. Это позволяет получать на выходе воду исключительно высокого качества, не требующую дополнительного обеззараживания, и одновременно поддерживать в реакторе очень высокую концентрацию биомассы, что интенсифицирует процесс очистки.

2.2. Какие преимущества дает MBR-технология для промышленных объектов

Применение мембранных биореакторов для очистки промышленных стоков дает ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с классической схемой «аэротенк + вторичный отстойник».

Во-первых, это высочайшее и стабильное качество очищенной воды. Мембрана выступает в роли физического барьера, что гарантирует полное удаление взвешенных веществ независимо от седиментационных свойств ила. Качество пермеата настолько высоко, что его можно повторно использовать в технологических циклах предприятия, реализуя концепцию замкнутого водооборота.

Во-вторых, MBR-системы позволяют работать с гораздо более высокими концентрациями активного ила (8-15 г/л против 2-4 г/л в традиционных системах). Это напрямую ведет к значительному уменьшению требуемого объема аэротенков и, как следствие, сокращению площади, занимаемой очистными сооружениями, в 2-4 раза. Для промышленных площадок, где земля является ценным ресурсом, это критически важное преимущество.

В-третьих, технология MBR полностью разделяет два ключевых параметра: время гидравлического удержания (HRT) и возраст ила (SRT). Это позволяет устанавливать очень большой возраст ила, что создает идеальные условия для развития медленнорастущих микроорганизмов, способных расщеплять стойкие и трудноокисляемые загрязнители, характерные для многих промышленных стоков. Таким образом, MBR решает именно ту проблему, с которой не справляются традиционные методы.

2.3. Как происходит завершающий этап цикла, связанный с обработкой осадка

В процессе биологической очистки происходит прирост биомассы, в результате чего образуется избыточный активный ил, который необходимо периодически удалять из системы. Этот осадок является отходом, требующим грамотной обработки и утилизации. Игнорирование этого этапа делает всю схему очистки незавершенной.

Существует несколько основных методов обезвреживания и обезвоживания осадка. Один из традиционных подходов — выдерживание на специальных иловых площадках, где под действием естественных процессов (солнце, ветер, дренаж) происходит его уплотнение и минерализация. Более современным и экологичным методом является компостирование. В ходе этого процесса избыточный ил смешивается с наполнителями (например, опилками или торфом) и подвергается аэробному термофильному разложению. В результате получается стабильный, обеззараженный и безопасный продукт — компост.

Важным аспектом современного подхода является рассмотрение осадка не как отхода, а как ресурса. После надлежащей обработки и обезвреживания он может быть полезно использован. Например, полученный компост является ценным органическим удобрением, улучшающим структуру почвы. Также обезвреженный осадок может применяться для рекультивации земель, нарушенных в ходе промышленной или строительной деятельности, что полностью соответствует принципам экономики замкнутого цикла.

Заключение. Обоснование итоговой эффективности предложенной схемы очистки

Проведенный анализ подтвердил высокую актуальность проблемы очистки промышленных сточных вод, особенно в контексте их насыщения трудноокисляемыми органическими соединениями. Было показано, что традиционные методы, основанные на схеме «аэротенк – вторичный отстойник», имеют существенные ограничения и не всегда способны обеспечить требуемую глубину очистки.

В качестве решения предложена комплексная схема, ядром которой является мембранный биореактор (MBR). Выбор данной технологии обоснован ее ключевыми преимуществами: гарантированно высокое качество очищенной воды на выходе, значительная компактность установки за счет поддержания высокой концентрации ила, и, что особенно важно, способность эффективно разлагать стойкие загрязнители благодаря возможности независимого контроля возраста ила.

Таким образом, предложенная в работе технологическая схема, включающая предварительную механическую и физико-химическую обработку, глубокую биологическую очистку в MBR и последующую утилизацию осадка, представляет собой комплексное и высокоэффективное решение. Она позволяет не только достигать строгих экологических нормативов по сбросу, но и открывает возможность для повторного использования воды, что делает ее перспективной для внедрения на современных промышленных предприятиях.

Использованная литература

1. Законодательные акты
2. 1.Закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 г. № 7 — ФЗ Принят Государственной Думой 20 декабря 2001 года. – Российская газета № 242.
3. Нормативные документы
4. 2.СанПиН 2.1.5.980-00 Гигиенические требования к охране поверхностных вод 22.06.2000
5. 3.СанПиН 4630–88 «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения»,
6. 4.ГОСТ 25298–82 «Установки компактные для очистки бытовых сточных вод. Основные параметры и размеры с учетом положений
7. 5.СниП 40-03-99 и СниП 2.04.03–85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
8. 6.ПНД Ф 14.1:2:4.13-95 Методика выполнения измерений массовой концентрации меди, свинца, цинка, хрома, никеля, марганца, железа и ванадия в природных, питьевых и очищенных сточных водах методом атомно-эмиссионной спектроскопии. (0,001-0,050 мг/дм3)
9. 7.ПНД Ф 14.1:2:4.59-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации кадмия, кобальта, марганца, меди, никеля, свинца и цинка в природных и сточных водах методом атомно-абсорбционной спектроскопии после проточного сорбционного концентрирования. (0,01-010 мг/дм3)
10. 8.ПНД Ф 14.1.43-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, свинца и висмута в промышленных сточных водах рентгенофлуоресцентным методом. (0,001-1,00 мг/дм3)
11. 9.ПНД Ф 14.1.83-96 Методика выполнения измерений массовой концентрации кадмия, свинца, меди, никеля, кобальта и цинка в сточных водах атомно-абсорбционным методом с концентрированием на ДЭТАТА-фильтрах. (0,0004-0,040 мг/дм3)
12. 10.ПНД Ф 14.1:2:4.202-2003 Методика выполнения измерений массовой концентрации никеля в пробах природных, питьевых и сточных вод фотометрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02». (0,001-0,54 мг/дм3)
13. 11.ПНД Ф 14.1:2:4.73-96 Методика выполнения измерений массовых концентраций ионов никеля в пробах питьевых, природных и сточных вод методом инверсионной вольтамперометрии. (0,001-2,5 мг/дм3)
14. Однотомные издания
15. 12.Андруз Д., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. «Введение в химию окружающей среды» /перевод с английского/ М.:Мир 1999.-274c. Банников, А. Г. Рустамов, А. К. Вакулин А. А Охрана природы М.: Агропромиздат 1987. –287 с.
16. 13.Беспамятнов Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде Л.: Химия 1987. –142 с.
17. 14.Бусев А.И., Симонова Л.Н. Аналитическая химия серы 1975 272 Метод определения сероводорода и меркаптановой серы ГОСТ 22985-90
18. 15.Воробейчик, Е.Л. Садыков, О.Ф. Фарафонтов, М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатерин-бург: УИФ «Наука», 1994.- 280 с.
19. 16.Дикаревский, В.С., Курганов, А.М., Нечаев, А.П., Алексеев М.И. Отведение и очистка поверхностных сточных вод: Учебное пособие для вузов/ Дикаревский, А.М.Курганов,А.П.Нечаев,.- Л.:Стройиздат, 1990.- 224 с.
20. 17.Евилович А. З. Утилизация осадков сточных вод М.: Стройиздат 1989. – 112с.
21. 18.Ерофеев Б.В. Экологическое право России. – М.: ООО «Профобразование», 2002. – 719 с.
22. 19.Исидоров,В.А. Введение в химическую экотоксикологию Спб химиздат 1999. – 141с.
23. 20.Красов О.И. Экологическое право. — М.: ДЕЛО, 2001. – 767 с.
24. 21.Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Под редакцией О. А. Юшманова М.: Агропромиздат 1985. – 201с.
25. 22.Лукиных,Н.А.. Очистка сточных вод, содержащих синтетические поверхностно — активные вещества. М.:, Стройиздат, 1972.- 46с.
26. 23.Мур Дж. Рамамурти В Тяжелые металлы в природных водахконтроль и оценка влияния перевод с английского М.:Мир 1999.- 131 с.
27. 24.Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков. Под редакцией В. Н. Соколова М.: Стройиздат 1992.- 146 с.
28. 25.Полуэктов Н.С., Мищенко В.Т., Кононенко Л.И. Аналитическая химия стронция 1997.-223с.
29. 26.Пешкова В.М., Савостина В.М. Аналитическая химия никеля 1966.- 204с.
30. 27.Руководства по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем под редакцией проф. В. А. Абакумова. СПб.: Гидрометеоиздат. 1992.-263с.
31. 28.Свердликов А.А. Компактные канализационные очистные сооружения типа “Ромашка” на основе колонных биореакторов блочно–модульной конструкции. Всероссийский семинар Тихонов В.Н Аналитическая химия алюминия 1971. — 266 c.
32. 29.Сычев, А.Я., «Каталитические реакции и охрана окружающей среды»/ А.Я Сычев, Г.Г.Дука, Ю.И. Скурлатов Кишинев: Штиинца,-1983. — 272 с. использовано /стр248/с.237процессы под действием света/
33. 30.Хабарова Е.И., Панова С.А. Экология в таблицах. Справочное пособие. М., Дрофа, 1999. – 95с.
34. 31.Яковлев, С.В. Карюхина, Т.А. Биологические процессы в очистке сточных вод. Москва, Стройиздат, 1980. – 294с.
35. 32.Янин Е.П. Геохимические особенности осадков сточных вод промышленного города: (На прим.Саранска)/Рос. акад. наук. Ин-т минералогии, геохимии и кристаллохимии ред. элементов. – М.: ИМГРЭ, 196. – 41 с.
36. Периодические издания
37. 33.Абакумов В. А., Булгаков Н. Г., Левич А. П., Мамихин С. В., Никитина Е. П., Очищенние сточных вод. Аналитическая информационная система Сер. Биол. 2003. №2. с. 36-40
38. 34.Нечаев А.П., Славинский А.С. и другие. «Интенсификация доочистки биоло-гически очищенных сточных вод». Водоснабжение и санитарная техника, 1991. N12 с. 31-44
39. 35.Никулин В. А., Сухов С. В. Аналитическая информационная система «Экология пресных вод России» как инструмент биологических исследований // Вестник МГУ. Сер. Биол. 2000. №2. с. 38-42
40. 36.Земляк М.М., Свердликов А.И., Свердликов А.А. Аэротенк–осветлитель колонного типа. Авт. св. СССР № 1530573, Заявл. 28.03.88. опубл. 23.12.89. Бюл. № 47, кл. С 02 F 3/00.
41. 37.Земляк М.М., Свердликов А.А., Бондарев А.А., Свердликов А.А. Канализационные очистные сооружения колонного типа. Водоснабжение и санитарная техника. 1994. вып 9, с 4–6.
42. 38.Модернизация очистных сооружений Modernisierung der Beluftungs- und Analysesysteme. Patt Judith, Sohngen Karl-Hermann. WWT: Wasserwirt. Wassertechn.. 2003, № 7–8, с. 18–24. Нем.
43. 39.Свердликов А.А. и др. Аэротенк–осветлитель колонного типа. Авт. св. СССР N 1638122, Заявл. 04.01.89. опубл. 30.03.91. Бюл. № 12, кл. С 02 F 3/00.
44. 40.Свердликов А.А. и др. Установка для очистки сточных и природных вод. Авт. св. СССР № 1621028, Заявл. 26.01.89. опубл. 23.03.92. Бюл. № 11, кл. С 02 F 3/00.с
45. 41.Таварткиладзе И.М., Свердликов А.А. Технология биологической очистки надиловой волы. Тезисы докл. 48 научн–тех. конфер. Киевского инж–стр. инстит. 1987. опубл. в журн. Водосн. и сан. техника № 10 1987. с.28.-30
46. 42.Экологическая доктрина российской федерации №1225-р от 31августа2002г.
47. 43.Экологические проблемы бассейнов крупных рек-4 : тез. докл. междунар. конф. / [редкол.: Розенберг Г. С. (отв. ред.) и др.](Тольятти, 8-12 сент. 2008 г.) /
48. 44.Эксплуатация очистных сооружений с мембранными биореакторами Erfahrungen mit dem Membranbelebungsverfahren. Engelhardt Norbert. WWT: Wasserwirt. Wassertechn.. 2004, № 1–2, с. 38–43. Библ. 8. Нем.
49. Электронные ресурсы
50. 45./21век вода и люди/ http://www.vil21.ru
51. 46.Мартынов А.С. Артюхов В.В. Виноградов В.Г. 1998 Окружающая среда и здоровье населения России». http://www.sci.aha.ru/ATL
52. 47.Обыденкова, С. Современные технологии очистки сточных вод http://www.mediana-filter.ru
53. 48.Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru/
54. 49.Библиотека по естественным наукам РАН http://www.benran.ru/
55. 50.Библиотека биологической литературы БЕН РАН http://www.sevin.ru/library/
56. 51.Научная библиотека МГУ им. М.В. Ломоносова http://nbmgu.ru/
57. 52.Научная электронная библиотека http://www.e-library.ru/
58. 53.Библиотеки ВУЗов России (справочник) http://lib.madi.ru/links/
59. 54.Библиотеки России http://lib.setbook.ru/index.php
60. 55.Библиотека Оксфорда http://www.oxfordjournals.org/