Защита водных объектов

Загрязнение воды стало многообразным и повсеместным явлением. Основные загрязнители - промышленные отходы, бытовые отходы и канализация, сточные воды, использованная в различных технологических процессах, в том числе как охладитель, вода и т.д. Отдельно необходимо рассматривать загрязнения акваторий судами.

В основе защиты водных объектов, как уже указывалось выше, должны лежать разработки и повсеместное внедрение водосберегающих технологий и замкнутых бессточных систем водоснабжения. Схема "водоем - потребитель - очистка - сброс в водоем" должна быть заменена на:

– использование воды в единой системе: "забор воды - потребитель - очистка - подготовка - повторное использование потребителем";

– очистка загрязненной воды направлена на регенерацию воды, а загрязнители перерабатываются во вторичное сырье.

Очистка воды в зависимости от процессов, протекающих в очистных сооружениях, разделяется на механическую, физико-химическую и биологическую.

Механическая очистка осуществляет задержание нерастворенных примесей (иногда называется осветлением воды) и заключается в процеживании, отстаивании, отделении частиц в поле действия центробежных сил и фильтровании.

Процеживание проводится пропусканием водного потока через решетки, сита и волокноуловители. Решетки изготавливаются из металлических стержней с зазором 5...25 мм; удаление осадка осуществляется, как правило, механически с помощью различных устройств, вертикальных и поворотных граблей, например. Сита имеют более мелкие ячейки квадратной формы. Решетки-дробилки, имеющие в своем устройстве сетчатые барабаны, улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их, что упрощает последующую обработку осадка. Для выделения волокнистых веществ из сточных вод, в частности в выбросах целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий, применяют волокноуловители, принцип действия которых основан на процеживании через конусообразные диски с перфорацией или через движущие сетки с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (в ряде случаев, всплытии) примесей с плотностью больше (или меньше) плотности воды.

Устройствами отстаивания являются отстойники, песколовки, жироуловители. Скорость свободного осаживания (или всплытия) примесей, являющаяся основой расчета очистных устройств, равна (м/с):

,

где g - ускорение свободного падения; d, - средний диаметр части, м; рч и рв - плотности частиц и воды, кг/м³; ц - динамическая вязкость воды, Па/с.

Песколовки применяют для очистки сточных вод от тяжелых нерастворимых частиц: песка, окалины, металлических и других крупиц размером более 0,25 мм. Направление движения сточной воды может быть прямолинейным и круговым в горизонтальных по конструкции песколовках. Кроме того, бывают вертикальные и аэрируемые песколовки.

Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм и частиц нефтепродуктов; конструктивно они выполняются горизонтальными, радиальными, комбинированными.

Специфические загрязнения удаляются специальные устройствами: жиро-; нефте-; масло-; смолоуловителями.

Для осаждения твердых частиц водного потока в поле центробежных сил применяют открытые и напорные гидроциклоны и центрифуги. Открытые гидроциклоны применяют скорости охлаждения более 0,02 м/с, при меньших скоростях осаждения применяются напорные циклоны; центрифуги используются для очистки больших объемов воды.

Станции механической очистки включает многоступенчатую технологию; для большей эффективности в отстойники вводят различные химические вещества, в первую очередь коагулянты, которые укрупняют частицы, образуя хлопья, в том числе частично растворенных примесей. В числе таких веществ сернокислый алюминий, хлорное железо, сернокислое железо, известь и др.

Фильтрование предназначено для очистки сточных вод от тонкодисперсных механических примесей. Фильтры применяются в основном двух типов: зернистые и микрофильтры. Первые имеют насадки несвязанных пористых материалов, в качестве которых применяют песок, гравий, мраморную крошку, частицы шунгизита, пенополиуретана и др. В микрофильтрах используют фильтроэлементы, изготовленные из связанных пористых материалов: сеток, шпаней, спеченных металлических порошков и т.п.

Сочетание фильтров и центробежных сил используется в фильтрах-сепараторах. Так, фильтры с частицами пенополиуретана, который обладает высокой маслопоглощающей способностью, легко очищаются под действием центробежных сил. Поэтому в фильтре-сепараторе достигают последовательно очистки воды, а затем регенерации самого фильтра.

Физико-химические методы очистки достаточно разнообразны и высокоэффективны; к ним, кроме рассмотренной выше коагуляции, относятся: реагентная очистка (нейтрализация, хлорирование, озонирование, иоагуляция и т.д.), экстракция, флотация, сорбция, эвапорация, ионообменные и электрохимические методы, гиперфильтрация, кристаллизация и др.

Нейтрализация сточных вод ведется для удаления кислот, щелочей и солей металлов на основе кислот и щелочей и основана на объединении ионов водорода и гидрокислотной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода получает нейтральную среду. Нейтрализацию кислот и их солей проводят щелочными реагентами: едким натром, едким кали, содой, мелом, известью, известняком, доломитом и т.п., а для нейтрализации щелочей и их солей используют серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Проведение нейтрализации происходит на практике одним из трех способов: путем фильтрования сточной воды через насадки с реагентами; добавлением в воду реагента в виде сухого вещества или раствора; перемешиванием сильно загрязненного водного потока с сухим реагентом с последующим образованием нейтральной сгущенной массы.

Экстракция основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаиморастворимых жидкостей: сточной воды и экстрагента. Для проведения этого процесса используют специальные устройства - экстраляционные колонны.

Очистка флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками воздуха или другой газовой смеси, подаваемой в загрязненную воду. В основе процесса флотации лежит молекулярное слипание частиц масла и пузырьков газа в воде. В зависимости от способа образования газовых пузырьков различают следующие виды флотации: пневматическую, напорную, химическую, вибрационную, пенную, биологическую, электрофлотацию и др.

В процессе электрофлотации используют электролиз воды, который приводит к образованию дисперсной газовой фазы, кроме того с поверхности электродов (алюминиевых, стальных) происходит сход ионов алюминия и железа в раствор, что обеспечивает коагулирование мельчайших частиц примесей. Сопутствующие флотации электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточной воды. Таким образом, электрофлотацию можно считать комплексным методом очистки.

При сорбции удаляют растворимые примеси; основными сорбентами являются мелкодисперсные материалы: зола, глина, торф, опилки, шлаки; наиболее эффективный сорбент - активированный уголь.

Ионообменные методы очистки применяются для обессоливания и удаления ионов металлов, а также других примесей; в качестве ионитов применяют синтетические ионообменные нерастворимые в воде смолы в виде гранул размером 0,2...2 мм. Используют сильно- и слабокислотные катиониты (в Н⁺ - или Na⁺ - форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН ֿ - или солевой форме). Ионообменная очистка реализуется в соответствии с уравнением реакции:

n[К]Н+ Меⁿ⁺ [К]_nMe + nН⁺,

m[A_n]OН+ B^m־ [A_n]_mB + mOН^־,

где К – радикал катионита; Me – извлекаемый катион металла; n – заряд катиона; A_n – радикал анионита; В – извлекаемый анион; m – заряд аниона.

Ионообменная очистка позволяет получать металлы в чистом виде, а также соли в концентрированном виде.

Электрохимическая очистка осуществляется электролизом путем окисления веществ через передачу электронов непосредственно на поверхность анода или через вещество-переносчик. Особенно эффективным является электролиз сточных вод, содержащих хлорид-ионы, что обуславливает появление активного хлора и, следовательно, хлорирование воды.

Гиперфильтрация реализуется разделением растворов при фильтровании через пористые мембраны, пропускающие молекулы воды и задерживающие гидратированные ионы солей и молекулы недиссоциированных соединений.

Эвапорация представляет собой выпаривание летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и удаляются вместе с паром в специальных испарительных установках, представляющих собой эвапорционные колонны с насадками. В качестве насадок, как и в других очистных устройствах, применяют кольца Рашига.

Для получения питьевой или другой чистой воды проводят обеззараживание.

Наиболее распространенный метод – хлорирование, использующее активное воздействие хлора на патогенные микроорганизмы. Но в ряде случаев химическая активность хлора приводит к образованию токсичных хлорированных производных, в том числе даже диоксинов.

Хлорирование проводится газообразным хлором, хлорной известью, а также гипохлоритом натрия, получаемого электролизом из поваренной соли.

Более эффективным является озонирование. Благодаря свободным радикалам, образующимся при разложении озона, обеспечивается бактерицидный эффект при малом времени контакта. Однако этот метод достаточно дорогостоящий и энергоемкий.

В последнее время получает распространение метод "фотосенсибилизорованного фотоокисления" (патент США). Этот метод основан на известном с началаXX века эффекте уничтожения многих биологических объектов действием света в присутствии определенных красителей и молекулярного кислорода.

Биологическая очистка сточных вод использует микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности разрушают органические соединения, минерализируя их.

В системах биологической очистки используется так называемый активный ил, который образуется в результате биохимического преобразования микроорганизмами органических соединений, содержащихся в очищаемой воде. Количество микроорганизмов может достигать 10⁸ и более на литр воды, для их жизнедеятельности необходимо больше кислорода; поэтому прочищаемую воду обогащают воздухом и активно перемешивают. Активный ил, содержащий микроорганизмы, осаждается на дно. Оценку состава сточных вод в процессе биологической очистки осуществляют по БПК – биологической потребности воды в кислороде, т.е. количестве кислорода, необходимого для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема воды.

Биологическая очистка может быть разделена на два типа проведения: в условиях, близких к естественным (поля фильтрации, поля орошения, биологические пруды), и в искусственных условиях (биофильтры, аэротенки, окситенки, метатенки).

Поля фильтрации и поля орошения создаются на окраинах городов. На полях фильтрации вода просачивается через поры грунта, насыщенного аэробными микроорганизмами, вплоть до образования биологических пленок на поверхности грунта. Биологические пруды создают в специально созданных неглубоких водоемах, в которых обеспечивают протекание естественных биологических процессов очищения воды в условиях насыщения кислородом вследствие фотосинтеза и атмосферной аэрации, а также с искусственной аэрацией.

Биофильтры представляют собой резервуары с фильтрующим материалом (шлаком, щебнем, керализитом, гравием, гранулами пластмасс и т.п.), подачей воздуха и водопроводами (рис. 19). Эффективный процесс очистки устанавливается после образования на поверхности фильтра биологической пленки из различных микроорганизмов.

Рис. 19. Схема биофильтра

Аэротенки – это резервуары, в которые с достаточно большим расходом подаются сточная вода, воздух и активный ил, включающий в себя бактерии, простейшие микроорганизмы, черви и другие аэробные минерализаторы. Из аэротенка вода в смеси с активным илом попадает в отстойники, в которых ил осаждается, а затем вновь подается в аэротенк. Вариантом аэротенка являются окситенки, отличающиеся дополнительной подачей кислорода и повышенной концентрацией активного ила.

На рис. 20 показана схеме станции биологической очистки (по Яковлеву С.В. и др., 1996 г.), а на рис. 21 схема очистки стоков промышленного цеха по (Виноградову С.С., 1998 г.).

Рис. 20. Технологическая схема станции биочистки сточных вод

Как было уже отмечено, сброс отработанной воды в естественный водоем по существу недопустим. Тем не менее он продолжает широко применятся, в том числе и как естественное разбавление сточных вод (особенно для ливневой – уличной канализации). Интенсивность разбавления характеризуется кратностью:

,

где концентрация загрязняющих веществ (кг/м³): С_о – в сбрасываемых сточной воде; С_в – в водоеме до и С – после сброса в них сточных вод.

Рис. 21. Система очистки сточных вод гальванического цеха.

При расчете реального сброса надо учитывать течение рек и каналов, глубину водоемов, место сброса в водоеме (береговой и в сечении водоема), длину русла или размер озера (водохранилища) и др. Кроме того, необходимо иметь в виду, что примеси обязательно осаждаются на дно, в т.ч. в виде загрязненного ила, что приводит к необходимости очищать эти донные отложения.

Утилизацию отходов очистки воды проводят различными методами, среди которых длительная биологическая обработка, вывоз на специальные свалки, сушка, сжигание и т.д. Так, сырой осадок сбраживают в метатенках – герметичных резервуарах, содержащих анаэробные бактерии в термофильных условиях при температуре 30...43° Цельсия. Кроме того, применяются иловые площадки, вакуум-фильтры, центрифуги, печи для сжигания осадка и т.д. Из продуктов сжигания можно получать дорожное покрытие, строительные материалы, удобрения; образующаяся тепловая энергия используется для собственных нужд. Важным моментом является использование осадка в качестве топлива для этих печей без дополнительного расхода традиционных видов топлива (за исключением первичного розжига).

Защита земель и почв. Загрязнение поверхностных слоев земли достигло во многих случаях критического уровня, характеризующегося потерей плодородия и других естественных свойств почвы. Особенно велики загрязнения от непродуманного внесения удобрений, пестицидов и им подобных веществ в пахотные земли, огороды, сады; нефтепродуктами, в том числе автомобилями; тяжелыми металлами и их солями. Так, потребление ртути в России составляет ежегодно до 400 т, что приводит к образованию около 10 тыс. т ртутьсодержащих отходов.

Как и для других сред, основой защитой земель и почв от загрязнения является комплекс мероприятий по недопущению попадания загрязняющих веществ, а в сельском хозяйстве строго ограниченного и обоснованного применения средств защиты растений и удобрений.

Восстановление природных свойств земель, объединенных единым термином «рекультивация» (который имеет и более узкое значение), ведется по трем основным направлениям:

- биотехнологии, основанные главным образом на свойствах растений "забирать" ряд примесей из почвы и обогащать ее, а также на возможностях микроорганизмов преобразовывать органические вещества; сюда можно отнести и фитологические методы, к которым относят посев травосмеси;

- химические способы с применением различных реагентов, а также перекись водорода и озон;

- технические способы извлечения примесей, например тяжелых металлов; эти способы трудоемки, требуют больших затрат и часто приводят к разрушению физической основы почвы и гибели живых организмов;

- снятие слоя сильно загрязненной почвы для последующей переработки или захоронения.

В биотехнологиях очень важен выбор растений и их смена по годам. Растения подбирают таким образом, что в течении определенного срока (два, три, четыре урожая) каждое их них проводит очистку почвы или не допускает загрязнение в своем диапазоне, а в целом за полный оборот они обеспечивают эффективное земледелие без применения гербецидов и с минимальным использованием удобрений. Так, например, люцерна имеет сильный стержневой корень и плотную массу, что приводит к уничтожению посторонних растений-сорняков, с другой стороны, на люцерне разводятся насекомые-вредители, но они не выживают на многих других растениях. В других случаях чередуют растения в зависимости от того, какую часть их используют в пищу, а какая часть накапливает то или иное вещество. Так очевидно, что в корнеплодах (картофель, морковь, свекла) и в овощах (капуста, огурцы, томаты) накопление различных веществ будет различным. Так, например, кадмий активно накапливается в моркови и свекле, а на тех же почвах содержится в капусте и огурцах в незначительных количествах.

В ряде случаев для активизации биологической очистки с помощью микроорганизмов достаточно рыхления почв и их аэрация.

В целом необходим:

- анализ характера и глубины загрязнения;

- подбор соответствующих штаммов-деструкторов;

- анализ состава и активности аборигенной микрофлоры;

- выбор агротехнологической мероприятий;

- использование механической предобработки.

Среди технических методов используют инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, открытый огонь.

Снятую загрязненную почву обрабатывают механическими устройствами (решетки, грохота), в гидроциклонах, флотационных номерах, отстойниках и т.д.

Современный производственный комплекс может полностью регенерировать загрязненную почву; стоимость достигает 200 и более долларов США за тонну почвы.