Защита гидросферы
Характеристика гидроресурсов и сточных вод. Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10-3% общей массы планеты.
Роль воды во всех жизненных процессах общепризнана. Без воды человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Растения содержат 90% воды. Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания
1 т пшеницы – 1500 т
1 т риса – 7000 т
1 т хлопка – 10 000 т
Вода необходима практически всем отраслям промышленности. Так, требуется воды на производство
1 т чугуна –50–150т
1 т пластмасс – 500–1000 т
1 т цемента – 4500 т
1 т бумаги – 100 000 т
На электростанциях мощностью 300 тыс. кВт расход воды составляет 300 млн т/год.
Указанные производства требуют только пресную воду. Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете; 85% – морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2% – льды; 22,4% – грунтовые воды; 0,35% – атмосфера; 5,05% – устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10-2% всей пресной воды на Земле.
Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод. Сокращение уровня грунтовых вод уменьшает урожайность окрестных хозяйств.
Проблема Каспия –
хищническое истребление ценнейших пород осетровых рыб при том, что разведение молоди осетровых, т. е. восстановление их популяции, ведется только рыбохозяйствами России и в небольшом объеме – Азербайджаном, а остальные страны только потребляют.
Проблема Азовского моря –
увеличение концентрации солей. За послевоенные годы его засоленность увеличилась с 9 до 15,6 ррт. Организмы, питающие рыбу, погибают. Результат – снижение возможности рыболовства на Азовском море.
Проблема Байкала –
воду этого ценнейшего озера используют для получения целлюлозы по финской технологии, т. е. используют воду минимальной минерализации, содержащую меньше 100 мг/л солей. Обычно в пресной воде содержание солей составляет 300–450 мг/л, в питьевой – 380 мг/л. Байкал после строительства целлюлозно-бумажного комбината в городе Байкальске стал загрязняться (60-е годы). В озере Байкал находится несколько сот эндаминореликтов – редких видов биоты, которых нет в других водоемах. С запозданием разработаны уникальные очистные сооружения, стоимость которых составила 30% стоимости основных фондов производства. Однако принимаемые меры недостаточны для защиты Байкала.
По количеству солей вода делится на: пресную (< 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (> 25). В океане, например, – 35 г/л; Балтийском море – 8–16 г/л; Каспийском – 11–13 г/л; Черном – 17–22 г/л.
Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет, даже в такой большой водной системе, как бассейн реки Волги с ее притоками Камой и Окой. В ряде небольших рек, например, в Северном Донце, вода уже не пресная, а соленая. Средняя минерализация рек Украины составляет 2–3 г/л. В настоящее время многие реки Урала не могут быть использованы как источники водоснабжения. Так, в Каму поступают промышленные стоки с минерализацией 1,5–5,0 г/л.
Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых в последнее время для снижения засоленности рек, используется посадка лесов, предпринимаемая, например, в Саратовской области.
Громаден объем сброса дренажных вод.
К 2000 г. он составит 25–35 км3. Системы орошения потребляют обычно 1–2 тыс. м3/га, их минерализация составляет до 20 г/л. Огромен вклад в минерализацию воды сброса промышленных стоков. По данным за 1996 г. в России объем промстоков был равен стоку такой большой реки, как Кубань.
Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды. В среднем в городах с населением 1 млн человек, по данным США, потребляется 200 л/сутки воды на человека, по другим городам, л/с. (литр/сутки):
Москва – 400 Лондон – 170
С.-Петербург – 500 Париж – 130
Берлин – 250 Брюссель – 85
Водоемы (в частности, пруды) представляют собой сложную экологическую систему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов, т. е. к невозможности возврата к состоянию равновесия, а это приводит к гибели экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К важнейшим из них относятся:
· осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;
· окисление (минерализация) органических примесей;
· окисление минеральных примесей кислородом;
· нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;
· гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.
Основные характеристики сточных вод,
влияющие на состояние водоемов: температура, минералогический состав примесей, содержание кислорода, мл, рН (водородный показатель), концентрация вредных примесей.
Особенно большое значение для самоочищения водоемов имеет кислородный режим. Условия спуска сточных вод в водоемы регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Сточные воды характеризуются следующими признаками:
· мутность воды – определяется с помощью мутномера: исследуемую воду сравнивают с эталонным раствором, который приготовлен из каолина (или из инфузорной земли) на дистиллированной воде, выражается в мг/л;
· цветность воды – определяется сравнением интенсивности окраски испытуемой воды со стандартной шкалой. Выражается в градусах цветности. В качестве стандартного раствора применяют раствор солей кобальта;
· сухой остаток – масса солей и веществ, которые остаются после выпаривания воды (мг/л);
· кислотность – измеряется в единицах рН. Природная вода обычно имеет щелочную реакцию (рН > 7);
· жесткость – зависит от содержания солей Са2+
и Mg2+. Различают три вида жесткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов С1-
и SO
2 > СаСО3
+ СО2 + Н2О. Жесткость измеряется в мг-экв/л солей магния и кальция (1 мг-экв соответствует 28 мг СаО) и в градусах (1° – количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг СаО в 1 л воды). 1° жесткости = 10 мг-экв = 2,8° жесткости;
· растворимый кислород – зависит от температуры воды и барометрического давления, измеряется в мг/л;
· биологическая потребность в кислороде (БПК) – количество кислорода, поглощаемое микроорганизмами в сточных водах. За критерий оценки БПК принята величина уменьшения количества растворенного кислорода в воде в течение 5 или 20 суток при температуре 20°С.
В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:
· бытовые сточные воды – стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, от мытья полов и т.д. Их количество в среднем составляет 0,5–2 л/с. с 1 га жилой застройки города, они содержат примерно 58% органических и 42% минеральных веществ;
· атмосферные сточные воды, или ливневые, их сток неравномерен: 1 раз в год – 100–150 л/с. с 1 га; 1 раз в 10 лет – 200–300 л/с. с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из-за их неравномерности затруднены сбор и очистка этих стоков;
· промышленные сточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного водопотребления на единицу продукции.
Самым важным условием, необходимым для того, чтобы биохимические процессы в водоеме протекали правильно и обеспечивали самоочищение воды, является наличие в ней растворенного кислорода. Если кислорода недостаточно, то высшие организмы погибают. Органические соединения вместо окисления подвергаются анаэробному разложению с выделением сероводорода, углекислого газа, метана и водорода, создающих вторичные загрязнения водоема.
По санитарным нормам (СНИП) значение БПК в зависимости от типа природных водоемов не должно превышать 3–6 мг О2/лН2О. В сточных водах БПК составляет от 200 до 3000 мг/л, поэтому при сбросе в водоемы промстоков необходимо их чистить или сильно разбавлять.
Главным критерием качества воды и атмосферы в нашей стране являются ПДК. Но они установлены далеко не для всех веществ. Спуск в водоемы новых веществ, ПДК которых не определены, в нашей стране запрещен. Кроме того, часто используют значения ПДК не для сточных вод, а для водоема. Таким образом, появляется возможность достичь установленного ПДК простым разбавлением сточных вод, чем часто пользуются. Около половины сточных вод на Земле не подвергается специальной очистке перед сбросом в водоемы.
Их обезвреживание заключается лишь в разбавлении чистой водой и самоочищении водоемов. Например, сточные воды заводов по производству полиэтилена и полистирола надо разбавлять в 30 раз; сточные воды от производства синтетического каучука – в 185 раз.
В России ежегодно образуется около 21 км3 сточных вод, из них 16 км3 сливаются в Волгу или ее притоки. Выбросы Си, Zn, Сг превышают ПДК. Поэтому принято специальное постановление по защите окружающей среды в бассейнах Волги и Урала.
Сбросы сточных вод регламентируются также величиной ПДС (предельно-допустимого сброса) предприятия. В 90-х годах в мире использовали 2000–3000 км3 пресных вод, т. е. примерно 30% устойчивого мирового стока рек. Чтобы не погибнуть, чистить воду придется всем странам. Кроме того, пресная вода, удобная для использования, распределена крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения Земли, мировых запасов речных вод очень мало. Гидроресурсы нашей страны велики, однако более 80% речного стока приходится на малонаселенные районы Севера и Востока. На Европейской части России проживает около 80% населения и на них приходится всего 20% гидроресурсов.
Таким образом, влияние хозяйственной деятельности человека на кругооборот воды в природе привело к:
· сокращению количества воды в водоемах суши;
· росту водопотребления;
· исчерпанию самоочищающей способности водоемов;
· деградации природных вод.
Выход из положения – создание замкнутых водооборотных систем. Помимо перечисленных выше факторов это связано с экономическими соображениями. Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень велика. Так, если принять стоимость 90% очистки за 1 условную единицу (у. е.), то очистка на 99% дороже в 10 раз (10 у. е.), а очистка на 99,9%, которая требуется чаще всего, будет дороже уже в 100 раз, т. е. составит 100 у. е. В результате локальная очистка сточных вод только от характерных для данного вида стоков загрязнений для их повторного использования в том же производстве оказывается существенно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов.
Для характеристики замкнутых водооборотных систем используется критерий кратности использования воды в обороте:
те
Q3 – забор потребления свежей воды.
Чем больше кратность использования, Тем совершеннее схема водоснабжения. В США в 1995 г. среднее значение кратности равнялось 7,5. В России в 1995 г. критерий кратности использования воды по отраслям составлял:
Нефтехимия – 7,00
Черная и цветная металлургия – 5,25
Пищевая промышленность – 3,00
Теплоэнергетика – 2,25
Производство стройматериалов – 1,60
Легкая промышленность – 1,30
В нашей стране планировалось довести этот показатель в ближайшие годы до 7,00 в среднем по предприятиям, а в США – до 27.
Создание экономически радикальных замкнутых систем водного хозяйства – весьма трудная задача. Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений делают невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы. Можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем.
Основные положения создания водооборотных систем:
1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости в использовании воды питьевого качества.
2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водного. Здесь большую роль сыграло бы внедрение агрегатов большой единичной мощности. При этом высокоэнергетическое тепло используется для технологических целей, а низкоэнергетическое – для обогрева. Так, например, в результате внедрения установок воздушного охлаждения на предприятиях нефтепереработки потребление воды в среднем сократилось на 110–160 млн м3/год (Омский нефтеперерабатывающий завод и др.).
3. Размещение на промышленных площадях комплекса производств (так называемых территориально-производственных комплексов – ТПК) должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях.
4. Последовательное многократное использование воды в технологических операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объема максимально загрязненных сточных вод.
5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты.
6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только в замкнутом цикле.
Методы очистки воды. Чистые сточные воды – это воды, которые в процессе участия в технологии производства практически не загрязняются и сброс которых без очистки не вызывает нарушений нормативов качества воды водного объекта. Нормативы едины и утверждены Правилами охраны вод от загрязнения сточными водами, принятыми Минводхозом, Минздравом и Минрыбхозом в 1974 г. В 1996 г. на базе Роскомвода и Роскомнедр было создано Министерство природных ресурсов РФ. Принят ряд новых законов Российской Федерации, которые значительно меняют сложившуюся нормативно-правовую базу и систему управления и контроля в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Загрязненные сточные воды –
это воды, которые в процессе использования загрязняются различными компонентами и сбрасываются без очистки, а также сточные воды, проходящие очистку, степень которой ниже норм, установленных местными органами Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. Сброс этих вод вызывает нарушение нормативов качества воды в водном объекте.
Практически всегда очистка промышленных стоков – это комплекс методов. Наиболее широко используется комбинация механической очистки, нейтрализации промышленных стоков, или реагентной очистки, и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых (канализационных) стоков. Рассмотрим их подробнее.
1. Механическая очистка стоков
Сюда относятся отстой сточных вод в специальных отстойниках, в которых происходит оседание взвешенных частиц на дно отстойников; сбор нефтепродуктов и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности стоков устройствами типа механических рук и, наконец, фильтрация вод через слой песка примерно 1,5-метровой толщины.
2. Химическая, или реагентная, очистка
а) Один из видов обработки сточных вод – реакции нейтрализации. Нейтрализация – химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора – с помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов может быть различной, то для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства, а для другого вида отходов – щелочные свойства. О степени кислотности или щелочности раствора судят по величине водородного показателя рН. Значение величины рН растворов различных веществ колеблется от 0 до 14. Небольшие значения рН свидетельствуют о наличии кислотной среды.
Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, надо знать, какое количество кислоты или щелочи надо добавить в раствор для получения необходимого значения рН. Для этого используют метод титрования, по объему израсходованного титранта вычисляя количество определяемого вещества.
Самую простую систему очистки на основе реакции нейтрализации можно представить в виде измельченного известняка, на который вылили раствор кислоты, а осадок собрали в отстойник.
б) Реакции окисления-восстановления. Любая реакция окисления-восстановления есть одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Наиболее распространенные окислители и восстановители:
Окислители Восстановители
Кислород или воздух Хлорит
Озон Сульфат Fe2+
Хлор, гипохлорит Гидросульфит
Перекись водорода Диоксид серы
Перманганат калия Сероводород
Одним из важнейших окисляющих агентов является хлор, поэтому большинство химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные.
3. Биохимическая очистка
а) Аэробная биохимическая очистка – минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода:
С6Н12О6
+ 6O2 = 6СО2 + 6H2O.
Было установлено, что органические вещества омертвевших организмов разрушаются под действием бактерий, если для последних созданы соответствующие условия, т. е. своевременно подается кислород и среда-носитель оказывается благоприятной для развития микроорганизмов. В качестве среды-носителя был выбран песчаный слой толщиной 1,5 м. Доступ кислорода обеспечивается с помощью вентиляции или путем естественной тяги. Сточные воды сливаются на грунт только в течение 6 часов, а остальные 18 часов отводятся на биохимические процессы. Культура микробов развивается в верхних слоях песка.
Этот метод очистки, названный методом капельной фильтрации, впервые использован в прошлом веке (1866 г.) в Лондоне. Метод позволяет при использовании 1 га песчаной почвы очистить 1,038·106л/с. сточных вод, следовательно, Лондону в 1866г. для очистки 1,57·109л/с. сточных вод необходимо было иметь 810 га подходящих земель. Это слишком большая площадь.
Усовершенствование метода капельного фильтра – перполяционный фильтр – разбрызгивание сточных вод на пласт щебня. Наиболее широко система с перполяционным фильтром стала применяться, когда были достигнуты успехи в области получения пластмасс с заданными свойствами. В современных системах очистки накопление бактериального материала осуществляется на пластмассовых дисках, смонтированных на вращающейся оси. Диски наполовину погружены в сточные воды, по мере их вращения бактерии периодически снабжаются питательной средой и кислородом. Сейчас метод капельного фильтра используют только при условии дешевой земли и мягкого климата.
Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка активным илом.
Сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод, поэтому способ и получил такое название.
Как известно, ил представляет собой огромную популяцию различных бактерий, грибков и другой флоры, добавление которой к сточным водам приводит к быстрому установлению равновесия, способствующего разложению органических веществ, в результате которого образуются СО2 и Н2О. По существу авторы нового способа обработки изменили естественный биологический цикл таким образом, что скорость потребления питательного вещества (т.е., скорость разложения органического вещества) увеличилась на несколько порядков. Дальнейшее усовершенствование этого способа связано с разработкой методов надлежащего ухода и питания используемой популяции микроорганизмов.
Активный ил представляет собой аморфный коллоид с поверхностью 100 м2/г сухого вещества, имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3–150 мкм, взвешенных в воде. B 1 г сухого ила содержится от 108 до 1012 штук бактерий. При этом определенный вид бактерий способен окислять определенные вещества.
Бактерии, входящие в состав активного ила, способны перерабатывать только те сточные воды, из которых сформировался этот активный ил. Поэтому, если в состав очищаемых промышленных стоков будут введены новые вещества, например при изменении технологии производства, то потребуется время, чтобы бактерии, способные окислить именно эти вещества, размножились в достаточном количестве и смогли обеспечить наилучшую очистку.
Иногда даже приходится завозить на вновь создаваемое предприятие активный ил с другого предприятия, где очищаются аналогичные по составу воды и где в активном иле распространены нужные виды бактерий.
Обычно концентрацию активного ила поддерживают равной 2–4 г/л. В ходе очистки активный ил время от времени выводят из очистных сооружений, так как его количество растет. Часть его при этом используется в качестве ценного удобрения, если нет тяжелых металлов, часть стабилизируют, т. е. обрабатывают избытком кислорода для удаления всевозможной органики, предотвращая таким образом гниение.
Часть поступает на анаэробное разложение. Аппаратура для аэробной биохимической очистки представляет собой так называемый аэротенк, или окситенк (рис. 4.5).
б) Анаэробная биохимическая очистка. В случае, если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов: NO
В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.
Процесс окисления–восстановления – это переход электронов от субстрата-донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) – органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую:
С6Н12О6
= ЗСН3СООН + 15 ккал;
2СН3СООН = 2СН4
+ 2СО2.
Образующийся газ состоит из метана (65%) и СОз (33%) и может быть использован для нагрева до 45–55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95–98%), его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают;
Однако не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биохимическими методами. Нормы на содержание вредных веществ в сточных и природных водах, поступающих на биологические очистные сооружения, по некоторым металлам следующие: А13+ – 5 мг/л; Fе3+
– 5 мг/л; Сr6+ – 0,1 мг/л; Mg2+
– 1000 мг/л.
Не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической очистки. Так, практически не разрушается бензин, красители, мазут и др. Эффективность биохимической очистки на самых современных установках составляет 90% по органическим веществам и лишь 20–40% – по неорганическим, т.
е. практически не снижается солесодержание. Не могут быть очищены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300–500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов, т. е. для многих случаев эти методы не эффективны. В среднем эффективность анаэробного метода составляет около 40%. Сравнительная оценка очистки сточных вод различными методами представлена в табл. 4.2.
Процессы анаэробной очистки проводят в специальных метантенках при температуре 30–55°С, выделяющийся метан СН4 может быть использован для нагрева метантенка.
Например, в США при анаэробной очистке сточных вод животноводческого комплекса (500 голов свиней) за счет сжигания метана после анаэробной очистки комплекс не только обеспечивает себя электроэнергией, но иногда в летнее время может даже продавать ее. Образующиеся после анаэробной очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания специальных одноклеточных водорослей типа хлореллы, которые в дальнейшем могут быть использованы на корм скоту. Цикл оказывается замкнутым.
Необходимо искать такие способы ликвидации отходов, которые дают возможность получать полезные продукты, например, дрожжи для выпечки хлебо-булочных изделий и для производства этилового спирта или для превращения отходов, образующихся при переработке древесной пульпы, в полезный продукт.
4. Обеззараживание воды
Последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее обеззараживание, т. е. избавление от болезнетворных микроорганизмов, так как хорошо известно, что через воду могут распространяться такие страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит и др. Многие годы обеззараживание воды осуществляли с помощью обработки ее хлором. Однако стало известно, что полихлорированные бифенилы являются ядами, их находят в основном в жирах. Окисляясь, они образуют абсолютные яды – диоксины. Летальная доза диоксинов в организме для свиней, которые являются тест-объектами, – 10 мкг/кг их веса. Но эту дозу можно набрать и постепенно. Это привело ученых к выводу, что хлорирование может быть вредным.
Во многих странах в 80-е годы перешли к обработке воды фторированием, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире и в России тоже отдают предпочтение обработке воды озонированием.
Биологическая очистка не может обеспечить обессоливания сточных вод. Как известно, вода питьевого качества должна содержать не более 1000 мг/л солей, из них: хлоридов – 350 мг/л, сульфатов – 500 мг/л. Необходимую в технических целях пресную воду получают методами выделения солей из сточных и природных вод.
5. Специальные методы очистки воды
Существует много специальных методов выделения солей из природных и сточных вод.
а) Дистилляция (выпаривание) – хорошо освоенный и широко применяемый метод. Мощность выпарных установок составляет 15–30 тыс. м3 в сутки. Одни из самых мощных выпарных установок располагаются на предприятиях атомной энергетики, где необходимо опреснение морской воды, например, в г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основным недостатком этого способа является большой расход энергии – 0,020 Гкал/т. Геоопреснительные установки невелики по мощности (< 20 м3/с.), а стоимость опреснения велика.
б) Вымораживание. При медленном охлаждении соленой воды из нее в первую очередь выделяются кристаллики льда, практически не содержащие солей. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества.
в) Мембранный метод. Это электродиализ и гиперфильтрация, или обратный осмос. Электродиализ – современный метод деминерализации и концентрирования растворов. Основан на направленном переносе ионов диссоциированных солей в поле постоянного тока через ионселективную мембрану из естественного или синтетического материала. Схема электродиализа представлена на рис. 4.6. За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессоливания морской воды. Например, установка в Ливии на 20 тыс. м3/с., в США – на 400 тыс. м3.
Метод обратного осмоса – это процесс разделения водных растворов путем их фильтрования через полупроницаемую мембрану под действием давления выше осмотического (до 6–8 МПа).
Процесс характеризуется небольшими энергозатратами. За рубежом освоено производство установок производительностью до 1 тыс. м3/с. У нас работают установки меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные трудности этих методов – в создании полупроницаемых мембран и давления.
г) Ионный обмен. Метод широко применяется во всех странах мира. До настоящего времени этот метод является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, метод ионного обмена широко используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, тяжелых металлов).
Основной недостаток общепринятых технологических схем ионного обмена – избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Велик расход воды на собственные нужды (20–60% от производительности). Существует необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитами. Поэтому ионный обмен с большим допущением можно назвать методом обессоливания сточных вод, скорее это технологический прием получения воды высокой степени очистки.
Очень широкое применение этот метод нашел в практике умягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.
6. Удаление остаточных органических веществ
После биохимической очистки могут остаться органические вещества, плохо усваиваемые микроорганизмами. Лучший способ их удаления – адсорбция активированным углем, который затем регенерируется при нагревании.
Обычно сточные воды пропускают через колонки с активированным углем, где обеспечен контакт с ним в течение 20– 40 мин. Это весьма эффективный метод, позволяющий очистить сточные воды до БПК < 1 мгО2/л (меньше нормы по ГОСТ). Аппаратура для применения этого метода довольно простая.
Адсорбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.
С целью перехода на более рациональное потребление воды и сокращения сброса загрязнений в водные объекты разработаны оптимальные нормы и укрупнены удельные показатели водопотребления и водоотвода для различных отраслей народного хозяйства с учетом совершенствования технологических процессов.
Введены в эксплуатацию замкнутые системы водного хозяйства на Краснодарском витаминном заводе, Липецком металлургическом комбинате.
В 1996 г. в г. Москве была проверена водоохранная деятельность на территории города. Установлено, что к основным нарушениям относятся неудовлетворительная эксплуатация и состояние водоочистного оборудования, отсутствие разрешений на спецводопользование, сброс сточных вод с превышением нормативных показателей. Участились случаи аварийных и залповых выбросов загрязняющих сточных вод на рельеф местности и в водоемы. В 1996 г. в водоемы города было сброшено 1305 тыс. т загрязняющих веществ (нефтепродуктов, тяжелых металлов, нитратов, хлоридов, взвешенных веществ и др.), но это почти в 2 раза меньше, чем в 1995 г. Количество загрязняющих веществ, сброшенных в 1996 г., составляет 22 наименования (табл. 4.3). Количество воды, используемой в оборотно-повторном водоснабжении, растет недостаточно: лишь на 16 предприятиях строятся очистные сооружения, а также системы оборотного водоснабжения.
