Жизненные проблемы современного общества отличаются от проблем нескольких десятилетий назад. Сегодня угроза жизни не ограничивается атомной опасностью, а связана с растущей уязвимостью к экологическим проблемам. Одной из главных проблем является недостаток чистой воды, ее загрязнение, несоблюдение санитарно-гигиенических норм, что может негативно сказаться на здоровье населения.
Современные технологии позволяют успешно решать проблемы водоснабжения. Для обработки больших объемов воды с низкими концентрациями растворенных веществ необходимы крупногабаритные установки, селективные методы очистки. Основной целью водоподготовки является достижение физических, биологических показателей воды, удовлетворяющих требованиям ГОСТ и эксплуатационным условиям оборудования.
Для очистки природной воды, которая представляет собой сложную дисперсную систему, содержащую большое количество растворенных, взвешенных веществ различного типа, используют целый комплекс методов и биологических технологий. Каждый из них направлен на устранение определенных групп загрязнений, поскольку применение универсального метода для удаления всех примесей невозможно.
В результате современных методов очистки решается проблема доступа к чистой питьевой воде, сохраняется баланс природы, что является важным направлением развития технологий и обеспечивает устойчивое будущее для всего человечества.
Они включают физические, химические, биологические, а также комбинированные методы. Физическая очистка удаляет крупные частицы, химическая — растворенные примеси, а биологическая — органические вещества. Комбинированные методы объединяют несколько способов для достижения максимальной эффективности.
Чтобы обеспечить эффективность фильтрации, применяются различные методы, начиная от физических способов, таких как фильтрация, отстаивание до химических и биологических методов. Физические способы применяются на начальном этапе для удаления крупных примесей, которые могут привести к повреждению оборудования и выходу из строя фильтрующих материалов. Химические и биологические методы используются для удаления растворенных или органических загрязнений соответственно.
Химический метод основан на способности различных химических соединений взаимодействовать между собой. Введение специальных реагентов может инициировать определенные химические реакции, в ходе которых токсичные вещества преобразуются в безопасные соединения или связываются в труднорастворимые соединения. Эти соединения затем удаляются путем фильтрации или других методов отделения.
Физико-химические процессы комбинируют воздействие физических явлений и химических реагентов. Эти методы основаны на свойствах удаляемых загрязнений, которые активизируются специально вводимыми веществами, инициирующими химические и физические процессы. Физико-химическая очистка позволяет удалять как минеральные загрязнители, так и органические вещества, ионы металлов, растворенные газы.
Биологические способы представляют собой относительно новые, но перспективные методы удаления нежелательных элементов, соединений с помощью живых микроорганизмов, специальных бактерий и грибов. Эти методы основаны на способности живых организмов выборочно поглощать загрязнения как источник питания для своей жизнедеятельности.
Применение биологической очистки воды чаще всего происходит в замкнутых системах водоснабжения с использованием активного ила. Активный ил — это серо-бурая кашицеобразная субстанция со специфическим запахом, в которой обитают микроорганизмы, ответственные за очистку. Этот ил оседает на дне сооружения, позволяя отделить чистую воду от отработавшего ила. Микроорганизмы для биологической очистки воды делятся на два класса: аэробные, которым необходим кислород для жизнедеятельности и окисления, и анаэробные, которые функционируют в безкислородной среде. Выбор определенных видов микроорганизмов зависит от состава жидкости, а эксплуатационные условия устройств для биологической очистки соответственно корректируются.
Основана на принципах физической фильтрации. В процессе очистки, водный раствор пропускается через слой загрузки, который предварительно покрыт биопленкой из аэробной микрофлоры. Чтобы обеспечить активное расщепление загрязнений, жидкость в биофильтрах принудительно аэрируют. Однако также возможна естественная циркуляция воздуха.
Аэротенки и метатенки представляют собой устройства для более сложной биологической фильтрации. Внутри аэротенков очистка воды происходит при обязательной принудительной аэрации. Перед прохождением в аэротенк, водный раствор смешивается с активным илом, затем пропускается через взвесь воздушного потока. При этом жидкость насыщается кислородом, что активизирует процессы окисления и разложения загрязнителей, а также способствует постоянному перемешиванию раствора. Если использовать кислород вместо воздуха, эффективность биологической фильтрации возрастает кратно — такие установки получают название «окситенки».
Бескислородная биологическая очистка сточных вод с помощью анаэробных микроорганизмов чаще всего происходит в метатенках. Главной особенностью данного процесса является отсутствие необходимости аэрации. В результате химических процессов окисления и питания анаэробных организмов образуется биогаз. В резервуар метатенка подается концентрированный осадок из отстойников, где он подвергается брожению. Для ускорения процесса используется повышение температуры до 35°С при мезофильном брожении, и до 55°С при термофильном. Этот сложный процесс проходит в несколько этапов и завершается получением чистой жидкости и метана — дружественного для экологии топлива.
После механической и биологической очистки на выходе формируются различные осадки органических соединений. К таким осадкам относятся крупные частицы, которые оседают на фильтрах, а также осадок из первичных отстойников, активный ил и биологическая пленка, образующиеся в устройствах аэробной биологической фильтрации. После измельчения, эти отходы направляются в специальный проток перед первичными отстойниками, где они улавливаются, перемещаются в сырой осадок. Суммарное количество осадков составляет около 1% от объема обрабатываемой воды, из них 50 — 75% составляет активный ил.
Для повышения эффективности существуют методики, которые используют активированный уголь. Его добавляют в воду на входе в аэротенки, количестве 150 — 250 мг/л или в адсорбер с принудительной аэрацией. Этот метод перспективен, так как он повышает качество фильтрации и позволяет уменьшить габариты очистных установок на 20 — 30%.
В современных системах водоподготовки методы очистки используются комплексно, дополняя друг друга для повышения эффективности. Отсутствует универсальный способ избавить воду от всех загрязнений путем проведения одной технологической операции. Комплексный подход предполагает использование различных фильтрующих систем, аэрационных колонок, установок ионного обмена, обратного осмоса, УФ-стерилизаторов, других методов очистки. Такой подход позволяет эффективно справляться с разнообразными видами загрязнений, обеспечивать экологическую устойчивость и благополучие для нашей окружающей среды.