ПОП_и_ООС_заочникам / Теория (основная) / Лекции ПОЛНЫЕ

– высокая загрязненность (БПК > 14 мг/л, O2 раств. < 2 мг/л).

Самоочищение водоемов

Попадая в воду (водоем), различные вредные вещества (и даже не вредные, такие как фосфор и азот) загрязняют водоем. Каждый водоем – это экосистема, основу которой составляют бактерии, водоросли, высшие водные растения, различные беспозвоночные и позвоночные животные. Они не остаются безучастными к попадающим в водоем примесям, а пытаются очистить водоем и сохранить свойственную им всем среду обитания. В условиях естественной среды процесс самоочищения протекает быстро. Отсюда и важнейшая природоохранная задача – поддерживать способность экосистем к самоочищению.

Факторы самоочищения водоемов достаточно многообразны. Условно их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

1.Физические факторы самоочищения. Среди них первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается интенсивным течением рек. Процессы оседания и отстаивания загрязненных вод происходят в заводях, в озерах. Микроорганизмы, опускаясь на дно, подвергаются воздействию других факторов и могут быстро отмирать. Сдерживает этот процесс снижение температуры воды, благоприятствующее сохранению попавших в водоем бактерий и вирусов. Обеззараживанию воды способствует ультрафиолетовое излучение солнца.

2.Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ (БПК основано на этой характеристике). Отмиранию микрофлоры могут способствовать и некоторые химические вещества. Но при этом кроме патогенных бактерий и вирусов могут отмирать и микроорганизмы, играющие существенную роль в самоочищении водоемов.

Вводной среде химические вещества могут под влиянием тех же факторов трансформироваться. Способность к трансформации зависит от степени устойчивости его форм в водной среде, температуры воды, концентрации водородных ионов, инсоляции, растворенного кислорода, водной микрофлоры.

Как правило, трансформация химических веществ в водной среде приводит к образованию менее токсичных и опасных продуктов. Однако иногда могут образовываться и более опасные. Например, метилирование в водной среде

металлической ртути приводит к образованию метилртути – вещества более опасного, чем сама ртуть.

Метилртуть: HCHg

Гидролиз в водной среде малотоксичного уротропина приводит к образованию формальдегида, обладающего высокой токсичностью.

H

Формальдегид: H C

O

3. К биологическим факторам самоочищения относятся: работа живых организмов, населяющих водоем – различных микроорганизмов, водорослей, плесневых и дрожжевых грибков, моллюсков. Микроорганизмы разлагают многие химические соединения, в том числе нефтепродукты. Водоросли уменьшают содержание нитратов, нитритов, фосфора и некоторых других элементов в морской и пресной воде. Моллюски – прекрасные фильтраторы. Каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 л воды.

Но сейчас объемы сточных вод таковы, что экосистемы пресных водоемов не способны справиться с ними на основе самоочищения. Человеку необходимо самому решать эту проблему. Каковы пути решения этой проблемы? Как и в других случаях существуют технические или технологические аспекты охраны вод, правовые и организационные.

I. Технологические.

Прежде всего, следует отметить, что защита атмосферы от загрязнений – это и защита воды. Защита почвы – это и защита воды. Поэтому для сохранения качества воды все мероприятия по защите атмосферы и почвы имеют непосредственное значение и улучшение состояния первых двух сред сразу же находит отражение и в степени загрязнения вод суши.

Но, тем не менее, очень большое количество загрязнений поступает в водные объекты со сточными водами как бытовыми, так и промышленными. Какие существуют пути уменьшения загрязнения водных объектов сточными водами:

1. Уменьшение объема сточных вод за счет совершенствования технологии производства.

В промышленности наиболее прогрессивным является перевод промышленных предприятий на безотходные безводные или малоотходные и маловодные

технологические процессы, которые позволяют резко снизить масштабы водопотребления и загрязнение воды.

Большое потребление воды и, следовательно, большой объем сточных вод – это объективный показатель несовершенства технологии. Точно также очень большие показатели потребления воды в хозяйственно-бытовой сфере на душу населения – это свидетельство больших утечек в водопроводной системе и показатель использования воды для каких-то иных целей, помимо хозяйственно-бытовых.

1.1. Основной базой маловодного водопользования является оборотное или замкнутое водоснабжение. Разработкой его занимаются во всем мире.

Деминерализация довольно сложный процесс, поэтому обогащенный сток стали использовать как носитель свежего химиката – сульфата натрия взамен привозного сухого сульфата натрия, сократив потребности привозного сульфата натрия в 2 раза. При этом часть сульфата натрия уходит через газовые выбросы. Их планируется очищать, что будет способствовать еще большему сокращению использования нового сульфата в производстве. Эта технология после реализации не давала сбоя в течение, по крайней мере, первых 1,5 лет (замкнутый цикл ни разу не разомкнулся).

Особенно внедрение оборотного водоснабжения нашло применение в теплоэнергетике и атомных электростанциях. В развитых странах новые станции строятся только на оборотном водоснабжении и старые переводятся на него.

В США наибольшее количество воды теплоэнергетика потребляла в 1970 г. (~ 230 км3). Сейчас оно уменьшилось наполовину при значительном увеличении выработки электроэнергии. Кроме того, на всех предприятиях сейчас отделяют воду, идущую на охлаждение. Какие сложности возникают при этом:

–биологическое обрастание;

–коррозия технологического оборудования (особенно в кислых средах);

–выведение солей и других загрязняющих веществ из циркуляционной воды. Несколько медленнее и сложнее идет этот процесс в других сферах промышленности,

где вода используется как технологический продукт. Тем не менее, все эти вопросы решаются. Но замкнутое водоснабжение – это наиболее перспективный путь и в других областях. В качестве примера можно привести наш российский опыт.

Селенгинский целлюлозокартонный комбинат является крупным комбинатом, перерабатывающим 1 млн. м3 древесного сырья в год (низкосортная древесина и отходы). Он был построен в 1970-е гг. с очень неплохими очистными сооружениями. Поэтому, когда встал вопрос о прекращении сбросов в Байкал, было решено в 2 этапа перевести этот комбинат на замкнутое водообеспечение. На I этапе была поставлена задача

сократить сброс сточных вод в 10 раз. II этап – полное прекращение сброса вод к 1990 г. Комбинат решил эти задачи (Табл. №__).

Таблица №__

Сбросы Селенгинского целлюлозокартонного комбината

1.2.Второй путь, обеспечивающий резкое снижение водопотребления и загрязнения, - это разработка и внедрение “сухих” технологий, благодаря которым потребность в воде для производства конечного продукта снижается во много раз.

Пример такой технологии показывает нефтеперерабатывающая промышленность, в которой за последние годы в результате изменения технологии расход воды на переработку 1 т нефти снизился в 100 раз.

ВГермании расход воды на производство бумаги сократился на ⅓. Интересно, что при производстве 1 кг бумаги из древесины образуется 30,5 л стоков, а при производстве того же количества бумаги из макулатуры образуется только 8,5 л стоков.

Вцеллюлозной промышленности, где неочищенные сточные воды требуют 200-400- кратного разбавления, а после очистки – 20-50-кратного, сейчас разработана технология, которая снижает затраты воды по крайней мере в 6 раз, позволяет восстанавливать реагент

ив 7 раз снижает выброс в сточные воды самой целлюлозы, которая как раз и не поддается очистке. Таким образом, “сухие” технологии включают и такой элемент, как облегчение регенерации воды, что сближает их с безотходными технологиями. Облегчение регенерации означает создание таких промежуточных и конечных веществ, которые легко разлагаются или восстанавливаются простыми средствами.

1.3.Начались сдвиги и в самой водоемкой технологии – орошении. Все шире используются трубопроводы, исключающие фильтрацию и потери воды на испарение в магистральных каналах. Начинают внедряться новые экономичные приемы орошения – капельное и подпочвенное орошение, которые исключают переполивы и повышение уровня грунтовых вод. Разрабатываются новые, приближенные к реальным условиям, нормы полива создаются автоматизированные системы слежения за основными метеорологическими элементами, влажностью почвы и уровнем грунтовых вод, их учет в

совокупности с учетом типа почвы, выращиваемой культуры, фазы ее вегетации. Разрабатываются новые рекомендации для полива.

Прорабатываются контуры новой агротехнологии, совмещенной с биотехнологией, которые позволят выращивать многие растения в искусственной среде с замкнутым оборотом воды.

2. Наконец уменьшение использования воды в быту заставило обратить внимание на утечку воды в водопроводах.

Рассматриваются проекты использования для создания труб или внутреннего и внешнего их покрытия новых материалов с целью продления их службы и уменьшения числа аварий. Предлагаются новые типы кранов, намного более надежных и экономичных. Разрабатываются новые системы бачков и унитазов – более гигиеничных и с меньшими затратами воды (хотя здесь еще налицо инерция в мышлении). В Японии разработан способ стирки белья с помощью ультразвука, что намного снижает загрязнение воды детергентами, а главное, уменьшает потребление самой воды. Но следует отметить, что даже в Японии уровень обеспечения канализацией составляет лишь 47,5%, а четверть водоемов на территории этой страны не отвечает современным экологическим требованиям.

Очистка сточных вод

Очистка сточных вод – это важнейший элемент в деле охраны вод суши. Что это такое? Очистка сточных вод – это разрушение или удаление из сточных вод определенных веществ и их обеззараживание, т.е. удаление патогенных организмов. Она осуществляется в системе канализации.

Канализация – это комплекс инженерных сооружений и санитарных мероприятий, обеспечивающих сбор и удаление за пределы населенных мест и промышленных предприятий загрязненных сточных вод, их очистку, обезвреживание и обеззараживание.

Мощность очистных сооружений в России составляет 58,6 млн. м3 в сутки. Протяженность канализационных сетей – 114,2 тыс. км.

Городами и рядом более мелких населенных пунктов через системы канализации сбрасывается 21,9 млрд. м3 сточных вод в год. 76% из них проходит через очистные сооружения, в том числе 94% – сооружения полной биологической очистки.

Через коммунальные системы канализации в поверхностные водные объекты ежегодно сбрасывается 13,3 млрд. м3 сточных вод, из которых очищается до установленных нормативов только 8% стоков, а 92% сбрасываются загрязненными, при этом 18% – без всякой очистки.

где Qоб – количество оборотной воды в системе; Qдоб – количество воды, добавляемой в систему из природного источника. Чем N больше, тем система водоснабжения и экологически, и экономически лучше. Потери воды при этом могут происходить из-за испарения, разбрызгивания, проводке, потерь с осадком при чистке, производственных потерь.

Можно привести следующую схему очистки производственных сточных вод (Рис.

№__).

Усреднение необходимо для предотвращения залповых сбросов в систему очистки и усреднения параметров сточных вод, поступающих на очистку. Обычно это прямоугольный или круглый аппарат, выполненный из железобетона. Жидкость в нем перемешивается мешалками. Он часто аэрируется воздухом.

I. Механическая очистка

Механическая очистка необходима для того, чтобы взвешенные частицы нерастворимых и малорастворимых веществ убрать из воды.

Выбор типа оборудования для механической очистки сточных вод зависит от размера загрязняющих частиц, их физико-химических свойств, концентрации частиц, расхода сточных вод и требуемой степени очистки.

Применяют:

–для извлечения из стоков крупных примесей, способных засорить каналы и трубы – решетки;

–для очистки от грубодисперсных частиц – процеживание, отстаивание, флотацию, фильтрацию, центрифугирование;

–для очистки от мелкодисперсных и коллоидных частиц – коагуляцию, флокуляцию и электрические методы осаждения.

Коагуляция – это процесс укрупнения коллоидных частиц жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. Частицы имеют размер от 0001 мкм до 0,1 мкм. Частицы с размерами более 10 мкм могут быть отделены механическими методами. Наибольшее распространение имеют алюмо- и железосодержащие коагулянты. Разновидностью коагуляции является процесс флокуляции.

Флокуляция – укрупнение частиц за счет электростатического взаимодействия под влиянием полиэлектролитов (активированная кремниевая кислота и полиакриламид).

Флотация – это выделение из воды в пенный слой взвешенных эмульгированных загрязнений за счет пузырьков газа, предварительно растворенных в очищаемой жидкости. Флотация вместе с коагуляцией позволяет достичь большой эффективности очистки.

Фильтрация – чаще всего это заключительный этап обработки городских стоков. В этом случае фильтры входят в узел доочистки для более полного выделения частиц активного ила или биопленки и, следовательно, взвешенных органических веществ.

Основным сооружением механической очистки сточных вод является отстойник. Эффективность отстойников составляет 40-60%.

Эффективность работы отстойников зависит от многих физикохимических и гидродинамических факторов, расхода, концентрации, температуры и состава сточных вод. Повысить эффективность очистки вод в отстойниках возможно путем аэрации воздухом в течении 15-20 минут до отстойника в смеси с избыточным активным илом или путем биокоагуляции – введением в исходный сток отработанной биопленки на станциях

сбиофильтрами. Указанные технологические приемы не только повышают эффективность очистки сточных вод в отстойниках по взвешенным веществам и БПК, но и на 75-90% уменьшают количество тяжелых металлов в стоке за счет сорбции их отработанной биопленкой или активным илом. Кроме того, для повышения эффективности осаждения мелкодисперсных частиц в воду добавляют коагулянты (чаще всего соли алюминия и железа) и флокулянты (полиакриламид или активную кремниевую

Применяются главным образом для очистки производственных сточных вод. Основными методами являются нейтрализация и окисление-восстановление. Они могут применяться как самостоятельно, так и как вспомогательные в сочетании с другими.

Наиболее рационально взаимное объединение кислых и щелочных стоков, но только не в системе трубопроводов.

Для кислых вод применяются щелочные реагенты: известь СаО, гашеная известь Са(ОН)2, кальцинированная сода Na2CO3, каустическая сода NaOH и т.д. Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются: серная H2SO4, соляная HCl, азотная HNO3 и реже уксусная кислота CH3COOH.

В большинстве случаев при этом процессе освобождаются и от тяжелых металлов, т.к. при определенных значениях pH они образуют гидроксиды и выпадают в осадок.

Химический метод применяется и для очистки стоков от Cr, Cl, N, а также от токсичных цианидов, сульфидов, фенолов и т.д. Реагенты различаются в зависимости от загрязнителя. Применяются O2, О3, перманганаты, хроматы, бихроматы и т.д.

Процесс в промышленных условиях реализуется в емкостных коррозионно-защитных аппаратах (металлических, железобетонных, пластмассовых) с механическим, гидравлическим, либо барабанным перемещением. Выделение твердой фазы из сточных вод осуществляется механическими методами.

Химический метод хорошо изучен, просто и надежно автоматизируется и широко применяется в практике развитых стран. Его недостатки: увеличение содержания солей в очищенных водах, т.е. повышение минерализации, значительные затраты на реагенты.

III. Физико-химические методы

Физико-химические методы также как и химические, в основном применяются для очистки производственных сточных вод. Однако в последнее время некоторые из них стали применяться и при очистке городских сточных вод, как на предварительной, так и на окончательной стадиях обработки стоков (удаление азота и фосфора).

Физико-химические методы включают такие процессы, как коагуляция коллоидных частиц, их флокуляция, флотация эмульгированных загрязнений, описанные ранее.

Следующим эффективным методом глубокой очистки производственных сточных вод является сорбция, при которой происходит очистка от растворенных органических и ряда неорганических загрязнений.

Механизм адсорбции заключается в переходе молекулы растворенного вещества из объема жидкости на поверхность твердого сорбента под действием его силового поля.