Многие отрасли промышленности (пищевая, целлюлозобумажная, микробиологическая, химическаяя, фармацевтическая и др.) являются масштабными производителями концентрированных по органическим загрязнениям сточных вод. Традиционным способом обработки этих сточных вод в России является аэробная биологическая очистка, сопряженная с большими затратами на аэрацию и утилизации избытка активного ила. Помимо крайней экономической неэффективности такого подхода, переменный состав сточных вод и высокая концентрация загрязнений часто приводит к перегрузкам сооружений аэробной биологической очистки, в результате чего загрязнения беспрепятственно попадают в окружающую среду (реки, озера, грунтовые воды). Очевидно, что такая практика имеет крайне негативные экологические последствия и ведет к бессмысленному расходованию полезных веществ, заключенных в сточных водах. Экономически эффективным и экологически приемлемым решением существующей проблемы может служить комбинированная анаэробно-аэробная технология очистки концентрированных сточных вод, разрабатываемая в настоящий момент на кафедре химической энзимологии Химического ф-та МГУ. Технологическая схема этого процесса может быть представлена следующим образом:

В соответствии с этой схемой, сточная вода поступает в высокоскоростной анаэробный реактор с грануллированной (иммобилизованной) биомассой (UASB-реактор), где происходит как минимум 90% конверсия органических загрязнений в биогаз (70% метана, 30% углекислого газа). Биогаз после очистки от следов сероводорода является ценным энергоносителем и может использоваться в заводских котельнях для генерации тепла/пара или конвертироваться в электроэнергию в газогенераторах. Эффлюент анаэробного реактора содержит не более 10 % от начального содержания ХПК, а также азот и фосфор в минерализованном виде. Такой эффлюент может использоваться как эффективное жидкое удобрение, если позволяют условия, или сбрасываться в канализационные системы очистки сточных вод, если таковые существуют. В случае отсутствия или перегрузки последних анаэробный эффлюент может быть доочищен аэробными методами до стандартов (БПК, N, P и др.) сброса в открытые водоемы.

Преимущества предлагаемой комбинированной технологии по сравнению, например, с традиционной аэробной очисткой (аэротенки, биофильтры, биопруды) заключаются в следующем.

1. Кардинальное снижение энергозатрат на аэрацию, так как предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод, естественно, не требует затрат энергии на аэрацию, удаляяя при этом 90% и более ХПК загрязнений; электроэнергия на анаэробной стадии необходима только для перекачки сточных вод, как правило, не более 0.02-0.06 кВт ч/м³.
2. Органические загрязнения сточных вод как минимум на 90% конвертируются в ценный энергоноситель - метан, причем выходы последнего достаточно высоки - 0.35 м³ с кг удаленного ХПК;
3. Прирост избыточной биомассы по сухому веществу в 5-10 раз меньше, чем при чисто аэробной очистке, а по объему - в 25-50 раз. Избыточная биомасса стабильна, не загнивает при хранении, легко обезвоживается без применения реагентов. Высокое содержание в анаэробной биомассе витамина В₁₂ делает ее ценным сырьем для получения кормовых добавок.
4. Применительно к очистке концентрированных стоков анаэробные системы, как правило, значительно производительнее аэробных. Это связано с тем, что в анаэробных реакторах достигается очень высокая концентрация биомассы - до 30-50 г/л и более, тогда как в аэробных сооружениях концентрация биомассы жестко ограничена возможностями аэрирующих устройств (обычно не более 4-8 г/л). Вследствии этого, производительность современных высокоскоростных анаэробных реакторов типа UASB составляет 15-20 кг ХПК/м³ сут (для сравнения: окислительная мощность аэротенков и аэробных биофильтров не превышает 5-10 кг ХПК/м³ сут, а в большинстве случаев - 2-3 кг ХПК/м³ сут). Последние же конструкции анаэробных реакторов (EGSB, IC-UASB реакторы с псевдоожиженным слоем и др.) способны эффективно работать в промышленном масштабе с производительностью, на порядок превосходящей максимально возможную для аэробных систем (до 30-60 кг ХПК/м³ сут).
5. Анаэробные реакторы устойчивы к длительным перерывам в подаче сточной воды, что позволяет эффективно использовать их для очистки стоков сезонных производств.
6. Применительно к сточным водам, не содержащим биогенные элементы, анаэробная очистка требует в 5-10 раз меньшей биогенной подпитки, чем аэробная.
7. Конструкция анаэробных реакторов может быть полностью герметичной, что предотвращает распространение дурнопахнущих веществ и микробиальных аэрозолей вокруг очистных сооружений. Вследствии этого, может быть значительно сокращена санитарно-защитная зона.
8. Компактность и санитарно-гигиеническая безопасность современных анаэробных биореакторов делает возможным их широкое использование для локальной очистки концентрированных промышленных сточных вод предприятий, расположенных в населенных пунктах. Избыточная анаэробная биомассы от биореакторов может сбрасываться в канализационную сеть с очищенной сточной водой без превышения норм приема по взвешенным веществам, либо периодически вывозиться на сельскохозяйственные угодья как удобрение или на продажу для запуска других анаэробных реакьторов.
9. Минимальный объем анаэробных реакторов не ограничен. В отличие от аэробной очистки, эксплуатация небольших установок (20-50 м³) не представляет трудностей,
10. Промежуточные и конечные продукты анаэробной очистки (ЛЖК, объем и состав биогаза) легко поддаются количественному определению. Это облегчает применение автоматизированного контроля и управления.
11. Комбинированная технология может быть очень органично интегрирована в различные системы глубокой утилизации сточных вод и рекуперации загрязнений, включающие в себя:
- получение энергии, топлива, товарной углекислоты, биомассы (метанотрофных микроорганизмов) и других продуктов из биогаза;
- разведение, кормовую и энергетическую утилизацию высшей водной растительности в биопрудах доочистки;
- разведение в биопрудах рыбы;
- орошение и удобрение очищенными сточными водами;
- удобрение почв избыточным анаэробным илом;
- извлечение и рекуперация азота, фосфора и серы.

Экономика предлагаемой комбинированной технологии может быть оценена на примере Плавского спиртзавода Тульской области и используя цены июля 1998 г. (1$ = 6.1 руб.)

Ежедневная продукция сточных вод на этом заводе составляет в среднем 500 м³ со средней загрязненностью в 12 кг ХПК/м³. Для обработки такого количества сточных вод потребуется UASB реактор с рабочим объемом не более 500 м³ (гидравлическое время удержания ~ 1 сут). При 90% эффективности удаления ХПК загрязнений, реактор ежедневно будет производить 2 700 м³ биогаза (70% метана). Так как 1 м³ биогаза эквивалентен по энергетической ценности 1 квт-ч, который стоил 22 коп., то ежедневный доход от биогаза можен быть оценен как 0.22 руб. х 2700 квт-ч = 594 руб., что в годовом исчислении равно 495 руб. х 365 дн. = 216 810 руб. или 35 542$.

Стандартная расценка на обработку 1 м³ коммунальными системами очистки сточных вод г. Москвы ~ 7 руб. Предлагаемая комбинированная технология будет ежедневно обрабатывать 500 м³ х 365 дн. = 182 500 м³, что эквивалентно 1 277 500 руб. или 209 426 $. Следует заметить, что, конечно, в России в настоящее время ни один из существующих спиртзаводов не платит таких сумм коммунальным службам за обработку сточных вод, предпочитая губить окружающую среду и время от времени платить мизерные штрафы за нанесенный экологический ущерб, но такое положение дел не может продолжаться бесконечно.

Из зарубежных источников известно, что капитальные затраты, приведенные к 1 м³ реактора, составляют 500-750$ для стран Западной Европы и 280-350$ для стран Латинской Америки. Учитывая существующий уровень цен и зарплат, для России ближе латиноамериканские расценки, т.е., ~ 300$/м³ реактора. Капитальные затраты для реактора объемом 500 м³, следовательно, равны 150 000$. Эксплуатационные расходы оцениваются на Западе как 0.06-0.08$/м³сточной воды, т.е., в нашем случае для ежегодных 182 500 м³ они равны 10950-14600$, хотя, наверное, будут ниже из-за дешевизны рабочей силы.

Таким образом, окупаемость капитальных затрат комбинированной технологии, учитывая только биогаз, составляет 150000/35542 = 4.22 года. С учетом же наносимого экологического ущерба, этот срок существенно ниже. Следует заметить, что во времена СССР внедрение технологии считалась обоснованным, если срок окупаемости капитальных затрат не превышал 8 лет.

Контактная персона:

д.х.н. С.В.Калюжный, 119899, Москва, Воробьевы горы, Московский государственный университет, Химический ф-т, кафедра химической энзимологии
Тел: 7-(095)-9395083; Факс: 7-(095)-9395417; email: svk@enz.chem.ms