9.2.5 Биологический метод очистки сточных вод

Биологическая очистка СВ применяется для выделения из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ и основана на способности микроорганизмов использовать для своего питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, углеводы и т. п.). Процесс очистки реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью. В ходе первой стадии происходит адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных органических веществ. В ходе второй стадии происходит разрушение адсорбированных веществ внутри клеток микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окисление или восстановление). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от вида и свойств микроорганизмов.

Биологическую очистку осуществляют и в природных, и в искусственных условиях. В природных условиях очистка происходит на полях фильтрации, на полях орошения, в биологических прудах. Для искусственной биологической очистки применяют специальные сооружения – аэротенки (железобетонные резервуары), очищающим началом в которых служит активный ил (биоценоз). Активный ил представляет собой совокупность микроскопических растений и животных, созданную искусственным путем. Такой компонент в природе не существует. Аэротенк снизу продувается мощным потоком мельчайших пузырьков воздуха, создающим избыток кислорода. В среде органических веществ (сточных вод), при избытке кислорода в активном иле бурно растут и развиваются бактерии и микрофауна. Бактерии склеиваются в хлопья, обладающие большой рабочей поверхностью, при этом выделяются ферменты, расщепляющие органические загрязнения до простых минеральных веществ. Бактерии активно делятся, их масса увеличивается, склеивается в хлопья и вместе с илом оседает на дно, отделяясь от чистой воды. Таким образом осуществляется минерализация загрязнений сточных вод. Очищенная вода после биологической очистки проходит процесс хлорирования, а ил включается в новый цикл очистки. Время процесса – 6–12 часов.

9.3 Современные технологии утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов

Одним из следствий бурного развития промышленности и сель­ского хозяйства в результате научно-технической революции вто­рой половины XX в. стало обострение проблемы отходов. Социологи вывели прямую зависимость между ростом благосостояния и коли­чеством бытовых отходов (мусора). Отходы – это то, что не может использоваться в данном производстве. Таким образом, объемы отхо­дов определяются исходя из данного уровня развития технологии. Если первоначально решение проблемы виделось преимущественно в их уничтожении – закапывании, сбрасывании в моря, сжигании, то с усилением загрязнения окружающей среды на передний план выш­ли иные, экологически более приемлемые меры устранения отходов: их сортировка и повторное использование – рециклинг ресурсов.

Как утверждают специалисты, с начала ХХ века в России накопилось 80 млрд т твердых отходов и ежегодно к ним добавляется еще по 7 млрд т. Ежегодное количество твердых бытовых отходов – 130–140 млн м³, из них большая часть – токсичные и особо токсичные.

В настоящее время при использовании современной техники и технологий не бо­лее 10% сырья из недр и с поверхности планеты пре­вращается в готовую продук­цию, а 90% идет в отходы, за­грязняющие биосферу. Ис­пользование сырья выглядит следующим образом:

• на каждого человека еже­годно добывается и выращивается 20 т сырья, которое с помощью энергетической мощности 2,5 кВт и 800 т воды перера­батывается в конечные продукты массой 2 т, идущие на прямое потребление;

• в течение первого года 1 т из 2 т выбрасывается, вторая тоже выбрасывается позднее.

Из 100 млрд т руды, горных веществ, строительных материалов, извлекаемых из Земли ежегодно, лишь небольшая доля воплощается в готовые изделия, основная же масса (98–99%) идет в отходы. В частности, для получения 1 т цветных металлов (это еще не конечный продукт) необходимо добыть на рудниках и переработать руды для олова – 300 т, для никеля – около 200 и для меди – 90–100 т. При этом для получения 1 т металла расходуется электроэнергии (кВт-ч): для меди – 1100, свинца – свыше 4000, алюминия – 20000, никеля – около 40000. Удельный расход условного топлива составляет около 330 г на 1 кВт-ч, отсюда можно легко подсчи­тать расход топлива в производстве различных цветных металлов.

Избавиться от твердого мусора можно тремя способами: закапывать, сжигать и утилизировать.

Захоронение твердых отходов. Доля отходов, которые подвергаются захоронению или которые вывозятся на свалки, в настоящее время очень велика.Найти новые свалки трудно из-за недостатка земли и протестов местных жителей.

Специальные полигоны, действующие в течение 25 лет, отчуждают значительные площади. После полной загрузки полигона его закрывают растительным грунтом, поверхность которого в дальнейшем может быть использована для устройства парков, садов, игровых площадок. В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых промышленных отходах, находящихся в насыпях полигона, возникает анаэробный процесс, при этом выделяется биогаз (смесь метана и углекислого газа), который при определенных условиях можно использовать как топливо. Такой опыт имеется. При высоте засыпки отходов 7 м и более этот газ отбирают с помощью труб. Дополнительные устройства, необходимые для отбора биогаза и его утилизации, быстро окупаются. Однако мусорные свалки занимают много места и быстро заполняются, а сжигание загрязняет воздух.

Сжигание твердых отходов. В 70–80-е гг. получила развитие термическая переработка отходов путем сжигания их в печах на мусоросжигательных заводах. Такие заводы работают во многих странах мира, в Москве, в Санкт-Петербурге, в Мурманске и в других городах страны. Существующие системы сжигания дают высокую степень деструкции отходов (до 99%), позволяют рекуперировать отходящее тепло. Однако недостатки таких систем более существенны. Во-первых, стоимость процесса сжигания в сравнении с традиционными методами (вывозом на свалку, сбросом в море, захоронением в отработанные шахты) достаточно высока. Во-вторых, мусоросжигательные установки являются источниками выбросов в атмосферу соединений цинка, олова, кадмия, хлористого, фтористого водорода и других вредных веществ. Среди токсичных металлов особо опасна ртуть, которая в процессе сжигания вследствие повышенной летучести легко переходит в парообразное состояние и выделяется в атмосферу. Только соответствующая тщательная сортировка и подготовка мусора, а также эффективная очистка дымовых газов (с использованием электрофильтров) могут снизить уровень загрязнения атмосферы.

Переработка твердых отходов. Круговорот веществ в природе – прекрасный пример безотходного производства. Отходы природных процессов (сухостой, листья и т. п.) преют, перегнивают и естественным путем удобряют землю. Аэробы – это микробы, которые дышат кислородом и перерабатывают легкогниющие вещества в органические удобрения, богатые азотом, т. е. – в компост. При этом выделяется тепловая энергия. Природа подсказала людям схему технологии компостирования бытовых отходов.

В 1970 г. в г. Ленинграде был пущен в эксплуатацию опытный завод по механизированной переработке бытовых отходов. На начальном этапе переработки из массы отходов выделялся черный металл электромагнитными сепараторами. Далее отходы измельчались в дробилках и поступали во вращающиеся барабаны – ферменторы, в которых осуществлялась переработка отходов в компост. Однако в обрабатываемой массе были и некомпостируемые элементы (полиэтиленовые пленки, стекло, жестяные банки и пр.), засоряющие удобрение. Необходимо было научиться очищать компост.

В конце 70-х – начале 80-х гг. появилось второе поколение заводов по переработке отходов с улучшенной и усовершенствованной технологией. В настоящее время в России имеется девять специализированных заводов по переработке твердых отходов. Идет проектирование в Санкт-Петербурге подобного завода для г. Омска.

В целом по России промышленным методом (на мусоросжигательных и мусороперерабатывающих заводах) перерабатывается около 5% отходов, а остальные вывозятся на полигоны и свалки (санкционированные и неразрешенные). В последнее время возникла проблема переработки осадков водопроводных и канализационных станций очистки вод.

Опыт зарубежных стран по утилизации отходов. В США скопилось не менее 750 млн т железного лома, который может удовлетворять потребности американской экономики в течение 10 лет. Выплавка стали из металлолома требует в 7 раз меньше трудовых затрат, чем производство из железной руды. Затраты энергии при выплавке меди из вторичного сырья снижаются почти в 8 раз. При переплавке алюминиевого лома вместо руды экономится до 95% энергии и соответственно на столько же снижается загрязнение воздуха. Повторная переработка 1 т бумажной макулатуры экономит 2,5 м³пространства на свалке и более 30 тыс. т необходимой при изготовлении бумаги из целлюлозы.

Власти ряда штатов, проявляя заботу об улучшении экологической обстановки, приняли законы об обязательном использовании вторичного сырья. Переработка вторичных ресурсов промышленных и бытовых отходов позволяет получить более дешевое сырье, чем использование ископаемого сырья. Например, опыт США показывает, что повторное использование стекла обходится дешевле, чем производство нового. В настоящее время в США перерабатывается всего 10% стекла.

Пластмассовая промышленность США выпускает в год продукции на 140 млрд дол., но вторично используется только 1%, хотя промышленники ищут новые пути применения пластмасс – от пластиковой «древесины» до подкладки для лыжных курток, новых контейнеров, пластиковых мешков и садовых скамеек.

В США разбросано 2 млрд старых шин. Старые автомобильные шины превращаются в ремни для вентиляторов, напольные коврики и даже в новые шины. Переработка отходов привлекает теперь новое поколение предпринимателей и крупные фирмы, которые смотрят на это как на способ делать хорошие деньги. Пока стоимость удале­ния мусора будет расти, его переработка будет становиться все при­влекательнее. Однако по самым оптимальным оценкам она позво­лит ликвидировать лишь половину накопленного мусора.

В Италии в 1989 г. парламент принял закон, в котором предусмотрены меры борьбы с отходами и финансовые льготы предприятиям, которые захотят перейти на экологически чистую безотходную технологию. Таким образом планируется сократить примерно на 30% объем промышленных отходов. Особым и весьма высоким налогом (100 лир при себестоимости пакета 10 и 20 лир) облагается каждый из 9 млрд пластиковых пакетов, производимых ежегодно в Италии и используемых в основном в торговле. Цель этого закона, предложенного Министерством по охране окружающей среды и принятого парламентом, – резко сократить использование пакетов, так как естественным путем они не разлагаются, а при сжигании выделяют вредные газы.

Мусор – самая трудная проблема в ФРГ. В стране ежегодно скап­ливается 40 млн т отходов, в том числе 20 млн т бытовых отходов. На каждого человека в год приходится 250 кг отходов. Население призывают сортировать бытовой мусор. Около домов стоят батареи мусорных бочек: серые – для пищевых отбросов, желтые – для упаковки, включая банки и бутылки, синие – для макулатуры. Гро­моздкий мусор вывозится отдельно. Одежду, которую жалко вы­брасывать, собирают благотворительные организации для отправки в развивающиеся страны. Ее выставляют перед домом в специ­альных пакетах, которые накануне каждый бюргер находит в своем почтовом ящике. С той же целью в некоторых районах выставляют приемные контейнеры для старой обуви. Лекарства с просроченной датой принимают аптеки. Для старых батареек есть приемные пункты в любом супермаркете.

В Японии в 1970 г. был принят закон об обработке и очистке отходов. По мнению японских ученых, основную часть бытовых отходов необходимо регенерировать в сы­рьевые и энергетические ресурсы.

Бытовые отходы, которые могут служить источником сырья для промышленности, – это всякого рода бытовые электроприборы, эле­менты питания, консервные банки, части автомобилей и мотоцик­лов, отслужившие свой срок.

Особое значение, придававшееся рециклингу ресурсов, объяснялось тем, что использование отходов в качестве вторичного сырья и замена им первичного в некоторых основных производствах значительно уменьшают загрязнение окружающей среды. Рециркуляция только в цветной металлургии уменьшила потребность в природных ресурсах на 35%. По данным центра «За чистую Японию», около 197 млн т (примерно 50%) отходов обрабатывающей промышленности могут эффективно применяться в качестве ресурсов.

По существующему в Японии мнению, основные направления рециклинга ресурсов в самом общем виде сводятся к следующим:

1) созданию систем замкнутого цикла производства (системы такого типа представляют собой наиболее перспективный тип производства);

2) повторному использованию отходов с неизменным назна­чением без дополнительной переработки (например, бутылки);

3) утилизации отходов в качестве сырья для изготовления ис­ходного продукта (например, макулатуры для производства бума­ги, металлолома для выплавки стали);

4) использованию отходов как сырья для получения качественно нового продукта (например, как источника тепловой энергии, получаемой в результате сжигания отходов, или удобрений – в результате компостирования);

5) конечному использованию отходов при создании насыпных территорий, строительстве дорог, дамб, насыпей и др.

Специальная статья японского закона об обработке и очистке отходов предписывает всем гражданам страны не загрязнять парки и скверы, спортивные площадки и сооружения, дороги, реки, гавани и прочие общественные места. Человек, мусорящий в общественных местах и схваченный на месте преступления, должен выслушать 15-минутную лекцию о вреде, наносимом такими действиями окружающей среде. Нарушитель порядка подвергается немедленному штрафу в 88 долл. США или же предстает перед судом по обвинению в засорении природы.

Бытовые отходы делятся на горючие (макулатура – 40%, кухонные отходы – 37%) и негорючие (стекло – 30%, пластмасса свыше 20% и металлы – примерно 20%). В целом в структуру бытовых отходов 30% составляет макулатура. Степень утилизации макулатуры в Японии приближается к 52%. В то же время, по существующим оценкам, предельный уровень утилизации составляет 63%. Выгоды от использования макулатуры вполне очевидны.

Одна тонна макулатуры спасает от вырубки примерно 20 деревьев, что помимо экономии древесины способствует поддержанию экологического баланса. При выработке бумаги из макулатуры требуется лишь 1/3 затрат энергии, необходимой для производства бумаги из первичного сырья. Благодаря тому, что сбор макулатуры производится в основном добровольцами на общественных началах, значительно снижаются расходы на сбор бытовых отходов в целом.

В настоящее время в Японии распространено два вида сбора отходов: с помощью автомашин, разъезжающих по городу, и сборщиков, главным образом стариков, детей и женщин, обходящих определенные группы домов и делающих это бесплатно. Уже в 1985 г. групповой сбор бытовых отходов осуществляли более чем в 80 % пунктов, в том числе в 90 % крупных городов.

Широко распространен в стране дифференцированный сбор, осуществляемый с помощью пакетирования: различные виды отходов жители складывают в отдельные полиэтиленовые или бумажные пакеты разного цвета, бесплатно распространяемые для населения. Обычно определенные виды отходов собирают специальные службы в установленные дни, а иногда и часы.

Выводы

Для обеспечения чистоты атмосферного воздуха выделяют четыре на­правления: санитарно-технические, технологические, архитектурно-планиро­вочные и контрольно-запретительные. Наибольший эффект достигается соче­танием всех четырех.

К санитарно-техническим мероприятиям относится использо­вание сверхвысоких дымовых труб, газо-пылеочистных установок (ГПУ), герметизация технологического и транспортного оборудова­ния и др.

Технологические мероприятия – это новые экологически более чистые технологии, технологически более чистое и оптимальное исходное сырье, замкнутые циклы использования пара, воды, энер­гии и прочих ресурсов, ресурсно-сберегающие технологии и пр.

Архитектурно-планировочные мероприятия проявляются в ра­циональном размещении предприятий с учетом необходимости за­щиты окружающей среды от промышленных выбросов.

Контрольно-запретительные мероприятия предусматривают запрещение производства токсичных веществ, использование лимитов на выбросы вредных веществ в атмосферу на основе данных о ПДК, ПДВ для каждого предприятия, применение автоматизированных способов контроля за качеством состояния воздушного бассейна и т. п.

В целях очистки выбросов от газообразных примесей применяют методы абсорбции, адсорбции, хемосорбции, каталитического и термического окисле­ния.

Воздушные выбросы очищают от пыли методами: сухой механической очистки; мокрой очистки; фильтрации; электрической очистки.

Производственные сточные воды делятся на воды загрязненные и неза­грязненные (условно чистые).

Методы очистки производственных сточных вод подразделяются на ме­ханические, химические, физико-химические и биологические.

Для механической очистки применяют следующие сооружения: решетки, сита, жироловки, маслоловушки, нефтеловушки, смолоуловители, отстойники.

Для очистки СВ от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил, фильтрование.

Физико-химические методы используются для очистки сточных вод, в основном от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. К данной категории методов относятся: коагуляция, флотация, экстракция, ионообменная очистка, гиперфильтрация, выпаривание, испарение, кристаллизация.

Биологическая очистка СВ применяется для выделения из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ и основана на способности микроорганизмов использовать для своего питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, углеводы и т. п.).

В природных условиях очистка происходит на полях фильтрации, на полях орошения, в биологических прудах. Для искусственной биологической очистки применяют специальные сооружения – аэротенки (железобетонные резервуары), очищающим началом в которых служит активный ил (биоценоз).

В настоящее время при использовании современной техники и технологий не бо­лее 10% сырья из недр и с поверхности планеты пре­вращается в готовую продук­цию, а 90% идет в отходы, за­грязняющие биосферу. Для уничтожения твердых отходов применяют закапывание, сбрасывание в моря, сжигание, рециклинг ресурсов.

[1, с. 404–440; 6, с. 225–233; 8, с. 417–473; 11, с. 116–119; 15, с. 237–250].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Еще недавно экология рассматривалась как относительно узкая область изучения взаимоотношений между живыми объектами, и представляла интерес лишь для немногих специалистов-экологов.

В последние десятилетия, когда угроза глобального экологического кризиса коснулась самого человека, произошло быстрое расширение экологии. Она сформировалась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными, прикладными и общественными науками.

Поэтому в процессе чтения учебного пособия вы познакомились с важнейшими вопросами и проблемами общей экологии, биоэкологии, геоэкологии, социальной и прикладной экологии. Вы узнали, что экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой, создавая целостную картину. При этом термодинамический подход играет одну из ведущих ролей. Экология показала, что живой мир – не совокупность живых существ, а единая система, связанная множеством цепочек обитания и иных взаимоотношений. И если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное.

Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Великое множество равновесий (между видами, организмом и средой) поддерживают общее равновесие в природе. И определяющую роль в поддержании этого равновесия в современных условиях играет человечество.

Удовлетворение материальной потребности обязательно связано с тем, чтобы взять что–либо от природы, вторгнуться в тот или иной биогеоценоз, причем расширяющаяся потребность увеличивает агрессивность человека по отношению к природе.

За вторую половину ушедшего столетия природа планеты неузнаваемо оскудела, её повсеместно вытесняет чудовищная урбанизация, естественные ресурсы буквально на глазах истощаются. Среда обитания не только людей, но и других живых организмов в большинстве регионов мира становится просто опасной, так как отравляются воздух и вода, происходит деградация почв, теряется их естественное плодородие, уменьшается биоразнообразие. И речь уже идет не о локальном, а глобальном экологическом кризисе. Для преодоления этого кризиса и успешного практического решения экологических проблем, необходим переход к биоцентрической идеологии, к экологизации экономики и производства, причем не в отдельно взятой стране, а в целом в мировом сообществе.

В последнее время мировое сообщество развило небывалую активность, направленную на решение проблем охраны природы и окружающей среды человека. Под эгидой ООН создан ряд авторитетных организаций и разработаны международные программы, заключены важные соглашения, принят ряд ответственных документов. Правительство РФ 31 августа 2002 года одобрило национальную экологическую доктрину. Учитывая рекомендации конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992), ранее принятую концепцию перехода РФ к устойчивому развитию, стратегической целью государственной политики в области экологии является сохранение природных систем, поддержания целостности их жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни, улучшения здоровья населения и демографической ситуации, обеспечение экологической безопасности России.

Успешное воплощение в жизнь экологической доктрины невозможно без непрерывного развития экологического образования и воспитания. Выживание человека в условиях глобального экологического кризиса, несомненно, зависит от научных знаний, внедрения в практику новых технических достижений. В любой отрасли хозяйства, образования или науки, где вы будете трудиться, важно знать стандарты, нормы и правила, разработанные для большинства объектов. Несоблюдение законодательства в области охраны окружающей среды может привести к тяжелым последствиям. Но достижения науки и техники не смогут принести ожидаемых результатов без упора на нравственное воспитание, на определенные культурные традиции.

Вместе взятые культурные и биологические нормы поведения должны носить экологическую направленность – сохранять среду обитания благоприятной для жизни.

Надеемся, что прочтение этого учебного пособия не только даст вам конкретные экологические знания, но и заложит основы формирования экологического мировоззрения и экологической культуры.