Средства защиты гидросферы водоемы загрязняются в основном. Активные методы и средства защиты гидросферы от загрязнений. Мониторинг водохозяйственных систем и сооружений

В результате хозяйственной деятельности человека образуются большие объемы сточных вод. В зависимости от условий образования они делятся на 3 группы:

Бытовые - стоки душевых, прачечных, бань, столовых и т.д. Содержат детергенты, органические и минеральные вещества;

Промышленные – образуются в результате использования воды в технологических процессах. Состав зависит от вида производства;

Атмосферные (ливневые) – образуются при выпадении осадков, крайне неравномерны. Состав зависит от вида поверхности с которой осуществляется сток.

Сточные воды характеризуются следующими признаками:

Мутностью;

Цветностью;

Сухим остатком;

Кислотностью;

Жесткостью;

Растворимым кислородом;

Биологической потребностью в кислороде (БПК).

Как правило, сточные воды содержат мало кислорода, что приводит к гибели высших организмов и вместо окисления органических соединений в воде происходит анаэробное разложение с выделением сероводорода, углекислого газа, метана, создающих вторичное загрязнение водоема. Именно поэтому сточные воды необходимо очищать или разбавлять. Прогнозную оценку качества вод выполняют на основе расчетов смешения и разбавления сточных вод водой водного объекта.

При отведении сточных вод в водный объект производится расчет предельно допустимого сброса (ПДС) загрязняющих веществ. Расчет ПДС производится с целью обеспечения норм качества воды водного объекта в контрольном створе при сбросе загрязняющих веществ со сточными водами. Расчет выполняется с учетом фоновой концентрации загрязняющих веществ, гидрологических и гидрохимических особенностей водного объекта, а также возможной степени разбавления сточных вод и самоочищающей способности водоема (водотока). При расчетах ПДС в расчетном створе должна быть обеспечена концентрация контролируемых веществ, не превышающая нормативных требований к составу и качеству вод данного водного объекта.

Расчеты ПДС выполняются в соответствии с требованиями «Методических указаний по установлению (ПДС) предельно допустимых сбросов веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами» (1982).

В практике расчетов широко применяется понятие кратности разбавления сточных вод. Кратность разбавления «n» является наиболее универсальной характеристикой приемника сточных вод, показывающей, во сколько раз снизится концентрация загрязняющих веществ в воде водного объекта на участке от места сброса до расчетного створа. При известном фоновом загрязнении вод водного объекта кратность разбавления определяется формулой:

(6.5)

где C ст - концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л;

С е - концентрация загрязняющего вещества в воде водного объекта, мг/л;

С max - максимальная концентрация загрязняющего вещества в заданном расчетном створе, мг/л.

Очистка сточных вод обеспечивается путём внедрения ряда технических решений и мероприятий. Наиболее распространенными являются следующие: механическая очистка, физико-химическая, биологическая очистки, которые осуществляются либо отдельно, либо последовательно.

Механическая очистка сточных вод является обязательной составной частью водоочистки и предваряет другие методы очистки – это простой отстой воды, при котором происходит оседание взвешенных частиц, в том числе и вещества, находящиеся в коллоидном состоянии. Перед механической очисткой в сточные воды добавляют коагулянты (вещества, вызывающие укрупнение коллоидных частиц – сульфаты алюминия, железа III) и флокулянты (вещества, способствующие флотации, т.е. выделению частиц из смеси за счёт сил отталкивания от растворителя с последующим укрупнением – полиэтиленамин и др. высокомолекулярные вещества).

Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ используют:

- процеживание в вертикальных или наклонных решетках и волокноуловителях;

- отстаивание в песколовках (частицы размером более 0.25 мм), отстойниках (от нефтепродуктов и частиц более 0.1 мм) и жироуловителях веществ с плотностью меньше плотности воды;

- обработку с поле действия центробежных сил в открытых или закрытых гидроциклонах и центрифугах;

- фильтрование для очистки от тонкодисперсных примесей с малой концентрацией (зернистые и микрофильтры).

Физико-химические методы очистки основаны на физико-химических процессах, ионном обмене, на протекании химических процессов под воздействием физических явлений (электролиз, электрокоагуляция и т.д.) и включают в себя следующие методы:

- флотация – пропуск через сточные воды воздуха, пузырьки которого захватывают нефть, масла и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой. В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую и другие;

- нейтрализация – используют для выделения из сточных вод кислот, щелочей, солей металлов на основе кислот и щелочей. Нейтрализацию кислот осуществляют едким натром, известью, доломитом, мелом, содой и др., нейтрализацию щелочей серной, соляной, азотной и другими кислотами. Существует 3 способа нейтрализации: фильтрационный (через зернистые фильтры), водно-реагентный (добавление сухого или растворенного реагента), полусухой (перемешивание высококонцентрированных сточных вод с сухим реагентом);

- сорбция – осуществляет извлечение из сточных вод вредных растворимых и их последующую утилизацию. В качестве сорбентов используют золу, торф, шлаки, глину, активированный уголь и др.;

- ионный обмен – применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Реализуется последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты;

- электрохимическая очистка (электрохимическое окисление) осуществляется электролизом и реализуется 2 путями: окисление путем передачи электронов непосредственно на поверхность анода или через вещество-переносчик и в результате взаимодействия с сильным окислителем (активным хлором), образовавшимся в процессе электролиза;

- гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется путем пропуска воды через ацетатцеллюлозные или полиамидные фильтры, поры которых имеют размер около 1 нм и через которые свободно проходят молекулы воды и задерживаются гидратированные ионы солей и молекулы недиссоциированных соединений;

- эвапорация – заключается в обработке паром органически загрязненных сточных вод, при которой летучие примеси загрязнений переходят в паровую фазу и удаляются.

Биохимические и биологические методы основаны на том, что некоторые микроорганизмы способны использовать загрязняющие вещества как пищу, усвоив которую они очищают сточные воды от примесей, как правило, органических. Различают следующие разновидности этих методов:

- аэробная очистка представляет собой минерализацию промышленных или бытовых стоков при содействии аэробных микроорганизмов (активный ил ), которые используют загрязнители в качестве источников питания. Реализуется в аэротенках и биофильтрах;

- анаэробная очистка - разложение органических осадков до метана и углекислого газа микроорганизмами при отсутствии кислорода. Реализуется в метантенках, которые необходимо подогревать до 45-55ºC.

- обеззараживание (хлорирование, фторирование, озонирование) – заключается в удалении болезнетворных микроорганизмов.

После осуществления выше перечисленных методов может возникнуть необходимость в удалении остаточных органических веществ , которая осуществляется с помощью активированного угля. Адсобрбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.

Очищенные стоки сбрасывают в поверхностные водоемы, в которых происходит естественная доочистка сточных вод. Основными условиями спуска очищенных вод являются:

1) сохранение экосистемы водоема;

2) экологическая ценность водоема;

3) хозяйственная функция водоема: хозяйственно-питьевые нужды, культурно-бытовые нужды, нужды рыбного хозяйства (высшей, первой и второй категории).

В зависимости от вида водопользования, устанавливаются требования к качеству воды (СанПиН 4630-88 «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами») – наиболее жесткие требования предъявляются к источникам хозяйственно-питьевого водопользования.

Несмотря на многообразие методов очистки воды, снизить антропогенную нагрузку на гидросферу можно только рациональным использованием воды. Основные направления рационального использования и охраны водных ресурсов можно объединить в следующие группы:

Совершенствование технологии основного производства

Совершенствование систем водоснабжения.

Совершенствование систем канализации и очистки сточных вод.

Разработка и внедрение методов очистки с попутной утилизацией ценных компонентов из сточных вод.

Внедрение технически обоснованных норм и нормативов водоотведения.

Внедрение инструментального контроля количества и качества сбрасываемых сточных вод.

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. К таким мероприятиям относятся повышение степени залесенности водосборов, лиманное орошение, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период. При этом следует иметь в виду, что в горных районах лес незначительно уменьшает вынос веществ вследствие крайне небольшой мощности четвертичных отложений и слабой их регулирующей способности. В равнинных районах с увеличением лесистости водосбора (отношение площади водосбора, покрытой лесом, к общей площади водосбора) происходит уменьшение поверхностного стока и уменьшение выноса веществ. На малых реках в связи с небольшим врезом русла в породы водосбора лес способствует большему переводу поверхностных стоков в подземные и уменьшению выноса веществ в сравнении со средними и большими реками. Однако масштабы применения этих мероприятий весьма ограниченны и реализуются лишь на отдельных небольших реках. 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 помо

щью щелевания и устройства траншей, заполняемых легкофильтру- ющими 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, физикохимические, термохимические и термические.
Выбор метода и соответствующего оборудования определяется характеристиками загрязнений, их концентрацией, физическими и химическими свойствами, а также требованиями эффективности очистки сбросов.
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. Последующая очистка проводится методом отстаивания, т.е. осаждения под действием гравитационных сил. Для этого используются песколовки, отстойники и осветлители.
Песколовки применяют для удаления из воды частиц минеральных и органических примесей с размерами не менее 0,2 мм. В отстойниках осаждение частиц происходит под действием сил тяжести. Наиболее эффективны осветлители (рис. 15.2), в которых механическое удаление частиц проводится после обработки воды
коагулянтами. Коагулирование - это физико-химический процесс агломерации мелких частиц под действием сил молекулярного притяжения, возникающих при обработке воды солями многовалентных металлов. В результате устраняется мутность и цветность воды, а в ряде случаев снижается интенсивность вкуса и запахов. В качестве коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества (сернокислый глинозем AI2(S04)3) пН20 и др.), соединения железа (железный купорос FeS04 7Н20 и др.), ряд других веществ. Эффективность коагуляции увеличивается при обработке воды флокулянтами - высокомолекулярными органическими или минеральными соединениями, которые образуют макромолекулы, связывающие гидроксиды коагулянтов с примесями с выпадением крупных хлопьев. К ним относятся полиакриламид, активная кремниевая кислота, гашеная известь, едкий натр, кальцинированная сода, хлорная известь и др.
Система обработки воды включает узел для приготовления коагулянта, дозатор, смеситель, камеру хлопьеобразования и отстойник. В осветлителях смеситель и камера хлопьеобразования совмещены, а функции отстойника выполняет осадкоуплотнитель. Воду с добавкой коагулянта подают в его нижнюю часть до тех пор, пока на высоте сечения I-I не наступит равенство скорости восходящего потока и скорости выпадения из него хлопьев коагулянта с удерживаемыми им частицами взвеси. Через находящийся выше сечения I-I слой взвешенного осадка фильтруется осветленная вода, поступающая в желоб, а осадок удаляется в осадкоуловитель для дальнейшей переработки.
Для удаления из сточных вод тонкодисперсных примесей применяют фильтрацию через пористые перегородки, изготавливаемые из минеральных (металлические сетки, стекловолокно, насыпной слой и др.) или органических веществ (синтетические волокна, ткани). По принпипу действия различают поверхностные и глубинные фильтры. В первых - частицы оседают на пористую перегородку, во вторых - после оседания частицы адсорбируются перегородкой. Если количество очищаемых сточных вод достаточно велико, то приме
няют фильтры с зернистым слоем. Последние получили наибольшее распространение из-за простоты конструкции, надежности и достаточно высокой эффективности. Зернистый фильтр представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На него укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий слой.
Зернистые фильтры подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. В медленных фильтрах фильтрация идет через осадок загрязнений, образующихся на поверхности зерен загрузки в больших порах материала. В быстрых фильтрах пленка загрязнений не образуется, и фильтрование идет в толще слоя загрузки, где частицы задерживаются на зернах фильтрующего материала за счет сил адгезии. В таких фильтрах сточная вода подается в специальную систему с добавкой коагулянта (рис. 15.3). После фильтрации очищенная вода удаляется через дренажное устройство. Его изготавливают из пористо-бетонных сборных плит, на которых послойно размещают фильтрующий материал с высотой загрузки 1,5-2 м. После засорения слоя осадком он периодически очищается подачей снизу вверх промывных вод.
Особенностью фильтров с подвижной загрузкой (кварцевый песок с зернами 1,5-3 мм или гранитный щебень с зернами 3-10 мм) является вертикальное расположение фильтрующей перегородки и
горизонтальное движение очи-
щаемой от примесей воды. При скорости фильтрации 15 м/ч эффективность очистки составляет 50-55%. Загрязненный материал фильтра очищается от осадка в отдельном промывном устройстве, поэтому фильтр работает непрерывно, но из-за абразивного износа трубопроводов и измельчения и уноса частиц фильтрующего материала применение таких фильтров пока ограниченно.
В промышленных очистных сооружениях широко применяются центробежные сепараторы - гидроциклоны (рис. 15.4). Напорные гидроциклоны исполь

зуют для осаждения твердых примесей.
Эти аппараты имеют высокую производительность и эффективность очистки до 70%.
Сточная вода тангенциально подается в аппарат и при вращении под действием центробежной силы разделяется на два потока.
Часть жидкости с крупными частицами движется у стенок по винтовой спирали вниз к сливному отверстию. Другая часть (осветленная) поворачивается и движется вверх вблизи оси циклона к кольцевому лотку. Гидро- циклоны изготавливаются диаметром 0,7 м и высотой, примерно равной диаметру. При больших объемах очищаемых сточных вод они объединяются в мультигидроциклоны.
Для удаления из сточных вод плохо отстаивающихся нерастворимых примесей применяют метод флотации. По сравнению с отстаиванием он обеспечивает селективное выделение примесей, большую скорость процесса, высокую (95-98 %) степень очистки и возможность рекуперации удаляемых веществ. Кроме того, при флотации сточные воды аэрируются, в них снижается содержание легко окисляемых веществ и ПАВ, бактерий и микроорганизмов. Флотаторы просты по конструкции, надежны и обеспечивают непрерывный процесс очистки.
В процессе флотации пузырек воздуха сближается с гидрофобной твердой частицей и всплывает вместе с ней на поверхность воды, где образуется пенный слой, который содержит повышенную концентрацию частиц примесей и периодически удаляется из флотатора. Эффективность флотации зависит от природы примесей, смачиваемости частиц водой и характера взаимодействия реагентов с их поверхностью. Поверхностно-активные вещества (масла, жирные кислоты и их соли, амины, меркаптаны и др.) являются реагентами- собирателями и, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, делая их гидрофобными. Поэтому прочность прилипания частицы к пузырьку максимальна.
Наиболее распространены следующие способы флотации сточных вод: с выделением воздуха из растворов, с механическим дис
пергированием воздуха, с подачей воздуха через пористую перегородку, электрофлотация, химическая флотация.
Первый способ реализуется с помощью напорных установок, применяемых для очистки сточных вод с содержанием взвеси до 4- 5 г/дм3. Процесс идет в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением 0,15-0,4 МПа и выделение растворенного газа - при атмосферном давлении. Производительность такого аппарата лежит в пределах от 5 до 2000 м3/ч по очищенной воде (с учетом добавок коагулянтов). Основным элементом установки напорной флотации
Сточную воду, насыщенную воздухом, подают в камеру, где давление близко к атмосферному. Выделяющиеся пузырьки воздуха захватывают частицы примесей и всплывают вверх. Пенный слой с твердыми включениями донным скребком удаляют в шламоприем- ник, а осветленную воду отводят на последующее использование. Твердые частицы, осевшие на дно камеры, донным скребком сдвигают в нижнюю часть камеры и удаляют из аппарата.
Флотация с механическим диспергированием воздуха широко используется в процессах обогащения полезных ископаемых, а в последнее время и для очистки сточных вод с содержанием взвеси более 2 г/дм3. Диспергирование воздуха обеспечивается турбинками насосного типа - импеллерами (дисками с обращенными вверх лопатками). Флотация с использованием пористых керамических пластин обеспечивает высокое качество очистки, но ввиду засорения и зарастания отверстий пористого материала, а также трудностей в подборе пористых перегородок с одинаковыми отверстиями этот способ нашел ограниченное применение.
Для тонкой и сверхтонкой очистки сточных вод применяются методы обратного осмоса и ультрафильтрации. Данные методы реализуются в процессе фильтрования сточной воды через полупроницаемые мембраны при давлении Р, превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая молеку
лы растворенного вещества, размеры которых не больше молекул растворителя (обратный осмос при давлении до 10 МПа) или на порядок их больше (ультрафильтрация при Р= 0,1-0,5 МПа). Обычно мембраны изготавливают из ацетатцеллюлозы. Установка обратного осмоса весьма проста и экономична, имеет высокую эффективность, но требует периодической замены мембран при заметном возрастании у поверхности концентрации растворенного вещества, а также работы аппаратуры при повышенных давлениях, что требует ее специального уплотнения. Обратный осмос используют для разделения растворов, содержащих частицы с размерами 0,0001-0,001 мкм, а ультрафильтрацию - для частиц с размерами 0,001-0,02 мкм. Данные методы рекомендуется применять при содержании в электролитах: одновалентных солей - не более 10%, двухвалентных - 15, многовалентных - 20%. Для органических веществ эти пределы несколько выше.
Установки мембранного разделения собирают из большого числа отдельных модулей в батареи. При небольших производительностях модули соединяют параллельно. Для увеличения выхода фильтрата модули собирают последовательно-параллельно. В случае одновременного разделения органических и неорганических веществ используют обратный осмос и ультрафильтрацию. При этом в процессе ультрафильтрации получают концентрат органических веществ, а затем - в процессе обратного осмоса - концентрат неорганических веществ и чистую воду.
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. Активный ил формирует аморфную коллоидную систему, имеющую достаточно стабильный состав, несмотря на значительные отличия сточных вод различных производств. Сухое вещество активного ила состоит на 70-90% из

органических и на 10-30% из неорганических веществ. Субстрат, содержание которого в иле может доходить до 40%, включает твердую отмершую часть остатков водорослей и различные твердые остатки. При очистке промышленных стоков в активном иле преобладают аэробные микробы.
Основную роль в процессе биохимической очистки сточных вод играют микроорганизмы, с помощью которых протекают процессы, заканчивающиеся окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратами энергии. Скорость биохимических реакций определяется активностью ферментов (энзимов), зависит от температуры, pH среды и присутствия в сточной воде различных веществ. Для каждого фермента существует оптимальная температура, ниже или выше которой скорость реакции падает. Активаторами ферментов являются катионы Са2+, Mg2+, Мп2+, а ингибиторами, снижающими активность ферментов, могут быть, например, соли тяжелых металлов.
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 с естественной аэрацией имеют глубину 0,5-1 м, хорошо прогреваются солнцем и заселяются водными организмами и водорослями, что способствует интенсификации процессов окисления сточных вод. Пруды с искусственной аэрацией имеют глубину более 1 м. Они снабжены системами принудительной подачи и распределения воздуха в целях обеспечения интенсивного подвода кислорода и осуществления массообменных процессов. Пруды используют в комп- 426

лексе 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 (рис. 15.6). Сточную воду сначала направляют в первичный отстойник, в который для улучшения осаждения взвешенных частиц по-

Рис, 15.6. Схема установки биологической очистки:
1 - первичный отстойник; 2 - преаоратор-усреднитель; 3 - аэротенк; 4 - регенератор; 5 - вторичный отстойник

дают часть активного ила. Из отстойника осветленная вода поступает в преаэратор-усреднитель, в который подают избыточный ил из вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом и при необходимости добавляются нейтрализующие добавки и питательные вещества. После усреднителя сточная вода поступает в аэротенк, где циркулирует активный ил. Биохимические процессы в аэротенке проходят в два этапа: адсорбция активным илом органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода; доокисление медленно окисляющихся органических веществ с менее интенсивным потреблением кислорода и регенерация активного ила в отдельной секции аэротенка - регенераторе; после этого сточная вода с илом поступает во вторичный отстойник, где происходит отделение ила от воды.
Существует множество различных конструкций аэротенков, отличающихся числом коридоров для прохода воды, организацией гидродинамического режима подачи сточных вод и воздуха, способом регенерации активного ила, количеством ступеней очистки, нагрузкой на активный ил и другими характеристиками.
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, а отработанная биопленка смывается с насадки и выводится из биофильтра. В качестве насадки применяют щебень, гравий, шлак, керамзит, металлические и пластмассовые сетки и др. Разнообразные конструкции биофильтров определяются требованиями к очистке (полной или неполной), подачей воздуха для аэрации (естественной или искусственной), с рециркуляцией или без рециркуляции сточных вод, степенью очистки (в одну или несколько ступеней).
Для первичной очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод (БПКполн = 4-5 г/дм3), содержащих органические вещества, а также для образования осадков от биохимической очистки применяют анаэробные методы обезвреживания. Органические вещества разрушаются анаэробными бактериями в процессе брожения. Процесс брожения проводят в метанотенках - герметически закрытых емкостях с устройствами для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Степень сбраживания (распада органических веществ) в среднем составляет около 40%, состав выделяющихся газов: 63-65% метана, 32-34% С02. Выделяющиеся газы обычно сжигают в топках котлов.
Процесс биохимической очистки протекает более устойчиво и полно при совместной очистке промышленных и бытовых стоков, поскольку последние содержат биогенные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды.
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, допускает рекуперацию этих веществ. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при
которой адсорбент, содержащий извлеченные из сточных вод вещества, уничтожается. В качестве адсорбентов используют активированный уголь (наиболее универсален), шлаки, глины, некоторые синтетические вещества и др.
В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий. Перенос вещества из сточной воды на поверхность адсорбента. Собственно адсорбция. Перенос вещества внутри зерен адсорбента.
При адсорбции поглотитель насыщается адсорбируемым веществом. Со снижением эффективности очистки адсорбцию прекращают, а адсорбент подвергают регенерации, десорбируя из него поглощенные вещества. Процесс адсорбции ведут при интенсивном перемешивании адсорбента со сточной водой с последующим фильтрованием воды через слой адсорбента либо в псевдоожиженном слое на установках периодического или непрерывного действия. Более эффективны установки непрерывного действия.
Адсорбер с использованием способа фильтрации воды через слой адсорбента представляет собой колонну, в которой на решетке уложен сначала слой гравия, а затем слой активированного угля. Очищаемая вода подается снизу вверх, а пар для регенерации адсорбента - сверху вниз. Адсорберы с псевдоожиженным слоем (рис. 15.7) действуют иначе. Активированный уголь через воронку по трубе непрерывно подается под распределительную решетку с отверстия-

Рис. 15.7. Одноярусный адсорбер: I - решетка; 2 -труба; 3- колонна; 4 -воронка; 5 - сборник

ми 5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через решетку, над которой образуется псевдосжижен- ный слой, где идет адсорбция. Избыток угля поступает в сборник, а из него на регенерацию. Очищенную воду через желоба отводят из колонны.
Адсорбированные ценные вещества извлекают десорбцией при регенерации активированного угля насыщенным или перегретым паром при температуре 200-300 °С и давлении 0,3-0,6 МПа или инертным газом при 120-130 °С. После десорбции пар конденсируют, а извлеченные вещества направляют на переработку. В случаях, когда адсорбированное вещество не представляет ценности, проводят деструктивную регенерацию активированного угля. Она осуществляется либо химическим методом (окисление хлором, озоном и др.), либо термическим методом (обработка в печах при температурах 700-800 °С в бескислородной среде смесью продуктов сгорания и водяного пара).
Ионообменная очистка сточных вод применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Си, Сг, Ni, Pb, V, Мп и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Ионный обмен используется в процессах водоподготовки для обессоливания воды. По завершении процесса ионного обмена иониты регенерируют.
Процессы ионообменной очистки проводят в установках периодического и непрерывного действия. Последние наиболее предпочтительны для промышленных условий, поскольку позволяют при использовании компактного оборудования снизить удельный расход ионитов, реагентов для их регенерации и промывной воды. Установки непрерывного действия состоят из нескольких ионообменных аппаратов (колонн) с катионитом и анионитом, работающих с движущимся или с кипяшим слоем ионита.
При очистке сточных вод, содержащих фенолы, масла, нефтепродукты, ионы металлов, применяют методы экстракции. В общем случае экстракция более целесообразна, чем адсорбция, если концентрация извлекаемых веществ выше 3-4 г/дм3. Процесс очистки состоит из трех стадий. Сначала сточная вода интенсивно смешивается с экстрагентом (органическим растворителем) с образованием двух жидких фаз: экстракта (экстрагент с извлекаемым веществом) и рафината (сточная вода и экстрагент). Вторая стадия - разделение экстракта и рафината, третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной экстракции.
Регенерация отработавшего экстрагента проводится с применением вторичной экстракции (с другим растворителем), а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Если экстрагент не следует возвращать в цикл, то после извлечения из него ценных веществ он может быть использован для технологических целей или в качестве топлива (если экстрагированное вещество не является ценным). Для предотвращения загрязнения сточной воды частично растворимым в ней экстрагентом и сокращения потерь экстракт удаляют из рафината адсорбцией, отгонкой отработанным паром или отходяшими дымовыми газами.
Жидкостная экстракция занимает особое место в процессах извлечения ценных металлов из сточных вод и обеспечивает их концентрирование для последующей рекуперации. В качестве экстрагентов применяют органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины и др., а реэкстрагентов - водные растворы кислот и оснований.
Высококачественное удаление из сточных вод токсичных и ценных компонентов производится электрохимическими методами. Очистку проводят без использования химических реагентов на автоматизированных установках с применением процесса анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа, протекающих при пропускании постоянного тока через очищаемую воду.
Анодное окисление и катодное восстановление проводят в электролизерах. На аноде ионы отдают электроны (реакция окисления), а на катоде происходит присоединение электронов (реакция восстановления). При окислении вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием С02, NH3 и Н20 или образуют простые нетоксичные соединения, которые затем удаляют другими методами. Катоды изготавливают из стали, графита, металлов, покрытых вольфрамом, молибденом. Для анодов используют электролитически нерастворимые материалы (графит, магнетит и др.). Анодное окисление широко применяют, например, для очистки сточных вод, содержащих простые и комплексные соединения цианидов с концентрацией их до 600 мг/дм3. Катодное восстановление проводят для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичную форму или в легко выводимое из воды соединение (осадок, газ).
Электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами. При прохождении между ними сточной воды происходит ее электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстано

вительные процессы и взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.
В электрофлотаторах используется эффект удаления взвешенных частиц пузырьками газа, образующимися при электролизе воды (на аноде - кислорода, на катоде - водорода). Более эффективная очистка достигается при использовании растворимых электродов, в результате чего образуются, кроме пузырьков газа, еще и хлопья коагулянтов. Электрофлотационные установки применяют в случаях, когда обычная флотация не дает требуемого качества очистки.
Электродиализ для очистки промышленных сточных вод применяется крайне редко, хотя считается перспективным способом. Данный процесс основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран - анионообменной и катионообменной. Первая мембрана пропускает в анодную зону анионы, а вторая - катионы в катодное пространство. Простейшая конструкция установки представляет собой ванну, разделенную на три камеры. В среднюю камеру поступает сточная вода, а в боковые камеры, где расположены соответственно катод и анод - чистая вода. При прохождении тока на аноде выделяется кислород и образуется кислота, а на катоде выделяется водород и образуется щелочь. За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Н+ и ОН-, образуя воду. Применение метода ограничено тем, что при электродиализе из-за концентрационной поляризации на поверхности мембран осаждаются соли, что ухудшает показатели очистки.
К химическим реагентным методам относятся нейтрализация, окисление и восстановление компонентов сточных вод. Данные методы предполагают использование различных реагентов, что связано с весьма значительными затратами. Поэтому их применение целесообразно лишь в некоторых замкнутых системах водоснабжения перед биологической очисткой или после нее (для доочистки сточных вод). Нейтрализацию используют для подготовки сточных вод, содержащих кислоты или щелочи перед подачей в технологический процесс или для сброса в водоем. Нейтрализацию обычно проводят: смешением кислых и щелочных сточных вод (весьма перспективный способ для ряда производств) с добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными растворами или абсорбцией аммиака кислыми водами.
Выбор способа зависит от особенностей сточных вод, отходов, побочной продукции и др., образующихся как на данном, так и на соседних с ним предприятиях. Если в производстве формируются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами (или очищенные от таковых), то их смешивают в автоматизированной усреднительной установке до 6,5 lt;рН lt; 8,5. Осадок обезвоживают на шламовых полях или в вакуум-фильтрах. При окислении загрязнения переводятся в менее токсичные и удаляются из воды. В качестве окислителей применяют хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, озон, кислород воздуха и др. Легко восстанавливаемые вещества (например, вещества, содержащие шестивалентный хром) переводят в нерастворимые соединения, обычно гидрооксиды, которые затем осаждают в щелочной среде. Восстановителями являются активированный уголь, сульфат закиси железа, тиосульфат натрия, диоксид серы, пиритный огарок и др.
Сточные воды ряда производств загрязнены летучими примесями органического и неорганического происхождения, в том числе сероводородом, диоксидом серы, диоксидом углерода и др. Удаление таких примесей осуществляется десорбцией. При пропускании инертного газа, малорастворимого в воде (воздух, диоксид углерода, дымовые газы и др.) через сточную воду летучий компонент диффундирует в газовую фазу, поскольку парциальное давление газа над раствором больше, чем в окружающем воздухе. Десорбцию осуществляют в тарельчатых, каскадных и распылительных колоннах. Количество вещества, перешедшего в газовую фазу, растет с увеличением температуры среды, поверхности контакта фаз и коэффициента массопереноса. Десорбированное из воды вещество направляют на адсорбцию или каталитическое сжигание.
В некоторых сточных водах содержатся дурно пахнущие вещества (сероводород, углеводороды, аммиак, альдегиды и пр.). Для их дезодорации можно использовать ряд способов: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку продуктами сжигания топлива, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление. Наиболее эффективной является аэрация воды при продувании ее сжатым воздухом (процесс десорбции). Применение иных способов связано со специфическими особенностями содержащихся в воде примесей. Например, для эффективной очистки воды от сероводорода окислением кислородом воздуха при атмосферном давлении процесс проводят в присутствии катализатора (железной стружки, графитового материала и др.) в аэрационном бассейне, продуваемом сжатым воздухом. При этом часть сероводорода окисляется до элементной серы, а другая часть отдувается воздухом в адсорбер с активированным углем. После насыщения активированный уголь регенерируют сульфатом аммония.
Присутствие в сточных водах растворенных газов существенно затрудняет очистку таких вод и их использование. Растворенные газы удаляют дегазацией, осуществляемой химическим, термическим или десорбционным (аэрационным) методами. Выбор метода зависит от растворенного газа и его концентрации в воде. Наиболее распространенным способом на предприятиях является аэрация, проводимая в зависимости от требуемой производительности в пленочных, насадочных, барботажных или вакуумных дегазаторах.
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,
Концентрирование применяют для удаления из воды минеральных солей. Для этого используют испарительные (выпарные) установки и установки вымораживания, позволяющие получить концентрированные водные растворы солей. Последующая обработка этих растворов в кристаллизаторах с отделением кристаллов от маточного раствора на фильтрах и сушка в распылительных (или аналогичных по назначению) сушилках позволяет получать твердый продукт, имеющий высокую потребительную стоимость.
Для обезвреживания сточных вод с небольшим содержанием органических примесей применяют термоокислительную обработку жидкофазным, парофазным каталитическим окислением или огневым методом. Окисление примесей осуществляют кислородом воздуха при повышенных температурах с образованием нетоксичных соединений.
Жидкофазное окисление применяют при наличии в сточных водах достаточного количества органических соединений. Процесс проводят при температурах 100-350 °С и давлении 2-28 МПа. Сначала сточную воду смешивают с воздухом, нагнетаемым в нее компрессором, и насосом подают в теплообменник. Подогретая теплом отходящей очищенной воды сточная вода подается затем для дальнейшего нагрева в печь. Нагретая до заданной температуры вода поступает в реактор, где идет процесс окисления, сопровождающийся значительным тепловыделением. Продукты окисления (пар, газы, зола) и воду направляют в сепаратор, где газы отделяют от жидкости и направляют на утилизацию тепла, а воду с золой пропускают через теплообменник и фильтр для отделения золы. Данный метод отличается простотой, гибкостью и позволяет очищать большие количества сточных вод. Недостатками являются неполное окисление некоторых токсичных веществ (необходимо комбинирование с другими методами) и высокая коррозия оборудования в кислых средах. />Парофазное каталитическое окисление - это гетерогенный процесс окисления летучих органических веществ кислородом воздуха при повышенной температуре. Процесс интенсивно протекает в паровой среде контактных аппаратов в присутствии медно-хромового, цинк-хромового и других катализаторов. Степень обезвреживания достигает 99,8% при высокой производительности установки. Сточную воду подают в выпарной аппарат, откуда «упаренная» вода поступает в центрифугу, из которой обезвоженный осадок направляют на обезвреживание сжиганием в печи. Водяной пар с летучими соединениями подают в теплообменник, где он подогревается теплом парогазовой смеси, отходящей из контактного аппарата. После теплообменника пары смешивают с горячим воздухом и направляют в контактный аппарат для окисления. Продукты сжигания осадка из печи поступают в котел-утилизатор, а вырабатываемый пар подается в выпарной аппарат. Основным недостатком установки является возможность отравления катализаторов соединениями фтора, фосфора, серы (которые должны предварительно удаляться из сточной воды).
Из термических методов огневой является наиболее универсальным и эффективным. Он реализуется в процессе распыления сточных вод в топочных газах, имеющих температуру 900-1000 вС. При этом вода полностью испаряется, примеси выгорают, а минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы. Для сжигания используют печи различных конструкций: камерные, циклонные, с псевдосжиженным слоем. Наиболее эффективными и имеющими высокую производительность являются циклонные печи. В них, благодаря вихревому характеру движения газового потока и подаче распыленной жидкости в такой поток, интенсивно развиваются явления тепло- и массопереноса. Циклонные печи оборудуются системами рекуперации тепла и очистки отходящих газов. Недостатком таких печей является большой унос солей газовым потоком. Эти

соли образуются при термической обработке сточных вод, содержащих оксиды Са, Mg, Ва, К, Na и другие вещества, которые могут взаимодействовать с продуктами сгорания, например: MgO + С02 = = MgC03.
Относительная простота технологий огневого обезвреживания сточных вод и возможность достижения высоких степеней очистки делает эти методы весьма перспективными.

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. К таким мероприятиям относятся повышение степени залесенности водосборов, лиманное орошение, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период.

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).

Для очистки сточных вод используются механические, биохимические,

физико-химические, термохимические и термические методы.

Выбор метода и соответствующего оборудования определяется характеристиками загрязнений, их концентрацией, физическими и химическими свойствами, а также требованиями эффективности очистки сбросов.

Механическая очистка сточных вод. Взвешенные в воде примеси имеют широкий диапазон размеров и 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. Последующая очистка проводится методом отстаивания, т.е. осаждения под действием гравитационных сил. Для этого используются песколовки, отстойники и осветлители. Песколовки применяют для удаления из воды частиц минеральных и органических примесей с размерами не менее 0,2 мм. В отстойниках осаждение частиц происходит под действием сил тяжести. Наиболее эффективны осветлители, в которых механическое удаление частиц проводится после обработки воды коагулянтами. Коагулирование – это физико-химический процесс агломерации мелких частиц под действием сил молекулярного притяжения, возникающих при обработке воды солями многовалентных металлов. В результате устраняется мутность и цветность воды, а в ряде случаев снижается интенсивность вкуса и запахов.

Для удаления из сточных вод тонкодисперсных примесей применяют фильтрацию через пористые перегородки, изготавливаемые из минеральных (металлические сетки, стекловолокно, насыпной слой и др.) или органических веществ (синтетические волокна, ткани). По принципу действия различают поверхностные и глубинные фильтры. В первых – частицы оседают на пористую перегородку, во вторых – после оседания частицы адсорбируются перегородкой. Если количество очищаемых сточных вод достаточно велико, то применяют фильтры с зернистым слоем.

В промышленных очистных сооружениях широко применяются центробежные сепараторы – гидроциклоны для осаждения твердых примесей. Эти аппараты имеют высокую производительность и эффективность очистки до 70 %. Сточная вода тангенциально подается в аппарат и при вращении под действием центробежной силы разделяется на два потока. Часть жидкости с крупными частицами движется у стенок по винтовой спирали вниз к сливному отверстию. Другая часть (осветленная) поворачивается и движется вверх вблизи оси циклона к кольцевому лотку.

Для удаления из сточных

вод плохо отстаивающихся нерастворимых примесей применяют метод флотации, при этом пузырек воздуха сближается с гидрофобной твердой частицей и всплывает вместе с ней на поверхность воды, где образуется пенный слой. В этом слое формируется повышенная концентрация частиц примесей, которая периодически удаляется из флотатора. Эффективность флотации зависит от природы примесей, смачиваемости частиц водой и характера взаимодействия реагентов с их поверхностью. Поверхностно-активные вещества (масла, жирные кислоты и их соли, амины, меркаптаны и др.) являются реагентами-собирателями и, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. Поэтому прочность прилипания частицы к пузырьку максимальна.

Для тонкой и сверхтонкой очистки сточных вод применяются методы обратного осмоса и ультрафильтрации .

Данные методы реализуются в процессе фильтрования сточной воды через полупроницаемые мембраны при давлении - Р, превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества, размеры которых не больше молекул растворителя (обратный осмос при давлении до 10 МПа) или на порядок их больше (ультрафильтрация при Р=0,1-0,5 МПа). Обычно мембраны изготавливают из ацетатцеллюлозы. Установка обратного осмоса весьма проста и экономична, имеет высокую эффективность, но требует периодической замены мембран при заметном возрастании у поверхности концентрации растворенного вещества. Обратный осмос используют для разделения растворов, содержащих частицы с размерами 0,0001-0,001 мкм, а ультрафильтрацию - для частиц размерами 0,001-0,02 мкм.

Биохимическая очистка сточных вод основана 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 0 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.

Аэробные процессы биохимической очистки проводят 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 – открытые железобетонные аэрируемые резервуары, в которых очистка идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила, а также биофильтры разной конструкции, в которых процессы очистки идут с большей скоростью, чем в природных условиях. 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, а отработанная биопленка смывается с насадки и выводится из биофильтра. В качестве насадки используют щебень, гравий, шлак, керамзит, металлические и пластмассовые сетки и др.

Для первичной очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод (БПК полн »4-5 г/дм 3), содержащих органические вещества, а также для образования осадков от биохимической очистки применяют анаэробные методы обезвреживания. Органические вещества разрушаются анаэробными бактериями в процессе брожения. Процесс брожения проводят в метанотенках - герметически закрытых емкостях с устройствами для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Степень сбраживания (распада органических веществ) в среднем составляет около 40 %, состав выделяющихся газов: 63-65 % метана, 32-34 % СО 2 . Выделяющиеся газы обычно сжигают в топках котлов для получения тепловой энергии.

Процесс биохимической очистки протекает более устойчиво и полно при совместной очистке промышленных и бытовых стоков, поскольку последние содержат биогенные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды.

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 и они биологически не разлагаются или сильно токсичны. Метод высокоэффективен (80-95 %), позволяет очищать сточные воды, содержащие несколько веществ, допускает рекуперацию этих веществ. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией и деструктивной, при которой адсорбент, содержащий извлеченные из сточных вод вещества уничтожается. В качестве адсорбентов используют активированный уголь, шлаки, глины, некоторые синтетические вещества и др.

При адсорбции поглотитель насыщается адсорбируемым веществом. Со снижением эффективности очистки адсорбцию прекращают, а адсорбент подвергают регенерации, десорбируя из него поглощенные вещества.

Адсорбер с использованием способа фильтрации воды через слой адсорбента, представляет собой колонну, в которой на решетке уложен сначала слой гравия, а затем слой адсорбента. Очищаемая вода подается снизу вверх, а пар для регенерации адсорбента - сверху вниз. Адсорберы с псевдоожиженным слоем действуют иначе. Адсорбент через воронку по трубе непрерывно подается под распределительную решетку с отверстиями 5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через решетку, над которой образуется псевдоожиженный слой, где идет адсорбция. Избыток адсорбента поступает в сборник и из него на регенерацию. Очищенную воду через желоба отводят из колонны.

Адсорбированные ценные вещества извлекают десорбцией при регенерации адсорбента насыщенным или перегретым паром при температуре 200-300 0 С и давлении 0,3-0,6 МПа, или инертным газом при 120-130 0 С. После десорбции пар конденсируют и извлеченные вещества направляют на переработку.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, V, Mn и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Ионный обмен используется в процессах водоподготовки для обессоливания воды. По завершении процесса ионного обмена иониты регенерируют.

Процессы ионообменной очистки промышленных стоков проводят, как правило, в установках непрерывного действия. Установки состоят из нескольких ионообменных аппаратов (колонн) с катионитом и анионитом, работающих с движущимся или с кипящим слоем ионита.

При очистке сточных вод, содержащих фенолы, масла, нефтепродукты, ионы металлов применяют методы экстракции. В общем случае экстракция более целесообразна, чем адсорбция, если концентрация извлекаемых веществ выше 3-4 г/дм 3 . Процесс очистки состоит из трех стадий. Сначала сточная вода интенсивно смешивается с экстрагентом (органическим растворителем) с образованием двух жидких фаз: экстракта (экстрагент с извлекаемым веществом) и рафината (сточная вода и экстрагент). Вторая стадия - разделение экстракта и рафината, третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной экстракции.

Регенерация отработавшего экстрагента проводится с применением вторичной экстракции (с другим растворителем), а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

Высококачественное удаление из сточных вод токсичных и ценных компонентов производится электрохимическими методами. Очистку проводят без использования химических реагентов на автоматизированных установках с применением процессов анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа, протекающих при пропускании постоянного тока через очищаемую воду.

Анодное окисление и катодное восстановление проводят в электролизерах. На аноде ионы отдают электроны (реакция окисления), а на катоде происходит присоединение электронов (реакция восстановления). При окислении вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием CO 2 , NH 3 и H 2 O, или образуют простые нетоксичные соединения, которые затем удаляют другими методами. Катоды изготавливают из стали, графита, металлов, покрытых вольфрамом, молибденом. Для анодов используют электролитически нерастворимые материалы (графит, магнетит и др.). Анодное окисление широко применяют, например, для очистки сточных вод, содержащих простые и комплексные соединения цианидов. Катодное восстановление проводят для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичную форму или в легко выводимое из воды соединение (осадок, газ).

Электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами. При прохождении между ними сточной воды происходит ее электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы и взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

В электрофлотаторах используется эффект удаления взвешенных частиц пузырьками газа, образующимися при электролизе воды (на аноде - кислорода, на катоде - водорода). Более эффективная очистка достигается при использовании растворимых электродов, в результате чего образуются кроме пузырьков газа еще и хлопья коагулянтов. Электрофлотационные установки применяют в случаях, когда обычная флотация не дает требуемого качества очистки.

Электродиализ для очистки промышленных сточных вод применяется крайне редко, хотя считается перспективным способом. Процесс основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран - анионообменной и катионообменной. Первая мембрана пропускает в анодную зону анионы, а вторая - катионы в катодное пространство.

К химическим реагентным методам относятся нейтрализация, окисление и восстановление компонентов сточных вод. Данные методы предполагают использование различных дорогостоящих реагентов. Поэтому их применение ограничено.

Сточные воды ряда производств загрязнены летучими примесями органического и неорганического происхождения, удаление которых осуществляется десорбцией. При пропускании инертного газа, малорастворимого в воде (воздух, диоксид углерода, дымовые газы и др.) через сточную воду, летучий компонент диффундирует в газовую фазу, поскольку парциальное давление газа над раствором больше, чем в окружающем воздухе. Десорбцию осуществляют в тарельчатых, каскадных и распылительных колоннах. Десорбированное из воды вещество направляют на адсорбцию или каталитическое сжигание.

В некоторых сточных водах содержатся дурно пахнущие вещества (сероводород, углеводороды, аммиак, альдегиды и пр.). Для их дезодорации используют ряд способов: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку продуктами сжигания топлива, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление.

Термохимические и термические методы обезвреживания сточных вод . Особое место в технологиях очистки сточных вод занимают методы их обезвреживания от содержащихся минеральных солей Ca, 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.

Концентрирование применяют для удаления из воды минеральных солей. Для этого используют испарительные (выпарные) установки и установки вымораживания, позволяющие получить концентрированные водные растворы солей. Последующая обработка этих растворов в кристаллизаторах с отделением кристаллов от маточного раствора на фильтрах и сушка в распылительных (или аналогичных по назначению) сушилках позволяет получать твердый продукт, имеющий высокую потребительную стоимость.

Для обезвреживания сточных вод с небольшим содержанием органических примесей применяют термоокислительную обработку жидкофазным, парофазным каталитическим окислением или огневым методом. Окисление примесей осуществляют кислородом воздуха при повышенных температурах с образованием нетоксичных соединений.

Жидкофазное окисление применяют при наличии в сточных водах достаточного количества органических соединений. Процесс проводят при температурах 100-350 0 С и давлении 2-28 МПа. Сначала сточную воду смешивают с воздухом, нагнетаемым в нее компрессором, и насосом подают в теплообменник. В нем она подогревается теплом отходящей очищенной воды и затем подается для дальнейшего нагрева в печь. Нагретая до заданной температуры вода поступает в реактор, где идет процесс окисления, сопровождающийся значительным тепловыделением. Продукты окисления (пар, газы, зола) и воду направляют в сепаратор, где газы отделяют от жидкости и направляют на утилизацию тепла, а воду с золой пропускают через теплообменник и фильтр для отделения золы. Метод отличается простотой, гибкостью и позволяет очищать большие количества сточных вод.

Парофазное каталитическое окисление - это гетерогенный процесс окисления летучих органических веществ кислородом воздуха при повышенной температуре. Процесс интенсивно протекает в паровой среде контактных аппаратов в присутствии медно-хромового, цинк-хромового и других катализаторов. Степень обезвреживания достигает 99,8 % при высокой производительности установки. Сточную воду подают в выпарной аппарат, откуда «упаренная» вода поступает в центрифугу, из которой обезвоженный осадок направляют на обезвреживание сжиганием в печи. Водяной пар с летучими соединениями подают в теплообменник, где он подогревается теплом парогазовой смеси, отходящей из контактного аппарата. После теплообменника пары смешивают с горячим воздухом и направляют в контактный аппарат для окисления. Продукты сжигания осадка из печи поступают в котел-утилизатор, вырабатывающий пар подается в выпарной аппарат.

Из термических методов огневой является наиболее универсальным и эффективным. Он реализуется в процессе распыления сточных вод в топочных газах, имеющих температуру 900-1000 0 С. При этом вода полностью испаряется, примеси выгорают, а минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы. Для сжигания используют печи различных конструкций: камерные, циклонные, с псевдоожиженным слоем. Относительная простота технологий огневого обезвреживания сточных вод, возможность достижения высоких степеней очистки делает эти методы перспективными.

Поверхностные воды защищают от засорения, загрязнения и истощения. Для защиты от засорения предотвращают попадание в поверхностные водоемы и реки различных твердых отходов и других предметов. Для защиты от истощения контролируют минимально допустимые стоки вод. Для защиты от загрязнения применяют следующие мероприятия:

– развитие безотходных и безводных технологий и оборотного водоснабжения;

– очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);

– закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты (подземное захоронение);

– очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей.

Безотходные и безводные технологии и оборотное водоснабжение. Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения сточными водами являются безводные и безотходные технологии. На начальном этапе создается оборотное водоснабжение. В его систему включают ряд очистных сооружений и установок, что создает замкнутый цикл использования сточных вод, которые при таком способе все время находятся в обороте и не попадают в поверхностные водоемы.

Очистка сточных вод. Существуют различные способы очистки сточных вод: механический, физико-химический, химический, биологический и термический. В зависимости от вида сточных вод их очистка может производиться каким-либо одним или комбинированными способами, с обработкой осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживанием сточных вод перед сбросом их в водоем.

Механическая очистка основана на процеживании, отстаивании и фильтровании. При этом из сточных вод удаляются нерастворимые механические примеси: песок, глинистые частицы, окалина и др. Физико-химическая очистка предполагает коагуляцию, сорбцию, флотацию, экстракцию и другие методы. Из сточных вод удаляются тонкодисперсные взвешенные частицы, минеральные и органические вещества. Химическая очистка основана на процессах нейтрализации, окисления, озонировании, хлорировании. Сточные воды очищаются от токсичных веществ и микроорганизмов. Биологическая (биохимическая) очистка основана на способности микроорганизмов использовать для своего питания многие органические и неорганические соединения из сточных вод (сероводород, аммиак, нитриты и т. д.). К термическим методам прибегают при очистке промышленных сточных вод, содержащих главным образом высокотоксичные органические компоненты, разрушающиеся при высоких температурах.

При всех методах очистки сточных вод необходима обработка и утилизация образующихся шламов и осадков (особенно при очистке токсичных промстоков). С этой целью их складируют на специальных полигонах, обрабатывают в биологических сооружениях, перерабатывают с помощью растений (гиацинты, тростник и др.) или сжигают в специальных печах.

Закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты (подземное захоронение) осуществляется через систему поглощающих скважин. При этом способе отпадает необходимость в дорогостоящей очистке и обезвреживании сточных вод и в сооружении очистных сооружений.

Агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия защищают поверхностные воды от загрязнения и засорения. Они предотвращают эвтрофикацию озер, водохранилищ и малых рек, возникновение эрозии, оползней, обрушение берегов, уменьшают загрязненный поверхностный сток.

Водоохранные зоны защищают поверхностные воды от загрязнения, засорения и истощения. Они создаются на всех водных объектах. Их ширина на реках составляет от 0,1 до 1,5–2,0 км, включая пойму реки, террасы и береговой склон. В пределах этих зон запрещается распашка земель, выпас скота, применение пестицидов и удобрений, строительные работы и др.

Подземные воды охраняют от загрязнения и истощения. Для защиты от истощения применяют:

– регулирование режима водозабора подземных вод;

– рациональное размещение водозаборов по площади;

– определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования,

– введение кранового режима эксплуатации самоизливающихся артезианских скважин и др.

Для защиты подземных вод от загрязнения применяют две группы мероприятий: профилактические и специальные.

Профилактические мероприятия направлены на предупреждение загрязнения. Они предусматривают устройство зон санитарной охраны (ЗСО) – территорий вокруг источников централизованного питьевого водоснабжения, создаваемых для исключения возможности загрязнения подземных вод.

Специальные мероприятия направлены на локализацию или ликвидацию очага загрязнения. Они предусматривают изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (завесы, противофильтрационные стенки), а также на перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа. Для ликвидации локальных очагов загрязнения ведут длительные откачки загрязненных подземных вод.

1. Источники загрязнения поверхностных (природных) вод.
2. Сточные воды. Характеристика загрязнителей сточных вод.
3. Очистка сточных вод. Методы очистки (механический, физико - химический, химический и биологический).

Гидросферой называют водную оболочку земли, представляющую собой совокупность океана, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод.

Качество воды - это совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность воды для использования воды в промышленном производстве, в быту и т.д.

Основными источниками загрязнения природных вод являются:

· Атмосферные воды, несущие массы, вымываемых из воздуха политантов промышленного возникновения; особенно опасны стоки с городских улиц и промышленных площадок; несущие массы нефтепродуктов.
· Городские сточные воды, которые включают преимущественно бытовые стоки, содержащие поверхностно - активные моющие средства, микроорганизмы, в том числе и патогенные.
· Промышленные сточные воды, образуются в самых разнообразных отраслях производства, а наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперабатывающая промышленность.
· Сельское хозяйство (животноводство, ядохимикаты, минеральные удобрения).

Источник, носящий поверхностные или подземные воды, загрязняющий воду вещества микроорганизмы или теплоту называется источником загрязнения .

Вещество, вызывающее нарушение норм качества воды (установленные значения показателей качества воды по видам водопользования) называется загрязняющим веществом . В результате поступления в водоемы патогенных микроорганизмов, происходит микробное загрязнение вод, в результате поступления теплоты выделяют также тепловое загрязнение вод.

Основная причина загрязнения поверхностных водных бассейнов - это сброс в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальных и сельских хозяйством.

2.Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека.

Загрязнение, поступающее в сточные воды условно можно разделить на несколько групп:

· По физическому состоянию выделяют: нерастворимые, коллоидные и растворенные примеси.
· Минеральные
· Органические
· Бактериальные
· Биологические

Минеральные загрязнения обычно представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот, щелочи и другими веществами.

Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные и животные. Растительные органические загрязнения представляют собой остатки растений, плодов, овощей и злаков. Загрязнения животного происхождения - это физеологические выделения, остатки тканей животных и т.д.

Бактериальное и биологическое загрязнения свойственны главным образом бытовым сточным водам и стокам некоторых промышленных предприятий - это бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности.

Бытовые сточные воды включают воды кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц, хозяйственные воды, которые образуются при мытье помещений и другие.

3.Очистка сточных вод - это разрушение или удаление из них определенных веществ.

Обеззараживание сточных вод - это удаление из них патогенных микроорганизмов.

С целью защиты поверхностных вод от загрязнения предусматриваются следующие эко защитные мероприятия:

· Развитие безотходных и безводных технологий, внедрение систем оборотного водоснабжения
· Очистка сточных вод (промышленных, коммунально - бытовых и т.д.)
· Закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты
· Очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей

Главным загрязнителем поверхностных вод являются сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективным методов очистки сточных вод является актуальной и экологически важной задачей….. Является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения.

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико - химический, биологический, химический и другие. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким - либо одним способом или комплексом методов. В процессе очистки также предусматривают обработку осадка или избыточной биомассы, а также

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляются до 90% нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы, окалина и так далее), из бытовых сточных вод до 60% для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод: смолы, масла, полимеры, жиры, задерживают нефте и маслоуловителями.

Химические и физико - химичекие методы очистки наиболее эффективны для очистки производственных сточных вод. К основным химических способам относят: нейтрализацию и окисление. Для нейтрализации кислот и щелочей сточные воды вводят специальные реагенты, такие как известь, аммиак, соду. Для окисления используют различные окислители, с их помощь сточные воды освобождаются от токсичных и других компонентов.

При физико - химической очистке используются:

· Коагуляция, то есть введение в сточные воды коагулянтов, таких как соли аммония. Для образования хлопко видных осадков, которые легко удаляются
· Сорбция, то есть способность некоторых веществ, таких как бентонитовые глины, активированный уголь, силикагель, торф поглощать загрязнения. Этим методов возможно извлечение из сточных вод ценных растворимых веществ и последующая их утилизация.
· Флотация - пропуск через сточные воды воздуха. Газовые пузырьки захватывают при движении вверх поверхностно - активные вещества: нефть, масла, другие загрязнения и образуют на поверхности воды легкоудаляемый пенообразный слой.

Для очистки коммунально - бытовых, промышленных стоков целлюлозно-бумажных, пищевых предприятий широко используют биологический (биохимический) метод. Он основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и так далее). Очистку ведут с помощью естественных методов таки как поля орошения, поля фильтраций, биологические круги и искусственных методов, используя аэротанки, метатанки и биофильтры, а также циркуляционные окислительные каналы.

После осветления сточных вод образуется осадок, который сбраживают в железо - бетонных резервуарах (метантанков), затем удаляют на иловые площадки для подсушивания, подсушенный осадок обычно используется как удобрение. Но в последние годы в сточных годах стали обнаруживаться многие вредные вещества, в частности тяжелые металлы, что исключает такой способ утилизации осадков. Осветленная часть сточных вод очищается в аэротанках, специальных закрытых резервуарах, по которым медленно пропускают стоки, обогащённые кислородом и смешанные с активным илом. Активный ил представляет собой совокупность гетеротрофным микроорганизмов и мелких беспозвоночных животных (плесень, дрожжей, водных грибов, а также твердого субстрата).

После вторичного отстаивания сточные воды обеззараживают (дезинфицируют) с помощью соединений хлора и других сильных окислителей. При хлорировании уничтожаются патогенные микроорганизмы, а также патогенные бактерии, вирусы. В системах очистки сточных вод биологический метод является завершающим и после его применения сточные воды можно использовать в оборотном водоснабжении, либо сбрасывать в поверхностные водоемы.

В последнее время активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологизации процессов очистки сточных вод, в частности:

1. Мембранные методы очистки (ультрафильтры)
2. Магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц
3. Радиационная очистка воды, позволяющая в кротчайшие сроки повергнуть загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению
4. Озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы
5. Внедрение новых селективных типов сорбентов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования.

Значительную роль в заражении водных объектов играют пестициды и удобрения, которые смываются поверхностным стоком сельхозугодий. Для предотвращения попаданий стоков необходим следующий комплекс мероприятий:

1. Соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов.
2. Должна применяться очаговая и ленточная обработка пестицидами вместо сплошной.
3. Внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой
4. Заменить ядохимикаты биологическими способами защиты растений

Очень сложной является утилизация животноводческих стоков, губительно действующая на водные экосистемы. В последние годы наиболее экономичной признана технология, при которой вредные стоки с помощью центрифугирования разделяют на твердую и жидкую фракции. Твердая часть превращается в компост и её вывозят на поля, жидкая часть в концентрации до 18% проходит через реактор и превращается в гумус. При разложении органики выделяется метан, диоксид углерода и сероводород. Энергию этого биогаза можно использовать для производства тепла и энергии.

Возможно, будет полезно почитать: