DEVELOPMENT OF A HYBRID TECHNOLOGY FOR THE TREATMENT AND REUSE OF CAR WASH WASTEWATER

УДК 628.3+628.16

Аннотация

В статье представлена разработка гибридной технологии очистки сточных вод автомобильных моек, основанной на последовательном сочетании процессов коагуляции, песчаной фильтрации и сорбции на активированном угле. Цель исследования заключалась в разработке эффективной, экологически безопасной и экономически обоснованной технологии, обеспечивающей возможность повторного использования очищенной воды в системах локального водоснабжения автомобильных моек. Исследования выполнены на сточных водах автомобильных моек самообслуживания города Ташкента. Определены основные физико-химические показатели воды, включая содержание взвешенных веществ, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, биохимическое и химическое потребление кислорода. Для выбора оптимальных условий коагуляционной обработки проведены лабораторные исследования методом Jar-test с использованием коагулянтов FeCl₃ и Al₂(SO₄)₃. Установлены рациональные дозировки реагентов и технологические параметры процесса очистки. Опытно-производственные испытания показали, что разработанная технология обеспечивает удаление взвешенных веществ на 93–96 %, нефтепродуктов – на 82–90 %, БПК₅ – на 65–72 %, ХПК – на 68–78 %, а также позволяет повторно использовать до 70 % очищенной воды для технологических нужд. Предлагаемая технология отличается простотой конструкции, использованием доступных материалов, экологической безопасностью, экономической эффективностью и может быть рекомендована для внедрения на локальных очистных сооружениях предприятий автомобильного сервиса.

Abstract

This paper presents the development of a hybrid technology for the treatment of car wash wastewater based on the sequential application of coagulation, sand filtration, and activated carbon adsorption. The aim of the study was to develop an efficient, environmentally friendly, and economically feasible treatment technology that enables the reuse of treated wastewater in local water supply systems of car wash facilities. Wastewater samples were collected from self-service car washes located in Tashkent, Uzbekistan. The physicochemical characteristics of the wastewater, including suspended solids, petroleum hydrocarbons, surfactants, biochemical oxygen demand (BOD₅), and chemical oxygen demand (COD), were comprehensively investigated. Laboratory experiments were carried out using the Jar-test method to determine the optimal operating conditions for FeCl₃ and Al₂(SO₄)₃ coagulants. The optimum reagent dosages and treatment parameters were established based on experimental results. Pilot-scale tests demonstrated that the developed technology achieved removal efficiencies of 93–96% for suspended solids, 82–90% for petroleum hydrocarbons, 65–72% for BOD₅, and 68–78% for COD, while enabling the reuse of up to 70% of the treated water for technological purposes. The proposed technology is characterized by a simple design, the use of readily available materials, environmental safety, and economic efficiency, making it suitable for implementation in local wastewater treatment systems at car wash facilities.

Ключевые слова: сточные воды автомобильных моек; гибридная технология очистки; коагуляция; песчаная фильтрация; активированный уголь; повторное использование воды.

Keywords: car wash wastewater; hybrid treatment technology; coagulation; sand filtration; activated carbon; water reuse.

Введение

Рост количества автомобильного транспорта в мире сопровождается увеличением числа предприятий по его обслуживанию, в том числе автомобильных моек. Для мойки одного автомобиля в зависимости от используемой технологии расходуется в среднем от 50 до 150 л воды, что приводит к образованию значительных объемов сточных вод, содержащих взвешенные вещества, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, органические загрязняющие соединения и другие примеси [1,2]. Сброс таких сточных вод без надлежащей очистки оказывает негативное воздействие на поверхностные и подземные воды, ухудшает экологическое состояние окружающей среды и приводит к нерациональному использованию водных ресурсов [3,4,5].

В условиях возрастающего дефицита пресной воды и ужесточения экологических требований особую актуальность приобретает разработка локальных технологий очистки сточных вод с возможностью их повторного использования. Наиболее перспективными направлениями считаются физико-химические методы очистки, включающие коагуляцию, флокуляцию, фильтрацию, сорбцию, мембранные процессы и электрохимические методы. Однако применение мембранных технологий и других высокотехнологичных процессов зачастую сопровождается значительными капитальными и эксплуатационными затратами, что ограничивает их использование на большинстве автомобильных моек [6,7,8,11].

Анализ опубликованных исследований показывает, что эффективность отдельных методов очистки достаточно высока, однако применение только одного технологического процесса не обеспечивает необходимого качества очищенной воды для ее повторного использования. Кроме того, большинство исследований выполнено в лабораторных условиях и не учитывает особенности состава сточных вод автомобильных моек самообслуживания, а также экономическую эффективность комплексных технологий очистки в условиях их практического применения [9,10]. В связи с этим актуальной задачей является разработка простой, эффективной и экономически обоснованной гибридной технологии очистки сточных вод автомобильных моек, обеспечивающей высокую степень удаления основных загрязняющих веществ и возможность повторного использования очищенной воды [2,15,16].

Целью настоящего исследования является разработка гибридной технологии очистки сточных вод автомобильных моек на основе процессов коагуляции, песчаной фильтрации и сорбции на активированном угле, а также оценка эффективности ее применения в условиях локальных очистных сооружений для повторного использования очищенной воды.

Материалы и методы

Объектом исследования являлись сточные воды автомобильных моек самообслуживания, расположенных в различных районах города Ташкента. Выбор объектов обусловлен широким распространением данного типа моек и высоким содержанием в сточных водах взвешенных веществ, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других загрязняющих компонентов.

Отбор проб проводили в период стабильной эксплуатации моечных комплексов в часы максимальной нагрузки в соответствии с действующими нормативными требованиями. Для обеспечения репрезентативности результатов пробы отбирали в различные дни с последующим усреднением.

Экспериментальные исследования выполнялись в лаборатории кафедры «Промышленная экология и зелёные технологии» Ташкентского химико-технологического института.

Использованное лабораторное оборудование: рН-метр-иономер PXSI-216P — для определения pH; спектрофотометр UV 755 — для фотометрического контроля качества очищенной воды; аналитические весы и сушильный шкаф MST-55 — для определения содержания взвешенных веществ гравиметрическим методом; магнитная мешалка и лабораторные микропипетки-дозаторы — для приготовления и точного дозирования растворов коагулянтов; вытяжной лабораторный шкаф MCO-150 — для безопасной работы с химическими реагентами.

Концентрации нефтепродуктов, ПАВ, биохимического потребления кислорода (БПК₅) и химического потребления кислорода (ХПК) определяли стандартными физико-химическими методами анализа.

Таблица 1. Основные параметры разработанной гибридной технологии очистки сточных вод автомобильных моек

Оптимальные дозировки коагулянтов определяли методом Jar-test с использованием шести вариантов 0,1 %-ных растворов FeCl₃ и Al₂(SO₄)₃. Эффективность процесса оценивали по степени осветления воды, интенсивности осадкообразования, изменению значения pH, а также концентрациям взвешенных веществ, нефтепродуктов, ПАВ, БПК₅ и ХПК.

Наиболее эффективными оказались дозировки 1,5 мл 0,1 %-ного раствора FeCl₃ и 2,0 мл 0,1 %-ного раствора Al₂(SO₄)₃. Дальнейшее увеличение доз сопровождалось перекоагуляцией без повышения эффективности очистки.

Рисунок 1. Технологическая схема разработанной технологии очистки сточных вод автомобильных моек.

1 — двухкамерный резервуар для сбора и усреднения сточных вод; 2 — реактор коагуляции–флокуляции; 3 — перемешивающее устройство; 4 — дозатор коагулянта; 5 — дозатор флокулянта; 6 — дозатор реагента для регулирования pH; 7 — отстойник; 8 — резервуар для сбора осадка; 9 — насос; 10 — песчаный фильтр; 11 — фильтр с активированным углём; 12 — резервуар очищенной воды.

После коагуляции вода последовательно подвергалась отстаиванию, фильтрации через кварцевый песок и сорбционной очистке на активированном угле. Эффективность разработанной технологии оценивали по изменению концентраций основных загрязняющих веществ до и после очистки [12,13].

Разработанная технология включает резервуар усреднения, реактор коагуляции–флокуляции, отстойник, песчаный фильтр, фильтр с активированным углём и резервуар очищенной воды. Основные конструктивные параметры приведены в таблице 1, а принципиальная технологическая схема — на рисунке 1.

Результаты и обсуждение

На первом этапе исследований проведена комплексная оценка физико-химических характеристик сточных вод автомобильных моек самообслуживания города Ташкента. Мониторинговые наблюдения показали, что объём образования сточных вод зависит от интенсивности эксплуатации моечных постов. Наибольшая нагрузка наблюдалась в выходные дни, особенно в воскресенье (81–95 автомобилей в сутки), тогда как в будние дни этот показатель составлял 63–82 автомобиля. Максимальная интенсивность работы моечных комплексов отмечалась с 10:00 до 20:00, что было принято в качестве оптимального времени отбора проб.

Таблица 2. Физико-химические показатели сточных вод автомобильных моек

Результаты исследований показали, что сточные воды характеризуются высокой концентрацией загрязняющих веществ и выраженной щелочной реакцией среды (pH 9,6). Концентрация взвешенных веществ, определённая гравиметрическим методом, достигала 748 мг/л, что существенно превышает показатели хозяйственно-бытовых сточных вод. Достоверность результатов подтверждена фотоэлектроколориметрическим анализом; коэффициент корреляции между методами составил r = 0,93.

Анализ ионного состава выявил повышенное содержание гидрокарбонатов, кальция, натрия, сульфатов и нитратов, обусловливающих повышенную минерализацию воды. Основные физико-химические показатели представлены в таблице 2.

Полученные результаты соответствуют диапазонам, приведённым в современных исследованиях сточных вод автомобильных моек, однако повышенные значения pH и содержания взвешенных веществ свидетельствуют о необходимости применения комплексной физико-химической очистки перед повторным использованием воды [6, 9]. Сопоставление экспериментальных данных с действующими экологическими требованиями показало превышение допустимых значений по pH, содержанию взвешенных веществ, нефтепродуктов, БПК₅, ХПК и поверхностно-активных веществ, что подтверждает необходимость применения разработанной гибридной технологии [3].

Таблица 3. Результаты опытно-производственных испытаний разработанной гибридной технологии очистки

Эффективность разработанной технологии оценивали в ходе опытно-производственных испытаний на установке производительностью 15 м³/сут, включающей процессы коагуляции–флокуляции, отстаивания, песчаной фильтрации и сорбции на активированном угле. Эффективность разработанной технологии оценивали по изменению концентраций взвешенных веществ, нефтепродуктов, БПК₅ и ХПК до и после очистки.

Как видно из таблицы 3, разработанная технология обеспечила высокую эффективность удаления основных загрязняющих веществ. Наибольшая степень очистки достигнута по взвешенным веществам (93–96 %), тогда как эффективность удаления нефтепродуктов, БПК₅ и ХПК составила 82–90 %, 65–72 % и 68–78 % соответственно. Высокая эффективность обусловлена последовательным сочетанием процессов коагуляции, песчаной фильтрации и сорбции на активированном угле.

Полученные результаты сопоставимы с данными Fayed et al. (2023), согласно которым эффективность удаления взвешенных веществ составляет около 90 %. В настоящем исследовании достигнута более высокая эффективность (93–96 %), что, вероятно, связано с применением комбинированной схемы очистки [15]. По сравнению с мембранными технологиями предложенная технология отличается более простой конструкцией, меньшими капитальными и эксплуатационными затратами и возможностью применения на локальных очистных сооружениях автомобильных моек без использования сложного оборудования [2,16]. Настоящее исследование было направлено на оценку физико-химической эффективности технологии. Полученные показатели качества очищенной воды подтверждают возможность повторного использования до 70 % воды для технологических нужд автомобильных моек в системе оборотного водоснабжения. Микробиологические показатели и влияние многократного оборота воды на накопление растворённых загрязнений требуют дальнейшего изучения.

Одним из основных преимуществ разработанной технологии является возможность организации оборотного водоснабжения. Повторное использование до 70 % очищенной воды позволяет существенно сократить потребление питьевой воды, уменьшить объём сточных вод и повысить эффективность использования водных ресурсов, что особенно актуально в условиях возрастающего дефицита пресной воды и ужесточения экологических требований к предприятиям автомобильного сервиса [2,16].

Технико-экономическая оценка разработанной технологии представлена в таблице 4. При производительности установки 15 м³/сут обеспечивается повторное использование 70 % очищенной воды и экономия 10,5 м³ питьевой воды в сутки. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 2,57 года, а расчётный уровень рентабельности — 39,0 %.

Таблица 4. Основные показатели экологической и экономической эффективности разработанной технологии

Полученные показатели подтверждают практическую целесообразность внедрения технологии на локальных очистных сооружениях автомобильных моек. Её применение позволяет снизить затраты на водоснабжение и водоотведение, сократить потребление питьевой воды и уменьшить экологическую нагрузку.

Оценка качества очищенной воды проводилась по основным физико-химическим показателям. Достигнутые результаты подтверждают возможность её повторного использования в оборотной системе водоснабжения. При этом микробиологические показатели и длительная стабильность работы фильтрующих материалов требуют дальнейшего изучения.

Таким образом, разработанная гибридная технология сочетает высокую эффективность очистки, экономическую целесообразность и возможность повторного использования воды, что делает её перспективной для предприятий автомобильного сервиса.

Выводы

Разработана и экспериментально подтверждена гибридная технология очистки сточных вод автомобильных моек, включающая коагуляцию–флокуляцию, отстаивание, песчаную фильтрацию и сорбцию на активированном угле.

Установлено, что исследуемые сточные воды характеризуются высоким содержанием взвешенных веществ, нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ и органических загрязнений, что требует применения комплексной очистки.

Опытно-производственные испытания показали снижение содержания взвешенных веществ на 93–96 %, нефтепродуктов — на 82–90 %, БПК₅ — на 65–72 %, ХПК — на 68–78 %.

Разработанная технология обеспечивает повторное использование до 70 % очищенной воды, сокращает потребление пресной воды и уменьшает объём сброса сточных вод.

При производительности 15 м³/сут срок окупаемости составляет 2,57 года, а рентабельность — 39,0 %, что подтверждает практическую и экономическую целесообразность внедрения технологии.

Предлагаемая технология может быть рекомендована для локальных очистных сооружений автомобильных моек и других предприятий автомобильного сервиса.

Список литературы:

1. Batisha A. Greywater in Egypt: the sustainable future of non-conventional water resources. Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. No. 28. P. 35428–35438. DOI: 10.1007/s11356-020-09821-x.
2. Awad E.S., Abdulla S.M., Sabirova T.M., Alsalhy Q.F. [Membrane techniques for removal of detergents and petroleum products from carwash effluents: a review]. Chimica Techno Acta. 2023. Vol. 10. No. 1. Article 202310107. DOI: 10.15826/chimtech.2023.10.1.07.
3. Cuput E.L., Mensah L., Bentil E., Amponsah V., Agbekey B.K. [Heavy metal contamination from fuel station run-off and carwash wastewater: An assessment of ecological risk and experimental treatment]. Heliyon. 2024. Vol. 10. No. 7. Article e29167. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e29167.
4. Holshev N.V., Milovanov A.V., Glazkov Yu.E., Konovalov D.N., Vedishchev S.M., Prokhorov A.V. [Equipment for External Washing of Motor Vehicles: General Design and Calculation: Textbook]. Tambov: Publishing Center of Tambov State Technical University, 2024. (In Russ.).
5. Kuzmichev A.S. [Investigation of Vehicle Washing Processes Using Water Jets]: Extended Abstract of PhD Dissertation. Novocherkassk, 2019. 26 p. (In Russ.).
6. Monney I., Donkor E.A., Buamah R. Clean vehicles, polluted waters: empirical estimates of water consumption and pollution loads of the carwash industry. Heliyon. 2020. Vol. 6. No. 5. Article e03952. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e03952.
7. Nikolenko I.V., Kotovskaya E.E., Kotovsky A.E. [Justification of Recirculation Parameters in Car Wash Water Supply Systems]. Construction and Technogenic Safety. 2022. No. 24(76). P. 71–84. (In Russ.).
8. Pronk W., Ding A., Morgenroth E., Derlon N., Desmond P., Burkhardt M., Wu B., Fane A.G. Gravity-driven membrane filtration for water and wastewater treatment: a review. Water Research. 2019. Vol. 149. P. 553–565. DOI: 10.1016/j.watres.2018.11.062.
9. Qamar Z., Khan S., Khan A., Aamir M., Nawab J., Waqas M. Appraisement, source apportionment and health risk of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in vehicle-wash wastewater. Science of the Total Environment. 2017. Vol. 605–606. P. 106–113.
10. Susaj E., Kucaj E., Susaj L. [Impact of car wash wastewater on the surface water quality in Shkoza, Tirana, Albania]. Journal of Environmental Protection and Ecology. 2023. No. 1. P. 1–9.
11. Tony M.A., Lin L.-S. [Performance of acid mine drainage sludge as an innovative catalytic oxidation source for treating vehicle-washing wastewater]. Journal of Dispersion Science and Technology. 2020. P. 50–60.
12. Zwart D., Adams W., Galay Burgos M., Hollender J., Junghans M., Merrington G., Muir D., Parkerton T., De Schamphelaere K.A.C., Whale G., Williams R. [Aquatic exposures of chemical mixtures in urban environments: approaches to impact assessment]. Environmental Toxicology and Chemistry. 2018. Vol. 37. P. 703–714.
13. Kholov A.F., Igitov F.B. [Water resource conservation through recirculation of car wash wastewater]. Ekologicheskii vestnik Uzbekistana. 2025. No. 3. P. 60–68.
14. Kholov A.F., Igitov F.B. [Treatment of car wash wastewater using green innovative technologies]. Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "Systems Thinking in Solving Engineering Technology Problems". Tashkent, 2025. P. 607–609.
15. Fayed M., Shewitah M.A., Dupont R.R., Badr M.M. Treatability study of car wash wastewater using upgraded physical technique with sustainable flocculant. Sustainability. 2023. Vol. 15. No. 11. Article 8581. DOI: 10.3390/su15118581.
16. Kuan W.-H., Hu C.-Y., Ke L.-W., Wu J.-M. [A review of on-site carwash wastewater treatment]. Sustainability. 2022. Vol. 14. No. 10. Article 5764. DOI: 10.3390/su14105764.