Основные загрязнители воды и методы очистки

     В растворенном виде в сточных водах  присутствуют мыло, синтетические стиральные порошки, дезинфицирующие средства, отбеливатели и другие вещества бытовой  химии. Из жилых домов поступает  бумажный мусор, включая туалетную  бумагу и детские подгузники, отходы растительной и животной пищи. С  улиц в канализацию стекает дождевая и талая вода, часто, с песком или  солью, используемыми для ускорения  таяния снега и льда на проезжей части улиц и тротуарах.  

     2.2 Промышленность

     В индустриально развитых странах  главным потребителем воды и самым  крупным источником стоков является промышленность. Промышленные стоки  в реки по объему в 3 раза превышают  коммунально-бытовые. Вода выполняет  разные функции, например, служит сырьем, обогревателем и охладителем  в технологических процессах, кроме  того, транспортирует, сортирует и  промывает разные материалы. Вода также  выводит отходы на всех стадиях производства — от добычи сырья, подготовки полуфабрикатов до выпуска конечной продукции и ее расфасовки. Поскольку гораздо дешевле выбрасывать отходы разных производственных циклов, чем перерабатывать и утилизовать, с промышленными стоками сбрасывается громадное количество разнообразных органических и неорганических веществ. Более половины стоков, поступающих в водоемы, дают четыре основные отрасли промышленности: целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая, промышленность органического синтеза и черная металлургия (доменное и сталелитейное производства). Из-за растущего объема промышленных отходов нарушается экологическое равновесие многих озер и рек, хотя большая часть стоков нетоксична и несмертельна для человека.

     Кислотные осадки возникают главным образом  из-за выбросов оксидов серы и азота  в атмосферу при сжигании ископаемого  топлива (угля, нефти и природного газа). Растворяясь в атмосферной  влаге, эти оксиды образуют слабые растворы серной и азотной кислот и выпадают в виде кислотных дождей.

     Главными  источниками оксидов серы (SO₂ и SO₃), обусловливающих образование серной кислоты, являются тепловые электростанции, работающие на нефти и угле, а также металлургические заводы. Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂), из которых образуется азотная кислота, поступают в атмосферу примерно в равных количествах от тепловых электростанций, работающих на нефтепродуктах и угле, и с выхлопными газами автомобильных двигателей. Сравнительно небольшое количество соляной кислоты в атмосферных осадках образуется в результате аккумуляции газообразного хлора от различных природных и промышленных источников. Кислотные дожди могут также выпадать при поступлении в атмосферу серной кислоты и азотсодержащих газов (диоксида азота NO₂ и аммиака NH₃) от естественных источников (например, при извержении вулканов).

     Последствия. Разные природные обстановки различным образом реагируют на повышение кислотности. Кислотные осадки могут привести к изменению химических свойств почвы и воды. Там, где вода в реках и озерах стала довольно кислой (рН менее 5) исчезает рыба. При нарушении трофических цепей сокращается число видов водных животных, водорослей и бактерий.  

     2.3 Теплоэнергетика

     Наиболее  масштабное однократное употребление воды - производство электроэнергии, где  она используется главным образом  для охлаждения и конденсации  пара, вырабатываемого турбинами  тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7°С, после чего сбрасывается непосредственно  в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют "тепловым загрязнением". Против употребления этого термина  имеются возражения, поскольку повышение  температуры воды иногда приводит к  благоприятным экологическим последствиям.  

     2.4 Сельское хозяйство

     Вторым  основным потребителем воды является сельское хозяйство, использующее ее для  орошения полей. Стекающая с них  вода насыщена растворами солей и  почвенными частицами, а также остатками  химических веществ, способствующих повышению  урожайности. К ним относятся  инсектициды; фунгициды, которые распыляют  над фруктовыми садами и посевами; гербициды, знаменитое средство борьбы с сорняками; и прочие пестициды, а также органические и неорганические удобрения, содержащие азот, фосфор, калий  и иные химические элементы.

     Кроме химических соединений, в реки попадает большой объем фекалий и других органических остатков с ферм, где  выращиваются мясомолочный крупный рогатый скот, свиньи или домашняя птица. Много органических отходов также поступает в процессе переработки продукции сельского хозяйства (при разделке мясных туш, обработке кож, производстве пищевых продуктов и консервов и т.д.).  
 

     3 Методы очистки вод

     Практикуются  три основных метода очистки сточных  вод. Первый существует давно и наиболее экономичен: сброс сточных вод  в крупные водотоки, где они  разбавляются пресной проточной  водой, аэрируются и нейтрализуются естественным образом. Очевидно, что  этот метод не отвечает современным  условиям. Второй метод во многом базируется на тех же естественных процессах, что  и первый, и заключается в удалении и снижении содержания твердых и  органических веществ механическим, биологическим и химическим способами. Его в основном используют на коммунальных очистных станциях, которые редко  располагают оборудованием для  переработки промышленных и сельскохозяйственных стоков. Широко известен и достаточно распространен третий метод, состоящий  в сокращении объема сточных вод  путем изменения технологических  процессов; например, в результате вторичной  переработки материалов или использования  естественных методов борьбы с вредителями вместо пестицидов и т.д. 

     3.1 Очистка сточных  вод

     Хотя  сейчас многие промышленные предприятия  пытаются очистить свои стоки или  сделать производственный цикл замкнутым, а производство пестицидов и других токсичных веществ запрещено, самым  радикальным и быстрым решением проблемы загрязнения воды будет  строительство дополнительных и  более современных очистных сооружений.

     Первичная (механическая) очистка

     Обычно  на пути потока сточных вод устанавливаются  решетки или сита, которые улавливают плавающие предметы и взвешенные частицы. Затем песок и другие грубые неорганические частицы оседают  в песколовках с наклонным  дном или улавливаются ситами. Масла  и жиры удаляются с поверхности  воды специальными приспособлениями (нефтеловушками, жироловками и пр.). На некоторое время сточные воды перебрасываются в отстойники для осаждения мелких частиц. Свободноплавающие хлопьевидные частицы осаждают путем добавления химических коагулянтов. Полученный таким образом отстой, на 70% состоящий из органических веществ, пропускается через специальный железобетонный резервуар - метантанк, в котором он перерабатывается анаэробными бактериями. В результате образуются жидкий и газообразный метан, углекислый газ, а также минеральные твердые частицы. При отсутствии метантанка твердые отходы закапываются, сбрасываются на свалки, сжигаются (что приводит к загрязнению воздуха) или высушиваются и используются как гумус или удобрение.

     Вторичная очистка

     Вторичная очистка осуществляется в основном биологическими методами. Поскольку  на первом этапе органические вещества не удаляются, на следующем - используются аэробные бактерии для разложения взвешенной и растворенной органики. При этом главная задача заключается в  том, чтобы привести стоки в контакт  с как можно большим числом бактерий в условиях хорошей аэрации, так как бактерии должны иметь  возможность потреблять достаточное  количество растворенного кислорода. Сточные воды пропускают через различные фильтры — песчаные, из щебня, гравия, керамзита или синтетических полимеров (при этом достигается такой же эффект, как и в процессе естественной очистки в русловом потоке, преодолевшем расстояние в несколько километров).

     На  поверхности фильтрующего материала  бактерии образуют пленку и разлагают  органику сточных вод по мере их прохождения через фильтр, снижая таким образом БПК более чем  на 90%. Это т.н. бактериальные фильтры. Снижение БПК на 98% достигается в  аэротанках, в которых благодаря  принудительной аэрации сточных  вод и перемешиванию их с активным илом ускоряются естественные процессы окисления. Активный ил образуется в  отстойниках из взвешенных в сточной  жидкости частиц, не задержанных при предварительной очистке и адсорбируемых коллоидными веществами с размножающимися в них микроорганизмами.

     Третичная очистка

     Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную  очистку, еще содержат растворенные вещества, которые делают их практически  непригодными для любых нужд, кроме  орошения. Поэтому были разработаны  и апробированы более совершенные  методы очистки, предназначенные для  удаления оставшихся загрязнителей. Некоторые  из этих методов используются в установках, очищающих питьевую воду водохранилищ. Такие медленно разлагающиеся органические соединения, как пестициды и фосфаты, удаляются фильтрацией прошедших  вторичную очистку сточных вод  через активированный (порошкообразный) древесный уголь, либо добавлением  коагулянтов, способствующих агломерации  мелких частиц и осаждению образовавшихся хлопьев, либо обработкой такими реагентами, которые обеспечивают окисление.

     Растворенные  неорганические вещества удаляются  ионным обменом (растворенные ионы солей  и металлов); химическим осаждением (соли кальция и магния, которые  образуют налет на внутренних стенках  котлов, цистерн и труб), смягчающим воду; изменением осмотического давления для усиленной фильтрации воды через  мембрану, которая задерживает концентрированные  растворы питательных веществ - нитратов, фосфатов и др.; выведением азота  потоком воздуха при прохождении  стоков через аммиачно-десорбционную  колонну; и другими методами. В  мире существует лишь несколько предприятий, которые могут проводить полную очистку сточных вод.  

     3.2 Общие принципы  водоочистки

     Дезинфекция

     Главная цель водоочистки — производство бактериально безопасной воды. Наиболее распространенный способ дезинфекции воды - ввод в нее хлора — сильного окислителя, который добавляется к воде в виде газа или концентрированного водного раствора. Эффективность обработки хлором зависит от ряда факторов, в том числе рН (меры кислотности или щелочности воды), времени обработки, температуры и наличия взаимодействующих с хлором органических веществ. Небольшое количество свободного хлора оставляется в воде на случай попадания загрязнений в потребительскую водопроводную сеть. Поскольку при бытовом использовании воды в водосток сбрасывается много колиформных бактерий, обнаружение этих бактерий служит показателем бытового загрязнения (коли-индекс).

     Мутность

     Мутность  и цветность устраняются добавлением  к воде химически активного вещества и ее последующим отстаиванием. Добавляемое  вещество способствует росту малых  частиц и превращением их в более  крупные, пока под действием собственного веса они не начнут оседать. Такой  вынужденный процесс оседания занимает 1-2 ч. Этот процесс образования осадка называется химической коагуляцией. В  качестве химически активных веществ  используются главным образом соединения, образующие в водном растворе ионы алюминия и трехвалентного железа (сульфат  алюминия и хлорид или сульфат  трехвалентного железа).

     Вода  и запах

     Типичные  источники вкуса и запаха природных, бытовых и промышленных вод — микроорганизмы, например водоросли, в поверхностных водах и сульфиды в подземных водах, бедных кислородом. Соединения, имеющие неприятный вкус и запах, обычно удаляются путем добавления к воде активированного угля и последующей седиментации. Можно также подвергнуть такие соединения окислению, например хлором или озоном.  
 

     Фильтрование

     На  водоочистной станции, где к воде добавляются химически активные вещества и она отстаивается для  удаления примесей, вода также пропускается через песок для фильтрования. Вода и химреактивы-коагулянты тщательно  и интенсивно перемешиваются. Через  примерно 30 мин вода с укрупненными частицами примесей запускается  в седиментационную установку, где  большая часть примесей осаждается и удаляется из воды; этот процесс  занимает около 2 ч. Осветленная вода направляется в отстойники, где фильтруется  через слои песка и гравия и  проходит через донную основу. Донная основа не только служит опорой для  слоев гравия и песка, но также  пропускает воду, периодически используемую для промывки фильтровальных слоев  от осадков, оставленных очищаемой  водой. Фильтрованная вода хранится в резервуарах или закачивается в водопроводную сеть после заключительного  хлорирования.

     Жесткость

     Проблема  уменьшения жесткости воды частично может быть решена путем использования  синтетических моющих средств. С  помощью химической коагуляции или  ионного обмена частично или полностью  удаляются создающие жесткость  примеси (главным образом бикарбонаты  кальция и магния). Этот процесс  называется мягчением воды.

     В системах химической коагуляции к воде для ее мягчения добавляется известь, которая реагирует с бикарбонатами, превращая их в карбонаты, выпадающие в осадок. Осадок удаляется седиментацией  и последующим фильтрованием  через песок.

     Ионный (точнее, катионный) обмен для мягчения заключается в замещении ионов  жесткости, кальция и магния, на ион  нежесткости, натрий. На этом принципе основаны домашние системы мягчения воды. С помощью ионного обмена можно, в принципе, заменить все катионы  в воде водородом, а все анионы - кислородом. В итоге получится H₂O, т.е. чистая вода. Такой процесс называется обессоливанием.