Защита природных вод от техногенных загрязнений

И.В. Павлова, И.Н. Постникова
Защита природных вод
от техногенных загрязнений
Нижний Новгород 2015
Павлова Ирина Владимировна
Постникова Ирина Николаевна
ЗАЩИТА ПРИРОДНЫХ ВОД
ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Редактор В.И. Бондарь
Подписано в печать 22.06.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 8,0.Уч.-изд. л. 7,0. Тираж 100 экз. Заказ
.
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Р.Е.Алексеева»
ДЗЕРЖИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
И.В. ПАВЛОВА, И.Н. ПОСТНИКОВА
ЗАЩИТА ПРИРОДНЫХ ВОД
ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Рекомендовано Ученым советом
Нижегородского государственного университета им. Р.Е.Алексеева
в качестве учебного пособия
для студентов направлений подготовки бакалавров и магистрантов
«Химическая технология»
и «Техносферная безопасность»
Н.Новгород 2015
УДК 628.515
ББК 35
П 12
Р ец ензен т
доктор технических наук, профессор,
директор по развитию производства ООО «Синтез – ПКЖ»
С.Е. Когтев
Павлова И.В., Постникова И.Н.
П 12
Защита природных вод от техногенных загрязнений: учеб. пособие/
И.В. Павлова, И.Н. Постникова; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Н.Новгород, 2015.- 135с.
ISBN 978-5-502-00639-2
В учебном пособии рассматриваются сложные и трудноразрешимые экологические проблемы деградации природных вод Земли. Большое внимание уделено
защите природных вод, рассмотрен ряд мероприятий по охране водных ресурсов от
истощения и загрязнения, в частности: мониторинг водоохранных зон, развитие
безводных технологий, внедрение систем замкнутого водоснабжения, очистка производственных и бытовых сточных вод, осуществление государственного контроля
за использованием и охраной водных ресурсов. В пособии представлены методологии расчетов разбавления загрязнения в естественных водостоках, необходимой
степени очистки производственных сточных вод и оборудования, используемого
для очистки стоков.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения направлений подготовки «Химическая технология» и «Техносферная безопасность», а также может
быть полезно студентам и аспирантам других специальностей, слушателям курсов
повышения квалификации и инженерно-техническим работникам.
Рис. 22. Табл. 11. Библиогр.: 12 назв.
УДК 628.515
ББК 35
ISBN978-5-502-00639-2
© Нижегородский государственный
технический университет
им. Р.Е. Алексеева, 2015
© Павлова И.В., Постникова И.Н., 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Свойства воды, ее роль в жизни человека…………………………
1.1 Физические и химические свойства воды………………………..
1.2 Вода в природе. Источники и потребление воды………………..
1.3 Водные ресурсы России……………………………………………
2. Источники загрязнения природных вод, виды вреда
от загрязнения……………………………………………………………..
2.1 Загрязнение природных вод……………………………………….
2.2 Ответные реакции природы (экологический бумеранг).
Аральская катастрофа………………………………………………….
2.3 Взаимосвязь экономического и экологического вреда………….
3. Охрана водных ресурсов……………………………………………...
3.1 Федеральное законодательство и охрана водных объектов……..
3.2 Мониторинг водных объектов…………………………………….
3.3 Государственный контроль за использованием и охраной
водных ресурсов. Контроль загрязнения поверхностных вод………
4
4
6
9
10
4. Показатели качества природных и поверхностных вод…………
4.1 Показатели качества природных вод……………………………...
4.2 Оценка качества поверхностных вод……………………………..
5. Характеристика и показатели качества сточных вод……………
5.1 Характеристика сточных вод……………………………………...
5.2 Показатели качества сточных вод………………………………...
6. Методы очистки сточных вод………………………………………..
6.1 Механические методы очистки сточных вод…………………….
6.2 Химические методы очистки сточных вод……………………….
6.3 Физико-химические методы очистки сточных вод………………
6.4 Биологические или биохимические методы очистки сточных
вод……………………………………………………………………….
7. Определение
степени очистки воды, расчет гидроциклона
.…..
и аэротенка………………………………………………………………...
7.1 Методика расчета разбавления загрязнения в естественных
водостоках………………………………………………………………
7.2 Расчет необходимой степени очистки производственных
сточных вод……………………………………………………………
7.3 Расчет гидроциклона для очистки сточных вод………………….
7.4 Расчет аэротенка……………………………………………………
Список рекомендуемой литературы……………………………………
37
37
48
52
52
56
58
59
68
74
112
10
16
23
26
26
28
29
119
119
123
128
129
134
3
1. СВОЙСТВА ВОДЫ, ЕЕ РОЛЬ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА
1.1
ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Ни одна из планет Солнечной системы не содержит на своей поверхности такого большого количества воды, как наша Земля. Моря и океаны,
средняя глубина которых около 6 км, покрывают 71% поверхности Земли.
Огромное количество воды в виде снега и льда сосредоточено в приполярных районах. Этот факт пока не нашел однозначного объяснения.
Физические свойства воды. Безусловно, вода играет огромную роль в
возникновении и существовании жизни на нашей планете. Во многом это
связано со свойствами, которых нет у ее ближайших соседей и аналогов
(H2S, H2Se и т.д). Вода может находиться в жидком и даже в твердом состоянии (лед) во многом благодаря строению молекулы воды (рис.1).
Рис. 1. Строение молекулы воды
Две поделенные электронные пары участвуют в образовании двух полярных ковалентных связей, а оставшиеся две неподеленные пары электронов тоже играют важную роль в свойствах воды. Все заместители у
атома кислорода, включая неподеленные пары, стремятся расположиться
как можно дальше друг от друга. Это приводит к тому, что молекула приобретает форму искаженного тетраэдра с атомом кислорода в центре. В
четырех вершинах этого "тетраэдра" находятся два атома водорода и две
неподеленные пары электронов. Но если смотреть только по центрам атомов, то получается, что молекула воды имеет угловое строение, причем
угол Н–О–Н составляет примерно 105 градусов (рис. 2).
Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды (обозначены пунктиром)
4
При температурах выше 0°С (но ниже температуры кипения) вода
уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную структуру, как показано на рис.2. Поэтому в жидкой воде молекулы связаны между собой
лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут
свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость.
Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше
и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец, образуется лед, который
имеет примерно такую упорядоченную структуру.
Кстати, в кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем пустот чуть больше, чем размер отдельной молекулы воды. Поэтому
лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и плавает на поверхности. Большинство же других веществ при замерзании увеличивает свою
плотность.
Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие
температуры плавления (0°С) и кипения (100°С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек
зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната
кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества, ее удельная
электропроводность равна 1,5×10–8 Ом–1×см–1 при 0 °С. Сжимаемость воды очень мала: 43×10–6 см3 на мегабар при 20°С. Плотность воды максимальна при 4°С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул, они разрываются только тогда, когда вода переходит в пар.
Химические свойства воды. Оказывается, вода – это активное в химическом отношении вещество.
1. Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:
2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно);
2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно);
3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании).
Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в
окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко
реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.
Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:
C + H2O = H2 + CO (при сильном нагревании);
CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2 (при сильном нагревании).
2. Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода
является одновременно и окислителем, и восстановителем:
5
3. Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от
предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции
соединения:
SO2 + H2O = H2SO3 ;
сернистая кислота
SO3 + H2O = H2SO4 ;
серная кислота
CO2 + H2O = H2CO3 .
угольная кислота
4. Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой:
CaO + H2O = Ca(OH)2 .
гидроксид кальция
(гашеная известь)
Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них
практически нерастворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Это
оксид цинка, оксид титана, оксид хрома, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также нерастворимы в воде и не реагируют с ней.
5. Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула
полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:
CuSO4 + 5 H2O = CuSO4∙5H2O .
безводный кристаллогидрат
сульфат меди (медный купорос)
Приведем другие примеры образования гидратов:
H2SO4 + H2O = H2SO4 ∙ H2O (гидрат серной кислоты) ;
NaOH + H2O = NaOH ∙ H2O (гидрат едкого натра) .
Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.
6. Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и
других подобных соединений (углеводов), происходящий с выделением
кислорода:
6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света) .
1.2
ВОДА В ПРИРОДЕ. ИСТОЧНИКИ И ПОТРЕБЛЕНИЕ
ВОДЫ
Среди всех веществ, имеющихся на Земле, вода, благодаря своим
уникальным свойствам, занимает исключительное положение в природе и
играет особо важную роль в жизни человека. Человек не может жить без
6
воды. Его тело на 70%, кровь на 90%, мышцы на 75% состоят из воды. В
костях человека содержится около 25% воды. Без пищи человек может
прожить 2-3 месяца, а без воды погибает через неделю. Обезвоживание
организма ведет к тому, что все биохимические процессы, протекающие в
отсутствие влаги, ведут к необратимым последствиям во всех органах.
Безусловно, вода является важнейшим веществом для всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.
Круговорот воды в природе оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия. Вода постоянно перемещается во всех сферах
Земли.
В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твѐрдая – криосферой.
Мировой океан содержит более 97,54 % земной воды, подземные воды — около 0,63 %, ледники — 1,81 %, реки и озера — 0,009 %, материковые соленые воды — 0,007 %, атмосфера — 0,001 %.
Источники и потребление воды. Человечество потребляет на свои
нужды огромное количество пресной воды ― в основном на промышленные и сельскохозяйственные нужды. Водоемкость всего человеческого
хозяйства в XX столетии увеличилась в 12 раз и достигла огромной величины: около 5 тыс. км3в год. Это почти 14% годового стока всех рек мира.
Правда, некоторую часть этого объема составляют подземные воды, не
доступные для биоты. Вместе с ними общий водохозяйственный потенциал ресурсов пресной воды оценивается в 2,5–2,8 миллионах километрах
кубических в год. Из них лишь 14 тыс. км3 составляют устойчивую часть
речного стока и 2 тыс. км3 – мало минерализованные подземные воды.
Преобладающим источником водоснабжения в мире остаются реки.
Возросшее водопотребление нуждается в емких резервуарах воды, мало
зависящих от сезонных перепадов стока. Поэтому многие тысячи рек в
XX в. зарегулированы. Более 30 тысяч водохранилищ с общей площадью
зеркала около 500 тыс. км2 (больше площади Черного и Азовского морей)
увеличили мгновенный объем воды в речных системах с 1,2 до 7,3 тысяч
километров кубических, а средний период обращения воды в них – с 11 до
72 дней. Итоговый экономический эффект создания и эксплуатации некоторых крупных водохранилищ отрицателен.
Около 70% мирового водопотребления приходится на сельское хозяйство, 13% – на промышленность, 10% – на коммунально-бытовые нужды,
7% – на собственные нужды водного хозяйства (гидроэнергетика, судоходство, рыбное хозяйство и др.).
Общий объем организованных (технических) стоков водоотведения в
поверхностные водоемы и водотоки мира превышает 1300км3/год. Для
достаточного разбавления содержащихся в них техногенных примесей
7
требуется в среднем в 10 раз больше свежей воды. Таким образом, суммарное прямое антропогенное вмешательство в природный круговорот
воды достигает 18 тыс.км3/год [водозабор (5) плюс разбавление стоков
(13)], что составляет уже половину речного стока мира.
Кроме того, существует еще значительное косвенное вмешательство в
глобальный круговорот воды, обусловленное уменьшением объема транспирации из-за вырубки лесов. Вода некоторых рек в промышленных районах мира полностью (в ряде случаев более чем однократно) проходит через различные технические системы водопотребления. Благодаря применению в промышленности и энергетике водооборотных циклов, суммарное использование воды в этих отраслях в целом в 2,8 раза превышает
объем забора свежей воды. Разумеется, водообеспеченность хозяйства и
населения в разных регионах мира очень различна и изменяется (в тысячах метрах кубических годового речного стока на душу населения, без
учета транзитного стока) от 0,3 в Нижнем Египте до 150 в Нижнем Конго
или на Аляске.
Водоемкость разных производств зависит от вида продукции, применяемых технических средств и технологических схем водоснабжения. Так,
на производство 1 т разных видов готовой продукции расходуются в
среднем такие объемы воды (в метрах кубических): угля– 0,6, нефти– 3,
стали– 40, синтетических волокон– 300, бумаги– 900, резины– 2300.
Большие объемы воды требуются для охлаждения энергоблоков: для работы ТЭС мощностью 1 ГВт 1,2–1,6км3 воды в год, а для работы АЭС той
же мощности–до 3 км3 в год.
В питьевом водоснабжении населения в настоящее время все большее
значение начинают приобретать подземные источники. Практически вся
вода, поступающая в магистрали питьевого водоснабжения, нуждается в
специальной водоподготовке, так как во многих случаях трудности возникают не столько из-за недостаточного объема воды, сколько из-за ее низкого потребительского качества. В частности, поэтому быстро растет индустрия глубокой очистки и бутилирования воды. Проблема качества воды связана в основном с массированным техногенным загрязнением поверхностных и отчасти подземных природных вод.
Потребление водных ресурсов не ограничивается водозабором. Водные артерии широко используются как транспортные пути. Из всего огромного водного грузооборота мира, оцениваемого в 35 триллионов тоннокилометров в год, около 4% относится к внутреннему водному транспорту. Значительная часть стока рек мира проходит через плотины гидроэлектростанций. Современное техногенное вмешательство в планетарный
круговорот воды близко к критическому уровню, превышение которого
может существенно повлиять на географическое распределение осадков и
качество воды природных источников.
8
1.3
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ РОССИИ
Из всех видов поверхностных пресных вод приоритетное практическое значение имеет речной сток. По объему речного стока Россия стоит
на втором месте после Бразилии. Реки являются основой водного фонда
нашей страны. Почти 65% крупных городов России (Москва, СанктПетербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Пермь, Красноярск и др.)
используют для питьевых и технических нужд поверхностные, в основном
речные воды.
Мгновенный запас поверхностных пресных вод страны равен 28 тысячам километров кубических (из них 23 тыс.км3 (82%) содержится в Байкале), или 22% объема пресных вод мира. Из 15 крупнейших рек мира четыре текут по территории России. Водохозяйственный фонд РФ насчитывает около 2300 водохранилищ с общим объемом 820км3 и общей площадью зеркала около 70 тысяч километров квадратных. Суммарный годовой
сток всех рек РФ равен 4270км3(11,5% мирового стока). Водообеспеченность 1км2 территории РФ составляет в среднем немного более 250 тыс.
м3 .
Географическое распределение материкового стока крайне неравномерно: более 90% его выносится в Северный Ледовитый и Тихий океаны,
а на бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает 80% населения России и сосредоточена большая часть хозяйственного потенциала,
приходится менее 9%. Поэтому, в частности, Волжский бассейн испытывает большую техногенную нагрузку: 18%-ный водозабор (почти 43 километра кубических в год) уменьшает естественный годовой сток Волги
на 10 – 12%. А водозабор из таких рек, как Дон, Кубань, Терек, Урал,
Исеть, Миасс, превышает 50% стока.
На каждого жителя РФ в год приходится в среднем 29 тыс.м3 суммарного речного стока, 520–540 м3 суммарного водозабора и 90–95м3 воды
бытового водоснабжения (т.е. по 250 л в сутки). В крупных городах
удельное водопотребление составляет 320 л в сутки, а в Москве – 400 л в
сутки. Средняя водообеспеченность населения у нас одна из самых высоких в мире. Для сравнения: США – 320 л/сут., Германия – 180 л/сут., Англия – 170 л/сут., Япония – 125 л/сут., Индия – 65 л/сут., Финляндия –
58 л/сут., Ирак – 16 л/сут.
Подземные воды также входят в основу водного фонда России. Подземные воды так называемой зоны активного водообмена являются пресными и используются для питьевых и хозяйственных целей. Минеральные лечебные подземные воды используются санаторно-курортными и
оздоровительными учреждениями, а также заводами розлива, теплоэнергетические (с температурой от 35 до 200°С) подземные воды - для теплоснабжения и получения электрической энергии; подземные воды, содер9
жащие ценные компоненты (йод, бром, соли калия, магния, натрия), - для
их промышленной добычи.
Однако по сравнению со многими другими странами пресная вода у
нас расходуется крайне неэкономно. В то же время в ряде районов на юге
России, в Поволжье и в Зауралье существуют трудности с обеспечением
населения качественной питьевой водой.
2. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД,
ВИДЫ ВРЕДА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
2.1 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
Основной причиной современной деградации природных вод Земли
является антропогенное загрязнение. Главными его источниками служат:
- сточные воды промышленных предприятий;
- сточные воды коммунального хозяйства городов и других населенных пунктов;
- стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других
сельскохозяйственных объектов;
- атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и
водосборных бассейнов. Кроме этого, неорганизованный сток воды осадков («ливневые стоки», талые воды) загрязняет водоемы существенной
частью техногенных терраполлютантов.
Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете. Общий объем промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков достигает
1300 км3 (по некоторым оценкам до 1800 км3 ), для разбавления их требуется примерно 8,5 тыс. км3 воды, т.е. 20% полного и 60% устойчивого
стока рек мира. Причем по отдельным водным бассейнам антропогенная
нагрузка гораздо выше средних значений.
Общая масса загрязнителей гидросферы огромна – около 15 млрд
тонн в год. К наиболее опасным загрязнителям относятся соли тяжелых
металлов, фенолы, пестициды и другие органические яды, нефтепродукты,
насыщенная бактериями биогенная органика, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и минеральные удобрения.
Кроме химического загрязнения водоемов, определенное значение
имеет также механическое, термическое и биологическое загрязнение. Для
определения опасности нарушений поверхностных природных водоемов
важен еще и объем безвозвратного водопотребления. В основе оценки
опасности всех видов нарушений лежит общий принцип, основанный на
10
определении объемов загрязненных стоков (или изъятых вод) и размеров
превышений их нормативных уровней.
В России на одного человека образуется примерно в 1,5 раза больше
хозяйственных стоков, чем в среднем в мире. В 1994 г. в поверхностные
водные объекты было сброшено 60,2км3 сточных вод. Около 41%
(24,6км3) сточных вод отнесено к категории загрязненных. С ними сброшено в водоемы 1920 тыс. т загрязнителей, в том числе: нефтепродуктов–
14,4, взвешенных веществ– 895, фосфора– 44,9, аммонийного азота –
129,3, СПАВ– 4,9, соединений меди– 0,3, железа – 40,9, фенола– 0,1 тысяч
тонн. Реальная масса загрязнителей, поступающих в водоемы, значительно больше, поскольку в приведенных данных не учтены атмосферные выпадения загрязняющих веществ, смыв органики и ядохимикатов с сельскохозяйственных угодий и др. Основной объем сброшен предприятиями
промышленности (35%) и коммунального хозяйства (51%). Объем нормативно-очищенных стоков составляет менее 10% от всех вод, требующих
очистки, что является следствием перегруженности и низкой эффективности работы имеющихся очистных сооружений.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что масштабы и темпы
загрязнения гидросферы намного выше, чем других природных сред. Обостряющаяся водохозяйственная обстановка в России из-за сброса загрязненных стоков в водные объекты и нерационального использования воды
наносит огромный экономический ущерб. Нарастающая деградация природных вод требует решительных действий и специальных целевых программ по их спасению.
Бассейны. Существенной географической особенностью загрязнения
рек России является то, что основные промышленные районы и наибольшая концентрация населения приурочены главным образом к верховьям
водосборных бассейнов (Центральная Россия, бассейн Камы, Среднее Поволжье, Урал, Кузбасс, верхние течения Оби, Енисея, Ангары). Поэтому
главные реки России– Волга, Дон, Урал, Обь, Енисей, Лена, Печора– в той
или иной мере загрязнены на всем протяжении и оцениваются как «загрязненные», а их крупные притоки– Ока, Кама, Томь, Иртыш, Тобол, Тура– относятся к категории «сильно загрязненных». Несмотря на уменьшение сброса сточных вод, связанного со спадом производства, наблюдается
рост загрязнения рек.
Очень серьезные экологические проблемы возникли в бассейне Волги.
Ее сток составляет только 5% от суммарного речного стока Российской
Федерации. В то же время на хозяйственные нужды из Волги ежегодно
забирается более 30км3 свежей воды, т.е. треть всего водозабора России. А
взамен река получает 19км3 стоков– 39% от общего объема загрязненных
сточных вод, образующихся на территории страны. От городов и промышленных предприятий, расположенных на берегах Волги и ее прито11
ков, ежегодно в реку, а затем и в Каспий поступает: нефтепродуктов –
около 7 тыс. т, взвешенных веществ – 257 тыс. т, сульфатов – 134 тыс. т,
органики – 176 тыс. т, аммонийного азота – 12 тыс. т, нитратов – 70 тыс. т,
нитритов – 5 тыс. т, а также сотни тонн соединений тяжелых металлов и
других загрязнителей.
Угрожающие размеры принимает загрязнение морей и всего Мирового океана, которому в условиях современной цивилизации отведена роль
гигантской мусорной свалки. Реки выносят большую часть поступающих
в них стоков в моря. В составе речного стока и атмосферных выпадений в
разные части Океана попадает 100 миллионов тонн тяжелых металлов.
Почти 70% загрязнений морской среды связано с наземными источниками, поставляющими промышленные стоки, мусор, химикаты, пластмассы,
нефтепродукты, радиоактивные отходы. К числу наиболее опасных загрязнителей морей относятся нефть и нефтепродукты. Общее загрязнение
ими Мирового океана превысило 10 миллионов тонн в год, причем из всех
источников вклад судоходства (включая аварии танкеров) стал уже выше
поступления с материковым стоком: соответственно 35% и 31%. Каждая
тонна нефти покрывает тонкой пленкой порядка 12км2водной поверхности. По оценкам специалистов, нефтью уже загрязнена 1/5 акватории Мирового океана. Нефтяная пленка приводит к гибели живых организмов,
млекопитающих и птиц, нарушает процессы фотосинтеза и, следовательно, газообмен между гидросферой и атмосферой.
Все внутренние и окраинные моря Российской Федерации испытывают интенсивную антропогенную нагрузку как на самой акватории, так и в
результате техногенного воздействия на водосборном бассейне. К охарактеризованному выше стоку загрязненной волжской воды в Каспийское
море добавляется непосредственное его загрязнение морским нефтепромыслом. Концентрация нефтепродуктов и фенолов в акваториях северного
и восточного Каспия составляет 4–6 ПДК, а у берегов Азербайджана– 10–
16 ПДК. Нефтепродуктами сильно загрязнены все европейские моря–
Средиземное, Северное, Балтийское.
Эвтрофикация водоемов. Замечательной особенностью водных экосистем является их способность к самоочищению и установлению биологического равновесия. Оно происходит в результате совокупного действия
физических, химических и биологических факторов. Водные организмы
сообща обеспечивают через трофические связи многоступенчатую минерализацию органики и перевод ее в донные отложения. Процесс самоочищения обеспечивает постепенное восстановление биоразнообразия организмов вниз по течению реки от точки сброса загрязненных сточных вод.
Однако способность водоемов к самоочищению не безгранична. При
определенном уровне загрязнения, особенно при аварийных, залповых
сбросах неочищенных стоков, может быть погублена вся биота водоема.
12
Техногенное загрязнение рек и озер принимает такие масштабы, что во
многих регионах превышает их способности к самоочищению. Из-за неэффективной очистки сточных вод значительная часть питательных элементов – азота, фосфора – попадает в водоемы. Большое количество почвы, органики и минеральных удобрений смывается в водные объекты с
сельскохозяйственных территорий во время половодья и после сильных
дождей. Чрезмерное обогащение водоемов биогенами приводит к их эвтрофикации, т.е. резкому повышению биопродуктивности и массовому
размножению фитопланктона, в первую очередь неприхотливых синезеленых водорослей. «Цветение» воды и постепенное отмирание массы
водорослей становятся источником вторичного загрязнения, приводят к
расходованию всех запасов кислорода и медленному «умиранию водоема». Таким образом, антропогенная эвтрофикация вызывается не ядовитыми загрязнениями, а тем, что всегда считалось безвредным, – частицами
почвы и удобрениями. Это еще раз подтверждает вывод о том, что сильное изменение любого природного фактора может нарушить равновесие
экосистемы.
Источники загрязнения вод. Загрязняющие вещества, поступая в природные воды, вызывают изменение физических свойств воды (нарушение
первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятных запахов и
привкусов и т.п.); изменение химического состава воды, в частности появление в ней вредных веществ; появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне; сокращение в воде количества растворенного кислорода вследствие расхода его на окисление поступающих в
водоем органических веществ загрязнения; появление новых бактерий, в
том числе и болезнетворных.
Из-за загрязнения природные воды оказываются непригодными для
питья, купания, водного спорта и технических нужд. Особенно пагубно
оно влияет на рыб, водоплавающих птиц, животных и другие организмы,
которые заболевают и гибнут в больших количествах.
На качественный и количественный состав вод в водоемах оказывает
влияние: 1) миграция химических загрязнений из атмосферы; 2) поступление загрязняющих веществ в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками; 3) поверхностный сток (дождевые, талые воды).
Сточные воды— это воды, отводимые после использования в бытовой и
производственной деятельности человека.
Загрязнения, поступающие в сточные воды, можно условно разделить
на несколько групп. Так, по физическому составу выделяют нерастворенные, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.
13
Минеральные представлены песком, глинистыми частицами, частицами
руды, минеральных солей, растворами кислот и щелочей и другими веществами.
Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные, животные, химические вещества. Растительные органические соединения представляют собой остатки растений, плодов, растительного
масла и пр. Загрязнения животного происхождения — это физиологические выделения людей и животных, останки животных, клеевые вещества.
Химические органические соединения — это нефть и ее производные,
синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), синтетические
моющие средства, фенол, формальдегид, пестициды и пр.
Бактериальные и биологические загрязнения присущи главным образом бытовым и животноводческим водам и стокам некоторых промышленных
предприятий (боен, кожевенных заводов, меховых производств, биофабрик, предприятий микробиологической промышленности).
Бытовые сточные воды включают воды от банно-прачечных хозяйств,
пищеблоков, больниц и др. Они поступают из жилых и общественных
зданий, от бытовых помещений промышленных предприятий в виде канализационных сточных вод. Органическое вещество составляет около 58%,
минеральные вещества – 42%. Реакция (pH) — нейтральная или слабощелочная.
В промышленном производстве вода используется как теплоноситель,
поглотитель, средство транспортировки. Многие предприятия машиностроения, металлопереработки, коксохимии, тепловые электростанции используют воду для охлаждения. Расход воды на этих предприятиях для
охлаждения достигает 80% от всего используемого количества воды.
Кроме химического загрязнения, такая вода способствует и тепловому загрязнению водоема.
На предприятиях пищевой, химической, нефтехимической промышленности вода используется как растворитель, входит в состав продукции. При этом образуются, как правило, специфические сточные воды.
В ряде случаев вода играет роль среды-поглотителя и средства транспортировки. При этом она загрязняется механическими примесями и растворимыми химическими веществами. На химических, целлюлознобумажных и гидролизных заводах, а также на предприятиях легкой и пищевой промышленности вода используется в качестве рабочей среды. Химический состав промышленных стоков весьма разнообразен — в соответствии с технологическим процессом. Реакция среды колеблется от резкощелочной до резкокислой.
Сельскохозяйственные стоки—это стоки животноводческих комплексов и
стоки, образуемые при вымывании агрохимикатов и минеральных удобрений за пределы пахотного слоя в водоем (поверхностный сток). Для жи14
вотноводческих стоков характерно ярко выраженное бактериальное и органическое загрязнение растительного и животного происхождения, а
также загрязнение аммиачными соединениями. Поверхностные стоки загрязняются минеральными удобрениями, пестицидами, ядохимикатами,
минеральными примесями.
Суммарный объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные объекты России, распределяется между жилищнокоммунальным хозяйством (51%); промышленностью (35%) и сельским
хозяйством (13%). Объем сброса загрязненных сточных вод в 1995 г. составил по промышленности — 8,6 млрд м3, в сельском хозяйстве —
3,2 млрд м3 , по объектам ЖКХ — 12,5 млрд м3.
О масштабах загрязнения поверхностных вод некоторыми отраслями
промышленности говорят следующие цифры.
Электроэнергетика -крупнейший потребитель пресной и морской воды. Доля отрасли в общем объеме забора пресной воды промышленностью — 66%, морской воды — 98%, по использованию воды —
около 70%. Водохранилища, возникшие в результате сооружения плотин
гидроэлектростанций, помимо положительного эффекта (регулирование
речного стока, снижение опасности наводнений и развития эрозии почв,
снабжение водой и др.) оказывают отрицательное воздействие на природную среду (затопление земель и населенных пунктов, засоление или заболачивание почв, затопление и разложение наземной растительности, развитие новых видов водной флоры и фауны и т.п.).
В нефтеперерабатывающей промышленности сброс загрязненных
сточных вод в водоемы составляет 31,1млн м3, большая их часть (около
80%) сбрасывается недостаточно очищенными. Серьезный ущерб окружающей среде наносится разливом нефти вследствие порывов трубопроводов. По данным Минтопэнерго РФ, общее количество аварий на нефтепроводах в 1995 г. составило 25477.
Доля нефтеперерабатывающей промышленности в общепромышленном сбросе загрязненных сточных вод составляет около 4%, сам выброс достигает 317,4 млн м3.
Из общего объема загрязненных сточных вод угольной промышленности (740,2 млн м3) около 80% сбрасываются недостаточно очищенными, остальные – без очистки. Предприятия черной металлургии
сбрасывают 757,7 млн м3 загрязненных, сточных вод, цветной металлургии — 529 млн м3 (36% из них сбрасывается без очистки).
Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность
являются одними из самых водоемких отраслей народного хозяйства, которые оказывают значительное воздействие на поверхностные воды. Объем используемой воды в 1995 г. в целом по отрасли достиг 2019 млн м3.
15
На эту отрасль приходится более 20% общего промышленного сброса загрязненных сточных вод в стране.
Сброс загрязненных сточных вод в водоемы предприятиями химической и нефтехимической промышленности в 1995 г. составил
1451,7млн м3, из них более 50% приходится на сточные воды от городских
систем канализации и других предприятий, принимаемых на баланс химических предприятий.
Предприятиями стройиндустрии в водоемы сброшено 129,5 млн м3 загрязненных сточных вод, при этом объем сточных вод, поступающих в
водоемы без очистки, увеличился до 60,8 млн м3.
В 1995 г. предприятиями машиностроения использовано 2,9млрд м3
свежей воды, после энергетики это наиболее крупный показатель в промышленности. В поверхностные водоемы поступило 1,82 млрд м3 сточных
вод. Из них загрязненных – 0,78 млрд м3, в том числе 0,17 млрд м3– без
очистки.
2.2 ОТВЕТНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИРОДЫ (ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
БУМЕРАНГ). АРАЛЬСКАЯ КАТАСТРОФА
Под выражением экологический бумеранг, часто употребляемым в последнее время, понимают особо опасные явления, которые возникают в
окружающей среде в результате непродуманной, в экологическом смысле,
хозяйственной деятельности человека и могут оказаться вредными для него самого.
Эффект бумеранга проявляется в двух формах:
1) острых воздействиях, например действие кислых осадков на водные
экосистемы, почвы, растения, строения и другие объекты;
2) перманентных, хронических процессах типа постепенного изменения климата, ослабления принципа Ле Шателье—Брауна и т.п.
Очевидно, что эффект бумеранга проявляется тем сильнее, чем выше
уровень нарушений человеком природных систем.
Выделяются следующие аспекты последствий загрязнения окружающей среды:
1) медико-социальный – воздействие деградирующей среды на здоровье
человека;
2) экономический – негативное влияние загрязнения среды на общественное производство и его конечные результаты;
3) экологический – нарушение процессов протекания естественных природных процессов;
4) духовно-эстетический – негативное влияние деградирующей среды на
духовное состояние и эстетическое восприятие людей.
16
Действие кислых осадков на водные экосистемы. В последние 15 –
20 лет возникла сложная и трудноразрешимая экологическая проблема
кислотных дождей (рН ˂ 5,0). При сжигании различных видов топлив, а
также с выбросами различных предприятий в атмосферу поступает значительное количество оксидов серы и азота. При взаимосвязи их с атмосферной влагой образуются азотная и серная кислоты. К ним примешиваются органические кислоты и некоторые соединения, что в сумме дает
раствор с кислой реакцией. В дальнейшем кислоты выпадают на поверхность суши или водоемов в виде кислотных дождей или иных атмосферных осадков. Отмечены случаи выпадения осадков со значениями рН от
2,2 до 2,3, что соответствует кислотности уксуса.
Кислые осадки особенно типичны для Скандинавских стран, а также
Англии, Германии, Бельгии, Дании, Польши, Канады, северных районов
США. В России очаги образования кислотных дождей приходятся на
Кольский полуостров, Норильск, Челябинск, Красноярск и другие районы.
В Санкт-Петербурге рН дождя колеблется от 4,8 до 3,7, в Москве – от 4,9
до 3,8, в Казани – от 4,8 до 3,3.
Отрицательное влияние кислых осадков разнообразно: почвы, водные
экосистемы, растения, памятники архитектуры, строения и другие объекты в той или иной степени страдают от них.
Рассмотрим действие кислых осадков на водные экосистемы. Кислые
осадки, попадая в водные источники, повышают кислотность и жесткость
воды. При рН ниже шести сильно подавляется деятельность ферментов,
гормонов и других биологически активных веществ, от которых зависит
рост и развитие организмов. Особенно отрицательное действие проявляется на яйцеклетках и молоди гидробионтов.
Сейчас на Земле насчитываются многие тысячи озер, практически
лишившихся своих обитателей. Почти 20% рек и озер Швеции, Норвегии
и Канады потеряли более половины обитающих в них организмов. Так, в
Швеции в 14 тысячах озер уничтожены наиболее чувствительные виды, а
2200 озер фактически безжизненны. Около 1000 озер в США заметно подкислены, а более 3 тысяч имеют кислотность, неблагоприятную для многих обитателей.
Аральская катастрофа. Рассмотрим подробнее эффект экологического бумеранга на примере Аральского моря. Особое внимание будет обращено на макроэкономический уровень, альтернативные методы решения данной экологической проблемы.
Деградация Аральского моря явилась результатом «планомерного»
техногенного аграрного развития в течение 30 лет. И говорить здесь о
случайности, внезапности гибели Арала не приходится. Аральский кризис
можно назвать планомерной катастрофой, вызванной некомпетентным и
природоразрушающим планированием развития экономики Аральского
17
региона, ярким проявлением которого явились «хлопковая монополия»,
недоучет и игнорирование долгосрочных негативных экологических последствий.
Ориентация на производство водоемких сельскохозяйственных
культур (прежде всего хлопка и риса) привела к чрезвычайно водоемкому
характеру сельскохозяйственного производства. На нужды орошаемого
земледелия забиралась подавляющая часть воды, потребляемой в регионе.
В условиях засушливого климата, дефицита воды, несовершенства оросительной инфраструктуры это привело к практически полному изъятию
водных ресурсов. В последние годы в море поступало всего от 4 до 8 км3
воды, тогда как только для поддержания его уровня требуется 33–35 км3.
Ареал экологического кризиса, связанного с гибелью Арала, чрезвычайно обширен. В Аральский регион входят четыре республики Центральной Азии и юг Казахстана.
С каждым годом общая ситуация в Аральском регионе продолжает
ухудшаться. Маловодный характер 1989 г. привел к разделению моря на
две части. Сейчас на месте моря находится несколько мелких озер. Аральская катастрофа – трагический и уникальный случай в человеческой истории, когда человек убил целое море. Если не принять радикальных мер, то
восстановить Арал как единое целое уже не удастся.
К числу негативных экологических последствий Аральского кризиса следует отнести ежегодное снижение уровня моря на 80–100 см,
уменьшение объема на 2/3, возрастание содержания соли в воде в 2,5 раза.
Арал питают две реки – Сырдарья и Амударья, и в отдельные годы последняя вообще не доходит до моря. К чрезвычайно опасным последствиям относится огромный вынос песка и соли с обнажившегося дна бывшего
моря. Ежегодно ветрами поднимается около 75 млн т песка и соли и переносится на сотни километров вокруг. Катастрофически уменьшилось разнообразие видов живой природы. Если ранее в регионе моря обитало 178
видов животных, то теперь это количество сократилось до 38.
Вода в реках, стекающих в Арал, и в самом море чрезвычайно загрязнена остатками ядохимикатов и минеральных удобрений. Это следствие чрезмерной химизации сельского хозяйства региона. Уровень использования пестицидов здесь является одним из самых высоких в мире. При
этом до последнего времени применялись ядохимикаты, опасные для здоровья и запрещенные во многих странах мира. По оценкам международных экспертов, вода в Аральском регионе является одной из худших в мире по уровню загрязнения.
Ухудшение экологической ситуации сопровождается тяжелыми социальными последствиями. Прежде всего это касается глобального ухудшения здоровья населения. К этому приводят и загрязненная химией и солью питьевая вода, и высокое содержание вредных веществ в продуктах
18
питания, производимых в регионе, и загрязнение воздуха во время химических обработок полей, которые проводились с самолетов с низкой точностью. В результате детская смертность достигает 80 детей на 1000 новорожденных. Это в 5–7 раз выше, чем в России, Украине, Белоруссии.
Более 70% взрослых и 80% детей страдают от одной или нескольких болезней. До 90% рожениц больны малокровием и анемией. Все это приводит к постоянному снижению средней продолжительности жизни в регионе. Не случайно для характеристики экологической и социальной ситуации в Аральском регионе часто употребляется слово экоцид – геноцид
природы и человека.
Экологический кризис Приаралья изменил и экономические структуры региона, уничтожил многие традиционные виды деятельности. Например, на Аральском море практически исчезло рыболовство, которое
было чрезвычайно продуктивным. Закрылись и заводы по переработке
рыбы. Такая же печальная судьба постигла морской транспорт. Как памятники экологической катастрофы Арала за десятки километров от современной береговой линии моря, посреди пустыни стоят десятки морских судов.
Эколого-экономический кризис Приаралья породил и такое негативное социальное явление, как массовая безработица.
Наряду с прямым экономическим ущербом, деградация моря наносит и огромный косвенный экономический ущерб. Особенно последний
велик в сельском хозяйстве. Засоление огромных сельскохозяйственных
территорий, вследствие выноса соли со дна бывшего моря, нерациональность оросительных технологий приводят к резкому снижению естественного плодородия земель, ухудшению их качества, к большому недобору
продукции. Урожайность сельскохозяйственных культур на засоленных
угодьях снижается до 50%. Процессы засоления земель приводят и к полному выбытию земель из сельскохозяйственного оборота, превращают аграрные оазисы в пустыни.
Среди других негативных последствий экологических кризисов
следует отметить и политический аспект. Для Аральского региона он стоит довольно остро. Аральский кризис – это глобальный кризис, затрагивающий четыре республики Центральной Азии и Казахстан. И очевидно,
что выйти из этого кризиса можно только совместными усилиями. Однако
распад бывшего СССР, обострение межгосударственных отношений
бывших республик, экономическая отсталость Аральского региона резко
затруднили координацию усилий по решению аральской проблемы.
Варианты решения аральской проблемы. Сложилась тупиковая
ситуация. Население Центральной Азии быстро растет, водных ресурсов
остро не хватает для нужд развивающегося сельского хозяйства, населенных пунктов, промышленности. При сохранении сложившихся экономи19
ческих и социальных тенденций водный дефицит увеличится. Между тем
воды для пополнения Арала нет и в ближайшее время не предвидится.
Где же выход? Надвигающаяся катастрофа Аральского моря стала
ясна еще в 70-е гг. И с этого времени стали разрабатываться проекты спасения моря. Все они базировались на необходимости увеличения водных
ресурсов Аральского региона за счет внешних источников. Здесь самый
известный проект — переброска части стока сибирских рек в Центральную Азию. О грандиозности этого проекта говорят такие цифры: длина
канала из Сибири должна была составить около 2400 км, ширина – до
200 м, стоимость в ценах 80-х гг. – 90 млрд руб. По сравнению с этим каналом Великая Китайская стена и египетские пирамиды – детские игрушки. Проект переброски был практически не обоснован ни экологически, ни
экономически, ни технически.
Более реальным представляется появившийся не так давно вариантблизнец: проект строительства канала из Каспийского моря. Он обладает
теми же недостатками, что и сибирский вариант. Для реализации проекта
необходимо прорыть канал в пустыне длиной в 500 км. Кроме того, в связи с наклоном земной поверхности от Аральского моря к Каспийскому,
для того чтобы вода текла, ее необходимо предварительно поднять на высоту 80 м. Это потребует колоссальных энергетических затрат.
Живучесть идеи переброски в Аральский регион дополнительных
водных ресурсов, строительства каналов базируется на простом
аргументе – «населению нечего пить, надо копать». И весьма вероятно,
что в ближайшее время, если экономическая ситуация улучшится и появятся дополнительные финансовые и материальные ресурсы, может быть
предпринята попытка реализации одного из проектов переброски водных
ресурсов в том или ином виде.
Итак, подавляющее большинство имеющихся планов спасения
Арала являются экстенсивными, они отталкиваются от водных ресурсов,
от того, сколько их используется. А так как их остро не хватает, то делается вывод о необходимости их валового увеличения в Аральском регионе.
Необходима разработка принципиально иной методологии. Рассмотрим возможности альтернативных подходов к решению аральской
проблемы. В соответствии с ними надо идти не от количества используемых водных ресурсов, а с противоположной стороны – от конечного результата. Главный потребитель воды в Центральной Азии – сельское хозяйство. И спасение Арала связано прежде всего с упорядочением использования воды в агропромышленном комплексе (АПК). Проблему водных
ресурсов в аграрной сфере нельзя сводить только к собственно «водным»
вопросам, связанным с переброской, реконструкцией оросительных систем и т.д., необходимо шире рассматривать поставленную проблему, в
тесной связи с другими важными вопросами развития АПК и всей эконо20
мики. В связи с этим необходимо по-новому оценить современную структуру производства и использования продукции мелиорированных угодий.
При сохранении экстенсивных подходов к спасению Аральского
моря, водопользованию происходит неизбежное попадание в замкнутый
круг, когда делаются попытки решить природные проблемы «природными» методами. А сейчас необходимо выйти за пределы этого круга и решать экологические проблемы «внеприродными» альтернативными методами в отраслях, зачастую весьма отдаленных от использования природных ресурсов. Необходим анализ природно-продуктовой вертикали, связывающей водные ресурсы с конечным потреблением.
Для Аральского региона необходимо определить и регулировать
водоемкость всех направлений использования сельскохозяйственной продукции. В противном случае может сложиться такая парадоксальная ситуация, когда после проведения водосберегающих мероприятий в оросительных системах будут практически ликвидированы потери воды, но
структура использования производимой сельскохозяйственной продукции
может быть столь нерациональна, что не хватит никаких водных ресурсов
Аральского региона, несмотря на видимость отсутствия потерь воды.
Во главу угла проектов спасения Арала надо поставить положение
о том, что экономия воды может осуществляться на всех этапах природнопродуктовой цепочки, связывающей водные ресурсы с конечным использованием продукции орошаемых земель. Реализация подобного программно-целевого подхода даст возможность значительно сократить водопотребление в регионе Арала.
Рассмотрим наиболее перспективные в экологическом и экономическом отношении альтернативные варианты спасения Аральского моря.
Среди них можно выделить следующие: развитие инфраструктуры и перерабатывающей промышленности, замена хлопкового волокна химическими волокнами, сокращение экспорта хлопка. Первое и второе направления связаны со структурной перестройкой экономики Аральского региона. Наиболее очевидным вариантом экономии водных ресурсов является изменение экспортной политики. Деградация Аральского моря усугубляется неконструктивной экспортной политикой. Среди разнообразных
сырьевых ресурсов, вывозимых из региона за рубеж, в сфере сельского хозяйства ведущее место занимает хлопок. Значительная часть его сбора (до
30%) экспортируется. С учетом высокой потребности хлопка в орошении
экспортную политику следует охарактеризовать как чрезвычайно водоемкую и как фактор дестабилизации экосистемы Аральского региона. Ежегодный скрытый экспорт воды, аккумулированной в экспортируемом
хлопке, доходит до 15 км3.
С позиций конечных результатов водопользования чрезвычайно
важным является ускорение развития инфраструктуры и перерабатываю21
щей промышленности Аральского региона. Отставание производственносбытовой сферы АПК является главной причиной огромных потерь произведенной сельскохозяйственной продукции, которые достигают трети
объемов производства. Потери означают, что значительная часть водных и
земельных ресурсов функционирует в конечном счете без отдачи. Для
Аральского региона это соответствует ежегодным потерям 15–20 км3 воды, затраченной на производство и аккумулированной в теряемой продукции. Следовательно, возможно значительное сокращение и выведение из
оборота части орошаемых земель за счет резкого ускорения развития производственно-сбытовой сферы, компенсирования уменьшения валового
производства продукции, что позволит сохранить общий выход продукции в регионе на основе ликвидации потерь.
Чрезвычайно перспективным альтернативным вариантом экономии
водных ресурсов в Аральском регионе представляется форсированное
развитие производства химических волокон. Замена хлопковых волокон
на химические способна высвободить колоссальные объемы воды за счет
возможного уменьшения сборов хлопка. Высока экономическая эффективность такого высвобождения. Сейчас количество хлопка, идущего на
технические цели, чрезмерно велико. Доля хлопка, используемого на эти
цели в странах СНГ, в 4 раза больше, чем в США. Низка доля химических
волокон и в общем текстильном балансе – около 40%. В среднем по миру
данный показатель составляет 50%, а в Польше, Испании, Израиле,
США – 60–70%. Всего же замена натурального волокна на продукцию
химии эквивалентна сбережению 10–20 км3 воды.
Размещение промышленности химических волокон должно происходить в водообеспеченных районах. Если в условиях единого экономического пространства бывшего СССР такой маневр не требовал сложных согласований, то теперь, возможно, требуются соответствующие межгосударственные соглашения, так как основные водообеспеченные районы находятся в России. Тем не менее, строительство предприятий химических
волокон целесообразно и для России, вследствие возможного сокращения
импорта хлопка из Аральского региона. Нехватка натурального сырья для
текстильной промышленности, технических изделий и пр. делает необходимым увеличение применения продукции химии, что является более эффективным вариантом по сравнению с дополнительными закупками хлопка-сырца за рубежом.
Таким образом, только нерациональное использование и потери
сельскохозяйственной продукции в Аральском регионе эквивалентны потерям свыше 40 км3 воды, непродуктивному функционированию почти
половины всех орошаемых земель. При продуманной и экономной системе использования и распределения продукции мелиорированных угодий
требуется гораздо меньше водных и земельных ресурсов, чем сейчас их
22
используется. При этом сохраняется и увеличивается уровень конечного
потребления продукции сельскохозяйственного происхождения.
Если идти от конечного результата и приблизиться к началу построенной природно-продуктовой цепочки – водным ресурсам, то самый
большой резерв – ликвидация потерь воды в мелиоративных системах.
Сейчас более половины забираемой на орошение воды не доходит до полей и испаряется, просачивается и т.д. Для Аральского региона цифра таких потерь воды составляет 30–40 км3 в год. Для использования этих резервов воды необходимы кардинальная реконструкция действующих оросительных систем, применение прогрессивных технологий полива. Однако свыше 90% протяженности каналов имеют обыкновенное земляное покрытие. О возможном эффекте говорит тот факт, что староорошаемые
угодья с земляными каналами требуют до 30–40 тыс. м3 воды на 1 га в год,
а новые, реконструированные земли – только 6–10 тыс. м3.
В целом если просуммировать по природно-продуктовым цепочкам
имеющиеся резервы и потери воды в Аральском регионе, то получится
около 70 км3 воды. Конечно, далеко не все эти водные ресурсы могут быть
сейчас сэкономлены, но это именно тот источник, из которого надо брать,
постепенно, по частям, для спасения Арала. Данный объем воды вдвое
превышает потребности в водных ресурсах для стабилизации моря.
2.3 ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭКОНОМИЧЕСКОГО
И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕДА
Помимо вредного влияния на здоровье людей, загрязнение биосферы
наносит огромный ущерб экономике. Подразделение вреда от загрязнения
природной среды на экономический и экологический логично вытекаетиз
самой системы взаимодействия общества и природы, где функционируют
две подсистемы — экономическая и экологическая.
Рассмотрим более подробно возможные формы и виды ущерба, образовавшиеся в результате изменений в природной среде под влиянием
хозяйственной деятельности человека. Согласно Т.А. Деминой (1996 г.),
все виды ущерба можно подразделить на исчислимые (стоимостные или
натуральные) и условно-исчислимые, т.е. практически не поддающиеся количественной оценке.
В свою очередь, исчислимый ущерб подразделяется на экономический и социально-экономический.
Экономический ущерб включает: потери в результате недополучения
промышленной, сельскохозяйственной и лесохозяйственной продукции;
потери вследствие снижения продуктивности биогеоценозов; затраты,
обусловленные сокращением срока службы зданий и сооружений; потери
сырья, топлива и материалов, вызванные выбросами, сбросами; затраты на
23
ликвидацию последствий от загрязнения; затраты на восстановление или
поддержание равновесия в экосистемах; потери производства, вызванные
снижением эффективности труда, которое, в свою очередь, обусловлено
ростом заболеваемости.
К социально-экономическому ущербу относятся: затраты в области
здравоохранения и социального обеспечения из-за роста заболеваемости;
затраты на сохранение рекреационных ресурсов; потери вследствие миграции, вызванной ухудшением качества среды.
Условно-исчислимый вид ущерба подразделяется на социальный и
экологический.
К социальному ущербу относятся: эстетический ущерб от деградации
ландшафтов; рост смертности, патологических изменений в организме
людей; психологический ущерб, вследствие неудовлетворенности населения качеством среды.
Экологический ущерб составляют необратимые разрушения уникальных экосистем, исчезновение некоторых видов флоры и фауны, генетический ущерб.
Так, экономический вред, возникший в результате нарушения правил пожарной безопасности в лесах, включает: стоимость уничтоженной
огнем товарной древесины, строений и сооружений, пострадавших при
пожаре, затраты на тушение пожара и последующую уборку территории,
расходы по возмещению ущерба другим организациям и лицам. Однако
есть и другие потери. Перестал существовать лесной массив, атмосфера
лишилась одного из естественных своих фильтров, очищающих воздух от
пыли и газов, а почвы и реки — от эрозии и обмеления. Отсюда возникает
необходимость исчислять не только экономический, но и экологический
вред. Экологический вред посягает на право человека на чистую, здоровую и благоприятную для жизни природную среду.
Вред экологический неразрывно связан с экономическим, поскольку
оба исходят из одного и того же источника причинения и имеют одни и те
же способы проявления. Так, загрязнение водоема в результате сброса неочищенных стоков не только ухудшает качество вод, делая их экологически вредными, но и наносит ущерб товарным запасам рыб и других водных животных, приводит в негодность пляжи, места отдыха.
Ущерб от загрязнения окружающей среды непрерывно растет, причем во всех промышленно развитых странах: например, по данным Национального совета США по контролю за загрязнением, ущерб от выбросов
вредных веществ, в атмосферу для экономики страны составил в 1968 г.
1,6 млрд дол., а в 1977 г. уже 24,9 млрд дол. По некоторым сведениям,
ныне он превышает астрономическую цифру —100 млрд дол.
Выразить экологический вред в деньгах — это значит не только оценить необходимые затраты на восстановление нарушенной природной
24
среды, на воспроизводство природных ресурсов и комплексов, но обязательно следует вычислить и те потери, которые невосполнимы или трудновосполнимы. Например, в случае уничтожения лесного массива в расчет ущерба необходимо брать: а) расходы по посадке и выращиванию леса
до взрослого состояния; б) стоимость ущерба, который будет нанесен
природной среде (рекам и озерам, почвам, животному миру) и здоровью
человека (из-за ухудшения процессов поглощения лесом диоксида углерода, генерации кислорода в результате фотосинтеза); в) морально-эстетический ущерб для населения в течение всего периода постепенного биологического созревания вновь посаженного леса.
Учет экологического фактора в инвестиционном проекте в
орошаемом земледелии. В регионах орошаемого земледелия в мире и
стране все острее ощущаются проблема исчерпания водных ресурсов, нехватка пригодных для орошения земель, огромные масштабы засоления
орошаемых угодий, загрязнение воды, земли, сельскохозяйственной продукции остатками пестицидов и минеральных удобрений. Для экономии
воды используются прогрессивные технологии мелиорации земель: подпочвенное и капельное орошение, двухстороннее регулирование водного
режима, закрытая оросительная сеть и др. Здесь следует отметить все шире распространяющееся в мире капельное орошение, которое позволяет
резко сократить расход воды. Основная его особенность заключается в
непосредственной подаче воды, чаще всего смешанной с удобрениями, к
корням растений по уложенным в землю полиэтиленовым трубкам. Расход воды при таком способе полива сокращается в 2–3 раза, предупреждаются ирригационная эрозия и заиливание почвы.
Основная проблема, препятствующая широкому использованию
прогрессивных технологий в орошении, лежит в сфере инвестиций. В
Аральском регионе при строительстве водосберегающих систем затраты
возрастают до шести раз по сравнению с традиционными способами орошения. Например, строительство примитивных земляных каналов для полива обходится в расчете на 1 га в 110–130 руб. (в ценах 80-х гг.), тогда
как прогрессивные мелиоративные системы с орошением по трубопроводам обходятся в 460–660 руб./га. Но в дешевом земляном канале теряется
50–60% воды из-за фильтрации, испарения, просачивания и т.д.
Однако, если в расчет берется только величина инвестиций, а экологические факторы игнорируются, то ответ очевиден: надо строить как
можно более дешевые системы, не учитывая проблемы экономии водных
и земельных ресурсов. Такая ситуация развивалась в Аральском регионе в
60–80 гг., что и стало важной причиной экологической катастрофы и исчезновения моря.
Учет цены—экономической оценки воды и земли – абсолютно меняет процесс принятия решений. Такой учет делает экономически выгод25
ным строительство прогрессивных оросительных систем. Здесь можно
выделить ряд обстоятельств: 1) учет экономии воды; 2) экономию площадей орошаемых земель (закрытое подземное орошение требует на 18%
меньше отчуждения земли по сравнению с открытыми каналами); 3) предотвращение засоления земель; 4) предотвращение загрязнения водных
ресурсов; 5) сокращение эксплуатационных затрат и пр.
Для сравнения экономической эффективности оросительных систем с различными капиталоемкостью и технологиями полива можно использовать модифицированную формулу приведенных затрат при прогнозируемом объеме сельскохозяйственной продукции:
𝐶𝑖 + 𝑟𝐾𝑖 + 𝐵𝑖 − 𝐵 + 𝑟 𝑆𝑖 − 𝑆 + 𝑍𝑠𝑖 + 𝑟𝑍𝑖 → min ,
где 𝐶𝑖 – текущие затраты в i-й системе; 𝐾𝑖 – капитальные вложения в i-й вид
оросительной системы; 𝐵– экономическая оценка воды, используемая в
течение года в системе с наименьшей водоемкостью; 𝐵𝑖 – экономическая
оценка воды, используемой в течение года в i-й системе; 𝑆 – экономическая оценка земли, отчуждаемой при орошении, в наименее землеемкой
системе; 𝑆𝑖 −экономическая оценка земли, отчуждаемой при строительстве i-й системы; 𝑍𝑠𝑖 – затраты на i-й системе для предотвращения засоления
земель; 𝑍𝑖 – экологические компенсационные затраты при ведении сельскохозяйственных работ на i-й системе; r – коэффициент дисконтирования
(может быть разным для различных показателей).
В формуле большое влияние на выбор варианта проектаоросительной системы оказывает экологическая составляющая в виде суммы четырех показателей:
𝐵𝑖 − 𝐵 + 𝑟 𝑆𝑖 − 𝑆 + 𝑍𝑠𝑖 + 𝑟𝑍𝑖 .
Расчеты по формуле показывают, что более капиталоемкие и дорогие – по сравнению с традиционными – прогрессивные оросительные системы оказываются экономически эффективнее за счет значительного эколого-экономического эффекта, выражающегося в экономии воды, земли,
сокращении негативного воздействия на окружающую среду. Сумма в
формуле для прогрессивных систем оказывается меньшей подобного показателя для традиционных в 2–2,5 раза.
3.ОХРАНА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
3.1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО И ОХРАНА
ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Водное законодательство включает Водный кодекс Российской Федерации и принимаемые в соответствии с ним федеративные законы и
иные нормативные правовые акты, а также законы и иные нормативные
правовые акты субъектов РФ (республик, краев, областей).
26
Целью водного законодательства является регулирование отношений в области использования и охраны водных объектов. При этом использование водных объектов для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения является приоритетным. Для указанного вида водоснабжения необходимо использовать защищенные от засорения и загрязнения
поверхностные и подземные водные объекты.
На всех водопользователей в законодательном порядке возлагается
обязанность сокращать изъятия и потери воды, не допускать засорения,
истощения и загрязнения водных объектов. Запрещен сброс сточных вод
(СВ) в водные объекты, если последние отнесены к особо охраняемым,
содержат природные лечебные ресурсы, находятся в местах массового отдыха населения или курортных зонах, а также в местах нереста и зимовки
ценных видов рыб и т.п.
Водный кодекс РФ запрещает вводить в эксплуатацию:
- любые объекты, которые не оборудованы очистными сооружениями и устройствами, предотвращающими засорение, истощение и загрязнение водных объектов;
- сбросные и водосборные сооружения, а также гидротехнические
сооружения (ГТС) без рыбозащитных устройств;
- объекты промышленности, сельского хозяйства и другие комплексы, которые не имеют санитарно-защитных зон;
- оросительные, обводнительные и осушительные системы, водохранилища, плотины и каналы до завершения мероприятий, которые
предотвращают их вредное воздействие на водные объекты.
Главную роль в охране вод играет государственный учет поверхностных и подземных вод, который осуществляется в целях текущего и
перспективного планирования рационального использования водных ресурсов, их восстановления и охраны. В его основе лежат данные государственного мониторинга и данные учета, которые предоставляются водопользователями. Своды систематизированных данных о водных объектах,
водных ресурсах, режиме, качестве и использовании вод, а также о водопользователях включаются в Водный кадастр.
Важную роль в охране водных ресурсов играет лицензирование водопользования, а также сброса сточных и других вод. Порядок лицензирования водопользования регулируется ст. 48—53 и 83 Водного кодекса РФ, а также Постановлением Правительства РФ «Об утверждении
Правил предоставления в пользование водных объектов, находящихся в
государственной собственности, установления и пересмотра лимитов водопользования, выдачи лицензии на водопользование и распространительной лицензии».
Нарушение требований по охране и рациональному использованию
водных объектов влечет за собой ограничение, приостановление и даже
27
запрещение эксплуатации хозяйственных и других объектов, которые оказывают негативное влияние на состояние водных объектов. Решение об
этом принимается Правительством РФ или органами исполнительной власти ее субъектов. Предварительно дается представление специально уполномоченного государственного органа управления использованием и охраной водного фонда, специально уполномоченных государственных органов в области охраны ОПС, государственного органа санитарноэпидемиологического надзора.
3.2 МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Государственный мониторинг водных объектов, являясь составной
частью системы государственного мониторинга окружающей природной
среды, включает мониторинг поверхностных водных объектов суши и морей, мониторинг подземных водных объектов, мониторинг водохозяйственных систем и сооружений.
Он предусматривает: 1) постоянные наблюдения за их состоянием,
качественными и количественными показателями как поверхностных, так
и подземных вод; 2) сбор, хранение и обработку данных наблюдений;
3) создание и ведение банков данных; 4) оценку, составление прогнозов
изменения состояния водных объектов и передачу соответствующей информации правительственным органам Федерации и ее субъектов.
Государственный мониторинг водных объектов осуществляет Министерство природных ресурсов (МПР), Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и другие
специально уполномоченные государственные органы в области охраны
окружающей среды.
Министерство природных ресурсов РФ отвечает за развитие сети
станций и постов наблюдения на водных объектах, разработку автоматизированных информационных систем (АИС) по ведению государственного мониторинга водных объектов, создание наблюдательной сети постов на водохозяйственных системах и сооружениях. Росгидромет ведет
наблюдение за загрязнением поверхностных вод суши, охватывая при
этом 154 водоема и 11721 водотока, на которых исследуются гидрохимические показатели.
Санитарно-эпидемиологическая служба России отвечает за санитарную охрану водоемов. Она располагает 2600 санитарно-эпидемиологическими учреждениями, 35 научно-исследовательскими учреждениями гигиенического и эпидемиологического профиля. Кроме того, имеется сеть санитарных лабораторий на предприятиях, занятых изучением
состава сточных вод и качества воды водоемов.
28
В настоящее время большое внимание уделяется развертыванию сети автоматизированных станций, которые способны измерять и контролировать изменение десятков показателей качества воды.
3.3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНТРОЛЬ
ЗА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И ОХРАНОЙ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ.
КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Охрана поверхностных вод. К поверхностным относятся воды, постоянно или временно находящиеся на земной поверхности. Это воды рек,
временных водотоков, озер, водохранилищ, прудов, водоемов, болот, ледников и снежного покрова.
Поверхностные воды охраняются от засорения, истощения и загрязнения. Для предупреждения их засорения осуществляют мероприятия,
которые исключают попадание в воды мусора, твердых отходов и других
предметов, отрицательно воздействующих на качество вод и условия обитания гидробионтов. Строгий контроль за минимально допустимым стоком вод, ограничение их нерационального потребления способствуют защите поверхностных вод от истощения.
Весьма важной и притом сложной проблемой является защита поверхностных вод от загрязнения. С этой целью предусматривается ряд мероприятий, в частности: мониторинг водоохранных зон; развитие безотходных и безводных технологий, а также систем оборотного (замкнутого)
водоснабжения; очистка сточных вод (промышленных, коммунальнобытовых и других); очистка и обеззараживание поверхностных и подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения и других целей.
Охрана подземных вод. Поверхностная гидросфера неразрывно связана с атмосферой, подземной гидросферой, литосферой и другими компонентами окружающей среды. Поэтому, учитывая взаимосвязь всех ее
экосистем, нельзя обеспечить чистоту поверхностных водоемов и водотоков без соответствующей защиты подземных вод. Защита подземных вод
заключается в предотвращении истощения запасов подземных вод и предохранении их от загрязнения.
Согласно ст. 1 Водного кодекса РФ, подземные воды — это воды, в
том числе минеральные, находящиеся в подземных водных объектах. При
этом подземные воды и вмещающие их горные породы признаны единым
водным объектом.
В целях борьбы с истощением запасов пресных подземных вод, являющихся стратегическим резервом, для питьевого водоснабжения будущих поколений предусматриваются следующие мероприятия: 1) рациональное размещение водозаборов по площади; 2) регулирование режима
водоотбора подземных вод; 3) уточнение величины эксплуатационных за29
пасов, чтобы не допустить их истощения; 4) для самоизливающихся артезианских скважин установление кранового режима эксплуатации.
Борьба с загрязнением подземных вод включает профилактические и
специальные мероприятия. Профилактические меры являются основными,
поскольку требуют наименьших затрат. Специальные мероприятия направлены, в первую очередь, на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (противофильтрационные стенки,
завесы), перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа или
откачки их из специальных скважин.
Важнейшей профилактической мерой предупреждения загрязнения
подземных вод в районах водозаборов служит устройство вокруг них зон
санитарной защиты.
Зоны санитарной защиты (ЗСЗ) состоят из трех поясов. Первый пояс
включает территорию на расстоянии 30—50 м непосредственно от места
водозабора (скважины). Это зона строгого режима, в ней запрещено присутствие посторонних лиц и проведение работ, не связанных с эксплуатацией водозабора. Второй пояс ЗСЗ служит для защиты водоносного горизонта от бактериальных загрязнений, а третий — от химических загрязнений. Здесь запрещается размещение любых объектов, которые могут вызвать то или иное загрязнение, например животноводческих комплексов,
не допускается рубка леса, использование ядохимикатов и др.
Министерство природы России в 1998 г. утвердило методические
указания по разработке нормативов предельно допустимых вредных воздействий (ПДВВ) на подземные водные объекты и предельно допустимых
сбросов вредных веществ в подземные водные объекты. Нормативы
ПДВВ представляют собой совокупность количественных и качественных
показателей (характеристик) процессов и сооружений, которые могут оказывать вредное воздействие на подземные воды. В случае соблюдения
этих нормативов вредное воздействие не превышает допустимых пределов.
Нормативы ПДВВ определяются для каждого проектируемого,
строящегося или действующего объекта хозяйственной деятельности
применительно к конкретному подземному водному объекту, на который
может оказывать воздействие указанная деятельность.
Охрана малых рек. В России свыше 2,5 млн малых рек длиной до
100 км. Они формируют почти половину суммарного объема речного
стока, в их бассейнах проживает до 44% всего городского населения и
почти 90% сельского.
Малые реки, будучи своеобразным компонентом географической,
среды, выполняют функции регулятора водного режима определенных
ландшафтов, поскольку в значительной степени сдерживают равновесие
и осуществляют перераспределение влаги. Добавим к этому, что они оп30
ределяют гидрологическую и гидрохимическую специфику средних и
крупных рек.
Поскольку сток малых рек формируется в тесной связи с ландшафтом
бассейна, они отличаются высоким уровнем уязвимости, причем не только при чрезмерном использовании водных ресурсов, но и при освоении
водосбора. Особенно большой вред малым рекам наносит интенсивная
хозяйственная деятельность. Из-за этого они быстро зарастают и заболачиваются, деградируют и, в конце концов, исчезают.
Охрана вод малых рек тесно связана с охраной от загрязнения той
территории, с которой река собирает свои воды. Специалисты подсчитали, что за год в малые реки Владимирской области поступает более
4000 т органики, 6000 т взвешенных веществ, десятки тонн нефтепродуктов, а с полей смывается паводками и дождями более 2000 т аммонийного азота и 600 т нитратов.
Поскольку у малых рек способность к самоочищению существенно
ниже, нежели у больших, важно создавать на их берегах водоохранные
зоны и строго поддерживать их режим. В указанную зону (шириной от
100 до 500 м) входят пойма, надпойменные террасы, бровки и крутые
склоны берегов, овраги и балки. Вдоль берегов рекомендуется устройство полосы леса или луга шириной от 15 до 100 м. Запрещается распашка
склонов по берегу, выпас скота, строительство животноводческих ферм,
обработка прилегающих к рекам полей ядохимикатами. Овраги, примыкающие к водоохранной зоне, должны быть укреплены, родники, которые питают малую реку, — расчищены.
Повышению способности малых рек к переработке биохимически
окисляемых примесей, которые поступают со стоками и сбросами загрязненных вод, способствует искусственная аэрация. Это достигается посредством установки плотины с переливом, благодаря чему падающая
даже с небольшой высоты вода хорошо насыщается кислородом.
Организация водоохранных зон. Для поддержания водных объектов в
состоянии, которое соответствует экологическим требованиям, исключает
загрязнение, засорение и истощение поверхностных вод и сохраняет среду
обитания животных и растений, организуют водоохранные зоны. Ими являются территории, примыкающие к акватории рек, водохранилищ и других
поверхностных водных объектов; на них устанавливается специальный
режим использования и охраны природных ресурсов, а также осуществления иной деятельности. В пределах указанных зон устанавливаются прибрежные защитные полосы, где не разрешается распахивать землю, рубить лес, размещать фермы, и т.п.
Согласно Водному кодексу РФ, на правительство страны возложена
обязанность установления размеров и границ водоохранных зон и их прибрежных защитных полос. Так, минимальная ширина указанных зон для
31
озер от среднемноголетнего уреза в летний период и для водохранилищ от
уреза воды при нормальном подпорном уровне при акватории до 2 км 2 составляет 300 м, более 2 км2 — 500 м.
Аналогичный показатель для рек определяется длиной реки: от истока до 10 км — 15 м; от 11 до 50 км — 100 м; от 51 до 100 км — 200 м; от
201 до 300 км — 400 м; свыше 500 км — 500 м.
Большое значение в деле охраны поверхностных вод от засорения и
загрязнения имеют водоохранные лесные насаждения вокруг естественных и
искусственных водоемов и водотоков. Они предназначены для защиты их
от разрушительных действий ветров и поступающей в них с водосбора
воды, а также для уменьшения потерь воды на испарение. Лесные насаждения улучшают водный режим водоемов, санитарно-гигиенические условия побережья и его ландшафтно-декоративное оформление, качество воды в водоемах, уменьшают их заиление, сокращают потери земельных
угодий из-за переработки берегов волнами (абразии). Водоохранные лесные насаждения, размещаемые вокруг питьевых водохранилищ, должны
удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям, которые предъявляются к питьевым водохранилищам. В их состав входят до 50% хвойных
пород, которые размещают в крайних 2—3 рядах со стороны водохранилища для защиты его зеркала от опадающих листьев. Кроме хвойных, в
эти насаждения вводят лиственные породы, обладающие большой фитоцидной способностью (липа, тополь и др.).
Помимо водоохранных зон, в целях обеспечения охраны вод могут
устанавливаться также зоны и округа санитарной охраны. Они устанавливаются в целях охраны водных объектов, используемых для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также содержащих природные лечебные ресурсы.
Освоение безводных и бессточных технологий. Подсчитано, что
3
1 м неочищенной сточной воды, поступивший в природный водный объект, может загрязнить сотни кубометров чистой воды, создав тем самым
неприемлемые условия для жизнедеятельности гидробионтов. Поэтому
перспективны такие технологии, которые или вообще не используют воду,
или не образуют загрязненных стоков. Успешное внедрение их в практику
полностью решило бы проблему защиты водоемов от загрязнения. В настоящее время в ряде производств химической промышленности, например в производстве аммиака, синтетического метанола и других продуктов, перешли от водяного охлаждения высокотемпературных газовых смесей на воздушное. Так были сняты весьма острые вопросы забора свежей
воды для производственных нужд и образования загрязненных сточных
вод.
Перспективны также технологии водообеспечения, которые характеризуются минимальным потреблением свежей воды. При замкнутой
32
технологии предприятие забирает воду из природного источника, использует ее для производства продукции, после чего образовавшаяся СВ подвергается глубокой очистке и вновь возвращается в цикл. Имеющиеся небольшие потери воды, например при испарении, пополняются посредством забора свежей воды.
В ряде отраслей промышленности частично реализованы замкнутые
водооборотные схемы с локальной очисткой. Так, в нефтехимической
промышленности оборотное водоснабжение сэкономило 90% воды производственного назначения.
Подготовка воды для питьевых целей. Важнейшей среди водоохранных проблем является разработка эффективных с экологогигиенических позиций методов подготовки поверхностных вод для питьевых целей.
Загрязнение природных источников питьевого водоснабжения при
недостаточной эффективности работы водоочистных сооружений влечет
за собой ухудшение качества подаваемой потребителям питьевой воды и
создает опасность для здоровья населения во многих регионах России,
обусловливает высокий уровень заболеваемости кишечными инфекциями,
увеличивает степень риска воздействия на организм человека канцерогенных и мутагенных факторов.
Каждый второй житель нашей страны вынужден использовать для
питьевых целей воду, не соответствующую по ряду показателей гигиеническим требованиям; почти треть населения страны пользуется децентрализованными источниками водоснабжения без соответствующей водоподготовки; население ряда регионов страдает от недостатка питьевой воды и отсутствия связанных с этим санитарно-бытовых условий. Отставание России от развитых стран по средней продолжительности жизни и повышенная смертность (особенно детская) в значительной мере связаны с
потреблением недоброкачественной воды.
Более 100 лет метод обеззараживания воды хлором является в России наиболее распространенным способом борьбы с загрязнением. В последние годы было установлено, что хлорирование воды представляет
серьезную угрозу для здоровья людей, поскольку попутно образуются
крайне вредные хлорорганические соединения и диоксины. Добиться
снижения концентрации указанных веществ в питьевой воде можно путем
замены хлорирования на озонирование или обработку УФ-лучами. Эти
прогрессивные методы широко внедряются на станциях водоподготовки
многих стран Западной Европы и США. В нашей стране, к сожалению, изза экономических трудностей применение экологически эффективных
технологий осуществляется крайне медленно.
На ряде отечественных станций водоподготовки на заключительной
стадии используют сорбционные процессы с применением акти33
вированных углей (адсорбентов), которые эффективно извлекают из воды
нефтепродукты, СПАВ, пестициды, хлорорганические и другие соединения, в том числе и обладающие канцерогенными свойствами.
При неуклонном возрастании техногенного загрязнения поверхностных вод в мировой практике питьевого водоснабжения в последние десятилетия наметилась тенденция к переходу на использование артезианских (подземных) вод. Артезианские воды выгодно отличаются от поверхностных: уровень их минерализации, органического, бактериального
и биологического загрязнения намного ниже. В ряде случаев такие воды
вполне отвечают гигиеническим требованиям и могут подаваться потребителям, минуя традиционную подготовку. Однако, если артезианские воды по своей гидрохимической природе бескислородны (не содержат растворенного кислорода), то они могут содержать ингредиентывосстановители (ионы Mn2+, Fe2+и сероводород) в концентрациях, превышающих допустимые. Тогда необходима очистка, которая сводится к обработке воды сильными окислителями, например перманганатом калия,
озоном, кислородными соединениями хлора. В результате обработки названные примеси переходят в нерастворимое состояние и затем легко удаляются фильтрованием.
Государственный контроль за использованием и охраной водных
ресурсов. В 1997 г. Правительство России утвердило «Положение об осуществлении государственного контроля за использованием и охраной
водных объектов», в соответствии с которым указанный контроль осуществляют Министерство природных ресурсов (МПР), отделы государственного контроля за использованием и охраной водных объектов
территориальных органов (бассейновых органов, которые функционируют на территории субъекта Российской Федерации).
Основной задачей МПР является осуществление государственного
контроля за соблюдением требований водного законодательства России,
стандартов, нормативов, правил и иных правовых актов, имеющих обязательную силу для всех пользователей водными объектами при проведении
ими всех видов работ, связанных с использованием и охраной водных
объектов, в том числе внутренних морских вод и территориального моря
РФ. Вместе с органами Госсанэпиднадзора Министерство осуществляет
государственный контроль за изучением, использованием и охраной подземных водных объектов, а совместно с органами федерального горного
промышленного надзора водных объектов, содержащих природные лечебные ресурсы.
Государственные инспекторы по контролю за использованием и охраной водных объектов наделены широкими полномочиями, в частности
они имеют право: посещать без предварительного уведомления объекты и
организации, являющиеся водопользователями и водопотребителями, а
34
также при необходимости военные, оборонные и другие объекты с учетом
установленного режима их посещения; давать обязательные для использования предписания по устранению выявленных в ходе проверок нарушений режима пользования водными объектами и контролировать их исполнение; осматривать и при необходимости задерживать суда (в том числе
иностранные), допустившие незаконный сброс загрязняющих веществ или
не принявшие необходимые меры по предотвращению загрязнения водных объектов; предъявлять организациям (в том числе режимным) и физическим лицам требования провести мероприятия по улучшению состояния, использования и охраны водных объектов и по организации контроля
за сточными водами и их влиянием на водные объекты; рассматривать
дела об административных правонарушениях и налагать административные взыскания на лиц, виновных в нарушении водного законодательства.
Следует иметь в виду, что решения органов государственного контроля за использованием и охраной водных объектов являются обязательными для исполнения всеми водопользователями.
Контроль загрязнения поверхностных вод. Он производится регулярно специально созданной сетью пунктов наблюдения. Порядок организации и проведения наблюдений на этих пунктах определен
ГОСТ 17.1.3.07—82 и соответствующими методическими указаниями.
Разработанная система контроля предусматривает согласованную программу работ по гидрохимии, гидрологии, гидробиологии и получение
данных, характеризующих качество воды по физическим, химическим,
гидробиологическим показателям.
Важнейшей задачей контроля качества поверхностных вод является
правильный выбор пунктов наблюдения, под которыми понимается место на водоеме или водотоке, где производится комплекс работ для получения данных о качестве воды. Пункты наблюдения, в зависимости от
народнохозяйственного значения водных объектов, их размеров и экологического состояния, подразделяются на 4 категории.
I категория – районы городов с населением свыше 1 млн человек;
районы важного рыбохозяйственного назначения (места нереста и зимовья особоценных видов промысловых организмов).
II категория – районы городов с населением 0,5–1 млн человек; районы важного рыбохозяйственного назначения (места нереста и зимовья
ценных видов промысловых организмов, предплотинные участки рек);
пересечение реками государственной границы.
III категория – районы городов с населением менее 0,5 млн человек;
замыкающие створы больших и средних рек и водоемов.
IV категория – районы территории государственных заповедников и
национальных парков; водоемы и водотоки, являющиеся уникальными
природными образованиями.
35
Пункты наблюдения могут включать один или несколько створов,
которые представляют собой условные поперечные сечения водоема или
водотока. Расположение створов наблюдения зависит от гидрологических и морфологических особенностей водного объекта, положения источников загрязнения, объема и состава сточных вод, интересов водопользователей.
Один створ устанавливается на водотоках, не имеющих организованного сброса сточных вод, в устьях загрязненных притоков, на незагрязненных участках водотоков, на замыкающих и предплотинных участках рек, в местах пересечения государственной границы.
Два створа и более устанавливают на водотоках с организованным
сбросом сточных вод. Один из них располагают в 1 км выше источника
загрязнения, вне зоны его влияния, другие — ниже источника сточных
вод. Расположение створов ниже источника загрязнения определяется характером распространения загрязняющих веществ и устанавливается в
местах достаточно полного (не менее 80 %) смешения сточных и речных
вод на участках, указанных в соответствующих нормативных документах.
При контроле качества воды всего водоема устанавливается не менее
трех створов, равномерно распределенных по акватории. Для наблюдения
за качеством воды на отдельных загрязненных участках водоема створы
располагаются с учетом условий водообмена. В проточных водоемах с
интенсивным водообменом створы располагаются так же, как и на водотоках: первый в 1 км выше источника загрязнения, остальные — ниже, на
расстоянии 0,5 км от сброса сточных вод, и за границей загрязненной зоны. На водоемах с умеренным и замедленным водообменом один створ
устанавливается вне зоны влияния сточных вод, другой совмещается с
местом сброса загрязненных стоков, остальные (не менее двух) располагаются по обе стороны от источника загрязнения, на расстоянии 0,5 км от
него, и за границей зоны загрязнения.
В створе водного объекта может быть несколько вертикалей с опробованием воды из разных горизонтов. Количество вертикалей в створе
определяется шириной зоны загрязнения, условиями смешения природных и сточных вод.
Количество горизонтов на вертикали зависит от глубины водного объекта. При глубине до 5 м устанавливается один горизонт на расстоянии
0,3 м от поверхности воды. В водных объектах глубиной 5— 10 м исследуются два горизонта— поверхностный и придонный (0,5 м от дна). При
глубине 10 — 100 м устанавливаются 3 горизонта: поверхностный, на половине глубины и придонный.
Для большинства водных объектов наблюдения по обязательной программе производятся 7 раз в год: во время половодья — на подъеме, пике
и спаде; во время летней межени — при наименьшем расходе воды и при
36
прохождении дождевого паводка; осенью перед ледоставом; во время
зимней межени.
Отбор проб воды для определения ее химического состава и физических свойств производится в соответствии с ГОСТ 17.1.5—85. Из поверхностного горизонта пробы отбираются бутылью или эмалированным
ведром, из глубинных слоев — батометром. Объем пробы с каждого
створа составляет 7—8 л. Отобранная вода разливается в различные емкости для раздельного анализа на отдельные ингредиенты и загрязняющие вещества. Для анализа природных вод используют фотометрические,
газохроматографические, атомно-абсорбционные методы.
Для оперативного контроля и управления качеством поверхностных
вод разрабатываются и внедряются автоматизированные системы наблюдения, которые включают автоматические станции и передвижные гидрохимические лаборатории, предназначенные для оперативного контроля
загрязнения поверхностных вод, стационарные гидрохимические лаборатории, позволяющие выполнять более сложный и точный анализ природных вод, центр обработки поступающей информации.Такие системы
способны контролировать с помощью всех своих звеньев около 50 показателей и ингредиентов, из которых 17 измеряются автоматически.
К характерным загрязняющим веществам могут относиться главные
ионы, биогенные вещества, широко распространенные специфические
загрязняющие вещества, которые в этом случае определяются по сокращенной программе 2 или 3.
4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ
И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
4.1 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Показатели качества природных вод в целом характеризуются разнообразными показателями, важнейшими из которых являются: температура, реакция среды, цветность, запах и привкус, мутность, ионный состав,
наличие растворенных газов, наличие соединений фтора, йода и токсичных соединений, санитарно-бактериологические и гидробиологические
показатели. Показатели качества воды регламентируются ГОСТами.
Температура – физический показатель качества воды. Температура
воды поверхностных водоисточников меняется в зависимости от сезона,
грунтовые воды имеют относительно постоянную температуру 8 – 10°С.
Для питьевых целей желательно использовать воду температурой 7-15°C.
Температура влияет на вязкость воды и, следовательно, на скорость
осаждения взвешенных частиц. Измеряется температура непосредственно
при отборе пробы термометром с делениями 0,1°С с точностью ± 0,5°С.
37
Реакция среды. Вода из хозяйственно-питьевого назначения должна
иметь значения pH от 6,5 до 8,5.Такое требование связанно с необходимостью удовлетворения физиологических потребностей человека и исключения коррозии материалов труб и сооружений. Для большинства природных водоисточников величина pH не выходит за эти пределы. Значение
pH определяют электрометрически с использованием стеклянных и каломельных электродов. Допускается измерение с набором буферных смесей
в качестве стандартных.
Величина pH– мера активной реакции среды или активной кислотности, обусловленной присутствием в растворе свободных ионов водорода. Для количественной характеристики кислотности растворов пользуются также понятием «общая кислотность», для выражения которой служит
нормальность, равная числу грамм-эквивалентов кислоты в 1 л. Общая кислотность называется титруемой аналитической, так как определяется
титрованием раствора щелочью. Активная кислотность составляет только
часть общей кислотности и тем большую, чем выше степень диссоциации
кислоты, присутствующей в растворе.
Для характеристики растворов с величиной pH менее 4,5 кроме активной и общей кислотности определяют свободную кислотность, которая
выражается числом грамм-эквивалентов щелочи, необходимым для нейтрализации 1 л раствора до величины pH, равной 4,5.
Цветность– показатель, обусловленный наличием в воде гуминовых и фульвокислот и их растворов солей, а также присутствием соединений железа. Примеси, обусловливающие цветность воды по степени дисперсности, относятся ко второй группе. Количество примесей в воде, обусловливающих цветность, зависит от многих факторов и главным образом
от наличия торфяников в бассейне водоисточника.
Цветность воды, имеющую большую концентрацию взвешенных
веществ, определяют после предварительного отстаивания пробы или в
фильтрате. При массовом развитии водорослей в поверхностных водоемах
вода может приобретать различные оттенки, однако на величину показателя «цветность» это не должно влиять, так как при фильтровании воды
клетки водорослей задерживаются на фильтре. Следует отметить, что нет
прямого соответствия между цветностью и количеством органических
веществ, вызывающих окраску. Поэтому степень цветности выражается не
в миллиграммах на литр какого-то вещества, а в особых единицах и градусах. Измерение производится путем сравнения пробы со стандартным
раствором, приготовленным из смеси солей хлорплатината калия K2PtCl6 и
хлорида кобальта CoCl2 (платиново-кобальтовая шкала). Окраска воды,
соответствующая окраске стандартного раствора, который содержит
0,1 мг платины в 1 мл, оценивается 1 град цветности. В качестве стандартного можно применять также раствор, приготовленный из бихромата
38
калия и сульфата кобальта. Цветность речных вод колеблется в больших
пределах – от 35 до 55 град, достигая в отдельных случаях свыше
200 град.
Запах и привкус – органолептические показатели качества воды.
Запахи вызывают летучие пахнущие вещества. Запахи и привкусы природной воды обусловлены присутствием веществ естественного происхождения или веществ, попадающих в воду в результате загрязнения ее стоками. Естественные запахи (землистый, гнилостный, болотный, сероводородный и т.д.) связаны, как правило, с развитием в водоеме водорослей,
плесеней, актиномецетов и других водных организмов. Запахи искусственного происхождения классифицируют как хлорный, фенольный, аптечный и т.д. Вкус описывают как соленый, сладкий, горький, кислый.
Отмечают также особые привкусы – щелочной, металлический и пр. При
определении запаха и привкуса сначала устанавливают их характер, а затем интенсивность, оцениваемую по пятибалльной системе. При выполнении анализа на запах и привкус обязательно указывается температура,
поскольку интенсивность этих показателей увеличивается с повышением
температуры. Вода источников хозяйственно-питьевого снабжения обычно имеет запах и привкус не выше 3-4 баллов.
Чаще всего питьевая вода не имеет вкуса. Воды поземных источников могут иметь солоноватый и горько-солоноватый вкус вследствие содержания солей в высоких концентрациях.
Мутность природной воды обусловлена присутствием нерастворенных и коллоидных веществ неорганического (глина, песок, гидроксид
железа) и органического (илы, микроорганизмы, планктон, нефтепродукты) происхождения, т.е. примесей, относящихся по степени дисперсности
к первой и второй группам. Измеряют мутность различными методами,
основанными на сравнительной оценке исследуемой пробы со стандартным раствором, мутность которого создается внесением в дистиллированную воду стандартной суспензии диоксида кремния SiO2. Результаты определения мутности выражают в миллиграммах на литр. В речных водах
мутность выше, чем в подземных. В период паводков мутность речных
вод может достигать десятков тысяч миллиграммов в 1 л. В питьевой воде
мутность, согласно действующим в нашей стране санитарным нормам,
должна быть выше 1,5 мг/л.
Наличие в воде нерастворенных и коллоидных примесей можно оценить и по степени прозрачности пробы. Прозрачность определяют в цилиндрах из бесцветного стекла высотой 30 – 50 см с плоским дном. Проба
считается прозрачной, если через столб воды в цилиндре, помещенном на
расстоянии 2 см от контрольного текста, напечатанного специальным
шрифтом, можно прочитать текст и различить указанные в нем цифры или
же четко видеть крест, нанесенный черными линиями толщиной 1 мм, с
39
четырьмя точками по полям. Высота столба воды в сантиметрах есть прозрачность воды «по шрифту» или «по кресту» . Для характеристики природных вод применяют и другой показатель – содержание взвешенных
веществ. Под взвешенными веществами понимается количество загрязнений, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтрации пробы
(при атмосферном давлении или слабом разрежении). Для фильтрования
сильно загрязненных вод используют фильтр типа «белая лента», а при
исследовании воды с загрязнением не более 25 мг/л – тонкие мембранные
фильтры. Фильтр со взвешенными веществами высушивается при 105 °С
до постоянной массы, и по разнице массы фильтра до и после фильтрации
определяется количество взвешенных веществ в воде. Между количеством
взвешенных веществ и прозрачностью однозначной связи нет. Прозрачность определяется наличием не только взвешенных частиц, но и коллоидных примесей, которые не задерживаются бумажным фильтром, а потому не включаются в состав показателя взвешенных веществ. Кроме того, прозрачность зависит также от формы и размеров частиц. По результатам длительных наблюдений строят график зависимости прозрачности от
количества взвешенных веществ, с помощью которого на основании легко
выполняемого определения прозрачности можно с достаточной степенью
точности установить количество взвешенных частиц в воде.
Сухой остаток. В практике водоподготовки под сухим остатком
понимают общую сумму неорганических и органических соединений в
растворенном и коллоидно-растворенном состоянии. Сухой остаток определяют выпариванием предварительно профильтрованной пробы с последующим высушиванием при 10 °С. Потери при прокаливании определяют
содержание в сухом остатке органических веществ. Остаток после прокаливания характеризует солесодержание воды. Сухой остаток в воде источника хозяйственно – питьевого назначения и в питьевой воде не должен превышать 1000 мг/л, так как употребление человеком воды с повышенным солесодержанием вызывает различные заболевания.
Ионный состав. Как уже было сказано, общее солесодержание природных вод в большинстве случаев с достаточной степенью точности определяется катионами Na+, К+, Ca2+, Mg2+ и анионами (HCO3)-, (SO4)2-, Cl-.
Остальные ионы присутствуют в воде в незначительных количествах, хотя
их влияние на свойства и количество воды иногда очень велико. Поскольку вода электронейтральна, то сумма положительных ионов равна сумме
отрицательных ионов:
[Na+]+ [К+]+ [Ca2+]+ [Mg2+]= [HCO3-]+ [SO42-]+ [Cl-].
Сульфаты, хлориды, силикаты. Естественное содержание сульфатов в поверхностных и грунтовых водах обусловлено выветриванием пород и биохимическими процессами, происходящими в водоносных слоях.
40
По ГОСТу, предельное содержание сульфатов в воде источников
централизованного водоснабжения не должно превышать 500 мг/л, но, как
правило, в речной воде концентрация сульфатов составляет 100-150 мг/л.
Повышенная концентрация сульфатов может свидетельствовать о загрязнении источника сточными водами, в основном производственными. Хлориды являются составной частью большинства природных вод, содержание хлоридов естественного происхождения имеет большой диапазон колебаний. Однако в воде рек концентрация хлоридов невелика – она превышает обычно 10 - 30 мг/л, поэтому повышенное количество
хлорид-ионов указывает на загрязнение источника сточными водами. В
виде источников централизованного водоснабжения концентрация хлоридов не должна превышать 350 мг/л. Лимитирование верхнего предела
концентраций сульфатов и хлоридов обусловлено тем, что более высокие
концентрации этих ионов придают воде солоноватый привкус и могут вызывать нарушение в работе желудочно-кишечного тракта у людей. При
некоторых соотношениях сульфатов и хлоридов вода становится агрессивной по отношению к различным типам бетона. Силикаты в растворе
определяют лишь в тех природных водах, где их содержание зависит от
геологических условий и присутствия некоторых организмов. В природных водах кремниевая кислота может находиться в формах метакремниевой (H2SiO3), ортокремниевой (H2SiO4), и поликремниевой (H2SiO5) кислот. Все эти кислоты при обычных для природных вод значениях pH малорастворимы и образуют в воде коллоидные растворы. Силикаты – нежелательная примесь в воде, питающей котлы, так как дает силикатную
накипь на стенках котлов.
Соединения железа и марганца. Железо практически всегда встречается и в поверхностных, и в подземных водах; концентрация его зависит
от геологического строения и гидрогеологических условий бассейна. Соединения железа в воде присутствуют в растворенной, коллоидной форме
и нерастворенной форме. Двухвалентное железо в воде в присутствии растворенного кислорода очень быстро переходит в трехвалентную форму и
образует малорастворимый гидроксид железа, выпадающий в осадок:
4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓ +8CO2↑
Повышенное содержание железа в поверхностных водах указывает
на загрязнение их производственными сточными водами. Высокое содержание железа вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды. Содержание железа в питьевой воде допускается в количестве более 0,3 мг/л. Содержание марганца обычно
меньше, чем железа. Так, для воды рек средней части нашей страны количество железа варьирует от 0,1 до 1 мг/л, а марганца – 0 до 0,05 мг/л.
41
Щелочность. Щелочностью называют содержание в воде веществ,
вступающих в реакцию с сильными кислотами, ионами водорода. Это одна из важнейших характеристик природной воды. На щелочность воды
существенным образом оказывает влияние состояние соединительной углекислоты.
Углекислота может присутствовать в воде в форме недиссоциированных молекул Н2СО3, молекулярно растворенного диоксида углерода
(СO2), гидрокарбонатов (НСО3-) при значениях pH воды менее 8,4 и в виде
карбонатов (СO32-)при значениях pH более 8,4.
Количественное соотношение между различными соединениями углекислоты определяется уравнениями диссоциации первой и второй ступени, которые зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется рН. При
значениях рН от 3,7 до 4,0 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода (СO2). По мере повышения рН доля СO2
уменьшается и, следовательно, возрастает доля гидрокарбонатов.
При значениях рН от 8,3 до 8,4 практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонатов (98 %), а на долю СO2 + С О приходится
менее 2 %. При дальнейшем повышении рН свободного СO2 в воде нет, а
только гидрокарбонат и карбонат-ионы. При величине рН, равной 12 и
более, в воде находятся только карбонаты.
Экспериментально щелочность определяют титрованием соляной
или серной кислотой последовательно с индикаторами фенолфталеином и
метилоранжем. Окраска фенолфталеина при значениях рН от 8,2 до 8,4 переходит из розовой в бесцветную, что совпадает с таким состоянием раствора, когда в нем остаются л и ш ь гидрокарбонаты. Метилоранж меняет
окраску при значениях рН от 4 до 4,3, т.е. в момент, когда в растворе остается свободный диоксид углерода (СO2).
При титровании с фенолфталеином протекают реакции нейтрализации гидроксильных ионов ОН - и карбонатных ионов с образованием
соответственно воды и гидрокарбонатов:
ОН-+ Н+ → Н2О; СО3 2- + Н+ → НСО3-.
Следовательно, расход кислоты на титрование с фенолфталеином эквивалентен содержанию гидроксидов и половины карбонатов, так как последние нейтрализуются только наполовину до НСО3-. Таким образом,
Ф = [ОН-] + 0,5 . [СО32-],
где Ф — щелочность воды, мг-экв/л; [ОН-] и [СО32-] — концентрации гидроксильных и карбонатных ионов, мг-экв/л.
При дальнейшем титровании в присутствии метилоранжа происходит
реакция нейтрализации гидрокарбонатов:
42
НСО3- + Н+→ СО2 + Н2О.
Следовательно, весь расход кислоты от начала нейтрализации и до
конца эквивалентен содержанию ионов:
М = [ОН-] + [СО32-].
Итак, величина М, мг-экв/л, символизирует общую щелочность воды,
а Ф — так называемую свободную щелочность, обусловленную наличием
гидроксидов и половины карбонатов.
Если рН воды ниже 4 — 4,3, то ее щелочность равна нулю. Вода рек
средней полосы европейской части страны имеет значения рН от 7 до 8;
щелочность этой воды обычно составляет 3 — 4 мг-экв/л.
Углекислотные соединения обусловливают и такое свойство воды, как
ее агрессивность, которая выражается в разрушающем действии воды на
металлы и даже на бетон.
Жесткость. Общая жесткость воды (Ж0) показывает концентрацию
катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, главным образом
кальция и магния.
Ж0 = [Са2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16 ,
где 20,04 и 12,16 — эквивалентные массы соответственно Са2+ и Mg2+.
В природных условиях эти элементы попадают в воду вследствие воздействия углекислого газа на карбонатные минералы, а также в результате
биохимических процессов, происходящих в почве.
Различают жесткость карбонатную и некарбонатную. Количество Са2+
и Mg2+, эквивалентное содержанию гидрокарбонатов НСО3-, называется
карбонатной жесткостью (Жк).
Разность между общей и карбонатной жесткостью называется
некарбонатной жесткостью:
Жн = Ж0 - Жк.
Следовательно, Жк — это содержание Са2+ и Mg2+, эквивалентное
концентрации всех остальных анионов.
Результаты определения жесткости выражают в миллиграмм эквивалентах на литр. В табл.1 приведена классификация природных вод по величине их жесткости.
Таблица 1. Степень жесткости природных вод
Характеристика
воды
Мягкая
Жесткость,
мг-экв/л
Менее 4
Средней жесткости
4—8
Характеристика
воды
Жесткая
Очень жесткая
Жесткость,
мг-экв/л
8 — 12
Более12
43
Жесткость речных вод обычно невысока (1 — 6 мг-экв/л), однако воды рек, прорезающих толщу известковых и гипсовых пород, отличаются
повышенной жесткостью. Воды подземных источников имеют более высокую жесткость, чем воды поверхностные.
Для питья допускается использование мягкой воды и воды средней
жесткости, так как наличие солей кальция и магния в определенных пределах невредно для здоровья и не ухудшает вкусовых качеств воды. Использование же жесткой воды для хозяйственных целей вызывает ряд неудобств: образуется накипь на стенках варочной посуды, увеличивается
расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и овощи. Жесткость питьевой воды по действующему стандарту должна быть не выше
7 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды
часто совсем недопустимо. Так, жесткая вода не пригодна для систем
оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов, для производства высокосортной целлюлозы, искусственного волокна и др.
Соединения азота и фосфора. Азот в воде может находиться в органических соединениях — белковых и небелковых и неорганических—
в виде аммонийного, нитритного и нитратного.
Повышенное количество азота в природной воде в виде органических
соединений или в аммонийной форме свидетельствует о загрязнении
водоисточника сточными водами, как бытовыми, так и производственными. Наличие же окисленных форм азота, в особенно стинитратов, позволяет говорить либо о ликвидации внесенного загрязнения, т. е. о закончившемся окислении аммонийных соединений, либо о неорганическом их происхождении, т. е. об отсутствии внешнего загрязнения вообще.
В речных водах содержание азота аммонийных солей колеблется от 0
до 1 мг/л в зависимости от степени ее загрязненности и не должно превышать 10 мг/л (по азоту). Такой же предел установлен и для нитратов.
Фосфор в природной воде встречается в виде минеральных и органических соединений в растворенном, коллоидном и суспензированном
состояниях. Содержание соединений фосфора в чистых водоемах ничтожно мало и обычно не превышает сотых долей миллиграммов на литр.
Повышенное содержание фосфора наблюдается при смыве удобрений с
сельскохозяйственных полей, при спуске сточных вод.
Перманганатная окисляемость — обобщенный показатель, характеризующий содержание в воде легкоокисляемых органических и некоторых неорганических соединений (нитриты, сульфиты, железо двухвалентное). Под окисляемостью понимают количество кислорода, эквивалентное расходу перманганата калия.
Артезианские воды имеют обычно окисляемость, не превышающую
1 — 2 мг/л, тогда как в поверхностных водоисточниках ее значение мо44
жет достигать 10 — 12 мг/л. Повышение окисляемости в водоисточнике
служит показателем его загрязнения.
Растворенные газы. В воде природных источников чаще всего присутствуют кислород, диоксид углерода и сероводород.
В открытых незагрязненных водоемах количество растворенного кислорода близко к насыщению и составляет 8 — 9 мг/л. Иногда фиксируются значения, превышающие предел насыщения при температуре
определения, что свидетельствует о пересыщении воды кислородом, а
также о присутствии его в воде в свободном, а не в растворенном состоянии.
Количество кислорода в поверхностных источниках в верхних слоях
выше, чем в глубинных, за счет усиленной поверхностной аэрации и интенсивно проходящих процессов фотосинтеза.
Сероводород содержится в некоторых подземных водах, а его присутствие в поверхностных водах свидетельствует о загрязнении источника сточными водами.
Соединения сероводорода в воде могут быть в виде молекулярно растворенного H2S, гидросульфидов HS- и сульфидов S2-. Соотношение между различными формами зависит от рН. При наличии сероводорода и железа в воде образуется тонкодисперсный осадок сульфида железа FeS. Это
явление можно иногда наблюдать в тупиковых участках водопроводной
сети с малым обменом воды. В результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий сульфаты переходят в сульфиды и реагируют с
ионами железа.
Сероводород — токсичный газ, придает воде неприятный запах, в
хозяйственно-питьевых водах его присутствие не допускается.
Растворенные газы (О2, СО2, H2S) при определенных условиях способствуют развитию коррозии металлов и бетона.
Соединения фтора и йода. Содержанию этих соединений придается
большое гигиеническое значение при характеристике природных и питьевых вод, поскольку как недостаток, так и избыток фтора и йода приводят
к развитию ряда заболеваний. Оптимальная концентрация фтора в питьевой воде составляет 0,7 — 1,2 мг/л, предельно допустимая – 1,5 мг/л. При
избытке фтора в природной воде ее приходится обесфторивать, а при недостатке — фторировать. Йод очень важен с точки зрения обеспечения
репродуктивной функции. При его нехватке в организме отмечается мужское бесплодие, а у женщин – выкидыши, мертворождения, преждевременные роды. Недостаток йода – это также снижение иммунореактивности организма, замедление роста и развития. Норматив йода по
СанПиН 2.1.4.1116-02 для бутилированной воды – не более 0,125 мг/л.
Токсичные соединения. К числу токсичных веществ, присутствие которых в питьевой воде строго лимитируется, отнесены бериллий, молиб45
ден, мышьяк, свинец, селен, стронций, нитраты. Определение их в воде,
как правило, производится в случаях, когда предполагается наличие этих
веществ в воде водоисточника. Кроме того, установлены ПДК для алюминия и полиакриламида, добавляемых к воде в процессе водоподготовки.
Необходимо отметить, что при обнаружении в воде нескольких токсичных веществ или веществ нетоксичных, но влияющих на привкус воды, их суммарная концентрация, выражаемая в долях от нормативов ПДК,
не должна быть больше 1. Расчет, соответствующий этому требованию,
ведется по формуле
с1/C1 + с2/С2 +... +сп/Сп ≤ 1,
где с1, с2...сп — обнаруженные в воде концентрации веществ, мг/л; С1, С2,
Сп— установленные ПДК, мг/л.
Санитарно-бактериологические и гидробиологические показатели.
Микронаселение природных вод чрезвычайно разнообразно. Его качественный и количественный состав определяется в первую очередь составом воды. Для глубоко залегающих, очень чистых артезианских вод характерно почти полное отсутствие бактерий вследствие защищенности
водоносного слоя от контакта с лежащими выше горизонтами.
Особенностью состава воды открытых водоемов является изменение
его по сезонам года, сопровождающееся изменениями в количественном и
видовом разнообразии микронаселения. Бактериальная загрязненность
поверхностных источников обусловлена поступлением в водоемы поверхностного стока, содержащего органически минеральные вещества и
микроорганизмы, смываемые с площади водосбора, и сточных вод.
С позиций санитарной микробиологии оценка качества воды проводится с целью определения ее санитарно-эпидемиологической опасности
и безопасности для здоровья человека. Вода играет важную роль в передаче возбудителей многих инфекций, главным образом кишечных. Патогенные микроорганизмы попадают в воду с выделениями людей и животных, при стирке белья, водопое скота. Через воду получают распространение брюшной тиф, дизентерия, холера, инфекционный гепатит и т. д.
Прямое количественное определение возбудителей всех инфекций
при контроле за качеством воды неосуществимо в связи с многообразием
их видов и трудоемкостью анализа. В практической санитарной микробиологии поэтому прибегают к косвенным методам, позволяющим определить потенциальную возможность заражения воды патогенными микроорганизмами.
Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на определении двух основных показателей: микробного числа и числа бактерий группы Coli.
46
Первый показатель дает представление об общей обсемененности воды аэробными сапрофитами, поэтому часто называется общим счетом
аэробных сапрофитов или (кратко) общим счетом. Микробное число определяют методом посева на стандартную среду — мясопептонный агар
(МПА).
Аэробные сапрофиты составляют только часть общего числа микробов в воде, но являются важным санитарным показателем качества воды, так как между степенью загрязнения ее органическими веществами и
микробным числом существует прямая зависимость. Кроме того, полагают, что чем выше микробное число, тем больше вероятность присутствия
в воде патогенных микроорганизмов. Микробное число водопроводной
воды не должно превышать 100. В природных водах этот показатель изменяется в очень широких пределах для разных водоемов и по сезонам
года для одного и того же водоема. В чистых водоемах число аэробных
сапрофитов может исчисляться десятками или сотнями, а в загрязненных
и грязных водоемах составлять десятки тысяч и миллионы.
По второму показателю — числу бактерий группы Coli (кишечная палочка) оценивают возможное присутствие в воде патогенных микроорганизмов.
Бактерии группы Coli относятся к семейству энтеробактерий. Это неспороносные палочки, факультативные анаэробы, сбраживающие лактозу
и глюкозу при температуре 37°С с образованием кислоты и газа и не обладающие оксидазной активностью. Они являются постоянными обитателями кишечника человека и животных; постоянно и в большом числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем патогенные микроорганизмы,
сохраняют жизнеспособность в этой среде; более устойчивы к действию
хлора, чем возбудители большинства инфекций. Именно эти свойства
бактерий группы Coli обусловили возможность их использования в качестве санитарно-показательных микроорганизмов. Наличие Coli-форм в
воде говорит о ее фекальном загрязнении, а их число позволяет судить о
степени этого загрязнения.
Результаты анализа водопроводной и чистой природной воды выражают в виде колииндекса. Колииндекс — число бактерий в 1 л воды.
Иногда делают пересчет, определяя колититр — наименьший объем воды
(в миллилитрах), содержащий одну кишечную палочку. Колититр равен
1000/колииндекс.
Колииндекс водопроводной воды должен быть не более 3. Допустимый колииндекс воды источников водоснабжения зависит от предполагаемого способа очистки. Если намечается только хлорирование воды, то колииндекс воды в источнике не должен превышать 1000; при
полной очистке воды—10000.
47
В особых условиях по санитарно-эпидемиологическим показателям
прибегают к определению в воде энтерококков, энтеровирусов, сальмонелл и проводят исследования воды на патогенную микрофлору.
Поверхностные источники водоснабжения, помимо санитарнобактериологических тестов, характеризуются также данными гидробиологических наблюдений. Микроскопированием пробы воды определяется число клеток фито- и зоопланктона. Эти показатели существенно изменяются по сезонам, как по количеству организмов, так и по
их видовому разнообразию.
В весенне-летний период интенсивного развития водорослей (цветения водоема) содержание фитопланктона в поверхностных водах может достигать 50 тыс. клеток в 1 мл. Летом зоопланктон отличается
большим разнообразием и представлен низшими ракообразными, коловратками, личинками моллюска дрейссены. В воде могут оказаться и
бентосные организмы: черви, личинки насекомых. В зимний период в воде встречаются, в основном, низшие ракообразные. Число организмов
зоопланктона обычно выражают числом экземпляров в 1 м3 воды. В воде
источников встречаются также организмы, видимые невооруженным глазом. Их число оценивают числом экземпляров в 1 м3. Для рек средней полосы европейской части нашей страны концентрация зоопланктона составляет 100 —10 000 экз. в 1 м3 воды.
В питьевой воде планктонные организмы, так же как организмы, видимые невооруженным глазом, должны отсутствовать.
4.2
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Понятие качества воды включает в себя совокупность показателей
состава и свойств воды, определяющих пригодность ее для конкретных
видов водопользования и водопотребления. Требования к качеству воды
регламентируются «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1974), «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения» (1988), а также существующими стандартами.
По характеру водопользования и нормированию качества воды водоемы подразделяются на две категории: 1) питьевого и культурнобытового назначения; 2) рыбохозяйственного назначения. В водных объектах первого типа состав и свойства воды должны соответствовать нормам в створах, расположенных на расстоянии 1 км выше по течению водотоков и в радиусе 1 км от ближайшего пункта водопользования. В хозяйственных водоемах показатели качества воды не должны превышать
установленных нормативов в месте выпуска сточных вод при наличии
течения, при его отсутствии — не далее чем 500 м от места выпуска.
48
Оценка качества воды производится по следующим параметрам: содержанию взвешенных и плавающих веществ, запаху, привкусу, окраске,
температуре воды, значению рН, наличию кислорода и органического
вещества, концентрации вредных и токсичных примесей (табл. 2 — 3).
Вредные и ядовитые вещества, в зависимости от их состава и характера действия, нормируются по лимитирующему показателю вредности (ЛПВ), под которым понимают наибольшее отрицательное влияние, оказываемое данными веществами. При оценке качества воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида
ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический; в рыбохозяйственных водоемах к указанным трем добавляются еще
токсикологический и рыбохозяйственный ЛПВ.
Вода считается чистой, если ее состав и свойства ни по одному из показателей не выходят за пределы установленных нормативов, а содержание вредных веществ не превышает предельнодопустимых концентраций (ПДК). При наличии в воде нескольких веществ с одинаковым
ЛПВ сумма отношений их концентраций к соответствующим ПДК не
должна превышать единицы:
C 1/ПДК1 + C 2/ПДК2 +... +C п/ПДКп< 1,
где C 1 ,С2, Сn — концентрация вредных веществ в воде водоема; ПДК1,
П Д К 2 , П Д К n — предельно допустимая концентрация для соответствующих вредных веществ в воде источника, мг/л;n— число веществ с одинаковым ЛПВ.
В настоящее время для водоемов питьевого и культурно-бытового назначения установлены ПДК более 1625 вредных веществ, для водоемов
рыбохозяйственного назначения — более 1050. Некоторые из них приведены в табл. 2.
Представленные выше оценки качества воды основаны на сопоставлении фактических значений отдельных показателей с нормативными
и относятся к единичным. В связи со сложностью и разнообразием химического состава природных вод, а также возрастающим количеством загрязняющих веществ такие оценки не дают четкого представления о суммарном загрязнении водных объектов и не позволяют однозначно выражать степень качества воды с различным характером загрязнения. Для
устранения этого недостатка разработаны методы комплексной оценки
загрязненности поверхностных вод, которые разделяются на две группы.
К первой относятся методы, позволяющие оценивать качество воды
по
совокупности
гидрохимических,
гидрофизических,
гидробиологических, микробиологических показателей (табл. 3).
49
Таблица 2. Критерии оценки загрязненности поверхностных вод
(ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши)
Ингредиенты и показатели
Аммоний солевой (NН4)+
Нитрат-ион (NO3)Нитрит-ион (NO2)Нефть и нефтепродукты
Фенолы
СПАВ (анионоактивные)
Железо (Fe3+)
Медь (Сu2+)
Цинк (Zn2+)
Хром (Сr3+)
Хром (Сr6+)
50
Предельно допустимая концентрация, мг/л
0,5 (0,39)
40 (9,1)
0,08 (0,02)
0,05
0,001
0,1
0,5
0,001
0,01
0,5
Лимитирующий показатель
вредности
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Рыбохозяйственный
Рыбохозяйственный
Токсикологический
Органолептический
Токсикологический
Токсикологический
Органолептический
0,001
Санитарно-токсикологический
Никель (Ni2+)
Кобальт (Со2+)
Мышьяк (As3+)
Ртуть
Кадмий (Cd2+)
Марганец (Мn2+)
Фтор (F-)
Цианиды (CN-)
Сульфиды (S2-)
Роданиды (CNS-)
Хлорорганические, фосфорорганические пестициды
Метилмеркатаны
Бензол
Фурфурол
Метанол
Калий (катион) (К+)
Кальций (катион) (Са2+)
Магний (катион) (M𝑔2+ )
0,01
0,01
0,055
0,0005
0,005
0,01
1,5
0,05
—
0,1
—
Токсикологический
Токсикологический
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Общесанитарный
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
0,002
0,5
1,0
0,1
50,0
180,0
40,0
Органолептический
Токсикологический
Органолептический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Натрий (катион) (Na+)
Сульфаты (анион) (S𝑂42−)
Хлориды (анион) (Сl-)
120,0
100,0
300,0
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Таблица 3. Эколого-санитарная классификация качества поверхностных вод
Показатели
Гидрофизические:
взвешенные
вещества, мг/л
прозрачность (по
диску Секки), м
Гидрохимические:
𝑁𝐻4+, мгN/л
𝑁𝑂2−, мгN/л
𝑁𝑂3−, мгN/л
𝑃𝑂43−, мгP/л
O2 , % насыщения
БПК5 , мгO2 /л
Гидробиологические:
биомасса фитопланктона, мг/л
фитомасса нитчатых водорослей,
кг/м2
валовая продукция
фитопланктона,
гO2 /м2 сут
Бактериологические:
численность бактерий планктона,
млн кл/мл
численность гетеротрофных бактерий, тыс. кл/мл
численность бактерий группы кишечной палочки,
тыс. кл/л
Предельно чистая
Классы качества воды
Чистая
УдовлетвоЗагрязриненная
тельной
чистоты
Грязная
<5
5–14
15–30
31–100
> 100
>3
3,0–0,55
0,50–0,35
0,30–0,15
> 0,15
< 0,05
< 0,007
< 0,05
< 0,005
100
< 0,4
0,05–0,20
0,007–0,025
0,05–0,50
0,005–0,03
81–100
0,4–1
0,21–0,50
0,026–0,08
0,51–1,5
0,31–0,10
61–80
21,3–2,1
0,51–2,5
0,081–0,15
1,51–2,5
0,11–0,30
31–60
2,2–7,0
> 2,5
< 0,15
> 2,5
> 0,30
< 30
> 7,0
< 0,1
0,1–1,0
1,5–5,0
5,1–50,0
> 50
< 0,1
0,1–0,5
0,6–1,0
1,1–2,5
> 2,5
< 1,5
1,5–4,5
4,6–7,5
7,6–10,5
> 10,5
< 0,3
0,3–1,5
1,6–5,0
5,1–11,0
> 11,0
< 0,1
0,1–1,0
1,1–5,0
5,1–10,0
> 10,0
< 0,003
0,003–2,0
2,1–10,0
11,0–100
> 100
Вода по качеству разделяется на классы с различной степенью загрязнения. Однако одно и то же состояние воды по разным показателям может быть отнесено к различным классам качества, что является недостатком данных методов.
51
Вторую группу составляют методы, основанные на использовании
обобщенных числовых характеристик качества воды, определяемых по
ряду основных показателей и видам водоиспользования. Такими характеристиками являются индексы качества воды, коэффициенты ее загрязнения.
В гидрохимической практике используется метод оценки качества
воды, разработанный в Гидрохимическом институте. Метод позволяет
производить однозначную оценку качества воды, основанную на сочетании уровня загрязнения воды по совокупности находящихся в ней
загрязняющих веществ и частоты их обнаружения.
Суть метода заключается в следующем. Для каждого ингредиента на
основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДК (Кi) и повторяемости случаев превышения (Hi), а также
общий оценочный балл (Вi):
Кi =Сi /ПДКi ;
Hi =NПДКi /N ;
Вi = Кi∙Hi,
где Сi — концентрация в воде i-го ингредиента; ПДКi — предельно допустимая концентрация i-го ингредиента; NПДКi— число случаев превышения ПДК; N — общее число анализов.
5. ХАРАКТЕРИСТИКА И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
СТОЧНЫХ ВОД
5.1 ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД
Воды, удаляемые после их использования, называют сточными. Более полно сточной водой (или сточной жидкостью) называется использованная на бытовые или производственные нужды вода, получившая при этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический состав или физические свойства (или одновременно и то, и другое), и подлежащая удалению с территории населенного пункта или промышленного предприятия.
В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории:
бытовые (иначе хозяйственно-фекальные), производственные и атмосферные (ливневые).
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений,
воды от мытья помещений. Они поступают от жилых и общественных
зданий и от бытовых помещений промышленных предприятий. По природе загрязнений они могут быть фекальные, загрязненные в основном
физиологическими выделениями людей, и хозяйственные, загрязненные
всякого рода хозяйственными отбросами. Основную часть органических
52
загрязнений бытовых сточных вод составляют белковые вещества, жиры,
углеводы и продукты их разложения. Неорганическую часть загрязнений
составляют соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе
обменных реакций в организме человека. В частности, к продуктам обмена веществ относятся фосфаты и аммонийные соли — продукт гидролиза
мочевины. К неорганическим примесям сточных вод относятся также песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые воды от мытья овощей
и фруктов, уборки помещений и т. д. Загрязнения органической природы
составляют 45 — 58 % общей массы загрязнений бытовых сточных вод.
Особую категорию составляют биологические загрязнения: разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные, и яйца гельминтов.
Эти загрязнения попадают в систему водоотведения с физиологическими
выделениями людей, с водой от ванн и кухонь.
Отличительная особенность бытовых сточных вод — относительное
постоянство их состава, так как от каждого жителя в систему водоотведения поступает в среднем постоянное количество определенных загрязнений (г/сут).
В совокупности загрязнения бытовых сточных вод представляют собой полноценный субстрат для гетеротрофных бактерий, поэтому для их
очистки, как правило, применяют биологические методы.
К производственным сточным водам относят воды, образовавшиеся при
проведении различных технологических процессов, добыче полезных ископаемых, а также вода, прошедшая через загрязненную территорию
промышленных предприятий и непригодная для вторичного использования. Вода, используемая в технологических процессах, загрязняется в результате протекания различных химических реакций, при промывке сырья, продуктов и оборудования, а также при охлаждении последнего (охлаждающая вода). Кроме того, источниками сточных вод являются маточные водные растворы, водные экстракты, реэкстракты и адсорбенты,
выделяющиеся из сырья при проведении технологических процессов,
свободная и связанная влага, вода, загрязненная в процессе эксплуатации
различного оборудования (вакуум-насосов, систем гидрозолоудаления,
конденсаторов смешения и др.).
Производственные сточные воды можно разделить на две основные
категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).
Количество и состав производственных сточных вод зависит от ряда
факторов: технологического процесса, режимов его поведения, состава
сырья, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой продукции,
состава исходной свежей воды и др.
В качестве примера рассмотрим состав сточных вод различных машиностроительных предприятий. Стоки поступают из сталелитейных, чугунолитейных, термических, механических и инструментальных цехов, а
53
также гальванических цехов и участков. Основными загрязняющими веществами стоков литейных цехов являются механические примеси (частицы пыли, пригара, извести, глины, песка). В термических цехах металлические изделия подвергают закалке в воде или масле. Основными загрязняющими веществами сточных вод термических цехов являются окалина и масла. Сточные воды травильных отделений содержат серную или
соляную кислоту, железо и тяжелые металлы. Стоки цеха гальванических
покрытий содержат в качестве основных загрязняющих веществ хром,
цианиды, цинк, медь, никель и ряд других металлов. В механических
и инструментальных цехах сточные воды образуются при промывке изделий, закалке и обработке изделий в термических и гальванических отделениях, при окраске изделий, при охлаждении станков эмульсиями. Основными загрязняющими веществами сточных вод механических и инструментальных цехов являются масла, эмульсии, кальцинированная сода
и др. В кузнечных цехах сточные воды образуются при охлаждении инструмента, сварочных агрегатов, арматуры печей, при обеспыливании воздуха в скрубберах. Стоки имеют незначительное количество загрязняющих веществ, в основном в их состав входят различные масла.
При классификации химических загрязнителей воды различают следующие пять групп: 1) биологические нестойкие органические соединения; 2) малотоксичные неорганические соли; 3) нефтепродукты;
4 ) биогенные соединения; 5) вещества со специфическими токсичными
свойствами, в том числе тяжелые металлы, биологически жесткие неразлагающиеся органические синтетические соединения.
Следует отметить, что сточные воды содержат минеральные и органические соединения в самых различных сочетаниях, стоки представляют
собой сложные системы, в которых органические и минеральные загрязнения находятся в растворенном, коллоидном и нерастворимом состояниях. Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию
и процессы, используемые для их удаления, представлены в табл. 4.
Состав производственных сточных вод очень разнообразен и зависит
от вида производства, а также от принятого технологического процесса.
Разнообразие состава и характера загрязнений производственных
сточных вод обусловливает применение для их очистки различных методов, как химических и физико-химических, так и биологических.
Ливневые воды образуются в результате выпадения атмосферных
осадков. К ним относятся также талые воды, образующиеся при таянии
льда и снега. Отличительной чертой ливневого стока является его эпизодичность и резкая неравномерность по расходу и качеству воды. Воды от
поливки улиц, от фонтанов и дренажей по качественной характеристике
загрязнений близки к ливневым и удаляются вместе с ними.
54
Таблица 4. Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному
состоянию и процессы, используемые для их удаления
Гетерогенные системы
Гомогенные системы
Взвеси (суспензии,
эмульсии, микроорганизмы и
планктон)
Коллоидные растворы, высокомолекулярные соединения и
вирусы
Молекулярные
растворы (газы,
растворимые органические вещества)
Ионные растворы
(соли, кислоты,основания)
Группа I
(10 –10−5 см)
Группа II
(10−5 –10−6 см)
Группа III
(10−6 –10−7 см)
Группа IV
(10−7 –10−8 см)
Механическое безреагентное разделение
Мембранные разделения
Адсорбция газов и
летучих органических соединений
Разделение воды и
ионов мембранными методами
Окисление хлором, озоном и др.
Окисление хлором,
озоном и др.
Окисление хлором,
оксидом хлора
(IV), озоном
Перевод ионов в
малорастворимые
соединения
Флотация суспензий и эмульсий
Коагуляция коллоидных примесей
Экстракция органическими растворителями
Сепарация ионов
при различном фазовом состоянии
воды
Адгезия на гидроксидах алюминия
или железа и высокодисперсных материалах
Агрегация с помощью флокулянтов
Адсорбция на гидроксидах алюминия,
железа и на глинистых материалах
Адсорбция на активированных углях и других материалах
Фиксация ионов на
твердой фазе ионитов
Агрегация с помощью флокулянтов
катионного типа
Ассоциация молекул
Электрофильтрация суспензий и
электроудерживание микроорганизмов
Бактерицидное
воздействие на патогенные микроорганизмы и споры
Электрофорез и
электродиализ
Поляризация молекул в электрическом поле
Перевод молекул в
малодиссоциированные соединения
Использование
подвижности ионов
в электрическом
поле
Вирулицидное воздействие
Биохимический
распад
−2
Микробное выделение ионов металлов
55
В составе ливневых сточных вод много песка, глины, мусора, нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Ливневые воды с территории промышленных предприятий могут содержать специфические примеси, характерные для того или иного производства.
В специальной литературе часто фигурирует термин «городские сточные воды». Под городскими сточными водами понимают смесь всех трех
видов вод при общесплавной системе канализации или бытовых и производственных при раздельной системе. На городских очистных станциях
вода последовательно проходит сооружения механической, биологической очистки и дезинфицируется. Для обеспечения нормальной работы
этих сооружений к городским сточным водам предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивается постоянным контролем за
сточными водами промышленных предприятий, подключенных к водоотводящей сети города.
5.2
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД
Температура. Кроме влияния на процессы осаждения температура
является также важным технологическим параметром биологических
процессов очистки, так как от нее зависят скорость биохимических реакций и растворимость в воде кислорода, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов.
Определяют температуру так же, как и в анализе природных вод. Как
правило, температура сточных вод выше, чем природных.
Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производственных сточных вод,
особенно от предприятий легкой промышленности, где в большом количестве используются разнообразные красители. Окраска определяется в
фильтрованных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывается
на основе визуального наблюдения: розовая, слабо-желтая, буроватая
и т.п. Интенсивность окраски характеризуют степенью разбавления исследуемой воды дистиллированной, при которой окраска исчезает. Результат записывают отношением, например 1 : 500 (где 1 — 1 часть исследуемой пробы, 500 — сумма 499 частей разбавляющей воды и 1 части
исследуемой).
Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет
собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ. Запах
производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными производствами.
56
Запах определяется так же, как и при анализе природных вод. Сначала определяют характер запаха, затем по пятибалльной системе оценивают его интенсивность.
Прозрачность — показатель степени общей загрязненности воды.
Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3 — 5 см.
Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность более
15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шрифту.
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водоотведения города, должны иметь значение рН в пределах от 6,5 до 8,5. Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные воды разрушающе действуют на материал коллекторов и могут нарушать биохимические процессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. В отличие от анализа природных вод
сухой остаток сточных вод определяют из натуральной (нефильтрованной) пробы, поэтому он является показателем суммарного содержания загрязнений во всех агрегатных состояниях.
Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы и показывает содержание веществ в коллоидном и истинно растворенном состоянии. В сточных водах, поступающих на сооружение биологической
очистки, плотный остаток не должен превышать 10 г/л, так как жизнедеятельность микроорганизмов в более минерализованной среде нарушается. Определения проводят, как и в анализе природных вод.
Взвешенные вещества — одна из важнейших характеристик состава
сточных вод. Этот показатель используется для расчета первичных отстойников и для определения количества образующихся осадков.
Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах должна составлять 100 — 500 мг/л.
Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, которые оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена на основании экспериментальных наблюдений, которые показали, что дальнейшее увеличение продолжительности процесса практически не изменяет результата,
достигнутого за это время. В городских сточных водах оседающие вещества составляют 65 — 75% взвешенных веществ по массе.
В повседневной контрольной практике для определения оседающих
веществ используют цилиндры Лисенко объемом 0,5 или 1 л. Нижняя
часть цилиндра представляет собой пробирку с тонкой градуировкой до
0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточных водах
обычно не превышает 6 — 7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть
отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами
переносят в стакан и определяют оседающие вещества по массе, так же
как и взвешенные вещества. Таким образом, концентрацию оседающих
57
веществ выражают по объему (миллилитр на литр) и по массе (миллиграмм на литр).
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. Для многих технологических целей нужно знать содержание органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом случае высушенная твердая
фаза любого определения (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плотного остатка) подвергается прокаливанию.
Прокаливание проводят при температуре «красного» каления 500 °С.
Выгорают, т. е. улетучиваются в виде оксидов, углерод, водород, азот,
сера и другие примеси. Остаток, называемый золой, после охлаждения
взвешивают. Результаты выражают либо в абсолютных цифрах, либо в
процентах. Потери при прокаливании — это абсолютное количество улетучившихся примесей; показатель выражается в миллиграммах на литр.
Зольность — отношение массы остатка после прокаливания к массе первоначально взятого твердого образца, выражается в процентах. Зольность
взвеси городских сточных вод обычно находится в пределах 25 — 35 %.
Химическая окисляемость определяет общее содержание в воде
восстановителей — органических и неорганических, реагирующих с
окислителями. В сточных водах преобладают органические восстановители, поэтому, как правило, всю величину окисляемости относят к органическим примесям воды.
6. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Утилизация и обезвреживание сточных вод составляет одну из самых
важных экологических проблем настоящего времени, и в этом направлении разработано множество технологических решений, в основе которых
лежат физико-химические или биохимические процессы ликвидации
вредных компонентов из сточных вод. Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, если они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным.
Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей (рис.3).
Качество очистки сточных вод с использованием различных методов очистки представлены в табл. 5.
Таблица 5. Показатели эффективности очистки
Показатели эффективности очистки, %
ВзвешенТехнологический процесс
Общий
Общий
БПК5
ные веазот
фосфор
щества
Механическая очистка
30
60
15
15
58
Технологический процесс
Химико-механическая очистка
Окончание табл. 5
Показатели эффективности очистки, %
ВзвешенОбщий
Общий
БПК5
ные веазот
фосфор
щества
55-70
80-90
25-30
75-90
Традиционная биологическая
очистка
90
90
30
30
Биолого-химическая очистка
90-95
90-95
35
90-95
Рис. 3. Классификация методов очистки промышленных стоков
6.1 МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод
нерастворимых минеральных и органических примесей. Обычно механическая очистка предшествует биологическому, физико-химическому
или другому методу глубокой очистки. Чаще всего механическая очистка
является предварительным, реже — окончательным этапом для очистки
производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ до 90—95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПКП0ЛН) до 20—25%. Стандартная схема очистки на современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования.
59
В ряде случаев возможно применение и других устройств, таких как
предаэраторы, биокоагуляторы, осветлители, нефтеловушки и смолоотстойники, гидроциклоны. Для очистки сточных вод от мелкодисперсных загрязнений применяют осадительные центрифуги и жидкостные сепараторы.
С целью обеспечения надежной работы сооружений механической
очистки производственных сточных вод рекомендуется применять не менее двух рабочих единиц основного технологического оборудования—
решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или фильтров.
На рис. 4 представлена схема механической очистки производственных сточных вод, состоящая из следующих устройств: приемной камеры 1, решетки 2 для задержания крупных загрязнений органического и
минерального происхождения, песколовки 3 для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом, песка), водоизмерительного устройства (лоток Вентури) 4, усреднителя 5 для регулирования расхода
сточных вод и усреднения концентрации загрязняющих их веществ, отстойника или отстойника-осветлителя 6 для выделения нерастворимых
примесей, фильтра 7 для более полного осветления воды и насосной
станции 8.
Рис. 4. Схема механической очистки производственных стоков
60
Решетки. Процеживание сточных вод осуществляют путем их пропускания через решетки с целью извлечения из них крупных примесей,
которые могут засорить трубы и каналы. Решетки устанавливают для защиты насосов и очистных сооружений от попадания в них крупных плавающих загрязнений. Решетки подразделяются на неподвижные, подвижные и решетки-дробилки. В зависимости от способа удаления задержанных загрязнений решетки бывают простейшие, очищаемые вручную, механизированные и автоматизированные, работа которых полностью опирается на средства автоматизации. Выбор того или иного типа решетки
зависит от характера загрязнений, присутствующих в сточной жидкости
(палки, камни, волокна, пластмассы и т.д.), размеров включений и расхода
стоков.
Механизированные решетки представляют собой металлическую
раму, внутри которой установлен ряд параллельных стержней, поставленных на пути движения сточных вод. Расстояние между стержнями обычно
составляет 16 мм. Очистка решеток от задержанных ими отбросов производится с помощью механизмов. Снятые отбросы по транспортеру отправляются в дробилку. Измельченные отбросы сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку. На рис. 5 представлена схема решетки.
Рис. 5. Схема решетки:
1 – решетка; 2 – бесконечная цепь; 3 –шламоприемник
В последнее время получили распространение решетки, совмещенные
с дробилками, позволяющие извлекать и измельчать примеси без извлечения их из сточных вод.
Песколовки обычно используют для отделения от сточных вод минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают при пропускной способности станции очистки сточных вод более 100 м /сут.
Песколовки рассчитывают на максимальный расход сточных вод и
проверяют на минимальный приток. К основным типам песколовок, ис61
пользуемых в отечественной практике, относятся следующие: горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды, горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды,
аэрируемые песколовки, тангенциальные песколовки со шнековым пескопромывателем.
Горизонтальные песколовки предназначены для удаления песка из
производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Например, горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды рассчитаны на производительность 1400—70000
м3/сут, а горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды обладают пропускной способностью 70000—280000 м3/сут.
Скорость движения сточных вод составляет при максимальном расходе
0,3 м/с и при минимальном 0,15 м/с.
Схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением
сточной воды представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема горизонтальной песколовки:
1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – приямок; 4 – выходной лоток
Горизонтальная песколовка работает следующим образом. Поток
сточной воды поступает в нее через патрубок 1. Осаждающиеся в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике 3
и на дне песколовки. Очищенная сточная вода удаляется через патрубок 4
и направляется на дальнейшую переработку. Время пребывания сточных
вод в песколовке обычно составляет 0,5—2 мин.
Усреднители применяются для регулирования состава и расхода
сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Поступление на
очистные сооружения производственных сточных вод с постоянным расходом и усредненной концентрацией загрязнений позволяет повысить
эффективность и надежность работы устройств механической, биологической и физико-химической очистки, в результате чего достигаются более высокие качественные показатели очищенной воды. Экономический
эффект достигается в связи с выравниванием пиковых концентраций и
расходов сточных вод, поступающих на очистку.
62
К сооружениям, усредняющим сточные воды по объему и составу,
относятся различного вида усреднители. Они представляют собой железобетонные резервуары, однородного характера или разделенные перегородками, сообщающиеся между собой или нет. В усреднительных емкостях располагают оборудование, позволяющее поддерживать во взвешенном состоянии загрязнения и частично окислять их. Данным оборудованием могут быть системы крупно- или среднепузырчатой аэрации или
мешалки.
Схема усреднителя с дифференцированием потока сточных вод
представлена на рис. 7.
Рис. 7. Схема усреднителя:
1 – вход стоков; 2 – диагональный лоток; 3 – коридоры; 4 – диагональные
лотки; 5 –выпускная камера; 6 –водослив; 7 – распределительный лоток;
8 – распределительный колодец
Принцип работы этого усреднителя заключается в следующем:
сточная вода попадает в распределительный колодец 8, из которого по
желобам направляется в коридоры усреднителя 3 и собирается затем в
диагональные лотки 4, из них сточная вода поступает в выпускную камеру 5. Эффективность усреднения по концентрации достигается за счет
разного времени добегания отдельных порций сточной воды к сборному
лотку. Типовой усреднитель состоит из 4—6 параллельно расположенных
коридоров.
Первичные отстойники применяют для выделения из сточных вод
нерастворимых веществ, которые под действием гравитационных сил
оседают на дно отстойника или всплывают на его поверхность. Выбор
конкретного типа отстойников осуществляется в результате техническоэкономического анализа нескольких вариантов.
Основные схемы первичных отстойников представлены на рис. 8.
По направлению движения очищаемой воды в отстойниках последние
делят на вертикальные и горизонтальные. Кроме того, получили распространение трубчатые и пластинчатые отстойники.
63
Основная масса взвешенных веществ (40—60 %) в отстойниках выпадает в осадок в течение 1,5 ч. В большинстве случаев на это время и рассчитывают емкость отстойников.
Вертикальные отстойники предназначены для осветления производственных сточных вод, а также их смесей с бытовыми сточными водами, содержащими грубодисперсные примеси. Вертикальные отстойники применяют при расходах сточных вод до 10000 м3/сут. Они имеют
диаметр 4,5—9 м. Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим дном.
Рис. 8. Конструкции отстойников:
а – горизонтальный: 1- входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной
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 – успокоительная камера; 5 – скребковый
механизм; г – трубчатый; д – с наклонными пластинами: 1 – корпус; 2 – пластины;
3 – шламоприемник
Сточную воду подводят по центральной трубе. При поступлении
внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для улучшения
ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с
64
раструбом и распределительным щитом. Осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого составляет 0,5 м/с. Высота зоны осаждения — до 5 м.
Горизонтальные отстойники применяют в составе станций очистки
бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод, и
предназначены они для выделения взвешенных веществ из вод, прошедших решетки и песколовки.
Горизонтальные отстойники — это прямоугольные резервуары,
имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода
движется с одного конца отстойника к другому. Указанные отстойники
рекомендуется применять при расходах сточных вод более 10000 м3/сут.
Глубина отстойников (Н) составляет 1,5—4 м, длина – (8—12)Н, а
ширина коридора – 3—6 м. Равномерное распределение сточной воды
достигается при помощи поперечного лотка. Эффективность отстаивания
достигает 60%, что превышает аналогичную характеристику для вертикальных отстойников на 10—20 %.
Радиальные отстойники применяют для очистки бытовых и близких
к ним по составу производственных сточных вод. Они представляют собой круглые резервуары. Вода в них движется от центра к периферии.
Отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20000 м /сут.
Глубина проточной части отстойника составляет 1,5—5 м, а отношение
диаметра к глубине – от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16—60 м. Эффективность отстаивания составляет 60 %.
Для повышения эффективности отстаивания следует проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. Для реализации этого принципа
на практике используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4—10 минут), что позволяет уменьшить размеры отстойников.
Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки
диаметром 25—50 мм и длиной 0,6—1 м. Трубки можно устанавливать с
малым (до 5 °) и большим (45—60 °) наклоном. Трубчатый отстойник с
малым наклоном работает периодически, т. е. сначала проводят отстаивание, а затем промывку трубок от осадка. Такие отстойники используют
для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных веществ при расходах 100 —10000 м/ сут. Эффективность очистки достигает 80—85 %. В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое
пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость
промывки трубок.
Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник. Указанные отстойники наиболее
65
эффективно использовать для осветления высококонцентрированных
сточных вод.
Прочие устройства для механической очистки воды. Кроме первичных отстойников для механической очистки воды наиболее часто используют осветлители, нефте- и смололовушки.
Осветлители применяют для предварительного осветления сточных
вод некоторых производств. Кроме того, осветлители могут применяться
для снижения загрязнений в сточной воде сверх обеспечиваемого первичными отстойниками.
Эффективность очистки сточных вод в осветлителях может достигать 75%. Пропускная способность осветлителя диаметром 6 м при продолжительности пребывания в нем сточной воды 1,5 ч — 85 м3/ч, а осветлителя диаметром 9 м — 1 9 3 м3/ч. Осветлители компонуются в блок
из двух и четырех сооружений.
В практике очистки сточных вод часто используют осветлитель со
взвешенным слоем осадка, принципиальная схема которого представлена
на рис. 9. Устройство работает следующим образом. Вода с коагулянтом
поступает в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые
им твердые частицы поднимаются восходящим потоком воды до тех пор,
пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока (сечение А—А). Выше этого сечения образуется слой взвешенного
осадка, через который фильтруется осветленная вода.
Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, в котором из-за отсутствия
восходящего движения потока он отстаивается, частично обезвоживается
и удаляется по специальному трубопроводу. Осветленная вода поступает
в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.
Рис. 9. Схема осветлителя:
1 – осветлитель; 2 – желоб; 3 – осадкоуплотнитель
66
Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при
концентрациях более 100 мг/л применяют нефтеловушки, которые представляют собой прямоугольные, вытянутые в длину резервуары. В них
происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей.
Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в
сточной воде минеральные примеси оседают на дно нефтеловушки.
По аналогии с нефтеловушками устроены жироловушки, используемые для улавливания жиров из сточных вод мясо- и пищевых комбинатов, а также отстойники-смолоуловители (радиальной формы), которые применяют на коксохимических заводах для очистки фенольных
сточных вод, содержащих смолу и масла.
Фильтрование. Фильтрованием называют процесс разделения суспензий и эмульсий с использованием пористых перегородок или зернистых слоев, которые задерживают диспергированную фазу и пропускают
жидкость. В практике очистки сточных вод используют следующие процессы фильтрования: фильтрование через фильтровальные перегородки,
фильтрование через зернистые слои, микрофильтрация, фильтрование
эмульгированных веществ.
Фильтрование через фильтрующие перегородки. Схема процесса
разделения суспензии фильтрованием через фильтрующие перегородки
представлена на рис. 10.
Рис. 10. Схема фильтра:
1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 –суспензия; 4 –фильтрат;
5 – осадок
Различают процесс фильтрования суспензии с образованием осадка,
при котором она разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок, а
также фильтрование с закупориванием пор, при котором твердые частицы
проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не
образуя осадка. Возможен также промежуточный вид фильтрования, когда
твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют в ней слой осадка.
Осадки, получаемые при фильтровании, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые.
67
Несжимаемыми называют осадки, у которых пористость (отношение
объема пор к объему осадка) не уменьшается при увеличении разности
давлений. К таким осадкам относят вещества неорганического происхождения с размерами частиц более 100 мкм (песок, карбонат кальция, бикарбонат натрия и др.). К сжимаемым осадкам относят такие, пористость которых уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкости
возрастает с увеличением разности давлений. К ним относятся осадки
гидрооксидов металлов, а также осадки, состоящие из легко деформируемых агрегатов, которые образуются из первичных мелких кристаллов.
Фильтровальная перегородка представляет собой существенную часть
фильтра, от правильного выбора ее во многом зависят производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого
фильтрата. Фильтровальные перегородки изготавливают из хлопчатобумажных, шерстяных, стеклянных, керамических, углеродных и металлических материалов. По структуре фильтровальные перегородки подразделяют на гибкие и негибкие.
6.2 ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Химическая очистка сточных вод производится перед их подачей в
систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем
или городскую канализационную сеть. Кроме того, указанный метод применяется для предварительной очистки сточных вод перед биологической
или физико-химической очисткой, а также в системах локальной очистки
производственных сточных вод. Химическая обработка находит применение и как метод глубокой очистки сточных вод с целью их дезинфекции
или обесцвечивания. Химический метод заключается в том, что в сточные
воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых инертных
осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых
примесей до 95% и растворимых до 25%.
К химическим методам очистки сточных вод относят следующие:
нейтрализация, окисление, восстановление, реагентные методы выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых
соединений.
Нейтрализация. Производственные сточные воды, содержащие кислоты
и щелочи, должны быть нейтрализованы перед сбросом их в водоемы или перед
дальнейшим использованием в технологических процессах. Практически нейтральными следует считать смеси с величиной рН от 6,5 до 8,5.
Реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила, содержащимися
соответственно в сильных кислотах и основаниях:
68
ОН-+ Н+ → Н2О.
Чаще всего сточные воды загрязнены следующими минеральными кислотами: серной (H2SО4), соляной (НС1), азотной (HNО3), а также их
смесями. Кроме того, сточные воды могут содержать в своем составе такие кислоты, как азотистую (HNО2), фосфорную (Н3РО4), сернистую
(H2SО3), сероводородную (H2S), хромовую (Н2СrO4), уксусную
(СН3СООН), пикриновую (HОC6H2(NО2)3), салициловую (С6Н4(ОН)2)
и др. Обычно концентрация кислот в сточных водах не превышает 3 %,
но встречаются и более концентрированные смеси.
Существуют следующие способы нейтрализации сточных вод.
1. Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод.
2. Реагентная нейтрализация, при которой используются такие вещества, как растворы кислот, гашеная известь (Са(ОН)2), аммиачная вода
(NH4OH), кальцинированная (Na2СОз) и каустическая (NaOH) сода.
3. Фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк (СаСОз), магнезит, доломит и др.).
4. В последнее время для нейтрализации щелочных сточных вод
предложено использовать дымовые газы, содержащие в своем составе
СО2,SO2, N2O3 и др. При этом одновременно нейтрализуются сточные воды и происходит достаточно эффективная очистка атмосферы от отходящих газов, содержащих названные загрязнители.
Нейтрализация смешением. Взаимную нейтрализацию кислых и
щелочных сточных вод осуществляют путем их смешения в стехиометрическом соотношении, которое производят в устройстве, называемом нейтрализатором смешения. Нейтрализатор представляет собой емкость,
снабженную мешалкой для перемешивания кислых и щелочных стоков.
Перемешивание указанных стоков в нейтрализаторе возможно путем барботирования воздуха. Нейтрализованную воду используют в оборотных
системах водоснабжения, а полученные осадки обезвоживают.
Реагентная нейтрализация. Реагенты для нейтрализации кислых
сточных вод выбирают в зависимости от вида кислот и их концентрации.
Кроме того, учитывают, образуется ли в процессе реакции нейтрализации
осадок. Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего следующие: известь в виде пушонки (СаО)
или известкового молока (Са(ОН)2), а также карбонаты кальция или магния в виде суспензии.
В практике очистки сточных вод доза нейтрализующего реагента
обычно принимается на 10 % больше стехиометрического соотношения.
Указанные данные представлены в табл.6.
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту кальциевыми реагентами, образуется гипс CaSО4 ∙ 2Н2О, растворимость которого в температурном интервале 0—40 °С лежит в пределах
69
1,76—2,11 грамм на литр. При более высокой концентрации CaSО4 ∙ 2Н20
выпадает в осадок, забивая трубопроводы и аппаратуру. Для устранения
этого явления рекомендуется промывать трубопроводы чистой водой и
увеличивать скорость движения нейтрализованных вод в них. Кроме того,
хороший эффект дает введение в сточные воды специальных умягчителей
или замена металлических трубопроводов на пластмассовые.
Таблица 6. Расход реагентов, кг(щелочи)/кг(кислоты), для нейтрализации
100% -ных кислот и щелочей
Щелочь
Кислота
Серная
Соляная
Азотная
Уксусная
Известь:
гашеная
негашеная
0,56/1,79
0,76/1,32
0,77/1,3
1,01/0,99
0,46/2,2
0,59/1,7
0,47/2,15
0,62/1,62
Сода:
кальцинированная
каустическая
1,08/0,93
0,82/1,22
1,45/0,69
1,1/091
0,84/1,19
0,64/1,57
0,88/1,4
0,67/1,5
Нейтрализация кислых сточных вод путем их фильтрования через нейтрализующие материалы. Данный процесс ведут в горизонтальных или вертикальных фильтрах — нейтрализаторах. При нейтрализации
сточных вод, содержащих серную кислоту, ее концентрация не должна
превышать 1,5 г/л, так как при большей концентрации поверхность нейтрализующих материалов покрывается слоем гипса и процесс нейтрализации прекращается.
Нейтрализация щелочных сточных вод кислыми газами. В процессе нейтрализации щелочных сточных вод используют отходящие газы,
содержащие CO2,SO2,NO2 и т.д. При этом происходит нейтрализация
сточных вод и одновременная высокоэффективная очистка газов от вредных компонентов, что характерно для ресурсосберегающих технологий.
Преимуществами этой технологии является исключение использования
кислот для нейтрализации, а также возможность создания бессточной
схемы водопотребления.
Процесс нейтрализации может быть проведен в реакторах с мешалкой
(рис.11), в распылительных, пленочных и тарельчатых колоннах.
Рис. 11. Схема нейтрализатора
70
Очистка сточных вод окислением. Этот метод очистки используют для обезвреживания производственных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов и других веществ. Сточные воды, включающие
перечисленные соединения, встречаются почти во всех отраслях промышленности. Наиболее часто в практике очистки сточных вод используют следующие окислители: хлор, гипохлорид кальция, озон, технический кислород. Для очистки производственных сточных вод возможно
также использование процесса радиационного окисления загрязняющих
веществ под действием излучений высоких энергий.
Окисление реагентами, содержащими активный хлор. Указанный метод используется для обезвреживания циансодержащих стоков
различных объемов и концентраций, а также от таких органических и неорганических соединений, как сероводород, гидросульфид, сульфид, метилмеркаптан и т.д. Следует указать, что сточные воды, содержащие цианиды, образуется при нанесении медных, цинковых и кадмиевых покрытий из цианистых электролитов. Кроме того, цианосодержащие стоки образуются при термической закалке стальных изделий в расплавах цианистых солей, а на металлургических предприятиях цианиды попадают в
сточные воды из доменных газов (при их промывке и охлаждении). Концентрация простых цианидов (KCN, NaCN) в промывных водах обычно
не превышает 200 мг/л. В этих водах также содержатся в небольших количествах комплексные цианиды меди, цинка, кадмия, железа и других
веществ.
Озон реагирует с цианидами в слабощелочной среде быстро и полностью, образуя первоначально мене токсичные цианаты. Далее цианаты
могут гидролизоваться в воде или окисляться озоном. В общем виде реакцию окисления цианидов озоном можно представить следующими
уравнениями:
CN- + O3 → CNO- + O2↑,
CNO- + 2H+ + H2O → CO2 +NH4+,
CNO- + 2H2O →HCO3- + NH3,
2CNO- + H2O+ 3O3→2HCO3- +3O2 + N2↑.
Первоначально окисляются свободные цианиды, а затем связанные с
металлами комплексы.
Окисление пероксидом водорода. Пероксид водорода используют
для окисления нитритов, альдегидов, фенолов, серосодержащих отходов,
активных красителей, а также цианидов.
Основная химическая реакция, протекающая при окислении цианидов Н2О2, следующая:
CN- + Н2O2→ CNO- + Н2O.
Оптимальное значение pH для этих реакций от 10,4 до 11. Комплексные
цианиды окисляются пероксидом водорода быстрее и легче простых цианидов. Окисление цианидов каталитически ускоряется в присутствии со71
единений меди. Также ускорить процессы окисления вышеперечисленных
органических веществ можно пероксидом водорода.
Окисление кислородом воздуха. Кислород используется для очистки
сточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических
заводов. Окисление гидросульфидной и сульфидной серы протекает через
ряд последовательных стадий. Метилмеркаптан в водных растворах под
действием кислорода воздуха также окисляется постадийно. Рассмотрим
основные химические реакции, протекающие при очистке серосодержащих сточных вод, с использованием кислорода воздуха:
2Н2S + 2O2 →S2O32- +H2O + 2H+,
Н2S + 2O2 →SO42- + 2H+,
2НS- + 4O2 →2SO42- + 2H+.
Озонирование. Процессы озонирования применяют для очистки
сточных вод от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений
мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, ароматических углеводородов,
пестицидов и др. Одновременно с очисткой обеспечивается обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озон подают в сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной
смеси. Концентрация озона в смеси приблизительно составляет 3 %.
Рассмотрим типичные реакции, протекающие при очистке сточных
вод озонированием. Окисление сероводорода протекает следующим образом:
Н2S + O3→SO2+H2O,
3Н2S + 4O3→3H2SO4.
Озон получают в промышленных озонаторах-генераторах из кислорода
воздуха под действием электрического разряда. Электроды озонаторов могут
быть трубчатой или пластичной формы и обычно изготавливаются из металлизированного стекла.
Окисление перманганатом калия. Перманганат калия может быть использован для очистки сточных вод от катионов двухвалентного железа и
марганца. Окисление двухвалентного железа протекает в соответствии со
следующим уравнением:
3Fe(HCO3)2 + KMnO4 +2H2O →3Fe(OH)3 + MnO2↓ +5CO2↑ +KHCO3.
Очистка сточных вод восстановлением. При содержании в сточных
водах легко восстанавливаемых соединений меди, хрома, мышьяка, ртути
применяют методы восстановительной очистки.
Катионы меди, содержащиеся в кислых сточных водах, могут быть
выделены цементацией на железном скрапе или никелевом песке. При
этом протекают следующие реакции восстановления:
Cu2+ + Fe → Cu ↓ +Fe2+;
Cu2+ + Ni → Cu ↓ +Ni2+.
72
Медь выделяется на железе или никеле в виде металла, и вместо нее
в раствор переходят катионы железа или никеля. Метод цементации применяют для грубой, предварительной очистки достаточно концентрированных по меди сточных вод. Очищенная цементацией вода затем нейтрализуется до значений pH равных от 8 до 9 при одновременной
доочистке оставшихся катионов меди и перешедших в раствор катионов
железа или никеля.
Высокотоксичные соединения шестивалентного хрома содержатся в
промывных сточных водах и отработанных технологических растворах,
образовавшихся в процессе хромирования, при химической обработке поверхностей стальных изделий, при анодировании изделий из алюминия и
при проведении других технологических процессов.
Обработка сточных вод осуществляется в две ступени. Ими являются:
1) восстановление шестивалентного хрома в трехвалентную форму;
2) осаждение трехвалентного хрома в виде гидроксида.
В качестве реагентов-восстановителей наибольшее распространение
получили натриевые соли сернистой кислоты — сульфит, бисульфит или
гидросульфит. Кроме того, используют следующие восстановители: сульфит железа, диоксид серы, гидразин и др.
Скорость и полнота восстановления Сr6+ до Сr3+ указанными солями в значительной степени зависят от величины pH, причем наибольшая
скорость наблюдается при значениях pH от 2 до 2,5, что требует дополнительного подкисления сточных вод. Для этих целей обычно используют
10—15 %-ные растворы серной кислоты.
Для очистки сточных вод от шестивалентного хрома используют установки непрерывного или периодического действия.
После восстановления в кислой среде шестивалентного хрома до
трехвалентного состояния сточные воды подвергают нейтрализации, при
которой хром осаждается в виде гидроксида. Метод восстановления также
применяют для очистки сточных вод от соединений ртути; их восстанавливают до металлического состояния, а образовавшуюся ртуть отделяют
от воды (отстаиванием, фильтрованием или флотацией). В качестве реагента-восстановителя используют алюминиевую пудру, железный порошок, гидросульфид натрия, гидразин, сульфид железа и др.
При выделении мышьяка из концентрированных растворов используют диоксид серы, который восстанавливает мышьяковую кислоту до
мышьяковистой. Последняя имеет малую растворимость в кислой и нейтральной среде и осаждается в виде триоксида мышьяка.
73
6.3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Физико-химические методы играют существенную роль при обработке производственных сточных вод. К ним относятся следующие: коагуляция и флокуляция, сорбция, ионный обмен, экстракция, различные
электрохимические методы, мембранные методы (обратный осмос, ультрафильтрация) и др. Эти методы используют как самостоятельно, так и в
сочетании с механическими, биологическими и химическими методами
очистки. При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция,
экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ.
Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука,
ионообменных смол и высокого давления. В настоящее время область
применения физико-химических методов очистки расширяется. Наиболее
эффективное применение физико-химических методов достигается в локальных системах очистки сточных вод промышленных предприятий.
Коагуляция. Коагуляция — это процесс укрупнения дисперсных
частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие (первичные) частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного
взаимодействия. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией. Вещества, способные вызвать коагуляцию частиц, называют в общем случае коагуляторами, а в
водоподготовке — коагулянтами или гидролизующимися коагулянтами.
Последние не только вызывают коагуляцию частиц загрязнений, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты, способные объединяться в крупные хлопья.
Дискретная фаза (твердая или жидкая) в производственных сточных
водах представлена коллоидными частицами размером 0,001—0,1 мкм,
мелкодисперсными частицами размером 0,1—10 мкм, а также частицами,
размер которых превышает 10 мкм. В процессах механической обработки
сточных вод наиболее эффективно удаляются последние из вышеперечисленных частиц. Коллоидные и мелкодисперсные частицы при механической обработке практически не удаляются, поэтому для очистки сточных
вод от этих загрязнений используют различные коагулянты (чаще всего —
соли алюминия и железа), которые увеличивают их скорость осаждения.
Рассмотрим в качестве примера строение золя гидроксида железа.
74
Согласно существующей мицеллярной теории, золь состоит из двух
частей: мицелл и интермицеллярной жидкости.
Мицелла — это структурная коллоидная частица, т. е. частица дисперсной фазы, окруженная двойным электрическим слоем. Интермицеллярной жидкостью называют дисперсионную среду, которая разделяет
мицеллы и в которой растворены электролиты, неэлектролиты и поверхностно-активные вещества, являющиеся стабилизаторами коллоидной
системы.
Основу коллоидной частицы составляют микрокристаллы труднорастворимого Fe(OH)3,называемые агрегатами. В результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата образуется положительно заряженный слой, состоящий из ионов водорода (потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с потенциалообразующими ионами
образует ядро. Под действием электростатических сил притяжения у ядра
формируется слой ионов противоположного заряда противоионов, компенсирующих частично заряд ядра. В рассмотренном примере их роль
выполняют ионы СГ. Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.
Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который
образуется из потенциалообразующих ионов и противоионов.
Следует указать, что часть противоионов, наиболее близко расположенных к ядру, находится в слое жидкости, смачивающем поверхность
твердого ядра, и испытывает действие не только электростатических, но и
вандерваальсовых сил ядра, поэтому прочно удерживается около него и
образует так называемый адсорбционный слой противоионов (плотный
слой). Остальные противоионы слабее связаны с ядром (только электростатически) и под влиянием теплового движения располагаются в жидкой
фазе диффузно и называются диффузионным слоем. Такова схема строения мицеллы. Мицеллы золей электронейтральны.
Устойчивость дисперсных систем. Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных
свойств: дисперсности равномерного распределения частиц дисперсной
фазы в объеме дисперсной среды и характера взаимодействия между частицами. Основной класс коллоидных систем — лиофильные коллоиды,
термодинамически нестабильные, т. е. склонные к коагуляции.
Агрегативная устойчивость дисперсных систем весьма различна.
Одни системы могут существовать секунды после их образования, другие
очень долговечны. Наиболее неустойчивыми по своей природе являются
гидрофобные коллоидные системы, для которых характерно слабое взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Существующие теории устойчивости и коагуляции можно подразделить на адсорбционные и электростатические. Так, адсорбционная тео75
рия коагуляции Г. Фрейдлиха исходит из положения, что при коагуляции
золей ионы-коагуляторы адсорбируются коллоидными частицами в соответствии с изотермой адсорбции. Коагуляция наступает при одинаковом
понижении δ -потенциала, который достигается при адсорбции эквивалентных количеств различных ионов. Рассмотренная теория коагуляции
объясняла снижение δ -потенциала до критического значения уменьшением числа зарядов потенциалообразующих ионов вследствие нейтрализации их адсорбирующимися ионами коагулятора. Электростатическая теория коагуляции Г. Мюллера исходит из того, что введение электролита в
золь не изменяет общего заряда в двойном слое частицы, а вызывает сжатие диффузного слоя. Уменьшение толщины ионной атмосферы приводит
к снижению δ -потенциала, вследствие чего уменьшается стабильность золя. Рассмотренные теории имеют ряд недостатков, что существенно ограничивает их использование.
Наиболее полно описывает поведение типично лиофобных дисперсных систем современная теория устойчивости ДЛФО (названа в соответствии с первыми буквами фамилий ее авторов: Б.В. Дерягина,
Л.Д. Ландау, Э, Фервея и Я. Овербека). На основе анализа взаимодействия
коллоидных частиц, их взаимного притяжения, обусловленного силами
Ван-дер-Ваальса, и отталкивания, осуществленного электростатическими
силами, были построены зависимости потенциальной энергии системы
взаимодействия коллоидных частиц от расстояния между ними.
Фактором, вызывающим коагуляцию, может быть любое воздействие, нарушающее агрегативную устойчивость системы, например изменение температуры, перемешивание жидкости, воздействие излучения и
электрических зарядов. Наиболее важным фактором является добавление
электролитов. Электролиты, добавляемые к золям, существенно влияют на
толщину ДЭС и на δ-потенциал, являющийся одним из главных факторов
устойчивости гидрофобных коллоидных систем. При уменьшении
δ -потенциала, например под влиянием добавления простых электролитов
или других веществ, до значений менее 0,03В силы взаимного притяжения
начинают преобладать над электрическими силами отталкивания. Наибольшая интенсивность коагуляции достигается при нулевом
δ-потенциале (изоэлектрическое состояние коллоидной системы). Величина pH, характеризующая это состояние, называется изоэлектрической точкой системы.
Коагуляция под действием электролитов подчиняется правилу
Шульце и Гарди, которое формулируется следующим образом: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд,
противоположный заряду гранулы: коагулирующее действие тем сильнее,
чем выше заряд иона-коагулятора. Соотношение коагулирующей способ76
ности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно
равно 1 : 30 : 1000.
Критическое значение концентрации, при котором данный электролит вызывает коагуляцию, называют порогом коагуляции, обозначают
через Ск и измеряют в молях на литр или миллимолях на литр (моль/л или
ммоль/л).
Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей
способностью и обозначают так: Vк =С-1. Коагулирующая способность выражает число объемов золя, скоагулированного 1 моль (или 1ммоль) ионакоагулятора.
Понятие о гетерокоагуляции и применяемых коагулянтах. При
очистке производственных сточных вод основное применение нашел процесс гетерокоагуляции, который можно определить как взаимодействие
коллоидных и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.
Наиболее часто в практике очистки сточных вод используют соли
алюминия и железа, которые гидролизуются в соответствии со следующими реакциями:
Al2(SО4)3 + 6Н2О → 2А1(ОН)3 + 3H2SО4,
FeCl3 + 3H2О →Fe(OH)3 + ЗНС1,
FeSО4 + 2Н2О →Fe(OH)2 + H2SО4,
4Fe(OH)2 + О2 + 2Н2О → 4Fe(OH)3.
В результате протекания указанных реакций образуются малорастворимые гидроксиды алюминия и железа, обладающие развитой хлопьевидной поверхностью, на которой сорбируются мелкодисперсные и коллоидные примеси, оседающие затем на дно отстойника и образующие
осадок. Образующиеся по приведенным реакциям кислоты (НС1, H2SО4)
нейтрализуют щелочными реагентами. Возможна также нейтрализация
указанных кислот за счет взаимодействия с бикарбонат-ионами, присутствующими в сточных водах. Минимальный расход коагулянтов достигается при осуществлении рассматриваемого процесса в интервале оптимальных значений pH.
В качестве коагулянтов, как уже было указано выше, обычно используют соли железа и алюминия. Соли железа: железный купорос или
сульфат двухвалентного железа (FeSО4 ∙ 7Н2О), сульфат трехвалентного
железа (Fe2(SО4)3 ∙ 9Н2О), хлорид железа (FeCl3 ∙ 6Н2О). Соли алюминия,
применяемые в качестве коагулянтов, следующие: сульфат алюминия
Al2(SО4)3 ∙ I8H2O, алюминат натрия NaA1O2, оксихлорид алюминия
Аl(ОН)5С1, алюмокалиевые [A1K(SO4)2 ∙ 18Н2O] и алюмоаммонийные
[A1(NH4)(SO4)2 ∙ 12Н2О] квасцы. Кроме того, в ряде случаев в качестве
коагулянтов используют соли магния (MgCl2 ∙ 6Н2О, MgSO4 ∙ 7Н2О), известь и др.
77
Флокуляция. Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных
частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых
флокулянтами. Флокулянты используют для расширения оптимальных
диапазонов коагуляции (по pH и по температуре), а также для повышения
плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов, в результате чего повышается надежность работы и пропускная
способность очистных сооружений.
Флокулянты могут быть классифицированы в зависимости от полярных групп, входящих в их состав, на следующие:
— неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные труппы:
-ОН, = СО (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил идр.);
— анионные — полимеры, содержащие анионные группы:-СООН,
-SO3H, -OSO3H (активная кремневая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др,);
— катионные—полимеры, содержащие катионные группы: -NH2,
= NH(полиэтиленaмин, сополимеры винилпиридина и др.);
— амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и
катионные группы:—СН2—СН—CONH2 (полиакриламид, белки и др.).
Флокулянты природного происхождения. Первоначально для целей флокуляции применяли природные высокомолекулярные соединения.
Вытяжки из некоторых растений использовали для очистки воды еще до
н. э. в Индии, а яичный белок - для осветления вин в древней Греции. Интенсивное использование флокулянтов началось с 50-х годов, после того
как Ла Мер в США предложил использовать картофельный крахмал для
ускорения седиментации и обезвоживания шламов уранового производства и обогащения фосфорсодержащих руд. С тех пор начались интенсивные исследования по выделению из природного сырья, синтезу и технологическому применению флокулянтов различного химического строения и
назначения; к настоящему времени число используемых реагентов достигает нескольких сот наименований.
Большое число флокулянтов получают из растительного сырья. Наиболее распространены крахмал, целлюлоза и их производные, гуаровые
смолы, гумусовые вещества и некоторые другие. Они представляют собой
анионные полиэлектролиты, молекулярная масса которых колеблется от
нескольких сот тысяч до нескольких миллионов. Преимуществом природных флокулянтов является их безвредность для человека и отсутствие
токсических свойств.
Крахмал и его производные. Крахмал состоит из двух полимерных
углеводов — линейного полимера амилозы и разветвленного амилопектина. Состав элементарного звена обоих веществ один и тот же:
С5Н5О2(ОН)2(СН2ОН). Молекулярная масса амилозы составляет несколько
78
сот тысяч, а амилопектина достигает нескольких миллионов. Крахмалы,
получаемые из различного сырья, отличаются по содержанию от амилопектина и амилозы, поэтому они имеют различную молекулярную массу
и, соответственно, флокулирующую способность. Отрицательный заряд
растворимого крахмала обусловлен присутствием в амилопектине (возможно, и в амилозе) небольших количеств эфиров фосфорной кислоты
СН2ОРО(ОН)2.
Крахмал выделяют из клубней картофеля, зерен кукурузы, риса и
других растений в виде гранул, нерастворимых в воде. Растворимый
крахмал получают обработкой гранул 2-3 %-ным раствором щелочи или
нагреванием при 60-80 °С.
Наилучшими флокулирующими свойствами обладает картофельный
крахмал, состоящий на 80 % из амилопектина и содержащий до 0,13 %
фосфора. Крахмалы, не содержащие эфиров фосфорной кислоты, обладают слабой флокулирующей способностью в нейтральной среде, но эта
способность существенно улучшается в сильнощелочных растворах при
значении pH больше 10, когда происходит диссоциация слабокислотных
ОН-групп ядра α-глюкозы. При этом значительно увеличится объем полимерного клубка вследствие отталкивания одноименно заряженных
групп, что, естественно, способствует росту флокулирующей активности
полиэлектролита.
На основе крахмала были синтезированы эффективные катионные
флокулянты - аминированные крахмалы. Они получаются аминированием, то есть путем замещения гидроксильных групп элементарных звеньев
аминогруппами. При этом могут быть получены крахмалы, в состав которых входят третичные аминогруппы -OCH2N(C2H2)2 или соли четвертичных аммониевых оснований -ОСН2-CH2N(CH3)3Cl. Степень замещения
гидроксильных групп в катионных крахмалах находится в пределах от 0,1
до 0,25. Эти реагенты являются хорошими флокулянтами многих дисперсий, в том числе суспензий минералов, бытовых и сточных вод.
В последние годы получен также ряд образцов так называемых привитых крахмалов. В этих соединениях к основной цепи, «хребту» крахмала, состоящего из колец α-глюкозы, привиты синтетические полимеры
(полиакриламид, полиакриловая кислота, эфиры полиметакриловой кислоты и др.), образующие боковые цепи полиэлектролита. Они получаются полимеризацией соответствующих мономеров в присутствии крахмала,
причем содержание привитых компонентов в конечном продукте может
достигать 50 %. Молекулярная масса синтетической боковой цепи достигает нескольких десятков тысяч. Как правило, стоимость привитых крахмалов выше, чем обычных. В ряде случаев они являются довольно эффективными флокулянтами, применяемыми в рудообогащении для обезвоживания слабокислых пульп.
79
Обработкой крахмала хлорноватистой кислотой получают так называемый окисленный крахмал - продукт, в котором одновременно с декстринизацией часть гидроксильных групп боковых цепей окислена в карбоксильные. Они представляют собой анионный полиэлектролит, который
успешно применяют как флокулянт глинистых частиц. Флокулянты на основе крахмала во многих странах применяют для очистки питьевой воды.
Коммерческие названия флокулянтов на основе крахмала следующие: Виспрофлок, Перфекамил, Пермутит, Флок-эйд (США, Англия, Нидерланды, Германия), Неогум, Азим (Франция), Флокгель (Нидерланды),
Флокаль (Чехия) и др. Например, Декстрин - это крахмал с уменьшенным
содержанием амилозы, имеющий макромолекулы меньших размеров. Получается обработкой крахмала кислотой; свойства продукта зависят от
режима обработки. Представляет собой неионный флокулянт. Как правило, более эффективен, чем сам крахмал, в широком интервале pH.
Альгинат натрия представляет собой соль полиальгиновой кислоты,
имеющей состав основного звена C5H5O2(OH)2—СООН. Это белый порошок, хорошо растворимый в воде, достаточно устойчивый при хранении
при комнатной температуре. Типичный анионный полиэлектролит. Молекулярная масса альгината натрия зависит от технологии получения и составляет 15-170тыс. Готовят этот продукт из высушенных морских водорослей Laminaria, Cystosirabarbara и другой обработкой карбонатом натрия.
Альгинат натрия и его смеси с минеральными коагулянтами применяют для очистки природных и сточных вод в США (Кельджин W, Келькзоль), Японии и Англии (Велгум), Болгарии (Барбафлок BF-115), Франции
(Альгинат F) и других странах. Альгинат натрия в РФ используют в пищевой и других отраслях промышленности, для очистки воды пока не
применяется.
Производные целлюлозы. Целлюлоза в воде нерастворима, поэтому
она служит лишь сырьем для получения из нее производных - метил-,
карбоксиметил-, оксиэтилцеллюлоз и других водорастворимых анионных
полиэлектролитов.
Наиболее распространенным производным целлюлозы является натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), имеющая состав:
C5H5О2(OH)2-x(CH2ОH)1-y(OCH2COONa)x(CH2OCH2COONa)y.
Обработкой щелочной целлюлозы хлоруксусной кислотой в присутствии щелочи получают Na-КМЦ. В зависимости от условий процесса
степень замещения гидроксильных групп карбоксиметильными (степень
этерификации) колеблется от 0,4 до 1,2, молекулярная масса - в пределах
40-450 тыс., чаще всего 40-110 тыс.
Растворенный в воде Na-КМЦ - сильный анионный полиэлектролит.
В воде Na-КМЦ со степенью этерификации более 0,4 легко набухает, об80
разуя вязкие растворы. Образцы с более 0,4 в воде нерастворимы. Соли
тяжелых и многозарядных металлов с Na-КМЦ нерастворимы в воде.
Натриевые соли карбоксиметилцеллюлозы применяют для стабилизации глинистых суспензий, используемых в качестве промывочных жидкостей при бурении нефтяных и газовых скважин. Этот реагент может
быть также хорошим стабилизатором различных дисперсных систем.
Имеются указания об использовании малых доз Na-КМЦ (до 1 мг/дм3) для
обработки питьевой воды. Для сгущения рудных пульп этот реагент недостаточно эффективен и применяется в смеси с квасцами и солями железа.
Оксиэтилцеллюлоза представляет собой продукт замещения
ОН - групп молекулы целлюлозы на оксиэтильные. Она получается прививкой этиленоксида к щелочной целлюлозе. Степень замещения находится обычно в пределах 0,85-1,2.
Гуаровые смолы. Активным началом флокулянтов на основе гуаровых смол является галактоманноза C5H5(ОH)CH2ОH, которая имеет разветвленную молекулярную цепочку и молекулярную массу порядка
220 тысяч. Этот полимер образует в растворе объемистые клубки, что
придает данному реагенту высокую флокулирующую активность. Относится к классу неионных флокулянтов.
Получают гуаровые смолы экстракцией семян бобового растения
Gyamopsicpsoraliadis в виде белого или серого порошка. В РФ его применяли в пищевой промышленности, в США и некоторых других странах
(Джагуар MGL, Суперфлок, Гуартек) - для обработки питьевой воды и
других целей.
Хитозан. Представляет собой поли(1,4-β,D-глюкозамин), состав
элементарного звена: C5H5(ОH)-(NH2)CH2ОH. Хитозан получают путем
щелочного дезацетилирования при высоких температурах природного полисахарида хитина. Последнее вещество в больших количествах выделяют
при переработке морских ракообразных - крабов, антарктического криля.
Молекулярная масса полученных хитозанов составляет обычно (5-15).104.
Хитозан не растворяется в воде, но хорошо растворим в органических кислотах (муравьиной, уксусной и др.). Рабочие растворы хитозана
для флокуляционных опытов могут быть приготовлены в 1-2 %-ной уксусной кислоте. Аминная группа придает хитозану свойства катионного
полиэлектролита. Наиболее эффективно его действие в нейтральной и кислой средах. Хитозан образует комплексные соединения с солями тяжелых металлов (ртути, хрома, железа, меди, свинца и др.) и может быть использован для их извлечения из воды.
Хитозан применяют для очистки природных, бытовых и промышленных сточных вод, извлечения из сточных вод протеинов, улучшения
прокрашивания бумаги, концентрирования бактериальных культур и дру81
гих целей. Преимуществом хитозана является также его нетоксичность.
Синтезированы различные апкилхитозаны, являющиеся весьма эффективными флокулянтами минеральных и бактериальных суспензий.
Лигносульфоновые кислоты и их соли. Лигносульфоновые кислоты
представляют собой трехмерный жесткоцепной сетчатый полимер, основу
которого составляют фенилпропановые ядра с фенольными и сульфогруппами. В качестве флокулянта используют очищенные соли сульфитных щелоков, получаемые при производстве сульфитной целлюлозы. Молекулярная масса полученных таким путем анионных полиэлектролитов
колеблется в широких пределах - от 2 до 100 тыс. Известны модифицированные лигносульфоновые кислоты, содержащие, например, четвертичные аммониевые соли. Лигносульфоновые кислоты рекомендованы для
очистки сточных вод мясо- и птицекомбинатов.
В качестве флокулянтов используют также смесь водорастворимых
полимеров (полисахаридов, нуклеиновых кислот, белков), которые образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила и
могут быть выделены путем его обработки щелочью. Чаще всего эту
смесь применяют для флокуляции суспензий глинистых минералов.
Для очистки природных и сточных вод в некоторых странах предложили использовать водные вытяжки и соки некоторых растений, агарагар, белковые дрожжи, протеин и нуклеинсодержащие вещества, выделяемые из отходов пищевой промышленности и т. п.
Неорганические полимеры. Наиболее распространенный неорганический флокулянт - это активная кремниевая кислота (АК), получаемая
путем конденсации низкомолекулярных кремниевых кислот или их труднорастворимых солей. Активная кремниевая кислота представляет собой
анионный полиэлектролит. Степень полимеризации макромолекул (размер частиц) активной кремниевой кислоты, изоэлектрическая точка и
свойства растворов АК зависят от способов их получения, продолжительности и условий хранения растворов и других факторов. Растворы АК не
относятся к стандартным растворам, продуктам с определенными свойствами и не выпускаются промышленностью, а приготовляются путем обработки жидкого стекла различными реагентами непосредственно перед
употреблением (хранение растворов АК более недели не рекомендуется
из-за их неустойчивости). В связи с этим трудно дать однозначную характеристику состава и свойств растворов активной кремниевой кислоты.
Приготовление АК состоит из трех стадий: 1) разложения силикатов
натрия с выделением кремниевых кислот (активация жидкого стекла);
2) полимеризации (поликонденсация) кремниевых кислот с образованием
высокомолекулярных продуктов (созревание активной кремниевой кислоты); 3) разбавления полученной активной кремниевой кислоты с целью
предотвращения дальнейшей полимеризации и гелеобразования.
82
В большинстве случаев сырьем для получения АК является жидкое
стекло - водный раствор силиката натрия, содержащий 22,9-39 % SiО2 и
8,6-14,6% Na2О. Состав силиката натрия выражают формулой:
Na2О.mSiО2.nН2О. Молярное отношение SiО2/Na2О называют силикатным
модулем (М). Рекомендуется применять жидкие стекла с модулем более
2,9. Для получения АК предлагается использовать также силикат кальция
и трисиликат магния.
Для разложения силикатов натрия используют вещества, вытесняющие слабую кремниевую кислоту из ее соли, — минеральные кислоты
(НС1, H2SО4 и др.), диоксиды углерода и серы (СО2, SО2), кислые соли
(NaHSО4, NaHSО3, NaHCО3), а также соли, образующие кислоты в процессе гидролиза [Na2SiF6, A12(SО4)3, А1С13, FeCl3, FeSО4, (NH4)2SО4и др.].
В качестве активатора разложения жидкого стекла с успехом можно использовать хлор, ионообменные смолы; способствует разложению и электролиз.
В результате разложения силикатов при добавлении указанных реагентов происходит нейтрализация раствора и снижение значений
pH от 5 до 8, т. е. достигаются условия, при которых реакция поликонденсации кремниевых кислот протекает с большей скоростью. Эту реакцию
можно представить следующей схемой:
OH
OH
OH
2HO Si OH→ HO Si O Si OH + 𝐻2 𝑂
OH
OH
OH
Скорость этой реакции возрастает по мере увеличения концентрации
кремниевой кислоты (концентрация исходного жидкого стекла составляет
обычно 1,5-2 %), содержания некоторых ионов в системе (Са2+, Mg2+, Fe3+)
и температуры; она сложным образом зависит от значения pH раствора.
Существенное влияние на образование АК оказывает и характер перемешивания системы. Интенсивное перемешивание обеспечивает равномерное разложение силикатов и полимеризацию кислот во всем объеме раствора, а также препятствует образованию разветвленных структур и гелеобразованию.
По завершении перемешивания раствора силиката с активатором
система выдерживается в течение 0,5-2 ч для вызревания золя. 3aтем созревший золь разбавляют водой до содержания SiО2 0,5-0,75 % и используют в качестве рабочего раствора в течение 8-10 часов. Продолжительность созревания АК зависит от концентрации и значения pH раствора
жидкого стекла после добавления реагента. Как правило, с увеличением
83
концентрации SiО2 и с понижением pH (в области pH более 7) время, необходимое для приготовления АК, сокращается.
Существует две точки зрения на фазово-дисперсное состояние АК.
Согласно одной из них активная кремнекислота рассматривается как коллоидная система, состоящая из частиц, имеющих четкую поверхность раздела фаз, т. е. как золь SiO2. Частицы АК имеют сферическую форму и, в
зависимости от условий получения, размер от 1 до 150 нм. По другим
представлениям, АК является раствором высокомолекулярных кремниевых кислот с присущими растворам полимеров свойствами.
Вероятно, к таким же флокулянтам следует отнести и серию СФ, полученную из активных глинистых минералов на НПО «Агротех» города
Краснодара.
Синтетические высокомолекулярные флокулянты (ВМФ) получили гораздо более широкое применение, чем флокулянтыприродного
происхождения. Введением в них различных заместителей и функциональных групп легче варьировать их химический состав, пространственную структуру и заряд, а следовательно, и флокулирующую способность
по отношению к конкретным дисперсиям. Их производство, как правило,
обходится дешевле, чем выделение флокулянтов из природного сырья.
Также в растворах синтетических флокулянтов менее интенсивно развиваются микроорганизмы, разлагающие активный компонент, чем в растворах природных соединений.
В качестве флокулянтов используют органические полимеры, относящиеся к различным классам, или сополимеры с разнообразными функциональными группами. Многие синтетические флокулянты имеют условные коммерческие названия, и их точный состав зачастую неизвестен
или известен лишь ориентировочно. Для удобства рассмотрения синтетические ВМФ часто подразделяют на неионные, анионные и катионные соединения.
Неионные флокулянты. Наиболее распространенным и эффективным неионным флокулянтом является полиэтиленоксид (ПЭО). В технической литературе чаще встречается название ―полиоксиэтилен‖.
Состав его элементарного звена—СН2—СН2—О—. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные образцы ПЭО с модулем (М)
от 4 .104 до 5.107, чаще всего с М > 106. Известны низкомолекулярные аналоги полиэтиленоксида с М до 4 .104.
Полиэтиленоксиды (ПЭО) - твердые вещества белого цвета с упорядоченной структурой (степень кристалличности до 95 %), с температурой
плавления 65 - 67°С и плотностью 1,16-1,30 г/см3. С водой ПЭО смешивается в любых отношениях, но из-за своей кристалличности является слабо
гигроскопическим. Растворяется в большинстве органических растворителей - спирте, ацетонитриле, четыреххлористом углероде и других, причем
84
добавления около 10% растворителя достаточно, чтобы получить раствор
полимера в нерастворителе.
Для стабилизации растворов ПЭО к ним добавляют 0,2-0,5 % оксихинолина, этилового, изопропилового или аллилового спирта. Для предотвращения деструкции при растворении рекомендуется сначала осуществить предварительное набухание полимера в небольшом количестве
растворителя и готовить растворы ПЭО в безградиентных мешалках.
Важное преимущество полиэтиленоксида как флокулянта заключается в отсутствии заметной зависимости его флокулирующей способности
от pH раствора. Недостатки – это малая прочность флокул вследствие слабого закрепления макромолекул на поверхности большинства частиц (изза отсутствия специфических взаимодействий) и их легкая разрушаемость
при продолжительном и интенсивном перемешивании.
В промышленности полиэтилсноксид получают полимеризацией
этиленоксида на металлорганических катализаторах. В США полимер выпускается под названием Полиокс-коагулянт, в Японии – Алакс Е-65, полиэтиленгликоли - под названием Карбовакс или WSR. В России полиэтиленоксид выпускается в виде белого или желтоватого порошка с содержанием основного вещества 98-99 % и с молекулярной массой
(2-3).106. ОАО «Сорбент» (г. Пермь) производит высокоэффективные полиамфолитные флокулянты серии «Кама», успешно работающие при низких температурах (до 0°С).
Из серии АК 631 получил применение неионный флокулянт Н - 150,
выпускаемый фирмами НИИ полимеров и ЗАО «Гель» (г. Волжский).
Полиэтиленоксид оказался эффективным флокулянтом суспензий,
глинистых минералов, углей, флотоконцентрата и отходов флотации углеобогащения, карбонатного шлама, золей золота, иодида серебра и других
дисперсных систем.
Анионные флокулянты. Полиакриламид (ПАА) – это наиболее известный и широко применяемый синтетический флокулянт. Он представляет собой полимер акриламида (—СН2—СН—CONH2).
Молекулярная масса получаемых образцов ПАА находится обычно в
пределах (1—6) .106. Получают полиакриламид полимеризацией 4-9%-ных
водных растворов акриламида в окислительно-восстановительной среде в
присутствии инициатора — персульфата калия или аммония, триэтаноламина и гидросульфата натрия. Разработаны также методы эмульсионной и
суспензионной полимеризации водно-ацетоновых и водно-спиртовых растворов акриламида. Изменением соотношения воды и органического компонента в смеси можно регулировать молекулярную массу получаемого
образца. Известны способы радиационной, фото- и ультразвуковой полимеризации акриламида в твердой и жидкой фазе.
85
За рубежом (США, Япония, Германия, Франция, Италия) выпускается большой ассортимент полиакриламидных флокулянтов в порошкообразном, гранулированном и гелеобразном виде под разнообразными коммерческими названиями: Сепаран, Суперфлок -16, -20 и 84, Пулифлок А22, Магнофлок -990, -985, -971 и -860, Могул СО-983, Кей-флок, Полифлок, Седипур, Праестол, NP-20. Они различаются молекулярной массой,
степенью гидролиза и содержанием основного вещества в продукте.
В России осуществляется выпуск некоторых флокулянтов на основе
ПАА, полиакрилонитрила, сополимеров метакриловой кислоты и др.
Полиакриламиды являются экологически безопасными веществами,
способствующими дальнейшей оптимизации производственных процессов. Они представляет собой белое аморфное вещество, высокомолекулярный полимер может быть получен только из хорошего очищенного акриламида. Термически ПАА устойчив при нагревании до 120-130 °С. При
более высоких температурах начинается деструкция полимера, выделение
аммиака, образование амидных групп, возникновение внутри- и межмолекулярных связей. Хорошо растворим ПАА в полярных растворителях,
способных к образованию водородных связей. Полиакриламид смешивается с водой во всех отношениях. Водные растворы ПАА имеют большую
вязкость, которая возрастает с увеличением молекулярной массы полимера. Концентрированные растворы представляют собой студнеобразную
массу. В нейтральной, слабокислой и слабощелочной области ПАА ведет
себя как неионный полимер.
Неионные ПАА представляют собой акриламидные гомополимеры,
получаемые путем полимеризации мономера акриламида. Производятся в
виде гранул или порошка. Молекулярная масса 1 - 20 млн. Плотность заряда нулевая, т.е. полимер не имеет ни положительного, ни отрицательного электрического заряда.
Анионные ПАА получаются путем сополимеризации мономеров акриламида и акрилата натрия в различных пропорциях. Производятся в виде геля, гранул или порошка. Молекулярная масса 1 - 2 0 млн. Имеют отрицательный заряд с плотностью от 1 до 50%.
Катионные ПАА получают путем сополимеризации акриламида и
катионного акрилового мономера. Наиболее часто для этой цели используются следующие катионные мономеры:
-(2-акриламидоэтил) N-метил, N-диэтиламмоний метилсульфат;
-(2-акриламидоэтил) N-метил, N-диэтиламмоний хлорид:
-(2-акриламидоэтил) триметиламмоний хлорид;
-(2-акриламидоэтил) триметиламмоний метилсульфат;
-(2-метакриламидоэтил) триметиламмоний хлорид;
-(2-метакриламидоэтил) триметиламмоний метилсульфат;
-(2-метакриламидпропил) триметиламмоний хлорид;
86
-(3-акриламидпропил) триметиламмоний метилсульфат.
Основными критериями качества полимерных реагентов являются:
1) химическая природа полимера и мономера;
2) молекулярная масса (низкая 1-3 млн; средняя 3-10 млн; высокая
более 10 млн);
3) природа заряда (неионные, анионные, катионные, амфотерные);
4) величина (плотность) заряда (низкая 1 - 10%, средняя 10 - 40%, высокая 40 - 80%, очень высокая 80 - 100%);
5) вязкость, которая определяется молекулярной массой и зарядом;
6) физическая форма полимера (эмульсия, раствор, гель, порошок,
гранулы);
7) стабильность (при хранении, влиянии температуры, pH, УФ, хлорировании и озонировании);
8) способность к трансформации, биотрансформации и биодеградации;
9) присутствие мономеров и примесей в опасных концентрациях;
10) токсичность и опасность.
Синтетические полиэлектролиты являются стабильными соединениями и сохраняют свои свойства в течение нескольких месяцев. В растворе
при внешнем химическом, механическом и микробиологическом воздействии полимеры быстро подвергаются деградации.
Химическая деградация в основном происходит в результате гидролиза, скорость которого зависит от pH, химической природы и ионной формы полимера.
Неионные полиакриламиды стабильны при значениях pH от 1 до12,
анионные – от 4 до 12, катионные – от 4 до 6. ПолиЭПИ-ДМА и полиДАДМАХ стабильны при значениях pH от 1 до 14. В растворе (1 г/дм3)
анионные полимеры стабильны в течение примерно 2 суток, а катионные 4 часов.
Промышленностью ПАА выпускается в виде порошков, 7-8%-ных
гелей
и
высоковязких
жидкостей
на
химкомбинате
в г. Ленинске-Кузнецком, АО «Бератон» в г. Березники и химкомбинате в
г. Перми, заводе им. Я.М. Свердлова в г. Дзержинске.
Полиакриламидный гель негорюч и невзрывоопасен. Его свойства
существенно не изменяются при кратковременном нагревании до температуры 60-70 °С. При продолжительном нагревании ПАА-гель осмоляется. Он (особенно аммиачный) вызывает коррозию черных и цветных металлов, его поставляют в полиэтиленовых мешках, пленочных мешках,
вложенных в картонные навивные барабаны, или в деревянных бочках с
полиэтиленовыми вкладышами или без них. Барабаны и бочки с
ПАА-гелем следует хранить в закрытых помещениях при плюсовой температуре, но не выше 30 °С. Во избежание утечек ПАА-геля бочки нужно
87
хранить в вертикальном положении загрузочным лючком вверх. Не рекомендуется длительное хранение вскрытой или поврежденной тары. Гарантийный срок хранения ПАА-геля - 4 месяца со дня изготовления. Водные
растворы ПАА-геля нельзя хранить в емкостях из черных металлов, так
как при этом происходит разложение полимера, образование черного
осадка, растворы приобретают оранжевую окраску, их вязкость уменьшается, а флокулирующее действие ухудшается. ПАА-гель не действует на
кожу и глаза и не имеет запаха. Однако при хранении ПАА-геля возможно
выделение небольших количеств аммиака, пары которого раздражают дыхательные пути и слизистые оболочки глаз и носа.
Наиболее распространены два сорта технического ПАА: известковый и аммиачный. Из них готовят рабочие растворы. Сухие реагенты растворяют в механических мешалках, имеющих обычно несколько пропеллеров. Раствор ПАА можно получить также в пневматической мешалке,
представляющей собой бак, в котором находятся змеевик и решетка. Растворение ПАА в баке интенсифицируют подогревом воды до 25°С паром,
пропускаемым через змеевик, и сжатым воздухом, подаваемым от воздуходувки. Длительность растворения геля ПАА составляет 25-40 мин, сухого - 2 часа. Воду обрабатывают 0,1-1,0 %-ным раствором ПАА. Технический ПАА - малотоксичное вещество. Предельно допустимая концентрация полимера 2 мг/дм3. Полиакриламид придает воде слабовяжущий
привкус.
Известковый и аммиачный ПАА-гель - прозрачная, молочно-белая
или желеобразная вязкая тягучая масса, прилипающая к дереву, тканям и
бумаге. Известковый ПАА содержит 7-9 % полимера и не более 0,2 % нерастворимых веществ; аммиачный ПАА - 5-6 % полимера, 14-17 % сульфата аммония и не более 0,1 % нерастворимых веществ. Плотность геля
1,03 - 1,04 г/см3, температура кипения 100,5 °С, температура затвердевания минус 2-3 °С.
ПАРМформ - продукт обработки технического ПАА формальдегидом. Обработка производится непосредственно на месте использования
флокулянта. Для получения ПАРМформа к 2 %-ному раствору ПАА-геля
прибавляют формалин из расчета 100 : 6,2, нагревают в течение 10 мин
при 50°С и разбавляют до 0,1 %. ПАРМформ в ряде случаев, особенно в
щелочной среде, более эффективен, чем ПАА.
Широко используемый гидролизованный ПАА (ГПАА) промышленностью не выпускается, а приготовляется на месте его использования в
виде 0,5%-ного раствора омылением технического ПАА щелочью при
температуре от 50 до 80°С. Гидролизованный ПАА является флокулянтом
со значительно более резко выраженными свойствами, чем обычный технический ПАА. Водные растворы ГПАА имеют повышенную вязкость в
слабокислой, нейтральной и щелочной областях. Гидролизованный ПАА в
88
нейтральной и щелочной среде обладает лучшим флокулирующим действием.
Отметим, что образуются карбоксильные группы, придающие молекулам ПАА отрицательный заряд. Гидролиз происходит не полностью:
максимальная степень гидролиза в 2 молярном растворе NaOH составляет
70 %. Но независимо от области использования флокулянтов основными
характеристиками их флокулирующих свойств являются эффект очистки
воды или степень обезвоживания осадка и доза флокулянта.
Механизм флокуляции. Как известно, флокуляция загрязнений,
присутствующих в сточных водах, предполагает две стадии: адсорбцию
флокулянта на частицах и образование агрегатов частиц (флокул).
Адсорбция флокулянта на частицах дисперсной фазы может происходить за счет электростатических и химических взаимодействий, ионного обмена, сил Ван-дер-Ваальса. Адсорбция ионогенных флокулянтов на
частицах дисперсной фазы, имеющих противоположный по знаку заряд,
происходит, главным образом, за счет электростатического притяжения.
Следствием адсорбции макромолекул ионогенных флокулянтов является
уменьшение ЭКП частиц дисперсной фазы.
Адсорбция неионогенных и одноименно заряженных флокулянтов
на частицах дисперсной фазы может происходить вследствие образования
химических, водородных и ковалентных связей. Такой механизм адсорбции, вероятно, имеет место при флокуляции гидроксидов железа, заряженных положительно, катионным флокулянтом Праестолом-655, что
приводит к повышению положительного заряда частиц гидроксидов. Неионогенные флокулянты (полиоксиэтилен или полиакриламид) медленно
снижают ЭКП дисперсной фазы, но в отличие от, например, катионных
флокулянтов перезарядки дисперсной фазы не происходит.
По сравнению с адсорбцией низкомолекулярных веществ сорбция
флокулянтов должна протекать медленнее вследствие большого размера
макромолекул. Интенсивное перемешивание сокращает время достижения
адсорбционного равновесия. При интенсивном перемешивании максимум
адсорбции достигается уже через 1-2 мин. Увеличение продолжительности перемешивания выше оптимальной приводит к десорбции полимера с
поверхности частиц, которая увеличивается с уменьшением содержания
дисперсной фазы в очищаемой воде.
Образование агрегатов частиц, т.е. связывание частиц полимерными
мостиками, происходит в результате взаимодействия макромолекул, адсорбированных на частицах дисперсной фазы, со свободными частицами.
Максимальная скорость флокуляции наблюдается при одинаковой концентрации покрытых флокулянтом и непокрытых частиц.
89
Исходя из данных представлений о механизме флокуляции, флокулирующие свойства органических флокулянтов будут определяться следующими основными факторами:
- физико-химическими характеристиками флокулянтов (молекулярной массой, наличием и степенью диссоциации ионогенных групп);
- физико-химическими характеристиками очищаемой воды (природой, степенью дисперсности и концентрацией удаляемых загрязнений, наличием и природой растворѐнных веществ);
- технологическими параметрами флокуляции (условиями смешения
и хлопьеобразования).
Отметим, что наличие ионогенных групп ускоряет процесс адсорбции флокулянта на частицах дисперсной фазы. Этим обусловлена высокая
эффективность использования катионных флокулянтов для флокуляции
дисперсных частиц, заряженных отрицательно. К таким дисперсиям относятся большинство промышленных и городских сточных вод и образующихся при этом осадков.
Зависимость эффективности очистки воды от величины заряда проявляется тем сильнее, чем ниже молекулярная масса флокулянтов. Высокая флокулирующая активность низкомолекулярных флокулянтов, таких
как ВПК 101, ВПК 402, наблюдается при максимальном содержании ионогенных групп 90 -100%.
Анионные и неионные флокулянты эффективны для флокуляции
природных и промышленных сточных вод, дисперсная фаза которых заряжена положительно, или сточных и природных вод, предварительно обработанных коагулянтами, так как продукты гидролиза солей алюминия и
железа в большинстве случаев несут положительный заряд.
Определяющим фактором второй стадии флокуляции хлопьеобразования является молекулярная масса флокулянта. Чем выше молекулярная
масса флокулянта, т.е. чем длиннее ее макромолекулы, тем больше частиц
связывается макромолекулами флокулянта в агрегаты и тем выше эффективность очистки воды. С увеличением молекулярной массы флокулянтов
оптимальная доза флокулянта уменьшается, а эффект осветления - увеличивается. Для высокомолекулярных флокулянтов с характеристической
вязкостью более 5 дл/г эффективность флокуляции и необходимая доза
флокулянта определяются не содержанием ионогенных групп в его молекуле, а молекулярной массой флокулянта. Для высокомолекулярных катионных флокулянтов ПААК с молекулярной массой 3,0 - 5,5 млн и анионных флокулянтов ПЛАН с молекулярной массой выше 8 млн эффект очистки сточных вод НПЗ зависит не от заряда макромолекул, а от их размера. Этим, вероятно, обусловлена высокая эффективность анионного флокулянта ПЛАН с характеристической вязкостью 10-20 дл/г для очистки
сточных вод НПЗ, содержащих отрицательно заряженные частицы загряз90
нений. Полученные данные являются косвенным доказательством преобладания механизма мостикообразования в процессе флокуляции сточных
вод флокулянтами с высокой молекулярной массой.
При обработке осадков сточных вод обычно применяют высокомолекулярные флокулянты слабой и средней основности с характеристической вязкостью 5-20 дл/г.
Высокая молекулярная масса флокулянта определяет, в отличие от
коагулянтов, и специальные условия растворения и приготовления рабочих растворов флокулянтов и их концентрации. Растворение флокулянтов
должно осуществляться при интенсивном перемешивании в аппаратах с
мешалками. Концентрация рабочих растворов флокулянтов зависит от их
молекулярной массы и колеблется от 0,05 до 0,5%.
Всегда эффективнее использовать разбавленные растворы, но часто,
особенно в случае флокулирования осадков, поступление «лишней» воды
весьма нежелательно.
Поэтому при выборе флокулянта следует руководствоваться следующими общими принципами:
- эффективность очистки повышается, а доза уменьшается при увеличении молекулярной массы флокулянта;
- увеличение основности, т.е. количества ионогенных групп в макромолекуле флокулянта, при сравнительно низкой молекулярной массе
также способствует увеличению глубины очистки и снижению дозы флокулянта;
- при использовании высокомолекулярных флокулянтов требуются
специальные условия для их растворения и смешения с очищаемой сточной водой.
Основными факторами, определяющими флокулирующие свойства
флокулянтов, являются состав и количество загрязнителей: природа и
дисперсность взвешенных веществ, их содержание, pH, концентрация солей, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и других загрязнений.
Степень дисперсности, величина и знак заряда дисперсной фазы, еѐ
количество в очищаемой системе зависят от природы загрязнений и определяют тип флокулянта и его расход. Как правило, для флокуляции положительно заряженных дисперсных систем, к которым относятся, например, сточные воды, содержащие угольные частицы, гидроксиды металлов
и др., используют анионные флокулянты. Для флокуляции отрицательно
заряженных дисперсных систем, к которым относится большинство природных и сточных вод, применяют катионные флокулянты.
Для практики важно, что удельный расход флокулянта снижается с
увеличением концентрации дисперсной фазы. Этот факт является одной
из причин небольшого расхода флокулянтов для осветления концентрированных суспензий.
91
Увеличение концентрации солей в обрабатываемой системе уменьшает эффект флокуляции, поскольку низкомолекулярные электролиты
снижают степень диссоциации полиэлектролитов, и они приобретают глобулярную, а не линейную структуру. Поэтому в сильно минерализованных стоках предпочтительнее использовать неионные или слабоионогенные флокулянты.
Наличие ПАВ и растворимых органических веществ в обрабатываемой системе приводит, как правило, к увеличению расхода флокулянта, и
в этом случае иногда выгоднее добавлять ещѐ и коагулянты.
Технология флокуляции. На эффективность очистки сточных вод с
применением флокулянтов оказывают влияние доза флокулянта, гидродинамические условия смешения и хлопьеобразования, время обработки.
Зависимость эффективности очистки от дозы флокулянта для большинства очищаемых сточных вод и кондиционирования осадков проходит
через минимум. Это объясняется тем, что по мере возрастания содержания
флокулянта, устойчивость дисперсной системы сначала уменьшается
(флокуляция), а затем увеличивается (стабилизация). Оптимальная доза
флокулянта соответствует максимальному эффекту очистки воды и определяется молекулярной массой и зарядом флокулянта, природой и концентрацией удаляемых из воды загрязнений. Для некоторых видов сточных вод высокая эффективность флокуляции наблюдается в широком
диапазоне доз флокулянта.
Это значительно облегчает управление процессом очистки, так как с
увеличением интервала оптимальных доз уменьшается опасность ухудшения флокуляции примесей при отклонении дозы от заданной.Как следует
из теории флокуляции, первой стадией процесса является адсорбция флокулянта на частицах дисперсной фазы, которая зависит в значительной
степени от времени интенсивного смешения флокулянтов с обрабатываемой водой. Исследования, проведенные на разных видах сточных вод, показали, что интенсивность смешения увеличивается с ростом молекулярной массы флокулянта и практически не зависит от других его характеристик. Оптимальные параметры смешения имеют следующие характеристики:
-продолжительность смешения составляет 0,5 - 2,0 мин;
-интенсивность смешения, оцениваемая по величине среднего градиента скорости, составляет 100-400 с-1.
Условия хлопьеобразования, определяющие размер и прочность образующихся хлопьев, важны для ускорения процесса осветления сточных
вод. Хлопьеобразование определяется молекулярной массой флокулянта,
природой дисперсной фазы и способом осветления воды.
С увеличением молекулярной массы флокулянта средний градиент
скорости G возрастает. Продолжительность хлопьеобразования составляет
92
5 - 10 мин при флокуляции минеральных примесей и в 2 - 3 раза больше
при флокуляции эмульгированных примесей. При этом следует отметить,
что, создавая оптимальные условия хлопьеобразования, эффект очистки
малоактивным флокулянтом можно довести до уровня активного флокулянта.
При очистке воды флокулянтами в сочетании с коагулянтами, особенно при очистке воды с низкой температурой, эффективность флокуляции зависит от промежутка времени между подачей коагулянта и флокулянта. Обычно этот интервал времени составляет 30-120 секунд и определяется температурой обрабатываемой воды и наличием растворенных органических примесей. Чем ниже температура воды, тем медленнее протекает реакция гидролиза коагулянта, а следовательно, и коагуляция коллоидных и растворенных примесей образующимися микрохлопьями коагулянта. Это должно приводить к увеличению времени между подачей коагулянта и флокулянта, так как макромолекулы флокулянта, связывая частицы гидроксидов в макрохлопья, будут снижать их адсорбционную активность.
Исключением является высокая эффективность использования композиционных реагентов, когда коагулянт и флокулянт вводятся одновременно в виде смеси.
При использовании флокулянтов в системах водного хозяйства возникает несколько проблем, требующих обязательного решения: какой
флокулянт (флокулянт и коагулянт, флокулянт и сорбент, флокулянт
и др.) следует рекомендовать; каковы оптимальные условия его применения; какой положительный эффект от флокулирования получается (экономический, технологический, экологический и др.).
Выбор флокулянта, к сожалению, достаточно субъективный процесс,
поскольку сказывается одновременное влияние множества факторов: количества и качества загрязнителей в воде или стоке, природы флокулянта,
технико-экономических характеристик метода и др., поэтому выбор начинается с изучения аналогичных случаев, что оправдано; накоплен практический опыт флокулирования.
Как уже отмечалось, кинетика флокуляции складывается из кинетики адсорбции флокулянта и кинетики агрегации (хлопьеобразования) частиц дисперсной фазы. Как было показано, адсорбция флокулянта на частицах дисперсной фазы при интенсивном перемешивании протекает с высокой скоростью, в среднем за 60 сек. Агрегация частиц, которая происходит в результате связывания полимерными мостиками полимерсодержащих и непокрытых частиц, является более медленным процессом, от
условий проведения которого зависит эффективность осветления воды.
Об этом свидетельствуют результаты гидродинамических исследований,
которые показывают, что эффективность флокулянта может быть повы93
шена на 20-35% при соблюдении оптимальных параметров хлопьеобразования. Если принять, что скорость флокуляции определяется стадией
хлопьеобразования, тогда для описания процесса очистки воды флокулянтами можно использовать кинетическое уравнение градиентной коагуляции второго порядка. Скорости флокуляции сточных вод некоторых производств с применением органических флокулянтов представлены в
табл.7.
Таблица 7. Константы скорости флокуляции сточных вод некоторых
производств с применением флокулянтов
Константа скорости, с -1
Вид эмульсии, сточной Реагент
воды
Температура,°С
11
К∙10
5
К∙10
Керамкомбинат
Фл-200
20
-
1,7
Фарфоровый
завод
Фл-200
ПАА
Фл-200
А-930
Н-150
1,25
2,5
3,25
-
0,22
0,50
0,18
0,3
0,42
2,0
-
3,14
3,46
Вода автобазы
А-930
20
20
20
20
10
20
30
20
Вода гидрофильтра
окрасочнойкамеры
Фл-200
К-125
20
20
Модельная
нефтесодержащая
вода
-
Отметим, что с повышением температуры скорость процесса флокулирования увеличивается. На практике флокуляционный эффект (S) можно оценить прямыми замерами, например при отстаивании, по формуле
S = (V-V o )/V o ,
где V и V o -скорость осаждения в присутствии флокулянта и без него.
Также можно оценить эффект очистки от загрязнителей (взвеси, железа и др.).Несколько сложнее оценивается влияние флокулянта на процесс обработки осадка, поскольку нужно сравнивать (без добавления и с
добавлением флокулянта) значение удельной производительности по сухому веществу (или по объѐму обрабатываемых однотипных осадков),
толщине и влажности осадков, их адгезии (что особенно важно!) к фильтровальной перегородке и, наконец, по качеству фильтрата (фугата).
В заключение отметим, что при использовании флокулянта следует
прослеживать и оценивать все стадии обработки воды и стока (качество
осветлѐнной воды), количество и качество получаемого при этом осадка,
94
возможность его кондиционирования и обезвоживания и, наконец, условия его утилизации.
Технология коагуляционной и флокуляционной очистки сточных
вод и используемое оборудование. Количество коагулянта, необходимого
для очистки сточных вод определяется экспериментально. Эффективность
процесса флокуляции и его скорость зависят от следующих факторов: состава сточных вод и их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов.
Процесс очистки сточных вод указанными методами состоит из следующих технологических операций: приготовления водных растворов
коагулянтов или флокулянтов, дозирования, смешения с объемом сточной
воды, хлопьеобразования, выделения хлопьев из сточной воды. Коагулянты используют в виде 1—10%-ных растворов, а флокулянты — в виде
0,1—1%-ных растворов. Для смешивания коагулянтов с обрабатываемой
сточной водой используют смесители различной конструкции: перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные. Продолжительность пребывания воды в смесителях обычно составляет 1—2 мин. Из смесителей вода, обработанная коагулянтами, поступает в камеры хлопьеобразования, в
которых и происходит процесс образования хлопьев. По конструкции камеры хлопьеобразования делятся на водоворотные, перегородчатые, вихревые и с механическим перевешиванием. На рис. 12 представлена перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным движением сточной воды.
Рис. 12.Перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным
движением сточной воды:
1,2 – отводной канал соответственно сточной воды и осадка; 3,4 – шиберы
соответственно для отключения части коридоров камеры и выпуска осадка
Скорость движения сточной воды в коридорах лежит в пределах
0,1—0,3 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20—30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а
ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.
95
Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках. Двухступенчатая схема отстаивания сточных вод является наиболее эффективной. На первой
стадии сточная вода отстаивается без коагулянта, а на второй она обрабатывается коагулянтами и флокулянтами.
При концентрации в сточных водах взвешенных веществ, способных
к агрегации, до 4 г/л используют осветлители с взвешенным слоем осадка,
в которых последовательно осуществляют следующие процессы: смешение, коагуляцию и осветление сточных вод. Устройство осветлителя с
взвешенным слоем осадка представлено на рис. 13.
Рис. 13. Схема осветлителя с взвешенным слоем осадка:
1 – воздухоотделитель; 2 – спускные трубы; 3 – осадкоотводные трубы;
4 – осадкоуплотнитель; 5,6 – трубопроводы соответственно выпуска осадка и отвода
осветленной воды из осадкоуплотнителя
Обычно используются осветлители круглой (диаметром до 15 м) или
прямоугольной формы, причем площадь отечественных осветлителей не
превышает 150 м. Принцип работы этого осветлителя основан на пропускании восходящего потока сточной воды через слой ранее выделившегося
шлама, причем скорость потока регулируется таким образом, чтобы частицы шлама не уносились из зоны выделившегося осадка. Для повышения
эффективности осветления сточная вода, смешанная с коагулянтами,
предварительно проходит через воздухоотделитель 1, в котором она освобождается от пузырьков воздуха.
Сорбция. Сорбция—это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью, называемыми сорбентами. Поглощаемое вещество именуется сорбатом. При абсорбции вещества (абсорбата) поглощение последнего происходит во всем объеме жидкого или
твердого абсорбента. Абсорбция обусловлена как процессом диффузии
абсорбента в абсорбат, так и процессами растворения. Под адсорбцией
понимают процесс поглощения веществ (адсорбатов), находящихся в га96
зах и жидкостях, происходящий на поверхности твердых тел (адсорбентов). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента
с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод, загрязненных
ароматическими соединениями, слабыми электролитами или неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями, гидрофобными алифатическими соединениями. Указанные методы позволяют
извлечь из сточных вод ценные компоненты с их дальнейшей утилизацией, а очищенную воду использовать в системах оборотного водоснабжения предприятия. Метод сорбционной очистки не рекомендуется применять для выделения из сточных вод только неорганических соединений, а
также низших одноатомных спиртов.
В отечественной практике сорбционная очистка используется для
обработки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической,
нефтехимической и других отраслей промышленности и применяется в
качестве самостоятельного метода или совместно с методом биологической очистки.
В качестве сорбентов применяют различные материалы: активированные (активные) угли различных марок, силикагели, алюмогели, золу,
коксовую мелочь, торф, шлаки, активные глины и др. Характерной особенностью вышеперечисленных сорбентов является их пористость. Например, для таких эффективных сорбентов, как активированные угли, пористость составляет 60—75 %, а их удельная площадь поверхности лежит
в пределах 400—900 м2/г.
Все активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые, а
также смешанного типа в зависимости от преобладающего размера пор,
которые подразделяют на три вида: макропоры размером 0,1—2 мкм, переходные поры размером 0,004—0,1 мкм и микропоры размером менее
0,004 мкм. Сорбционная способность углей определяется в основном микропористой структурой. Для отечественных активированных углей марок
АГ-2, БАУ, АР-3, КАД, СКТ емкость микропор лежит в пределах
0,19— 0,51 см3/г.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого
вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3 или кг/кг). Процесс сорбции может быть осуществлен как в статическом, так и в динамическом режимах. В статическом режиме частицы жидкости и сорбента совместно движутся в потоке (например, в аппаратах с перемешиванием
жидкости), а в динамическом — жидкость перемещается относительно
сорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем). Поэтому вводятся два понятия, характеризующие емкость сорбента: ―статическая‖
и ―динамическая‖ активность сорбента. Статическая активность
сорбента — это максимальное количество вещества, поглощенного еди97
ницей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при
постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества.
Динамическая активность сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до
момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске
сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах обычно составляет 45—90 % от равновесного значения.
Для определения количества поглощенного при очистке воды загрязняющего вещества, характеризующего адсорбционные свойства сорбента, используют изотермы сорбции, описываемые уравнениями Ленгмюра или Фрейндлиха. Уравнение Ленгмюра описывает системы с однородными поверхностями и незначительными силами взаимодействия между адсорбированными молекулами, а уравнение Фрейндлиха описывает
адсорбцию на неоднородной поверхности.
Следует указать, что сорбционные процессы являются обратимыми,
т.е. сорбат может переходить с сорбента обратно в раствор. Скорости протекания сорбционного и десорбционного процессов пропорциональны
концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента.
Флотация. Флотация используется для очистки производственных
сточных вод от следующих загрязнений: поверхностно-активных веществ,
нефти и нефтепродуктов, масел, а также различных волокнистых материалов. Процесс очистки состоит в образовании комплексов «частицы—
пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения, и последующем удалении этого слоя с поверхности. Эффект прилипания пузырька
воздуха к поверхности частицы достигается только в том случае, если
жидкость плохо ее смачивает.
Степень смачивания водой твердых или газовых частиц, диспергированных в воде, может быть охарактеризована краевым углом смачивания. Чем больше краевой угол смачивания, тем более гидрофобна поверхность частицы, вследствие чего увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков, поэтому такие частицы легко флотируются.
Флотация с выделением воздуха из раствора. Сущность этого метода состоит в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной воде,
при выделении которого образуются макропузырьки, позволяющие удалять сильнодиспергированные загрязнения. Количество воздуха, выделяющегося из раствора и необходимого для обеспечения эффективной
флотации, составляет 1—5 % от объема обрабатываемой воды.
Вакуумная флотация используется для очистки сточных вод, если
концентрация загрязнений в них не превышает 250 мг/л. При вакуумной
98
флотации сточную воду в течение нескольких минут насыщают воздухом,
потом ее направляют в деаэратор, где удаляется нерастворившийся воздух, и под действием разрежения (0,02—0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру. В ней воздух под действием вакуума выделяется в виде микропузырьков, которые взаимодействуют с частицами
загрязнений и переносят их на поверхность жидкости в пенный слой, откуда пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Недостатками способа кроме указанного выше ограничения по концентрации загрязнений в сточных водах является достаточно высокая сложность создания и эксплуатации вакуумных систем.
Напорные флотационные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорные
флотационные установки позволяют очищать сточную воду с концентрацией взвесей до 5г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют
коагулянты.
Процесс проходит две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением; 2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.
Схема напорной флотации представлена на рис.14.
Рис. 14. Схема напорной флотации:
1 – емкость; 2 – насос; 3 – напорный бак; 4 – флотатор
Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда ее перекачивают насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образуется водно-воздушная смесь, которая направляется в напорную емкость. В ней при повышенном давлении (0,15—0,4 МПа) воздух
растворяется в воде. Из напорного бака водно-воздушная смесь поступает
во флотатор, он работает при атмосферном давлении. При уменьшении
давления из воды выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют
взвешенные частицы на поверхность жидкости. Пену с твердыми частицами удаляют с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная
вода выходит из нижней части флотатора.
Экстракция. Жидкостная экстракция — это процесс извлечения
вещества из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смеши99
вающуюся с водой. Процессы жидкостной экстракции используются для
выделения из сточных вод ценных органических веществ (например, фенола и жирных кислот), а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля
цинка, кадмия, ртути и др.).
Введем основные термины, используемые в теории экстракции.
Экстрагент — это органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в органическую фазу. Данное определение обычно используется при проведении экстракции ионов металлов. Экстракция большинства неметаллических загрязнителей протекает за счет физических процессов (избирательного растворения). Экстрагент в этом случае играет роль селективного
(избирательного) растворителя указанных загрязнителей. Экстрагентами
служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.
Разбавителем называют органическую жидкость, не смешивающуюся с водой и служащую растворителем экстрагента (керосин, бензол, ксилол, уайт-спирит и др.). Иногда экстрагентом называют всю органическую
фазу, т. е. раствор собственно экстрагента в разбавителе.
В случае, когда экстрагент является твердым веществом, не растворяющимся в обычных разбавителях, для его перевода в жидкое состояние
применяют специальные растворители (например, спирты).
Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом. Загрязняющие
компоненты выделяются из экстракта двумя путями: либо ректификацией,
либо реэкстракцией, в результате которых обычно достигается регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрагентов) используют водные растворы кислот, солей и оснований. Водный
раствор после реэкстракции называют реэкстрактом.
Основные количественные характеристики экстракционного процесса следующие: коэффициент распределения экстрагируемого вещества,
коэффициент разделения или коэффициент селективности и степень извлечения.
Коэффициент распределения kp— это отношение общей концентрации загрязняющего элемента в органической и водной фазах при установлении равновесия: kp = Сэ/Сст = const, где Сэ, Сст—концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3.
Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой
проводится экстракция, а также от наличия различных примесей. Кроме
того, такие факторы, как pH водной фазы и величина окислительновосстановительного потенциала, могут вызвать изменение величины kp на
несколько порядков, что придает процессу экстрагирования достаточную
гибкость при практической реализации и управлении процессом.
100
Степень извлечения Е — это процент извлечения вещества в органическую фазу от общего его количества в обеих фазах.
Метод экстракционной очистки рекомендуется применять при достаточно высокой концентрации органических примесей или при высокой
стоимости извлекаемого вещества. Для большинства загрязнителей сточных вод применение экстракционного способа эффективно при их концентрации 2 г/л и более.
Рассмотрим основные требования к органическим экстрагентам. Они
должны иметь достаточно высокую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий коэффициент распределения. Кроме того, коэффициент разделения должен существенно
превышать единицу.
Важным фактором в экстракционных процессах является быстрое и
полное расслаивание жидкостей после их смешивания, а также малая растворимость экстрагента в воде, причем хорошее расслаивание при малой
растворимости обеспечивается наличием в молекуле экстрагента неполярной гидрофобной части — радикала, который чаще всего представлен углеводородными группами CnH2n+1, где n—7-12. Вышеуказанные требования можно также обеспечить путем введения в молекулу экстрагента
длинной алкильной боковой цепи, а также другими приемами.
Химическая реакция между экстрагентом и компонентами водного
раствора должна быть обратимой, так как иначе регенерация экстрагента,
необходимая для его повторного использования, будет затруднена или невозможна.
Емкость экстрагента, измеряемая в миллиграмм-эквивалентах извлекаемого вещества, приходящегося на единицу объема или массы органической фазы, должна быть достаточно большой, так как в противном
случае применение экстрагента, даже обладающего высокой селективностью, может оказаться неэкономичным из-за необходимости иметь в системе большое количество экстрагента.
Плотность и вязкость являются важными свойствами экстрагента.
Чем больше разность между плотностями органического и водного слоев
и чем меньше вязкость реагента, тем быстрее идет их разделение.
Межфазное натяжение на границе раздела для ускорения коалесценции (слияния) несмешивающихся жидкостей при их отстаивании
должно быть достаточно высоким.
Экстрагент должен быть стабильным, т. е. не изменяться под действием окислителей, не полимеризоваться и не окисляться кислородом
воздуха, а также не изменяться при нагревании или охлаждении. Экстрагент должен иметь низкое давление пара, что обеспечивает возможность
проведения процесса в открытой аппаратуре, а также уменьшает потери
экстрагента за счет испарения. Кроме того, экстрагенты должны иметь
101
низкие огне- и взрывоопасность, а также малую токсичность, не должны
подвергаться гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом и материалами, из которых изготовлены экстракционные установки.Наиболее распространенные экстрагенты, предназначенные для выделения из сточных вод органических загрязнений, представлены в табл. 8.
Сведения о наиболее распространенных экстрагентах, предназначенных
для выделения из сточных вод тяжелых цветных металлов, приведены в
табл. 9.
Таблица 8. Значения коэффициента распределения 𝒌р некоторых загрязняющих
веществ между экстрагентами и водой при комнатной температуре
Экстрагируемое из воды
вещество
Анилин
Бензойная кислота
Муравьиный альдегид
Пикриновая кислота
Пиридин
Салициловая кислота
n-Толуидин
Фенол
Хлоруксусная кислота
Экстрагент
𝒌р
Бутилацетат
Толуол
Диэтиловый эфир
Бутилацетат
Толуол
Амиловый спирт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Толуол
Ацетон
Толуол
Бензол
Хлороформ
Бензол
Бутилацетат
Амиловый спирт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Амиловый спирт
27
8–19
71–91
30
6–12
3
1,7–8,7
0,7–5,3
1,2–2,6
1,4–9,3
126
1,7–2,5
1,7–4,5
2,9–4,3
51–60
51
14–16
1,7–9,4
2,3–12,5
3,4–12,5
3,6
Для извлечения металлов из водной в органическую фазу могут быть
использованы следующие виды экстракции: катионообменная, анионообменная и экстракция нейтральными реагентами.
Основным физико-химическим процессом экстракции является обмен между органической и водными фазами до достижения равновесия.
Массообмен осуществляется на межфазной границе в результате перехода
компонентов из фазы, где концентрация выше равновесной, в фазу, где
концентрация ниже равновесной.
102
Таблица 9.Экстрагенты для извлечения металлов
Экстрагент
ТБФ
I
Au
Группы периодической системы элементов
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Ca, Sr,
Sr, V,
Zr,
Fe, PtBa, Cd,
–
Se, Te
–
Ga, In
Hf
элементы
Hg
Алкилфосфорные
кислоты
Жирные и
нафтеновые
кислоты
Пиридиноксиды, оксиды
аминов
Хлорекс
Cu,
Na, Cs
Mg, Ba
Sc, V,
La, In
Zr,
Hf
As,
Sb
Mo
–
Co, Ni
Cu, Ag
Mg, Ca,
Zn, Cd,
Hg
Al, Ga
Pb
Bi
–
–
Fe, Ni
Ag
Zn
–
Zr,
Hf
Nb,
Ta
Mo, W
–
Fe, Co, Ni
Au
Ga, Ti
Ge
–
Амины
Au
Zn
Be, Zn,
Cd
–
–
V
–
Mo,
W, Se
–
Mn,
Re
Pd
Fe, Co, Ni,
Pt-элементы
Массообмен лимитируется встречным диффузионным транспортом
компонентов от границы в объем фазы и наоборот. Очень медленный процесс молекулярной диффузии должен быть дополнен конвективной диффузией в объеме фазы, для чего необходимо создать в ней интенсивные
вихревые токи с помощью гидродинамических воздействий.
При прочих равных условиях скорость массообмена для системы в
целом пропорциональна величине межфазной границы. Поэтому аппаратура экстракционных процессов должна обеспечить быстрое диспергирование органической и водной фаз для получения эмульсии с достаточной большой межфазной границей. Кроме того, она должна позволять поддерживать такое состояние системы до необходимого приближения к равновесию и одновременно создавать гидродинамические условия,
способствующие возникновению интенсивных вихревых потоков жидкости в объемах диспергированных фаз.
Весьма существенны для процессов конвективной диффузии минимальные вязкости контактирующих фаз, благоприятствующие развитию
вихревых потоков в объемах движущихся жидкостей. Поэтому при значительной вязкости органического экстракта его разбавляют маловязкими
добавками.
Высокие величины энергии межфазной границы благоприятствуют
коалесценции частиц эмульсии, т. е. способствуют ее разрушению, и тем
ускоряют разделение фаз в конечной стадии процесса экстрагирования.
При малых энергиях межфазной границы возможно получение очень
стойких эмульсий, особенно при небольшой разнице плотностей фаз экс103
тракта и рафината. В последнем случае процесс отстаивания заменяют
центрифугированием.
Для выделения загрязняющих органических веществ из сточных вод
часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции
и непрерывной противоточной экстракции.
Схема многоступенчатой противоточной экстракции представлена
на рис. 15.
Рис.15. Схема многоступенчатой противоточной экстракции:
1 – сточная вода; 2,3,4 – смесители; 5 – чистый экстрагент; 6 – рафинат;
7 – конечный экстрагент
В этой схеме очистки на каждую ступень экстракции подают свежий
экстрагент, что приводит к значительным его расходам. Поэтому практическое применение получил метод непрерывной противоточной экстракции.
Схема непрерывной противоточной экстракции приведена на рис.16.
Рис.16. Схема непрерывной противоточной экстракции:
1 – сточная вода; 2,3,4 – смесители; 5 – чистый экстрагент; 6 – рафинат;
7 – конечный экстрагент; 8 – сепаратор
Каждая ступень рассматриваемой схемы состоит из перемешивающего устройства для смешения фаз и отстойника для их гравитационного разделения, либо используются центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с
гравитационными. Чистый экстрагент и обрабатываемая сточная вода поступают с противоположных концов системы, последовательно соединен104
ных ступеней экстракции. Сточная вода и экстрагент движутся непрерывно через систему противотоком друг к другу, причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.
Непрерывная противоточная экстракция характеризуется тем, что
вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде. Загрязняющие вещества из сточной воды переходят в экстрагент.
Для экстракционной очистки сточных вод обычно применяют колонны различных конструкций, например: распылительные, с насадкой в
виде беспорядочно насыпанных колец или в виде натянутых металлических сеток, тарельчатые. К преимуществам указанных колонных
экстракторов относят их высокую производительность и компактность
(они занимают небольшую площадь). Кроме того, эти устройства универсальны, так как в них совмещаются процессы экстракции, промывки, реэкстракции и расслаивания фаз. Внутри многих экстракционных колонн
нет движущихся частей, и они просты по конструкции. Монтаж, наладка и
обслуживание этих аппаратов несложны. Недостаток колонных экстракторов — их значительная высота, которую в ряде случаев можно уменьшить, применяя перемешивание или пульсацию. Удельная производительность распылительных колонн может достигать 100м3/м2∙ч, а насадочных и тарельчатых соответственно — 50 и 80 м3/м2∙ч.
Регенерацию экстрагента из сточной воды обычно осуществляют в
насадочной колонне острым паром, который подается снизу, а сверху противотоком направляется обработанная вода. Возможно также осуществлять регенерацию путем отдувки воздухом или другими газами, а также
реэкстракцией. Из экстракта экстрагент рекомендуется извлекать термическим методом с последующей конденсацией.
Рассмотрим примеры использования жидкостной экстракции для
очистки сточных вод.
Основным экстрагентом, применяемым для выделения фенола
(С6Н5ОН) из сточных вод экстракцией, является фенсольван. Фенсольван–
смесь сложных алифатических эфиров, труднорастворим в воде, но обладает высокой растворяющей способностью по отношению к фенолам. Коэффициент распределения для 2%-ного раствора фенола составляет 49,
плотность его 880 кг/м3. После регенерации экстракционная способность
фенсольвана восстанавливается полностью. Схема установки для выделения фенолов приведена на рис. 17.
105
Рис.17. Схемаустановки для извлечения фенолов из сточных вод:
1 – холодильник; 2 – колонна продувки; 3 –экстракторы; 4 – декантатор;
5 – ректификационная колонна; 6 – сборник фенсольвана; 7 – регенерационная
колонна; 8 – конденсаторы
Экстракционная установка эксплуатируется следующим образом.
Фенолсодержащие сточные воды охлаждают до 20—25°С в холодильнике,
продувают дымовыми газами (содержащими СО2) для перевода фенолятов
в свободные фенолы. После этого они поступают на экстракцию. Из первой ступени экстракт поступает в ректификационную колонну, где отгоняется экстракт — фенсольван. После конденсации фенсольван поступает
в сборник, а фенол направляют на использование. Обесфеноленную воду
из последней ступени экстрактора направляют в регенерационную колонну, где паром обдувают фенсольван, который направляют в сборник. Степень извлечения фенолов из сточной воды достигает 92—97 %, остаточное содержание фенолов составляет 800 мг/л.
Доочистку сточных вод производят окислением фенола диоксидом
марганца в серной кислоте:
С6Н5ОН +14MnO2 + 14H2SO4 → 6CO2 + 17H2O + 14MnSO4 .
Ионный обмен. Гетерогенный ионный обмен, или ионообменная
сорбция, представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой
фазой (ионитом), обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся
в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе.
Ионообменная очистка сточных вод позволяет извлекать и утилизировать следующие загрязняющие вещества: тяжелые цветные металлы
(медь, никель, цинк, свинец, кадмий и др.), хром, ПАВ, цианистые соединения и радиоактивные вещества. При этом достигается высокая степень
очистки сточной воды (до уровня ПДК), а также обеспечивается возмож106
ность ее повторного использования в технологических процессах или в
системах оборотного водоснабжения. Кроме того, иониты используются
для обессоливания воды в процессе водоподготовки.
Различают неорганические (минеральные) и органические иониты.
По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты делятся на катиониты, проявляющие кислотные свойства, и аниониты, обладающие основными свойствами. Ионитами могут быть как природные вещества, так
и вещества, полученные искусственно (синтетические).
К природным неорганическим ионитам относятся следующие вещества: цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты, слюды и др. Они
обладают катионообменными свойствами, обусловленными наличием в их
структуре алюмосиликатов. Кроме того, ионообменными свойствами обладают также различные неорганические синтетические иониты, к которым можно отнести силикагели, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония) и другие вещества.
К органическим природным ионитам относятся гуминовые кислоты
углей и почв, обладающие слабокислотными свойствами. Для усиления
кислотных свойств и повышения обменной емкости угли обрабатывают
концентрированной серной кислотой, при этом образуются катиониты —
сульфоугли.
Наибольшее значение для очистки сточных вод и процессов водоподготовки в настоящее время имеют синтетические иониты, к которым
относят ионообменные смолы. Указанные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения кислого или основного характера, которые
получают при проведении процесса поликонденсации исходных мономеров или путем их сополимеризации.
Зерна ионитов, полученные поликонденсацией, имеют неправильную форму, а произведенные путем сополимеризации – шарообразную.
Пространственная углеводородная сетка ионита (каркас) носит название матрицы. Для обозначения обменивающихся ионов используют
термин «противоионы». В состав ионита входит также активная группа,
способная к ионному обмену. В ее состав входит противоион, а также
противоположно ему заряженные ионы, которые называют фиксированными или анкерными.
Если в состав ионитов входят одинаковые активные группы — такие
ионообменные материалы называют монофункциональными, а в противном случае — полифункциональными. Последние иониты могут обладать
смешанными сильно- и слабоосновными свойствами.
В зависимости от рода ионов, которые связаны с активными группами ионита, различают следующие его ионные формы: для катионитов—
водородную форму (Н-форма); солевую форму, когда активные группы
связаны с ионами металлов. Следует указать, что характеристики плотно107
сти и гранулометрического состава приводятся для сухих катионитов в Нформе, а для анионитов — в ОН-форме.
Чтобы получить нужную форму ионита, проводят его регенерацию.
Например, катиониты при регенерации их растворами NaCl, H2SO4, NH4Cl
образуют соответственно натриевую, водородную или аммониевую формы, которые условно обозначают следующим образом: NaR, HR, NH4R.
Аниониты, регенерированные щелочью (NaOH и др.), образуют гидроксильную форму, условно обозначенную ROH. При пропускании через
анионит раствора НCl он переходит в Cl-форму.
Основные требования к ионитам, используемым для очистки сточных вод, следующие: высокая обменная емкость, хорошие кинетические
свойства (высокая скорость ионного обмена), достаточная устойчивость
по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям, нерастворимость в воде, органических растворителях и растворах электролитов и ограниченная набухаемость.
Способность ионита к ионному обмену характеризуется обменной
емкостью, которая равна числу его активных групп, принимающих участие в обмене.
Для количественной характеристики ионообменных свойств ионитов
обычно определяют их динамическую и иногда полную (общую) обменную емкость (статическую).
Работоспособность ионита в данных динамических условиях оценивается величиной динамической обменной емкости (ДОЕ). Она равна
массе сорбированных ионитом ионов до момента их проскока в фильтрат,
отнесенной либо к единице объема ионита в рабочем состоянии (миллиграмм-эквиваленты на литр или грамм-эквиваленты на кубометр), либо к
массе ионита в стандартном состоянии (сухой катионит в Н-форме или
сухой анионит в ОН-форме, в грамм-эквивалентах на килограмм).
Полная (общая) обменная емкость ионита (статическая) определяется по реакции нейтрализации катионита раствором едкой щелочи
(NaOH), а для анионита – раствором кислоты (НCl) и выражается в миллиграмм-эквивалентах на грамм сухой смолы или в миллиграммэквивалентах на литр набухшей смолы.
Рациональная классификация ионитов, разработанная Б.П. Никольским, основана на их отношении к водородным и гидроксильным ионам. По характеру зависимости статической обменной емкости ионита
(СОЕ) от pH равновесного с ним раствора различают 4 основных типа катионитов и анионитов (рис. 18).
108
Рис.18. Кривые СОЕ-рН классификации ионитов
Кривая 1 на представленном рисунке характеризует сильнокислотные катиониты, проявляющие свойства сильной кислоты и способные
обменивать свои водородные ионы на другие катионы при низких значениях pH. Такие свойства придает иониту активная группа SO3H-. Та же
кривая при верхней шкале pH описывает свойства сильноосновных анионитов, проявляющих свойства сильного основания и способных обменивать свои гидроксильные ионы на другие анионы в щелочной среде при
высоких pH. Такие свойства сообщает активная группа ≡ N+.
Кривая 2 характерна для слабокислотного катионита с активными
группами (-СООН) и (-ОН), обладающего свойствами слабой кислоты и
способностью обменивать свои ионы водорода на другие катионы только
в нейтральной и щелочных средах. Та же кривая при верхней шкале pH
характеризует слабоосновной анионит с активными группами(-СООН) и
(-ОН), проявляющий свойства слабого основания и способный обменивать
свои гидроксильные ионы на другие анионы только в нейтральной или кислой среде.
Кривая 3 описывает иониты с двумя сортами активных групп, соответствующими сильнокислотным и слабокислотным катионитам или
сильноосновным и слабоосновным анионитам. При увеличении pH до
уровня обмена сильнокислотного катионита величина СОЕ возрастает до
определенного значения, соответствующего количеству сильнокислотных
групп, затем СОЕ сохраняет постоянное значение и далее снова возрастает
до максимума после достижения pH уровня обмена слабокислотных активных групп.
Кривая 4 соответствует иониту с многими сортами активных групп.
Величина обменной емкости таких ионитов плавно изменяется с изменением pH в широком интервале ее изменений.
Иониты, имеющие активные ионообменные группы одного сорта
(кривые 1, 2), называют монофункциональными, а с несколькими сортами
активных групп — полифункциональными ионитами.
109
Сильнокислотные и сильноосновные иониты могут работать в широком диапазоне значений pH, сохраняя неизменной величину СОЕ. Катиониты могут использоваться в Н-форме, а аниониты —в ОН-форме. Они
имеют достаточно большую обменную емкость, но обладают малой селективностью по отношению к ионам одинаковой валентности.
Слабокислотные и слабоосновные иониты работоспособны в более
узком интервале значений pH и могут использоваться в солевой форме.
Такие иониты могут обладать большой обменной емкостью и значительной селективностью. Они пригодны для разделения близких веществ.
При контакте с водой иониты поглощают некоторое количество воды и набухают, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. Набухаемость оценивается по привесу сухого ионита, приведенного в равновесие
с водой, и указывается в процентах. Набухание уменьшается при переходе
от воды к растворам электролитов и зависит от их концентраций и величины pH.
Селективность обмена зависит от величины давления набухания в
порах смолы и от размера пор ионита. Учитывая, что в сточных водах
обычно содержится смесь катионов, практически важно знать селективность их поглощения. Поэтому установлены ряды катионов по энергии
их вытеснения из различных катионов.
Понятие о регенерации ионитов. Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность восстановления обменной емкости после насыщения, что достигается проведением реакции
ионного обмена в обратном направлении. Этот процесс носит название
регенерации. Регенерационные растворы называют элюатами. В их состав
входят катионы или анионы, извлеченные ионитами из сточных вод. Катиониты обычно регенерируют 2—8%-ными растворами кислот (при переводе их в Н-форму) или раствором хлористого натрия (при переводе в
Na-форму). Отработанные аниониты регенерируют 2—6 %-ными растворами щелочи (NaOH, NH4OH) или 2—4 %-ным раствором соды (Na2СO3).
Полученные элюаты нейтрализуют, обрабатывают с целью выделения
ценных продуктов или непосредственно используют в производстве.
Электрохимическая очистка сточных вод. Методы электрохимической очистки сточных вод используют для выделения из них различных
растворимых и диспергированных примесей, как органических, так и неорганических. Методы характеризуются достаточной простотой технологической схемы, при очистке не используются химические реагенты. К
недостаткам этих методов следует отнести достаточно большие затраты
электроэнергии.
Классификация методов электрохимической очистки сточных вод.
На рис. 19 представлена классификация электрохимических методов обра110
ботки воды, которая основана на законах физической химии и электрохимии, а также учитывает основные положения химической технологии.
Рис. 19. Классификация методов электрохимической очистки сточных вод
Все электрохимические методы очистки воды можно разделить на
три основные группы: методы превращения, методы разделения и комбинированные методы.
Первая группа методов обеспечивает изменение физико-химических
и фазово-дисперсных характеристик загрязнения с целью их обезвреживания или более быстрого извлечения из воды.
Вторая группа методов предназначена для концентрирования примесей в локальном объеме электролита без существенного изменения фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых веществ.
К третьей группе относятся методы, которые предполагают совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения загрязнений в одном аппарате.
Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод получили методы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляционный метод, электрофлотация, электродиализ. В ряде случаев
111
используют и другие методы электрохимической очистки сточных вод,
представленные в классификации на рис.19.
Термическая обработка сточных вод. Метод концентрирования
сточных вод используют для выделения из них минеральных солей, а
очищенная вода используется в оборотных системах водоснабжения. Выделение минеральных солей проводят в две стадии: на первой получают
концентрированный раствор, а на второй выделяют из него твердые вещества. Концентрируют растворы испарением (выпариванием), вымораживанием либо используют кристаллогидратные методы.
Выпариванием называют процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями
при нагревании. Чаще всего в качестве греющего агента при выпаривании
используют водяной пар, который называют греющим, или первичным.
Первичный пар получают из парогенератора, а также используют отработанный пар или пар промежуточного отбора паровых турбин. Вторичным
называют пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора.
Достаточно эффективно выпаривание под вакуумом. При этом процесс проводят при более низких температурах, что важно при концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Кроме того, при работе под вакуумом параметры
греющего агента (температура и давление) более низкие, чем при проведении процесса в обычных условиях.
Выпаривание под атмосферным давлением (а иногда и выпаривание
в вакууме) проводят в одноступенчатых и многоступенчатых выпарных
установках. Выпаривание является достаточно энергоемким процессом.
При использовании стандартных 4-, 5 – корпусных установок, включающих аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, расход тепла по пару составляет приблизительно 600 кДж на 1 кг влаги.
6.4 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЛИ БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Данный метод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей, он основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизне112
деятельности. Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, — это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из
множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др.,
связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая
роль в этом сообществе принадлежит бактериям.
Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в анаэробных
(в отсутствии растворенного в воде кислорода) условиях. Сообщество
микроорганизмов представлено одними бактериями при очистке в анаэробных условиях. При очистке в аэробных условиях в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие.
Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, которые различаются по своему отношению к источнику
углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют
для синтеза неорганический углерод, а энергию получают либо за счет
фотосинтеза, либо за счет хемосинтеза при окислении ряда неорганических соединений.
Влияние различных технологических факторов на эффективность
процессов биологической очистки. Считается, что оптимальная температура для аэробных процессов, происходящих в сооружениях биологической очистки, составляет 20—30°С. В этих условиях сосуществуют разнообразные и хорошо развитые микроорганизмы. Следует, однако, указать,
что для различных видов бактерий оптимальные температурные режимы
лежат в более широких пределах: от 4 до 85°С. Относительная продолжительность окисления τизменяется в зависимости от температуры сточной
воды (Т,°С) .
Биологическая очистка наиболее эффективна при значениях pH от 5
до 9, причем оптимальной считается среда при значениях pH от 6,5 до 7,5.
При отклонении pH за пределы 5—9 снижается скорость окисления загрязнений, в связи с чем следует контролировать и корректировать величину указанного параметра в сточных водах.
Для того чтобы процесс биологической очистки сточных вод был
эффективным, необходимо обеспечивать в среде достаточную концентрацию органического углерода (БПК), азота и фосфора. Так, при обработке городских сточных вод соотношение БПКполн.: N:Р должно быть
не менее 100 : 5 : 1.
113
Важное значение при биологической очистке сточных вод имеет
уровень питания, за меру которого принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям в пересчете на 1 м3 очистного сооружения, на 1 г
сухой биомассы или на 1 г беззольной части биомассы. Используя эту характеристику в совокупности с другими характеристиками, можно прогнозировать эффективность процесса биологической очистки в аэрационных сооружениях.
В аэробных биологических сооружениях концентрация растворенного кислорода должна быть не ниже 2 мг/л, так как в противном случае
уменьшается скорость утилизации органических загрязнений.
В процессах биологической очистки концентрация токсичных элементов в обрабатываемой воде (например, тетраэтилсвинца, соединений
бериллия, титана, ртути, шестивалентного хрома и др.) не должна превышать величины ПДК.
Естественные методы биологической очистки. К естественным
методам биологической очистки относятся почвенные методы очистки
сточных вод и очистка в биологических прудах.
Сооружения почвенной очистки сточных вод имеют производительность в пределах от 0,5 до 280000 м3/сут. Их используют в основном
для очистки бытовых сточных вод. Указанные сооружения подразделяют
на малые, средние и крупные. К малым относятся фильтрующие колодцы,
фильтрующие траншеи, площадки подземного орошения, площадки подземной фильтрации и песчано-гравийные фильтры. Средними сооружениями являются поля подземного орошения и подземной фильтрации, а
наиболее крупные сооружения — это коммунальные поля орошения, земледельческие поля орошения и поля наземной фильтрации.
Очистка сточных вод при использовании указанных методов их обработки происходит под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.
В биологических прудах, которые представляют собой искусственно
созданные водоемы, для очистки сточных вод также используются естественные процессы. Эти сооружения можно использовать и для глубокой
очистки (доочистки) сточных вод, прошедших биологическую обработку.
Существуют пруды с естественной и искусственной аэрацией.
Глубина прудов с естественной аэрацией обычно не превышает 1 м.
Для искусственной аэрации либо используют механические аэраторы, либо барботируют воздух через слой воды. Глубина прудов с искусственной
аэрацией обычно достигает 3 м. Как правило, пруды с искусственной
аэрацией объединяют в несколько параллельных каскадов.
В окислительных процессах, протекающих в биологических прудах,
существенную роль играет водная растительность, которая способствует
снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный
114
режим водоема. Сточные воды, обработанные в биологических прудах,
рекомендуется дополнительно очищать в отстойных секциях. Для глубокой очистки стоков воду из прудов необходимо пропускать через песчаные фильтры. Биологические пруды обычно используют для очистки
сточных вод заводов органического синтеза, а также нефтехимических
предприятий.К недостаткам указанных сооружений следует отнести низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях и др.
Сооружения искусственной биологической очистки. Сооружения
искусственной биологической очистки принято делить на три группы по
признаку расположения в них активной биомассы:
1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки (биофильтры);
2) активная биомасса находится в воде во взвешенном состоянии
(аэротенки, окситенки, циркуляционные окислительные каналы);
3) сочетание первого и второго варианта расположения биомассы
(погруженные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями).
Введем понятие активного ила и биопленки. Активный ил состоит из
живых организмов (бактерии, черви, плесневые грибы, дрожжи, водоросли и др.) и твердого субстрата. Сообщество всех живых организмов,
населяющих ил, называют биоценозом. Он в основном представлен 12 видами микроорганизмов и простейших. По фазово-дисперсному состоянию
активный ил — это амфотерная коллоидная система, имеющая при значениях pH от 4 до 9 отрицательный заряд.
Элементный состав различных активных илов достаточно близок.
Например, химический состав активного ила системы очистки коксохимического завода имеет следующую формулу:C97H199O53N28S2, завода
азотных удобрений — C90H167O52N24S8, городских сточных вод—
C54H212O82N8S7.
Активный ил используется для очистки сточных вод в аэротенках,
окситенках и подобных сооружениях.
Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1—3 мм и более. Эта пленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в
биопленке меньше, чем в активном иле.
Биофильтры. Биологические фильтры достаточно широко применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод.Биофильтр –
это сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный
материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной
колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих частей:
1) фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар круглой или
прямоугольной формы в разрезе;
115
2) водораспределительного устройства для равномерного орошения
сточной водой поверхности загрузки;
3) дренажного устройства для удаления профильтрованной
жидкости;
4) воздухораспределительного устройства для поступления воздуха
внутрь биофильтра.
Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в
ней нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а
также коллоидные и органические вещества, сорбируемые биопленкой.
Часть органики микроорганизмы используют на увеличение своей
биомассы, поэтому масса активной биопленки все время увеличивается.
Отработанная и омертвевшая биопленка смывается сточной водой и выносится из биофильтра, после чего отделяется от очищенной воды во вторичных отстойниках. Необходимый кислород может поступать в толщу
загрузки естественной и искусственной вентиляцией.
По типу загрузочного материала все биофильтры можно разделить
на устройства с объемной и плоскостной загрузкой.
Объемный загрузочный материал сострит из гравия, керамзита, шлака, размер отдельных фракций составляет 15—80 мм, а плоскостной материал - из пластмасс, керамики, металла, тканей и др. Биофильтры с объемной загрузкой делят на капельные, высоконагруженные и башенные.
Биофильтры с плоскостной загрузкой делятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой. На рис. 20 представлена схема капельного биофильтра.
Рис. 20. Капельный биофильтр:
1— дозирующие баки сточной воды; 2 — спринклеры; 3— железобетонная стенка,
4— загрузка биофильтра; 5— подача сточной воды; 6— отводящий лоток
116
Аэротенки. Аэротенк — это резервуар прямоугольного сечения, по
которому протекают сточные воды, смешанные с активным илом. Воздух,
вводимый с помощью пневматических или механических устройств, перемешивает обрабатываемую сточную воду с активным илом и насыщает
ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий, простейших и многоклеточных животных. Конструкции применяемых аэротенков
подразделяются на три основных типа: вытеснители с «поршневым» потоком сточных вод, смесители с рассредоточенной или центральной подачей и выпуском сточных вод и аэротенки промежуточного типа.
Аэротенки - вытеснители предпочтительны при очистке сточных вод
сложного состава, содержащих значительную долю промышленных сбросов. В аэротенках - смесителях обеспечивается полное и быстрое смешение сточных вод с массой активного ила, в установившемся режиме они
работают с равномерными скоростями процесса очистки.
Предпочтительное использование аэротенков - смесителей при очистке высококонцентрированных промышленных сточных вод, сходных по
составу с бытовыми (пищевые комбинаты, пивные заводы, рыбные заводы), а также при неравномерном притоке и часто возникающих залповых
перегрузках. К аэротенкам промежуточного типа относятся, например,
коридорные аэротенки с рассредоточенной по длине подачей сточных вод
и с впуском активного ила в начало коридора.
В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения,
а смесь отводят в конце его. Эти сооружения имеют один — четыре коридора. Схема работы аэротенка-вытеснителя представлена на рис. 21.
Рис. 21.Общая технологическая схема работы аэротенка-вытеснителя:
1 — подача сточной воды; 2 — циркуляционный активный ил; 3 — смесь
обрабатываемой воды и активного ила; 4 — коридоры
Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся
равномерно вдоль длинных сторон сооружения. В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка.
117
Аэротенки подразделяются также по виду применяемой аэрации.
Различают три системы аэрации: пневматическую (воздух нагнетается в
аэротенк под давлением), механическую (воздух поступает в аэротенк при
вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором) и комбинированную. Для
очистки производственных сточных вод применяются все вышеперечисленные конструкции аэротенков.
Аэротенки используют для полной или частичной очистки многих
видов производственных сточных вод. Очистка сточной воды в аэротенках осуществляется следующим образом. Вода после механической очистки смешивается с циркулирующим активным илом и, пройдя через аэротенк, поступает во вторичный отстойник. За это время основная масса
органических загрязнений перерабатывается (окисляется) активным илом.
Важнейшим конструктивным элементом каждого аэротенка является система аэрации, насыщающая обрабатываемую воду кислородом, поддерживающая активный ил во взвешенном состоянии и обеспечивающая постоянное перемешивание сточной воды с илом.
Окситенки— это сооружения биологической очистки, в которых
вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом. Основным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является повышенная концентрация
ила. Это связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой
и жидкой фазами. Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6—8 г/л. Конструктивная схема окситенка представлена на рис. 22.
Рис. 22.Окситенк:
1 - продувочный трубопровод; 2,5 -задвижки; 3 -электродвигатель; 4-турбоаэратор;
6–герметичное перекрытие; 7- трубопровод для подачи кислорода; 8 – стержни;
9 – сборный лоток; 10 – трубопровод для сброса избыточного ила; 11 – резервуар;
12 – окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель;
13 – перегородка; 14 – скребок; 15 – окна для перепуска возвратного ила в зону
аэрации; 16 - зона аэрации; 17 – трубопровод для подачи сточной воды в зону
аэрации; 18 - илоотделитель; 19 – трубопровод для выпуска очищенной воды
118
Он представляет собой резервуар, с круглой в плане формы цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделения. В средней части цилиндрической перегородки прорезаны окна для
перемещения иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель, в нижней
части — для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону аэрации
с помощью турбоаэратора подается кислород. Сточная вода поступает в
зону аэрации по трубе. Под воздействием скоростного напора, развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна поступает в илоотделитель,
в котором жидкость движется по окружности; при этом происходит интенсивное отделение и уплотнение ила. Очищенная вода проходит через
слой взвешенного активного ила, доочищается от различных загрязнений,
поступает в сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный
ил опускается по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.
7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ ВОДЫ,
РАСЧЕТ ГИДРОЦИКЛОНА И АЭРОТЕНКА
7.1 МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАЗБАВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
В ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОСТОКАХ
В зависимости от условий образования сточные воды делят на бытовые, промышленные и атмосферные. Сточные воды по характеру загрязнений разделяют на содержащие минеральные вещества, органические соединения или одновременно то и другое. К минеральным веществам можно отнести частицы грунта, неорганические соли, оксиды металлов, неорганические кислоты, щелочи и т.п. Органические примеси весьма разнообразны и образуются за счет поступления в сточную воду остатков промышленного сырья и продуктов производства, отходов жизнедеятельности человека и животных, отработанных нефтепродуктов авто- и гидротранспорта, синтетических моющих средств и т.д.
Один из способов уменьшить поступления в водные объекты загрязняющих веществ – это подвергнуть сточные воды очистке перед сбросом
их в водный объект. Идеальной целью очистки стоков является возврат в
водоемы воды, пригодной к рыбоводству и питьевому водоснабжению.
Однако высокая степень очистки многотоннажных стоков часто недостижима по соображениям экономики. Реальной целью очистки чаще всего
служит снижение загрязнения сточных вод перед их сбросом в природный
водоем до уровня, обеспечивающего за счет разбавления речной водой
соблюдения ПДК в контрольном створе реки. Контрольный створ - это
перпендикуляр к фарватеру реки, мысленно проведенный на заданном
119
расстоянии, находящийся не ближе 500м вниз по течению реки от точки
слива стоков.
При расчете допустимого состава сточных вод часто используют такой показатель, как кратность разбавления сточных вод в водоемах. Разбавление сточных вод – это процесс уменьшения концентрации примесей
в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с водной средой, в
которую они выпускаются.
Рассмотрим основные формулы, используемые для этих расчетов.
Допустимое максимальное содержание i-го загрязнителя (Cдопi,г/м3) в
контрольном створе при условии разбавления сточных вод в водоемах
находят из уравнения
𝐶ст − 𝐶ф𝑖
𝐶доп𝑖 = 𝐶ф𝑖 +
≤ ПДК𝑖 ,
𝑛
где Сфi –фоновая концентрация загрязняющего вещества в реке выше
сброса сточных вод, г/м3; Сст i– концентрация загрязняющего вещества в
стоке, г/м3; ПДКi – ПДК i-го загрязнителя в воде, которую обычно принимают по нормам рыбного хозяйства, г/м3; n–кратность разбавления сточных вод в контрольном створе, безразмерная величина.
Итак, сброс в речной водоем сточных вод допустим при условии,
что Cдопi≤ ПДКi, однако в первом приближении достаточно, чтобы выполнялось следующее равенство:Cдопi= ПДКi.Из равенства следует, что
𝐶ф𝑖 +
𝐶ст𝑖 − 𝐶ф𝑖
𝑛
= ПДК𝑖 .
Разбавление сточных вод речным водотоком в литературе рассчитывается по методу Фролова-Родзиллера.
Ниже предложен метод расчета разбавления стоков в упрощенном
варианте, т.е. для простого случая, когда речной водоем или канал не покрыты льдом и не учитывается самопроизвольное разрушение загрязняющего вещества в водоеме под воздействием природных факторов.
Требуемое разбавление (n) сточных вод речным потоком определяется по формуле
𝑛=
𝑞+𝛾∙𝑄
,
𝑞
где q– наибольший объем сточных вод, м3/с; γ – коэффициент смешения,
показывающий, какая часть речного расхода смешивается со сточной водой; Q– среднемесячный расход речных вод, м3/с.
120
При идеальном смешении стоков и речных вод коэффициент смешения γ=1, а в реальных условиях смешение не идеально, γ<1, и его рассчитывают по формуле
γ=
1 − 𝑒 −𝑎∙
1+
𝑞
𝑄
3 𝐿
ф
∙ 𝑒 −𝑎
3 𝐿
ф
,
где е - экспонента, ее можно подставить в расчеты как 2,72; Lф– расстояние от точки слива сточных вод до контрольного створа реки по ее фарватеру 3, м; α – коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке,
определяемый по следующей формуле:
𝑎 =φ∙ξ∙
3
𝐷
,
𝑞
где φ– коэффициент извилистости реки, он вычисляется по формуле
φ=
𝐿пр
,
𝐿ф
где Lпр – расстояние от точки слива сточных вод до контрольного створа
реки по прямой, м, значит φ<1; ξ – коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод. При береговом сбросе сточных вод ξ=1, при их сбросе
в фарватер реки ξ=1,5; D – коэффициент турбулентной диффузии, величину которого проще оценить по формуле
𝑔∙𝜗∙𝐻
𝐷=
,
37 ∙ 𝐾ш ∙ 𝐶 2
где g– ускорение свободного падения, м/с2; υ - скорость течения реки, м/с;
Н– ее глубина, м; С– функция шероховатости ложа реки;
𝑅𝑦
𝐶=
,
𝐾ш
где R– гидравлический радиус потока реки; Кш– коэффициент шероховатости ложа потока.
Для «широких» рек, глубина которых менее 0,2·В, где В - ширина
реки, м, принимают R=H. Если R ≤ 1 метра, то принимаем
𝑦 = 1,5 ∙ 𝐾ш ,
при R>1м, рассчитываем
𝑦 = 1,3 ∙ 𝐾ш .
Коэффициент шероховатости равен 40 для рек и каналов со свободным сечением без засорений и больших зарослей водорослей; для рек и
121
каналов с течением, затрудненным зарослями или обвалами берегов,– 33;
для потоков с неправильным профилем, сильно засоренных камнями и водорослями,– 28,5. При очень плохом состоянии русла (засорение обломками скал, стволами деревьев и т.д.) Кш равен 25.
В расчетах принимают расход воды в реке
Q = υ· Н∙ В.
Изложенный метод позволяет определить допустимость сброса стоков в водоемы. Возможность сброса сточных вод, содержащих i-е загрязняющее вещество, имеет смысл обсуждать при Сфi< ПДКi. Сброс допустим, если содержание этого загрязнения в контрольном створе также
меньше ПДКi. Если в ходе расчетов получилось, что Cдопi> ПДКi, то в этом
случае сброс стоков в речной водоем недопустим без предварительной их
очистки. При этом необходимо определить степень очистки сточных вод.
Задача № 1
Рассчитать максимальную концентрацию загрязняющего вещества в
сточных водах, при которой не превышается ПДК в контрольном створе
реки при следующих условиях: расход сточных вод 10 м3/ч, скорость течения реки 0,05 м/с, ширина реки 150м, глубина реки 3м, фоновая концентрация 0,001 г/м3, ПДК загрязняющего вещества 0,1 г/м3, расстояние до
створа по фарватеру 500м, расстояние до контрольного створа по прямой
380м, коэффициент шероховатости 65, сброс в фарватер. Планируемое исходное содержание загрязняющего вещества в сточных водах предприятия
перед сбросом в речной водоем будет составлять 0,45 кг/м3.
Решение
1.Определение кратности разбавления.
Коэффициент извилистости реки составит
φ = Lпр/Lф = 380 /500 = 0,76.
Шероховатость ложа реки определяем по следующей формуле:
С = Ry / Кш, так как R = H = 3м > 1м, то 𝑦 = 1,3 ∙ 𝐾ш = 10,481, тогда
𝐶=
1
∙ 310,481 = 1540,97.
65
Коэффициент турбулентной диффузии рассчитываем по формуле
𝐷=
9,81 ∙ 0,05 ∙ 3
= 2,577 ∙ 10−10 .
2
37 ∙ 65 ∙ 1540,97
Коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке, определяем по формуле
122
3
𝑎 = 0,76 ∙ 1,5 ∙
2,577 ∙ 10−10
= 5,147 ∙ 10−3 .
0,0028
Расход сточных вод составит q=10/ 3600 = 0,0028 м3/с.
В соответствии с формулой расход воды в реке составляет
м3
𝑄 = 0,05 ∙ 3 ∙ 150 = 22,5 .
с
Разбавление сточных вод речным потоком определяем по формуле
𝑛=
0,0028 + 0,04 ∙ 22,5
= 322,4.
0,0028
Следовательно, чтобы не нанести урон хозяйству, данные сточные
воды необходимо разбавить речным потоком в 322 раза.
2. Определение максимальной концентрации загрязняющего вещества в стоках перед сбросом в водоем.
г
𝐶ст = ПДК − 𝐶ф ∙ 𝑛 + 𝐶ф = 0,1 − 0,001 ∙ 322,4 + 0,001 = 31,88 3 .
м
Если исходное содержание загрязняющего вещества в сточных водах
перед сбросом их в речной водоем будет составлять С0 = 450 г/м3,
то С0>Сст , поэтому нужна очистка сточных вод.
7. 2 РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
Водоочистка – это комплекс технологических процессов, предназначенных для доведения качества воды, поступающей в водопроводную сеть
из источника водоснабжения, до установленных нормативными документами параметров. Совокупность инженерных сооружений в системах водоснабжения и водоотведения, в которых природные и сточные воды
очищают от содержащихся в них загрязняющих веществ, называют очистным сооружением.
Для того чтобы правильно запроектировать очистные сооружения, в
каждом конкретном случае определяют необходимую степень очистки
сточных вод. При определении необходимой степени очистки сточных
вод, отводимых в водоем, производят расчет по количеству взвешенных
веществ, по потреблению сточными водами растворенного кислорода, по
величине БПКполн, по изменению активной реакции воды, по температуре
сточных вод перед сбросом, по ПДК вредных веществ, по допустимому
123
содержанию кислот и щелочей в сточных водах, спускаемых в водоем, и
некоторым другим показателям.
Рассмотрим основные формулы, используемые для этих расчетов.
Необходимая степень очистки сточных вод по взвешенным веществам (в процентах) составит
взв
взв
Э = (Свзв
ст – Со )100 / Сст ,
взв
где Свзв
ст – содержание взвешенных веществ до очистки, мг/л; Со – предельно допустимое содержание взвешенных веществ в сточных водах,
спускаемых в водный объект;
взв
взв
Свзв
о = Сдоп ∙(1 + γ∙Q / q) + Св ,
где Свзв
доп – допустимое санитарными нормами увеличение содержания
взвешенных веществ в водном объекте после спуска в него сточных вод,
г/м3 ; Свзв
в – содержание взвешенных веществ в водном объекте до спуска в
него сточных вод, г/м3 ; Q – расчетный расход водного объекта, м3 /с;
q– расход сточных вод, сбрасываемых в водный объект, м3 /с; γ – коэффициент смешения.
Необходимую степень очистки сточных вод по БПКполн (ЭБПК, %)
можно определить из следующего уравнения:
(𝐿БПК
− 𝐿БПК
ст
о )
ЭБПК =
∙ 100,
𝐿БПК
ст
БПК
где 𝐿БПК
ст – БПКполн сточной воды до ее очистки, мг/л, а 𝐿о – БПКполн сточБПК
ной воды после очистки, мг/л (𝐿БПК
ст >𝐿о ).
Для проточных водоемов значение БПКполн сточной воды после очистки должно быть равно
𝑛−1
𝐿БПК
доп
БПК
БПК
БПК
−𝑘 ′ ∙𝑡
𝐿о = −𝑘 ∙𝑡 ∙ 𝐿доп − 𝐿в ∙ 10
+ −𝑘 ∙𝑡 ,
10 1
10 1
БПК
где 𝐿доп –нормативное значение БПКполн смеси речной и сточной воды в
расчетном створе, мг/л; 𝐿БПК
в – значение БПКполн речной воды до места
спуска сточных вод, мг/л; 𝑘 ′ и𝑘1 –константы скорости потребления кислорода соответственно сточными водами и природной водой водного объекта; 𝑡 – продолжительность перемешивания воды от места спуска сточных
вод до расчетного пункта, сутки; n–кратность разбавления.
Расчет необходимой степени очистки по растворенному в воде водоема кислороду (Эо2 , %) осуществляется по следующей формуле:
𝐿БПК
ст − 𝐿БПКО2
Эо2 =
∙ 100,
𝐿БПК
ст
где 𝐿БПК
–
БПК
сточной
воды
до
ее очистки, мг/л; 𝐿БПКО2 – расчетная
полн
ст
концентрация БПК в очищенных сточных водах из условия сохранения
допустимого содержания растворенного кислорода (для водного объекта
рыбохозяйственного назначения не менее 6 мг/л), мг/л.
124
2
𝑛−1
Сoдоп
o2
БПК
𝐿БПКО2 =
∙ Сво2 − 𝑘 ∙ 𝐿в − Сдоп −
,
𝑘
𝑘
где Сво2 – концентрация растворенного кислорода в воде водоема до спуска сточных вод, мг/л; 𝑘– коэффициент пересчета БПКполн в БПК2, определяемый расчетным путем; 𝐿БПК
в – значение БПКполн речной воды до места
2
спуска сточных вод, мг/л; Сoдоп
– ПДК растворенного кислорода, которая
должна быть в расчетном створе после спуска сточных вод, мг/л.
Задача № 2
Рассчитать необходимую степень очистки сточных вод, если в расчетном створе водопользования общая кратность разбавления составляет
n= 25. Сточные воды характеризуются следующими концентрациями: по
БПК
взвешенным веществам Свзв
ст = 210 мг/л, по БПК 𝐿ст = 260 мг/л. Вода водоема, который относится к водоемам рыбохозяйственного назначения,
имеет концентрации: по взвешенным веществам Свзв
= 12 мг/л, по БПК
в
БПК
𝐿в = 1,5 мг/л, по растворенному кислороду Свo 2 = 8 мг/л. Средняя температура воды в летний период 20 ℃, время протекания воды от места
выпуска до расчетного створа t = 0,3 суток.
Для расчетного створа необходимо обеспечить следующие нормаБПК
тивные значения: по взвешенным веществам Свзв
доп = 0,7 мг/л, 𝐿доп = 2 мг/л
o2
и содержанию растворенного кислорода Сдоп
= 6 мг/л.
Решение
1. Содержание взвешенных веществ в сточных водах, сбрасываемых
в водоемы после очистки, равно
Свзв
о = 12 + 25 ∙ 0,7 = 29,5мг/л .
2. Необходимая степень очистки сточных вод по взвешенным веществам
взв
Свзв
210 − 29,5
ст − Со
Эвзв =
∙
100
=
∙ 100 = 86 %.
Свзв
210
ст
3. БПК смеси рыбохозяйственного водоема сточных вод,
(мг/л) составит
𝑛−1
𝐿БПК
доп
БПК
БПК
БПК
−𝑘 ′ ∙𝑡
𝐿о = −𝑘 ∙𝑡 ∙ 𝐿доп − 𝐿в ∙ 10
+ −𝑘 ∙𝑡 ,
10 1
10 1
′
где 𝑘 , 𝑘1 – соответственно константы скорости потребления кислорода
сточными водами и природной водой водного объекта, 𝑘 ′ = 0,005, для
расчетов можно принять равным 0, 𝑘1 зависит от температуры воды водного объекта; принимают по данным, приведенным ниже:
Температура
воды ℃
0
5
10
15
20
25
30
𝑘1
0,04
0,05
0,063
0,08
0,1
0,126
0,158
125
Тогда
25 − 1
2
−0,3∙0
∙
2
−
1,5
∙
10
+
= 15 мг/л.
10−0,1∙0,3
10−0,1∙0,3
4. Необходимая степень очистки сточных вод по БПК
(260 − 15)
ЭБПК =
∙ 100 = 94 %.
260
5. Расчетная концентрация БПК в очищенных сточных водах из условия сохранения допустимого содержания растворенного кислорода (для
водного объекта рыбохозяйственного назначения не менее 6 мг/л), мг/л,
o2
𝑛−1
С
доп
o
2
𝐿БПКО2 =
∙ Сво2 − 0,4 ∙ 𝐿БПК
− Сдоп
−
,
в
0,4
0,4
25 − 1
6
𝐿БПКО2 =
∙ 8 − 0,4 ∙ 1,5 − 6 −
= 69 .
0,4
0,4
6. Необходимая степень очистки сточных вод по содержанию растворенного кислорода
𝐿БПК
260 − 69
ст − 𝐿БПКО2
Эо2 =
∙
100
=
∙ 100 = 74 %.
𝐿БПК
260
ст
В результате расчета установлено, что сточные воды перед сбросом
в водоем должны быть очищены с эффективностью 94% (максимальное
значение эффективности по трем показателям).
Температура сточных вод, сбрасываемых в водный объект, должна
удовлетворять следующему условию:
Тст ≤ 𝑛 ∙ Тдоп + Тмакс ,
где Тдоп – допустимое санитарными нормами повышение температуры
воды водного объекта в месте выпуска сточных вод; Тмакс – максимальная
температура воды в водных объектах летом (определяют по справочным
данным).
Рассчитав допустимую Тст и сравнив с действительной температурой
сточных вод, следует при необходимости предусмотреть их охлаждение.
𝐿БПК =
Задача № 3
Сточные воды ремонтно-механического цеха сбрасываются в озеро
Исетское (г. Екатеринбург). Максимальная летняя температура природной
воды в озере до места выпуска сточных вод равна Тпр = 18,6 ℃. Кратность
разбавления сточных вод составляет n = 25. Рассчитать допускаемую температуру сточных вод Тст перед сбросом в озеро.
Решение
Допускаемая температура сточных вод, ℃,
Тст ≤ 𝑛 ∙ Тдоп + Тпр ,
126
где Тдоп – допускаемое по санитарным нормам повышение температуры
воды водоема до места выпуска сточных вод, Тдоп составляет не более 3℃.
Тогда
Тст ≤ 25 ∙ 3 + 18,6 ≤ 93,6℃ .
Для расчета необходимой степени очистки сточных вод по содержанию токсических примесей и других загрязняющих веществ в первую
очередь определяют степень очистки того вещества, которое наиболее
трудно извлекается. Поскольку степень очистки сточных вод от различных загрязняющих веществ неодинакова, то расчет степени очистки ведут
для каждого ЛПВ.
Необходимая степень очистки, %,
𝑛−1 i Св
1−
1 ПДК
𝑛
Э=1−
∙ 100 ,
1
Сст
𝑛
i
1 ПДК
где Св – концентрация i-го вещества в воде водного объекта до сброса
сточных вод, мг/л; Сст – расчетная концентрация i-го вещества в расчетном створе водного объекта, мг/л; ПДК – предельно допустимые концентрации вредных веществ с одинаковым ЛПВ.
Практически в составе сточных вод даже после соответствующей
очистки при спуске в водоемы содержатся различные загрязняющие вещества. При многокомпонентном составе загрязняющих веществ эффект
воздействия их на санитарное состояние водоема определяют по формуле
С1 /ПДК1 + С2 /ПДК2 + С3 /ПДК3 + … + С𝑛 /ПДК𝑛 ≤ 1 ,
где С1 ,С2 ,С3 , …, С𝑛 – концентрация загрязняющих веществ в воде водоема, мг/л; ПДК1 ,ПДК2 ,ПДК3 , …, ПДК𝑛 – предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воде водоема, мг/л (определяют по
ГН 2.1.5.1315–03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»; ГН 2.1.5.1316–03 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» и др.).
Задача №4
В воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования обнаружены: нитраты – С1 = 5 мг/л; тринитротолуол –
С2 = 0,3 мг/л; толуол С3 = 0,1 мг/л.Оценить санитарное состояние водоема.
Решение
1. Согласно ГН 2.1.5.1315–03 «Предельно допустимые концентрации
(ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственнопитьевого и культурно-бытового водопользования» ПДК загрязняющих
веществ равны:
127
нитраты (по азоту) – ПДК1 = 10 мг/л;
тринитротолуол – ПДК2 = 0,5 мг/л;
толуол – ПДК3 = 0,5 мг/л.
2. Эффект воздействия загрязняющих веществ на санитарное состояние водоема:
5/10 + 0,3/0,5 + 0,1/0,5 = 0,5 + 0,6 + 0,2 = 1,3 > 1.
Санитарное состояние водоема неудовлетворительное, поэтому перед
спуском в водоем сточных вод необходима их очистка.
7.3 РАСЧЕТ ГИДРОЦИКЛОНА ДЛЯ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Для очистки сточных вод прокатных цехов от металлической окалины
используют открытые гидроциклоны. Загрязненная сточная вода поступает в гидроциклон по тангенциальному каналу, поднимается вверх и через
кольцевой водослив и трубу очищенная от твердых частиц вода отводится
для дальнейшей обработки. Твердые частицы из гидроциклона периодически удаляются через шламоотводящую трубу.
Удельная гидравлическая нагрузка гидроциклона, м3 /(м2 ∙ с),
q = 3,6k∙ 𝑊O ,
где k – коэффициент, характеризующий форму и состояние поверхности
удаляемых твердых частиц, для металлической окалины k = 1,2; 𝑊O –
скорость осаждения твердых частиц, м/с,
𝑊O = (𝑔 ∙ 𝑑2 /4)[(ρч − ρж )/μж ],
где d – диаметр твердых частиц, м; ρч и ρж – плотность, соответственно,
твердых частиц и сточных вод, кг/м3 ; μж – гидравлическая вязкость сточных вод, Н ∙ с/м2 .
Площадь поперечного сечения гидроциклона, м2 ,
S = Q/q,
3
где Q – расход сточных вод, м /с.
Диаметр гидроциклона, м,
D= (4S/π)1/2 .
Концентрация твердых частиц на выходе из гидроциклона, мг/м3 ,
Свых = А ∙q/НЦ ,
где А – коэффициент, характеризующий коагуляционную способность
твердых частиц, принимают А = 0,033 – при наличии процесса коагуляции, А = 0,075 – при отсутствии процесса коагуляции; НЦ – высота цилиндрической части гидроциклона, м.
Количество шлака, оседающего в гидроциклоне, кг,
P = (Свх − Свых )Q∙ τ/1000,
128
где Свх – концентрация твердых частиц на входе в гидроциклон, мг/м3 ;
τ – время работы гидроциклона, ч.
Задача № 5
Рассчитать открытый гидроциклон для очистки сточных вод прокатного цеха от металлической окалины при наличии процесса коагуляции и
следующих исходных данных:
Q = 0,0483 м3 /с; Свх = 1,2 кг/м3 ; ρч = 7850 кг/м3 ; ρж = 1000 кг/м3 ;
μж = 0,00102 Н ∙ с/м2 ; d = 0,0001 м; τ = 3600 ч.
Решение
1. Скорость осаждения твердых частиц
𝑊O = (9,81 ∙ 0,00012 /4)[(7850 – 1000)/0,00102] = 0,0356 м/с.
2. Удельная гидравлическая нагрузка гидроциклона
q = 3,6 ∙ 1,2 ∙ 0,0356 = 0,154 м3 /(м2 ∙ с).
3. Площадь поперечного сечения гидроциклона
S = 0,0483/0,154 = 3,14 м2 .
4. Диаметр гидроциклона
D = (4 ∙ 3,14/3,14)1/2 = 2 м.
5. Принимаем гидроциклон с высотой цилиндрической части НЦ =D
и одним подводящим каналом, диаметр которого будет равен
𝑑к = 0,1 ∙D = 0,1 ∙ 2 = 0,2 м.
6. Концентрация твердых частиц на выходе из гидроциклона
Свых = 0,033 ∙ 0,154/2 = 0,00256 мг/м3 .
7. Количество шлака, оседающего в гидроциклоне, равно
P = (1,2 – 0,00256)0,0483 ∙ 3600/1000 = 0,22 кг.
7.4
РАСЧЕТ АЭРОТЕНКА
Аэротенк – это сооружение, применяемое для биологической очистки сточных вод. Он представляет собой резервуар, в котором очищаемые
стоки смешиваются с активным илом (биоценоз микроорганизмов: бактерии, грибы, микроводоросли, инфузории, черви, коловратки, водные клещи и пр.). Основной процесс, протекающий в аэротенке – это биологическое окисление органических загрязняющих веществ, которое происходит
за счет жизнедеятельности этих аэробных микроорганизмов в присутствии растворенного в воде кислорода. Часть органических веществ, непрерывно поступающих со сточными водами, окисляется, а другая обеспечивает прирост бактериальной массы активного ила.
Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, явля129
ются: температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов.
Аэротенк — это резервуар прямоугольного сечения, по которому
протекают сточные воды, смешанные с активным илом. Воздух, подаваемый в сооружение, перемешивает обрабатываемую жидкость с активным
илом и насыщает ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности
бактерий, простейших и многоклеточных животных.
Конструкции применяемых аэротенков подразделяются на три основных типа: вытеснители, смесители и аэротенки промежуточного типа.
К вытеснителям относятся одно-, двух- и т.д. коридорные аэротенки, в которых коридоры отделены друг от друга продольными направляющими
перегородками (рис. 21). Аэротенки-вытеснители коридорного типа применяют при начальной БПК не более 500мг/л.
Задача № 6
Рассчитать аэротенк-вытеснитель коридорного типа, применяемый
для очистки бытовых сточных вод, если его годовая мощность составляет
66000 м3 /год. Количество подаваемого в аэротенк активного ила – 4 г/л.
Необходимое время пребывания сточных вод в аппарате – не менее 5 часов. Средняя температура сточной воды в летнее время составляет + 15℃,
а в зимнее + 8℃. Состав сточных вод, поступающих на очистку, представлен ниже, в следующей таблице:
Наименование вещества
Взвешенные вещества
БПКполн
ХПК
Ионы аммония
Фосфаты
Хлориды
Сульфаты
Железо общее
СПАВ(ы)
Жиры
Количество загрязняющего вещества, поступающего в аэротенк,
кг/сут
32,7
330
39,0
2,6
1,6
3,8
1,1
0,05
0,8
0,14
Степень очистки
по данному веществу, %
70
60
60
80
30
0
0
30
50
80
Решение
Рассчитаем массу сточной воды, поступающей в аэротенк:
Мст.в = 𝑉ст.в × ρст.в ,
где 𝑉ст.в – мощность очистных сооружений, равная 66000 м3 /год; ρст.в –
плотность сточной воды, ρст.в = 1,1 г/см3 = 1100 кг/м3 .
130
П=
66000
= 7,53 м3 /ч,
365 × 24
Мст.в = 7,53 × 1100 = 8283,00 кг/ч.
Найдем массу загрязняющих веществ, задержанных в аэротенке по
формуле
′
𝑚загр.в = 𝑚загр.в
× ν,
′
где 𝑚загр.в
– это масса загрязняющих веществ, содержащихся в сточной воде, поступающих на очистку в анаэробный реактор, кг/ч; ν– степень очистки сточной воды от данного загрязняющего вещества, %.
𝑚взв.в = 32,7 × 0,70 = 22,89 кг/сут = 0,95 кг/ч;
𝑚БПКпол = 33,0 × 0,60 = 19,8 кг/сут = 0,82 кг/ч;
𝑚ХПК = 39,0 × 0,60 = 23,4 кг/сут = 0,97 кг/ч;
𝑚ион.аммон = 2,6 × 0,80 = 2,08 кг/сут = 0,087 кг/ч;
𝑚фосфор = 1,6 × 0,30 = 0,48 кг/сут = 0,02 кг/ч;
𝑚хлорид = 3,8 кг/сут = 0,16 кг/ч;
𝑚сульф = 1,1 кг/сут = 0,046 кг/ч;
𝑚общ.жел = 0,05 × 0,30 = 0,015 кг/сут = 0,000625 кг/ч;
𝑚жиры = 0,14 × 0,80 = 0,112 кг/сут = 0,0047 кг/ч;
𝑚СПАВ = 0,8 × 0,50 = 0,4 кг/сут = 0,017 кг/ч.
Общая масса всех примесей, задержанных в аэротенке, составляет
𝑚общ =0,95+0,82+0,97+0,087+0,02+0,16+0,046+0,000625+0,0047 +
+ 0,017= =3,075 кг/ч
Масса осветленной воды составит
𝑚чист.в = 𝑚ст.в − 𝑚общ = 8283,00 – 3,075 = 8279,92 кг/ч.
Масса веществ, уходящих вместе со сточной водой из аэротенка:
𝑚взв.в = 32,7 – 22,89 = 9,81 кг/сут = 0,40 кг/ч;
𝑚БПКпол = 33,0 – 19,8 = 13,2 кг/сут = 0,55 кг/ч;
𝑚ХПК = 39,0 – 23,4 = 15,6 кг/сут = 0,64 кг/ч;
𝑚ион.аммон = 2,6 – 2,08 = 0,52 кг/сут;
𝑚фосфор = 1,6 – 0,48 = 1,12 кг/сут = 0,047 кг/ч;
𝑚хлорид = 3,8 кг/сут = 0,16 кг/ч;
𝑚сульф = 1,1 кг/сут = 0,046 кг/ч;
𝑚жиры = 0,14 – 0,0047 = 0,135 кг/сут = 0,0056 кг/ч;
𝑚СПАВ = 0,8 – 0,4 = 0,4 кг/сут = 0,017 кг/ч.
Общая масса примесей, содержащихся в сточной воде, на выходе из
аэротенка составляет
′′
𝑚общ
= 0,4+0,55+0,64+0,52+0,047+0,16+0,046+0,0056+0,017 = 1,887 кг/ч.
131
Вычислим содержание активного ила в воде аэротенка.
Объемный расход сточных вод, поступающих в аэротенк, составляет:
8283,00
𝑉ст.в =
= 7,53 м3 /чили 7530 л/ч.
1100
Количество подаваемого в аэротенк активного ила – 4 г/л.
Отсюда следует, что содержание активного ила в сточной воде должно быть равно
Мак.ил = (7530×4) / 1000 = 30,12 кг/ч.
Рассчитаем расход воздуха, который необходим для поддержания активного ила в реакторе во взвешенном состоянии и насыщения воды кислородом.
Расход сжатого воздуха на работу эрлифтов и аэрацию в аэротенке
определим по формуле
𝑔𝑎𝑖𝑟 =
𝑔0 (𝐿𝑒𝑛 − 𝐿𝑒𝑥 )
,
𝐾1 𝐾2 𝐾3 𝐾𝑇 (𝐶a − 𝐶0 )
где 𝑔0 − удельный расход кислорода воздуха, мг на 1 мг снятой
БПКполн ; 𝐾1 – коэффициент, учитывающий тип аэратора и принимаемый
для мелкопузырчатой аэрации в зависимости от соотношения площадей
аэрируемой зоны аэротенка 𝑓𝑎𝑧 𝑓𝑎𝑟 .
Рабочий объем аэрируемой зоны составляет:
𝑉𝑎𝑟 = 41,5 м3 .
При 𝑕𝑎𝑟 = 6 м, 𝑓𝑎𝑟 = 𝑉𝑎𝑟 𝑕𝑎𝑟 = 41,5 6 = 6,9м3 ;
𝑓𝑎𝑟 = 𝜋𝑑2 /4 + H × 𝐿окр = (3,14 × 3,12 )/4 + (3,16×3,1×6) = 65 м2 ,
𝑓𝑎𝑧 𝑓𝑎𝑟 = 6,9 65 = 0,1.
Так как 𝑓𝑎𝑧 𝑓𝑎𝑟 = 0,1 , 𝐾1 = 1,47.
𝐾2 –коэффициент, зависимый от глубины погружения аэраторов 𝑕𝑎 ,
при 𝑕𝑎 = 6 м, 𝐾2 = 3,3; 𝐾𝑇 –коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, который следует определять по формуле
𝐾𝑇 = 1 + 0,02 𝑇𝑤 − 20 = 1 + 0,02 15 − 20 = 0,9 ,
где 𝑇𝑤 – среднемесячная температура сточных вод за летний период, ℃,
𝑇𝑤 = 15℃;
𝐾3 – коэффициент качества воды, принимаем 𝐾3 = 0,72;
𝐶𝑎 – растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л, определяется по
формуле
𝑕𝑎
𝐶𝑎 = 1 +
𝐶 ,
20,6 𝑇
132
где 𝐶𝑇 – растворимость кислорода в воде, зависит от температуры, принимаем по справочным данным.
При T= 15℃, 𝐶𝑇 = 10 мг/л; 𝑕𝑎 –глубина погружения аэратора (в метрах); 𝑕𝑎 = 6 м;
6
𝐶𝑎 = 1 +
× 10 = 12,9 мг/л.
20,6
𝐶0 – средняя концентрация кислорода в аэротенке принимается равной 2 мг/л.
По формуле рассчитаем расход воздуха на 1м3 сточной воды:
1,4 × (330 − 3)
𝑔𝑎𝑖𝑟 =
= 13,36 м3возд м3ст.в .
1,47 × 3,3 × 0,72 × 0,9 × (12,9 − 2)
Рассчитаем конструктивные размеры аэротенка.
Объемный расход сточных вод составляет 𝑉ст.в = 7,53 м3 /ч.
Объем рабочей зоны аппарата определим по формуле
𝑉БГО = 𝑉ст.в × τ ,
где 𝑉ст.в – объемный расход сточных вод, м3 /ч; τ– необходимое время пребывания сточных вод в аппарате, ч. Тогда объем рабочей зоны
𝑉БГО = 7,53 × 5,0 = 37,65 м3 .
Площадь поперечного сечения аэротенка, м2 , равна
S = ε× 𝑉БГО/Н,
где Н – глубина аппарата, м; ε – коэффициент запаса, учитывающий неравномерность поступления стоков в аэротенк в дневное и ночное время
суток, равный 1,5.
S = 37,65 × 1,5/2 = 28,24м2.
Конструктивные размеры рассматриваемого аэротенка следующие:
глубина –2м, ширина коридоров – 2м, число коридоров – 2.
Необходимо определить длину аэротенка.
Площадь поперечного сечения аэротенка можно выразить формулой
S = n×В×L,
где n - число коридоров; В - ширина коридоров, м; L - длина аэротенка, м.
Тогда длина аэротенка составит
L = 28,24/2×2 =7м.
133
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Львович, М.И. Вода и жизнь / М.И. Львович. – М.: Мысль, 1986. – 254с.
2. Соловьев, Ю.И. Структура одноатомных жидкостей, воды и водных растворов электролитов / Ю.И. Соловьев. – М.: Наука, 1976. – 256с.
3. Митчелл, Дж. Акваметрия / Дж. Митчелл, Д. Смит. – М.: Химия, 1980. –
600с.
4. Фиалков, Ю.Я. Не только в воде / Ю.Я. Фиалков. – Л.: Химия, 1976. – 96с.
5. Зацепина, Г.Н. Физические свойства и структура воды / Г.Н. Зацепина. –
М.:Изд-во МГУ, 1987. – 171с.
6. Аксенов, В.И. Применение флокулянтов в системах водного хозяйства:
учеб. пособие / В.И. Аксенов, Ю.В. Аникин, Ю.А. Галкин, И.И. Ничкова.– Екатеринбург:УГТУ – УПИ, 2008. – 92с.
7. Экология: учеб. пособие / Под ред. В.В. Денисова. – М.: ИКЦ ―Мар Т‖, Ростов н/Д, 2004. – 672с.
8. Кривошеин, Д.А. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков: учеб. пособие / Д.А. Кривошеин, П.П. Кукин, В.Л. Лапин. –М.: Высш.
шк, 2003. – 344с.
9. Химическая энциклопедия: в 5 т. Т 1. –М.: Сов.энцикл.,1988.– 623с.
10. Бобылев, С.Н.Экономика природопользования : учеб. пособие /С.Н. Бобылев, А.Ш. Ходжаев. –М.: ТЕИС, 1997. –272с.
11. Беспамятнов, Г.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде /Г.П. Беспамятнов, Ю.А. Кротов. –Л.: Химия,1985. –524с.
12. Тимонин, А.С. Инженерно-экологический справочник: в 2 т. Т. 2 / А.С. Тимонин.– Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2003. – 884с.
134