Методы очистки ливневых и дренажных вод

Начнем немного издалека. Откуда большинство людей узнает о понятии «сточные воды»? Можно предположить, что из новостей, телепередач и популярных боевиков, в которых кто-то грозится «сбросить сточные воды в залив», а главный герой в последний момент останавливает злодея. Подобная подача сбивает с толку и позволяет легко забыть, что без сточных вод вообще-то не обходится ни один дом, общественное место, а тем более — предприятие. Даже если технология производства не предполагает использование воды (что довольно сложно вообразить, уж мыть-то оборудование чем-то надо), на территории идут дожди, тает снег, — все это смывает пыль, грязь и всевозможные отходы, и вот уже получились те самые сточные воды. Получается, что стоки — это совершенно естественное явление, поэтому, прежде чем навешивать на них ярлык «особо опасно», стоит разобраться, а что, собственно, в этих стоках содержится.

В этой статье речь пойдет о ливневых и дренажных водах, их составе и методах очистки. Сюда входит вся та вода, что течет по поверхности земли, стенам и крышам зданий и в итоге собирается дождеприемными сооружениями. Источниками могут быть уже упоминавшиеся дождь, талый снег, вода, используемая для мойки территории и транспорта, поливочная вода для клумб и цветников и многое другое. Отдельным окном для примесей может стать негерметичность сетей трубопровода, из-за которой просачивающаяся сквозь землю вода ( «инфильтрат», своеобразная «вытяжка» из грунта) в итоге тоже попадает в сток.

Именно за счет такого богатства источников ливневые и дренажные воды зачастую характеризуются широким спектром содержащихся в них загрязняющих веществ, изменяющимся в зависимости от сезона и времени суток. Тем не менее, всегда можно выделить основные группы загрязнений, содержащихся в ливневых и дренажных стоках. В первом случае обычно речь идет о взвешенных веществах, нефтепродуктах и других технических жидкостях, таких как бензин, масла и антифризы. В случае дренажных вод загрязнения, как правило, относятся к минеральным примесям (всевозможному богатству солей, в том числе тяжелых металлов).

Отдельно стоит отметить биологические загрязнения, которые зачастую (но не всегда!) напрямую связаны с продуктами жизнедеятельности человека и животных, а значит наличие подобных веществ в ливневой воде свидетельствует о поступлении туда хозяйственно-бытовых вод или стоков особых производственных линий. Не стоит забывать и про всевозможные нерастворимые примеси, о которых мы упоминали ранее и которые составляют львиную долю загрязнений: песок, пыль, гарь, стружка и тому подобное. Отдельно добавим, что ливневые воды не только смывают грязь с поверхностей, но и захватывают примеси из атмосферы, что особенно актуально для промышленных районов.

Учитывая богатое содержание посторонних веществ в воде, вопрос об очистке сточных вод встает естественным образом. Однако не менее важен и другой: а до какой степени эти стоки нужно очищать, ведь понятно, что далеко не всегда сточные воды должны дотягивать до норм качества питьевой воды. Тем не менее есть особые случаи, например, сброс в водоемы рыбохозяйственного назначения, где требования по некоторым показателям оказываются даже строже, чем для питьевой воды. Может доходить и до абсурдных ситуаций: зачерпнуть ведро воды из реки, а потом вылить ее же обратно в случае некоторых водоемов — значит совершить экологическое преступление, так как нет норм на то, какая вода течет в реке, зато есть нормы на то, какую воду можно туда слить.

Таким образом, всегда существует порог содержания примесей, который и определяет, как спроектировать очистные сооружения. Количественно порог задается предельно допустимыми концентрациями (ПДК) для каждого отдельного загрязнителя. Соответственно, вопрос постройки очистных сооружений — это не песнь во славу экологии и мира во всем мире, а задача с точно сформулированным условием. Для каждой задачи требуется свое решение, но оно почти всегда представляют собой комбинацию из зарекомендовавших себя методов очистки, подходящих под особенности данного объекта. Именно об этих методах и хотелось бы поговорить в нашей статье.

Все подходы к очистке сточных вод можно поделить на четыре основных группы. К первой относятся механические методы — с их помощью вода отделяется от крупных нерастворимых примесей без применения химических реагентов или более сложных технологий, основанных, например, на применении электрических полей или полупроницаемых мембран. Два последних примера принадлежат уже к классу физико-химических методов — «рабочей лошадки» в очистке ливневых и дренажных вод. В некоторых случаях требуются и чисто химические методы, основанные на использовании реагентов. Наконец, биологические методы очистки основаны на жизнедеятельности сообществ микроорганизмов. Эти методы подходят для очистки от органических примесей вроде пищевых отходов.

Для чего мы делаем обзор столь разных методов, если речь идет, казалось бы, о вполне типовой задаче, то есть очистке ливнево-дренажных вод? Для того чтобы было ясно, насколько решение одной и той же «типовой» задачи на деле может отличаться для разных объектов. Именно по этой причине применение некой «стандартной» системы очистки практически никогда не дает желаемого результата даже для простейших случаев (например, вод, загрязненных только взвешенными веществами). В более сложных случаях, например, при наличии примесей металлов, стандартные системы и вовсе оказываются почти бесполезными. Но это не означает, что подобная задача неразрешима или требует какого-то очень сложного подхода, вовсе нет. Просто она требует оптимальной комбинации определенных методов, подходящих конкретно под состав очищаемых вод. Тех самых методов, о которых дальше и пойдет речь.

Но прежде чем окончательно перейти к обзору, стоит вспомнить, какими показателями характеризуются ливневые и дренажные сточные воды, то есть на что в первую очередь будут направлены очистные процедуры. Самый простой способ классификации примесей основан на их растворимости. Поэтому в сточных водах отдельно устанавливаются нормы на нерастворимые вещества и на растворимые. Первые отвечают в основном за мутность воды и сравнительно проще поддаются очистке. Растворимые же примеси удаляются сложнее и включают в себя огромное количество органических и неорганических веществ, однако в рамках этого обзора мы не станем увлекаться дальнейшей их классификацией — с ней можно ознакомиться, например, в документах санитарных правил и норм (СанПиН). Скажем лишь, что содержание органических примесей, как правило, контролируют при помощи двух интегральных показателей: БПК и ХПК, то есть биологического и химического потребления кислорода. Оба этих параметра отражают, сколько требуется кислорода (или эквивалентного окислителя, например, бихромата калия или натрия) для окисления всех органических веществ в воде до более простых веществ, обычно — оксидов (воды, углекислого газа и других). При этом биологическое окисление протекает не так полно, как химическое, поэтому оно отражает содержание лишь «мягких», легкоокисляемых органических примесей. Неорганические вещества же чаще контролируются индивидуально, то есть, например, существуют нормы на все металлы (железо, марганец, медь и т.п.) и на различные анионы (нитраты, нитриты и прочее). Теперь можно переходить к обзору.

Пожалуй, именно эти методы являются самыми понятными с точки зрения обычного человека, так как с многими из них мы встречаемся в быту. Так, отбрасывание макарон на дуршлаг — это пример фильтрации, в результате которого вы отделяете воду от крупных нерастворимых примесей. Другими примерами механических методов будут отстаивание и процеживание, а также центрифугирование. Во всех этих случаях очистка достигается за счет или механического улавливания примесей в мелких ячейках сетки, или вынужденного оседания крупных частиц под действием гравитации (в случае центрифуги ее роль играет центробежная сила). Примеры механических очистных сооружений — это песколовки, отстойники, гидроциклоны и центрифуги, а также всевозможные фильтры. С их помощью успешно удаляют самые крупные загрязнения вроде песка, гари, стружки — то есть частиц размером не менее десятков и сотен микрон. Также механические методы позволяют снизить БПК на 20—25 процентов, так как задерживают крупные капли масел и других органических веществ.

Во многих случаях механические методы оказывается удобно совмещать с физико-химическими и химическими, что позволяет значительно снизить мутность воды и очистить ее от примесей с размерами частиц меньше микрона. Так, помимо оседающих веществ, которые можно отделить в результате отстаивания, существуют и коллоидные, частицы которых имеют размер меньше микрона и удерживаются в растворе благодаря постоянному тепловому движению, характерная энергия которого сопоставима по масштабу с силой тяжести. Можно было бы ожидать, что мелкие частицы рано или поздно должны слипнуться в более крупные и все-таки осесть, но коллоидные растворы обладают уникальной стабильностью, так как частицы отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических поверхностных сил. Для удаления подобных загрязнений в воду добавляют специальное вещество — коагулянт, который подавляет силы электростатического отталкивания и приводит к, собственно, коагуляции — то есть слипанию частиц в более крупные агрегаты. Их уже можно удалить механическими методами, поэтому на стадии отстаивания часто предполагается добавление коагулянтов, что резко увеличивает эффективность очистки. Для того чтобы ускорить образование хлопьев, добавляют еще и флокулянты — вещества, состоящие из тонких и длинных нитевидных молекул. В этом случае частицы загрязнений не только слипаются при контакте друг с другом, но и эффективно адсорбируются на волокнах флокулянта, что резко ускоряет процесс образования крупных хлопьев.

Отдельно можно упомянуть и электрокоагуляцию, в рамках которой вместо того, чтобы добавлять в воду в виде растворимых солей коагулянты, их получают электрохимически, пропуская через раствор электрический ток. В этом случае материал электрода (обычно железо или алюминий) растворяется с образованием соответствующих ионов, которые и оказывают коагулирующее действие. Такой подход удобен, так как не требует постоянной добавки реагентов, однако это компенсируется значительным расходом электроэнергии.

В некоторых случаях коагуляцию дополнительно усиливают, барбатируя (пробулькивая) через раствор пузырьки газа: взвешенные частицы налипают на них и всплывают вверх, где в дальнейшем удаляются механическим путем. Такой метод называется флотацией. Кстати, барботаж газа позволяет удалить не только нерастворимые примеси, но и растворенные газы. Это объясняется тем, что каждый пузырек фактически увеличивает поверхность раздела «воздух-вода»: легко представить, что любой газированный напиток гораздо быстрее «выдохнется» в плоской тарелке, чем в бутылке с узким горлом. При очистке ливнево-дренажных вод аналогом этой системы служат баки интенсивной аэрации. Помимо растворенных газов, в них также частично удаляются поверхностно-активные вещества вроде моющих средств, так как они адсорбируются на пузырьки, а потом удаляются с поверхности воды в составе пены.

Этот класс физико-химических методов основан на явлении адсорбции. В быту такие устройства можно встретить в составе фильтров-кувшинов для водопроводной воды: внутри фильтра установлены картриджи с веществом-адсорбентом (обычно на основе активированного угля), которое улавливает многие растворимые примеси. В промышленной очистке вод чаще всего сорбционные блоки устанавливаются, когда требуется провести тонкую очистку от органических загрязнений, например, если речь идет о сточных водах нефтеперерабатывающих предприятий.

Тем не менее, сорбционная очистка может оказаться эффективной и в случае минеральных загрязнений, в особенности — металлов. Тогда в качестве адсорбента применяются уже не угли, а специальные вещества — иониты, — способные участвовать в ионном обмене, то есть, сорбции ионов тяжелых металлов «в обмен» на безопасные ионы (натрий, калий, кальций, магний). На сегодняшний день разнообразие доступных ионитов довольно велико: существуют как минеральные ионообменники (цеолиты, например), так и органические (ионообменные смолы). Сорбционные методы очистки обладают одним свойством, которое является одновременно их недостатком и значительным преимуществом: адсорбированные на них вещества можно регенерировать, то есть выделить их обратно в том же виде для последующего использования. На практике это удается очень редко, однако сама возможность существует. Недостатком же это оказывается потому, что после определенного срока сорбент «забивается» и теряет свои характеристики, поэтому нуждается в замене.

В зависимости от конкретной задачи сорбционную очистку можно реализовать в различных вариантах. Например, в случае безнапорной статической сорбции сточные воды вместе с адсорбентом помещаются в резервуар и перемешиваются в течение заданного времени. При этом адсорбент можно ввести как в виде неподвижных модулей, так и в виде добавки, которую будут перемешивать вместе со стоком. Так происходит до тех пор, пока система не приблизится к равновесию, когда достигается максимально возможная адсорбция загрязнений из раствора. Эту процедуру можно последовательно проводить несколько раз, пока не будет достигнута требуемая степень очистки. Другой — напорный — подход сочетает в себе сорбцию и фильтрацию, то есть раствор продавливается через пористый адсорбент. Такой метод позволяет лучше контролировать процесс очистки и делает его непрерывным.

Перечисленные механические и физико-химические методы осуществляют очистку за счет эффективного разделения воды и концентрата примесей, причем эти примеси сохраняются в исходном виде. Такая очистка называется регенеративной. Однако существует возможность и нерегенеративной очистки, когда примеси переводятся в другую химическую форму, которую легче удалить из раствора. Эти методы называются химическими и хорошо подходят для удаления тяжелых металлов из сточных вод. Для этого к раствору добавляется щелочь (часто — гашеная известь, то есть гидроксид кальция), в результате чего соли металлов также переходят в гидроксиды, которые в большинстве случаев нерастворимы. Их осадок можно удалить одним из механических методов. Другим примером химических методов очистки может послужить окисление органических веществ, ответственных за высокие показания БПК и ХПК, а также окисление нитритов до нитратов. Для этих целей в воду добавляются специфические окислители или на этапе аэрации барбатируется кислород или озон. В отдельных случаях задача может решаться и при помощи биологической системы.

Итак, мы рассказали об основных способах очистки сточных вод, какие же подходят именно для ливневых и дренажных стоков? Чаще всего речь здесь идет о комбинации одного или нескольких механических методов очистки — отстаивания или фильтрации, причем уже на этих двух этапах добавляют коагулянты, флокулянты и другие реагенты для максимального осветления воды и осаждения примесей. Чтобы повысить эффективность отстаивания, применяются тонкослойные отстойники, рабочий объем которых разделен тонкими наклонными перегородками: в небольшом зазоре примеси оседают значительно быстрее, чем во всей толще воды, поэтому даже недолгое пребывание сточных вод в устройстве такого типа позволяет удалить большую часть взвешенных веществ. На этом же этапе возможно окисление органических примесей, что снизит БПК и ХПК. На следующих этапах в зависимости от точного состава примесей может потребоваться дополнительная аэрация для удаления различных форм азота, дополнительного окисления органики, а также удаления поверхностно-активных веществ и остаточных взвесей в составе пены. Наконец, на последнем этапе возможна доочистка вод на сорбционных и ионообменных фильтрах для окончательного удаления примесей тяжелых металлов и органических веществ.

Еще раз подчеркнем, что каким бы специфическим ни был проект, очистка сточных вод — это всегда прикладная задача, поддающаяся решению. Очистка ливнево-дренажных вод — лишь один из примеров, часто встречающихся на практике. В следующий текстах мы обсудим другие системы, для которых могут потребоваться другие подходы.