Тема 8. Основные направления и методы защиты гидросферы.

Переработка жидкофазных отходов

8.1. Количество и опасность гидрополлютантов

8.2. Общая характеристика сточных вод

8.3. Основные пути и методы очистки сточных вод

8.4. Создание замкнутых водооборотных систем

8.1. Количество и опасность гидрополлютантов

Основной причиной современной деградации природных вод Земли является техногенное загрязнение. Главными источниками техногенного загрязнения служат:

- сточные воды промышленных предприятий;

- сточные воды коммунального хозяйства городов;

- стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

- атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов.

Кроме того, неорганизованный сток 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), в том числе около 600 км³ составляют наиболее токсичные промышленные стоки. Для разбавления всего объема стоков требуется примерно 8,5 тыс. км³ воды, т.е. 20% полного и 60% устойчивого стока рек мира. По отдельным водным бассейнам антропогенная нагрузка гораздо выше средних глобальных значений. Общая масса загрязнителей гидросферы огромна - около 14 млрд т в год. По своему химическому составу и техногенному происхождению гидрополлютанты весьма различны - от аэрогенных выпадений до затонувших судов.

К наиболее опасным загрязнителям воды относятся соли тяжелых металлов, фенолы и другие органические яды, нефтепродукты, пестициды, насыщенная бактериями биогенная органика, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), моющие средства, минеральные удобрения. Кроме химического загрязнения водоемов определенное значение имеют также механическое, термическое и биологическое загрязнения.

Для определения опасности нарушений поверхностных природных водоемов важен также объем безвозвратного водопотребления. В основе оценки опасности всех видов нарушений лежит общий принцип, основанный на определении объемов загрязненных стоков (или изъятых вод) и размеров превышения их нормативных уровней. Опасность i-го нарушения, например химического, рассчитывается по формуле:

где D_i – величина техногенной эмиссии для нормального состояния водоема, выраженная в тыс. м³ чистой воды, необходимой для устранения опасности – разбавления вредных стоков;

V_i – объем загрязненного стока, тыс. м³;

W_i – величина нарушения – концентрация максимально опасного загрязнителя в стоке, мг/л;

N_i – нормативное значение нарушения – ПДК максимально опасного загрязнителя в водоеме рыбохозяйственного назначения, мг/л.

Аналогично можно рассчитать значение опасности других видов нарушений.

8.2. Общая характеристика сточных вод

По происхождению сточные воды подразделяются на несколько групп: 1) хозяйственно-бытовые; 2) промышленные; 3) поверхностный сток предприятий и населенных пунктов; 4) сельскохозяйственные; 5) рудничные и шахтные воды. Каждая группа имеет свой специфический состав, в котором преобладает определенная ассоциация загрязняющих веществ.

Хозяйственно-бытовые воды содержат большое количество органических и минеральных веществ в растворенном и взвешенном состоянии. Они образуются в жилых и общественных зданиях, на предприятиях, при приготовлении пищи, после санитарных уборок, стирок и ^т- п. Подсчитано, что от одного жителя в сутки поступает в систему водоотведения загрязнений: взвешенных веществ - 65 г; органических - 110; азота аммонийного - 8, фосфатов - 3,3, в т. ч. от моющих веществ - 1,6; хлоридов - 9; ПАВ - 2,5 г.

Среди всех видов загрязненных водоемов наибольшее вредное воздействие вызывают промышленные сточные воды. Они отличаются большим разнообразием состава и концентрацией загрязняющих веществ, определяемых характером производства, а также системой водоснабжения и водоотведения.

На промышленных предприятиях до 90% воды расходуется на охлаждение продуктов или аппаратов в технологических процессах, и сточная вода имеет лишь тепловое загрязнение (I категория). II категория устанавливается, когда воды служат в качестве поглощающих и транспортирующих нерастворимые примеси и частично растворимые соли, которыми и загрязняются. Воды III категории аналогичны по происхождению II, но дополнительно нагреваются при контакте с продуктами. Воды IV категории являются непосредственно реагентами и загрязнены всеми компонентами технологического процесса.

Сточные воды предприятий по составу подразделяются на 3 вида:

- производственные - использованные или сопутствующие технологическому процессу, которые в свою очередь можно разделить на загрязненные и нормативно чистые;

- бытовые - от санитарных узлов и пищеблоков, душевых установок;

- атмосферные - дождевые, талые, к ним можно отнести и поверхностные после полива территорий.

Характер загрязнения производственных сточных вод в основном определяется профилем предприятия, составом перерабатываемых материалов, сырья и видом выпускаемой продукции.

Все многообразие производственных сточных вод по характеру основных загрязнений можно отнести к 3 группам:

- содержащие минеральные примеси (металлургия, машиностроение, производство строительных материалов, минеральных кислот, удобрений и т. д.);

- содержащие органические примеси (мясная, рыбная, консервная, пищевая промышленность и т. д.);

- содержащие органоминеральные примеси (нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, текстильные и др. предприятия).

Поверхностный сток промышленных предприятий и населенных пунктов формируется за счет дождевых, талых и поливомоечных вод. К основным факторам, определяющим его объем, относятся: 1) интенсивность выпадения атмосферных осадков и их продолжительность; 2) общая площадь городской территории, характер ее застройки; 3) рельеф местности.

Концентрация загрязняющих веществ в поверхностном стоке колеблется в широких пределах и зависит от отраслевой принадлежности предприятий. В целом преобладают взвешенные (130-11300 мг/л), органические вещества, нефтепродукты, биогенные элементы, тяжелые металлы.

Загрязненность сточных вод органическими веществами, как известно, характеризуется тремя показателями: БПК, ХПК, ООУ.

БПК - биохимическая потребность в кислороде - опосредованный показатель содержания органических веществ - характеризует необходимое количество кислорода для микробного окисления биологически окисленных органических веществ.

Различают БПК_полн, БПК₂₀, БПК₁₀, БПК₅, соответственно обозначающие, сколько кислорода израсходовано на полное окисление органических веществ в течение 20, 10 и 5 суток.

ХПК - химическая потребность в кислороде - также опосредованный показатель - характеризует необходимое количество кислорода для химического окисления всех органических веществ, а заодно и восстановленных неорганических (аммонийный азот, сульфиды, сульфиты т. д.).

ООУ - общее содержание органического углерода, характеризует суммарную концентрацию органических веществ.

Если в одной и той же пробе определить эти характеристики, то они выстроятся в убывающий ряд: ХПК > ООУ > ВПК.

Способность сточных вод к биохимической очистке характеризуется биохимическим показателем Б, т. е. отношением БПК/ХПК.

По биохимическому показателю и токсичности промстоки подразделяются на 4 группы:

Б > 0,2: к ним относятся сточные воды пищевой, нефтехимической и других отраслей промышленности, органические загрязнения которых не токсичны для микробных сообществ;

0,02 ≤ Б ≤ 0,1: промстоки коксохимических, содовых и некоторых других производств. Эти воды после предварительной механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление;

0,001 ≤ Б ≤ 0,01: к этой группе принадлежат промстоки процессов сульфирования, хлорирования, масел и ПАВ, сернокислотного производства, черной металлургии, тяжелого машиностроения и др. После предварительной очистки на локальных очистных сооружениях данные стоки могут быть направлены на биохимическое окисление;

Б < 001: промстоки этой группы в основном загрязнены минеральными (дисперсными) веществами и подлежат преимущественно механической очистке.

8.3. Основные пути и методы очистки сточных вод

Различают два пути очистки сточных вод: разбавление и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь - очистка сточных вод от загрязнений.

Методы очистки производственных и бытовых вод можно подразделить на следующие группы: механические, физико-химические, химические, биологические и термические (рис. 7).

Рис. 7 Методы очистки сточных вод от загрязнений

По своей сути эти методы могут быть рекуперационными и деструктивными. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, а деструктивные - разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются газы или осадки.

Кроме обязательной механической очистки, в комплекс очистных сооружений входят сооружения других групп очистки, вплоть до глубокой. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды подвергаются обеззараживанию (хлором, озоном, пероксидом водорода и др.). Если в процессе очистки образуется осадок (или биомасса), его направляют в сооружения по обработке осадка. После этого обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться. Очищенные сточные воды могут сбрасываться в водоемы (что нежелательно), направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий и на орошение технических сельскохозяйственных культур.

Поскольку в течение суток состав сточных вод и их объем (в результате залповых выбросов) могут существенно изменяться, перед подачей сточных вод на механическую очистку их могут направлять в специальные устройства - усреднители. Последние либо интенсивно перемешивают отдельные потоки, либо дифференцируют поток сточных вод.

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

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

Норма водоотведения - это количество сточных вод, отводимых от промышленного предприятия в водоем, при целесообразной норме водопотребления. В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии. Нормы водопотребления и водоотведения выражаются в кубометрах воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Эти нормы расхода производственных сточных вод применяют при проектировании вновь строящихся и реконструкции действующих систем водоотведения промышленных предприятий. Укрупненные нормы позволяют дать оценку рациональности использования воды на любом действующем предприятии.

Методы механической очистки. Этого метода достаточно только при промышленном оборотном водоснабжении отдельных производств. В основном он служит лишь для подготовки сточных вод к обработке другими методами. При этом загрязненные воды осветляются на 30-60%, что существенно облегчает дальнейшие стадии очистки.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей, для чего используют процессы процеживания и отстаивания, а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание производится через решетки или сита в зависимости от величины и гидравлических свойств выделяемых частиц.

Решетки бывают подвижные и неподвижные. При очистке малых и средних количеств сточных вод используют неподвижные решетки. Для извлечения из сточных вод ценных продуктов, находящихся в нерастворенном состоянии, используются сита барабанные и дисковые. Для улавливания из сточных вод примесей минерального происхождения, главным образом песка крупности 0,15 мм и выше, применяют песколовки (рис. 8а), которые по направлению движения воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением воды.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90% нерастворимых механических примесей различного характера (песок, глинистые частицы, окалина и другие), а из бытовых - до 60%.

а) б)

Рис. 8 а) Вертикальная песколовка; б) Схема типовой нефтеловушки: 1 - сточная вода; 2 - приемная камера; 3 - отстойная зона; 4 - очищенная вода; 5 - вертикальные полупогруженные перегородки; 6 - нефтесборные трубы; 7 - пленка всплывших нефтепродуктов

В целях очистки сточных вод от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктов.

Выделение нефтепродуктов производится в нефтеловушках (рис. 8б).

Для задержания оседающих и плавающих примесей применяют отстойники, которые по направлению движения воды делятся на горизонтальные и вертикальные. Основная масса взвешенных веществ (40-60%) выпадает в осадок в течение 1,5 ч отстаивания.

Фильтрование - удаление взвешенного вещества из воды путем пропускания ее через слой пористого материала или через сетки с изменяющимся размером отверстий. С помощью этого метода очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные примеси в небольшой концентрации. Его применяют также после физико-химических и биологических методов очистки, поскольку некоторые из их сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

В основном распространены сетчатые фильтры и фильтры с зернистой загрузкой. К сетчатым фильтрам относятся барабанные сетки и микрофильтры. Зернистые фильтры бывают с нисходящими (сверху вниз) и восходящим (снизу вверх) потоками. Фильтры с нисходящим потоком могут иметь однослойную и многослойную загрузку. Для стабильной и эффективной очистки применяют двухступенчатое фильтрование воды. При этом на первой ступени фильтрации движение воды осуществляется снизу вверх, а на второй ступени - сверху вниз.

Химические методы очистки.Эти методы применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда и для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. Наиболее часто с помощью химической очистки удаляют ионы тяжелых металлов. Основными приемами химических методов очистки сточных вод являются нейтрализация, окисление-восстановление и осаждение малорастворимых соединений.

Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты. Предварительная нейтрализация указанных вод является обязательной процедурой перед сбросом их в водоем.

Рациональным является взаимное объединение кислых и щелочных стоков, если при этом не происходит выпадения осадков в трубах и, как следствие, засорения сети.

В целях нейтрализации кислых вод применяют щелочные реагенты: известь СаО, гашеную известь Са(ОН)₂, кальцинированную соду Na₂CO₃, каустическую соду NaOH и др.

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются серная H₂SO₄, соляная НС1 и азотная HNO₃ кислоты.

Окисление и восстановление как метод очистки применяется для обезвреживания промышленных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов, соединений ртути, мышьяка, хрома. В процессе окисления токсичные загрязнения переходят в менее токсичные. В качестве окислителей обычно используют хлор С1₂, диоксид хлора С1О₂, гипохлориты натрия NaCIO и кальция Са(СЮ)₂, перманганат калия КМnО₄ и др.

Озон, в силу своей высокой окислительной способности, уже при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. Благодаря озонированию одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом.

Эффективность озонирования существенно повышается, а следовательно, сокращается и длительность процесса очистки, если совместно использовать ультразвук и озон или УФ-облучение и озон.

Методы восстановительной очистки сточных вод применимы в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества, в частности, соединения ртути, хрома и мышьяка. Ионы тяжелых металлов: цинка, меди, ртути, кобальта, кадмия, никеля, мышьяка, свинца и хрома можно удалить из промышленных сточных вод, переводя их в малорастворимые соединения с последующим отделением осадка от воды.

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

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц загрязняющих веществ в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Укрупнение происходит под влиянием добавляемых коагулянтов, чаше всего солей алюминия и железа.

Перспективным методом очистки сточных вод от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианидов является электрокоагуляция - процесс образования нерастворимых гидроксидов при прохождении сточных вод через электрокоагулятор.

Флотация применяется для очистки производственных сточных вод от нерастворимых примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются: нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, волокнистых частиц. Сам процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц примеси к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удалении образовавшегося пенного слоя.

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются сильно токсичными при небольшой их концентрации.

Адсорбция - это диффузный процесс, в котором повышенная концентрация отделяемого газообразного и жидкого вещества образуется на границе раздела фаз в результате связывания этих веществ на поверхности твердого или жидкого соединения. Если между молекулами адсорбированного вещества и адсорбента не происходит никаких химических реакций, то подобный процесс относится к физической адсорбции, в отличие от хемосорбции, когда происходит перенос или объединение электронов адсорбента и адсорбата, как у химических соединений.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ПАВ, красителей и др. Достоинствами метода являются высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность очистки достигает 80-95%.

В качестве адсорбентов чаще всего используют активные угли, синтетические сорбенты (силикагели, алюмогели) и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.).

Ионный обмен применяется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, свинца, ртути, кадмия, ванадия, Марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать собственные ионы на другие ионы в растворе.

Экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3-4 г/л их рациональнее извлекать экстракцией, чем адсорбцией. При концентрации меньше 1 г/л экстракцию следует применять только в особых случаях.

Обратный осмос заключается в фильтровании растворов неорганических или органических веществ через полупроницаемые (молекулы воды проходят, молекулы растворенных веществ - нет) перегородки (мембраны). Так, если осмотическое давление морской воды состав-

Ультрафильтрация основана на разделении растворов фильтрованием через мембраны с диаметром пор 5-200 нм, в то время как при обратном осмосе используются мембраны с диаметром пор до 1 нм.

Электрохимическая очистка применяется для очистки сточных вод от различных растворимых диспергированных примесей. В процессе электрохимического окисления загрязняющие вещества, находящиеся в сточных водах, полностью разлагаются, образуя СО₂, NH₃ и воду или более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами.

Перегонка состоит в разделении и последующем удалении через открытую жидкую поверхность соединений, имеющих разную температуру кипения.

Ректификация используется для разделения жидких смесей путем многократного массообмена между паровой и жидкой фазами, движущимися противотоком друг к другу. При этом жидкость при движении по колонне сверху вниз обогащается высококипящими соединениями, а пар, движущийся вверх, - низкокипящими.

Термические методы очистки сточных вод. На химических предприятиях образуются сточные воды, содержащие различные минеральные соли (кальция, магния, натрия и др.), а также широкий спектр органических веществ. Такие воды могут быть обезврежены термическими методами: 1) концентрированием сточных вод с последующим выделением растворенных веществ; 2) огневым обезвреживанием.

Метод концентрирования используют для обезвреживания минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ. Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных (выпаривание при нагреве) или вымораживающих (холодильных) установках.

Сушку чаще всего осуществляют в распылительных сушилках.

Сущность огневого обезвреживания сточных вод заключается в распылении их непосредственно в топочные газы, нагретые до 900- 1100°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают до нетоксичных соединений (чаще всего, до диоксида углерода и водяных паров). Находящиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы, которые улавливают в циклонах или фильтрах. Данный метод целесообразен для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод предпочтителен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо. Для сжигания промышленных стоков применяют печи различных конструкций, но предпочтение отдают циклонным печам (рис. 9).

Рис. 9 Циклонная печь

Недостаток таких печей - большой унос минеральных солей с газовым потоком, если сточные воды помимо органических веществ содержат минеральные компоненты.

Биохимические методы очистки сточных вод. Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности определенных микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая в СО₂, Н₂О, нитрат- и сульфат-ионы, частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки по своей сути - природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоемах, так и в очистных сооружениях.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество называют активным илом.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод.

Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы постоянный приток кислорода (2 мгО₂/л), температура 20-30°С, рН среды 6,5-7,5, соотношение биогенных элементов БПК : N : Р не более 100 : 5 : 1. Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных сооружениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.

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

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

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

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

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры.

Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации. Для аэрации сточных вод вместо воздуха может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используются окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше последних.

Биофильтры находят применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. м³ в сутки. Биофильтры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По характеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15-80 мм, засыпается слоем высотой 2-4 м.

Анаэробный процесс. Здесь происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счет химически связанного кислорода в таких соединениях. Основной процесс проводится в метантенках. В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.

Основная цель анаэробной очистки - уменьшение объема активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана и хорошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжелых металлов ниже ПДК).

Биологическая очистка загрязненных вод может быть, помимо биологических прудов, осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли. В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способность самой почвы.

Очистка ионизирующим излучением. В последние годы развивается новый безреагентный метод очистки сточных вод путем деструкции содержащихся органических примесей. Гамма-излучение от радиоактивных изотопов (⁶⁰Со, ¹³⁷Cs и др.) производит такое же действие, как и сильнейшие окислители (озон, хлор, пероксид водорода и др.). Но вместо изотопов сейчас применяют пучки электронов, генерируемых ускорителями с энергией электронов 5-6 МэВ. При ионизирующем излучении нарушается устойчивость коллоидных систем (радиационная коагуляция), разрушаются и окисляются практически все органические и некоторые неорганические вещества (радиационная деструкция) с образованием простейших соединений, гибнет или инактивируется широкий круг вирусов и микроорганизмов (радиационное обеззараживание).

8.4. Создание замкнутых водооборотных систем

Системы водообеспечения промышленных предприятий в зависимости от водных технологических процессов могут быть прямоточного, повторного (последовательного) и оборотного (рис. 10) водоснабжения.

При прямоточном водообеспечении вся забираемая из источника вода Q_ист сбрасывается в приемник сточных вод Q_c6р за вычетом воды, израсходованной в производстве Q_потр, т.е.:

Q_c6р = Q_ист - Q_потр.

Рис. 10 Схема оборотного водоснабжения

Схема последовательного водопользования является более совершенной; она может быть двух-трех-четырехкратной. Тогда Q_сбр уменьшается на величину суммарных потерь на ряде производств (заводов, цехов) и на очистных сооружениях со шламами Q_шл:

Q_сбр = Q_ист - (Q_потр1 + Q_потр2 + Q_шл)

Вполне очевидно, что при повторном водоиспользовании качество сточных вод первого водопользователя должно удовлетворять технологическим требованиям к воде второго водопользователя и т. д.

Необходимость создания замкнутых водооборотных систем обусловлена рядом факторов:

1) обострением дефицита пресной воды, на что влияют не только непрерывный рост водопотребления, но и деградация качества природных водоисточников в результате поступления в них сточных вод.

2) исчерпанием самоочищающей и разбавляющей способности водоемов, в которые сбрасываются сточные воды;

3) экономическими преимуществами по сравнению с очисткой сточных вод до соответствующих нормативов, позволяющих их сброс в открытые водоемы. Если стоимость 90%-ной очистки сточных вод принять за единицу, то очистка на 99% обойдется примерно в 10 раз дороже, а очистка на 99,9%, которая часто и требуется для достижения ПДК, будет дороже в 100 раз. В результате локальная очистка сточных вод с целью их повторного использования в производстве в большинстве случаев оказывается значительно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных органов. В целом рецикл оказывается более выгоден, чем прямоточная система водоснабжения: он позволяет в 10-50 раз снизить потребление чистой воды.

Вода в системе оборотного водоснабжения в зависимости от технологического назначения может быть подвергнута различной обработке. Так, если она является теплоносителем и в технологическом процессе только нагревается, перед последующим использованием ее охлаждают. В том случае, если вода выполняет роль транспортирующей и поглощающей примеси среды, то перед подачей в оборотный цикл ее кондиционируют на очистных сооружениях. Возможен вариант предварительной обработки воды перед повторным использованием путем и очистки от загрязнений, и охлаждения.

В системах оборотного водообеспечения безвозвратные потери воды (производство, испарение, унос ветром, разбрызгивание, шлам, продувочный расход) компенсируются дополнительным, так называемым подпиточным количеством свежей воды из источника Q_ист, т. е.:

Q_ист = О_под + Q_ун + Q_шл + Q_сбр.

Общее количество подпиточной воды обычно не превышает 5-10% от циркулирующего в системе.

При разработке оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий необходимо планировать очистку и повторное использование поверхностных сточных вод с учетом следующих требований:

- обеспечение локализации стока с отдельных участков территории предприятия и его отвода либо в общезаводские очистные сооружения, либо (после предварительной очистки) в общую схему очистки поверхностных сточных вод;

- создание раздельной организации стоков с водосборных участков, отличающихся по составу и количеству примесей, поступающих в поверхностные сточные воды;

- обеспечение очистки поверхностного стока совместно с производственными сточными водами;

- применение локальных очистных сооружений для поверхностных сточных вод.

При создании замкнутых водооборотных систем промышленных предприятий водоподготовка и очистка сточных вод должны рассматриваться как единая система. Проектирование замкнутых систем проводится одновременно с проектированием основного производства.

Образующиеся при очистке сточных вод осадки перерабатываются в товарную продукцию или выдаются в виде вторичного сырья.