Городские сточные воды

В условиях продолжающегося роста населения мира и ускоренной урбанизации снабжение питьевой водой и организация очистки сточных вод  остается важнейшей проблемой для многих городов, особенно в развивающихся странах.  Организовать очистку сточных вод можно в масштабе городской местности (т. е. централизованная канализация) или в масштабе жилого дома, не подключенного к централизованной канализационной сети (т. е. отдельно стоящей канализации). Есть тенденция, что очистные сооружения будущего станут настоящими очистными сооружениями, где можно будет производить зеленую энергию, удобрения и драгоценные металлы, а очищенные сточные воды использовать повторно.

История городской гигиены

Самые ранние дренажные системы были построены в древние времена, например, знаменитая канализационная система Максима в Древнем Риме. После падения Римской империи от дренажной системы постепенно отказались. Сточные воды, навоз и другие отходы сбрасываются напрямую, вызывая неприятный запах, загрязнение колодезной воды и многие заболевания.

После последовавших за этим эпидемий холеры 19 века, охвативших земной шар, гигиеническое движение 1850-х годов выступало за строительство подземных дренажных систем  для отвода бытовых, ливневых и уличных стоков в реки или океаны. В результате протяженность канализационной сети в городе Париже увеличилась со 150 км в 1853 г. до почти 900 км в 1890 г. (в настоящее время около 2500 км). Закон, принятый в 1894 г., обязывал парижские здания сбрасывать отходы, дождевую и черную воду  во вновь построенную (так называемую комбинированную) дренажную систему . Так появилось понятие канализации.

Только в 1960-х годах новые городские районы и новые города начали строить отдельные дренажные системы для сбора и очистки бытовых сточных вод и дождевой воды соответственно. Сточные воды от загрязняющей промышленной деятельности не могут сбрасываться непосредственно в канализационную систему и должны утилизироваться самим промышленным сектором.

Сбросы сточных вод выносят проблемы загрязнения за пределы городов, вызывая все более серьезное загрязнение поверхностных вод. Самая ранняя технология очистки сточных вод появилась в 1860-х годах: сточные воды распылялись на песчаную почву, чтобы использовать ее очищающую способность при одновременном увеличении сельскохозяйственного и товарного производства овощей.

С непрерывным ускорением урбанизации и непрерывным увеличением сбора сточных вод площадь земель, используемых для очистки сточных вод, также увеличилась (около 1900 гектаров, до 5000 га в Париже). Мощность очистки сточных вод также медленно увеличивалась в период с 1870 по 1900 год благодаря удалению твердых частиц путем осаждения, химической обработки или анаэробной ферментации (в отсутствие кислорода) перед распылением.

В 1880-х годах появились высокопористые искусственные фильтры из кокса, зольного остатка, вулканического пепла и других материалов , что способствовало огромному развитию биопленочных  реакторов очистки (биологических фильтров) . Эти реакторы являются рассадниками бактерий. Первый реактор для очистки биопленки был построен в Солфорде (Великобритания) в 1893 году.

В 1914 году британские исследователи Арден и Локетт обнаружили, что контроль над загрязнением происходит намного быстрее при добавлении очищающих организмов, которые выросли в сточных водах, подлежащих очистки. Таким образом, они подали заявку на первый патент на процесс очистки, известный как процесс активного ила . Процесс не использует фильтры, а основан на культивировании очищенных организмов (активного ила), в значительной степени взвешенных в воде. Процесс был впервые реализован в Англии в 1914 году в виде одного реактора (последовательное периодическое питание), за которым в 1916 году последовал биореактор непрерывного действия с технологическим потоком, соединенным с отстойником (или отстойником).

Эти процессы продолжают совершенствоваться и сегодня благодаря достижениям в электромеханическом оборудовании и накоплению научных знаний с 1970-х годов в понимании и оптимизации реакций по устранению загрязнения азотом и фосфором (деазотирование и удаление фосфора). Хотя многие биофильтры и очистные сооружения с использованием активного ила были построены еще в 1920-х и 1960-х годах, только в 1970-х годах строительство очистных сооружений в развитых странах действительно начало ускоряться.

Зачем очищать городские сточные воды?

Состав городских сточных вод

Муниципальные сточные воды содержат большое количество органических и неорганических соединений, (содержащей мочу и фекалии), грязной воды из кухонь, прачечных и ванных комнат, а также поверхностных стоков. Для простоты анализа и регулирования неочищенные и очищенные сточные воды часто характеризуются составным показателем (выражаемым в мг/л), включающим несколько загрязняющих веществ:

• Содержание взвешенных твердых частиц (SM) , которое представляет собой загрязнение твердыми частицами, которое может быть задержано фильтром с размером пор 2 мкм. Они состоят примерно из 25 процентов минералов и 75 процентов органических веществ, называемых летучими. Летучие взвешенные вещества являются важным компонентом ХПК.
• Химическая потребность в кислороде (ХПК) — это количество кислорода, необходимое для полного окисления растворенных и взвешенных в нем органических загрязнений, включая как биоразлагаемые, так и небиоразлагаемые ХПК. Это полное окисление достигается за счет использования очень сильного окислителя (дихромата калия) в очень кислой среде и проведения реакции при температуре около 150 °C в течение 2 часов. Для неочищенных хозяйственно-бытовых сточных вод около 50 % ХПК находится в растворенном состоянии, а остальные 50 % — в взвешенном состоянии.
• Пятидневная биохимическая потребность в кислороде ( БПК ₅ ) относится к количеству кислорода, потребляемому бактериями для разложения биоразлагаемого органического вещества в них в течение 5 дней. Соотношение ХПК/БПК ₅ городских сточных вод высокое (2~5), что указывает на то, что органические загрязнители могут быть легко удалены биологическим путем на очистных сооружениях.
• Азот Кьельдаля  ( NK ) представляет собой сумму органического азота (включая мочевину, аминокислоты, белки…) и аммиачного азота (N-NH _{3 ).}
• Общий азот (NGL) относится к сумме органического азота, аммиачного азота, нитритного азота и нитратного азота. Ни одна из последних двух форм азота не присутствует в неочищенных муниципальных сточных водах.
• Общий фосфор (Pt) включает органический фосфор и неорганический фосфор.

Муниципальные сточные воды также содержат много неорганических и органических соединений в очень низких концентрациях (от нескольких нг/л до нескольких мкг/л). Основными видами микрозагрязнителей являются косметические средства, остатки пестицидов и инсектицидов, растворители, природные и синтетические гормоны, остатки лекарств, металлы и др.  В настоящее время особое внимание уделяется уровням концентрации остатков пестицидов, лекарственных средств и эндокринных разрушителей в притоках и стоках очистных сооружений.

Муниципальные сточные воды также содержат высокие концентрации фекальных микроорганизмов, особенно патогенных микроорганизмов, количество и вид которых зависит от состояния здоровья населения.

Воздействие сброса на водную среду

Сброс неочищенных городских сточных вод в поверхностные воды может вызвать визуальное загрязнение (плавающие вещества), снизить прозрачность воды и вызвать заиливание озер и рек. Сброс биоразлагаемых веществ усилит микробную активность в водоеме, что приведет к снижению концентрации растворенного кислорода и даже вызовет удушье и гибель других организмов в водоеме из-за недостатка кислорода. Выбросы азота и фосфора могут привести к эвтрофикации водоемов.

Сброс микрозагрязнителей может оказывать токсическое воздействие на животных и растения водной среды. Эти эффекты включают биоаккумуляцию стойких молекул в пищевой цепи, хроническую токсичность при очень низких дозах и изменения в работе эндокринной системы, которые могут привести к таким последствиям, как феминизация самцов рыб.

Обязательства по очистке сточных вод

Микроорганизмы, которые естественным образом существуют в поверхностных водах, могут разлагать загрязнители, вызванные сбросом сточных вод, но способность рек к самоочищению, как правило, очень недостаточна. Поэтому сточные воды перед сбросом в окружающую среду необходимо очищать на очистных сооружениях . Что касается различных комплексных показателей загрязнения, значение предельно допустимой концентрации очищенных сточных вод не должно превышать или должно достигать минимальной эффективности очистки, предусмотренной нормативными документами.

Как очищаются сточные воды?

Муниципальные сточные воды в основном очищаются биологическими методами в сочетании с процессами разделения жидкой и твердой фаз (осаждение, фильтрация, воздушная флотация) для удаления взвешенных твердых частиц и сохранения полученной биомассы. Биомасса для очистки состоит в основном из бактерий (первичных продуцентов), которые обладают свойством секретировать внеклеточные полимеры и могут образовывать осаждаемые хлопья или биопленки, в которых  другие микроорганизмы (простейшие, метазоа) также непрерывно размножаются.

Реакции биологического удаления органических веществ, азотных и фосфорных загрязнений требуют особых условий проведения (наличие или отсутствие растворенного кислорода, время пребывания биомассы в реакторе и т. д.). Удаление этих загрязнений или очистка воды осуществляется путем культивирования биомассы, взвешенной в воде или прикрепленной к наполнителю.

Биотрансформация загрязнений

Биоразлагаемое органическое вещество (состоящее из белков, жиров и углеводов) используется в качестве пищи микроорганизмами, называемыми гетеротрофными бактериями , поскольку они используют органический углерод в качестве источника углерода для своего развития и размножения (анаболизм ) и удовлетворения энергетических потребностей (разложение, метаболизма ). Производство новых клеток также требует участия аммонийного азота и фосфата. В присутствии растворенного кислорода или нитратов органические вещества в сточных водах превращаются в углекислый газ и биомассу примерно в равных пропорциях.

Основными реакциями трансформации азотных загрязнений на очистных сооружениях являются аммонизация, ассимиляция, нитрификация и денитрификация:

• Аммонизация  превращает органический азот (в основном содержащийся в мочевине сточных вод) в азот аммонийный. Эта реакция протекает быстро, эту реакцию могут осуществить многие виды микроорганизмов: Мочевина [CO(NH ₂ ) ₂ ] → аммиак [NH ₃ ] + углекислый газ [CO ₂ ]

• Ассимиляция относится к ассимиляции аммиачного азота бактериями с образованием новых биомолекул органического азота для синтеза новых бактерий.
• Биологическая нитрификация  превращает аммонийный азот (аммоний, NH ₄ ⁺ ) в нитритный азот (нитрит, NO ₂ ⁻ ) аммиакокисляющими бактериями , который затем превращается в нитратный азот (азотную кислоту) нитрифицирующими бактериями:

Аммоний [NH ₄ ⁺ ] → нитрит [NO ₂ ^– ] → нитрат [NO ₃ ^– ]

Эти реакции происходят только в аэробных условиях и осуществляются микроорганизмами, называемыми автотрофными бактериями , поскольку они используют неорганический углерод (CO ₂ или HCO ₃ ^– ) в качестве источника углерода для синтеза новых бактерий.

• Биологическая денитрификация  восстанавливает нитрат-ионы (NO₃ ^– ) до газообразного азота (N₂). На очистных сооружениях денитрификация может происходить только в отсутствие кислорода . Денитрификация осуществляется гетеротрофными бактериями и требует потребления органических веществ.

Если взять метанол (легко биоразлагаемая малая органическая молекула) в качестве примера органического вещества в процессе денитрификации, денитрификация сопровождается устранением органических загрязнений (окисляется до СО ₂ ):

Нитрат [NO ₃ ^– ] + метанол [CH ₃ OH] → азот [N ₂ ] + вода [H ₂ O] + диоксид углерода [CO ₂ ]

Как и при выносе аммонийного азота, рост биомассы при нитрификации сопровождается частичным выносом фосфора путем ассимиляции (синтезом фосфора в новые биомолекулы).

Для дальнейшего биологического удаления фосфора биомассу необходимо поочередно подвергать анаэробной и аэробной стадиям, в результате чего образуются фосфорудаляющие бактерии, называемые фосфораккумулирующими бактериями, обладающие свойством избыточно накапливать фосфор в своих клетках. Фосфор может составлять 10-12% сухого веса фосфорудаляющих бактерий, в то время как доля фосфора в сухом весе нефосфороудаляющих бактерий составляет 1-2%.

На очистных сооружениях биологическое удаление фосфора удаляет только около 40-60% фосфора. Для соблюдения нормативов требуется физическое и химическое удаление фосфора, путем добавления солей железа (обычно хлорида железа, FeCl ₃ ) и далее образования осадков фосфата железа.

Интенсивные процессы, используемые на крупных очистных сооружениях

Очистка городских и поселковых сточных вод, как правило, осуществляется на централизованных очистных сооружениях, где микроорганизмы, используемые для очистки сточных вод, либо взвешены в воде (так называемый активный ил), либо закреплены на упаковке (погружной биофильтр). Преимуществом этих очистных сооружений является их небольшая занимаемая площадь. Однако эти очистные сооружения потребляют много энергии (около 60-90 кВтч/человек/год), особенно для снабжения бактерий кислородом посредством перемешивания и аэрации. Они производят большое количество избыточного ила (20-22 кг сухого вещества на человека в год), состоящего в основном из биоразлагаемых взвешенных веществ и биомассы, образующейся в биореакторах.

Установка очистки сточных вод с активным илом включает в себя:

• предварительная обработка для удаления крупного мусора (решётка), песка (удаление песка) и жира (обезжиривание);
• реактор с активным илом;
• отстойники (так называемые осветлители);
• третичная очистка (например, дезинфекция с помощью УФ-облучения).

КОС с активным илом обычно состоят из двух или трех последовательно соединенных биореакторов, компоновка и условия работы которых выбираются для оптимизации эффективности удаления органических веществ, азотных и фосфорных загрязнений. В отстойнике бактериальные хлопья, образующиеся в резервуаре с активным илом, подвергаются разделению жидкость/твердое вещество, то есть очищенные сточные воды перетекают из верхней части отстойника, а ил оседает на дне отстойника. Часть ила возвращается в биореактор, а оставшаяся часть направляется в систему обработки ила и регенерации ресурсов/энергии.

Замена осветлителей пористыми мембранными фильтрами позволяет достичь более высоких концентраций биомассы в биореакторах (мембранных биореакторах ). По сравнению с осаждением мембранная фильтрация может гарантировать, что очищенная вода не содержит взвешенных веществ и лучше удаляет бактерии.

Установка биофильтрационной очистки сточных вод.

Этот процесс, разработанный в 1980-х годах, удаляет органические и азотные загрязнения за счет прикрепленной растительной биомассы, которая образуется в погружных фильтрах. Среда (размер частиц: 4-6 мм) в фильтре является как наполнителем для роста биопленки, так и фильтрующей средой. Очищенная вода на выходе из биофильтра может быть сброшена непосредственно в приемную водную среду (осветлитель не требуется). Во избежание слишком быстрого забивания биофильтра взвешенные твердые частицы в сточных водах должны быть полностью удалены перед биофильтрацией. Ежедневная очистка биофильтра позволяет удалить из фильтра взвешенные твердые частицы и биомассу, образующиеся в процессе фильтрации.

Станция очистки сточных вод будущего: настоящая установка по регенерации энергии и ресурсов

Основной целью очистных сооружений является уменьшение количества загрязняющих веществ, выбрасываемых в окружающую среду. Они также могут стать настоящими фабриками по производству экологически чистой энергии, сырья или повторного использования очищенной воды . Эти новые функции являются частью инициатив устойчивого развития, экономики замкнутого цикла, производства возобновляемой энергии и глобального потепления, разработанных городами и местными властями.

Производство зеленой энергии

Сточные воды, производимые на одного жителя в год, соответствуют от 20 до 25 кг (сухой вес) шлама, образующегося на очистных сооружениях. Этот ил содержит около 65% органического вещества, азота и фосфора и давно используется в сельском хозяйстве (удобрение, компостирование). В настоящее время они все чаще используются на крупных очистных сооружениях для производства возобновляемой энергии. Сжигание шлама (отдельно или вместе с бытовыми отходами, или используемое на цементных заводах) снижает потребление ископаемого топлива.

Анаэробное сбраживание  осадка очистных сооружений на человека в год дает около 6 м3 биогаза (содержащего 65 % метана и 30 % углекислого газа). После очистки биогаз можно использовать для отопления или выработки электроэнергии, либо закачивать в городскую газовую сеть. Метанирование осадка очистных сооружений является хорошо отработанным процессом, и в настоящее время строятся новые установки, чтобы найти способы увеличения выхода и извлечения биогаза.

При наличии достаточного напора и объема в трубах до или после очистных сооружений можно установить турбины для преобразования энергии воды в электричество. В результате Швейцария может получать не менее 9,3 ГВтч/год гидроэлектроэнергии из сточных вод рентабельным способом и уже достигла производственной мощности 3,5 ГВтч/год.

Тепловая энергия сточных вод  является возобновляемой энергией . Теплообменники могут использоваться для рекуперации тепловой энергии из канализационных сетей или очистных сооружений для теплового насоса и охлаждения. В настоящее время рекуперация тепла сточных вод переживает очень быстрый этап развития для производства горячей воды для бытовых нужд, отопления и кондиционирования воздуха в общественных зданиях, бассейнах и других зданиях. В настоящее время проводятся пилотные исследования по выращиванию микроводорослей с использованием азота и фосфора из очищенных сточных вод в качестве источника питательных веществ для производства биотоплива.

Производство сырья/восстановление ресурсов

Фосфор можно осаждать из сточных вод (в виде частиц фосфата кальция или струвита) и использовать в качестве сельскохозяйственного удобрения. Результаты одного из первых промышленных проектов по извлечению фосфора (орхусская очистная станция, Дания, 85 000 населения в эквиваленте) показали, что на одного жителя в год выбрасывается 700-750 г фосфора, из которых 60% могут быть восстановлены.

Сточные воды содержат драгоценные и редкие металлы , такие как медь, серебро, золото, платина, палладий, ванадий и др. Согласно результатам исследования Аризонского государственного университета, город с населением 1 миллион человек производит осадок очистных сооружений на сумму 13 миллионов долларов США каждый год. год.металлов, содержащих золото и серебро, в том числе на 2,6 млн долларов. Эти металлы присутствуют в осадках очистных сооружений. В Японии завод по очистке сточных вод начал извлекать золото из золы сжигания осадка сточных вод.

Недавние пилотные исследования показали, что можно использовать бактерии для преобразования органических веществ в сточных водах или осадках очистных сооружений для производства биоразлагаемых биопластиков (полигидроксиалканоатов: ПГА). Станция очистки сточных вод с масштабом очистки, эквивалентным 1 миллиону населения, может производить 18 000 тонн ПГА в год.

Оборотные сточные воды

Многие части мира сталкиваются с сезонной и даже постоянной нехваткой воды, и очищенные сточные воды могут быть повторно использованы для восполнения нехватки воды. Их можно использовать для орошения зеленых насаждений и полей для гольфа, орошения сельскохозяйственных угодий, удовлетворения промышленных потребностей в воде или производства питьевой воды (непосредственно при производстве питьевой воды или опосредованно путем подпитки резервуаров или инфильтрации в подземные водные объекты при производстве воды). В зависимости от цели повторного использования сточных вод, сточные воды должны пройти соответствующую доочистку после обработки на очистных сооружениях, начиная от простой дезинфекции и заканчивая гораздо более сложной серией обработок.

Ссылки

Фекальные воды из туалетов.

Tabuchi JP (2008) Очистка городских сточных вод в Париже, Нанте, Управление водного хозяйства Сены-Нормандии, 35 страниц.

Биопленки представляют собой сообщества микроорганизмов (бактерий, грибков, водорослей или простейших), которые прилипают друг к другу и к поверхности, отмечены секрецией липкой и защитной матрицы. Обычно он образуется в воде или фильтрующем материале для воды.

Очищающая функциональная биомасса в активном иле состоит из смеси живых или мертвых микроорганизмов (бактерий и актиномицетов), органических и/или минеральных фрагментов, коллоидов и микрофауны, состоящей из мелких животных. Кластеры связаны с местоположением.

Например, растительные остатки (загрязнение твердыми частицами) окисляются дихроматом калия до диоксида углерода в кислой среде, при этом расходуется кислород (потребление 1 моля дихромата калия = потребление 1,5 моля кислорода).

Метод Кьельдаля — это метод, разработанный в 1883 году датчанином Кьельдалем для определения содержания азота в образце. Позже он был сильно модифицирован и стал известен как азотный тест Кьельдаля, Уилфорта и Ганнинга.

Молекулы, выделяемые микроорганизмами, которые агрегируют, например, в биопленках.

Сточные воды содержат большую часть органических веществ, состоящих из коллоидов, которые не могут агрегировать из-за их отрицательного заряда. Чтобы дестабилизировать эту суспензию и восстановить соединения, необходимо способствовать слиянию коллоидов за счет уменьшения электростатического отталкивания коллоидов, что является стадией коагуляции. Крошечные хлопья агломерируются друг с другом, образуя более крупные листы, пока они не станут оседать под действием силы тяжести, и образуются хлопья.

PE = эквивалент населения. Единица измерения, используемая для оценки мощности очистки сточных вод, основанная на количестве загрязняющих веществ, выбрасываемых на человека в день, что эквивалентно 60 граммам БПК ₅ в день .

Снижение количества бактерий соответствует уменьшению количества бактерий в окружающей среде после очистки сточных вод.

Found E. (2010) Научная хроника будущих очистных сооружений 17, стр. 13.

ARMC, Управление водных ресурсов Роны-Средиземноморья Корсики (2016 г.). Очистные сооружения будущего.

Буске К., Самора И., Мансо П., Шляйсс А., Лука Росси Л., Хеллер П. (2015). Турбина очистки сточных вод – каков потенциал Швейцарии? Аква и Газ, 15, 54-61.

Температура сточных вод составляет от 12°C до 20°C, что зависит от времени измерения и сезона.

Де Бац С., Ван ден Босше Х. (2007 г.) Производство возобновляемой энергии с помощью систем очистки сточных вод – несколько примеров. Технические науки и методы, 12, 67-83.

Вестерхофф П., Ли С., Ян Ю., Гордон Г.В., Христовски К., Халден Р.У., Херкес П. (2015). Характеристика, потенциал извлечения и оценка содержания металлов в городском иле с очистных сооружений в США. Экологические науки и технологии, 49(16), 9 479-9488.

Сооружение по очистке сточных вод в городе Сува недалеко от Нагано (Центральная Япония) извлекает 1890 граммов золота на тонну золы от сжигания осадка. Высокая весовая доля золота в золе сжигания может быть связана с большим количеством производителей точного оборудования в регионе. Это содержание золота намного выше, чем у золотых приисков. Например, на руднике Хишикари в Японии (Sumitomo Metal Mining Co., Ltd.) содержание драгоценных металлов составляет от 20 до 40 граммов на тонну руды.

 J. Haarhoff, B. Van der Merwe (1996) 25 лет регенерации сточных вод в Виндхуке, Намибия, Water Science and Technology 33 (10-11) 25-35.

ДЕ ЛААТ Джозеф (2022), Зачем и как очищать городские сточные воды? , Энциклопедия окружающей среды, [Онлайн ISSN 2555-0950] Доступно по адресу: https://www.encyclopedie-environnement.org/en/eau-en/why-how-treat-urban-wastewater/.