Методы и средства защиты водных объектов от загрязнения сточными водами Водоотведение сточных вод

В общем виде водоотведение сточных вод проводится по следующей схеме: сточные воды поступают в канализационную сеть - систему трубопроводов, каналов или лотков и сооружений для сбора и отведения сточных вод, откуда направляются непосредственно в водный объект или на станцию очистки сточных вод, а после нее - в водный объект. Станции очистки сточных вод, как правило, в виде комплекса зданий, сооружений и устройств для очистки сточных вод и обработки осадка, могут быть централизованными и локальными.

Одна из основных задач водоохранной деятельности - не допустить ухудшения состояния окружающего водного бассейна, а также восстановить и эксплуатировать загрязненные водоемы.

Городская канализация имеет несколько видов. Если бытовые воды отводятся отдельно от других типов сточных вод (производственных и ливневых), то такая система канализации называется полностью раздельной. Если в единую канализационную сеть поступают бытовые, производственные и ливневые сточные воды, то такая система канализации называется смешанной. В зависимости от размеров жилых массивов, наличия промышленных объектов, состава и количества стоков, рельефа местности и других факторов сброс сточных вод может осуществляться по канализационным системам промежуточных типов: неполной раздельной или полу раздельной. Например, при полураздельной системе в одну сеть сбрасывают бытовые и производственные стоки, а по другой отводят атмосферные. Систему канализации целесообразно выбирать с учетом санитарных экономических факторов.

Однако часто приходится иметь дело с системами канализации, сложившимися на протяжении длительного времени, при различной численности населения, изменяющейся структуре и удельном объеме промышленных объектов, Исправление и переделка уже существующих канализационных систем является очень сложным и дорогостоящим делом.

Количество производственных сточных вод определяется в зависимости от производительности предприятия по укрупненным нормам водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности.

Норма водопотребления - целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании научно обоснованного расчета или передового опыта.

Норма водоотведения - это количество сточных вод, отводимых от промышленного предприятия в водоем, при целесообразной норме водопотребления. В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии. Нормы водопотребления и водоотведения выражаются в кубометрах воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Эти нормы расхода производственных сточных вод применяют при проектировании вновь строящихся и реконструкции действующих систем водоотведения промышленных предприятий. Укрупненные нормы позволяют дать оценку рациональности использования воды на любом действующем предприятии. В городе с населением 1,0...1,5 млн. жителей количество сточных вод достигает 200...300 м³ в сутки на одного человека.

Основные пути и методы очистки сточных вод

Выделяют два основных пути очистки сточных вод: разбавление сточных вод и очистка их от загрязнений. Разбавление представляет собой паллиативную меру, которая не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь - очистка сточных вод от загрязнений.

Методы очистки производственных и бытовых вод можно подразделить на следующие группы: механические, физико-химические, химические, биологические и термические (рис. 5.3). По своей сути эти методы могут быть рекуперационными и деструктивными. Первые предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, а вторые - разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются газы или осадки.

В комплекс очистных сооружений, как правило, входят сооружения механической очистки (рис. 5.4). В зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями, где применяются другие группы очистки, а при более высоких требованиях в состав очистных сооружений включаются сооружения глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются. Образующийся на всех стадиях очистки осадок или избыточная биомасса поступает на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы

водообеспечения промышленных предприятий, на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться,уничтожаться или складироваться.

Перед подачей сточных вод на механическую очистку их могут направлять в устройства, которые регулируют состав и расход сточных вод. Это обусловлено тем, что состав сточных вод и их объем (в результате залповых выбросов), особенно для промышленных предприятий, значительно изменяется в течение суток. К таким устройствам относят усреднители, которые либо дифференцируют поток сточных вод, либо интенсивно перемешивают отдельные потоки их. В конструктивном отношении усреднители представляют собой железобетонные резервуары прямоугольной формы в плане, при этом в первом случае он состоит из 4...6 параллельно расположенных коридоров, в которые поступает сточная вода (рис. 5.5). Эффект усреднения достигается разным временем поступления отдельных порций воды к сборному диагональному лотку. При усреднении за счет перемешивания сточные воды попадают в лоток, расположенный над резервуаром и оборудованный зубчатым водосливом для равномерного распределения воды по длине усреднителя. Перемешивание сточных вод осуществляется с помощью насосов, мешалок или барбо-тиров. Общий объем усреднителей зависит от состава и режима отведения сточных вод и обычно соответствует (4...12)-часовому их притоку.

Методы механической очистки.Механической очистки вод достаточно только при промышленном оборотном водоснабжении некоторых производств. В большинстве же случаев она лишь подготавливает сточные воды к обработке другими методами. При этом загрязненные воды осветляются на 30...60%, что облегчает эксплуатацию сооружений для дальнейшей очистки.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Поэтому для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания и отстаивания (гравитационное и центробежное), а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание - первичная стадия обработки сточных вод для извлечения из них крупных нерастворимых примесей, а также более мелких волокнистых фракций, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Для этого сточные воды пропускают через решетки (сита) и волокноуловители, которые устанавливают перед отстойниками (рис. 5.6).

Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дробилками. Наиболее распространены неподвижные решетки, которые изготовляют из металлических стержней с зазором между ними 5...25 мм и устанавливают на пути движения сточного потока вертикально или под углом 60...70° к горизонту. При эксплуатации решетки должны периодически или непрерывно очищаться. Механизированная очистка решеток предусматривается при более чем 0,004 м³/ч задерживаемых загрязнений, а при меньших объемах допускается ручная очистка. Во избежание очистки решеток такие устройства созданы в форме цилиндрического барабана. Средний размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм. Преимущество решеток-дробилок заключается в том, что они размещаются непосредственно в канале коллектора.

Принцип действия волокноуловителей, применяемых для задерживания волокнистых веществ, основан на процеживании сточной воды через конусообразные диски с перфорацией или специальные фильтры.

Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части. Диаметр отверстий сетки 60...100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции, причем 50...80% взвешенных частиц остаются в грубой фракции.

Отстаивание - удаление из сточных вод взвешенных веществ, которые под действием гравитационных сил оседают на дно отстойника, а под воздействием выталкивающих сил всплывают на его поверхность. Очистку сточных вод отстаиванием осуществляют в песколовках, отстойниках, осветлителях и нефте-уловителях.

Песколовки (рис. 5.7), применяемые для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей (в основном песка), устанавливают перед отстойниками, что упрощает эксплуатацию последних, а также сооружений по обработке осадка. Время пребывания сточных вод в песколовке составляет 0,5...2 мин. Песколовки, представляющие собой горизонтальные (прямоугольные или круглые в плане) резервуары из сборного или монолитного железобетона, рассчитываются так, чтобы в них фильтровались только минеральные примеси. Выпавший осадок собирается в приямок и удаляется либо в песковые бункеры, либо на песковые площадки. При надежном обеззараживании обезвоженный песок можно использовать при дорожных работах и изготовлении строительных материалов.

Отстойники делятся на вертикальные и горизонтальные (разновидностью последних являются радиальные, рис 5.8). Основная

масса взвешенных веществ (40... 60%) выпадает в осадок в течение 1,5 ч отстаивания. Чаще всего именно на это время и рассчитывается емкость отстойников. Вертикальные отстойники диаметром 4,5...9 м и высотой отстойной части 3 м применяют при расходах сточных вод до 10 тыс. м³ в сутки. При расходах более 10 тыс. м³ в сутки используют горизонтальные или радиальные отстойники. Размеры горизонтальных отстойников: длина 24...36 м, рабочая глубина 3...4 м, диаметр радиальных отстойников 18...54 м. Эффективность отстойников можно повысить, увеличив скорость осаждения частиц путем их укрупнения коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем ее подогрева.

В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Для очистки сточных вод, содержащих нефть, при концентрации более 100 мг/л применяют нефтеловушки (рис. 5.9). Эти сооружения представляют собой прямоугольные резервуары, аналогичные горизонтальным отстойникам, в которых нефть и вода разделяются из-за разности их плотностей. Всплывшая на поверхность нефть собирается и удаляется на утилизацию.

Фильтрование - удаление взвешенного вещества из массы воды путем пропускания ее через слой пористого материала или через сетки с определенным размером отверстий. С помощью фильтрования очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные твердые примеси в небольшой концентрации. Его также

д)

Рис. 5.8. Отстойники: а-горизонтальный (1-входной лоток; 2-отстойная камера; 3-входной лоток; 4-приямок); б-вертикальный (1-цилиндрическая часть; 2-центральная труба; 3-желоб;4-коническая часть); в- радиальный (1-корпус; 2-желоб; 3-распределительное устройство; 4-успокаительная камера; 5-скребковый механизм.); г- трубчатый; д- с наклонными пластинами (1-корпус; 2- пластины; 3-шламоприемник).

Рис.5.9.Нефтеловушки:

а- горизонтальная (1-корпус;2- гидроэлеватор; 3-слой нефти; 4- нефтяная труба; 5-нефтеудерживающая перегородка; 6-скребковый транспортер; 7-приямок для осадка); б- тонкослойная (1-вывод очищенной воды; 2- нефтесборная труба; 3- перегородка; 4-плавающий пенопласт; 5-слой нефти; 6- ввод сточной воды; 7- слой из гофрированных пластин;)

применяют после физико-химических и биологических методов очистки, так как некоторые из них сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

Центрифугирование - процесс очистки сточных вод в гидроциклонах, которые по своей конструкции могут быть открытыми (безнапорными) и напорными (рис. 5.10). Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Преимущества гидроциклонов заключаются в высокой удельной производительности, сравнительно низких капитальных затратах на строительство, компактности и возможности автоматизации их работы.

Рис. 5.10. Схемы открытого (а) и напорного (6) гидроциклонов:

1 - водослив; 2 - кольцевой лоток; 3 - патрубок для отвода сточных вод; 4 — патрубок для подачи сточных вод; 5 - патрубок для выпуска осадка

Открытые гидроциклоны, по производительности, существенно превосходящие отстойники, применяют для выделения из сточных вод оседающих и всплывающих веществ. Диаметр D и высота Н цилиндрической части гидроциклона от 2 до 6 м, диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), а при двух входных отверстиях диаметр каждого d= 0,071D Угол конической части обычно составляет 60°.

Производительность открытого гидроциклона

Q=3,4VD²,

где V - скорость воды на входе в гидроциклон, м/с; D - диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Напорные гидроциклоны, изготавливаемые из нержавеющей стали, применяют для выделения из сточных вод примесей минерального происхождения, плотность которых значительно отличается от плотности воды. Они состоят из цилиндрической части диаметром от 25 до 500 мм и конической. Сточная вода подается под давлением 0,15...0,4 МПа.

Производительность напорного гидроциклона:

Q=kDd√2gΔP

где k - опытный коэффициент, равный 0,524 для гидроциклонов с диаметром цилиндрической части 0,125...0,6 м и углом конической части 30°; d - диаметр входного отверстия, м; ΔР - перепад давлений между сливным и входным патрубками, Па.

Для повышения производительности гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие агрегаты называют мультигидроциклонами. Напорные гидроциклоны - надежные и высокопроизводительные аппараты, но их недостатком является большой расход электроэнергии и быстрый износ стенок в связи с абразивностью извлекаемых веществ.

Физико-химические методы очистки сточных вод. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ. Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, причем они наиболее эффективны при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия с коагулянтами, которые в воде образуют хлопья гидроксидов металлов (рис 5.11). Хлопья, обладая способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их, быстро оседают под действием силы тяжести на дно резервуара. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси.

Рис 5.11. Схема установки для очистки вод коагуляцией:

1 - емкость для приготовления распоров; 2 - дозатор; 3 — смеситель; 4 - камера хлопьеобраэования;5 — отстойник

Флокуляция - процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. При этом процесс образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа интенсифицируется для повышения скорости их осаждения. Таким образом, введение коагулянтов в сточные воды позволяет, с одной стороны, снизить массу используемых коагулянтов, а с другой - уменьшить продолжительность процесса хлопьеобразования и повысить скорость их осаждения.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из сточных вод эмульгированных веществ и тонкодисперсных частиц размером 1...100 мкм. Эффективность очистки может достигать 0,9...0,95.

Наибольшее применение в качестве коагулянтов получили сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия и хлорид железа. Их расход составляет 0,1...5 кг на кубометр сточных вод.

Весьма перспективным методом очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианов является электрокоагуляция - процесс образования нерастворимых гидроксидов в сточных водах при их прокачке через электрокоагулятор. Электрокоагуляционная установка (рис. 5.12) включает приемные емкости (1...4), усреднитель (5), электрокоагулятор с пеногасителем (6), илонакопитель (7), отстойник (или группу отстойников 8), обезвоживающую установку (9) и осадкоуплотнитель (10).

Установка работает следующим образом. Поступающие на очистку сточные воды подвергаются предварительной очистке от грубых механических примесей в приемных емкостях 1...4, откуда сточные воды подаются на усреднитель 5, где исключается влияние волновых высококонцентрированных сбросов сточных вод. После усреднения сточные воды направляются в электрокоагулятор 6, при этом расход воды регулируется автоматически. Электрокоагулятор оснащен блоком электродов, как правило, выполняемых из стали или сплавов алюминия. На электроды подается постоянный ток напряжением 3...15 В, при этом номинальная токовая нагрузка лежит в пределах 250...4000 А. Под влиянием электрического поля, с одной стороны, дисперсные системы сточных вод становятся менее устойчивыми, а с другой - они коагулируют с трудно растворимыми гидроксидами железа или алюминия, возникающими и переходящими в воду с электродов. Затем сточная вода поступает в отстойник 8, где в течение 30...45 мин образуются агрегаты размером до 500...1000 мкм, которые выпадают в осадок. Осадок направляют в илонакопитель 7, а надосадочную жидкость в случае содержания в ней взвешенных веществ не выше ПДК сбрасывают в канализацию или направляют на повторное использование.

Если в сточной воде содержатся поверхностно-активные вещества (ПАВ), то осуществляют пенопогашение с помощью пара, в остальных случаях пенопогашение не применяется.

Осадок из илонакопителя направляют на обезвоживающую установку 9 и уплотнитель 10. Далее его утилизируют или направляют на захоронение.

Несмотря на повышенный расход электроэнергии электрокоагуляционный метод очистки сточных вод позволяет перейти на оборотное водоснабжение, так как в результате действия электрического поля вода практически полностью очищается от бактерий. Это приводит к увеличению сроков службы воды, а также исключает возможность появления у обслуживающего персонала экзем, грибковых и других заболеваний кожи, неизбежно возникающих при обращении с бактериально загрязненной водой.

Пример расчета электрокоагулятора. Полезный объем электрокоагулятора (м³) рассчитывают по формуле

V= nqr ,

где п - число электрокоагуляторов (принимают не менее 2); q - расход сточной воды, м³/ч; r- продолжительность обработки сточной воды, ч. Общая высота (м) электрокоагулятора составляет

Н = h + h1 + h2 ,

где h = 0,8...1 м - рабочая высота слоя жидкости; h1, = 0,05. ..0,1 м - высота слоя пены; h2 = 0, 2.. .0,3 м - высота бортов над уровнем пены.

Электродную систему коагулятора выполняют в виде блока вертикальных пластин из стали или сплавов алюминия. Общее число электродов

т = (В-2а)/(с + Ь),

где В - ширина (внутренний диаметр) установки, м; а = 0,05 м - расстояние от стенки установки до крайнего электрода; с = 0,01. ..0,02 м -расстояние между электродами; b = 0,005. ..0,008 м - толщина электрода.

Площадь одного электрода

f = (ł-0,1)h ,

где ł- поперечный размер установки, м. Общая масса (кг) электродной системы

M = fmby,

где у - плотность материала электродов, кг/м³.

Сила тока (А)

I = kq,

где k — удельное количество электричества, необходимое для растворения металла электродной системы, А-ч/м³ (для стальных электродов k = 73,4 А-ч/м³, а для алюминиевых - 55 А-ч/м³).

Расход материала электродов (г/м³)

G=kpN,

где p = 0,4 - коэффициент выхода по току; N - электрохимический эквивалент металла, г/А-ч (для алюминия N= 0,336 г/А-ч).

Продолжительность работы (сут.) электродной системы

Т = 1000 Мŋ/GQ,

где ŋ= 0,8...0,9 - коэффициент использования электродной системы; Q — расход сточной воды, м³/сут.

Флотация применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Сам процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удаление образовавшегося пенного слоя.

Различают следующие методы флотационной обработки сточной воды: перенасыщение сточной воды воздухом, механическую и электрофлотацию.

Флотацию за счет перенасыщения сточной воды воздухом подразделяют на вакуумную и напорную. При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 30...40 кПа (225...300 мм рт. ст.). Выделяющиеся в верхнюю часть камеры пузырьки воздуха выносят загрязнения на поверхность воды. Процесс флотации длится около 20 мин. Концентрация взвешенных частиц не должна превышать 300 мг/л.

Напорная флотация протекает в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под избыточным давлением и последующее резкое снижение давления до атмосферного. Напорные флотационные установки (рис. 5.13) позволяют обрабатывать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений до 5 г/л при производительности от 5 до 2000 м³/ч. Давление в напорной емкости под держивают в пределах 0,17...0,39 МПа, время пребывания сточной воды в напорной емкости 14 мин, а во флотационной камере 10...20 мин. Объем подаваемого воздуха составляет 1,5...5% объема очищаемой воды. В ряде случаев сточную воду насыщают кислородом или озоном. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмом для сгребания пены в пеносборник.

Для механической флотации используют импеллеры (турбины насосного типа), форсунки и пористые пластины.

Суть метода электрофлотации состоит в том, что в процессе электролиза воды выделяющиеся на электродах пузырьки газов (водорода и кислорода) сталкиваются со взвешенными частицами, прилипают к ним и «флотируют» их на поверхность жидкости. Основную роль в процессе флотации частиц выполняют, как правило, пузырьки водорода, выделяющиеся с поверхности катода. Эффективность процесса флотационной очистки связана с числом и размером пузырьков. Поскольку размер отрывающихся пузырьков зависит не только от краевого угла, но и от кривизны поверхности электродов, последние изготовляют в виде проволочной сетки. При этом на размер пузырьков влияет толщина проволоки: с ее увеличением размеры пузырьков, как правило, возрастают. Число пузырьков зависит от плотности тока и материала электродов. Электрофлотацию можно осуществлять либо с применением диафрагмы, либо без нее. Во избежание перемешивания газов и образования гремучей смеси (2/3 водорода и 1/3 кислорода) предпочтение отдается диафрагменному варианту, тем более что при этом можно уменьшить расстояние между электродами.

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются сильно токсичными при небольшой их концентрации. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 0,8...0,95.

В качестве адсорбентов используют активированные угли, синтетические вещества и некоторые отходы производства (золу, шлаки и т.д.).

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием воды через слой адсорбента.

Расход вводимого в воду адсорбента для одноступенчатого процесса

G = Q(Cн-C_K)/a,

где Q - объем сточных вод; С_н, С_к - начальная и конечная концентрации загрязненной сточной воды; а - коэффициент адсорбции.

Ионный обмен - обмен ионами, находящимися в растворе и присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита), позволяет извлекать и утилизировать из сточных вод ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть) и радиоактивные вещества. При этом сточная вода может быть очищена до предельно допустимых концентраций вредных веществ и использоваться в технологических процессах или системах оборотного водообеспечения.

Иониты, которые способны поглощать из воды положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые - основными. Иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими, природного происхождения или полученными искусственно. Наиболее распространены синтетические ионообменные смолы, представляющие синтетические полимеры с сетчатой структурой. Они отличаются высокой поглотительной способностью, механической прочностью, химической устойчивостью и большой гидрофильностью. Применение ионитов позволяет обеспечить высокую эффективность очистки, а также выделять из сточных вод металлы в виде относительно чистых и концентрированных солей.

Экстракция - способ разделения и извлечения из жидкости компонентов смеси. С помощью жидкостной экстракции очищают сточные воды от фенолов, масел, жирных кислот и др. Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. В общем случае экстракция выгоднее адсорбции при концентрациях примесей выше 3...4 г/л.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая - интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем), в результате чего образуются две жидкие фазы: экстракт, который содержит извлекаемое вещество и экстраген, и рафинат, который содержит сточную воду и экстраген. Вторая стадия - разделение экстракта и рафината и заключительная стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината (рис 5.15). Для экстракции из сточных вод фенолов применяют простые и сложные эфиры, а нефтепродуктов - бензол.

Эффективность экстракционных методов очистки сточных вод достигает 0,8...0,95.

Для очистки сточных вод от различных растворимых диспергированных примесей электрохимическими методами применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, а также электродиализ. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. В процессе электрохимического окисления вещества (цианиды, амины, альдегиды, нитросоединения и т.д.), находящиеся в сточных водах, полностью разлагаются, образуя СО₂,

Рис. 5.15. Схемы экстракционных установок:

а — схема многоступенчатой противоточной экстракции (1~3 — смесители; 1'~ 3' — отстойники); б — схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината (1 - система для удаления экстрагента из рафината; 2 - колонна; 3 - система для удаления экстрагента из экстракта)

NH₃ и воду или более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами. При катодном восстановлении из сточных вод удаляются ионы тяжелых металлов, которые осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы.

Для удаления солей из сточных вод широко используют метод электродиализа (рис. 5.16), который осуществляют в электролитической ванне, разделенной на три отделения двумя диафрагмами. В крайних отделениях размешают электроды. Пои этом можно получать кислоты и щелочи и вновь использовать их в производстве. Метод электродиализа перспективен для очистки сточных вод не только от растворенных солей, но и от ионов тяжелых металлов (Cr⁺⁶,Cu+² и т.д.) и фтора. Так, технико-экономическая оценка показала, что извлечение 1 кг фтора электродиализом обходится примерно в 5 раз дешевле реагентного метода. Электродиализ дает хорошие результаты при очистке сточных вод и от радиоактивных загрязнителей, особенно от изотопов Sr, ¹³⁷Cs, ¹³⁸I. Недостаток метода состоит в необходимости предварительной очистки сточных вод от взвешенных частиц, которые засоряют диафрагмы.

Рис. 5.16.Схемы электрохимические неактивных (а) и электрохимически активных (6)

диафрагм для очистки сточных вод методом электродиализа:

1 - анод; 2 - катод; 3 - анодная диафрагма; 4 - катодная диафрагма; 5 - анионопроницаемая диафрагма; 6 — катионопроницаемая диафрагма

Химические методы очистки сточных вод. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов и потому дороги. Их применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда и для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. С помощью химической очистки наиболее часто удаляют ионы тяжелых металлов.

К основным методам химической очистки относят нейтрализацию и окисление.

Нейтрализация применяется во многих отраслей промышленности для обработки производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять для предупреждения коррозии материалов водоотводящих сетей и очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах. На практике применяют следующие способы нейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод; нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, аммиак и др.); фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, мел и др.). Наиболее дешевым и доступным реагентом является Са(ОН)₂.

Для очистки сточных вод окислением используют газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, флорат кальция, гипохлориды кальция и натрия, перманганат калия, кислород воздуха, озон, пероксид водорода, бихромат калия и др. В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций становится менее токсичными и затем удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только тогда, когда вещества, например цианиды, растворенные соединения мышьяка и др., загрязняющие сточные воды, нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами.

Активность реагента как окислителя определяется значением окислительного потенциала, который, например, для перманганата калия равен 0,59, для пероксида водорода -0,68, для хлора -0,94 и для озона -2,07.

Для окисления цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана используют хлор и его соединения (рис. 5.17). При этом образуется свободный «активный» хлор, который представляет сумму С1+НОС1+ОС1ˉ~ Окисление цианидов «активным» хлором до цианатов происходит за счет атомарного кислорода в момент его выделения из окислителя по следующей схеме: CNˉ+OClˉ→ CNO‾+C1‾. Образовавшиеся цианаты легко гидрализируются до карбонатов:

CNO‾+ 2Н₂0 → C0₃²‾+NH₄⁺.

Товарный хлорат кальция содержит до 33% «активного» хлора, а гипохлорит кальция -до 60%.

Рис 5.17. Схема установки для очистки сточных вод активным хлором:

1 — баллон с хлором; 2 - фильтр; 3 — редуктор; 4 — ротаметр; 5, 6 - манометры;

7- предохранительный клапан; 8 - смеситель; 9 — эжектор; 10 - контактный аппарат

Окисление кислородом воздуха наиболее часто используют для очистки воды от двухвалентного железа путем аэрирования воздуха через сточную воду. Реакция окисления двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением от воды гидроксида железа, протекает по схеме

4Fe²⁺+0₂+2H₂0 = 4Fe³++4OH-; Fe³⁺+3H₂O = Fe(OH)₃+3H+

Образовавшийся гидроксид железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Озонирование основано на высокой окислительной способности озона, который при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. При этом одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом (рис 5.18).

Рис 5.18. Схема установки для очистки сточных вод методом озонирования:

1 - смеситель; 2 - насос; 3 - барботажный адсорбер; 4 - сборник; 5 - озонаторная установка;

6 - аппарат для очистки отходящих газов

Длительность процесса очистки сточных вод значительно сокращается при совместном использовании ультразвука и озона или ультрафиолетового облучения и озона.

Очистку восстановлением используют тогда, когда сточные воды содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко употребительны для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. Так, для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, боргидрид и гидросульфит натрия, гидразин, железный порошок, алюминиевую пудру и др.

Биохимические методы очистки сточных вод. Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых

неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать перечисленные вещества для питания в процессе жизнедеятельности — органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.

Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшается благодаря превращению их в газы (метан, диоксид углерода) и растворенные соли, а также росту биомассы анаэробных растений. Распад осуществляется в две фазы: сначала органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты (первая группа микроорганизмов), а затем органические кислоты и спирты — в метан и диоксид углерода (вторая группа микроорганизмов).

Процесс в целом зависит от поддержания благоприятных для обеих групп микроорганизмов среды, и, следовательно, равновесие между фазами должно быть таким, чтобы кислоты удалялись с той же скоростью, с которой они образуются. Анаэробный метод используют в основном для сбраживания избыточного активного ила, образующегося при аэробной очистке.

Очистка в аэробных условиях происходит в присутствии растворенного в воде кислорода, представляя собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов (рис. 5.19). Для биоочистки промышленных сточных вод наиболее распространены процессы с использованием активного ила, проводимые в аэротенках. Активный ил создается за счет взвешенных частиц, не задержанных при отстаивании, и за счет коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами. Активный ил в аэрируемой жидкости значительно ускоряет процессы окисления и создает условия для процессов адсорбции органических веществ.

Разрушение органических веществ до углекислого газа и других безвредных продуктов окисления происходит вследствие биоценоза, т.е. комплекса всех бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении. Потребление микроорганизмами органических составляющих сточных вод происходит в три стадии:

- массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;

Рис. 5.19. Варианты естественной биохимической очистки сточных вод: 1 - сооружения механической очистки; 2 - сооружения физико-химической очистки; 3 - сооружения биохимической очистки; 4 - пруды-илоуплотнители или биологические пруды; 5 - отводной канал; 6 - пруд-испаритель; 7 - поля фильтрации; 8 — поля орошения

- диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;

- метаболизм диффундированных продуктов, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д.

Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий.

Биологическая очистка загрязненных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях.

В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды. Они представляют собой земляные резервуары глубиной 0,5...! м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов.

Поля орошения - специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т.е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод.

Поля орошения и биологические пруды располагают на местности, имеющей уклон ступенями для того, чтобы вода самотеком переливалась с одного участка на другой. Очистка от загрязнений происходит в процессе фильтрации вод через почву, в которой задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее сильное окисление происходит в верхних слоях почвы, т.е. на глубине до 0,2...0,4 м.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3...5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют диоксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6°С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:

— активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);

- активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры (рис. 5.20).

В общем виде аэротенки работают по следующей схеме. Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с возвратным активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от ее состава колеблется от 6 до 12 ч. За это время

Рис. 5.20. Аэротенки:

а – аэротенок-отстойник (1 - лоток; 2 — илоотсосы; 3 — зона отстаивания; 4 — водосливы; 5 - зона аэрации); 6 – аэротенок-осветлитель (1 - переливные окна; 2 - зона аэрации; 3 - зона дегазации; 4 - направляющая перегородка; 5 — аэратор; 6 - зона осветления); в - двухкамерный аэротенок-отстойник (1 - импеллерный аэратор; 2 - зона предварительного обогащения; 3 - перегородка; 4 - роторный аэратор; 5 — зона ферментации; 6 — зона осветления)

основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенк. Концентрация иловой массы в аэротенке (доза ила по сухому веществу) составляет 2...5 г/л; расход воздуха 5... 15 м³на 1 м³ сточной воды; нагрузка по органическим загрязнениям 400...800 мг ВПК на 1 г беззольного активного ила в сутки. При этих условиях обеспечивается полная биологическая очистка.

Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2...3 млн. м³ сточных вод в сутки.

Вместо воздуха для пневматической аэрации сточных вод может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используют окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше.

Биофильтры (рис. 5.21) находят широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20...30 тыс. м³ в сутки. Важнейшей составной частью биофильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала их разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой.

Рис. 5.21. Одно- (а) и двухступенчатая (б) схемы установок

для очистки сточных вод биофильтрами:

1 — первичные отстойники; 2, 4 — биофильтры ступеней I и II; 3 — вторичные отстойники; 5 — третичный отстойник.

Биофильтры представляют резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15...80 мм, после сортировки фракций засыпается слоем высотой 2...4м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.

Сточная вода, подаваемая выше поверхности загрузочного материала, равномерно распределяется через него, при этом на поверхности материала образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу в аэротенке. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная сточная вода поступает на сплошное дно биофильтра и с помощью лотков отводится из биофильтра во вторичный отстойник.

Биофильтры с объемной загрузкой эффективны при полной биологической очистке, при этом их производительность в зависимости от конструктивных особенностей составляет 200...800 г ВПК на 1 м³ объема загрузочного материала в сутки.

Биофильтры с плоскостной загрузкой также могут применяться для полной биологической очистки; в этом случае их производительность достигает 2 кг ВПК на 1 м³ в сутки благодаря развитой поверхности загрузочного материала и благоприятным условиям циркуляции воздуха в загрузочном материале. Но их целесообразнее применять в качестве первой ступени двухступенчатой биологической очистки тогда, когда имеют место залповые выбросы высококонцентрированных производственных сточных вод или производится реконструкция очистных комплексов. В этом случае эффект работы биофильтров с плоскостной загрузкой составляет 0,5...0,7%, но их производительность может достигать 5... 10 кг ВПК на 1 м³ в сутки.

При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, поскольку такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому в сточных водах, направляемых на биологическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ - не более 50 мг/л, растворенных солей - не более 10 г/л.

Кислотность сточных вод, поступающих на биохимическую очистку, не должна превышать 9, в противном случае микроорганизмы-минерализаторы погибнут. Последующие запуск и выведение аэротенков и биофильтров в нормальный режим работы могут составить несколько недель.

Биологическая очистка не обеспечивает полного уничтожения в сточных водах всех болезнетворных бактерий. Поэтому после нее воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием, ультрафиолетовым излучением, электролизом или ультразвуком.

Обработка осадков (рис. 5.22) используется тогда, когда в процессе биохимической очистки сточных вод в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо либо ликвидировать, либо утилизировать.

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех вариантов технологических схем обработки осадков. При этом, используя гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы, в среднем можно удалить 60% влаги и сократить массу осадка в 2,5 раза.

Рис. 5.22. Общая схема процессов обработки осадков

При стабилизации осадков биологически разлагаемая часть органического вещества разрушается на диоксид углерода, метан и воду. Процесс стабилизации осуществляют с помощью микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях (рис 5.23).

Рис. 5.23 Схемы установок аэробной стабилизации активного ила: 1 — аэротенки; 2 — вторичные отстойники; 3 — илоуплотнитель; стабилизаторы

Кондиционирование осадков - процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием в целях улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. При этом используют реагентные или безреагентные методы. В первом случае коагулянтами или флокулянтами изменяют структуру осадка и форму связи воды в нем и тем самым улучшают его водоотдающие свойства. Во втором случае применяют тепловую обработку, замораживание с последующим оттаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляцию и радиационное облучение.

Обезвоживание осадков осуществляют или на иловых площадках, или механически с помощью вакуум-фильтров, фильтров-прессов, центрифуг и виброфильтров.

Термическую обработку производят путем сжигания или сушки осадков (рис. 5.24). Сжигание осадков производят тогда, когда их утилизация невозможна или нецелесообразна, а также когда отсутствуют условия их складирования, так как после их сжигания объем осадков уменьшается в 80... 100 раз. Осадки сжигают в многоподовых, барабанных, циклонных и распылительных печах, а также в печах кипящего слоя.

Рис. 5.24. Схема установки тепловой обработки осадка:

1 - резервуар; 2, 7 - насосы; 3 — теплообменник; 4 — реактор; 5 - устройство для снижения давления; 6 - уплотнитель; 8, 9 — аппараты механического обезвоживания

Сушку осадков осуществляют в случае подготовки их к утилизации. Разработаны различные технологические схемы получения белково-витаминного кормового продукта (белвитамина), кормовых дрожжей и технического витамина В₁₂.

К термическим методам прибегают при очистке промышленных сточных вод, содержащих главным образом высокотоксичные органические компоненты, обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически неоправданно. При этом различают следующие виды термического обезвреживания сточных вод: термоокислительное и жидкофазное окисление.

Сущность термоокислительного («огневого») метода (рис. 5.25) заключается в том, что сточная вода, вводимая в распыленном состоянии в высокотемпературные (900...1000°С) продукты горения топлива, испаряется, а органические компоненты сгорают, образуя продукты полного окисления. При этом минеральные примеси образуют расплавленные или твердые частицы, которые либо уносятся дымовыми газами, либо выводятся из камеры сгорания. Обычно для обезвреживания сточных вод методом сжигания применяют специальные печи: камерные, или шахтные, циклонные, или с псевдоожиженным слоем. Высокий расход топлива ограничивает применение огневого метода и делает его целесообразным лишь в отдельных случаях, например в случае высокотоксичных и трудноразрушаемых органических компонентов и относительно небольших объемов сточных вод.

Рис. 5.25. Вариант схемы огневого метода очистки сточных вод:

1 —сборник исходных сточных вод; 2, 7 — насосы; 3 — печь; 4 — воздуходувка; 5 — скруббер; 6 - сборник воды; 8 - дымосос; 9 - дымовая труба.

Сущность метода жидкофазного окисления, или метода «мокрого» сжигания, состоит в окислении органических компонентов сточных вод кислородом воздуха при относительно невысоких температурах (до 35°С) и давлениях, обеспечивающих нахождение воды в жидкой фазе. В зависимости от температуры и времени контакта окисление органических примесей сточных вод происходит полностью или частично. Преимуществом метода являются значительно меньшие затраты тепла, так как отсутствует необходимость в испарении воды.

Глубокая очистка (доочистка) сточных вод применяется для удаления содержащихся в биологически очищенных сточных водах частиц активного ила, биопленки, остаточных загрязнений органического происхождения, ПАВ, биогенных элементов (азот и фосфор), бактериальных загрязнений, которые вредно влияют на водоемы, вызывая их эвтрофикацию и затрудняя повторное использование сточных вод в системах оборотного обеспечения. Необходимая степень глубокой очистки обусловливается техническим регламентом производства или повышенными требованиями к санитарному состоянию водоемов.

Глубокая очистка сточных вод предусматривает: уменьшение концентрации взвешенных веществ в очищенных сточных водах; снижение ВПК, содержания биогенных элементов; обеззараживание сточных вод; насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного значения.

Для глубокой очистки от взвешенных и растворенных веществ применяют фильтры различных конструкций с загрузкой из песка, гравийного щебня, антрацита, пластмассовых гранул. При начальных концентрациях взвешенных веществ и ВПК 15...20мг/л эффективность очистки по взвешенным веществам составляет 0,75...0,9, а по ВПК - 0,5...0,6. Для глубокой очистки от биологически окисляемых загрязнений применяют биологические пруды, обеспечивающие снижение концентрации ВПК до З...5мг/л. Биологически неокисляемые загрязнения могут удаляться из сточных вод с помощью сорбционных и ионообменных установок.

Обеззараживание (дезинфекция) очищенных сточных вод проводится для уничтожения содержащихся в них болезнетворных бактерий, вирусов и микроорганизмов; эффект обеззараживания должен составлять практически 100%. Поэтому после полной очистки в сточные воды вводят соединения хлора или другие сильные окислители (например, озон), обеспечивающие защиту водоемов от попадания в них возбудителей заболеваний.

Для природных вод, здоровья людей, для животных и рыб наиболее опасны различные радиоактивные отходы, которые образуются главным образом на атомных электростанциях при обработке ядерного топлива. Обработка сточных вод, содержащих радиоактивные загрязнения, зависит от уровня активности и солесодержания. Воды с низким солесодержанием обрабатываются ионообменными и намывными фильтрами. При высоком солесодержании применяют методы электродиализа, выпаривания, обратного осмоса, а остаточные загрязнения снимаются на ионообменных установках. Все сточные воды с радиоактивностью, выше допустимой, сливают в специальные подземные резервуары или закачивают в глубокие подземные бессточные бассейны.

Отходы от выпарных установок, отработавшие ионообменные смолы после соответствующей обработки, т.е. получения специальных «блоков», захораниваются в контролируемых местах.

5.5 Обеспечение качества питьевой воды

На обеспечение высокого качества питьевой воды во многих странах тратятся очень большие суммы. По некоторым данным, в США 48% всех расходов на охрану окружающей среды направлены на обеспечение качества воды (на охрану воздуха тратится до 35%, на ликвидацию твердых отходов - 15%, на борьбу с шумом - 1%), и эта сумма ежегодно достигает до 100 млрд. долл.

Снабжение населения водой осуществляется по схеме, показанной на рис. 5.26. Основным элементом водоснабжения является очистка воды.

Рис. 5.26 Схема снабжения населения питьевой водой

Вредные примеси, которые встречаются в воде, обычно подразделяют на три категории. К первой относят неорганические химические вещества, в первую очередь такие, как арсенатионы, нитратионы, ионы фтора (в избыточных концентрациях), а также другие вещества, способные неблагоприятно влиять на здоровье человека (например, тяжелые металлы). Ко второй относят органические химические соединения, которые могут присутствовать в воде в растворенном виде и обладать канцерогенными свойствами (например, пестициды). К третьей относят микроорганизмы, вызывающие различные заболевания, такие как тиф, холера, полиомиелит и др.

Основные элементы очистки воды:

- введение сульфата меди и последующая аэрация для удаления неприятных вкуса и запаха;

- первое хлорирование для удаления болезнетворных микроорганизмов

- коагуляция и осаждение загрязнений из воды;

- фильтрование для удаления болезнетворных микроорганизмов;

- заключительное хлорирование для завершения уничтожения микроорганизмов.

Для предупреждения роста водорослей и водных растений в накопительные резервуары вводят сульфат меди (медный купорос). Далее воду подвергают аэрации (т.е. воздействуют на нее воздухом), разбрызгивая в воздухе с помощью рядов фонтанов или пропуская через сетку. После аэрации в воду добавляют газообразный хлор для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. Не растворяющиеся в воде мельчайшие взвешенные частицы, которые придают ей тот или иной цвет, называются коллоидными. Для удаления этих частиц из воды используют процесс, именуемый коагуляцией. На первом этапе коагуляции в воду добавляют либо сульфат аммония, либо железо, в результате в воде образуются хлопьевидная взвесь. Опускаясь на дно отстойника, она перемешивается с взвешенными в воде частицами и захватывает их. Осадок со дна отстойника удаляют скребками.

На многих водоочистных станциях в воду одновременно с сульфатом аммония или железа вводят небольшое количество крошки активированного угля, который хорошо связывает коллоидные частицы, находящиеся в воде. Кроме того, обработка активированным углем не только обесцвечивает воду, но и значительно улучшает ее вкус и запах

Пройдя через отстойник, вода фильтруется через слой песка т.е. очищается от сравнительно крупных частиц, которые могут засорить фильтр, обеспечивающий эффективность следующего этапа очистки. Фильтрование через песок обеспечивает дальнейшее удаление частиц из воды, однако основное назначение фильтра - это захват и удержание бактерий, вирусов и других микроорганизмов. Периодически песок в фильтрах необходимо промывать для того, чтобы сохранить их способность эффективно задерживать микроорганизмы.

Несмотря на высокую эффективность песчаных фильтров для удаления из воды микробов и вирусов полностью вода от них не освобождается. Дополнительный этап очистки - второе хлорирование воды - разрушает любые микроорганизмы, остающиеся после фильтрование через песок. Хлор также взаимодействует с аммиаком, который может содержаться в воде. Хлор добавляется в избытке по сравнению с уровнем, при котором

погибают все микроорганизмы, а также уровнем, необходимым для взаимодействия с присутствующим в воде аммиаком. Это приводит к появлению «свободного» (т.е. не прореагировавшего) хлора в растворе. Одна из причин того, что хлорирование - столь предпочтительная дезинфекция общественных источников воды, состоит в том, что этот избыточный или остаточный хлор обеспечивает быстрый и простой тест на его присутствие. Когда такой тест указывает на присутствие в воде свободного хлора, можно быть уверенным, что любые новые микроорганизмы, попавшие в воду, также погибнут.

Следует отметить, что в результате хлорирования в воде может образоваться небольшое количество хлорированных углеводородов, часть которых, как было установлено, обладает канцерогенными свойствами.

Одной из альтернатив хлорированию воды является ее обеззараживание с помощью озона. Озонирование, как и хлорирование, осуществляется просто путем контакта воды с газом. В отличие от хлорирования, при котором хлор может соединяться с углеводородами, содержащимися в воде, при озонировании хлорированных углеводородов не образуется; наоборот, озон может разрушать присутствующие в воде углеводороды путем их окисления. Более того, озон сам по себе эффективен при обесцвечивании воды и не создает постороннего привкуса и запаха. Однако при озонировании в обработанной воде не остается никаких следов свободного озона, даже если он добавляется в количестве, избыточном для обеззараживания воды и окисления вредных соединений. А это означает, что невозможно быстро удостовериться в полном уничтожении всех содержащихся в воде бактерий и вирусов, как это имеет место в случае хлорирования воды.

Тот факт, что при озонировании воды в ней отсутствует остаточный озон, серьезно препятствует к его широкому применению. Другая причина - продукты реакции озона с органическими веществами, содержащимися в воде, до сих пор не идентифицированы, хотя были обнаружены альдегиды и другие простые органические соединения. Однако, придя к потребителю, водопроводная вода теряет свое качество из-за коррозии металлических труб, а также из-за застоя в водопроводной сети. Поэтому во многих странах широко применяют доочистку воды с помощью бытовых фильтров коллективного или индивидуального пользования. Так, в США ими пользуются более четверти населения, в Израиле - более 40%.