Сравнение технологий очистки: механическая, химическая и биологическая

У каждой технологии очистки воды есть сильные стороны, ограничения и особенности применения. Понимание различий между механической, химической и биологической очисткой поможет принять обоснованное решение, выбрать подходящий метод для определенных условий. Поэтому следует детально разобрать каждую технологию. Это позволит принять обоснованное решение, купить оборудование для очистки воды, которое соответствует требованиям и бюджету.

Механическая очистка – принцип физического разделения

Механическая очистка работает по самому простому и понятному принципу – физическому отделению загрязнений от воды. Его можно сравнить с просеиванием муки через сито. Крупные частицы остаются на поверхности, а мелкие проходят сквозь его отверстия. Именно так работают механические системы очистки, только вместо муки вода с различными загрязнениями.

Основными элементами механической очистки являются:

• решетки;
• песколовки;
• отстойники;
• фильтры различной конструкции.

Решетки с шагом 6-20 мм задерживают крупный мусор и взвешенные частицы размером более 5 мм. Песколовки эффективно удаляют минеральные частицы плотностью выше 2,5 г/см³, задерживают до 95% песка.

Горизонтальные отстойники способны удалить до 60-70% взвешенных веществ при отстаивании в течение 1,5-2 часа. Скорость осаждения частиц зависит от их размера и плотности:

1. Частицы размером 0,1 мм оседают со скоростью около 0,8 см/с.
2. Частицы размером 0,01 мм – всего 0,008 см/с.

Важно понимать, что механическая очистка эффективна только против видимых загрязнений. Растворенные вещества, бактерии, вирусы и химические соединения проходят через механические фильтры. Это создает четкие границы применимости данной технологии.

Химическая очистка – молекулярные превращения

Если механическая очистка похожа на просеивание муки, то химическая очистка напоминает работу искусного химика, который превращает одни вещества в другие. Химические процессы воздействуют на загрязнения на молекулярном уровне.

Коагуляция и флокуляция – процесс очистки, состоящий из двух этапов. На стадии коагуляции добавляются соли алюминия или железа в дозах 50-150 мг/л по металлу. Они нейтрализуют заряд коллоидных частиц. Время смешения составляет 1-3 минуты при градиенте скорости 500-1000 с⁻¹. Продолжительность флокуляции варьируется от 15 до 20 минут при медленном перемешивании с градиентом скорости 30-70 с⁻¹.

Процесс нейтрализации позволяет регулировать pH сточных вод до оптимальных значений (6,5-8,5). Для нейтрализации кислых стоков используется известь в дозах 0,74 кг на 1 кг серной кислоты. Для щелочных стоков применяется серная кислота из расчета 0,82 кг на 1 кг гидроксида натрия.

Окислительные процессы с использованием хлора, озона или перманганата калия способны разрушать органические загрязнения на молекулярном уровне. Озонирование при дозе 2-5 мг/л обеспечивает инактивации бактерий и вирусов на уровне 99,9% в течение 5-10 минут.

Химическая очистка требует точного дозирования реагентов, постоянного контроля pH и образует химический шлам, который требует утилизации. Эксплуатационные расходы на реагенты составляют 15-25% от общих затрат на очистку воды.

Биологическая очистка – живые организмы как инструмент подготовки воды

Биологическая очистка – удивительный пример того, как природные процессы можно поставить на службу технологиям. В основе этого метода лежит способность микроорганизмов использовать органические загрязнения как источник питания, превращать их в безвредные продукты:

• воду;
• углекислый газ;
• биомассу.

Аэробные процессы происходят под воздействием кислорода, который подается компрессорами в количестве 0,5-1,5 м³ на 1 кг удаляемого БПК₅. Активный ил содержит 2-4 г/л микроорганизмов, способных перерабатывать органические загрязнения. Эффективность удаления БПК₅ в аэротенках достигает 90-98% при времени аэрации 4-8 часов.

Анаэробные процессы протекают без доступа кислорода в метантенках при температуре 30-35°C. Время сбраживания составляет 15-20 суток. В результате образуется биогаз с содержанием метана 60-70%. Выход биогаза составляет 0,5-1,0 м³ на 1 кг удаленного органического вещества.

Биофильтры с загрузкой из керамзита или пластиковых элементов окисляют органические вещества при нагрузке 0,5-3,0 кг БПК₅ на 1 м³ загрузки в сутки. Эффективность очистки составляет 80-95% при правильном режиме эксплуатации.

Понимание биологических процессов важно для эффективной эксплуатации систем. Нужно помнить, что микроорганизмы чувствительны к токсичным веществам, изменениям температуры и pH. Концентрация тяжелых металлов выше 1-5 мг/л может привести к гибели активного ила, снижению эффективности очистки.

Сравнение эффективности технологий

Чтобы понять, какую технологию выбрать, необходимо сравнить их эффективность по основным показателям загрязнений:

• взвешенные частицы наиболее эффективно удаляются механической очисткой – до 70-90%;
• химическая очистка с коагуляцией удаляет до 95-98% загрязнений;
• биологическая очистка удаляет только 10-20% взвешенных веществ.

По эффективности удаления органических загрязнений лидирует биологическая очистка с 90-98% по БПК₅. Химический метод удаляет 40-60% органики, а механическая практически не влияет на растворенные органические вещества.

Растворенные неорганические соли эффективно удаляются только специальными химическими методами – ионным обменом или мембранными технологиями. Механическая и биологическая очистка не влияют на содержание солей в воде.

Патогенные микроорганизмы эффективно уничтожаются химическими дезинфектантами:

• хлором;
• озоном;
• ультрафиолетом.

Биологическая очистка снижает количество патогенов на 90-99%, но не обеспечивает полной стерилизации. Механическая очистка удаляет только крупные включения и цисты простейших.

Экономический анализ и выбор оптимальной технологии

При принятии решения о том, где купить оборудование для очистки воды, экономические факторы играют решающую роль. Капитальные затраты на механическую очистку составляют 50-150 тысяч рублей на 1 м³/ч производительности. Это самый экономичный вариант с точки зрения первоначальных вложений.

Химическая очистка требует 100-300 тысяч рублей на 1 м³/ч капитальных затрат, но главная статья расходов – реагенты. Стоимость коагулянтов составляет 5-15 рублей на 1 м³ очищенной воды, флокулянтов — 2-8 рублей на 1 м³. Дезинфекция хлором обходится в 1-3 рубля на 1 м³.

Биологическая очистка требует внушительных капитальных затрат – 200-500 тысяч рублей на 1 м³/ч. Но они компенсируются низкими эксплуатационными расходами. Основные затраты связаны с электроэнергией для аэрации – 0,5-1,5 кВт·ч на 1 м³ очищенной воды.

Срок окупаемости различных технологий существенно отличается. Механическая очистка окупается за 1-2 года, химическая – за 3-5 лет при высоких эксплуатационных расходах на реагенты, биологическая – за 5-7 лет при больших капитальных затратах, но низких операционных расходах.