Живая и мертвая вода: как очищают канализационные стоки

В микрорайонах Находки Ливадия и Южно-Морской собираются в 2023-2025 годах совершенствовать систему очистки сточных вод. Ее уже частично реконструировали в 2017 году, и этот процесс продолжается вместе с развитием города. Находка растет и меняется, у города появился свой мастер-план с амбициозными целями, и эти обновления невозможны без модернизации объектов ЖКХ. Поэтому в комплексном плане предусмотрено строительство новых очистных сооружений, подводящих канализационных коллекторов и глубоководных выпусков. Эти меры остановят сброс в акваторию недостаточно очищенных сточных вод, состояние которых — принципиальный вопрос экологии.

Для многих системы водоснабжения сродни магии. Обычно люди не задумываются, куда вода исчезает после звука слива, и откуда потом берется в кране чистой и без дополнительных ароматов. А между тем, это одна и та же река, в которую мы входим дважды, – в прямом смысле. На канализационных системах и очистных сооружениях строятся жизнь и здоровье целых городов и экосистем. Давайте разберемся, как они функционируют.

Сточные воды – это воды, которые уходят в водоемы через канализацию или самотеком с предприятий или населенных пунктов. В зависимости от происхождения, они делятся на производственные, хозяйственно-бытовые и атмосферные (ливневые) воды. К производственным относят стоки с промышленных объектов. Хозяйственно-бытовые воды – это жидкости санузлов, кухни, стиральной и посудомоечной машин, то есть все, чем пользуются люди в своих домах. А атмосферные стоки формируют дожди, талые воды, поливка улиц и зеленых городских зон. От того, какие виды сточных вод обрабатывает очистное сооружение, зависит выбор методов, которыми на нем пользуются, и, соответственно, его масштабы.

Первое, что делают со сточной водой – очищают ее от крупного мусора. Это метод механической очистки, на стадии которого воду процеживают через решетки и сита. На них остаются нерастворимые втулки, ветки, ватные палочки, влажные салфетки и прочее содержимое квартир и улиц.

Дальше воду фильтруют через пористые материалы, чтобы отделить ил, песок и окалину. А потом освобождают от песка в отстойниках – гигантских контейнерах глубиной 3-4 метра и/или прокручивают на центрифугах. И после этого она уходит на дисковые фильтры, мембраны или септики для очищения от мелких загрязнений — частиц ржавчины, ила, глины, планктона и т.п.

Остальные этапы на очистных сооружениях комбинируются в зависимости от характера сточных вод. После механической очистки вода может отправиться на химическое и физико-химическое очищение, где избавится от растворенных и взвешенных веществ.

При химическом очищении вода проходит стадии нейтрализации, окисления и восстановления. Нейтрализация – это обработка стоков кислотами и щелочами для улучшения показателя pH. Окисление лишает вредных свойств токсичные вещества – например, цинк и цианид меди за счет добавления в воду окислителей: кислорода, хлора и его диоксида, гипохлорида кальция и натрия. Восстановление применяют для извлечения тяжелых металлов из промышленных стоков.

Набор юного физико-химика (сорбция, аэрация, коагуляция, экстракция, эвапорация, флотация, электролиз, ионный обмен и кристаллизация) справится даже с мельчайшими загрязняющими частицами. Он работает так. Во время сорбции в воду погружается сорбент, поглощающий загрязняющие вещества. При аэрации воду насыщают кислородом, чтобы очистить от примесей сероводорода, марганца, железа и прочих, и удалить неприятный запах. Аэрация проходит в аэротенке – специальном очистном модуле. Здесь же канализационную воду обрабатывают бактерии, микроорганизмы, грибы, иногда черви, коловратки, насекомые, их личинки, и другие приятные и полезные существа. Они формируют главную часть стадии биологической очистки — биомассу активного ила. Активный ил «поедает» загрязнения, в частности, избавляет воду от азота и фосфора, которые вызывают цветение водоемов и гибель рыб.

Коагуляция слепляет друг с другом слишком легкие частицы взвесей. Так они укрупняются и утяжеляются, чтобы выпасть в осадок. Во время экстракции смешивают органический раствор и воду до полного соединения, а затем отстаивают до полного разделения слоев и выпадения осадка. Эвапорация позволяет фактически выпарить летучие вещества – фенол, нафтол, крезол и прочие из воды, а пар затем поступает на температурную обработку, после которой готов к повторному использованию.

С помощью флотации воду насыщают пузырьками кислорода, к которым прилипают загрязняющие частицы нефтепродуктов, волокон и жиров. Любопытно, что пузырьки должны быть подходящего размера: слишком маленькие не выдержат дополнительных пассажиров в виде грязи, и лопнут. А слишком большие быстро всплывут на поверхность, не дожидаясь утяжеления загрязняющими частицами. Размер пузырьков подбирается экспериментально.

Еще один вид физической очистки – электролиз. Им обеззараживают воду от микроорганизмов: через жидкость пропускают постоянный электрический ток, от чего на электродах установки образуются и выделяются озон, гипохлорит натрия, перекись водорода и другие соединения, нейтрализующие микроорганизмы. А сырье для образования обеззараживающих веществ, по факту – состав воды: водород, кислород и соли, находящиеся в неочищенной воде.

Ионный обмен – самый эффективный и распространенный способ смягчить воду. В процессе него из жидкости удаляют кальций, магний, соли тяжелых металлов, железо. Ионообменный материал фильтра содержит иониты – нерастворимые вещества (чаще неорганические смолы), которые обмениваются своими ионами с ионами окружающего раствора. За счет обмена ионов жесткие соли замещаются на мягкие натриевые.

Кристаллизацию воды используют при значительных загрязнениях частицами, способными образовывать кристаллы. Чаще всего этот метод применяют после выпаривания, чтобы ускорить образование кристаллов.

Кроме этих методов очистки, есть и другие – обеззараживание воды ультрафиолетом, мембранная биоаугментация, очистка наночастицами и прочие. Идут разработки новых способов превратить фекалии (а также нефть, антибиотики, жир и моющие средства) в воду, пригодную к использованию. Российские ученые, например, уже создали покрытие на основе нитрида бора, которое извлечет из раствора антибиотики, биокомпозитный материал для удаления из сточных вод нитрит–, нитрат– и фосфатионов, и запатентовали фотокатализатор с термостабильным микропористым покрытием из частиц диоксида титан-кремния для очистки воды от фенольных соединений.