§ 10.1. Характеристики сточных вод и виды их загрязнений

Особенностью природной воды в современных условиях является то, что она участвует не только в естественном, но и в антропогенном круговороте: 314

В антропогенном цикле вода из природного водоема используется в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, для питьевого водо­снабжения, коммунально-бытовых нужд и т.д. В зависимости от вида водопользования она используется либо без обработки, либо с предва­рительной очисткой от взвешенных частиц, растворенных солей, ток­сических примесей и т.д. Требования к качеству вод, вовлекаемых в антропогенный круговорот, определяются запросами потребителя.

Значительная часть воды после ее использования возвращается в водоем в виде городских и промышленных сточных вод.

По определению, сточные воды — это воды, использованные на бытовые или производственные нужды и получившие при этом допол­нительные примеси, изменившие их первоначальный химический состав или физические свойства, а также воды, стекающие с террито­рий населенных мест, промышленных предприятий и сельскохозяйст­венных полей в результате выпадения атмосферных осадков.

В настоящее время в водоемы Земного шара выпускается более 500 км³ сточных вод, в том числе около 200 км³ промышленных. В странах бывшего СССР сбрасывалось, в водоемы около 26 км³ промышленных сточных вод, из которых около 30% —- предприятиями химической промышленности.

Наибольшему антропогенному воздействию подвержены поверхност­ные воды суши, они же являются наиболее уязвимой сферой обитания жизни.

Несмотря на то что общие водные ресурсы Земли составляют почти 1,5 млрд .км³, распределение их по водным резервуарам и регионам крайне неравномерное (табл. 31).

315

Из приведенных данных видно, что объем воды в реках составляет всего 10"⁷ от общего объема воды в гидросфере. Однако. именно эти воды в первую очередь используются в промышленности и сельском хозяйстве и подвержены воздействию сточных вод.

Стационарный объем различных видов природных вод не дает еще полного представления о водных ресурсах, которыми может распола­гать человечество. Все потребности человека в воде удовлетворяются запасами пресных вод, включая реки, озера и подземные воды, сум­марный объем которых составляет всего 0,3% объема гидросферы. Кажущаяся неисчерпаемость этих вод связана с весьма интенсивным, непрерывным возобновлением пресных вод в процессе естественного круговорота. Так, объем речных вод возобновляется в среднем каждые 12 сут, или более 32 раз в течение года (табл. 32).

Таблица 32. Балансовая оценка ресурсов пресных вод (расход воды за год)

Ежегодный водозабор из рек и подземных вод в настоящее время превышает 560 км³, из них около 140 км³ — так называемое безвоз-316

вратное водопотреблеиие. Казалось бы, резерв неиспользуемых прес­ных вод еще велик, беспокойство об истощении водных ресурсов преж­девременно. Однако объем чистых природных вод, загрязняемых сточными водами, достигает 5500 км³. "Структура" антропогенного водопотреблеиия представлена в табл. 33.

Таблица 33, Расход воды на хозяйственные нужды (км³)

Если учесть, что для хозяйственно-питьевого водоснабжения вода рек, озер и водохранилищ, в которые сбрасываются сточные воды, непригодна, то именно в загрязнении вод сточными водами кроется одна из причин истощения водных ресурсов.

Далее по усредненной оценке, реки на 40% состоят из сточных вод. Поскольку же речные ресурсы распределены в мире неравномерно, в регионах с развитыми промышленностью и сельским хозяйством реч­ная вода успевает многократно прокрутиться через антропогенный цикл использования.

Нормальное функционирование любой хозяйственной системы немыслимо без больших количеств пресной воды. Расход воды на производство различной продукции представлен в табл. 34.

Таблица 34. Расход воды на цроизводство различных видов продукции

Видно, что химические производства являются наиболее водоемки­ми. Полный расход воды на одних только нефтеперерабатывающих

317

заводах сейчас составляет более 100 тыс.км³/ч, что равноценно расхо­ду воды в р. Днестр или Прут. В общей сложности современные круп­ные химические предприятия используют до 1 млн.м³/ч воды. При этом основное количество воды (до 80%) предназначено для отвода избыточного тепла в водооборотных схемах.

В условиях ограниченных ресурсов воды важным мероприятием по защите водных объектов от загрязнений и по сокращению объема водопотребления является применение водооборотных схем (бессточ­ных технологий). Однако полностью проблемы Очистки сточных вод от ЗВ эти мероприятия не снимают.

В зависимости от происхождения, вида и качественных характерис­тик примесей сточные воды можно разделить на четыре основные категории: бытовые (хозяйственно-фекальные); промышленные; сельс­кохозяйственные; дождевые (атмосферные).

По характеру воздействия на природные водоемы различные сточ­ные воды можно разделить на несколько групп:

1. Тепловое загрязнение возникает при использова­нии воды для отвода избыточной теплоты. Экологическая опасность теплового загрязнения природных водоемов связана с интенсификаци­ей процессов жизнедеятельности водных организмов, что может выз­вать перестройку и расбалансировку экосистемы.

2. Загрязнение минеральными солями создает опас­ность для одноклеточных организмов, обменивающихся с внешней средой путем осмоса. Минерализация вод в водооборотных системах приводит к ухудшению их технологических характеристик.

#. Загрязнение вод взвешенными частицами ухуд­шает прозрачность вод, снижает фотосинтетическую аэрацию водной среды, способствует заилению дна в зонах с низкой скоростью тече­ния. Взвешенные частицы могут оказывать неблагоприятное воздейст­вие на жизнедеятельность гидробионтов — фильтраторов. Кроме того, взвешенные частицы служат эффективными сорбентами и комплексо-• ббразователями различных загрязняющих веществ. Оседая на дно, они могут стать источниками вторичного загрязнения водной среды.

4. Загрязнение вод тяжелыми металлами не только оказывает отрицательное экологическое воздействие, но и наносит значительный экономический ущерб. Источниками загрязнения воды тяжелыми металлами' служат гальванические цехи, а также предприя­тия горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машинострои­тельные заводы. Источником загрязнения природных вод ионами меди может служить виноградарство, поскольку для борьбы с вредителями здесь широко применяется медный купорос.

5. Загрязнение вод высокомолекулярными с о е -318

динениями, в частности лигнинами, представляет большую опасность для водных экосистем в зоне выброса сточных вод пред­приятий целлюлозно-бумажной промышленности.

6. Загрязнение вод нефтепродуктами создает опасность возникновения нефтяной пленки на поверхности воды, препятствую­щей газообмену воды с атмосферой. Кроме того, при наличии непо­лярной фазы нефтепродуктов (в виде пленки или эмульсий тяжелых фракций) в них кумулируются гидрофобные загрязняющие вещества, сами нефтепродукты накапливаются в жировых фракциях гидробион-тов. Основным источником загрязнения вод нефтепродуктами являют­ся водный транспорт и поверхностный сток с городских территорий в периоды снеготаяния и ливневых дождей.

7. Загрязнение вод органическими веществами— красителями, фенолами, СПАВ, пестицидами и другими ксенобиотика­ми — создает опасность возникновения токсикологической ситуации в водоеме, может влиять на виутриводоемные окислительно-восстанови­тельные процессы.

8. Загрязнение вод биогенными элементами приво­дит к возникновению вторичных эффектов самозагрязнения водной среды.

Приведенная классификация вод условна. Обычно в сточной воде присутствуют загрязняющие вещества нескольких видов, причем за­частую сточные воды промышленных предприятий смешиваются с городскими.

Количество бытовых сточных вод составляет около 200 л в день на человека. Для их обеззараживания широко применяют методы биоло­гической очистки. Сельскохозяйственные сточные воды, содержащие различные пестициды и химикаты, либо поступают в водоемы без очистки с поверхностным и почвенным стоком, либо на пути стока ставятся различного рода "экраны" — торфяные или карбонатные сорбенты, дренажные сооружения и т.д.

Прежде чем перейти к методам очистки локальных и смешанных (коммунально-промышленных) сточных вод, остановимся на тех эколо­гических требованиях, которым должны удовлетворять воды, сбрасы­ваемые в водоем после их очистки.

S 10.2. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Рассмотрим взаимосвязь состава и свойств природной водной среды с составом сбрасываемых в водоем сточных вод, имея в виду качествен­ный и количественный аспект влияния этих вод на состояние водной

319

экосистемы. Фактически требуется ответить на вопрос о необходимой и достаточной степени очистки сточных вод, пригодных для сброса в природный водоем либо предназначаемых для повторного промышлен­ного использования в системах замкнутого водооборота.

Требования к очистке сточных вод тесно связаны с рассмотренны­ми в гл. б, 7 внутриводоемными химико-биологйческими (экохимичес-кими) процессами самоочищения и формирования биологической полноценности природной водной среды. Очевидные общие соображе­ния здесь таковы.

1. Сток, сбрасываемый в водоем, не должен нарушать систему само­очищения водной среды. Это означает отсутствие или слабое влияние на такие параметры, как температура, прозрачность, рН, содержание взвешенных частиц, металлов переменной валентности — катализато­ров окислительнонвосстановительных процессов, лигандный. состав, содержание фотосенсибилизаторов, инициаторов и ингибиторов сво-боднорадикальных процессов.

2. Сток не должен обладать токсичностью в отношении обитателей водной среды. Это означает, что сбрасываемые воды должны удовлет­ворять определенным экологскгоксикологическим и санитарно-гигие­ническим требованиям.

3. Сток не должен нарушать динамику внутриводоемных окисли­тельно-восстановительных процессов, формирующих редокс-состояние природной водной среды. Это означает, что сток не должен содержать редокс-активных компонентов и в нем не должно быть превышено максимально допустимое содержание биогенных элементов, стимули­рующих "цветение" сине-зеленых водорослей.

Для каждого вида сбросовых вод существует оптимальная степень очистки. С одной стороны, чем глубже очистка, тем больше экономи­ческие затраты на нее. С другой, начиная с какого-то уровня очистки сброс становится безвредным. Это обстоятельство должно приниматься во внимание при экономическом обосновании очистных сооружений и способов очистки.

Так, в зависимости от применяемых методов степень очистки сточ­ных вод, в принципе, может быть доведена до 95% и даже до 98—99%. Соответственно понижается необходимая степень разбавления очищен­ного стока чистой водой. Однако при повышении степени очистки с 85 до 95% расходы на очистку возрастают в 2—3 раза, а свыше 95% — примерно в 10 раз йа каждый дополнительный процент повышения эффективности работы сточных сооружений (B.C. Каминский, 1988). В то же время и без доочистки расходы на строительство очистных сооружений составляют 30—50% от общих капитальных вложений в промышленный объект. В этой связи становится все более очевидным, 320

что очистные сооружения, за редким исключением, проблем охраны природной водной среды от загрязнений решить не могут.

Генеральным, стратегическим направлением ликвидации загрязне­ния как водных объектов, так и воздушного бассейна является созда­ние безотходной технологии. На ближайшую перспективу наиболее реальным инженерным путем предотвращения поступления ЗВ в вод­ные объекты является создание на промышленных предприятиях замкнутых водооборотных систем.

В условиях все большего перехода на водооборотные схемы водо­пользования, особенно в таких водоемких процессах, как терлоотведе-ние, уровень загрязнения вод веществами, влияющими на систему самоочищения водной среды, будет уменьшаться.

При переходе на водооборотные схемы принципиальная основа технологических процессов сохраняется на современном уровне либо совершенствуется с точки зрения уменьшения побочных продуктов, но без радикальной перестройки. Сточные воды продолжают образовы­ваться, но они очищаются до такого уровня, чтобы' эти воды могли вновь применяться на предприятии для охлаждения или для техноло­гических целей. С переходом предприятий на водооборотную схему достигается двоякий положительный эффект. Наряду с предотвраще­нием загрязнения водоемов предприятием резко сокращается расход свежей воды как на технологические цели, так и на разбавление сбра­сываемых в водные объекты сточных вод. На смену экстенсивному расходованию водных ресурсов приходит рациональное, интенсивное их использование.

Степень очистки оборотной воды может быть ниже, а значит, и сама очистка дешевле, чем для сбросовых вод. Так, БПКго в оборот­ных водах может достигать 20-25 мг0₂/л при норме для водных объектов 3 мгОг/л. Допустимое содержание нефтепродуктов в оборот­ной воде составляет 25 мг/л, а на машиностроительных заводах даже 30—40 мг/л, в то время как ПДК нефтепродуктов для водных объектов всего 0,05 мг/л. Допустимое содержание железа в оборотных водах — 4 мг/л, а в водных объектах — 0,05 мг/л. Соответствующие нормы для меди 1—2 и 0,01 мг/л, для цианидов — 10 и 0,05 мг/л, для СПАВ — до 15 и 0,1 мг/л и т.д.

Введением водооборотных систем достигается значительный эконо­мический эффект в сочетании с уменьшением ущерба окружающей среде. Общий народнохозяйственный эффект от внедрения водообо­ротных систем еще выше в регионах с количественным дефицитом пресной воды.

Общий объем оборотных вод в промышленности сейчас превышает 250 км³/год, что примерно на уровне годового стока р. Волги. Схемы

321

промышленного оборотного водоснабжения освоены на большинстве предприятий черной металлургии.

Оборотные циклы водоснабжения энергоустановок делятся на ус­ловно-чистые и грязные. В условно-чистых циклах исключается кон­такт воды, используемой для охлаждения теплообменного оборудова­ния, с технологическими средами — загрязнителями. Эти воды харак­теризуются повышенным солесодержанием, загрязнением маслами и нефтепродуктами, продуктами коррозии водоводов и теплообменного оборудования, реагентами, применяемыми для обработки воды, дисба­лансом растворенных газов.

В грязных оборотных циклах вода, используемая в технологичес­ких процессах, непосредственно контактирует с активными технологи­ческими загрязнителями. В зависимости от технологических нужд вода используется для гидросбива окалины, сорбции токсичных газов, пылезадержания в дымовых выбросах, для диспергирования металлов в процессе получения порошков (порошковая металлургия), для обога­щения руд, травления и других технологических процессов. Формаль­но водооборотные системы не являются источниками загрязнения природных вод, поскольку в большинстве проектов не предусмотрено водоотведение в водоемы. В этом случае периодический сброс так называемых продувочных вод имеет залповый характер. В реальных условиях водоохлаждающие сооружения "грязных" оборотных циклов (градирни, брызгальные бассейны, пруды-охладители) располагаются на территории рабочей зоны производства. Капельный унос воды с этих сооружений является источником загрязнения воздуха, почвы и природных вод цианидами, роданидами, тяжелыми металлами, фено­лами и т.д. Опасность для грунтовых вод представляют шламонакопи-тели и хвостохранилища.

При полном замыкании водооборотных систем в оборотных водах постепенно накапливаются минеральные соли. Это приводит к необхо­димости деминерализации части оборотной воды, с тем чтобы при смешении ее с основным количеством воды, циркулирующим в оборот­ной системе, среднее содержание солей сохранялось на постоянном уровне (не более 2 г/л). Обычно на промышленных предприятиях для достижения указанной цели достаточно подвергать деминерализации 0,5—1% оборотной воды.

Современное оборотное водоснабжение трудно представить без применения биоцидов. На долю биоповреждений оборудования прихо­дится 50—80% всех повреждений, вызываемых оборотной водой. В системах условно-чистого оборотного водоснабжения все шире приме­няют ингибиторы коррозии и отложений. Все это приводит к загряз-

322

нению оборотных вод высокотоксичными веществами, для очистки от которых наиболее эффективны методы деструктивного окисления.

Для определения эффективности работы очистных сооружений, с точки зрения их токсикологического контроля, весьма важна методика оценки качества очищенных сточных вод. Наиболее надежным методом оценки качества воды является ее биотестирование путем наблюдения за воздействием воды на определенные тест-организмы (см. § 9.3).

На основании данных по биотестированию с целью достижения биологической полноценности воды в водных объектах требуется сле­дующая (в среднем) степень разбавления чистой водой сточных вод после их биологической очистки (B.C. Каминский, 1988):

для хозяйственно-бытовых сточных вод, содержащих СЦАВ, но без примеси промышленных сточных вод, — порядка 10;

для очищенных промышленных сточных вод, не содержащих спе­цифических особо токсичных: веществ, — 25;

для целлюлозно-бумажной промышленности — доходит до J.00, а после специальной обработки — до 50-кратного;

для некоторых производств синтетического каучука — до 2000 раз.

Такое количество чистой воды для разбавления в промышленных регионах обычно отсутствует. Все это диктует необходимость использо­вания дополнительной (после механической и биологической) ступени очистки сточных вод, что вызывает удорожание стоимости очистных сооружений.

Для сокращения поступления загрязненных сточных вод в природ­ные экосистемы в южных регионах перспективным направлением ис­следований является поиск путей утилизации сточных вод после их биологической очистки. Например, в Алма-Ате во избежание сброса городских сточных вод в р. Или ведутся работы по использованию их для орошения технических культур, в частности лесонасаждений.

Серьезное значение для улучшения качества воды имеет предотвра­щение загрязнения воды биогенными веществами. Так, в густонаселен­ной средней полосе европейской территории бывшего СССР доля загрязнения природных вод соединениями фосфора, вносимая с быто­выми сточными водами, составляет около 50% от общего количества, соединениями азота — свыше 20% (В.С. Каминский, 1988). Даже после глубокой доочистки бытовых сточных вод для предотвращения эвтро-фирования водных объектов очищенные воды должны быть разбавле­ны чистой водой в 30—60 раз. Эти оценки указывают на необходи­мость организации оборотного водоснабжения и для коммунально-бытовых сточных>вод, которые могли бы быть использованы для тех­нических целей.

Наряду с биогенными элементами опасность для водоема представ-

323

ляют легкоусваиваемыв органические вещества, участвующие во внутриводоемном круговороте веществ (см. § 6.2). Загрязнение вод такими веществами обычно контролируется по величине ВПК. С одной стороны, чем больше приток в водоем легкоусваиваемых органических веществ (своего рода "удобрений"), тем больше его биопродуктив­ность. Однако существует некая предельная нагрузка (предельно до­пустимый сброс — НДС), превышение которой приведет к вторичным отрицательным для экосистемы последствиям. Это может быть умень­шение содержания растворенного в воде кислорода, загрязнение во­доема продуктами жизнедеятельности и отмирания водных организ­мов, развитие патогенной микрофлоры и т.д.

Источниками поступления кислорода в водную среду являются атмосферная аэрация на поверхности раздела воздух — вода и фото­синтетическая аэрация хлорофиллсодержащими организмами. Доля фотосинтетической аэрации в общем количестве поступающего кисло­рода обычно превышает 80%.

В стационарных условиях масса первичной продукции живого вещества, образующегося в результате фотосинтеза, примерно равна количеству отмирающей биомассы. Значительная часть кислорода, выделяющегося в воду в процессе фотосинтеза, расходуется на окисле­ние отмирающей за тот же отрезок времени биомассы. Объем неиспользуемого кислорода определяется количеством органических веществ, оседающих в донных отложениях и распадающихся без участия растворенного кислорода. На долю легкоокисляемых загрязняющих органических веществ приходится этот свободный кислород и кислород, поступающий из атмосферы.

Для нормального процесса самоочищения необходимо, чтобы коли­чество свободного кислорода было не ниже величины ВПК легкоокис­ляемых веществ. Во всяком случае предельно допустимый уровень сброса таких веществ в водоем не должен превышать (с учетом эффек­тов разбавления) уровня естественных продукционно-деструкционных процессов:

ПДС = БПКсв W_C,B < ППУ_В0Д,

где W_c в — объемная скорость выпуска сточных вод; ПП — первичная продукция органического вещества в зоне воздействия стока; V_BCW — объем водной массы водоема в зоне эффективного смешения со сточ­ными водами. Из этого уравнения следует ограничение на величину ВПК сточных вод:

ВПКсв <ППУ_ВодМ._в.

Следовательно, сброс легкоокисляемых веществ необходимо произ-324

водить с учетом первичной продукции, которая зависит от лимнологи­ческого типа (трофности) водоема и сезонного фактора.

В отношении биогенных элементов (N, Р), стимулирующих рост микроводорослей, требования должны быть в десятки раз более жест­кими, чем в Отношении органических веществ. В противном случае возможен нестационарный', автокаталитический рост первичной про­дукции органического вещества из-за роста биомассы фотосинтезирую-щих микроводорослей. Биогенные элементы являются как бы катали­заторами биологического круговорота органических веществ. В связи с этим во избежание локально повышенных концентраций биогенов в зоне выброса сточных вод содержание их в стоке не должно превы­шать содержания биогенных элементов в природной водной среде.

Большую опасность в отношении загрязнения водоемов биогенными элементами представляет развитие животноводства. В жидкой фрак­ции животноводческих отходов содержание азота составляет от 500 до 4000 мг/л. Очистку таких стоков с применением инженерных и биоло­гических методов до степени чистоты, достаточной для использования в орошении или сброса в водоем, осуществлять не удается. Возможна рециркуляция сточных вод животноводческих комплексов после их биологической очистки для гидросмыва навоза из помещений. Расход свежей воды при этом снижается в 3—4 раза. Однако такие оборотные системы подвержены быстрому биообрастанию.

Реальным выходом из положения является метод анаэробной кон­версии жидкого навоза в метантенках (см. п. 10.3.2). Около 30% орга­нического вещества при этом разлагается. Брожение 1 т навоза (в пересчете на сухое вещество) дает 350—500 м³ биогаза, которого оказы­вается достаточно для покрытия энергетических нужд всего животно­водческого комплекса. Одновременно осуществляется достаточно глу­бокая очистка жидкой фракции отходов, а образующийся обеззара­женный сухой остаток является концентрированным удобрением, более ценным, чем исходный навоз.

Для уменьшения поступления биогенных соединений с сельскохо­зяйственных полей кроме агротехнических мероприятий и организа­ции водоохранных зон рекомендуется инженерная фитомелиорация прибрежных мелководий или специальных прудов с созданием так называемых биоплато. ,

Не менее серьезной проблемой, чем загрязнение вод биогенными элементами, является возможное влияние сточных вод, прошедших биологическую очистку, на внутриводоемные редокс-процессы. Основа­ние для такого беспокойства связано с тем, что в коммунально-про­мышленных сточных водах накапливаются большие количества (до 10'⁴ М) веществ-восстановителей, титруемых пероксидом водорода.

325

По-видимому, по крайней мере часть таких веществ в сточных водах имеет биологическое происхождение и они проявляют токсичес­кие свойства, подобно редокс-^гоксинам, встречающимся в природных водах (см. § 6.4). Действительно, сток, э котором обнаруживаются вещества-восстановители, остротоксичеч в отнощении аэробных орга­низмов (в качестве биотеста брали одноклеточную инфузорию Tetra-hymena Pyriformis).

Детоксикация стока достигается добавками Н2О2 или под действием УФ-излучения. В отсутствие предварительной обработки стока токсичные вещества-восстановители частично сохраняются в аэротенке в процессе очистки и могут поступать в водоем. Даже при концентрации этих веществ (3—5) • 10~⁷ г-экв/л, учитывая большой объем сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы, такой приток восстановителя может серьезно отражаться на содержании внутриводоемного пероксида водорода.

Настораживает и тот факт, что начало явлений массовой гибели личинок осетровых рыб на ВОРЗе (см. § 6.4) совпало по времени (1976) с вводом в действие сооружений биологической очистки во многих крупных городах, расположенных по берегам Волги. Причина такого неожиданного влияния биологически очищенных сточных вод связана с тем, что аэротенк является своего рода фильтром на пути легкоокисляемых органических соединений, которые, поступая в водо­ем, при окислении их кислородом воздуха привели бы к образованию Н₂02- Об этом свидетельствует тот факт, что в зоне сброса неочищен­ных городских сточных вод наблюдается увеличение содержания Н2О2 в воде. При наличии биологического фильтра потенциальные носители Н₂02 задерживаются в аэротенке, тогда как вещества-восстановители частично проскакивают в водоем.

Очевидно, что для предотвращения возможной расбалансировки внутриводоемных редокс-процессов, а также для снижения токсичес­кой нагрузки на микроорганизмы активного ила (АИ) необходима редокс-детоксикация как стока, поступающего в аэротенк (см. п. 10.3.1.2), так и стока, сбрасываемого в водоем.

Биологические методы очистки сточных вод близки природным микробиологическим процессам самоочищения водной среды. Здесь в концентрированном виде проявляются основные пути и закономернос­ти биохимической трансформации загрязняющих веществ. Поскольку биологические методы наиболее широко испрльзуются в практике очистки городских сточных вод, рассмотрим их особенности более подробно.

326