УТИЛИЗАЦИЯ БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Жуков Б.Д. (zhub@mail.ru)

Возможности утилизации компонентов стоков от автономных бытовых объектов с небольшим расходом воды начали серьезно рассматривать только недавно в связи:
- с проблемой дальнейшего ухудшения экологии окружающей среды, особенно в местах компактной застройки жилыми домами, не подключенными к центральной канализации;
- необходимостью прекратить необоснованные  потери ценных веществ, которые можно использовать как удобрение для растений;
- стремлением уменьшить нагрузку на очистные сооружения за счет уменьшения концентрации примесей в очищаемой воде.
Вкладывая в понятие “утилизация” смысл, повторное использование, обычно рассматривают следующие варианты децентрализованной очистки и утилизации стоков:
- очистка и полная утилизация стоков на месте;
- очистка и частичная утилизация стоков на месте. Избыточная вода инфильтруется в районе очистных сооружений или выводится за пределы участка.
Среди веществ, которые можно было бы эффективно утилизировать, находится значительная часть органических веществ, а также азот, фосфор, калий, микроэлементы. Это видно из табл. 4.1, показывающей составы вод септиков и мочи.
Между тем, значительное количество ценных питательных для растений веществ сбрасывается со сточными водами в реки, моря и океаны. В результате для человека эти вещества оказываются безвозвратно потерянными, а водоемам наносится значительный ущерб. Особенно критическая ситуация складывается с выносом фосфора. Простые оценки показывают, что добываемых на земле запасов фосфора хватит всего на 100 - 150 лет. Через это время, если не будут приняты меры к возврату в оборот большей части фосфора сельское хозяйство останется без фосфорных удобрений.
Принципиальные подходы к разработкам технологий утилизации определяют прежде всего факторы:
Т а б л и ц а  4.1
Состав воды в септике и мочи

Характеристика

Воды септика (по данным [25])

Моча (по данным)

Brandes (a)

Schonborn& Zust (b)

Среднее*

свежая [123]

[124]**

БПК, мг/л

149

142

184 (6)***

-

-

ХПК, мг/л

366

320

427 (6)

-

-

Растворенные твердые вещества, г/л

-

-

-

-

40 (36 - 47)

Nобщ, мл/л

11,5

-

22,6 (3)

7200 - 8500

11,4 (9,1 - 21)

NH4, мг/л

1,7

95,7

16,7 (3)

 

0,6 (0,2 - 1,1)

Робщ, мг/л

1,4 d

9,5

6 (6)

940 - 980

-

Мочевина, mM N

-

-

-

-

687 (467 - 1149

Калий, mM

-

-

-

-

70 (40 - 100)

Кальций, mM

-

-

-

-

5,9 (< 10)

Магний, mM

-

-

-

-

5,4 (2,5 - 8,3)

Общий азот, mM N

-

-

-

-

819 (650 - 1500)

Фосфаты, mM

-

-

-

-

20

a - воды от стиральной машины исключены; b - включая мочу.
* Пересчитано нами без учета данных столбцов a и b.
** Оценки выполнены авторами на основе литературных данных и приведены к 1 л свежей мочи человека весом 70 кг. Моча отбиралась утром у 10 здоровых человек.
*** В скобках приведено число источников.

- Необходимость физического уничтожения отходов.
- Невозможность длительного складирования отходов.
- Ограниченное пространство для размещения очистных сооружений.
- Экологические и санитарно-гигиенические аспекты.
- Экономические требования.
- Возможности, а иногда и необходимость повторно использовать воду и полезные  компоненты из нее.
Основные области утилизации сточной воды и компонентов включают:
1. Использование в сельском хозяйстве.
2. Повторное использование очищенных растворов моющих средств.
3. Получение метана из органических компонентов стоков и специально добавляемого в реактор растительного сырья.
Использование в сельском хозяйстве. Выделяют такие важнейшие направления сельскохозяйственного использования очищенных и специально подготовленных сточных вод:
- Полив растений открытого и закрытого грунта.
- Приготовление питательных смесей для выращивания гидропонных культур.
- Выращивание аквакультуры, в том числе рыбоводство.
- Получение органических удобрений (прямое компостирование и использование активного ила).
Экологические и санитарно-гигиенические аспекты орошения сельскохозяйственных угодий очищенными сточными водами широко обсуждаются в литературе.
В работе [127] приводятся доводы в пользу экономии воды, минеральных и органических удобрений и рассмотрены способы доочистки сточных вод, предполагаемых к повторному использованию. Одновременно приводятся стандарты и бактериальные нормативы для контроля сточных вод, рекомендованные ВОЗ в 1989 г. с учетом эпидемиологических данных по инфекционным заболеваниям за 50 лет. Эти стандарты смягчают требования в отношении фекальных колиформ, но оказываются более строгими по отношению яиц гельминтов (аскарид, власоглавов, анкилостомид), как наиболее опасных для здоровья людей и животных. Более 99,9% яиц гельминтов должно быть удалено из сточных вод во время предварительной подготовки. Рекомендовано также  в качестве организма - индикатора для всех крупных осаждаемых патогенов (цисты лямблий, амеб и др.) рассматривать яйца кишечных нематод.
Бактериальный норматив составляет среднюю геометрическую, равную 1000 ФКФ (фекальных колиформ) на 100 мл сточной воды, предназначенной для свободного полива. Часть нормативной информации приведена в табл. 4.2.
Для воды, используемой в технологии аквакультуры, в работе [127] приводятся предварительные стандарты. Причем опасность по крупным патогенам рекомендуется контролировать по трематодам. Стандартом является отсутствие жизнеспособных яиц трематод (описторхисов, клонорхисов и др.).
Авторы работы [128] изложили новый экологический подход к экспертно-аналитической оценке качества оросительной воды в системе вода - почва - растение, исключающий засоление и загрязнение орошаемых почв. Экологическую безопасность функционирования этой системы, по мнению авторов, должно обеспечить сбалансированное взаимодействие природных и антропогенных факторов. Был сформулирован ряд основных требований к качеству оросительной воды, в том числе:
- орошение не должно приводить к увеличению содержания водорастворимых солей, концентрации обменных ионов натрия и магния, повышению щелочности почвенного раствора и концентрации токсикантов;
- в результате орошения не должны изменяться агрономические и гидрофизические свойства почвы или содержание в ней гумуса.
Авторы считают, что для выполнения этих требований состав и минерализацию оросительной воды следует поддерживать близкими составу и минерализации почвенных растворов верхних горизонтов исходной почвы до орошения. На основе этого подхода сравнительно недавно были выработаны конкретные экологические требования к орошению почв России [129].


Т а б л и ц а  4.2
Микробиологические и паразитологические показатели качества сточных вод (СВ), используемых на орошение (по данным ВОЗ, 1989 г.) [127]


Класс СВ

Использование СВ

Среднее арифмет. число яиц нематод на 1 л*

Среднее геометр. число ФКФ на 100 мл**

Предлагаемая обработка СВ

Для орошения растений

А

Употребляемых в сыром виде, для спортивных площадок, парков

 

≤ 1

 

1000***

Серия стабилизационных прудов и др. или эквивалентное удаление патогенов

Б

Зерновых, технических, кормовых культур, пас-тбищ, деревьев****

≤ 1

Нет стандарта

8 - 10-дневная выдержка в стабилизационных прудах или эквивалентное удаление патогенов

В

При локализованной ирригации по классу Б, если нет опасности для людей

Нет нормы

Нет нормы

Обработка по технологии орошения не меньше первичной се-диментации

Для технологии аквакультуры

Г

В рыборазводных прудах, удобряемых сточными водами

-

1000

-

* Нематоды кишечные (аскариды, власоглавы, анкилостамиды).
** В течение периода орошения.
*** Более жесткие рекомендации (200 ФКФ на 100 мл) относятся к паркам, площадкам для гольфа, лужайкам, посещаемым людьми.
**** При орошении фруктовых деревьев полив прекращается за 2 недели до сбора плодов. Последние запрещается собирать с земли. Дождевание СВ не должно применяться.

Хотя требования распространяются на орошение поверхностными водами, тем не менее их можно положить в основу аналогичных  требований для орошения сельскохозяйственных угодий очищенными бытовыми сточными водами. Предложено пригодность воды для орошения оценивать по 10 показателям, характеризующим состав воды, почвы и его возможные изменения при взаимодействии. Фрагмент, раскрывающий границы этих показателей, приведен в табл. 4.3.
Среди ценных, пригодных к утилизации компонентов бытовых стоков важное место занимает фосфор. Фосфор в природе не нарабатывается вновь. Поэтому его вторичное использование имеет первостепенное значение. Авторы работы [123] со ссылкой на литературные источники показали, что 70% фосфора и 90% азота попадают в черные стоки с мочой. Эти же авторы указывают, что в моче в сбалансированном виде находятся многие необходимые для питания растений вещества.
Т а б л и ц а  4.3
Классы пригодности природной воды для орошения почв степной и сухостепной зоны и критерии их оценки [129]

Класс

pHп

pHв

Мв

Мв/Мп

Мв/Мр

SARп

SARа

SARп/
SARп

(CMg/CCa)В
(CMg/CCa)п

СiВ/Сiпдк

Вода, пригодная для орошения

1.1.

< 8,3

6,5-8,3

> 0,2

≤ 1

≤ 1

≤ 1(3)

≤ 1(3)

-

≤ 1(1,5)

≤ 0,5

1.2.

< 8,3

6,5-8,3

> 0,2

≤ 1

≤ 1

> 1(3)

-

≤ 1

≤ 1(1,5)

≤ 0,5

1.3.

8,3

6,5-8,3

> 0,2

≤ 1

≤ 1

≤ 1

≤ 1

-

≤ 1(1,5)

≤ 0,5

Вода, условно пригодная для орошения

2.1.

< 8,3

6,5-8,3

> 0,2

≤ 1

≤ 1

≤ 1(3)

≤ 1(3)

-

≤ 1(1,5)

0,5-1

2.2.

< 8,3

6,5-8,3

> 0,2

≤ 1

≤ 1

> 1(3)

 

≤ 1

≤ 1(1,5)

0,5-1

Вода, не пригодная для орошения

3.1.

> 6,0

£ 8,3

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

< 1

3.2.

> 6,0

< 6,5

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

> 0

< 1

Обозначения: "п", "в", "р" - почва, вода, растение; м - минерализация (г/л) или удельная электропроводность (См/м) раствора (оросительной воды или почвенного раствора); Cmg и Cca - концентрация ионов Mg и Ca       (мг-экв/л); СiВ - концентрация i-го токсичного компонента, содержащегося в воде (единицы измерения те же, в которых представлена предельно допустимая концентрация этого же компонента Сiпдк.
При расчете Мв/Мп в качестве Мр используется максимальная минерализация или удельная электропроводность раствора, при которой биологическая продуктивность культуры не снижается. Значения в скобках относятся к оценке пригодности воды для орошения почв, содержащих в пахотном слое СО2 карбонатов больше 0,5%.

Это подтверждается данными, приведенными в табл. 4.1. По оценкам других авторов [130], в результате жизнедеятельности одного человека в сточные воды ежедневно поступает 2 г фосфора и 13 г азота. Такое количество фосфора и азота достаточно для того, чтобы обеспечить удобрениями 250 - 350 м2 сельскохозяйственных угодий.
В связи с этим отмечается, что отделение мочи, ее накопление и применение в сельском хозяйстве может позволить существенно сократить сброс со сточными водами азота и фосфора. Это обстоятельство делает привлекательным накопление мочи и последующее использование в качестве удобрения в сельском хозяйстве.
В настоящее время в разных странах выполняются интенсивные исследования в области сбора и применения мочи в качестве удобрения. Наибольший опыт накоплен в Германии, Норвегии, Швейцарии, Швеции. Этому способствовало, по-видимому, принятие в указанных странах более жестких водоохранных нормативов, что в свою очередь приводит к появлению новых децентрализованных систем канализации, водоочистки и утилизации бытовых стоков.
При утилизации очищенных сточных вод рекомендуют использовать только внутрипочвенное орошение с помощью слегка заглубленных в почву распределительных труб с прорезями для вытекания воды. Для индивидуального садоводства представляет интерес способ орошения отдельных деревьев через питающий мини-колодец.
Такой колодец представляет собой шурф, заполненный обы-чно песком или другим дисперсным материалом, например, соломой. Шурф подготавливают с помощью бура в радиусе приствольного круга дерева или закладывают непосредственно при посадке дерева. Для этого в посадочную яму вставляют трубу соответствующего диаметра. Заполняют ее наполнителем. После посадки дерева трубу вынимают, следя за тем, чтобы ее загрузка осталась в посадочной яме. Верх колодца оформляют обрезком трубы или деревянной конструкцией.
Многие авторы [6, 51, 132] предлагают зимой, в условиях холодного климата, утилизацию очищенной воды выполнять главным образом в круглогодичной теплице. Возможно применение различных технологий выращивания растений в теплице, в том числе: гидропоника, аэропоника, на тонких пленках, на почвенно-компостном субстрате, орошаемом разбавленными сточными водами и др.
Есть указания [133], что в условиях тепличной культуры на тонких пленках молодые растения способны извлекать из сточных вод фосфор до уровней меньше, чем 0,01 мг/л, сохраняя высокую продуктивность.
Расход воды на полив растений в теплице зависит прежде всего от меры водопотребления выращиваемой культуры. Особенно много воды требуется для нормального развития овощных культур. Для оценки водопотребления наиболее популярных тепличных растений сибирского региона огурцов и томатов можно воспользоваться данными, приведенными в работе [134], для растений выращиваемых на малообъемных субстратах типа минеральной ваты (табл. 4.4).
В сумму общего расхода воды должны также включаться водоудерживающая способность, погодные условия и фаза развития растений, тем-пература, размеры самой теплицы и другие особенности. Для ориентировочных оценок в условиях индивидуальной теплицы можно принять расход воды равным 5 л/м2 теплицы, как это рекомендуется в работе [135].
Весьма привлекательным представляется использование очищенных сточных вод для полива промышленных насаждений ивняка, используемого в качестве топлива [45, 98]. По мнению авторов работы [98], для этой цели экономически выгодно иметь орошаемую площадку около 20 га. Было показано, что в условиях Германии прирост растений превышает 2 м в год. Окружность стеблей на третий год после посадки достигает 26 см и их можно срезать для употребления.
Заслуживает внимания и осуществляемый в Германии проект получения энергии из метана, вырабатываемого в реакторах из смеси активного ила с измельченной травой [130]. Предполагается, что трава будет выращиваться на плантациях, орошаемых частично очищенной бытовой сточной водой. Из предварительных исследований разработчики проекта выяснили, что перспективным видом травы для возделывания на плантациях, орошаемых сточными водами является канареечник (Phalaris arundinacea). Растение извлекает почти 70% поступающего со сточными водами азота и дает значительный прирост, позволяющий за лето сделать два укоса.
Утилизация растворов моющих средств. Снижение концентрации примесей в очищаемой воде повышает эффективность очистных сооружений. Авторы работы [136] показали, что СПАВ являются опасным химическим токсикантом для прикрепленной микрофлоры, перерабатывающей сточные воды в биореакторе.

Т а б л и ц а  4.4
Водопотребление культуры огурца и томата [134]

 

Месяц

Огурец (3,5 растения на 1 м2)

Томат (3,3 растения на 1 м2)

На 1 растение, л/сут

На 1 м2, л/сут

За месяц, л/м2

На 1 растение, л/сут

На 1 м2, л/сут

За месяц, л/м2

Март

0,48

1,64

35,81

0,86

2,84

87,98

Апрель

0,91

3,14

94,33

0,74

2,42

72,75

Май

1,33

4,52

141,75

0,85

2,81

86,96

Июнь

1,40

4,96

148,65

1,00

3,32

99,60

Июль

1,53

5,40

167,24

1,06

3,50

108,50

Август

1,33

4,60

142,13

0,92

3,03

93,98

Итого:

 

 

729,92

 

 

611,122

Поэтому даже частичное уменьшение концентрации СПАВ способно существенно повысить эффективность работы аэротенков. В частности, снижение концентрации СПАВ в сточных водах до 0,5 мг/л, как это требуют санитарные нормы, при доочистке воды в аэробном биореакторе с прикрепленной микрофлорой возможно в двух случаях:
- при увеличении времени обработки до 60 часов и выше;
- при снижении исходной концентрации СПАВ в поступающей на обработку воде до 2 - 3 мг/л. В этом случае время обработки может равняться 24 часам.
Следует отметить, что в масштабах крупных предприятий очистка растворов моющих средств отлажена очень хорошо. На эту тему имеется достаточно литературы, например [137]. Между тем, возможности регенерации и повторного использования растворов моющих средств в условиях децентрализованных систем водоочистки исследованы очень слабо.
Первые практические результаты в этом направлении были получены еще в 1933 г. Было показано [138], что при нагревании мицеллы мыла разрушаются, освобождая захваченные частички грязи. Это позволяет для очистки мыльных растворов воспользоваться способом, в котором предварительный нагрев отработанных растворов при температуре выше 100°С сочетается с последующим удалением грязи фильтрованием, центрифугированием или адсорбцией на подходящем адсорбенте.
Некоторое развитие применительно к бытовым моющим средствам, содержащим анионактивные СПАВ, идея регенерации моющих растворов получила в другой работе [139]: автор предлагает разрушать мицеллы мыла с захваченными частичками грязи при повышенных температурах (до 100°С) электродиализом и отделять загрязнения как и в предыдущей работе фильтрацией или центрифугированием. На основе этого предложения автор создал электрофильтр, который успешно работал на Киевском банно-прачечном комбинате.
Применение мембранных процессов (ультрафильтрация в сочетании с обратным осмосом) для очистки вод из душевых комнат описано в работе [140].
В настоящее время в связи с развитием биологических методов очистки сточных вод и ужесточенным экологическим контролем окружающей среды настоятельно рекомендуют применять в быту только биоразлагаемые моющие средства [1, 95]. Следует отметить, что выполнение этих рекомендаций не решает проблем, возникающих при залповом сбросе концентрированных растворов отработанных моющих средств или при недостаточном разбавлении поступающих на очистку моющих растворов.
Другие применения компонентов сточных вод. Использование в качестве органического удобрения активного ила, компостирование твердых примесей бытовых сточных вод и применение компоста весьма распространены в сельскохозяйственной практике многих стран [141]. Особенно перспективными оказываются, по мнению автора работы [142], мероприятия по рекультивации брошенных земель с помощью ила из очистных сооружений. Автор описал результаты эксперимента по восстановлению плодородия заброшенных земель в округе Сомерсет, США. Около 800 т воздушно-сухого компостированного ила вместе с добавкой извести были равномерно распределены на площади 4 га и смешаны с верхним слоем земли при помощи  дисковой бороны. Затем участок был засеян смесью травы и бобов. Растения взошли и прекрасно развивались. Какого-либо отрицательного воздействия на окружающую среду в этом опыте замечено не было.
В литературе описаны и другие положительные результаты рекультивации земель с помощью ила. Однако, в целом эта область утилизации компонентов сточных вод имеет специфичную агрономическую направленность и поэтому здесь более подробно не рассматривается.
Существуют также различные варианты применения очищенных сточных вод в технических целях. Значительный интерес, например, может представить использование сточных вод в качестве теплоносителя. Следует отметить, что технические применения очищенных сточных вод представляют и самостоятельный интерес. Между тем, ограниченный объем и направленность настоящего обзора не позволяют их рассматривать в рамках данной работы.

 


ООО «Сибирские водные технологии »
www.water-tec.ru