Третичная доочистка и повторное использование очищенных сточных вод

Третичная очистка сточных вод: необходимость и принципы

Третичная очистка (глубокая доочистка)представляет собой третью, заключительную ступень обработки сточных вод, следующую за механическими и биологическими методами. Если первые два этапа справляются с удалением крупных примесей и основной массы органических загрязнений, то третичная очистка направлена на глубокое удаление специфических загрязнителей, которые не поддаются традиционным методам обработки.

На этапе механической очистки из стоков удаляются твердые включения, песок, нефтепродукты и другие грубодисперсные примеси. Биологическая очистка с использованием активного ила позволяет переработать растворенные органические вещества и частично удалить биогенные элементы. Однако после вторичных отстойников в воде остаются мелкодисперсные взвешенные вещества, значительные концентрации соединений азота и фосфора, а также патогенные микроорганизмы. Именно эти компоненты становятся объектом третичной очистки.

Необходимость внедрения глубокой доочистки определяется несколькими факторами. Первый связан с ужесточением экологических требований к качеству сбрасываемых в водные объекты стоков. Водоемы рыбохозяйственного значения особенно чувствительны к содержанию биогенных элементов, вызывающих эвтрофикацию. Повышенные концентрации азота и фосфора стимулируют бурное развитие водорослей, что приводит к снижению содержания кислорода и деградации экосистемы. Второй фактор обусловлен растущим дефицитом пресной воды в промышленных регионах. Повторное использование очищенных стоков позволяет предприятиям снизить потребление свежей воды и уменьшить нагрузку на природные источники. Третий аспект связан со спецификой технологических процессов, требующих воды высокого качества для охлаждения, промывки или других операций.

Технологии и методы третичной доочистки

Современные системы третичной очистки включают широкий спектр технологий, выбор которых определяется составом исходных стоков и требуемым качеством очищенной воды.

Мембранные технологии занимают ведущее место среди методов глубокой доочистки. Ультрафильтрация с размером пор 0,01-0,1 мкм эффективно задерживает взвешенные вещества, бактерии и высокомолекулярные органические соединения. На Курьяновских очистных сооружениях Москвы внедрена технология ультрафильтрации для доочистки биологически очищенных стоков, что обеспечивает снижение концентрации взвешенных веществ до 3 мг/л. Мембранная фильтрация работает по принципу тупиковой фильтрации с периодической обратной промывкой, когда очищенная вода подается в обратном направлении для удаления скопившихся на поверхности мембран загрязнений.

Нанофильтрация применяется для удаления растворенных солей, гидроксидов и фосфатов тяжелых металлов. Поры размером 0,001-0,01 мкм пропускают воду и низкомолекулярные соединения, но задерживают большинство органических веществ с молекулярной массой выше 300. В гальванотехнике нанофильтрация позволяет извлекать ценные металлы из стоков и возвращать их в производство.

Обратный осмос обеспечивает максимальную степень очистки, удаляя до 99% растворенных солей и практически все органические загрязнители. При создании систем с нулевым сбросом на нефтеперерабатывающих и химических предприятиях обратноосмотические установки становятся ключевым элементом технологической цепочки. Рабочее давление составляет 15-80 атмосфер в зависимости от солесодержания исходной воды и требуемой степени обессоливания.

Адсорбция на активированном угле дополняет мембранные методы при необходимости удаления растворенных органических соединений, фенолов, красителей и других веществ, придающих воде цветность и запах. Угольные фильтры размещаются после биологической очистки и работают до момента насыщения сорбента, после чего требуется регенерация или замена загрузки. На предприятиях пищевой промышленности адсорбционные фильтры обеспечивают удаление специфических органических примесей перед повторным использованием воды в технологических процессах.

Удаление биогенных элементов представляет особую задачу третичной очистки. Фосфор удаляется преимущественно химическим осаждением с использованием солей алюминия или железа. При введении коагулянта фосфаты связываются в труднорастворимые соединения и выпадают в осадок. Эффективность удаления фосфора достигает 95% при правильном дозировании реагентов и организации процесса коагуляции перед вторичными отстойниками с последующей фильтрацией на песчано-гравийных фильтрах.

Азот присутствует в стоках в виде аммонийного, нитритного и нитратного азота. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, когда бактерии используют связанный кислород нитратов для окисления органических веществ, восстанавливая азот до газообразной формы. На Люберецких очистных сооружениях внедрена многоступенчатая схема биологической очистки с чередованием аэробных и анаэробных зон, обеспечивающая глубокое удаление азота и фосфора в соответствии с требованиями НДТ.

Обеззараживание завершает цепочку третичной очистки. УФ-облучение воздействует на ДНК микроорганизмов, лишая их способности к размножению. Установки ультрафиолетового обеззараживания не образуют токсичных побочных продуктов и не изменяют химический состав воды, что делает их предпочтительными для современных очистных сооружений. Озонирование обладает более широким спектром действия, окисляя не только микроорганизмы, но и органические примеси, однако требует значительных энергозатрат на генерацию озона.

Нормативно-правовое регулирование в России

Российская законодательная база определяет жесткие требования к качеству очищенных сточных вод в зависимости от целей их использования и категории принимающего водного объекта.

Для повторного использования в технических целях действует СанПиН 2.1.7.573-96, регламентирующий использование сточных вод для орошения и технического водоснабжения. Документ устанавливает предельные концентрации загрязняющих веществ и определяет допустимое содержание биогенных элементов в зависимости от выноса питательных веществ. Содержание азота в сточных водах для повторного использования обычно составляет 50-120 мг/л, фосфора 10-30 мг/л, калия 30-120 мг/л.

При сбросе в водные объекты действуют нормативы качества воды, установленные для различных категорий водопользования. Наиболее строгие требования предъявляются к сбросу в водоемы рыбохозяйственного значения. Концентрация взвешенных веществ не должна превышать фоновую более чем на 0,75 мг/л, БПК5 составляет 3 мг/л, аммоний-ион ограничен 0,5 мг/л, нитриты 0,08 мг/л, фосфаты 0,2 мг/л.

Переход на технологическое нормирование в соответствии с Федеральным законом №219-ФЗ обязывает предприятия I категории внедрять наилучшие доступные технологии. Информационно-технический справочник ИТС 10-2019 определяет НДТ для очистки сточных вод централизованных систем водоотведения. Для крупных сооружений производительностью свыше 10 тысяч кубометров в сутки регламентируются технологии с биологическим удалением азота и биолого-химическим удалением фосфора. Для предприятий меньшей мощности предусмотрена полная биологическая очистка с удалением азота.

ИТС 8-2022 охватывает очистку промышленных сточных вод и устанавливает технологические показатели для различных отраслей. Справочник содержит описание методов удаления специфических загрязнителей, характерных для металлургии, нефтехимии, пищевой промышленности. Предприятия обязаны получать комплексные экологические разрешения, подтверждающие соответствие применяемых технологий требованиям НДТ.

Постановление Правительства РФ №644 устанавливает максимально допустимые концентрации загрязняющих веществ при сбросе в централизованные системы водоотведения. Для биогенных элементов действуют следующие нормативы: взвешенные вещества 300 мг/л, БПК5 300 мг/л, ХПК 500 мг/л, аммоний-ион 50 мг/л, фосфор фосфатов 12 мг/л. Превышение этих показателей влечет начисление повышенной платы за негативное воздействие.

Направления и возможности повторного использования очищенных стоков

Качественно очищенные сточные воды находят применение в широком спектре производственных и хозяйственных нужд, существенно снижая потребность в свежей воде.

Техническое водоснабжение промышленных предприятий составляет основное направление повторного использования. На нефтеперерабатывающих заводах очищенная вода применяется для охлаждения технологических потоков, промывки оборудования, гидроиспытаний. Вода после биологической очистки и доочистки на напорных фильтрах подается в градирни для охлаждения и затем возвращается в оборот. Соотношение оборотной воды к сбрасываемым стокам на НПЗ достигает 10-20 раз, что свидетельствует о высокой эффективности систем водооборота.

Предприятия химической промышленности используют очищенные стоки для приготовления технологических растворов, где не требуется питьевое качество воды. После мембранной очистки вода соответствует техническим условиям для большинства вспомогательных процессов. Стекольные производства применяют доочищенные стоки для мойки изделий и инструментов, что позволяет сократить водопотребление на 60-70%.

В системах оборотного водоснабжения вода циркулирует многократно после соответствующей обработки. Охлаждающая вода в конденсаторах холодильных агрегатов нагревается, затем охлаждается в градирных или брызгальных бассейнах и снова подается в конденсаторы. Потери на испарение, унос и продувку восстанавливаются подпиткой свежей водой, объем которой значительно меньше общего объема циркулирующей воды.

Полив зеленых насаждений очищенными сточными водами практикуется в регионах с дефицитом водных ресурсов. СанПиН 2.1.7.573-96 допускает использование биологически очищенных стоков для орошения при условии соблюдения агрохимических и санитарно-эпидемиологических требований. Содержание биогенных элементов в воде применяемой для орошения определяется с учетом потребности культур и выноса питательных веществ урожаем. Парки, спортивные поля, поля для гольфа успешно орошаются очищенными стоками во многих городах мира.

Пополнение водных объектов и поддержание экологического стока становится актуальным в условиях маловодья. Сброс качественно очищенных вод в реки восполняет убыль воды, забираемой для водоснабжения в других местах. Вода проходит через водоем естественные процессы самоочищения и становится пригодной для повторного забора на водозаборных сооружениях ниже по течению.

При любых вариантах повторного использования необходимо соблюдать требования безопасности. Распределительные сети технической воды должны быть четко обозначены и изолированы от систем питьевого водоснабжения. Для полива пищевых культур применяются более жесткие ограничения по микробиологическим показателям. Предприятия обязаны осуществлять регулярный контроль качества оборотной воды и вести учет объемов повторно используемых стоков.

Экономическая целесообразность и экологический эффект

Внедрение систем третичной очистки требует значительных капитальных вложений, однако экономический эффект от их эксплуатации зачастую перекрывает первоначальные затраты.

Структура капитальных затрат включает расходы на  проектирование, приобретение оборудования, строительно-монтажные работы и пусконаладку. Стоимость мембранных установок для очистных сооружений производительностью 1000 кубометров в сутки составляет 30-50 миллионов рублей. Системы ультрафильтрации обходятся дешевле обратноосмотических установок, но обеспечивают меньшую степень очистки. Адсорбционные фильтры на активированном угле требуют 5-10 миллионов рублей для средних предприятий.

Эксплуатационные затраты определяются энергопотреблением, расходом реагентов, заменой мембран и сорбентов, затратами на обслуживание. Мембранные технологии характеризуются умеренным энергопотреблением 0,3-0,8 кВт·ч на кубометр очищенной воды. Замена мембранных модулей производится раз в 5-7 лет при правильной эксплуатации. Реагентные методы удаления фосфора требуют постоянных закупок коагулянтов, стоимость которых составляет 500-1500 рублей за тонну.

Экономия от повторного использования воды складывается из снижения платежей за водопотребление и водоотведение. Тарифы на воду для промышленных предприятий варьируются от 20 до 80 рублей за кубометр в зависимости от региона. При организации оборотного водоснабжения с возвратом 80% очищенной воды предприятие экономит десятки миллионов рублей ежегодно.

Снижение экологических платежей происходит за счет уменьшения массы сбрасываемых загрязняющих веществ. Сверхнормативные сбросы облагаются платой с коэффициентом 25, что создает существенную финансовую нагрузку. Внедрение третичной очистки позволяет избежать штрафных санкций и работать в пределах установленных нормативов.

Срок окупаемости систем доочистки для крупных предприятий составляет 3-7 лет. На небольших производствах окупаемость может растянуться до 10-12 лет. Решающее значение имеет стоимость свежей воды в регионе и объемы водопотребления. В засушливых районах с дефицитом водных ресурсов окупаемость наступает быстрее.

Экологический эффект проявляется в снижении антропогенной нагрузки на водные объекты. Удаление биогенных элементов предотвращает эвтрофикацию водоемов, сохраняет биоразнообразие водных экосистем. Сокращение забора свежей воды способствует сохранению природных запасов, особенно критичных для регионов с напряженным водным балансом.

Опыт реализации проектов в России

Российские предприятия накопили значительный опыт внедрения систем третичной очистки с повторным использованием воды.

В Москве на очистных сооружениях поселка Минзаг производительностью 500 кубометров в сутки реализована технология с мембранными биореакторами. Мембраны выполняют функции илоразделения и доочистки, что позволило исключить вторичные отстойники и уменьшить площадь сооружений. Все основные технологические узлы размещены в едином производственном здании. Фильтрация через половолоконные мембраны с размером пор 0,2 мкм обеспечивает стабильное качество очищенной воды, соответствующее нормативам сброса в водоемы рыбохозяйственного значения.

На очистных сооружениях поселка Щапово производительностью 2000 кубометров в сутки внедрена технология биологического удаления азота и химического удаления фосфора с доочисткой на зернистых фильтрах и мембранных модулях. Технологическая линия включает комбинированные решетки-песколовки, аэротенки с зонами нитрификации и денитрификации, блок подачи реагента для осаждения фосфора, блок доочистки и ультрафиолетовое обеззараживание. Достигнутые показатели качества соответствуют технологическим нормативам НДТ.

Санкт-Петербургский Водоканал впервые в городе внедрил на КОС поселка Молодежное технологию с мембранными биореакторами. Мембраны с размером пор 0,2 мкм способствуют достижению высокого качества очистки. На Южных и Центральных очистных сооружениях используются современные схемы биологической очистки Кейптаунского и Йоханнесбургского университетов, позволяющие гибко управлять процессом удаления биогенных элементов.

Башкирская стекольная компания внедрила очистные сооружения производительностью 100 кубометров в сутки для обработки стоков от мойки стекла. Технологическая схема включает механическую очистку, биологическую обработку в аэротенках, блок доочистки и УФ-обеззараживание. Очищенная вода возвращается в технологический цикл для повторного использования в процессах мойки, что обеспечило снижение водопотребления на 65%.

Опыт эксплуатации показывает основные вызовы: необходимость поддержания стабильного качества исходных стоков, предотвращение загрязнения мембран, правильный подбор доз реагентов. Периодические залповые сбросы токсичных веществ нарушают работу биологической очистки и требуют создания буферных емкостей. Автоматизация процессов и онлайн-мониторинг качества воды позволяют оперативно реагировать на изменения состава стоков.