6.3. Захист вод суші від забруднень та їх очищення

Щоб захистити води від техногенних забруднень, необхідно здійснити низку заходів для забезпечення нормального стану водойм. За умови незначного забруднення вода у водоймі здатна до самоочищення, а значно забруднені стоки необхідно очистити.

За комплексним показником антропогенного навантаження (КПАН) вплив сумується і включає безпосереднє забруднення, ступінь використання річкового стоку, інші техногенні впливи.

Початковою вважається стадія забруднення, при якій вміст забруднювачів у воді менший за граничнодопустимий, але перевищує фоновий, усі властивості води є в нормі. Небезпечна стадія, коли вміст забруднювачів досягає граничнодопустимого рівня або незначно його перевищує. Дуже небезпечна стадія забруднення води, якщо вміст речовин у ній перевищує граничнодопустимий. Небезпечним є підкислення води. Так при рН=6,0 гинуть молюски, ікра риби, при рН=6,0-5,5 з дна у розчин переходить більшість важких металів, а при рН=4,5 у водоймі не залишається нічого живого, крім анаеробних бактерій.

Самоочищення води. Води, незначно забруднені стоками, здатні через певний відрізок часу очиститися. Самоочищення відбувається у водоймі під впливом бактерій, водних рослин, безхребетних та в процесі природного кругообігу води. Отже, це сукупність фізико-хімічних, біохімічних та гідродинамічних процесів, у результаті яких концентрація забруднювача у водоймі знижується до рівня, не більшого за граничнодопустимий.

Фізичними факторами очищення води є її перемішування і розбавляння у водоймі, частина важкорозчинних речовин осідає на дно, а леткі випаровуються. В результаті концентрація сторонніх речовин стає нижчою за граничнодопустиму. Стічна вода при потраплянні у природну проточну водойму не забруднює її за умови:

,

де Q_cтоку, Q_вод. – розтрата стічної води та води у водоймі, м³/с;

k – коефіцієнт змішування стічної води та води у водоймі;

С_{і,стоку}, С_і,фону – концентрація і-го інгредієнта у стічній воді та фонова.

Коефіцієнт змішування (k) визначають за розрахунками для технологічного процесу та характеристики потоку.

Для непроточної водойми дійсне таке співвідношення:

,

а за відсутності інгредієнта у ній (С_і,фону=0): ,

де n_p – кратність найменшого розбавляння.

Отже, розбавляння повинно бути таким, щоб понизити концентрацію забруднювача до величини, меншої за ГДК.

Суть хімічного фактора полягає в тому, що сторонні органічні та неорганічні речовини поступово окиснюються, відбувається перетворення органічних речовин у неорганічні – мінералізація органічних речовин.

Вміст органічних речовин контролюють за величиною хімічного споживання кисню, а динаміку зміни за біологічним споживанням. Можна обчислити ступінь очищення води від органічних речовин:

,

де БСК – повне біологічне споживання кисню.

Якщо стічна вода містить невелику кількість кислоти або лугу, то наявні у природній воді гідрогенкарбонати кальцію та магнію їх нейтралізують. Вважається, що вода здатна самостійно очиститися, якщо величина рН є в межах рН÷6,5-8,5.

Біологічний фактор полягає в тому, що більшість процесів у водоймі перебігає за участю бактерій, деякі речовини споживають нижчі організми.

У випадку, якщо концентрація неконсервативних речовин у воді перевищує граничнодопустиму, можна обчислити час, необхідний на самоочищення води. Для цього визначають фонову концентрацію речовини у водоймі. Потім експериментально визначають величину коефіцієнта швидкості самостійного очищення (К) води від певної речовини, аналізуючи зміну концентрації речовини від часу:

,

де С_поч. – початкова концентрація речовини у воді,  – час перебування речовини у воді, С_ – концентрація речовини у воді через відрізок часу .

За одержаною величиною коефіцієнта очищення обчислюють, через який час (_ГДК) вміст речовини у водоймі досягне рівня граничнодопустимої концентрації:

де К – коефіцієнт швидкості самоочищення води, С_ф – фонова концентрація речовини у воді, С_ГДК –граничнодопустима концентрація речовини

Якщо забруднення водойми значно перевищує граничнодопустимі концентрації, то гальмується функціонування живих організмів і зникає здатність води до самоочищення. Найгірше очищається вода від надлишку важких металів, біогенних сполук, при значному підвищенні температури.

Проблема очищення стічної води перед спуском у природну водойму полягає в тому, що вона містить як первинні забруднювачі, так і утворені під час змішування. Методи очищення можна розділити на дві основні групи. Перша група – це очищення води на спеціально створених установках у штучних умовах, знезаражування води; друга група – очищення забрудненої води в природних умовах. Вибір методу обумовлений хімічною природою забруднювачів, їхньою концентрацією (табл.6.2).

Забруднювачі водойми можуть утворювати гомогенну або гетерогенну систему. Гетерогенні забруднювачі – зависі та колоїдні розчини, зумовлюють каламутність води. Завислі часточки (мул, малорозчинні сполук, фітопланктон, мікроорганізми, органічні речовини) з розміром 10^-3-10^-5 см утворюють суспензії та емульсії. Вони утримуються у воді під впливом сили потоку, а потім осідають. Колоїдні розчини – органічно-мінеральні часточки мулу, гумусові сполуки, гідроксиди, важкорозчинні сполуки у незначних концентраціях, високомолекулярні сполуки, деякі мікроорганізми.

Таблиця 6.2. Методи очищення вод залежно від виду стану домішок

Гетерогенна система				Гомогенна система
Зависі			Колоїдні частинки	Розчини молекулярних речовин	Розчини електролітів
Механічне осадження			Ультрафільтрація	Евапоризація,	Гіперфільтрація
Окиснення				Окиснення	Осадження
Адсорбція на Al(OH)3, Fe(OH)3
Флотація		Коагуляція		Адсорбція на активованому вугіллі	Фіксація іонітами
Укрупнення флокулянтами
Електро-фільтрація	Електрофорез			Екстракція органічними розчинниками	Сепарація іонів
Біологічне очищення				Біохімічний розклад	Видалення металів мікроорганізмами

Очисні установки бувають локальні, розташовані безпосередньо біля цеху, заводські очисні станції; міські (районні) очисні станції. Завдання локальних установок полягає у вловлюванні цінних речовин зі стоків та зменшенні вмісту токсичних речовин до стану, який би відповідав вимогам для стоків у загальний каналізаційний колектор або природну водойму та який дає можливість повернути воду в технологічний процес у випадку замкненої системи водокористування. Таке ж завдання заводських очисних станцій, але очищення тут здійснюється від усіх забруднень.

Міські очисні станції розташовують поблизу стоків у каналізацію в напрямку проти вітру відносно населених пунктів. Це можуть бути також об’єднані очисні станції декількох підприємств. Очисні споруди відділяють від населених пунктів санітарно-захисною зоною, величина якої залежить від типу очищення та від потужності очисної станції. Зокрема для станцій механічного та біологічного очищення ширина зони може становити 0,5 км.

Різні методи очищення води мають різне призначення. Для видалення з води грубодисперсних зависів (просвітленням води) застосовують механічні методи відстоювання, очищення в гідроциклонах, фільтрування, флотаційне відділення. Колоїдно-дисперговані часточки видаляють з води методами коагуляції та її різновидами, флокуляції, центрифугування, електрофільтрування. Для усунення з води органічних речовин застосовують метод адсорбції на активованому вугіллі. Видалення розчинених речовин здійснюють методами хімічного відділення, електролізом, методом іонного обміну. Зменшують вміст солей у воді випарюванням, дистиляцією, виморожуванням. У випадку забруднення органічними речовинами їх піддають руйнуванню. Руйнування проводять окисненням води сильними окисниками, термохімічними і термічними методами у гарячій парі та після випарювання води до сухого залишку. Часто воду очищають біологічними методами. Дезінфекцію води та дезодорацію проводять методами окиснення, сорбування домішок. Застосовують і інші методи очищення води.