Методы и средства защиты гидросферы от вредных сбросов

К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ. Индекс загрязнения воды, как правило, рассчитывают по шести–семи показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН, биологическое потребление кислорода БПК₅) является обязательной.

C_i – концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра);

N – число показателей, используемых для расчета индекса;

ПДК_i – установленная величина для соответствующего типа водного объекта.

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл.4). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и так далее).

Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды

Воды	Значения ИЗВ	Классы качества вод
Очень чистые	до 0,2
Чистые	0,2–1,0
Умеренно загрязненные	1,0–2,0
Загрязненные	2,0–4,0
Грязные	4,0–6,0
Очень грязные	6,0–10,0
Чрезвычайно грязные	>10,0

Индекс загрязнения воды следует отнести к интегральным характеристикам состояния.

Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки промышленных выбросов. В отличие от рассеивания выбросов атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происходит хуже. Поэтому требуется глубокая очистка сточных вод, тем более, что водная экосистема очень ранима и чувствительна к загрязнениям.

Защита гидросферы от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств:

· рациональным размещением источников сбросов и организацией водозабора и водоотвода;

· разбавлением вредных веществ в водоемах до допустимых концентраций путем организации специально организованных и рассредоточенных выпусков;

С целью стимулирования предприятий к качественной очистке собственных стоков целесообразно организовать водозабор на технологические нужды ниже по течению реки, нежели сброс сточных вод. Если для технологических нужд требуется чистая вода, предприятие будет вынуждено осуществлять высокоэффективную очистку собственных стоков.

Рассредоточенные выпуски стоков осуществляют через трубы, проложенные поперек сечения русла реки, тем самым, увеличивая интенсивность перемешивания и кратность разбавления.

Определение допустимого состава сточных вод проводят в зависимости от преобладающего вида примесей исучетом характеристик водоема, в который сбрасывают сточные воды.

Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации взвешенных веществ. Допустимую концентрацию взвешенных веществ в очищенных сточных водах определяют по формуле

где с_в^взв — концентрация взвешенных веществ в воде водоема до сброса в.него сточных вод; ПДК^взв — предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в водоеме; n — кратность разбавления сточных вод в воде водоема, характеризующая долю расхода воды водоема, участвующей в процессе перемешивания и разбавления сточных вод.

Методы очистки сточных вод можно подразделить на механические, физико-химические и биологические. Для очистки сточных вод от взвешенных частиц (механических частиц, частиц жиро-масло и нефтепродуктов) применяют процеживание отстаивание, обработку в поле центробежных сил и фильтрование, флотацию.

Процеживание применяют для удаления из сточной воды крупных включений и волокнистых включений. Процесс реализуют в вертикальных и наклонных решетках, ширина прозоров которых 15-20 мм, а также ленточных и барабанных волокноуловителях. Очистка решеток и волокноуловителей осуществляется вручную или механически.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей с плотностью большей (меньшей) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках, жироуловителях.

На рис. 7 представлена схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением сточной воды, поступающей в песколовку 2 через входной патрубок 1. Оседающие в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике 3и на дне песколовки, а очищенная сточная вода через выходной патрубок 4 направляется для дальнейшей обработки. Удаление осадка изпесколовок осуществляют, как правило, ежесуточно.

Рис. 7 Схема горизонтальной Рис.8 Схема аэрируемой песколовки.

Для разделения твердых частиц по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис. 8), в состав которых входят входная труба 1, воздуховод 2,воздухораспределители 3,выходная труба 4,шламосборник 5 с отверстием 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.

Фильтрование используют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей как на начальной, так и конечной стадиях очистки. Наиболее часто используют зернистые фильтры из несвязанных или связанных (спеченных) между собой частиц фильтроматериала. В зернистых фильтрах в качестве фильтроматериала используют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п. Схема каркасно-засыпного фильтра показана на рис.9.

Регенерация фильтра осуществляется обратной промывкой и продувкой сжатым воздухом. Для улавливания фильтрами маслопродуктов применяют фильтры-сепараторы с фильтрующим слоем из пенополиуретана.

Флотация - метод заключается в адсорбировании примесей мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены. В зависимости от способа образования пузырьков различают флотацию, пневматическую (напорную, вакуумную), пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию. На практике наибольшее распространение получила пневматическая, которая основывается на уменьшении растворимости газа в воде при снижении его давления. При резком снижении давления происходит выделение из воды излишнего воздуха в виде пузырьков Если вода из под атмосферного давления направляется в камеру под вакуумом, такая флотация называется вакуумной; если из-под напору в открытую камеру - напорной. Флотация осуществляется во флотационных камерах.

Физико-химические методы очистки применяют для удаления из, сточной воды растворимых примесей (солей тяжелых металлов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления взвесей. Как правило, физико-химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ. Применяются разнообразные физико-химические методы, из которых наиболее распространены: электрофлотационные, коагуляционные, реагентные (разновидность реагентного метода - нейтрализация), электрохимические, электродиализные, ионообменные.

Электрофлотация находит широкое применение наряду с пневматической флотаций для удаления маслопродуктов и мелкодисперсных взвесей. Осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, между парами электродов (железных, стальных, алюминиевых). В результате электролиза воды образуются пузырьки газа, прежде всего легкого водорода, а также кислорода, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность. Электрофлотация осуществляется в электрофлотационных установках.

Коагуляция - это физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирования устраняется мутность воды. В качестве веществ-коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, прежде всего сульфат алюминия, а также неочищенный сернокислый глинозем, алюминат натрия, хлорное железо, сульфат железа и др. для интенсификации процесса хлопьеобразования применяют синтетические высокомолекулярные вещества-флокулянты, основным из которых является полиакриламид. Коагуляция осуществляется посредством перемешивания воды с коагулянтами в хлопьеобразующих камерах, откуда вода направляется в отстойники, где хлопья отделяются отстаиванием. Необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа можно получить электрохимическим путем. Для этого используются емкости-электролизеры (электрокоагуляторы), в которые опущены электроды из алюминия или стали, Образующиеся в процессе анодного растворения металла ионы алюминия или железа осуществляют процесс коагуляции. Т.к. электрофлотаторы и электрокоатуляторы практически одинаковы по конструкции, процессы электрофлотации и электрокоагуляции могут протекать в них одновременно.

Сущность реагентного метода заключается в обработке сточных вод химическими веществами-реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения, которые затем могут быть удалены одним из описанных выше методов удаления взвесей и осветления воды. Этот метод находит применения для очистки сточных вод от солей металлов, цианидов, хрома, фторидов и т.д. Например, для удаления цианидов используют различные реагенты-окислители, прежде всего содержащие активный хлор: хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия, хлорная вода. Для очистки от шестивалентного хрома применяют применяют натриевые соли сернистой кислоты (Na₂SO₃,NaHSO₃), гидросульфит Na₂SO₃. Для очистки фторсодержащих сточных вод применяют гидроокиси кальция (известковое молоко), хлорид кальция. В результате химической реакции с токсичными соединеними фтора образуется плохо растворимый фторид кальция (СаF₂), который можно удалить из воды, например отстаиванием.

Разновидностью реагентного метода является процесс нейтрализации сточных вод. Согласно действующим нормативным документам сбросы сточных вод в системы канализации населенных пунктов и в водные объекты допустимы только в случаях, если они характеризуются величиной рН = 6,5-8,5. В том случае, если рН сточных вод соответствует кислой (рН<6,5) или щелочной (рН>8,5) реакции, сточные воды подлежат нейтрализации, под которой понимают снижение концентрации в них свободных Н⁺ или ОН^- ионов до установленных в указанном интервале значений рН. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых в воде щелочных реагентов (оксида кальция, гидроксида натрия, кальция, магния и др.). Нейтрализация щелочных стоков - добавлением минеральных кислот - серной, соляной и др. В процессе нейтрализации важно добавить ровно столько реагента, чтобы осуществить нейтрализацию, не изменив при этом показатель рН в противоположную сторону. Так как кислые стоки чаще всего образуются в процессах гальванообработки, то такие стоки содержат ионы железа и тяжелых металлов. Поэтому при нейтрализации таких стоков одновременно идет процесс превращения ионов металлов в труднорастворимые гидроксиды, выпадающие в осадок. Реагентная очистка осуществляется в емкостях, снабженных устройствами перемешивания.

Сущность ионообменной очистки сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы, которые различаются на катионитовые - имеющие подвижные и способные к обмену катионы (чаще всего водорода Н⁺), и анионитовые - имеющие подвижные и способные к обмену анионы (чаше всего гидроксильную группу ОН^-). При прохождении сточной воды подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Например, катион тяжелого металла заменяет катион водорода, а токсичный анион соли металла – анион ОН^-.Таким образом происходит сорбирование токсичных ионов смолой. Регенерация (восстановление сорбирующей способности при насыщении смолы токсичными ионами) осуществляется промывкой кислотой (катионитовая смола) или щелочью (анионитовая смола). При этом токсичные ионы замещаются соответствующими катионами или ионами (Н⁺, ОН^-), а токсичные примеси выделяются вконцентрированном виде как щелочные или кислые стоки, которые взаимно нейтрализуются и подвергаются реагентной очистке или утилизации. Существуют различные схемы ионообменных установок очистки. Как правило, они представляют собой колонны с катионитовыми и анионитовыми смолами, через который последовательно пропускается очищаемый сток. Перед установкой ионообменной очистки должна быть произведена хорошая очистка от взвешенных веществ, а концентрация вредных примесей не должна быть высокой. Поэтому ионообменную очистку обычно используют на финишных (заключительных) стадиях очистки для обеспечения глубокой очистки.

В электрокоагуляционных установках может быть реализован метод электрохимической очистки сточных вод. Таким методом можно очищать от ионов тяжелых металлов, цианидов. При электролизе железный (стальной) анод растворяется с образованием двухвалентных катионов железа Fe²⁺, который восстанавливает очень токсичный шести валентный хром до менее токсичного трехвалентного: Cr⁶⁺+3Fe²⁺ = 3Fe³⁺+Cr³⁺

В результате электрохимических процессов на катоде происходит также восстановление шести валентного хрома до двух валентного. Последний, также как ионы железа, реагируют с гидроксильной группой ОН^-с образованием нерастворимых гидроокисей железа и хрома Сг(ОН)₃,Fе(ОН)₂, которые затем удаляются как взвеси, например, отстаиванием.

Рис. 10 Технологическая схема установки электрохимического

На рис. 10 показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCl, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 1. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

Электродиализный метод очистки используют для удаления из малоконцентрированных сточных минеральных солей (в том числе солей тяжелых металлов), а также при переработке высококонцентрированных сточных вод (отработанных технологических растворов) с целью выделения из них ценных продуктов для последующего использования. Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод используют электрохимически активные ионитовые мембраны. Наиболее распространены гетерогенные ионитовые мембраны, представляющие собой тонкие пленки, изготовленные из размельченной в порошок ионообменной смолы. В зависимости от того, из какой смолы сделана мембрана, различают катионитовые и анионитовые мембраны. Первые способны пропускать через себе лишь катионы вредных примесей, а вторые - анионы. Суть процесса электродиализа ясна из представленной на рис. 6 схемы элекродиализного опреснения воды. Процесс осуществляется в многокамерных аппаратах, в которых плоские мембраны расположены параллельно. Обессоливаемая вода поступает в четные камеры, а через нечетные циркулирует рассол. По действием электрического поля катионы двигаются к катоду (отрицательному электроду ), а анионы - к аноду. Из нечетных камер ни анионы, ни катионы в соседние камеры не проникают, так как на пути их движения расположены препятствия в виде не проницаемых для катионов анионитовых мембран со стороны катода и непроницаемых для анионов катионитовых мембран со стороны анода. В результате соли переносятся током из четных камер в нечетные, вода в четных камерах опресняется, а нечетных рассольных камерах концентрируются отделяемые соли. В настоящее время распространены электродиализные установки типа ЭДУ, имеющие от 100 до 300 камер.

Краткая характеристика физико-химических методов приведена в таблице 4.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Метод	Объекты воздействия	Процессы	Примеры
Электро-флотация	Маслопродукты и мелкодис-персные взвеси	Пропускание через сточную воду электрического тока, между парами электродов, в результате электролиза воды образуются пузырьки газа, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность.	CrO₄^2-+4H₂O+3e^-=Cr(OH)₃+5OH^-;
Коагуляция	Мутность	физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения.	Cr₂O₇^2-+14H⁺+Fe²⁺=2Cr³⁺+ 7H₂O+Fe³⁺
Реагент-ный метод	Соли металлов, (хлориды, цианиды, фториды)	Обработка сточных вод химическими веществами-реагентами, которые реагируют с растворенными токсичными примесями с образованием нетоксичных или нерастворимых соединений.	2ZnCL₂+2Na₂CO₃+H₂O=4NaCL+2ZnCO_3. NaCN+H₂O₂=NaCNO+H₂O; 3NaCN+2KMnO₄+H₂O= 3NaCNO+2MnO₂+ 2KOH
Нейтра-лизация сточных вод	Кислые или щелочные стоки	Снижение концентрации в них свободных Н⁺ или ОН^- ионов до установленных значений рН 6,5-8. добавлением растворимых в воде щелочных или кислотных реагентов	Кислые стоки гальванических производств содержат ионы тяжелых метал-лов, превращающиеся в малорастворимые гидрооксиды: Meⁿ⁺+nOH^-=Me(ОН)_n
Ионо-обменная очистка	Ионы тяжелых металлов, цианиды	Пропускание сточных вод через ионообменные смолы (катионитовые или анионитовые), при этом подвижные ионы смолы заменяются на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Таким образом происходит сорбирование токсичных ионов смолой.	R-OH+HCN= R-CN+H₂O
Электро-химичес-кая очистка	Ионы тяжелых металлов, цианиды.	Пропускание через сточную воду электрического тока, между парами электродов, сопровождающееся окислением или восстановлением токсичных примесей до нетоксичных продуктов	Восстановление токсичного шести валентный хром до менее токсичного трехвалентного: Cr⁶⁺+3Fe²⁺ = 3Fe³⁺+Cr³⁺
Электро-диализная очистка	Малоконцен-трированные или высоко-концентриро-ванные соли (выделения ценных продуктов).	Процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические соединения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа. Биологическим путем очищаются многие виды органических соединений городских и производственных сточных вод. Бактерии находятся в активном иле, представляющем собой темно-коричневую или черную жидкую массу, обладающую землистым запахом. С биологической точки зрения активный ил это скопление аэробных бактерий в виде зоогелей. Кроме микробов в иле могут присутствовать простейшие (в аэротенках), в биопленке (биофильтры) - черви, личинки насекомых, водные клещи. При очистке многих видов сточных вод, в том числе бытовых, используют бактерии -грамоотрицательные палочки.

Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или специальных сооружениях: аэротенках, биофильтрах. Аэротенки (рис. 6) представляют собой открытые резервуары с системой коридоров, через которые медленно протекают сточные воды смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэрации аэротенка. Активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк. Биологический фильтр - это очистное сооружение, заполненное загрузочным материалом, через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка, состоящая из прикрепленных форм микроорганизмов.