Екологія

Загальносанітарні показники оцінюють за вмістом розчиненого кисню, хімічним споживанням кисню (ХСК) та біологічним споживанням кисню (БСК).

Бактеріологічні показники визначають за вмістом бактерій, які поділяють на сапрофітних (нешкідливі для людини, інколи навіть корисні) та патогенних (хвороботворних). Оскільки патогенні бактерії виділити з усієї маси мікроорганізмів складно, тому для оцінювання якості води користуються мікробним числом (загальне число бактерій в 1 см3 води) і колі-індексом (кількість кишкових паличок в 1 см3 води) або колі-титром (об’єм води в см3 , що припадає на одну кишкову паличку).

Для води культурно-побутового та господарсько-питного призначення в основу нормування покладено переважно санітарно-токсикологічні, загальносанітарні та органолептичні обмеження, а для води рибогосподарського призначення – токсикологічні та частково органолептичні.

Умови скидання стічних вод у водойми. Загальні вимоги до складу та властивостей води господарсько-питного призначення при скиданні у водойму стічних вод такі:

1.Водойма не повинна мати на поверхні плівок будь-якого характеру.

2.Вміст завислих речовин не повинен перевищувати 15 мг/л.

3.Вода не повинна мати запахів і присмаків інтенсивністю понад 2 бали. Інтенсивність запахів і присмаків за балами розподіляється так:

Як правило, виокремлюють такі види запахів: ароматний (квітковий, огірковий), землистий, болотний, гнильний, деревинний, цвільовий, хлорний, нафтовий, фенольний, сірководневий, непевний (не схожий на жоден із перелічених запахів). Смак розрізняють гіркий, кислий і солоний. Усі інші смакові відчуття кваліфікують як присмаки.

4.Вода не повинна мати забарвлення при розгляданні її в стовпчику заввишки 20 см. Кольоровість води за платино-кобальтовою шкалою або імітувальною шкалою не повинна перевищувати 20 град.

5.Температура води внаслідок скидання стічних вод не повинна підвищуватися влітку більш як на 3 оС, взимку – більш як на 5оС порівняно з максимальною природною температурою в цю пору року.

6.Реакція води має залишатися в межах рН=6,5…8,5, тобто бути слабкокислою, нейтральною або слабколужною.

7.Мінеральний склад за сухим залишком не повинен перевищувати 1000 мг/л ( в окремих випадках допускається 1500 мг/л), загальна твердість – 7–10 ммоль·екв/л.

71

8.Вміст розчиненого кисню має становити не менш як 4 мг/л у будьякий період року в пробі, відібраній до 12-ї години.

9.Біохімічне споживання кисню (БСК) при 20оС не повинно переви-

щувати 15 мг О2/л. У чистих водоймах БСК не перевищує 2 мг О2/л, у забруднених – може досягати 50 О2/л.

10.ХСК для побутового водокористування не повинно перевищувати

80мг О2/л.

11. У воді не повинно бути збудників хвороб. Стічні води перед ски-

данням слід знезаражувати.

12. Отруйні речовини не повинні міститись в концентраціях, які можуть завдати шкоди здоров’ю людини.

Класифікація забруднювальних речовин. Згідно з класифікацією, запро-

понованою Л. Кульським, забруднювальні речовини за їх фазово-дисперсним станом і відношенням до дисперсійного середовища поділяють на 4 групи:

До першої групи належать нерозчинні у воді зависі, бактерії і планктон. У завислому стані вони підтримуються динамічними силами водяного потоку, а в стані спокою – осідають. Їхній розмір становить 10-3–10-7м;

Друга група домішок поєднує мінеральні та органо-мінеральні колоїдні часточки ґрунтів, недисоційовані і нерозчинні форми високомолекулярних гумусових речовин. До цієї групи належать також віруси і мікроорганізми. Розмір частинок – 10-7–10-9м.

До третьої групи домішок належать молекулярно-розчинні сполуки розміром менше ніж 10-9м. Це – розчинені гази, органічні речовини біологічного походження та інші домішки, що можуть міститися у складі промислових і господарсько-побутових стоків.

До четвертої групи домішок належать електроліти – речовини з іонним або сильно полярним зв’язком, які під впливом полярних молекул води дисоціюють на іони.

Методи очищення стічних вод. Для виконання вищезазначених вимог до скидання стічних вод у водойми їх необхідно очищати. Всі методи очищення поділяють на такі основні групи: механічні (проціджування, відстоювання, фільтрування), фізико-хімічні (флотація, електрохімічні методи, аерація), хімічні (нейтралізація, коагуляція, флокуляція, іонообмінні методи) та біохімічні. Вибір методу очищення стічних вод залежить від фазоводисперсного стану забруднювальних домішок.

Стічні води, як правило, очищують у кілька стадій. Послідовність розміщення очисних споруд визначається розміром частинок, які необхідно видалити; спочатку видаляють грубодисперсні домішки (куски дерева, залишки синтетичних матеріалів, волокон, битого скла, пісок, нафтопро-

72

дукти). У схемі очисної станції споруди механічного очищення розміщуються як до, так і після споруд біологічного очищення. Для глибокого очищення можуть бути використані механічні фільтри.

Механічне очищення – це видалення зі стічних вод нерозчинних грубодисперсних домішок мінерального та органічного походження .

•проціджування – затримання забруднювальних частинок найбільшого розміру і частково зважених частинок на решітках і ситах;

•відстоювання – видалення зі стічних вод зважених частинок під впливом сили тяжіння у піскопастках (для видалення мінеральних домішок), відстійниках (для затримання дрібних домішок, що осідають або спливають),

атакож нафто-, жиро- і смоловловлювачах. Різновидом методу є відцентрове відстоювання в гідроциклонах і центрифугах;

•фільтрування – розділення суспензії з дуже дрібними частинками забруднювальної речовини у зваженому стані за допомогою сітчастих і зернистих фільтрів.

Рис. 6.1. Схема решітки

Проціджування здійснюється за допомогою решіток та решіток-дробарок. Відходи, що містяться у стічних водах, в процесі транспортування по каналізаційних мережах адсорбують значну кількість жиру, органічних сполук та піску. Утворюються багатокомпонентні органо-мінеральні складові, які ускладнюють роботу піскопасток, відстійників та інших очисних споруд. Для попереднього очищення стічних вод застосовують решітки (рис. 6.1). Основним елементом решіток є рама з рядом металевих стрижнів, розташованих паралельно на відстані 3–16 мм. Товщина стрижнів (пластин) становить 3–10 мм. Решітки встановлюють в розширених каналах – камерах.

73

завширшки від 6 до 18 м і глибиною до 5 м. Радіальні відстійники мають діаметр від 18 до 60 м і глибину до 6 м. Тривалість відстоювання становить ~ 1,5 год. Горизонтальні відстійники застосовують у разі витрати стічних вод до 20 тис.м3 на добу, радіальні – понад 20 тис.м3 на добу.

Конструкція нафтовловлювачів (рис. 6.4) аналогічна до конструкції відстійників радіального типу. Невелика швидкість руху рідини сприяє спливанню дрібнодисперсних частинок нафтопродуктів розміром до 50 мкм.

Рис. 6.4. Радіальний нафтовловлювач 1 – подача стічної води; 2 – збірний лоток; 3 – скребковий механізм;

4 – нафтозбірна труба; 5 – напрямний циліндр; 6 – видалення осаду

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем (суспензій) за допомогою пористих перегородок і шарів, які затримують одну (тверду) фазу цих систем і пропускають іншу (рідку). Апарат, у якому здійснюють цей процес, називають фільтром. Фільтри, завантажені однорідним шаром фільтрувального матеріалу, називають одношаровими. Фільтри, завантажені неоднорідним за щільністю й розміром зерен фільтрувальним матеріалом, називають багатошаровими (рис. 6.5). У двошарових фільтрах використовують верхній шар кварцового піску з розміром зерен 1,2 – 2 мм (товщина шару 0,5 м,) та шар кварцового піску з розміром зерен 0,7–1,6 мм (товщина шару 0,7 м). Час фільтрування – 24 год.

Суть процесу флотації полягає у злипанні частинок домішок з бульбашками тонкодиспергованого у воді повітря за рахунок міжмолекулярної взаємодії з наступним утворенням на поверхні води шару піни. Тонкодисперсні частинки розміром, меншим ніж 5–10 мкм, флотуються погано, тому їх необхідно попередньо укрупнювати, наприклад за допомогою коагуляції або флокуляції. Утворення агрегатів «частинка – бульбашка повітря» залежить від частоти їх зіткнення одне з одним, від хімічної взаємодії речовин, що містяться у воді, від наявності флокулянтів, що сприяють утворенню великих агрегатів. Агрегати, що утворюються в стічній воді, яка очищується, з частинок домішок і бульбашок повітря, мають меншу густину, ніж початкова маса флотаційних частинок, тому спливають і накопичуються у верхньому шарі води, звідки їх безперервно видаляють за допомогою спеціальних пристроїв.

75

грубодисперсних домішок механічними методами і коагуляцією. Потім молекулярно-розчинені домішки органічних речовин видаляють за допомогою адсорбції на активованому вугіллі, яке, крім речовин, що погіршують смак і запах води, сорбує також гербіциди, інсектициди, віруси тощо. Відпрацьоване активоване вугілля регенерують відгонкою адсорбованих домішок парою, якщо вони повторно використовуватимуться, або деструктивною регенерацією – для їх знешкодження.

Застосування принципу завислого (киплячого) шару адсорбенту для сорбції забруднювальних органічних речовин дає змогу безперервно замінювати адсорбенту в установці, спрощує регенерацію відпрацьованого вугілля.

Метод нейтралізації використовують для очищення стоків машинобудівних підприємств, зокрема гальванічних цехів, які містять концентровані розчини кислот (переважно сірчаної), лугів, солей та промивних вод і мають кислу або лужну реакцію. Для досягнення рН, що дорівнює 6,5–8,5, до стічних вод додають гашене вапно (як правило, у вигляді вапняного молока з вмістом активного вапна 5-10 %).

Для стерилізації води (тобто знищення у ній дизентерійних бактерій,

паличок та вірусів) здійснюють хлорування, озонування, ультрафіолетове опромінення ртутними лампами, електроліз за допомогою Ag-анодів.

Стерилізуюча дія хлору зумовлена не безпосередньо Cl2, а хлорнуватистою кислотою HClO, яка утворюється в результаті взаємодії Cl2 з водою

(Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO – 25кДж).

Процес аерації полягає в пропусканні повітря крізь шар осаду.Він є досить ефективним для прискорення хімічних реакцій, тому що при цьому активно перемішуються осад і стоки, а О2 створює умови для перебігу біохімічних процесів.

Процес дифузії крізь пористу перегородку під дією градієнта концентрації солі з розчину з більшою в розчин з меншою концентрацією називають діалізом. Щоб перенести іони з менш концентрованого в більш концентрований розчин, тобто проти градієнта концентрації, потрібно прикласти різницю потенціалів. Електродіаліз – це перенесення іонів електроліту крізь селективні іонообмінні мембрани під дією постійного електричного струму. Швидкість перенесення визначається силою електричного струму.

Електродіалізний апарат почергово розділяється на камери аніоно- і катіонообмінними мембранами. Відстань між ними становить 0,5–1,5 мм. Крізь іонообмінні мембрани мігрують аніони, крізь катіоно-обмінні – катіони. Останні переміщуються в напрямі електричного струму, тоді як аніони – в протилежному напрямі, тобто катіони рухаються до катода, а аніони – до анода. В одній камері здійснюється знесолювання розчину, в іншій – його концентрування. В промислових апаратах між електродами вміщують 250–

77

500 комірок, які складаються з розсольних і дилюатних камер. На кінцях апарата розміщені електроди, на які подають постійний електричний струм.

Молекулярно-розчинні домішки і гази, що належать за фазово-дисперсним станом до третьої групи, видаляють з води десорбцією газів і відгонкою летких органічних сполук (феноли та ін.) у процесі аерації з використанням аераторів і дегазаторів різних типів.

Для видалення з води забруднювальних домішок, які належать за фазоводисперсним станом до четвертої групи, застосовують гіперфільтрацію або зворотний осмос – процес розділення розчинів, що полягає у фільтруванні рідини крізь напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник (воду) і затримують розчинені речовини (гідратовані іони та молекули органічних сполук). Процес зворотного осмосу як спосіб очищення води використовується з початку 60-х років ХХ століття. Спочатку він застосовувався для опріснення морської води. Сьогодні за допомогою цього методу отримують сотні тисяч тонн питної води на добу.

Трансформацію іонів на малорозчинні сполуки після утворення гідроксидів, карбонатів або летких сполук використовують у хімічних методах очищення. За допомогою хімічних методів здійснюють зм'якшення води з видаленням солей твердості содово-вапняковим та фосфатним методами, видалення кольорових і важких металів, силіцію, заліза, мангану та ін.

За допомогою електролізу із стічних вод вилучають кольорові, благородні та інші метали (мідь, цинк, нікель, хром, золото, срібло тощо).

Іонообмінний метод застосовують для глибокого очищення стічних вод (що містять до 3–4 г/л солей) від іонів кольорових і важких металів, ціанідів, миш’яку, радіоактивних речовин. Іоніти – це тверді речовини (з матрицею R), що містять функціональні групи, здатні до іонізації та іонного обміну. Катіоніти – це іоніти з кислотними властивостями, здатні обмінювати свої катіони, як правило Н+, на катіони електроліту (RSO3H + Na+ ↔ RSO3Na + H+). Аніоніти – це іоніти з лужними властивостями, здатні обмінювати свої аніони, як правло ОН–, на аніони електроліту (ROH + Cl– ↔ RCl + OH–). Іоніти можуть бути природного походження та штучними. Це алюмінати, цеоліти (польові шпати), гідроксиди, силікагелі. сульфовугілля. Найширше застосовуються органічні штучні матеріали – іонообмінні смоли.

Іонообмінний спосіб забезпечує також пом'якшення і знесолення води. В основі катіонного процесу пом'якшення води лежать реакції обміну іонів натрію і водню(катіонів) на іони Са2+ і Мg2+ солей твердості, розчинених уводі:

Nа2[Кат] + Са(НСО3)2 ↔ Са[Кат] +2 NaHCO3; Nа2[Кат] + МgSО4 ↔ Мg[Кат] +Na2SO4;

Процес біологічного очищення базується на здатності мікроорганізмів використовувати розчинені органічні речовини стічних вод для живлення в

78

процесі життєдіяльності. Частина органічних речовин перетворюється на воду, вуглекислий газ, нітрит- і сульфат-іони, інша частина утворює біомасу.

Методи біологічного очищення можна умовно поділити на два види:

−очищення за умов, близьких до природних;

−очищення за штучно створених умов.

Перша група методів реалізується за допомогою полів фільтрації та полів зрошення (земельних ділянок, в яких очищення відбувається шляхом фільтрування крізь шар ґрунту), а також біологічних ставків. Біологічні ставки облаштовують каскадом по 3–5 водойм глибиною 1–1,5 м. Оскільки процеси біологічного очищення відбуваються повільно, вода в ставках перебуває не менше ніж 20 діб.

Друга група методів полягає у використанні біофільтрів та аеротенків. Біофільтр (рис.6.6) – це резервуар з фільтрувальним матеріалом, поверхня якого вкрита біологічною плівкою – колонією мікроорганізмів, здатних сорбувати і окиснювати органічні речовини із стічних вод. Біофільтри будують у вигляді залізобетонних резервуарів діаметром до З0 м і висотою: низькі – 1,5...2 м, високі – 2...4 м і баштові – 10...20 м. На дірчасте дно резервуара поміщують щебінь, гальку, керамзит або ґратчасті блоки з пластмаси.

Аеротенк – резервуар, в якому стічні води перемішуються з активним мулом (біоценозом (спільнотою) мікроорганізмів, які поглинають органічні речовини) в умовах аерації (рис.6.7).

Рис.6.6. Схема біофільтра 1 – підведення стічної води; 2 – водорозподілювальний пристрій;

3– фільтрувальний шар; 4 – дренажний пристрій; 5 – очищена вода; 6 – розподілювач повітря

Аерація стимулює швидкий ріст аеробних бактерій. Аеротенки, як правило, бувають довжиною до 100 м, шириною до 10 м і глибиною до 5 м. Активний мул подається разом зі стічною водою в аеротенк. Отримана мулова

79

суміш в умовах аерації переміщується до виходу з аеротенка і далі на вторинний відстійник, де відбувається її розділення на очищену воду і активний мул. Активний мул далі розділяється на надлишковий і циркуляційний; останній повертається в аеротенк. Приріст активного мулу (надлишковий мул) періодично видаляють з апарата і після знезаражувальної обробки використовують як добриво.

Рис. 6.7. Одноступенева схема очищення в аеротенках 1 – стічна вода; 2 – аеротенк; 3 – вторинний відстійник; 4 – очищена вода; 5 и 6 – циркуляційний і надлишковий мул

Біоценоз активного мулу складається з бактерій, найпростіших, плісньових грибів, дріжджів, личинок комах, водорослей тощо. Руйнування органічних забрудників стічних вод в основному здійснюється бактеріями. В 1 м3 мулу міститься 2·1014 бактерій. Бактерії представлені такими типами, как псевдомонас, бациллус, нітробактер, нітросомонас та ін. Процес руйнування складних оранічних сполук відбувається у певній послідовності і в присутності каталізаторів цих реакцій – ферментів, що виділяються бактеріями. Ферменти – це складні білкові сполуки (молекулярна маса досягає сотень тисяч і мільйонів), що прискорюють біохімічні реакції.

У біологічних фільтрах використовують і «чисті культури» – вирощені популяції мікроорганізмів, які живляться певними речовинами (наприклад, фенолом, роданідами і ціанідами).

Біологічне очищення є основним методом оброблення міських стічних вод. Існують аеробні та анаеробні методи біологічного очищення стічних вод. При аеробному очищенні мікроорганізми культивуються в активному мулі або біоплівці.

Сумарні реакції біохімічного окиснення в аеробних умовах можна схематично представити так:

де CxHyOzN – органічні речовини стічних вод; C5H7NO2 – умовна формула клітинної речовини бактерій; H – енергія.

80