5. Технологии и средства защиты гидросферы
Защита гидросферы организована в России с учетом особенностей поступления в водные объекты примесей и включает регулирование:
• поверхностного стока на водосборе;
• качества сточных вод;
• качества воды в объектах.
Вынос примесей в водные объекты с площади водосбора пропорционален поступающему в них стоку воды. Поэтому уменьшение диффузных (рассредоточенных) поступлений примесей достигается реализацией мероприятий, способствующих задержанию стока на водосборе. Это повышение степени залесенности водосборов, лиманное орошение, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период. В равнинных районах с увеличением лесистости водосбора (отношение площади водосбора, покрытой лесом, к общей площади водосбора) происходит уменьшение поверхностного стока и уменьшение выноса веществ В степных и полупустынных регионах России определенный эффект в задержании примесей на водосборе оказывают лесозащитные полосы.
Важная роль в задержании примесей на водосборе принадлежит лиманам (пониженные или специально обвалованные участки сельскохозяйственных полей, затопляемые водой в весенний период). Уменьшение выноса примесей с водосбора возможно также с помощью щелевания и устройства траншей, заполняемых легкофильтрующими материалами. Однако большая трудоемкость и капиталоемкость таких сооружений не способствуют их широкому применению.
Регулирование поступления примесей с хозяйственно-бытовыми и производственными сточными водами осуществляется с помощью комплекса очистных сооружений. Состав сооружений и технологическая схема их размещения определяются составом и расходом сточных вод, необходимой глубиной очистки и устанавливается в процессе проектирования. Глубина очистки сточных вод очистными сооружениями и вынос примесей в водные объекты устанавливаются на основе нормативов предельно допустимых (ПДС) и временно согласованных сбросов (ВСС).
Обеспечение требуемого качества вод осуществляется процессами подготовки и очистки. Подготовка воды включает процессы: коагулирования, предварительную очистку, фильтрацию, обеззараживание, дезодорацию и удаление токсичных веществ. Очистка сточных вод производится деструктивными методами, основанными на разрушении примесей, и регенеративными методами, основанными на извлечении и последующей утилизации содержащихся в воде ценных компонентов.
Для очистки сточных вод используются практически все достижения современной науки и техники. Методы, базирующиеся на этих достижениях, включают: механические, биохимические, физико-химические, термохимические и термические.
Механическая очистка сточных вод. Взвешенные в воде примеси имеют широкий диапазон размеров, а их удаление требует часто нескольких ступеней очистки. Самые крупные примеси осаждаются методом процеживания воды через решетки и сита, размещаемые в коллекторах сточных вод перед отстойниками.
Биохимическая очистка сточных вод. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать многие растворенные в сточных водах органические и неорганические соединения для питания в процессе жизнедеятельности. Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. Первая группа методов основана на использовании организмов, для жизнедеятельности которых необходим дополнительный приток кислорода при температурах 20-40 °С. При этом методе аэробные микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы реализуются без доступа кислорода и используются главным образом для обезвреживания осадков.
Активный ил включает живые организмы (бактерии, простейшие, черви, плесневые грибы, дрожжи и др.), сообщество которых образует биоценоз, и твердый субстрат.
Основную роль в процессе биохимической очистки сточных вод играют микроорганизмы. Аэробные процессы биохимической очистки могут проводиться как в природных условиях, так и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и в биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции, в которых процессы очистки идут с большей скоростью, чем в природных условиях.
Поля орошения являются специально подготовленными земельными участками, используемыми одновременно для очистки сточных вод и в агрокультурных целях. Процессы очистки идут здесь за счет действия почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Поля фильтрации аналогичны полям орошения, но используются только для биологической очистки сточных вод. Сточные воды на очистку подают через распределительные системы в подпочвенный слой поля орошения, что наиболее полно реализует полезные свойства сточных вод как удобрений.
Биологические пруды представляют собой каскад из 3-5 ступеней водоемов, через которые медленно протекает очищаемая вода. Пруды используют в комплексе с другими очистными сооружениями — как для биологической очистки, так и доочистки сточных вод.
Очистку в искусственных условиях проводят с помощью аэротенков или биофильтров. Аэротенк — это открытый железобетонный аэрируемый резервуар, в котором очистка идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила.
Биофильтры представляют собой корпусные сооружения с кусковой насадкой и распылительными устройствами для сточной воды и воздуха. Сточная вода фильтруется через насадку, покрытую пленкой микроорганизмов. В процессе окисления сточной воды биопленка наращивает свою массу, отработанная биопленка смывается с насадки и выводится из биофильтра. В качестве насадки применяют щебень, гравий, шлак, керамзит, металлические и пластмассовые сетки и др.
Физико-химическая очистка сточных вод. Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических примесей (фенолов, ПАВ и др.) после биохимической очистки, а также если концентрация таких примесей невелика, а сами они биологически не разлагаются или сильно токсичны. Метод высокоэффективен (80—95%), позволяет очищать сточные воды, содержащие несколько веществ.
Термохимические и термические методы обезвреживания сточных вод. Особое место в технологиях очистки сточных вод занимают методы их обезвреживания от содержащихся минеральных солей Са, Mg, Na и др., а также органических соединений. Термические методы реализуются рядом способов:
• концентрированием сточных вод с последующим выделением твердых веществ;
• окислением органических примесей в присутствии катализатора;
• жидкофазным окислением органических веществ;
• огневым обезвреживанием.
Из термических методов огневой является наиболее универсальным и эффективным. Он реализуется в процессе распыления сточных вод в топочных газах, имеющих температуру 900—1000 °С. При этом вода полностью испаряется, примеси выгорают, а минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы.