Докато пречиствателните станции осигуряват безопасна питейна вода, те неизбежно произвеждат отпадъчни продукти. В процеса на пречистване на ресурсите от питейна вода, нездравословните или нежелателните за консумация замърсител се отстраняват в пречиствателните станции. Генерираните отпадъчни продукти са наричат "отпадъци" и могат да бъдат органични и неорганични съединения в течна, твърда и газообразна форма в зависимост от качеството на водните ресурси, обема на продукция на питейна вода, ефективността на системата за пречистване на питейната вода, количеството на използваните химикали за пречистване и типа на водния ресурс, обект на пречистване. Отпадъците обикновено се генерират от коагулация/филтрация, съоръженията за утаечно омекотяване, мембранно разделяне, йонообмен и операционни модули с гранулиран активен въглен. Обемът на отпадъците в пречиствателните станции най-вече се променя сезонно или месечно.
Тъй като отпадъците представляват модифицирани форми на замърсители, управлението им трябва да бъде включено в програмите за управление на пречиствателните станции. Въпреки това, разработването на икономически план за отстраняване и изхвърляне на отпадъците, може да се окаже сложно. Затова при разработването на цялостен план за управление на отпадъците от пречиствателните станции трябва да се характеризира формата, количеството и качеството на отпадъците; след това да се определят подходящите регулаторни изисквания; да се идентифицират възможните варианти за обезвреждане, да се изберат подходящи технологии за обработка/пречистване на отпадъците и да се разработи стратегия за управление на отпадъците, която отговаря на целите, определени за съоръженията за пречистване на води.
В пречиствателните станции се използват повече от един от процесите на пречистване, изброени по-долу, а всеки от тях може да генерира множество видове отпадъци;
Предварителното утаяванее първият процес, който се извършва в пречиствателната станция. Гравитацията премахва неразтворените вещества от източника чрез предварителното утаяване. В процеса на предварително утаяване, ефективността на разделяне и отстраняване на твърдите вещества зависи от времето на престой. Пясъкът и чакълът се утаяват по-бързо от глината, тинята и органичните вещества. В зависимост от състава, 50 до 90 процента от твърдите вещества навлизащи в системата могат да бъдат отстранени по време на предварителното утаяване. Съставът на твърдите частици обаче, в утайката е специфичен за всяко място. По-малките частици се отстраняват по време на процеса на коагулация, флокулация, утаяване и филтрация. В системата обикновено се добавят химични агент(и) (обикновено алуминиеви и железни соли), за да се намалят отрицателните повърхностни заряди на малките частици чрез въвеждането на положителни йони. Това позволява на частиците да агломерират и да се утаят на дъното на бистрителите в процесите накоагулация, флокулация, утаяване.
Добавеният химичен агент(и) се утаява поради гравитацията заедно с неутрализираните суспендирани твърди вещества. Обемът на утайките, генерирани в този процес зависи от пречиствателния капацитет на станцията, количеството на коагуланта или от други добавени химикали за очистка и от количеството на суспендираните твърди вещества във водоизточника, имайки предвид, че характеристиките на утайката се променят в зависимост от качеството на първоначалната вода и количеството и типа на използвания коагулант. Например, по-висока концентрация на алуминий в утайката се очаква, когато се използва алуминий като коагулант. "Коагулационата утайка съдържа главно като коагулант метални хидрооксиди, заедно с органичната материя в природните източници на вода, неразтворени вещества, микроорганизми, радионуклеиди и други органични и неорганични съединения. Откриваните в коагулационата утайка метали включват алуминий, арсен, а понякога и кадмий, хром, мед, желязо, олово, манган, никел и цинк (Cornwell, 1999). "(I)
Утаечното омекотяване се използва за премахване на двувалентни йони, главно калциеви и магнезиеви във водата в пречиствателните станции, чрез добавяне на вар. Когато се добавя вар във водата, се повишава рН на водата и тя реагира с йони до образуване на утайка. Утайката съдържа калциев карбонат, магнезиев хидроксид, други двувалентни йони, естествена органична материя от водоизточника, неорганични вещества, неразтворени вещества, микроорганизми и радионуклеиди със съдържание на сухо вещество от 2 до 15%. Тя е инертна с рН обикновено по-високо от 10.5. В омекотените утайки за могат да се открият още арсен, барий, кадмий, хром, олово, живак, селен, сребро. Скоростите на генериране на утайки при варовото омекотяване варират в зависимост от съотношението на калциевия карбонат към магнезиев хидроксид и вида на утаителя.
Фините частици и метали се отстраняват в пречиствателните станции чрез процесафилтрация. В някои пречиствателни станции, филтрацията е стъпка от отстраняването само на твърди частици. В пречиствателните станции съществуват немембранни филтри, като например мултимедийните, бавно пясъчните и диатомитните. Освен това могат да се използват мембрани, които работят при ниско налягане като тези за микрофилтрация (MF) и ултрафилтрация (UF). Немембранните филтри отстраняват суспендирания материал от водните ресурси. Докато водата преминава през филтърната среда, суспендираните твърди частици се натрупват в порите им. С преминаването на водата през порите се натрупват все повече частици, ефективността на филтъра намалява. Тогава филтърът се извежда от експлоатация за промиване, което е процес на използване на чиста вода, за отстраняване на частиците, събрани върху филтърната среда. В промивната вода от филтъра присъстват частици глина и тиня, микроорганизми, колоиди и утаени хумусни вещества, натурални органични частици и утайки от алуминий или желязо, използвани при коагулацията. Броят на филтрите, честотата на промиване, и продължителността на промиването се отразяват на обема на отпадните води от промиването на филтъра. Обемът обикновено е между 2 и 5% от крайната произведена вода (US EPA / ASCE / AWWA, 1996). Системите за изравняване на потоците обикновено са предназначени за рециклиране на водата от промиването до главното звено на пречиствателната станция. След промиване, филтрите се измиват, за да се осигури адекватна производителност. Водата, изразходвана за промиването, която се нарича "филтър-към-отпадък" е филтрираната отпадна вода за първите 15 до 60 минути след започване на промиването. Потокът филтър-към-отпадък се изравнява и се връща в главното звено на пречиствателната станция.
Йонообменът се използва за намаляване на твърдостта на водите. Натриевите йони, които се съдържат в йонообменната смола се заменят с калциеви и магнезиеви йони от водата. Нитратите, барий, радий, арсенат, селенит, излишните нива на флуорид, олово и хромат също могат да бъдат отстранени в йонообменната единица. Йонообменният материал се регенерира, когато се достигне оперативният му капацитет. Тази регенерация произвежда концентриран отпадък, който съдържа замърсителите от водата, обект на пречистване. Освен това, в йонообменния процес при промиването и изплакването с вода, която се използва преди и след регенерирането на йонообменната смола, съответно се генерират също отпадни води.
Адсорбцията се използва за отстраняване на органични материали, вкус, мирис, синтетични органични съединения и дезинфекционни продукти. Гранулираният активен въглен е най-честата адсорбционна среда в процеса на адсорбция. Приадсорбцията с активен въгленсе отстраняват йони или молекули от водата, чрез абсорбирането им върху среди за пречистване. При тази процедура се генерират отпадъци - промивни води и изразходените среди. В хода на процеса на пречистване, когато отстраняването на замърсителите вече не е възможно поради запълване на адсорбционите места (насищане), трябва да се извърши промиване на филтърния слой за отстраняване на твърдите вещества, които са захванати във филтърните пори. Насищането зависи от концентрацията на замърсителя и отстранените замърсители. Промивните води обикновено съдържат отстранените замърсявания и известно количество гранулиран активен въглен. Обемът и количеството на гранулирания активен въглен в потока на промивните води зависи от качеството на входящия водоизточник. Отработеният въглен се регенерира или изхвърля. Регенерацията на отработения въглен се извършва термично и не генерира поток отпадни води.
Най-честите замърсители, откривани в отпадъците от пречиствателните станции имат потенциално въздействие върху околната среда, в която попадат; те трябва да се обработват в рамките на пречиствателната станция. Суспендираните твърди частици например, могат да се утаят в получените води и да образуват дънни утайки, създавайки анаеробни условия; увеличаването на мътността и намаляването на проникването на светлина в получените води ограничават растежа на водната растителност, която служи като местообитание за водните организми; те осигуряват среда за трансфер на други сорбирани замърсители; предизвикват запушване на рибни хриле и промяна в химията на природните води. Металите са потенциално токсични за водните организми, включително рибите и имат потенциал за биоакумулация и биомултипликация във водните хранителни вериги. Химикали, използвани за дезинфекция, като хлор и хлорамини могат да реагират с органичните съединения в получените води до образуване на токсични съединения. Превишени нива на хлорид в изхвърляните отпадъчни води могат да нарушат структурата на екосистемата и да нарушат използването й като източник на води за питейни нужди. Внезапни промени в рН могат да унищожат водната флора и фауна във въпросните водни обекти. Азотът под формата на амониев йон и амоняк е токсичен за водните организми и може да намали концентрацията на разтворен кислород, който е жизненоважен за микробната активност. Азотът, заедно с фосфора са ограничаващи хранителни вещества и причиняват еутрофикация. Излагането на радионуклеиди увеличава риска от рак.
Опасното ниво на материали в отпадъците, генерирани от процеса на пречистване на водата, обикновено зависи от обема на материала, извлечен от суровата вода и в този смисъл трябва да се обърне внимание на най-ниско приемливото присъствие на дадено вещество за единица обем пречистена вода. Това най-ниско ниво се определя най-вече от местни/международни закони, нормативни документи и стандарти. За съобразяване с изискванията на закона и избягване на здравословни и екологични въздействия, познаването на най-ниските приемливи нива на веществата в отпадъците от пречистването, има най-голямо значение.
Най-често срещаните замърсители, регламентирани в общи разрешителни включват алуминий, желязо, манган, рН, утаечни твърди вещества, общ остатъчен хлор (TRC) и общи суспендирани частици (TSS). За мембранно обезсоляване и при йонообменни инсталации могат да бъдат изисквани пределни концентрации на хлориди и общо разтворени вещества (TDS).
За съобразяване с изискванията на закона, могат да бъдат предприети посочените по-долу действия:
Технологиите за контрол и управленските практики се използват в пречиствателните станции за подобряване на профилактиката, пречистването, обезвреждането и изхвърлянето на отпадъците от пречистването на водите. Това помага на пречиствателните станции да отговорят на стандартите, да подобряват качеството на водите, да намаляват експлоатационните разходи на системата за пречистване и да осигуряват икономии на енергия.
Възможностите за предотвратяване на замърсяването (например, технологични модификации) и намаляване на отпадъците (например, възстановяване на ресурсите) в пречиствателните станции са предварителни стъпки в управлението на отпадъците, което има за цел намаляване на генерирането на отпадъци. Оптимизирането на условията за приемане на водата, филтърните среди, рН за намаляване на коагулантите, намаляването на омекотяващите химикали чрез наблюдение на твърдостта на водоизточника, връщането обратно на промивните води и водите филтър-към-отпадък до основното звено в пречиствателната станция за повторна употреба, повторното използване на утаечни омекотяващи химикали, възстановяването на пречиствателните коагуланти и сол, могат да осигурят намаляване на отпадъците и да подпомогнат управлението им.
Неизбежните остатъците от операциите по пречистване на водата могат да се обработват в пречиствателните станции преди окончателното управление на отпадъците, като например разпръскване, обезвреждане и изхвърляне. Възможностите за обработка на отпадъците за целите на управлението им в пречиствателните станции са:
Основната цел на системите за отстраняване на твърдите частици е намаляване на обема на водата при увеличаване на съдържанието на сухо вещество. Достатъчният процент сухо вещество зависи от желаните свойства за съхранение, транспорт и наличните възможности за обезвреждане. Сгъстяването/обезводняването често имат това за цел. Целта на сгъстяването е да се увеличи съдържанието на твърдо вещество от отпадъците. Това е важно за намаляване на капиталовите и оперативните разходи за продължаващо пречистване. Най-честитесгъстяващитехнологии са гравитационно утаяване, флотация с въздух, и гравитационен пояс.
При гравитационното утаяване, твърдите вещества се отделят (уплътнени) от водата с помощта на гравитацията в определени временни интервали. При флотацията с въздух, която е най-често прилаганата технология за разделяне, флотационният материал е сгъстено твърдо обезмаслено вещество. Ако пространството в зоната на пречиствателната станция е ограничено, или ако гравитационното утаяване или флотация не осигуряват желаните сгъстени твърди частици, като алтернатива може да се използва уплътняване с помощта на гравитациония пояс. Тези методи са просто конструирани и изискват минимално опериране, но те генерират друг остатъчен поток (промивни води) и обикновено изискват използването на кондиционер и поддръжка на твърдите частици. Супернатантата от операцията по сгъстяване се рециклира или отстранява. Операцията на сгъстяване е последвана от механично обезводняване, следващата стъпка е разделяне на твърда от водна фаза.
Механичното обезводняванесе използва за допълнително намаляване на обема и концентриране на твърдите вещества. Тъй като водоизточника, мястото и другите условия варират от съоръжение до съоръжение, системите, нуждите и ограниченията трябва да бъдат добре оценени, за да се избере оборудването, което най-добре отговаря на специфичните изисквания на инсталацията. Изборът на подходяща техника ще осигури оптимална производителност. Най-често се използват лентови филтър-преси, филтър пресите от типа ламели и рамка и центрофугите. За всички механични системи за обезводняване обикновено се изисква предварителна подготовка. По време на обезводняването се прилагат механични сили, така че от утайката се отделя известно количество вода в зависимост от характеристиките на последната. Всяко механично обезводняващо устройство прилага сили по различни начини; следователно, сухотата на получената утайка варира. Тези технически системи изискват висока степен на надзор от оператора. В редки случаи те са рентабилно ефективни за малки системи.
В лентовите преси твърдите частици обикновено се въвеждат в резервоара за подхранване чрез изпомпване и разпределение по обезводнената повърхност при атмосферно налягане. С преминаването на водата по канали през порите, се формира тънък слой, който се натрупва като утайка и се премества в зоната на срязване и зоната на налягане.
Филтрираните под налягане утайки (например, филтрите от типа ламели и рамка или диафрагмената филтър преса) се изпомпват под високо налягане в между филтърните плочи и принуждават течността да излезе навън, като запазват твърдите вещества.
Центрофужното обезводняване е процес, при който се прилага центробежна за разделяне на твърдите частици от течността. Центрофугите имат някои предимства, като техният напълно затворен, непрекъснат режим на работа, относителна лекота на работа, висока производителност и тънък слой отпадъци, високо улавяне на твърдите частици и с компактен дизайн.
След събиране и сгъстяване, утайката може допълнително да се концентрира или обезводни чрезне-механични методи за обезводняване. Типичните немеханични методи за обезводняване на утайки са лагунирането, сушене в пясъчни корита, естествено или изкуствено замразяване и размразяване (физически метод) и химично кондициониране.
В лагуните и езерата - хранилища отпадъците се разпространяват, излагат се на въздух и се оставят да изсъхнат посредством изпаряване. Прилагането на този метод зависи от наличността на земя, темповете на изпарение и опасенията за замърсяване на земята и водата.
Едно подобрение на утаечната лагуна е сушенето в утаечно корито, което включва пропусклива среда и система за дренаж. Наличието на земя и климата влияят върху избора на този метод. Когато прилагането е възможно, сушенето в утаечно корито е ефективен и сравнително евтин метод за обезводняване на остатъците от пречиствателната станция. Сушенето в утаечно корито (гравитационно отводняване + изпарение), пясъчни корита със замразяване (оставят се да замръзнат и след това се размразяват естествено или механично; най-вече се използват за остатъци от стипца), вакуум-опосредстваните системи (прилагане на налягане, за да се ускори процеса на сушене) и слънчевите корита за сушене (когато климатът позволява) са нетермични технологии за сушене в корита. Термичната технология на сушене обикновено се използва за решаване на проблемите с контрола на патогените, контрола на миризмите и проблемите със съхранението, но не се използва широко.
Коагулантната утайка обикновено изисква системи за отстраняване на твърдите частици. Те обикновено са с 0.5 до 2.0 % концентрация на твърди частици. Коагулантните утайки могат да съдържат висок процент на гелообразни, хидроксидни утайки в зависимост от концентрацията на общо суспендираните частици от водоизточника. Омекотяването на утайките е по-лесно в сравнение с обезводняването и осигурява компактност на коагулантните утайки. Омекотяването на утайките обикновено е с плътни, стабилни и инертни материали.
Таблица 1.Сравнение на технологиите за отстраняване на твърди вещества: концентрация на твърди вещества след пречистване, разпределена по видовете отпадъци
| Пречистване за отстраняване на твърди вещества | Концентрация на твърди вещества в обработени с вар отпадъци за омекотяването им | Концентрация на твърди вещества в обработени коагулантни отпадъци |
|---|---|---|
| Сгъстяване | ||
| Гравитационно сгъстяване | 15–30% |
1–3% (ниски TSS) 5–30% (високи TSS) |
| Флотационно сгъстяване | Не се предлага | 2–4% |
| Гравитационен пояс | Не се предлага | 2.5–4.5% |
| Механично обезводняване | ||
| Спираловидна центрофуга | 55–65% | 20–30% |
| Колонна филтърна преса | 50–60% |
1 –20% (алуминий) 4–50% (алуминий, TSS) |
| Ламелен (или под налягане) филтър | 55–70% | 35–45% |
| Диафрагмена филтър преса | 50–70% | 30–60% (алуминий с кондиционна вар) |
| Немеханично обезводняване | ||
| Лагуна хранилище | 50–60% | 7–15% |
| Сухо пясъчно корито | 50% | 20–25% |
Source: U.S. EPA, ASCE, and AWWA, 1996.
Химичното утаяване се използва за отстраняване на разтворени метали от отпадъци чрез добавяне на реагент за утаяване. Тази обработка се прилага за течни потоци от отпадъци, генерирани в йонообменни филтри и концентрати с обезсоляваща мембрана. Като реагент за утаяване се използва предимно хидроксид. Вар, негасена вар, сода бикарбонат или сода каустик може да бъде добавена за въвеждането на хидроксидни йони. Сулфиди и желязна сол могат също да се използват в зависимост от металите, присъстващи в отпадъците. Химичното утаяване на отпадъците обикновено се използва за отстраняване на алуминий, антимон, арсен, кадмий, хром, мед, желязо, олово, живак, селен, сребро, талий или цинк.
Като цяло, кислородът се добавя към отпадъците преди да бъдат изхвърлени, за да се контролира биологичното потребление на кислород и увеличаването на нивата на разтворения кислород.
След дезинфекция, свободният или общият остатъчен хлор трябва да се следи, тъй като е токсичен за водните организми. Той се отстранява чрез дехлориране с добавяне на оптимална доза серни химикали като серен диоксид, натриев сулфит, натриев бисулфид, натриев метабисулфид и натриев тиосулфат.
Това са химични добавки в операциите по пречистване за подобряване на ефективността на третирането, след като рН на водоизточника по време на обработката се промени. За регулиране на рН в диапазона между 6 и 9 се добавят киселини или основи.
Някои отпадъци, получени в пречиствателните станции, като например листа, клони, трупи, пластмасови бутилки и други големи плаващи отломки, които са отделени чрез първоначалния процес на пресяване, са сравнително лесни за отстраняване и се изхвърлят в конвенционалните депа за твърди отпадъци. Повечето други остатъчни отпадъчни потоци обаче, са по-сложни и изискват добра обработка и методи за обезвреждане за защита на човешкото здраве и околната среда.
Изборът на алтернативен метод на изхвърляне трябва да се основава на икономическите и регулаторни основи. Типът и характеристиките на генерираната утайка са важни и за вземане на решение за алтернативно изхвърляне или повторна употреба. Освен депониране, повторно използване като почвен тор, освобождаване в системата за събиране на отпадъчни води, съвместно обезвреждане с биопясъчни отпадни води и повторна употреба като строителни материали или материали за пълнеж, са достъпни алтернативи за обезвреждане или оползотворяване на остатъците.
Най-често срещаният метод за обезвреждане на утайките от пречиствателните станции е депонирането. Решението за окончателното обезвреждане се взима в зависимост от тестовите разтвори, за да се определи дали веществото е токсично или не.
За прилагане върху земя (повторно използване като изменение на почвата) на остатъците от пречиствателната станция, те трябва да се тестват, за да се определи дали са опасни или не. Реколтата, която се отглежда, химията на почвата и свойствата на утайките са важни при вземането на решение за прилагане на метода върху земята. Коагулантните утайки, омекотяването на утайките с вар-сода, нанофилтруване на концентрата и бавно пясъчно филтърно промиване могат да се приложат върху земята. Идеалното приложение върху земята е за нехранителни култури, рекултивиране на минни райони и гори. Трябва да се вземе под внимание обаче, че прилаганото върху земята може да доведе до повишаване на концентрацията на метали в подземните води и в почвата и по този начин да има по-малко продуктивни почви.
Генерираните отпадни води в процесите на водопречистване, като филтърно промивни води, могат да се рециклират до основното звено на водоизточника в пречиствателната станция. За да се намали въздействието на периодичния голям обем потоци от операциите по промиване, потока се използва система за изравняване на потоците. За морските води, изхвърлянето в океана е алтернатива.
Научете повече:
Drinking Water Treatment Plant Residuals Management Technical Report Summary of Residuals Generation, Treatment, and Disposal at Large Community Water Systems, United States Environmental Protection Agency, September 2011 EPA 820-R-11-003
Water Treatment Residuals Management for Small Systems, Water Research foundation, EPA, prepared by: Nanacy E. McTigue and David A. Cornwell, Ph.D., P.E. BCEE EE&T, Inc. 712 Gum Rock Court Newport News, VA 23606, 2009.
Fact Sheet T8, Performance & Cost of Decentralized Unit Processes, TREATMENT SERIES RESIDUALS MANAGEMENT, Water Environment Research Foundation Collaboration. Innovation. Results., prepared by members of the Consortium of Institutes for Decentralized Wastewater Treatment (CIDWT), including: John R. Buchanan, PhD, PE University of Tennessee Nancy E. Deal, MS, REHS NC State University David L. Lindbo, PhD, CPSS NC State University Adrian T. Hanson, PhD, PE New Mexico State University David G. Gustafson, PE University of Minnesota Randall J. Miles, PhD University of Missour.
Principles of Water Treatment, MHW, prepared by Kerry J. Howe, David W. Hand, John C. Crittenden, R. Rhodes Trrussell and George Tchobanoglous, 2012.
Technology Transfer Handbook: Management of Water Treatment Plant Residuals, ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 88, U.S. EPA/625/R-95/008, 1996.
http://bv.com/home/capabilities/
