Раздел 6. Перспективные технологии

Раздел 6 Перспективные технологии

В соответствии с ГОСТ Р 56828.15-2016 к перспективным относят "технологии, которые находятся на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ или опытно-промышленного внедрения, позволяющие повысить эффективность производства и сократить эмиссии в окружающую среду. Следует приводить сроки, в течение которых перспективные технологии могут стать коммерчески доступными". Вместе с тем в соответствии с требованиями Федерального закона Российской Федерации от 21 июля 2014 года N 219-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации" критерием доступности наилучшей технологии служит "промышленное внедрение этой технологии на двух и более объектах в Российской Федерации, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду". Таким образом, для целей настоящего справочника НДТ во избежание исключения из рассмотрения технологий, уже применяемых в промышленности в ограниченном масштабе, следует отнести и те технологии, рассмотрение которых невозможно в разделе наилучших доступных технологий вследствие недостаточно широкого применения в Российской Федерации.

Наряду с принципиально новыми подходами, к перспективным технологиям (далее - ПТ) в области очистки сточных вод следует отнести использование новых комбинаций, существующих и активно применяемых технологических подходов, а также исследование новых сфер применения существующих технологических подходов, которые специально не описываются в настоящем разделе, поскольку их затруднительно выявить для всех или большинства областей применения настоящего справочника НДТ. К примеру, многие технологические подходы к очистке сточных вод, применяемые, согласно проанализированным анкетам, в нефтеперерабатывающей промышленности, до сих пор не применяются в других отраслях промышленности, где также имеется нереализованный потенциал их применения. Рассматривать такие технологии в качестве НДТ в настоящем справочнике НДТ методологического характера недопустимо, поскольку отсутствует опыт их внедрения в значительной части областей применения справочника НДТ. В то же время рассматривать их в качестве перспективных технологий не представляется возможным, поскольку они не подпадают под формальные критерии, будучи, как правило, внедренными более чем на двух промышленных предприятиях.

Таким образом, поскольку отбор технологий при разработке справочника НДТ осуществлялся на основе анализа анкет, во избежание неопределенности, ведущей к рассмотрению в качестве перспективных уже применяемых в промышленности технологий, в настоящем разделе рассмотрены только технологии, находящиеся (по данным авторов справочника НДТ) в Российской Федерации и за рубежом на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ или опытно-промышленного внедрения либо не внедренные в Российской Федерации.

ПТ-1. Фитотехнологии очистки сточных вод

Группа технологий предназначена для доочистки сточных вод от взвешенных веществ, азота, фосфора, органических соединений и др., а также для обеззараживания сточных вод. Хотя приоритетной сферой применения данной группы технологий является очистка городских сточных вод, проведенные в Российской Федерации исследования показали эффективность применения технологии для доочистки сточных вод предприятий по производству минеральных удобрений, свиноводческих комплексов и др., а опыт использования фитотехнологий за пределами Российской Федерации - и для доочистки ливневых, шахтных вод, промышленных (в основном пищевой отрасли) сточных вод и др.

Технологии заключаются в использовании искусственно созданных очистных сооружений со специфическим составом микроорганизмов, развивающихся в корневой зоне растений и на иных субстратах, находящихся в водной среде. По сути, фитоочистные системы являются аналогом естественных водно-болотных объектов, которые, будучи дополнены рядом технических элементов и встроены в естественный ландшафт, способны эффективно играть роль водоочистных систем.

Опыт применения фитотехнологий в Дании, Швеции, Норвегии и Северной Америке почти на тысяче объектов показал, что они остаются эффективными даже при низких температурах; при этом зимнее снижение активности систем незначительно по сравнению с теплым летним периодом при наличии терморегулирующего слоя, защищающего сооружение от промерзания зимой.

Капитальные затраты при применении фитотехнологий на 20-30 % ниже, чем для традиционных очистных сооружений.

Достоинствами технологий являются очень низкие эксплуатационные затраты и затраты на техническое обслуживание, а также отсутствие необходимости вывоза осадка, малая численность персонала, отсутствие необходимости в реагентах.

Недостатками технологий являются сезонность, длительность процесса и относительно невысокая эффективность очистки.

Например, на Корпангском месторождении "Карельского окатыша" воды в прудах-отстойниках фильтруют с помощью торфяного субстрата с болотной растительностью и фитомодулей. На Яковлевском ГОК Компании "Северсталь" в Белгородской области запущена экспериментальная фитоочистная система сточных вод пруда-отстойника с использованием искусственных плавающих островов.

ПТ-2. Биосорбционная доочистка сточных вод

Технология предназначена для глубокого удаления из сточных вод органических веществ, включая микрозагрязнения и окисления аммонийного азота.

Технология заключается в следующем: доочищаемую воду обрабатывают в фильтре-биореакторе с псевдоожиженной загрузкой в виде гранулированного активного угля. Конструктивно обеспечивается удержание загрузки в сооружении. Рециркулирующая жидкость насыщается кислородом в эрлифтах.

При достаточном времени обработки достигают снижения ХПК на 40-60 %, БПК ₅ - до менее чем 3 мг/л.

Достоинствами технологии являются длительный срок службы гранулированного угля и высокая эффективность по сравнению с использованием инертных носителей биопленки.

Технология разработана в 1980-е годы в СССР. Несмотря на выполненные научные работы и опытно-промышленное использование в ряде проектов, широкого практического распространения не получила.

ПТ-3. Окисление загрязнений сточных вод ферратами

Технология предназначена для глубокой очистки и обеззараживания сточных вод, удаления взвешенных веществ, фосфатов, снижения ХПК и БПК. Сообщается также об удалении катионов токсичных металлов (кроме хрома и мышьяка, а также цинка) с помощью ферратов, превосходящих по своей окислительной способности озон и перекись водорода.

Технология заключается в использовании в качестве окислителя ферратов, представляющих собой двухвалентные соли высокоокисленного железа (Fe ⁶⁺) с анионом FeO ₄ ^2- и восстанавливающихся при окислении органических соединений до Fe ³⁺. Продуктом разложения в растворе самих ферратов является гидроксид железа, выделяющийся в виде коллоидных агрегатов, имеющих очень развитую поверхность, что обеспечивает дополнительную очистку посредством коагуляции. В качестве дезинфектанта ферраты обеспечивают более глубокое и надежное обеззараживание (по сравнению с хлором), не формируя токсичных соединений. Вода после обработки нетоксична.

Сообщается, что удаление общего органического углерода от начальной величины 12 мг/дм ³ составляет 30-35 %, БПК ₅ от начальной величины 13 мг/дм ³ - 90-95 %, при дозах по феррату калия 4-6 мг/дм ³; при дозах 10-15 мг/дм ³ сообщается об удалении ХПК ниже 10 мгО ₂/дм ³.

Ферраты способны эффективно окислять микрозагрязнения; значимое удаление (до 70 % по трихлорэтилену) достигается при дозе 30 мг/дм ³ и времени контакта 40 мин.

Проведены опыты по очистке сточных вод после вторичной обработки от стойких органических веществ (лекарственных препаратов). При этом расход ферратов составлял 2,5 мг (Fe)/дм ³, степень деградации различных препаратов находилась в пределах 67-88 %.

ПТ-4. Озонирование сточных вод в сочетании с использованием пероксида водорода

Технология предназначена для обезвреживания содержащихся в сточных водах органических соединений.

Технология базируется на использовании обычного реактора для озонирования и дозатора пероксида водорода. После проведения озонирования добавляют пероксид водорода; при этом более эффективным считается ступенчатое дозирование.

В лабораторных условиях получены хорошие результаты очистки сточных вод предприятий фармацевтической и текстильной промышленности, а также фильтрата полигонов для хранения твердых бытовых отходов.

ПТ-5. Удаление азота из сточных вод посредством анаэробного окисления аммония

Технология предназначена для удаления азота из высококонцентрированных (по аммонийному азоту) сточных вод.

Технология анаэробного окисления аммония (АНАММОКС) базируется на использовании автотрофных бактерий (планктомицетов) и проводится в две стадии: на первой проводится частичная нитрификация для получения нитрита (2NH ₄ ⁺ + 3О ₂ = 2NO ₂ ^- + 4H ⁺ + 2H ₂O), на второй - собственно реакция окисления аммония нитритом (NH ₄ ⁺ + NO ₂ ^- = N ₂ + 2H ₂O), используемым в качестве акцептора электронов. С учетом роста бактерий и потребления нитрита на другие процессы в целом молярное соотношение общего аммонийного азота к нитриту составляет 1:1,3.

Технология не является самостоятельным процессом, а протекает только в комбинации с частичной нитрификацией, которая обеспечивает достаточное количество нитрита.

Применение процессов частичной нитрификации и данной технологии приводит к существенной экономии энергии на аэрацию (свыше 1 кВт-ч/кг азота) по сравнению с традиционным процессом нитрификации-денитрификации. Эксплуатационные и капитальные затраты снижаются благодаря компактности реакторов: при прочих равных условиях площадь, занимаемая сооружениями, при применении данной технологии в 3 раза меньше, чем при нитрификации-денитрификации.

В настоящее время технология применяется в промышленных масштабах на многих объектах за пределами Российской Федерации (Нидерланды, Япония, Австрия). В Российской Федерации в промышленных масштабах технология не применялась. На Люберецких очистных сооружениях Москвы функционирует пилотная установка с объемом основного реактора 20 м ³ для очистки фильтрата центрифуг, обезвоживающих сброженный осадок сточных вод.

ПТ-6. Аэробная биологическая очистка сточных вод с применением гранулированных илов

Технология предназначена для удаления из сточных вод биогенных элементов и ориентирована на получение активных илов с пониженным иловым индексом и высокими седиментационными способностями.

Технология базируется на применении принципов получения аэробных гранул, объединяющих в себе четыре основные группы микроорганизмов, обеспечивающих анаэробные процессы. Во внешних слоях располагаются аэробные гетеротрофы и нитрификаторы, а денитрификаторы и фосфатаккумулирующие денитрифицирующие бактерии находятся внутри гранулы. Такая структура гранулы обусловлена глубиной проникновения субстратов и кислорода в биопленку.

Основными условиями для реализации технологии являются циклический процесс, восходящий поток сточной воды, ограниченное время для седиментации, а также регулирование кислородных условий.

Достоинством технологии является возможность многократной интенсификации процесса.

ПТ-7. Ускоренная коагуляция/флокуляция и тонкослойное отстаивание сточных вод

Технология предназначена для удаления взвесей и цветности, тяжелых металлов и золы из стоков ТЭЦ и сталеплавильных предприятий, доочистки с целью удаления взвеси и связанных с ней загрязнений, известково-содового умягчения для производства деминерализованной воды.

Технология базируется на использовании микропеска (песка с размером зерен 45-100 мкм) в качестве затравочных зерен для хлопьеобразования. Микропесок обеспечивает развитую поверхность, которая усиливает флокуляцию и одновременно является балластом или весом, ускоряющим осаждение. Хлопья, утяжеленные микропеском, имеют уникальные характеристики осаждения, позволяющие использовать отстойники с очень высокими расходами на водосливах и коротким временем пребывания отстаиваемой воды. Площадь, требуемая для размещения установки, в 5 раз меньше площади классического полочного отстойника или флотатора с растворенным воздухом и примерно в 20 раз меньше традиционной системы осветления.

Технология позволяет достичь эффективного снижения концентраций по взвеси, коллоидному веществу, фосфору, тяжелым металлам и фекальным колиформам (более 90 %), по БПК и ХПК (около 60 %) даже при изменчивых показателях исходных стоков.

Достоинствами технологии являются высокая эффективность очистки (снижение показателя мутности более 90 %); компактность (площадь, требуемая для размещения установки, в 5 раз меньше площади традиционного полочного отстойника или флотатора с растворенным воздухом и примерно в 20 раз меньше традиционной системы осветления); возможность простой модернизации действующих очистных сооружений; очень короткое время выхода на режим (менее 10 мин); возможность полной автоматизации с дистанционным управлением.

В качестве замены микропеска также используется магнетит (Fe ₃O ₄), позволяющий увеличить массу и осаждаемость хлопьев, обеспечивая при этом более высокую степень осветления и почти полное удаление твердых частиц размером более 10 мкм.

ПТ-8. Кристаллизация фосфатов из возвратных потоков сооружений обработки осадка

Технология предназначена для очистки возвратных потоков от фосфатов с получением сырья для производства удобрений.

Технология базируется на обработке возвратного потока (как правило, фильтрата или фугата от обезвоживания сброженного осадка) в реакторе с псевдоожиженным слоем песка с добавлением реагента (соль магния). В результате взаимодействия магния, фосфатов и аммонийного азота образуется нерастворимое вещество струвит (магний-аммонийфосфат), центрами кристаллизации которого в условиях псевдоожиженного слоя выступают частицы песка. Струвит по описываемой технологии представляет собой практически готовое фосфорно-азотное удобрение, нуждающееся лишь в сушке и фасовке.

ПТ-9. Мембранная дистилляция

Технология предназначена для выделения/концентрирования нелетучих соединений (например, ионов, кислот, коллоидов, макромолекул) из водных потоков и удаления из воды следовых количеств летучих органических соединений, таких как бензол, хлороформ и трихлорэтилен.

Мембранная дистилляция (МД) представляет собой процесс, при котором только молекулы пара проходят через пористые гидрофобные мембраны. Очищаемая вода, подлежащая обработке МД, должна находиться в непосредственном контакте с одной стороной мембраны и не проникать в сухие поры мембран. Гидрофобная природа мембраны препятствует попаданию жидких растворов в ее поры за счет сил поверхностного натяжения. В результате на входах в поры мембраны образуются границы раздела жидкость/пар. В МД сама мембрана действует только как барьер, удерживающий границы раздела жидкость/пар на входе в поры, и нет необходимости быть селективным, как это требуется в других мембранных процессах, таких как первапорация. Основные требования к процессу МД заключаются в том, что мембрана не должна смачиваться, а в ее порах должны находиться только пары и неконденсирующиеся газы. Размер пор мембран, используемых в МД, составляет от 10 нм до 1 мкм. Движущей силой МД является трансмембранная разность давлений паров.

ПТ-10. Применение микроорганизмов для очистки трудноокисляемых органических соединений

Метод заключается в использовании улучшенных природных микроорганизмов (например, прокариотических клеток или бактерий, фотосинтезирующих бактерий или эукариот, таких как дрожжи, грибки и фотосинтезирующие микроводоросли) для очистки сточных вод, содержащих стойкие к воздействию органические соединения. Весь процесс состоит из трех этапов:

1 Селекция встречающихся в природе микроорганизмов.

2 Создание микробных вариантов с улучшенными характеристиками для очистки от целевых загрязнителей сточных вод.

3 Внедрение улучшенных микроорганизмов в процесс водоподготовки.

Этот метод является альтернативой таким методам, как химическое окисление или сжигание, применим для сточных вод, имеющих высокое ХПК и трудно окисляемые органические соединения. Экологическое преимущество его заключается в снижении уровней трудноокисляемых органических соединений.