10.3.1. Очистка сточных вод

С проблемой загрязнения водных объектов столкнулись жители уже древних городов. Еще в Древнем Риме римляне отмечали загрязнение вод Тибра, а в Афинах афиняне – вод порта Пирея. За прошедшие тысячелетия ситуация к лучшему не изменилась, а скорее стала еще напряженнее. Так, в начале XIX века в Англии разразилась страшная эпидемия холеры, вызванная загрязнением рек, после которой власти приняли закон об очистке сточных вод.

В разделе 6.3.3мы говорили, что потребление воды в современном обществе, особенно городским населением, возросло в десятки раз по сравнению со средневековьем. Естественно, увеличился и объем загрязненной воды, возвращаемой человеком обратно в окружающую среду. Для городов следует также отметить значительное увеличение поверхностного стока по сравнению с природным, поскольку большая часть земной поверхности на территории городов практически водонепроницаема (занята зданиями и сооружениями, асфальтированными дорогами, площадями, тротуарами и т.п.).

Различают несколько типов загрязнения воды:

• механическое – повышение содержания механических примесей (твердых частиц);

• химическое – наличие в воде органических и неорганических веществ с токсическим или нетоксическим действием;

• бактериальное и биологическое – наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

• радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ;

• тепловое – выпуск в водоемы подогретых вод.

Первым этапом очистки является удаление из воды крупного мусора (так называемая предочистка), заключающаяся в пропускании воды через специальные решетки, задерживающие мусор.

Следующим этапом при очистке сточных вод является освобождение их от более мелких твердых нерастворимых частиц. При этом используется несколько методов:

• механический, основанный на действии центробежных или гравитационных сил – сепарация, центрифугирование, отстаивание;

• фильтрование – применение специальных сит, тканей, волокнистых материалов, мембран и др.;

• использование магнитного поля;

• ультразвуковые методы;

• флотация – получение системы "загрязняющая частица – воздушный пузырек" и ее удаление с образовавшейся пеной – пенная флотация, или прилипание частицы к поверхности жидкости – пленочная флотация;

• коагуляция – укрупнение дисперсных частиц и их механическое удаление;

• флокуляция – укрупнение взвешенных частиц с помощью высокомолекулярных соединений и др.

На первых двух этапах из бытовых сточных вод удаляется до 60 – 75 %, а из промышленных – до 95 % нерастворимых примесей, многие из которых затем используются в производстве. Получаемый в результате отстаивания и других методов ил (так называемый ил-сырец) является ценным сырьем для производства удобрения (после должной очистки и обработки).

На следующем этапе используются химические и физико-химические методы очистки. Химические методы заключаются в том, что в загрязненную воду добавляются различные химические реагенты, которые вступают в реакции с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %. С помощью физико-химических методов из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Существует большое количество самых разных химических и физико-химических методов:

• нейтрализация;

• сорбционные методы: адсорбция – поглощение загрязняющего вещества поверхностью адсорбента, например, активированного угля, и абсорбция – поглощение загрязнителя всей массой абсорбента, например, концентрированной серной кислоты;

• ионный обмен;

• экстракция;

• окисление – восстановление;

• электрические и электромагнитные методы, включая электролиз;

• термические методы;

• сжигание;

• каталитическое окисление;

• жидкофазное окисление;

• выпаривание;

• плазменный метод;

• коагуляция и др.

Следующий этап – биологическая, или биохимическая очистка, которая основана на способности многих микроорганизмов использовать различные органические и неорганические вещества (сероводород, аммиак, сульфиды, нитриды и др.) для питания в процессе своей жизнедеятельности. Использование биологической очистки базируется на тех же закономерностях биохимического и физиологического самоочищения водоемов, которые существуют в природе. Среди биологических методов наиболее распространены:

• капельные биофильтры, в которых вода разбрызгивается и стекает струйками по двух-трехметровому слою камней величиной с кулак, в котором функционирует сложная система, включающая бактерий, простейших, коловраток, различных мелких червей и других прикрепленных к камням детритофагов, которые буквально выедают органическое вещество, включая патогенов; в результате сточные воды теряют до 85 – 90 % органического вещества;

• системы активного ила, или аэротенки, в которых вода закачивается в резервуары, содержащие насыщенный детритофагами ил; вода интенсивно аэрируется, в результате чего создается богатая кислородом среда, идеальная для развития микроорганизмов, которые в процессе своего питания удаляют из воды органические вещества, включая патогенные микроорганизмы; таким образом вода очищается от органического вещества на 90 – 95 % (после отстаивания во вторичных отстойниках), а полученный после отстаивания ил снова может быть использован в аэротенках;

• биологические пруды, в которых воспроизводятся естественные процессы самоочищения воды с участием всех организмов, населяющих водоем и др.

После биологической очистки вода, как правило, направляется на доочистку, в результате которой из нее удаляются те или иные биогены (например, фосфаты). Доочистка осуществляется с помощью различных химических и физико-химических методов. При соответствующей доочистке можно добиться того, что вода в конечном итоге станет пригодна для питья.

Последним этапом является дезинфекция воды, целью которой является уничтожение всех патогенных микроорганизмов, которые смогли выжить на предыдущих этапах. Наиболее распространенный метод дезинфекции – хлорирование воды. Этот метод нашел широкое применение благодаря своей высокой эффективности и дешевизне. Однако хлорирование воды имеет и ряд негативных сторон: хлор очень ядовит и его транспортировка небезопасна для людей; многие водные организмы весьма чувствительны даже к микропримесям хлора и сброс хлорированной воды после ее использования в водоемы пагубно сказывается на икре и развитии эмбрионов; наконец, некоторое количество хлора вступает в реакции с органическими веществами, оставшимися в воде, приводя к образованию хлорированных углеводородов, многие из которых токсичны, биологически не разлагаются, обладают канцерогенным действием, способны вызывать нарушения внутриутробного развития и поражать систему размножения.

Более безопасна дезинфекция с использованием озона, хотя в настоящее время она более дорога и небезопасна в технологическом отношении (озон токсичен и взрывоопасен). Дезинфекция с помощью озона не только уничтожает микроорганизмов, но и приводит к насыщению воды кислородом, что улучшает ее качество. Предлагается также использовать для дезинфекции ультразвук, электролиз, облучение ультрафиолетовым или другим излучением, убивающим микробов и др. Кроме того, при хлорировании можно добавлять в воду другие вещества, например, диоксид серы, которые, реагируя с хлором, образуют безвредные неактивные соединения.