На всех этапах очистки сточных вод городов с промышленными предприятиями от процеживания очищенной воды перед повторным её использованием или выпуском в поверхностный водоём и в процессе переработки осадков сточных вод для подготовки их к утилизации в воздушный бассейн происходит эмиссия газов, выделяющихся в оборудовании и ёмкостных сооружениях, входящих в комплекс очистной станции.

В процессе очистки городских сточных вод, переработки их осадков к утилизации в воздушный бассейн выделяются газы в лотках, оборудовании и ёмкостных сооружениях, входящих в комплекс очистной станции (рис. 1). Наиболее распространённые из них: углекислота CO2, метан СН4, сероводород H2S, закись азота N2O, аммоний NH3 и промежуточные органические вещества: меркаптаны (метили этилмеркаптаны) и хлор. Токсичность этих газов различается в десятки раз, но и их массы тоже различаются на порядки. Считается, что индекс токсичности углекислоты наименьший, а выход углекислоты на КОС — наибольший.


Рис. 1. Эмиссия парниковых газов на сооружениях биологической очистки сточных вод

В потенциале глобального потепления (ПГП) воздействие углекислого газа (CO2) на парниковый эффект составляет 1,0, метана — 25, закиси азота — 296.

Источниками выбросов парниковых газов на канализационных очистных сооружениях (КОС) являются:

  • метана — анаэробные процессы в первичных отстойниках, уплотнение и обезвоживание осадка на иловых площадках, утечки при сбраживании осадка в метантенках, размещение осадка на полигонах;
  • закиси азота — процессы нитрификации и денитрификации.

Для определения выбросов парниковых газов КОС существует несколько моделей. Наиболее адекватными из них являются модели, использующие рекомендации

Рамочной конвенции ООН по изменению климата и предлагаемые методологии определения выбросов парниковых газов для реализации механизмов устойчивого развития. Все методологии определения выбросов парниковых газов разрабатываются членами Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) и проходят обсуждения на сайте Рамочной конвенции ООН по изменению климата. В частности, рассматриваются выбросы парниковых газов, сопровождающие процессы очистки сточных вод. Представленные методологии регулярно обновляются и корректируются.

На рис. 1 показана в общем виде наиболее распространённая схема биологической очистки сточных вод, применяемая на российских предприятиях водоотведения. Биореактор с активным илом является либо простым аэротенком, либо, в зависимости от поставленной задачи биологического удаления соединений азота и фосфора, комбинацией анаэробных, аноксидных и аэробных зон.

Первичный отстойник может являться источником выбросов метана в том случае, если осадок долгое время не выгружается и подвергается анаэробному разложению. Биореактор, как правило, источником метана не является, поскольку ил циркулирует между различными зонами, и время его пребывания в анаэробной зоне незначительно. Образование метана в биореакторе с активным илом служит признаком перегрузки очистных сооружений и образования застойных зон, где происходит загнивание активного ила. Закись азота в реакторе образуется в процессах нитрификации и денитрификации. Основными источниками образования метана являются процессы обработки и размещения осадка.

Методологии МГЭИК применимы к станциям биологической очистки, предназначенным для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод или их смесей. Рассматриваются следующие сценарии очистки сточных вод и обработки осадков:

1. Биологическая очистка сточных вод включает процессы нитрификации и денитрификации, сопровождающиеся выделением закиси азота.

2. Очистные сооружения работают ненадлежащим образом (несвоевременная выгрузка осадка из первичных отстойников, перегрузка биореактора), что вызывает образование метана.

3. Осадок обезвоживается на иловых площадках с последующим размещением на полигоне, или используется для удобрения и улучшения состава почвы.

4. Осадок перерабатывается в анаэробном реакторе (метантенке) со сжиганием биогаза или использованием биогаза для производства электричества и тепла. Осадок из анаэробного реактора обезвоживается, хранится на полигоне или вносится в почву.

5. Осадок сжигается с получением тепловой или электрической энергии.

Для снижения токсичности эмиссионных газов применяются различные методы обезвоживания твёрдой фазы и утилизации газов. Поскольку выделяющиеся газы являются парниковыми, то они полезны для растений. В этом случае рациональным направлением в уменьшении их воздействия на население селитебной территории является подача газовых выделений в парники для выращивания овощных и садовых культур или создание контура вокруг КОС из вечнозелёных растений, например, хвойных деревьев, имеющих листву с развитой поверхностью для поглощения газов и их использования на продукцию биомассы продуцентов (растений), а также получения кислорода для обогащения им воздуха.

Наибольший экономический эффект от использования фитореакторов для обезвреживания газовых выбросов получается при размещении фитореакторов непосредственно рядом с биореакторами очистки сточных вод в закрытых помещениях КОС типа «Мегаполис I» или «Мегаполис II». Наиболее активными продуцентами зелёной массы растений и поставки кислорода в воздух из углекислоты являются овощные культуры, газонная трава и вьющиеся комнатные цветы, рассады для клумб — растения, используемые, многими жителями России. Эти растения можно выращивать в горшках, лотках, коробах и прочем инвентаре, располагаемом в объёме помещений на различной высоте с возможностью капельного орошения очищаемой сточной жидкостью и искусственным освещением для управления процессом фотосинтеза. Совмещение в одном помещении процессов очистки сточных вод и выращивания растений обеспечивает не только круговорот воздуха и пищи, но и круговорот воды, так как зелень на 90% состоит из воды, хотя и является пищей и продуцентом кислорода, поэтому конструкции очистных станций в виде ацидозоофитореакторов (АЗФР) являются перспективными.

На уже действующих очистных станциях вокруг КОС может быть выполнена санитарная зона в виде густой посадки вечнозелёных деревьев для обезвреживания газовых выбросов, то есть к средозащитным функциям зона санитарного разрыва приобретает и новые — переработки парниковых газов.

Другим путём сокращения токсичности эмиссионных газов от очистных станций канализации является задействование в технологии очистки сточных вод и переработки осадков таких процессов, которые сопровождаются наименьшей эмиссией в воздух высокотоксичных газов, а таковыми являются процессы горения, электрические разряды, необходимые для работы котельных, двигателей внутреннего сгорания, при производстве озона и т. д.


Рис. 2. Помещение с расположенными в нём устройствами для гидропонного выращивания растения с коммуникациями для подвода и отвода питательного раствора культуральной жидкости и резервуаром для её приготовления и подачи в устройство (1 — корпус устройства; 2 — водопровод; 3 — канализация; 4 и 5 — пробковый кран; 6 — резервуар для приготовления и дозирования питательного раствора и культуральной жидкости)

Вариантом полезного использования избытка углекислоты в атмосфере, и тем самым способом очистки газовых выбросов, может быть гидропонное выращивание растений на КОС закрытого типа или в тепличном хозяйстве населённых пунктов. Примером гидропонного культивирования растений (рис. 2) является изолированное помещение с расположенными в нем устройствами для выращивания с коммуникациями подвода и отвода питательного раствора, культуральной жидкости и резервуаром для её приготовления и подачи в устройство.

Когда будет решена и отработана проблема дезодорации и обеззараживания газовой атмосферы в закрытых КОС, они могут быть не только природоохранными сооружениями, но и производителями сельхозпродукции.