Системы локальной очистки сточных вод: принципы и технологии.

Введение

Системы очистки сточных вод для очистки сточных вод на той же территории, где они образуются.

Установки очистки сточных вод на месте (OSSF), также называемые септическими системами, – это системы очистки сточных вод, предназначенные для очистки и удаления сточных вод на той же территории, где они образуются, в районах, не подключенных к централизованной канализационной сети. Комбинация септика и дренажного поля является довольно распространенным типом установки очистки сточных вод на месте в западных странах. На ОССФ приходится около 25% всей очистки бытовых сточных вод в США. Установки очистки сточных вод на месте могут также быть основаны на небольших аэробных и биофильтрационных установках, мембранных биореакторах или последовательных реакторах. Их можно рассматривать как уменьшенные версии муниципальных очистных сооружений, также известные как "компактные установки".

Описание процесса

Основной механизм переработки биологических отходов в естественной среде осуществляется другими организмами, такими как животные, насекомые, почвенные микроорганизмы, растения и грибы, которые потребляют все доступные питательные вещества в отходах, оставляя после себя полностью разложившиеся твердые вещества, становящиеся частью верхнего слоя почвы, и чистую питьевую воду, очищенную от всего, что может быть потреблено и использовано. Эта естественная биологическая очистка требует времени и пространства для переработки отходов. Практически во всех инженерных локальных очистных сооружениях переработка и разложение природными организмами по-прежнему являются основным механизмом удаления сточных вод. Обеспечение организмам необходимого времени для разложения отходов достигается установлением минимальных сроков удержания и отстаивания сточных вод, а также минимальных расстояний между местами сброса сточных вод и поверхностными водами или водозаборными скважинами.

Различия

Для животных, таких как мыши, крысы, мухи и паразиты, естественно участвовать в полностью естественном процессе переработки биологических отходов. Инженерные сооружения обычно стремятся исключить их присутствие, чтобы предотвратить неконтролируемый рост популяции и распространение вредителей и болезней. Хотя твердые отходы, собранные локальными очистными сооружениями, потенциально могут использоваться в качестве компоста для создания плодородного слоя почвы, они часто оказываются не полностью разложенными либо из-за недостатка места для хранения на месте и ожидания завершения разложения (муниципальные сооружения), либо из-за того, что отходы укладываются слоями: новые поверх уже разложившихся (септики и выгребные ямы). Вследствие неполного разложения, при удалении с локальных очистных сооружений эти отходы обычно называют шламом, а не компостом, и они обладают сильным неприятным запахом, вызванным микроорганизмами, продолжающими потреблять питательные вещества в шламе. Инженерные сооружения, использующие водную суспензию для транспортировки твердых отходов (частные септические системы и муниципальные сооружения), как правило, формируют плавающий слой в первичных отстойниках, состоящий из жидкостей низкой плотности, таких как масла, всплывающие твердые частицы и мыльная пена. Этот слой называется пеной и медленно разлагается микроорганизмами, в конечном итоге оседая на дно отстойника как часть ила. При очистке частных септиков от отходов, резервуар обычно откачивается, а непереваренная пена добавляется к непереваренному шламу, усиливая его запах и биологическую активность. Если оставить отстойник полностью нетронутым и обеспечить доступ воздуха через вентиляцию, то шлам и пена в конечном итоге полностью превратятся в компост с низким запахом. Строительство двух резервуаров рядом друг с другом и переключение между ними позволяет одному резервуару отдыхать, пока другой используется, а отдохнувший резервуар можно безопасно и легко очистить вручную перед повторным использованием. Это предлагается как решение для локальных очистных сооружений в странах с преимущественно сельскохозяйственной экономикой, где ручной труд наиболее доступен. Хотя отходы жизнедеятельности человека ничем не отличаются от отходов других животных, муниципальные службы могут быть обязаны захоранивать собранные отходы на полигонах из-за риска попадания токсичных веществ в общую канализационную систему, поступающих от людей, не осознающих вред, который они причиняют. Муниципальные службы также могут собирать стоки с дорог, содержащие следы различных химических веществ, используемых в транспортных средствах, таких как тормозная жидкость и моторное масло, а также веществ, применяемых для таяния льда и снега. Частные септические системы обычно не сталкиваются с этими проблемами, поскольку домовладельцы осознают необходимость не сливать токсичные химикаты в канализацию.

It is normal for animals such as mice, rats, flies, and parasites to participate in the fully natural biological waste recycling process. Engineered facilities typically attempt to exclude them to prevent out of control population explosions and infestation, and prevent spread of vermin and disease. Although the solids collected by onsite sewage facilities can potentially be used as compost to build topsoil, these solids are often incompletely decomposed due to either a lack of onsite storage space to wait for decomposition (municipal facilities), or because the solids are being stacked in a layered structure of new waste solids on top of previously decomposed solids (septic tanks and outhouses). Due to the incomplete state of decomposition, when removed from an onsite sewage facility, these solids are typically referred to as sludge rather than compost, and have powerful offensive odors arising from the microorganisms still consuming nutrients in the sludge. Engineered facilities that use water suspension to transport solids (private septic systems and municipal facilities) typically form a floating layer in their primary settling tank, consisting of low density liquids such as oils, buoyant solids, and soap foam. This is referred to as scum and is slowly decomposed by microorganisms, eventually falling to the bottom of the settling tank as part of the sludge. When private septic tanks are emptied of solids, the tank is typically vacuumed empty and the incompletely digested scum is added to the incompletely digested sludge, further adding to its aroma and bioactivity. If left completely undisturbed and exposed to the open air through a vent, the sludge and scum in a settling tank will eventually be turned completely into low odor compost. By building two tanks side by side, and diverting sewage between them, one tank can be allowed to rest while the other is in use, and the resting tank can be safely and easily cleaned out by hand before it is used again. This has been proposed as a solution for onsite sewage facilities in subsistence agriculture economies where hand labor is the most abundant. Although human body waste is no different from the waste of any other animal, municipal facilities may be required to bury the collected solids in landfills, due to the risk of toxic contaminants placed into the shared communal sewage system, by humans unaware of the harm they are causing. Municipal facilities may also collect runoff from roadways, which contains traces of all the various chemicals used in vehicles such as brake fluid and engine oil, and those used in melting ice and snow. Private septic systems typically do not experience these issues, as the homeowner is directly aware that they must not pour toxic chemicals down the drain.

Улучшение обработки с помощью требований к производительности

Большинство систем локальной очистки сточных вод относятся к традиционному типу, состоящему из септика и системы подземной инфильтрации сточных вод (SWIS). Ограничения участка и более строгие требования к эффективности привели к значительному улучшению в проектировании и управлении системами очистки сточных вод. За последние 20 лет в индустрии систем локальной очистки сточных вод (OWTS) разработано множество новых технологий очистки, способных обеспечивать высокую эффективность на участках с ограничениями по площади, типу почвы, уровню грунтовых вод и рельефу, которые могут препятствовать установке традиционных систем. Новые технологии и усовершенствования существующих основаны на определении требований к производительности системы, характеристике потока сточных вод и нагрузки загрязняющих веществ, оценке условий участка, определении параметров и границ проектирования, а также выборе конструкции системы, учитывающей эти факторы. Требования к эффективности могут быть выражены в виде количественных критериев (например, предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ или объем нагрузки) или качественных критериев (например, отсутствие запаха или видимой пленки) и основываются на способности региональных подземных или поверхностных вод к самоочищению, целях по качеству воды и задачах охраны общественного здоровья. Характеристики потока сточных вод и содержание загрязняющих веществ помогают определить конструкцию и размер системы и могут быть оценены путем сравнения размеров и типа объекта с измеренными показателями очистки аналогичных действующих объектов. Оценка участка включает в себя детальный анализ региональной гидрологии, геологии и водных ресурсов, а также специфическую характеристику почв, уклонов, сооружений, границ собственности и других особенностей участка для дальнейшего определения требований к проектированию системы и определения физического расположения ее компонентов. Большинство альтернативных технологий очистки, применяемых сегодня, обрабатывают сточные воды после их выхода из септика; септик задерживает осевшие твердые частицы, жиры и масла, а также создает условия для частичного разложения осевших органических отходов. Последующая обработка может включать аэробную (с доступом кислорода) или анаэробную (без доступа кислорода или при его низком содержании) биологическую очистку в реакторах с суспендированной или неподвижной биопленкой, физико-химическую обработку, инфильтрацию в почву, фильтрацию через фиксированный слой и/или дезинфекцию. Применение и размеры очистных сооружений, основанных на этих технологиях, определяются требованиями к эффективности, характеристиками сточных вод и условиями на участке.

Most onsite wastewater treatment systems are of the conventional type, consisting of a septic tank and a subsurface wastewater infiltration system (SWIS). Site limitations and more stringent performance requirements have led to significant improvements in the design of wastewater treatment systems and how they are managed. Over the past 20 years the onsite wastewater treatment system (OWTS) industry has developed many new treatment technologies that can achieve high performance levels on sites with size, soil, ground water, and landscape limitations that might preclude installing conventional systems. New technologies and improvements to existing technologies are based on defining the performance requirements of the system, characterizing wastewater flow and pollutant loads, evaluating site conditions, defining performance and design boundaries, and selecting a system design that addresses these factors. Performance requirements can be expressed as numeric criteria (e. g., pollutant concentration or mass loading limits) or narrative criteria (e. g., no odors or visible sheen) and are based on the assimilative capacity of regional ground water or surface waters, water quality objectives, and public health goals. Wastewater flow and pollutant content help define system design and size and can be estimated by comparing the size and type of facility with measured effluent outputs from similar, existing facilities. Site evaluations integrate detailed analyses of regional hydrology, geology, and water resources with site specific characterization of soils, slopes, structures, property lines, and other site features to further define system design requirements and determine the physical placement of system components. Most of the alternative treatment technologies applied today treat wastes after they exit the septic tank; the tank retains settleable solids, grease, and oils and provides an environment for partial digestion of settled organic wastes. Post tank treatment can include aerobic (with oxygen) or anaerobic (with no or low oxygen) biological treatment in suspended or fixed film reactors, physical/chemical treatment, soil infiltration, fixed media filtration, and/or disinfection. The application and sizing of treatment units based on these technologies are defined by performance requirements, wastewater characteristics, and site conditions.

Канада

В рамках канадского федерализма охрана окружающей среды является общим полномочием федерального и провинциальных правительств. Однако управление сточными водами в основном относится к провинциальной, территориальной и муниципальной юрисдикции, в то время как федеральное правительство осуществляет юрисдикцию над сточными водами на федеральных землях и на землях резерваций коренных народов. Каждая провинция и территория имеет свои собственные нормы и правила, касающиеся проектирования и установки локальных очистных сооружений, такие как необходимость получения разрешения и порядок его получения, тип, размер и местоположение системы (обычно в соответствии с характеристиками почвы на участке и другими факторами) и т.д.:
Провинция или территорияДепартамент или министерствоЗаконПостановление
Остров Принца ЭдуардаДепартамент технологий и окружающей средыЗакон об охране окружающей средыПостановление о частных канализационных системах
Ньюфаундленд и ЛабрадорДепартамент здравоохраненияЗакон о здравоохраненииПостановление о санитарии
Новая ШотландияДепартамент окружающей средыЗакон об окружающей средеПостановление о локальных очистных сооружениях
Нью-БрансуикДепартамент здравоохранения и социальных услугЗакон о здравоохраненииПостановление 88-200
КвебекДепартамент окружающей средыЗакон о качестве окружающей средыQ 2, r. 22 Постановление о системах очистки сточных вод для отдельно стоящих домов
ОнтариоМинистерство муниципальных дел и жилищного строительстваСтроительный кодекс Онтарио, часть 8
МанитобаДепартамент окружающей средыЗакон об окружающей средеПостановление о частных канализационных системах и выгребных ямах
СаскачеванДепартамент здравоохраненияЗакон о здравоохраненииПостановление о водопроводе и канализации
АльбертаМинистерство трудаЗакон о кодексах безопасностиСтандарты практики частных канализационных систем Альберты
Британская КолумбияМинистерство здравоохраненияЗакон о здравоохраненииПостановление о канализационных системах
Северо-Западные территорииДепартамент здравоохранения и социальных службЗакон о здравоохраненииОбщие санитарные правила
ЮконДепартамент здравоохраненияЗакон об охране здоровья и безопасностиПостановление о системах очистки сточных вод

Европа

Предполагаемый потенциальный объем рынка локальной очистки составляет около 35 миллионов условных жителей для Европы.

Соединенные Штаты

В Соединенных Штатах локальные очистные сооружения ежедневно собирают, очищают и выпускают примерно [около] очищенные сточные воды от около 26 миллионов домов, предприятий и рекреационных объектов по всей стране (Бюро переписи населения США, 1997 г.). Осознание влияния локальных систем на качество грунтовых и поверхностных вод (например, загрязнение нитратами и бактериями, поступление питательных веществ в поверхностные воды) повысило интерес к оптимизации их работы. Специалисты в области общественного здравоохранения и охраны окружающей среды теперь признают, что локальные системы – это не просто временные установки, которые в конечном итоге будут заменены централизованными системами очистки сточных вод, а постоянные методы очистки сточных вод для выпуска и повторного использования в окружающую среду. Локальные системы признаются эффективными, экономичными, долговечными и децентрализованными подходами к очистке сточных вод при условии их надлежащего планирования, проектирования, установки, эксплуатации и обслуживания (USEPA, 1997). ПРИМЕЧАНИЕ: Помимо существующего государственного и местного контроля, децентрализованные системы очистки сточных вод, обслуживающие более 20 человек, могут подлежать регулированию в рамках Программы контроля подземных инъекций USEPA, хотя EPA предложила исключить их из-под действия этой программы (64FR22971:5/7/01). Несмотря на то, что некоторые программы управления сточными водами на месте успешно функционировали в прошлом, проблемы остаются. Большинство действующих нормативных программ сосредоточены на выдаче разрешений и установке. Лишь немногие программы охватывают эксплуатацию и техническое обслуживание локальных систем, что приводит к отказам, ненужным затратам и рискам для общественного здоровья и водных ресурсов. Более того, отсутствие координации между ведомствами, отвечающими за планирование землепользования, зонирование, развитие, охрану водных ресурсов, инициативы в области общественного здравоохранения и локальные системы, создает проблемы, которые можно было бы предотвратить путем более тесного сотрудничества. Эффективное управление локальными системами требует тщательного планирования, проектирования, установки, эксплуатации, технического обслуживания, мониторинга и контроля.

Влияние на здоровье населения и водные ресурсы

Государственные и племенные агентства сообщают, что локальные септические системы в настоящее время являются третьим по распространенности источником загрязнения подземных вод, и что эти системы выходят из строя из-за неправильного выбора места установки, дефектов проектирования или недостаточного долгосрочного обслуживания (USEPA, 1996a). В исследовании потребностей в чистой воде 1996 года (USEPA, 1996b) штаты и племена также выявили более 500 населенных пунктов, где неисправные септические системы стали причиной проблем со здоровьем населения. Сброс частично очищенных сточных вод из неисправных локальных систем был определен как основной или сопутствующий фактор деградации в 32% всех участков выращивания моллюсков с ограниченным выловом. Локальные системы очистки сточных вод также способствуют избыточному содержанию питательных веществ в прудах, озерах и прибрежных лагунах, что приводит к чрезмерному росту водорослей и других нежелательных водных растений (USEPA, 1996b). Кроме того, локальные системы приводят к загрязнению источников питьевой воды. По оценкам USEPA, ежегодно 168 000 вирусных и 34 000 бактериальных заболеваний возникают в результате употребления питьевой воды из систем, использующих недостаточно очищенные подземные воды. Неисправные септические системы были идентифицированы как один из возможных источников загрязнения подземных вод (USEPA, 2000). В 2022 году на мысе Код, штат Массачусетс, проводились испытания септических систем, снижающих загрязнение азотом с использованием древесной щепы и известняка.