1.5. Рациональное использование и охрана от загрязнения воды на предприятиях

По определению академика А.Е. Ферсмана, вода — са­мый важный минерал на Земле. В промышленности вода играет важнейшую роль: она используется как сырье, теп­лоноситель, хладагент, растворитель, источник получения водорода и кислорода; водный транспорт — одно из ос­новных средств перевозки сырья и материалов и т. д.

Основными веществами, загрязняющими воду, явля­ются:

• нефть и нефтепродукты;

• поверхностно-активные вещества (синтетические моющие средства);

• кислоты и щелочи;

• пестициды и гербициды;

• загрязнители атмосферы (за счет осаждения);

• загрязнители почвы (за счет вымывания);

• органические вещества;

• ядохимикаты;

• горюче-смазочные материалы.

ПДК некоторых вредных веществ в водоемах хозяйст­венно-питьевого и рыбохозяйственного назначения, а так­же свойства питьевой воды см. в Приложении 1.

Воду загрязняет и избыточный кислород. Биологиче­ская потребность в кислороде (БПК₅) — количество кислорода, которое необходимо биологическим организ­мам для окисления в течение пяти суток 1 л воды. Хи­мическая потребность в кислороде (ХПК) — количество кислорода, которое требуется для окисления окислите­лем органических и неорганических веществ, находя­щихся в 1 л воды.

Классификация воды по целевому назначению приве­дена на рис. 1.10.

54

_с

Вода

Хозяйственно-питьевая

Техническая

_С

Энергетическая

_У

+Г

К.

Охлаждающая

Подпиточная

Оборотная

Средообразующая

Рис. 1.10. Схема классификации воды по

Основные потребители воды — сельское хозяйство (поливная вода), промышленность (наиболее водоемкими здесь являются деревообработка, химическая промыш­ленность, энергетика, нефтепереработка), жилищно-бы-товой сектор. Питьевая вода должна быть чистой и без­опасной для здоровья и соответствовать ГОСТ 2874—82.

Техническая вода загрязнена, но в пределах требований технологий; эта вода значительно дешевле питьевой, и ее целесообразно использовать в производстве в первую оче­редь. Поливная вода может подаваться на поля из водое­мов без очистки. Энергетическая вода должна быть особо чистой и обессоленной, так как из нее вырабатывается пар, который циркулирует в трубах котлов ТЭЦ. Охлаж­дающая вода потребляется в промышленности в большом количестве (55—80% общего количества воды, используе­мой в производстве), чаще всего тепло воде передается (или отнимается) через стенки труб, как говорят энер­гетики, «вглухую». Чтобы снизить образование накипи внутри труб, эту воду целесообразно чистить. Качество подпиточной воды должно быть не ниже охлаждающей. Оборотная вода должна очищаться при многоразовом использовании. Технологическая вода (средообразующая, промывающая и реакционная) должна соответствовать требованиям технологии для каждого конкретного слу­чая.

Что касается питьевой воды, которая используется в системах и водяного отопления, и горячего водоснабжения, то мы тратим ее слишком расточительно. Каждый моск­вич расходует свыше 400 л в сутки, в то время как лондо­нец — 170, а парижанин — 160 л.

Большое количество воды тратится на разбавление за­грязненных сточных вод. Чтобы добиться нормированно­го уровня загрязнения сточных вод, на предприятиях их разбавляют водопроводной водой, что дешевле очистки, но бесхозяйственно и неэкономично.

При использовании в производственных процессах во­да нагревается (или охлаждается); вследствие утечек, ис­парения и разбрызгивания она теряется. С точки зрения

56

экологии главным свойством воды является ее превраще­ние в загрязненные стоки. Загрязнение воды вызывает следующие изменения ее качества:

• снижение рН пресных вод в результате их загрязне­ ния серной и азотной кислотами из атмосферы (кислот­ ные дожди), увеличение содержания в них сульфатов и нитратов;

• повышение содержания кальция, магния, кремния

в подземных и речных водах вследствие вымывания и рас- _v творения подкисленными дождевыми водами горных по­род;

• повышение содержания в природных водах солей тяжелых металлов, прежде всего свинца, кадмия, ртути, мышьяка и цинка, а также фосфатов, нитратов, нитритов и др.;

• повышение в поверхностных и подземных водах со­ держания солей в результате их поступления со сточными водами, из атмосферы и за счет смыва твердых отходов;

• повышение содержания в водах органических со­ единений, прежде всего биологически стойких (поверхно­ стно-активных веществ, пестицидов, суперэкотоксикан- тов, продуктов их распада и других токсичных, канцеро­ генных и мутагенных веществ);

• снижение содержания кислорода в природных водах;

• снижение прозрачности воды в водоемах (в загряз­ ненных водах размножаются вирусы и бактерии, возбуди­ тели инфекционных заболеваний);

• потенциальное загрязнение природных вод радио­ активными изотопами.

Для устранения загрязнения сточных вод применяют различные методы очистки, которые классифицируют: по типу процесса очистки:

• гидромеханические (процеживание и отстаивание, улавливание всплывающих материалов, фильтрование и центрифугирование);

• физико-химические (коагуляция и флокуляция, фло­ тация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, обратный осмос, десорбция, электрохимические методы);

57

• химические (нейтрализация, окисление и восста­ новление, удаление ионов тяжелых металлов);

• биохимические (аэробные и анаэробные);

• термические (выпаривание и сжигание); по виду изменения вредных веществ:

• методы выделения примесей без изменения их хи­ мического состава и агрегатного состояния;

• методы превращения примесей в другие формы и состояния;

• биологические методы; по видам загрязнения:

• очистка от твердых частиц (процеживание, отста­ ивание, механическое разделение, фильтрование);

• очистка от маслопродуктов (отстаивание, механиче­ ское разделение, флотация, фильтрование);

• очистка от растворимых примесей (экстракция, сорб­ ция, нейтрализация, электрокоагуляция, ионный обмен, озонирование, кондиционирование, обезвоживание);

• очистка от органических примесей (применение ис­ кусственных и естественных сооружений с использовани­ ем биологических фильтров).

Методы очистки сточных вод по типу процесса Гидромеханические методы очистки сточных вод

Схема гидромеханической очистки воды показана на рис. 1.11. Процеживание проводят для очистки сточ­ных вод от крупных механических примесей во избежа­ние засорения труб, каналов и насосов гидросистемы. Для этого применяют решетки и сита с различными размерами ячеек в зависимости от характера загрязне­ния. Решетки бывают подвижными и неподвижными; очистку их от крупных частиц проводят с помощью граблей.

Отстойники и песколовки предназначены для предва­рительной очистки сточных вод от минеральных и орга­нических твердых загрязнений со сравнительно больши­ми размерами частиц (0,2—0,25 мм). На рис. 1.12 пока­зана схема простейшего отстойника сбросов воды.

58

rmuukie Dcmcneu ПЕСКОЛОВКА

_{1_П_1"}

ГРУБЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ОЧИЩЕННАЯ ВОДА

в оды * ^PEJSSSb жироловушка отстойник

ОСАДОК (ИЛ)

Рис. 1.11. Схема гидромеханической очистки воды

Очищенная вода

Сточная вода

П ластины для изменения направления потока

Шлам (песок)

Рис. 1.12. Схема отстойника сбросов воды

59

В бункер песколовки, часто ставят элеватор для бес­прерывного удаления песка. Скорость движения воды в отстойнике невелика (0,3 м/с). Недостатками отстойни­ков являются сравнительно низкая эффективность, не­высокая скорость удаления частиц, большие размеры: отстойники занимают много места, к тому же на их изго­товление идет значительное количество материалов (ме­талла, бетона).

В отстойниках и песколовках происходит осаждение частиц под действием силы тяжести. Из бункера осадок в виде шлама регулярно удаляют. Удаление всплывающих вредных примесей (нефти, масел, смол, жиров) проводят в нефтеловушках. Их особенность в том, что загрязнения удаляются не снизу, как в отстойниках, а из верхней час­ти аппарата. После нефтеловушек (как и после отстойни­ков) вода нуждается в доочистке, так как эти аппараты имеют низкую степень очистки (около 70%).

Фильтрование применяют для удаления из сточных вод частиц малых размеров. Под действием давления вода проходит через пористые перегородки или слой песка. Схема простейшего фильтра приведена на рис. 1.13.

Сточная

Ф ильтрующий слой ап­ парата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязне­ ний. Для этого в фильтр снизу подается промывоч­ ная вода. При концентра­ ции частиц 15—20 мг/л степень очистки от мелких частиц достигает 60%. Не­ достатками фильтров яв­ ляются значительная ме­ таллоемкость и сложность системы промывки. \шлам Центрифугирование как

Рис. 1.13. Схема механического ^{МеТ0Д 0ЧИСТКИ} ВВОДЯТ В

фильтра ГИДроЦИКЛОНах, где час-

60

тицы оседают под действием центробежной силы. По конфигурации и действию они аналогичны циклонам, применяемым для очистки газов от пыли. Степень очи­стки в гидроциклонах выше, чем у других аппаратов ме­ханической очистки: она достигает 70%.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Процесс укрупнения мелких частиц (1—100 мкм) с по­следующим удалением их под действием силы тяжести называют коагуляцией. Если же удельный вес этих час­тиц ниже удельного веса воды (эмульгированные частицы масел, жира и т. д.), то процесс называют флокуляцией. По аналогии с отстойником и нефтеловушкой в коагуля­торах и флокуляторах удаление вредных примесей проис­ходит соответственно из нижней или верхней части аппа­рата. При коагуляции в воду добавляют коагулянты (соли алюминия, железа или их смеси), которые образуют хло­пья гидроксидов металлов, осаждающие частицы под действием силы тяжести. Флокулянтами служат крахмал, декстрин, эфир, диоксид кремния.

Флотацию применяют для удаления частиц, которые плохо отстаиваются, а также для удаления растворенных веществ, в том числе поверхностно-активных, отходов нефтепереработки, производства искусственного волокна и целлюлозно-бумажного производства и т. д. Флотацию называют пенным концентрированием. Размер удаляемых частиц составляет 0,2—1,5 мм. В качестве пенообразова­телей в воду добавляют сосновое масло, креозол, фенолы. Они способствуют прилипанию частиц к пузырькам пе­ны, которая затем выводится из аппарата. Флотация име­ет высокую степень очистки (95—98%), снижает концент­рацию легкоокисляемых веществ, уменьшает количество бактерий и микроорганизмов. Недостатком флотации яв­ляется применение в процессе вредных веществ (напри­мер, фенолов).

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических соединений, красителей и т. д.

61

Адсорбция — это прилипание частиц, находящихся в очищаемой среде, к твердым веществам — сорбентам. В качестве сорбентов применяют активированные угли, синтетические сорбенты, некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки). Процесс происходит в адсорбци­онных установках при перемешивании адсорбента с во­дой, при фильтровании ее через слой адсорбента или в кипящем слое. При этом размер частиц адсорбента со­ставляет 0,1 мм. Серьезной проблемой является после­дующая очистка (регенерация) сорбента. Этот метод име­ет ряд преимуществ, в том числе высокую степень очист­ки (80—95%), возможность улавливания токсичных веществ при невысокой их концентрации, очистки сточ­ных вод, содержащих несколько вредных веществ, а так­же их рекуперации (доиспользования).

Ионный обмен применяют для очистки сточных вод от металлов и соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ, а также для обессоливания и подготовки воды для нужд энергетики. Ионный обмен — процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, об­ладающей способностью обменивать ионы, содержащие­ся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. В качестве твердой фазы (ионитов) применяют алюмо­силикаты, фторапатит, силикогели, гидроксиды алюми­ния, хрома и т. д. Преимуществами процесса являются возможность рекуперировать ценные вещества из за­грязнений, высокая степень очистки, удаление высоко­токсичных веществ, в том числе суперэкотоксикантов. Это метод дорогой, он требует четкой организации процесса и решения проблемы регенерации ионитов.

Экстракцию применяют при относительно высокой концентрации вредных веществ (фенолов, масел, органи­ческих кислот, ионов металлов); концентрация должна составлять не менее 3—4 г/л. При меньшей концентрации экономически выгоднее применять адсорбцию. Процесс экстракции состоит из трех стадий: интенсивного смеши­вания сточной воды с экстрагентом (органическим рас-

62

творителем), разделения чистой воды и загрязнений, ре­генерации загрязнений. Этот метод применяют тогда, когда стоимость удаляемых веществ (например, ценных металлов) компенсирует затраты на проведение процесса.

Обратный осмос — это процесс фильтрования раство­ров через полупроницаемые мембраны; происходит на молекулярном уровне и требует значительных затрат, но обеспечивает глубокую очистку от высокотоксичных вредных веществ.

Десорбция, дезодорация и дегазация — это процессы очистки сточных вод от летучих примесей (сероводорода, аммиака, диоксида углерода), осуществляемые продувкой воды воздухом или инертным газом. Дезодорация очи­щает воду от меркаптанов, аминов, альдегидов; с по­мощью дегазации из воды удаляют вещества, вызываю­щие коррозию.

Электрохимические методы включают в себя анодное окисление, катодное восстановление, электрокоагуляцию, электрофлокуляцию и электродиализ. Как видно из на­званий, эти процессы происходят при пропускании через сточную воду электрического тока. Недостаток методов — большой расход электроэнергии. Электрохимическими методами извлекают цианиды, роданиды, амины, спирты, сульфиды, меркаптаны. Электродиализ применяют для опреснения соленых вод с использованием ионизирован­ных веществ.

Химические методы очистки сточных вод

Нейтрализацию проводят в сточных водах, содержа­щих кислоты или щелочи, таким образом, чтобы показа­тель рН имел значение от 6,5 до 8,5. Нейтрализовать сточные воды можно смешиванием одних вод с другими (кислые — с щелочными), добавлением необходимых ре­агентов, фильтрованием, прокачкой кислых вод через нейтральные материалы, пропусканием через щелочные воды кислых газов.

Окисление сточных вод проводят хлором, перекисью водорода, кислородом воздуха, диоксидом марганца, озо­ном.

63

Восстановление применяют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка, для чего в воду вводят сульфит железа, гидросульфит натрия, гидразин, сероводород или алюминиевую пудру.

Удаление ионов тяжелых металлов проводят реагент -ным методом. Ртуть, хром, кадмий, цинк, свинец, медь, никель удаляют с помощью гидроксидов кальция и нат­рия, карбонатов и сульфидов натрия, феррохромного шлака и т. п.

Биохимические методы очистки сточных вод

Эти методы основаны на способности некоторых мик­роорганизмов использовать вредные (чаще всего органи­ческие) вещества для своего питания в процессе жизнеде­ятельности. Контактируя с этими вредными веществами, микробы частично разрушают их, превращая в воду, ди­оксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Вид ис­пользуемых микроорганизмов — активный ил либо био­пленки. Биохимическая очистка сточных вод может осу­ществляться в природных условиях (поля орошения, биологические пруды) или в искусственных сооружениях (аэротенках, биофильтрах).

Аэробную (с потреблением микробами кислорода) и анаэробную (без потребления кислорода) очистку осу­ществляют в метантенках, где происходит сбраживание с выделением спиртов, кислот, ацетона, углекислого газа, водорода, метана.

При использовании биохимических методов очистки сточных вод возникают проблемы сохранения активного ила (он не выдерживает низкой температуры), удаления и рационального использования продуктов процесса (в том числе взрывоопасных метана и водорода), необходимости доочистки твердых осадков.

Термические методы очистки сточных вод

Выпаривание проводят в том случае, если другие мето­ды очистки малоэффективны. При этом конденсат ис­пользуют в производстве, а концентрированный раствор сжигают.

64

Сжигание концентрированных сточных вод проводят, как правило, в печах с кипящим слоем или в циклонных печах. Автор принимал участие в разработке циклонной печи конструкции МЭИ для сжигания отходов полисти­рола для Щекинского завода пластмасс. Извлечение по­листирола из сточных вод — чрезвычайно сложная зада­ча, а закачка в скважины связана с загрязнением подзем­ных вод. Поэтому было решено стоки сначала выпарить, а затем сжечь. Это достаточно дорогой энерготехнологи­ческий процесс, который необходимо было вести при вы­сокой температуре во избежание образования супер-экотоксикантов.

Общая оценка степени очистки сточных вод по про­цессам следующая: гидромеханические методы — 50— 70%, физико-химические — 90—95, химические — 80—90, биохимические — 85—95%.

Из всего многообразия методов очистки сточных вод выбирать оптимальный необходимо с учетом:

— санитарных и технических требований к качеству очищенных вод в зависимости от целей их дальнейшего использования;

"— количества сточных вод;

• наличия у предприятия энергетических и матери­ альных ресурсов и производственных площадей, необхо­ димых для очистки воды;

• эффективности процесса обезвреживания.

Замкнутые водооборотные циклы

Создание замкнутых водооборотных систем — важней­шее направление охраны гидросферы от загрязнения. Для рационального использования воды на предприятиях наи­более перспективными являются следующие мероприятия:

• внедрение безводных (или маловодных) технологи­ ческих процессов. Например, применение на МНПЗ ап­ паратов воздушного захолаживания позволяет снизить расход охлаждающей воды;

• устранение протечек и потерь воды вследствие брызг в системе водоснабжения за счет совершенствования

3-5998

65

технологических- процессов и оборудования, а также за счет правильной организации производства;

• использование тепла химических реакций;

• использование вторичных материальных и энерге­ тических ресурсов — регенерация кислот, щелочей, солей и т. п.;

• использование воды для очистки уходящих газов в тех случаях, когда из газов извлекают ценные вещества;

• внедрение местных систем обезвреживания стоков. Так, кроме общезаводского в каждом цехе МНПЗ имеет­ ся собственный водооборотный цикл с местной системой очистки воды, что позволяет утилизировать ценные ком­ поненты отходов и создает вторую степень защиты на­ ружной водной системы (Москвы-реки) от вредных сто­ ков;

• создание замкнутых водооборотных циклов предпо­ лагает сбор и использование не только очищенных сто­ ков, но и ливневых вод.

Подпитка

Рис. 1.14. Схема оборотного водоснабжения

_t

Насосная станция

Шлам"

_Т

Очистные сооружения

Производство

Что же такое водооборотный цикл? Это многократ­ное использование одной и той же воды при минимальном восполнении потерь (подпитке). На рис. 1.14 приведена простейшая схема оборотного водоснабжения. Из схемы видно, что насосная станция подает техническую воду на производство, затем она очищается и через насос­ную станцию вновь возвращается на производство. Пе­ред насосной станцией про­исходит восполнение потерь воды, которые, к сожале­нию, неизбежны, а из очист­ных сооружений ил (твер­дый осадок) удаляется либо на очистку, либо на захоро­нение. Расход свежей воды из источника на подпитку составляет 1,4 м³/г нефти; расход оборотной воды — 51 м³/т нефти.

66

Эффективность использования воды в производстве оценивается следующими коэффициентами: процент оборота воды:

р — Qo6 . °^б Ооб+С.'

коэффициент использования воды:

^и " ~~о— '

коэффициент кратности использования воды:

Qc6 + Q« + Qc

Q» + Q,

с

> 1;

коэффициент безвозвратного потребления воды и ее потерь в производстве (в %):

*п = тКтг • ЮО,

Уоб ⁺ ^и

где Q_o6 — количество оборотной воды, м³/ч; Q_K — коли­чество воды, забираемое из источника водоснабжения, м³/ч; (?_сб — количество воды, сбрасываемое предприяти­ем, м³/ч; Q_c — поступление воды из сырья, м³/ч.

Таким образом, оборотное водоснабжение позволяет снижать расход воды в десятки раз и создает возможность организации бессточного производства. Например, МНПЗ практически не сбрасывает вредные стоки в Москву-реку: величина К_п равна примерно 0,98. Особенно это важно для мегаполисов при близком расположении предприя­тий к жилым массивам.

Преимущество замкнутых водооборотных циклов пе­ред разомкнутыми очевидно, так как очистка большого количества воды до необходимой кондиции перед сбро­сом в водоем — дорогостоящее мероприятие.

Создание водооборотных систем связано с большими трудностями: для каждого типа воды необходима своя система очистки; требования к качеству технической воды,

з*

67

включенной в водооборот, не такие жесткие, как к питье­вой, но тоже достаточно высокие. Кроме того, внутри труб образуются отложения карбоната кальция, которые необходимо удалять; трубы корродируют, для снижения темпа коррозии в воду добавляют ингибиторы корро­зии; часто воду из цикла приходится охлаждать в гра­дирнях, что ведет к потерям воды с брызгами; в трубах и резервуарах системы часто происходит так называе­мое биологическое обрастание (образование водорослей), для борьбы с этим явлением приходится выводить часть воды из цикла и взамен добавлять свежую или очищен­ную воду.

Однако расходы на преодоление всех этих трудностей несоизмеримы с тем вредом, который принесло бы ис­пользование воды по разомкнутому циклу с обязательным загрязнением гидросферы. Схемы и методы расчета от­стойника, барабанного фильтра и выпарного аппарата приведены в гл. 2.