Глава 3. Технико-экологические основы охраны природных вод

3.1. Водные ресурсы Земли

Хрестоматийно, и поэтому трижды справедливо утверждение, что нет на нашей планете вещества более распространенного и в тоже время зачастую столь остродефицитного, простого по составу, но удивительного и загадочного по свойствам, дешевого по доступности и бесценного по сути, каковым является вода. По латыни вода - аква, отсюда такие сочетания как акватория, аквариум, акваланг и т. п.

Общие запасы воды на Земле оцениваются громадной величиной - около 1500 млн. км³ (~ 1,5 • 10¹⁸т). Водами четырех океанов, объединяемых общим названием Мировой океан, покрыто почти 70,8 % площади земного шара. Число рек, речек и озер на нашей планете исчисляется многими сотнями тысяч. До 30 млн. км³ воды сосредоточено в ледниках и полярных льдах. Объемом почти в 100 млн. км¹ оцениваются запасы свободных (то есть не связанных химически и физически с минералами) подземных вод. Триллионы тонн воды постоянно содержатся в виде пара в атмосфере Земли. Вода присутствует во всех живых организмах и ни один из них не может развиваться в безводной среде.

Все эти виды водных ресурсов динамически взаимодействуют, благодаря постоянному природному круговороту воды, основу которого составляют процессы ее испарения и конденсации. Ежегодно с поверхности мирового океана и суши, а также из-за транспирации влаги (испарения воды растениями) в атмосферу поступает и затем возвращается на Землю в виде осадков до 520 млн. км³ воды, что в пересчете на слой составляет 1020 мм. На сушу приходится в год в среднем 670 мм осадков, на океан - 1260 мм.

Однако громадное количество воды не означает с потребительской точки зрения человечества ее повсеместного изобилия. Почти 94 % водных ресурсов приходится на Мировой океан, вода которого из-за высокого содержания солей (от 7 г/л в Балтийском море до 43 г/л в Красном море, в среднем -35 г/л) не пригодна для бытовых и производственных нужд человека. Повышенной засоленностью характеризуется преобладающая часть подземных вод, а также вода более половины озер. В общем счете запасы доступных для использования пресных вод (то есть вод, содержание солей в которых не превышает 1 г/л) оцениваются всего 0,2 - 0,3 % от суммарного объема водных ресурсов Земли.

Положение усугубляется тем, что данные пресноводные ресурсы крайне неравномерно распределены па земном шаре. Так, в РФ - богатейшей стране по запасам пресных вод - около 90 % суммарного стока рек приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов и всего 8 %- на бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80 % населения России.

Во многих регионах мира наблюдается водный голод в буквальном смысле этого слова. Поэтому ясно, почему человечество уделяет все большее внимание проектам и практическим решениям по воспроизводству и перераспределению пресных вод: обессоливание морской воды, переброска стока рек, транспортировка айсбергов и т. п. Еще более важной задачей является повсеместная и постоянная охрана всех видов водных ресурсов от все более возрастающих разноплановых антропогенных нагрузок на них.

3.2. О некоторых свойствах воды

«Вода, Н₂0, - простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом, молекулярная масса 18,016, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая), несжимаема, плотность 1 г/см³, при 0°С превращается в лед, при 100°С- в пар» - так совокупно характеризуют энциклопедические словари самое распространенное вещество планеты.

Эти характеристики привычны всем с детства, как привычно и то, что вода замерзает с поверхности водоемов, что лед плавает, что около водных пространств климат мягче, что березовый сок - водный раствор питательных веществ- самопроизвольно поднимается снизу вверх до макушки самой высокой березы, что в воде растворяются многие вещества. Вместе с тем каждое из этих явлений наблюдается только благодаря аномальным и специфичным свойствам воды. Объем данного пособия не позволяет рассмотреть причины этих аномалий, которые связывают со структурой воды, поэтому коснемся только их сущности и роли в развитии и существовании живой природы Земли.

Аномальны уже точки замерзания и кипения воды: если исходить из значений этих параметров у соединений водорода с теллуром (Н₂Те), селеном (H₂Se) и серой (H₂S), входящими наравне с кислородом в Via группу периодической системы элементов, то вода должна была замерзать и кипеть при температуре -90°С и -70°С соответственно. Будь это так, то облик нашей планеты выглядел бы совсем по иному.

Не согласуется с физическими законами и то, что лед плавает в воде и что ее замерзание начинается с поверхности водоемов. Ведь, как известно, любое вещество по мерс охлаждения уменьшается в объеме с соответствующим увеличение своей плотности. Исходя из этого, максимальную плотность вода должна иметь при температуре 0°, а лед должен тонуть в ней, как тонут все твердые вещества в своих расплавах. Что происходило бы в природе, подчиняйся полностью вода этой закономерности?

В этом случае при наступлении заморозков верхний, охлажденный до 0°С, слой воды должен был бы опускаться на дно водоема, вытесняя наверх более теплые слои. Те, охладившись, снова начинали бы опускаться вниз и такая циркуляция продолжалась бы до тех пор, пока температура всей воды в водоеме не достигла бы 0°С. Образование льда начиналось бы у дна водоемов ивсе они в условиях длительных низких температур воздуха промерзали бы полностью.

В действительности этого не происходит потому, что вода при охлаждении приобретает максимальную плотность уже при 4°С. При дальнейшем понижении температуры воды до 0°С плотность ее наоборот последовательно уменьшается (!). Поэтому вертикальное перемещение слоев воды в водоемах при зимнем охлаждении заканчивается тогда, когда температура всей ее массы достигает 4°С. Дальнейшее охлаждение приводит к понижению температуры верхних слоев воды, которые как менее плотные остаются у поверхности и постепенно замерзают сверху вниз. В процессе кристаллизации, то есть образования льда, объем воды скачкообразно увеличивается примерно на 10 %. Вследствие этого плотность льда составляет 0,92 г/см³ и он плавает на поверхности воды. Теплопроводность льда намного меньше, чем воды, поэтому он надежно предохраняет водоемы от сквозного промерзания.

В гидрологической литературе принято различать водные объекты на водоемы (моря, озера, пруды, водохранилища) и водотоки (реки, ручьи, каналы).

К аномалиям воды относят и ее исключительно высокую теплоемкость по сравнению с другими твердыми и жидкими телами. Чтобы нагреть 1 г воды на ГС необходимо затратить 4,184Дж (1 калорию) количества тепла. Если принять этот показатель за единицу, то, например, для железа его значение составит 0,1, для песка- 0,2, для спирта и глицерина- 0,3, для дерева-0,6 и т. д. Высокая теплоемкость воды имеет огромное значение для формирования климата планеты: очень медленно нагреваясь с накоплением больших запасов тепловой энергии и также медленно остывая, вода сглаживает сезонные и внутрисуточные колебания температуры воздуха на прибрежных участках крупных водных объектов. Кроме того, благодаря этому свойству вода широко используется в быту в качестве теплоносителя.

С необыкновенно высокой теплоемкостью воды тесно связаны ее также высокие скрытая теплота плавления, то есть таянья льда, и скрытая теплота испарения.

Для полного растопления льда необходимо затратить 335 Дж (80 кал) тепла, то есть столько же, сколько нужно для нагрева 1 г воды на 80 С. В природе этот фактор обуславливает растянутость периода таяния покрывающего водоемы льда, что спасает Землю от катастрофических паводковых наводнений.

Еще большей затратой тепла характеризуется процесс испарения воды. Чтобы превратить в пар 1 г нагретой до 100°С воды требуется уже 2255 Дж (539 кал) тепловой энергии, что намного больше в сравнении с другими жидкостями (скипидар- 287, ртуть- 295, ацетон- 521, спирт этиловый-853 Дж/г и т. д.). Будь эта величина меньшей, многие из озер и речек пересыхали бы полностью в летний период, а водный баланс Земли был бы совсем иным.

Среди всех распространенных жидкостей вода лидирует, уступая только ртути, также и по исключительно высокому поверхностному натяжению, под которым понимают силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. При растекании воды эта сила заставляет сцепляться молекулы ее наружного слоя, создавая поверхностную упругую пленку, для разрыва которой требуется довольно значительная сила (вспомним бегающих по воде водомерок и что стальное лезвие бритвы может удерживаться на водяной поверхности). Внешняя сторона данной пленки всегда характеризуется наличием неуравновешенных водородных связей, что определяет важное для многих природных процессов свойство воды прилипать к поверхности тел или, как говорят, смачивать их.

Вещества, хорошо смачиваемые водой (песок, глина, стекло, ткани и многие другие), называют гидрофильными, а плохо смачиваемые (парафин, жиры, сажа, тефлон) - гидрофобными.

Смачивание и поверхностное натяжение лежат в основе явления, называемого капиллярностью. Состоит оно в том, что находящийся в узком канале столбик воды способен самопроизвольно подниматься на большую высоту. Именно с капиллярностью тесно связаны циркуляция воды в почве, движение жизненных соков по корням и стеблям растений, а также крови и тканевых жидкостей в человеческом теле.

Резюмируя краткое рассмотрение свойств воды, можно сказать, что, если бы она не была столь аномальной жидкостью, наша планета до сих пор оставалась бы безжизненным космическим телом.

3.3. Основные показатели качества природных вод

Вода - универсальный растворитель, что объясняется ее высокой диэлектрической проницаемостью (равной 81 при 21°С)- величиной, показывающей, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Большинство из содержащихся в земной коре соединений в той или иной степени растворимы в воде. В заметных количествах растворяются в ней воздух и другие природные газы. Вследствие этого вода, в какой бы форме она не находилась - жидкой, твердой или газообразной, всегда содержит какое-то количество примесей.

Вода каждого из природных водных объектов характеризуется своим качеством, иод которым понимают совокупность свойств воды, обуславливаемых характером и концентрацией содержащихся в ней неорганических, органических и газообразных веществ. Для природы нет понятия качественной (чистой) воды: жизнь, естественно, в виде своих биоценозов успешно развивается и в засоленном Мировом океане, и в пресных реках, и в застойных болотах. А вот для потребительских интересов человека качество природной воды играет громадную роль, что определяет необходимость изучения ее состава в каждом из водных объектов.

Полный санитарно-химический анализ природных вод* включает несколько десятков определений по трем группам показателей - физическим, химическим и бактериологическим. Первичное прикладное значение анализа заключается в оценке пригодности воды конкретного водного объекта для хозяйственно-питьевых нужд населения. Основные нормативные требования к воде питьевого качества указаны ниже, в табл. 3.1.

/; К физическим показателям воды относятся: температура, запах, вкус, цветность, мутность и прозрачность.

Температура воды поверхностных водных объектов зависит напрямую от природных факторов и может посезонно колебаться от 0,1 до 30°С. Подземные воды имеют, как правило, стабильную температуру вне зависимости от сезона. Для питьевых целей оптимальной является температура воды в диапазоне 7- 11 "С. Скачкообразное повышение температуры в водном объекте за счет антропогенных факторов более, чем на 3°С может оказать губительным для его зооценозов.

Запах природной воды вызывают пахнущие органические и неорганические вещества, попадающие в нее естественным путем (продукты разложения организмов, сероводород и др.). Наличие запаха у воды определяется органолептически дегустаторами-аналитиками. Вначале устанавливается его характер (болотный, землистый, гнилостный и т. п.), а затем интенсивность, которую оценивают в баллах: от 0 (полное отсутствие запаха) до 5 (отталкивающий запах).

Вкус воды зависит от концентрации присутствующих в ней соединений металлов (NaCl, КС1, MgCl₂, MnCl₂, FeCl₂, MgS0₄, CaSO„, FeS0₄), а также ряда органических веществ природного характера. Определяют и оценивают вкус воды по той же методике, что и ее запах. По ГОСТу различают четыре вида вкуса: соленый (придает NaCl), горький (КС1, MgCl₂, MgS0₄), кислый (органические кислоты) и сладкий (ароматические органические соединения). Остальные виды вкусовых ощущений называют привкусами.

Цветность воды: будучи по своей сути бесцветной, вода открытых водных объектов ряда регионов мира, в том числе севера и северо-востока России, имеет выраженную природную окраску - от желтоватой до коричневой. При этом она не устраняется при отстаивании и фильтровании воды. Причиной такой цветности воды является повышенное содержание в ней гуминовых веществ, входящих в состав торфа и почв. Интенсивность цвета таких вод определяют количественно методом фотоколорометрии и выражают в градусах специальной платиново-кобальтовой шкалы.

Мутность воды характеризует содержание в ней взвешенных и коллоидных веществ (частиц глины, мелкого песка, ила, остатков организмов и т. п.) и выражается в мг/л. В речных и озерных водах мутность обычно выше, чем в подземных.

Прозрачность воды, выражаемая в см, является вариантом косвенного отражения ее мутности. Для определения прозрачности пробу воды помещают в плоскодонный стсклянны цилиндр, расположенный на высоте 4 см над стандартным шрифтом. Предельная высота столба воды, через который чтение шрифта еще возможно, и выражает ее прозрачность. Маломутные (1-2 мг/л) воды имеют обычно прозрачность более 30 см.

X) К химическим показателям качества воды относят все те, которые характеризуют содержание в ней растворенных примесей. Важнейшими из определений этой группы являются: рН, общая минерализация и общая жесткость воды, содержание в ней соединений железа, марганца, фтора и азота, величина растворенного кислорода, а также наличие примесей органического характера. Для отдельных водных объектов обязательным является определение содержания в воде тех или иных катионов тяжелых цветных металлов, мышьяка, сероводорода и других элементов, включая радиоактивные.

рН - это водородный показатель воды, характеризующий молярную концентрацию в ней активных ионов водорода (Н⁺). Наличие их связано, во-первых, с тем, что сама вода слабо диссоциирует на ионы

Н₂<->Н" +ОН

и, во-вторых, с тем, что вследствие поглощения атмосферного углекислого газа в любой природной воде всегда присутствует угольная кислота, диссоциирующая по уравнению."

С0₂ +Н₂0 ^ Н₂С0₃ <-> НСО3 +Н⁺

Источником поступления Н* в водные объекты являются и природные органические кислоты.

Численно рН определяется как десятичный логарифм молярной концентрации Н⁺ в воде, взятый с обратным знаком, то есть рН = —lg С(Н⁺).

При рН 7,0, что соответствует содержанию Н⁺ 10"⁷г/л (10~⁴мг/л), вода характеризуется как нейтральная. Значение рН менее 7,0 указывает на ее кислый характер, а более 7,0- на щелочной. Важно помнить, что при изменении рН на единицу, концентрация Н⁺ изменяется в 10 раз. Например, если величина рН воды снизилась с 7,0 до 5,2, то это значит, что содержание Н⁺ в ней увеличилось в 10^-5,2 / 10-7 = 10^1,8 ≈ 63 раза.

Большинство природных вод имеют естественную реакцию, близкую к нейтральной (рН 6,7 - 7,3), но нередко встречаются и отклонения как в кислую (рН 5,0 + 4,5- вода болот), так и в щелочную (рН 7,5 + 8,4- вода морей и некоторых озер) стороны. При рН менее 5,0 развитие гидробионтов резко угнетается, а многие из их видов погибают полностью.

Общей минерализацией (солесодержанием, сухим остатком) называют высушенный при 105°С остаток, получающийся при выпаривании досуха пробы воды, предварительно профильтрованной через плотный фильтр. Этот показатель характеризует содержание в воде всех растворенных минеральных примесей, а также тех органических веществ, которые не улетучиваются при указанной температуре.

Общая минерализация воды конкретных водных объектов относительна стабильна. Речные воды содержат от 50 до 1600 мг/л (чаще 100- 1200 мг/л) растворимых примесей. Вода равнинных озер, как правило, более минерализована.

В большинстве случаев степень минерализации природных вод определяют семь ионов: Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, НСО3, SO;;^-, СП. Исключение составляет вода болот, содержащая, как правило, большие количества органических примесей.

Общая жесткость воды характеризует суммарное содержание в ней катионов кальция и магния. Из общего значения показателя принято выделять карбонатную и некарбонатную жесткость воды. Карбонатная жесткость определяется содержанием в воде бикарбонатов кальция (Са(НС0₃)₂) и магния (М§(НСОз)₂). Эта жесткость почти полностью удаляется при кипячении воды, когда бикарбонаты подвергаются распаду с образованием углекислоты с выпадением в осадок карбонатов:

Са(НС0₃)₂--> СаСОз! + С0₂Т + Н₂0, Mg(HC0₃)₂ -> MgC0₃4- + C0₂t + Н₂0.

Некарбонатная жесткость обуславливается наличием в воде хлоридных, сульфатных и нитратных солей кальция и магния и при кипячении воды не устраняется.

В РФ жесткость воды оценивается в мг-экв/л: 1 мг-экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния. Так, при присутствии в воде 60,12 мг/л Са ' и 18,24 мг/л Mg²⁺ общая жесткость ее составляет 4,5 мг-экв/л (60,12 / 20,04 + 18,24 /12,16).

По значению общей жесткости природную воду подразделяют на: очень мягкую (0 - 1,5 мг-экв/л), мягкую (от 1,5 до 3 мг-экв/л), средне жесткую (4,5 -6,0 мг-экв/л), жесткую (6,0- 10,0 мг-экв/л) и очень жесткую (свыше 10 мг-экв/л).

Бытовое и производственное использование жесткой воды приводит ко многим нежелательным последствиям: образованию накипи на поверхности теплообменных аппаратов, повышенному расходу моющих веществ, плохому развариванию пищевых продуктов и т. п.

Железо и марганец присутствуют в воде большинства водных объектов или в катионной форме, или в виде комплексных органических соединений. В поверхностных водах (за исключением болотных) содержание каждого из этих металлов обычно составляет десятые доли миллиграмма на 1 л. В подземных водах их концентрация часто существенно выше.

Будучи относительно малоопасными для организма человека, железо и марганец придают воде неприятный железистый и чернильный привкус. Кроме того, наличие данных металлов в воде может вызвать интенсивное развитие на стенках водопроводных труб железистых и марганцевых бактерий, которые используют в процессе своей жизнедеятельности энергию, выделяемую при окислении закисных соединений в окисные. Продукты деятельности этих бактерий накапливаются в виде прочных конгломератов на стенках уменьшая сечение, а иногда и закупоривая полностью трубы.

Фтор - повсеместная природная примесь поверхностных и подземных вод (от 0,001 до нескольких мг/л). Меньше всего его содержание в горных реках, больше - в равнинных реках и подземных водах. Фтор является своеобразным элементом: при малом содержании в воде он полезен и необходим для человека, при высоком - вреден и даже смертельно ядовит. В частности, при недостатке фтора увеличивается заболеваемость населения кариесом зубов, при избытке - флюорозом (крапчатость зубной эмали). В ряде регионов мира питьевую воду специально фторируют для повышения содержания в ней фтора до санитарных норм.

Катионы тяжелых цветных металлов (медь, цинк, свинец, ртуть и др.) встречаются в природных водах в повышенных количествах относительно редко - в основном в районах расположения полезных ископаемых.

Медь и цинк - малотоксичны по отношению к человеку и теплокровным животным, но губительно действуют даже в микроколичествах на флору и. фауну водных объектов.

Свинец и ртуть - высокотоксичны для всех организмов. Причем они оба являются кумулятивными ядами, то есть способны накапливаться в организмах.

Растворенный в воде кислород является необходимым условием развития зооценозов, населяющих водные объекты. Обогащение им природных вод происходит за счет растворения в них атмосферного воздуха, а также за счет выделения кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза. В хорошо аэрируемых чистых водных объектах содержится 8-9 мг/л растворенного кислорода, чаще -6-7 мг/л. Наличие в воде больших количеств отмерших органических веществ приводит к резкому падению содержания в ней растворенного кислорода, следствием чего может являться массовая гибель рыбы (явление замора).

Сероводород чаще всего встречается в подземных водах, попадая в них при протекании реакций гидролиза сульфидных минералов, но может присутствовать и в поверхностных водных объектах, выделяясь при разложении белковых веществ при недостатке кислорода. Данный газ губителен для рыб и многих видов простейших организмов. Именно наличие сероводорода, а также природного метана является основной причиной практически полной безжизненности многих озер мира, в том числе РФ.

Органические примеси природного происхождения попадают в воду двумя путями: извне- с площади водосбора водного объекта и за счет развития, отмирания и разложения организмов в нем. Раздельное определение каждой из органических примесей трудоемко, поэтому на практике определяют их суммарное содержание в воде по косвенному показателю - биохимическому потреблению кислорода (БПК).

БПК характеризует количество растворенного в воде кислорода, идущее на окисление ее органических примесей вследствие протекания биохимических процессов.

))j Бактериологические показатели направлены на оценку эпидемиологической опасности (безопасности) природных вод и включают количественный и видовой анализ содержащихся в них микроорганизмов.

Микроорганизмы, количество которых в природных водах колеблется от нуля (подземные глубинные воды) до сотен тысяч в одном миллилитре воды, подразделяются на две группы:

• непатогенные или сапрофиты, питающиеся неорганическим и мертвым органическим веществом; они являются представителями детритных цепей, то есть обуславливают круговорот веществ в природе,

• патогенные, живущие на живом субстрате и вызывающие заболевания растений, животных и человека, в том числе распространение таких эпидемий, как холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, дизентерия, сальмонеллез и др.

Патогенные микроорганизмы, как правило, отсутствуют в незагрязненных природных водах и последние заражаются ими за счет бытовых, животноводческих и производственных (мясокомбинаты, кожевенное производство и т. п.) сточных вод.

Ввиду сложности выделения при бактериологическом анализе собственно болезнетворных бактерий о санитарном благополучии природной воды первично судят по наличию в ней кишечной палочки, обитающей в кишечнике человека и животных. Кишечная палочка безвредна для человека, но наличие ее в воде указывает на загрязнение ее сточными водами и на возможное присутствие в ней возбудителей заразных болезней.

Показателем бактериологической загрязненности воды в РФ является коли-индекс - количество кишечных палочек в 1 л воды.

3.4. Водное хозяйство промпредприятий и задачи его экологизации

Современное развитие цивилизации базируется на использовании все возрастающих объемов воды. Достаточно указать, что каждый житель крупного города расходует в сутки 300 - 500 л воды, а для производства 1 т многих видов

сельскохозяйственной и промышленной продукции воды требуется тысячи м . Параллельно в водные объекты сбрасываются целые потоки бытовых и промышленных сточных вод и трудно подсчитать какой комплексный ущерб - санитарно-гигиенический, экономический и эстетический - наносится при этом природе и самому человечеству.

Вместе с тем, действующее природоохранное законодательство не запрещает такие сбросы полностью, а лишь ограничивает их определенным показателями, исходя из того, чтобы с учетом разбавляющей и самоочищающей способности конкретного водного объекта - приемника сточных вод качество воды в его контрольных створах соответствовало существующим нормативам. Для обеспечения этого каждое предприятие должно стремиться к минимизации потребления воды из природных источников и обеспечению требуемого состава сточных вод, отводимых с его промплощадки.

Нормативным документом, регламентирующим водохозяйственную деятельность любого предприятия, является специальное разрешение на водопользование, которое выдается ему государственными природоохранными органами. В разрешении устанавливаются цели, объекты и технические условия водопользования, характер и способы использования воды, а также воздействие водопользования на водные объекты. Это положение распространяется и на те виды водопользования, которые осуществляются без изъятия воды из водных объектов: судоходство, гидроэнергетика, лесосплав, рыболовство и т. п.

Водное хозяйство предприятия - это совокупность входящих в его состав всех сетей и сооружений, обеспечивающих подачу воды на территорию предприятия, ее необходимую подготовку и распределение между производственными и вспомогательными объектами, а также сбор, очистку возврат в процесс и отведение с промплощадки всех видов образующихся сточных вод.

Как правило, водоснабжение промышленного предприятия осуществляется по двум системам: хозяйственно-питьевой и. производственной.

Вода, используемая для хозяйственно-питьевых нужд предприятия, должна отвечать по своему качеству требованиям ГОСТа «Вода питьевая» (см. табл. 3.1.). Подготовку питьевой воды в городах и крупных поселках осуществляют централизованно - на специальных водоочистных станциях. Чаще всего природную воду на них . подвергают только осветлению и обеззараживанию, то есть освобождению от патогенных бактерий и микроорганизмов. В отдельных случаях для получения питьевой воды природную воду очищают по более сложным технологическим схемам: например, для устранения ее запаха, привкуса или цветности, снижения содержания в ней железа или марганца, уменьшения общей минерализации и т. п. Предельное потребление питьевой воды на предприятиях лимитируется действующими в РФ нормативами ее удельных расходов на хозяйственные и питьевые нужды.

Производственная или, как ее часто называют, техническая вода может выполнять в зависимости от профиля и структуры предприятия самую разнообразную роль: как среда, в которой протекают химические, физико-химические и механические процессы, как теплоноситель и охладитель продуктов производства и агрегатов, как источник производства пара, как средство транспортировки твердых веществ (гидротранспорт) и т. п.

В зависимости от направления использования технической воды каждое производство или входящие в его состав объекты предъявляют свои, зачастую жесткие и специфические, требования к ее качеству. Так, для производства пара в котельных станциях жесткость воды не должна превышать 0,01 мг-экв/л. В текстильной и бумажной промышленности не допускается присутствие в технологической воде железа, марганца и органических соединений. В радиотехнической промышленности требуется глубокообессоленная вода. В то же время в ряде отраслей качество производственной воды не играет особой роли.

Во всех случаях доведение качества производственной воды до необходимых предприятию кондиций осуществляется им самим. Чем жестче эти кондиции, тем более сложные задачи в области водоподготовки приходится решать предприятию.

Количественное потребление технической воды предприятиями регламентируется отраслевыми нормативами ее расхода на единицу выпускаемой продукции или производимой работы.

Внутренняя организация производственного водоснабжения предприятий базируется на трех способах использования воды: прямоточном, последовательно-повторном и оборотном.

Прямоточная (открытая) система водоснабжения характеризуется однократным использованием свежей воды для производственных целей, после чего она отводится с промплощадки предприятия в виде сточных вод. С. природоохранной точки зрения такая система наименее рациональна, так как связана с изъятием больших объемов воды из природных источников.

При последовательном использовании воды вся отработанная в каком-либо производственном процессе вода направляется для вторичного использования в другом производстве без промежуточной подготовки, после чего отводится с промплощадки предприятия.

При оборотной системе водоснабжения отработанная свежая вода аккумулируется, подвергается необходимой для предприятия подготовке и вновь возвращается в производственные процессы. Оборотные системы, при которых полностью ликвидируется отведение производственных сточных вод с промплощадки предприятия, называются замкнутыми, а само производство -бессточным. Такая организация водного хозяйства предприятия является наилучшей с экологической точки зрения, но достигнуть этого на практике удается редко из-за накапливания в оборотной воде вредных для технологических процессов примесей. Поэтому преимущественно организуются системы незамкнутого водооборота: локального (поциклового) или общезаводского.

В общем случае эффективность использования воды на предприятиях оценивается двумя показателями:

• коэффициентом водооборота К_об = Q_об / (Q_об ⁺ О_св),

• коэффициентом использования свежей воды К_св = Q_CB/ (Q_CB + Q_cr),

где, м³/ч: Q_об - количество оборотной воды, Q_CB - количество свежей воды, забираемой из источника для производственных нужд, Q_cr - количество производственных сточных вод, отводимых с территории предприятия.

Чем ближе значение каждого из этих показателей к единице, тем выше уровень организации водного хозяйства предприятия.

3.5. Нормативные требования по очистке и отведению сточных вод в водные объекты

Образующиеся на промплощадках предприятий сточные воды подразделяют на три вида: бытовые, промышленные и поверхностный сток.

К бытовым относятся сточные воды административно-бытовых объектов предприятия. По характеру загрязненности они, как правило, мало отличаются от бытовых сточных вод населенных пунктов. Поэтому в большинстве случаев эта группа сточных вод предприятия отводится без очистки по его специальной системе канализации в бытовую канализационную систему населенного пункта на условиях договора с организацией - ее владельцем.

Промышленные сточные воды формируются из разнообразных потоков отработанной воды от основных и вспомогательных производств предприятий. Состав каждого из этих потоков воды определяется характером технологических процессов этих производств, а также видами и химическими свойствами применяемых в них сырья, реактивов и материалов.

Поверхностный сток - это талые, дождевые и поливо-моечные воды, стекающие с промплощадки предприятия. Состав их зависит от степени загрязненности территории предприятия. Для сбора и аккумулирования поверхностного стока промплощадки предприятий обустраиваются ливневой канализацией и специальными прудами - ливненакопителями.

Сточные воды второй и третьей групп подлежат обязательной нормативной очистке от присутствующих в них вредных веществ на специальных водоочистных сооружениях, входящих в состав предприятий.

Условия сброса сточных вод всех видов в водные объекты определяется «Правилами охраны поверхностных вод», действующими на всей территории РФ. Из большого числа положений этого документа отметим как наиболее значимые следующие:

1. Охране от загрязнения, засорения и истощения подлежат все водные объекты РФ.

2. Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды, которые:

• содержат вещества или продукты трансформации веществ в воде, для которых не установлены ПДК или ОДУ (ориентировочно безопасные уровни),

• могут быть направлены в системы оборотного водоснабжения (с учетом местных условий и технико-экономического обоснования),

• не прошли очистку до установленных требований,

• содержат возбудителей инфекционных заболеваний.

3. Сброс сточных вод в водные объекты в черте населенного пункта допускается в исключительных случаях на основании разрешений органов охраны природы и Госсаннадзора.

4. Не допускается производить в водных объектах и на их берегах мойку транспортных средств.

5. Сброс сточных вод в водные объекты осуществляется на основании разрешений, выдаваемых в установленном порядке природоохранными органами по согласованию с органами Госсаннадзора, и с учетом требований рыбного хозяйства.

6. На основании расчетов для каждого выпуска сточных вод предприятия устанавливаются предельно допустимые сбросы (ПДС) веществ, соблюдение которых обеспечивает нормативное качество воды в контрольных створах водных объектов.

ПДС устанавливается для каждого контролируемого вещества, присутствующего в сбрасываемых сточных водах, с учетом его фоновой концентрации в воде водного объекта, а также категории водопользования и разбавляющей способности последнего.

Рассмотрим подробнее последнее положение, так как оно является, основополагающим для выбора структуры водоочистных сооружений, а также определяет величину экономических затрат на очистку сточных вод и сумму платежей предприятий за сброс их в водный объект.

Количественно ПДС устанавливается в граммах вещества в час и рассчитывается по формуле

ПДС_i, = q_max *Сдопi (3.1),

где д_тах - максимально допустимый расход сточных вод, сбрасываемых предприятием в водный объект, м³/ч,

Сдопi - предельно допустимое содержание i-го вещества в этих сточных водах, г/м³.

Необходимыми данными для расчета С_доп. являются:

-гидравлические характеристики проточного водного объекта (расход воды, скорость течения, глубина, извилистость русла, характер дна и др.), влияющие на степень полноты смешения и разбавления сточных вод в водотоке,

-качество воды водотока до поступления в него сточных вод предприятия,

-расстояние от места выпуска сточных вод до контрольного створа водного объекта, - нормативные характеристики вредных веществ, присутствующих в сточных водах: ПДК, классы опасности и лимитирующие признаки вредности (ЛПВ).

На первом этапе расчета определяют кратность разбавления сточных вод в водотоке на пути от места их выпуска до контрольного створа

n = (yQ + q)/q (З.2.)

где Q и q - соответственно расход воды в водотоке и расход сбрасываемых в него сточных вод, м/с,

у- коэффициент, указывающий на степень полноты смешения сточных вод и воды водотока; значение его всегда меньше единицы и определяется расчетно по специальной методике с учетом указанных выше гидравлических характеристик водотока и местоположения его контрольного створа .

По правилам охраны поверхностных вод содержание рассматриваемого вредного вещества в контрольном створе водотока не должно превышать его ПДК. Для обеспечения этого общее содержание вещества в водотоке после сброса в него сточных вод должно соответствовать балансу

yQ * Сфон + q С_доп. = (yQ + q)* С_норм. (3.3)

где yQ - количество воды водотока, участвующее в разбавлении сточных вод, м³/с,

Сфон. - фоновое содержание рассматриваемого вещества в воде водотока до сброса в него сточных вод, г/м³,

Снорм. - предельно допустимое содержание вещества в контрольном створе водотока в соответствии с его категорией водопользования, г/м³. Отсюда

Для всех нормированных веществ при рыбохозяйственном водопользовании и для веществ, относящихся к 1 и 2 классам опасности при хозяйственно-питьевом и культурно-бытовом водопользовании, при поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковым ЛПВ и с учетом примесей, поступающих в водный объект от вышерасположенных источников, сумма отношений концентраций (Cнорм1, Cнорм2, ... ,C_норм._n) каждого из веществ в контрольном створе к соответствующим ПДК не должна превышать единицы:

* Расчет значения у для непроточных водоемов проводится по иной методике с учетом ветровых характеристик, глубины водоема, способа выпуска в него сточных вод (прибрежный, глубинный, точечный, рассеянный) и др.

Пример расчета. Предприятие сбрасывает в реку (Q= 300 м³/с) рыбохозяйственной категории сточные воды (q_max= 540 м³/ч = 0,15 м³/с), содержащие медь 4,7 мг/л (ПДК_Р._Х. = 0,001 мг/л, ЛПВ - токсикологический), цинк 6,3 мг/л (ПДК_рх = 0,01 мг/л, ЛПВ - токсикологический) и нефтепродукты 14,2 мг/л (ПДКр.х. = 0,05 мг/л, ЛПВ- рыбохозяйственный). Фоновые содержания этих веществ в реке выше точки сброса сточных вод составляют, мг/л: медь - 0,0001, цинк - 0,002, нефтепродукты - 0,023. Кроме того, в ней содержится фенол в количестве 0,0004 мг/л (ПДК_рХ = 0,001 мг/л, ЛПВ - рыбохозяйственный). Значение у по расчету составляет 0,4.

Анализируя данные, видим, что в контрольном створе реки присутствуют два вещества с токсикологическим ЛПВ и два- с рыбохозяйственным. Следовательно, по уравнению 3.5 в створе реки должны соблюдаться равенства

По технико-экономическим соображениям и с учетом фонового содержания примесей в реке примем: Снорм.меди = 0,0007 мг/л и Снорм.цинка ⁼ 0,003 мг/л, что удовлетворяет требованиям уравнения 3.6.

Значение С_норм.н/пр определится из равенства 3.7.

С_норм.н/пр = 0,03 мг/л.

Далее по уравнению 3.4. находим:

.

Аналогично: С_{доп.цинка}= 0,803 г/м³ и Сдоп.н/пр = 5,63 г/м³.

Следовательно, для рассмотренных условий нормативы ПДС предприятия в соответствии с уравнением 3.1. составят, г/ч: меди- 529,6, цинка - 433,6 и нефтепродуктов - 3040,2.

Для взвешенных веществ значение С_доп устанавливается таким, чтобы содержание их в контрольном створе не превышало фоновое более, чем на 0,25 или 0,75 мг/л в зависимости от категории водопользования водного объекта -приемника сточных вод, то есть

С_{доп.в.в.} = 0,25 (или 0,75) • (yQ/q + 1) + С_фон.в.в (3.8)

И в заключение отметим то, что при сбросе сточных вод в водные объекты в черте населенного пункта разбавляющая способность их не учитывается, то есть уравнение 3.4. принимает вид С_допi= Снормi, при этом значения Снормi, должны удовлетворять требованиям равенства 3.5.

3.6. Основные принципы выбора и построения схем очистки сточных вод

Как уже отмечалось в первой части пособия, суммарный перечень вредных веществ, встречающихся в сточных водах всех отраслей промышленности, насчитывает многие сотни наименований. Даже у простого по структуре производства предприятия в сточных водах присутствует обычно более десятка загрязнителей. Поскольку на современном этапе повсеместное создание бессточных производств путем внедрения замкнутых систем водооборота и замены водоемких технологий на маловодные или на вообще не требующие применения воды не реально, инженерные вопросы очистки сбрасываемых сточных вод остаются чрезвычайно актуальными.

Загрязняющие вещества могут присутствовать в сточных водах в:

• истиннорастворимом состоянии, то есть в виде ионов и молекул; в таких системах, называемых гомогенными, нет раздела фаз; сточные воды, содержащие только растворимые примеси, могут быть идеально прозрачными, не иметь выраженного запаха и привкуса, но обладать высокой токсичностью,

• коллоидном состоянии, то есть в виде мельчайших (менее 10"⁷ м) частиц и капель; данные микрогетерогенные системы, как правило, чрезвычайно устойчивы, то есть расслаиваются с очень низкой скоростью,

-во взвешенном состоянии: размеры частиц, называемые взвешенными веществами, взвесями, грубодисперсными примесями, более 10~⁷м; эти гетерогенные системы неустойчивы и стремятся к самопроизвольному расслоению; если грубодисперсные примеси представлены твердыми частицами, то содержащие их сточные воды классифицируют как суспензии, а если каплями органических веществ - как эмульсии (суспендированная или эмульгированная форма нахождения примесей в воде).

На практике наиболее часто встречаются задачи, связанные с очисткой сточных вод от следующих видов примесей:

1. взвешенных и коллоидных форм твердых веществ самого разнообразного характера,

2. эмульгированных веществ: нефти и продуктов ее переработки, жиров, смол, различных тяжелых органических жидкостей, жирных кислот и т. п.,

3. катионов железа и тяжелых цветных металлов: меди, цинка, никеля, кадмия, кобальта; отдельным проблемным вопросом является очистка сточных вод от соединений ртути и свинца,

4. соединений мышьяка - токсичнейшего загрязнителя сточных вод предприятий горно-рудной промышленности, цветной и черной металлургии и некоторых химических производств,

5. высокотоксичных соединений шести валентного и трехвалентного хрома - типичного загрязнителя сточных вод предприятий машино- и приборостроения,

6. ядовитых простых и комплексных цианистых соединений (цианидов): NaCN, KCN, [Cu(CN)₃f, [Zn(CN)₄]~ и др. - неизбежных загрязнителей сточных вод гальванических производств,

7. фторсодержащих водорастворимых соединений, встречающихся в сточных водах черной и цветной металлургии,

8. фенола (карболовой кислоты С₆Н₅ОН) - распространенного загрязнителя, обуславливающего образование при хлорировании воды хлор-фенола С₆Н₄IOН, придающего ей неприятный аптечный запах, что делает воду непригодной для питьевых целей,

9. разнообразных растворенных органических соединений, в том числе нефтепродуктов.

Нередко также возникает необходимость очистки сточных вод от летучих примесей - сероводорода H₂S, сероуглерода CS₂, меркаптанов (тиоспиртов), аммиака NH₃ и др. В отдельных случаях требуется деминерализация сточных вод, то есть выделение из них сульфатных и хлоридных солей натрия, калия, кальция и магния. В атомной энергетике и на некоторых предприятиях других отраслей промышленности существует проблема дезактивизации сточных вод, то есть очистки их от радиоактивных изотопов.

Универсального метода, способного обеспечить очистку сточных вод от всех видов встречающихся в них загрязнителей, в практике человечества не было и нет. Поэтому в каждом конкретном случае приходится применять свою, подчас развернутую, технологическую схему очистки сточных вод. Под последней понимают совокупность последовательных операций, обеспечивающих очистку сточных вод от тех или иных примесей.

За последние десятилетия специалистами разработано и исследовано множество способов очистки водных систем от конкретных примесей, что отражено в десятках тысяч публикаций. На практике по технико-экономическим соображениям, естественно, используется более ограниченное число этих способов, которые принято подразделять на: механические, химические, электрохимические, физико-химические и биологические.

Способы механической очистки используют исключительно для выделения грубодисперсных и коллоидных примесей, которые или исходно присутствуют в сточных водах, или образуются в процессе обработки последних иными методами (например, при переводе водорастворимых соединений в нерастворимые). К наиболее распространенным механическим способам относятся отстаивание сточных вод, их фильтрование и флотация диспергированных взвесей органического (чаще всего) и неорганического (значительно реже) характера.

Отстаивание - это процесс механического отделения взвешенных в сточных водах частиц под действием силы тяжести. Осуществляется оно в аппаратах-отстойниках, которые по конструктивным особенностям и направлениям движения воды в них подразделяют на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники - это прямоугольные резервуары глубиной до 4,0 м, шириной до 6 м и длиной до 50 м. Горизонтальная скорость протока воды в них допускается до 10 мм/с, чаще она составляет 2-4 мм/с. Удаление осадка осуществляется с помощью специальных дренажных устройств или скребковых механизмов. Данные отстойники достаточно эффективны по степени осветления воды, но занимают большие производственные площади.

Вертикальные отстойники представляют собой цилиндрические резервуары с коническим днищем. Диаметр их - до Юм, высота отстойной зоны - 4 + 5м. Осветляемая вода подается в придонное пространство. Движение воды в отстойниках - снизу вверх со скоростью до 0,7 мм/с, то есть улавливаемые частицы оседают в противотоке. Вертикальные отстойники занимают меньше площади, чем горизонтальные, более производительные, но обеспечивают меньшую степень очистки воды.

Радиальные отстойники - это круглые в плане бассейны с коническим днищем. Диаметр отстойников по выпускаемым промышленно типоразмерам составляет 6, 9, 12, 15, 30, 50 и 100 м при высоте от 3,6 до 7,0,м. Подаваемая в нижнюю часть отстойника осветляемая вода движется по сложной траектории: от центра к периферии и снизу вверх.

Аппараты, в которых осуществляется выделение из сточных вод эмульгированных веществ с плотностью менее 1,0 г/см , называются нефтеловушками или жироловками. Очистка сточных вод в них достигается за счет всплывания загрязнителей на поверхность воды и последующего удаления образующегося органического слоя механическим или пневматическим способами.

Для ускорения осаждения или всплывания мелкодисперсных взвесей осветляемые сточные воды обрабатывают предварительно специальными реагентами, которые вызывают коагуляцию - слипание (объединение) мелких частиц в относительно крупные агрегаты. Вещества, используемые для этой цели, называют коагулянтами. Чаще всего в качестве их используют сульфатные и хлоридные соли алюминия и железа совместно с гидроксидом кальция (Са(ОН)г) или без него.

Одним из видов коагуляции является флокуляния - процесс объединения коллоидных частиц в рыхлые хлопьевидные агрегаты под действием водорастворимых высокомолекулярных неорганических или органических реагентов - флокулянтов.

Метод безреагентного отстаивания сточных вод обеспечивает снижение содержания взвешенных веществ в них до 12- 20 мг/л, а при использовании коагуляции или флокуляции - до 5 - 6 мг/л.

Фильтрование - это процесс разделения суспензий с помощью пористой среды (фильтрующего слоя), способной пропускать воду, но задерживающей твердые частицы. Используют его чаще всего в качестве завершающей стадии осветления сточных вод, прошедших через сооружения и аппараты иных методов их очистки.

На практике преимущественно используют два типа промышленных фильтров:

1. зернистые, в которых осветляемая вода пропускается через слой песка определенного фракционного состава, дробленого кварца, кокса, мраморной крошки, керамзита и др.,

2. тканевые, в которых фильтрующей средой являются специальные ткани: хлопчатобумажные, лавсановые, капроновые и т. п.

Чаще всего применяют открытые, то есть безнапорные, зернистые фильтры. Такой фильтр представляет собой прямоугольный в плане резервуар, загруженный фильтрующим слоем зернистого материала, располагающегося над поддерживающими слоями из гравия или гальки, под которыми размещена дренажная система, предназначенная для сбора фильтрованной воды. В верхней части фильтра расположены желоба для распределенной подачи исходной воды на всю поверхность фильтрующей загрузки со скоростью 5-10м/ч на 1м ее площади. Регенерация, то есть , восстановление фильтрующей способности, зернистого слоя осуществляется путем периодической промывки его свежей водой, подаваемой снизу вверх через специальную распределительную систему.

Применение тканевых фильтров носит индивидуальный характер. По конструктивным особенностям выпускаемые промышленностью фильтры этого типа подразделяют на барабанные, дисковые и ленточные. Для обеспечения прохождения воды через фильтрующую перегородку и формирующийся на ней слой осадка с внутренней стороны перегородки создается разрежение (вакуумные фильтры) или исходная вода подается в фильтрационную камеру под избыточным давлением (фильтр-прессы).

Флотация - это процесс всплывания в жидкой среде взвешенных в ней частиц с помощью закрепившихся на них пузырьков газа. Так как скорость подъема газовых пузырьков в водной среде существенно выше скорости всплывания диспергированных частиц под действием гравитационных сил, флотационная очистка сточных вод намного производительнее метода их отстаивания.

Извлечение взвешенных частиц по данному способу осуществляют во флотационных аппаратах, оборудованных устройствами для насыщения поступающей в них воды газовыми пузырьками заданного размера (предпочтительно диаметром 0,02 - 0,03 мм) и удаления пенного слоя, формирующегося на поверхности воды. Существует ряд способов газонасыщения очищаемой воды:

• воздух засасывается в объем воды и дисперсируется в ней специальными механическими мешалками (импеллерная флотация),

• воздух в воду вводится в виде пузырьков через пористые пластины или перфорированные трубки, располагаемые на дне флотокамеры (пневматическая флотация),

-вода избыточно насыщается растворенным воздухом при давлении 6 - 8 атм., при сбросе которого он выделяется в виде мелких пузырьков (напорная флотация),

- с помощью электролиза воды, при котором на катоде выделяются пузырьки водорода, а на аноде - кислорода (электрофлотация).

Необходимо отметить, что флотация применима только для извлечения из воды частиц, поверхность которых достаточно гидрофобна (несмачиваемая водой). К хорошо смачиваемым водой частицам газовые пузырьки не «прилипают». Именно поэтому флотация нашла наибольшее применение при очистке сточных вод от нефтепродуктов, жиров и масел. В принципе возможно флотационное извлечение из воды и гидрофильных веществ, но это требует предварительной обработки водных суспензий специальными органическими реагентами, способными закрепляться на поверхности твердых частиц, придавая им гидрофобные свойства.

Химические способы используют для очистки сточных вод от примесей, содержащихся в них в растворенном состоянии. Чрезвычайно большое число направлений и особенностей применения данных способов не позволяет здесь рассмотреть их все, поэтому охарактеризуем лишь две основные группы из них: осадительные и деструктивные.

Осадительные способы химической очистки сточных вод направлены на перевод растворенных примесей в нерастворимые или труднорастворимые в воде соединения, которые затем могут быть выделены из нее механическими способами.

Наиболее широко данное направление используют для очистки сточных вод от катионов железа и тяжелых цветных металлов, для чего ее обрабатывают щелочными реагентами: чаще всего суспензией оксида кальция (известковым молоком), реже - едким натром NaOH и в отдельных случаях -карбонатом натрия Na₂C0₃. Так как сточные воды, загрязненные данными катионами, имеют обычно кислую реакцию, на первой стадии щелочной обработки протекают реакции нейтрализации воды, например:

H₂S0₄ + Са(ОН)₂ → CaS0₄ + Н₂0

2 НCl + Са(ОН)₂ → СаС1₂ + 2 Н₂0,

а затем обеспечивается образование гидроксидов металлов, выпадающих в осадок:

Ме²⁺ + 2 (ОН^-) →Me(OH)₂↓

Ме³⁺ + 3 (OH^-)→ Ме(ОН)₃↓

Глубокая очистка сточных вод от катионов ртути осуществляется путем их осаждения в сульфидной форме, например, с помощью сульфида натрия

Hg²⁺ + Na₂S →HgS↓ + 2 Na⁺.

Катионы свинца чаще всего осаждают в виде карбоната или основного углекислого свинца

РЬ²⁺ +С0₃^2-→РЬС0₃↓

2РЬ²⁺ +2(ОН^-) + С0₃^2-→Pb₂(OH)₂C0₃↓

Очистка сточных вод от мышьяка, который обычно содержится в них в виде кислородосодержащих анионов As0₃^3- и As0₄^3- , основана на осаждении их в виде труднорастворимых соединений с кальцием:

2 H₃As0₃ + 3 Са(ОН)₂ →Ca₃(As0₃)₂↓ + 6Н₂0

2 H₃AsO3 + 3 Са(ОН)₂ → Ca₃(As0₄)₂ + 6 Н₂0.

При глубокой химической очистке сточных вод от анионов фтора его осаждают в результате обработки воды известковым молоком и фосфорсодержащей солью в виде труднорастворимого соединения типа апатита Ca₅F(P0₄)₃.

Приведенные примеры лишь частично показывают сложность задач, которые приходится решать специалистам при выборе химического способа обработки каждого конкретного вида сточных вод.

При деструктивных (окислительно-восстановительных) химических методах содержащиеся в сточных водах соединения переводятся в менее опасные или вообще безвредные формы.

Так, методом окисления ядовитые цианиды CN^- переводятся в тысячу раз менее токсичные цианаты CNO^- или в конечном счете разрушаются до безвредных углекислого газа и молекулярного азота.

С помощью сильных окислителей может быть достигнута очистка сточных вод от фенола, меркаптанов, сероводорода и целого ряда других соединений.

Примером использования способа химического восстановления является очистка сточных вод от шестивалентного хрома, при которой он вначале переводится с помощью реагентов-восстановителей в трехвалентную форму, а затем осаждается щелочью в виде гидроксида Сr(ОН)₃.

К электрохимическим способам очистки сточных вод относят те, которые основаны на использовании процессов, протекающих при электролизе воды. В зависимости от поставленных задач электролиз' сточных вод проводится с применением электрохимически нерастворимых или растворимых анодов.

В любом из этих случаев на катоде может происходить разряд находящихся в воде катионов металлов с образованием катодных осадков, восстановление некоторых органических веществ и обязательно наблюдается злектроподщелачивание воды в прикатодном пространстве. На электрохимически нерастворимых анодах в зависимости от состава сточных вод происходит выделение молекулярного и атомарного кислорода, может выделяться газообразный хлор, окисляются некоторые из содержащихся в воде ионы и органические вещества, а вода в прианодном пространстве закисляется. Каждое из этих явлений может быть использовано для очистки сточных вод, но на практике это встречается относительно редко.

Достаточно широко применяются в различных отраслях промышленности способы очистки сточных вод от коллоидных и растворенных примесей в аппаратах электролизного типа с электролитически растворимыми анодами, выполненными из низкосортной стали или алюминия. Под действием постоянного тока металл этих анодов ионизируется и переходит в очищаемую воду в катионной форме. Взаимодействуя с образующимися в прикатодном пространстве гидроксид-ионами ОН", эти катионы образуют хлопьевидные гидроксидные осадки Fe(OII)₂ и Л1(ОН)₃, которые успешно коагулируют коллоидные частицы и захватывают некоторые виды растворенных примесей, обеспечивая таким образом комплексную очистку сточных вод (после их глубокого осветления).

Данный метод получил название электрокоагуляции, а аппараты, в которых он реализуется, называют электрокоагуляторами. Подробнее с ним, а также рядом других специфических методов очистки сточных вод (гальванокоагуляция, электрофорез, электродиализ, обратный, осмос, ионный обмен, экстракция) можно ознакомиться в вышедшем ранее в издательстве НГТУ учебном пособии по курсу «Инженерная экология» [5].

Из числа физико-химических способов очистки сточных вод наиболее эффективным и доступным является адсорбция.

Адсорбция - это поглощение растворенных примесей из водной среды поверхностным слоем твердых тел - адсорбентов. В качестве последних на практике используют или выпускаемые промышленностью активированные угли или природные пористые материалы: цеолиты, коксовую мелочь, золу, торф и др. Наиболее простым по аппаратурному оформлению способом реализации процесса является фильтрование очищаемой воды через колонну, загруженную слоем (1 - 6 м) адсорбента в виде зерен крупностью 1,5 - 5 мм.

Каждый вид адсорбента характеризуется емкостью, то есть способностью поглощать только определенное количество конкретного вещества или группы веществ единицей своей массы или объема (кг/кг, кг/м³). После насыщения адсорбента его подвергают регенерации или заменяют новой порцией.

Цель регенерации - восстановление активности адсорбента. Выбор способа регенерации зависит от вида вещества, поглощаемого адсорбентом. Сами способы регенерации сложны и, как правило, многооперационны.

Необходимым условием применения адсорбции для очистки сточных вод является предварительное удаление из них всех мешающих процессу растворенных веществ и взвешенных примесей.

Исходя из указанных сложностей метод адсорбции рекомендуется использовать как заключительную стадию обработки сточных вод, для которых требуется глубокая степень очистки.

Биологическая очистка основана на способности микроорганизмов использовать для своего питания находящиеся в сточных водах органические вещества с превращением их в безвредные продукты окисления - воду, диоксид углерода, нитрат- и сульфат-ионы и т. п.

На современных биологических очистных сооружениях данный процесс реализуется чаще всего в специальных аппаратах-аэротенках. Для успешного и быстрого развития необходимых видов микроорганизмов поступающую в аэротенки сточную воду, предварительно очищенную от грубодисперсных взвесей, интенсивно аэрируют для постоянного насыщения кислородом, подогревают если необходимо до оптимальной температуры (20- 30°С) и обеспечивают наличие жизненно необходимых для бактерий элементов: фосфора, азота, калия и др. (подробнее о процессе см. [5]).

При возможном содержании в сточных водах патогенных микроорганизмов завершающей операцией их обработки перед отведением в водный объект является обеззараживание, что повсеместно осуществляется в отечественной практике методом хлорирования.

К числу общих требований, предъявляемым к структуре сооружений для очистки сточных вод, относятся:

-обеспечение заданной нормативной очистки по .всем вредным веществам, присутствующим в сточных водах с учетом возможного неравномерного их расхода и колебания исходных концентраций загрязняющих веществ.

• выделение по возможности из сточных вод веществ в форме, обеспечивающей их повторное вовлечение в производство, в том числе на других предприятиях,

• используемые на очистных сооружениях реагенты не должны приводить к сверхнормативному вторичному загрязнению сточных вод; сами реагенты, а также входящие в их состав элементы и соединения не должны быть более токсичными, чем извлекаемые с их помощью вредные вещества,

• из числа возможных вариантов очистки сточных вод осадительными химическими способами предпочтение должно отдаваться таким, при использовании которых образуются нетоксичные или наименее токсичные осадки,

• при выборе структуры очистных сооружений необходимо стремиться к выделению из сточных вод основного количества вредных веществ в голове технологической схемы простыми методами, а более сложные использовать для доочистки сточных вод.

необходимо стремиться к обеспечению автоматического управления работой водоочистных сооружений или, по крайней мере, к автоматизации основополагающих операций очистки сточных вод.

Рекомендуемая литература

1. Водные проблемы на рубеже веков / ред. Хабулярян М. Г. - М.:

«Наука», 1999. - с.

2. Проблемы сохранения, защиты и улучшения качества природных вод. -

М: «Наука», 1992.- 172 с.

3. Лосев К. С. Вода. -Л.: Гидрометеоиздат, 1995.-272 с.

4. Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н. Химия воды и микробиология. -М.: Стройиздат, 1974.-224 с.

5. Иванов О. П., Коган Б. И., Быков А. П. Инженерная экология. Кн. 1.-Новосибирск: НГТУ, 1994. - 194 с.

6. Мазур И. И., Молдаванов О. И. Курс инженерной экологии: учебник для втузов. - М.: «Высшая школа», 1999. - 447 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ