Основные меры борьбы с загрязнением водоемов

Еще в 1980-х гг. ВОЗ обнародовала сведения, согласно которым в результате употребления загрязненной воды в мире ежесуточно умирает 25 тыс. человек.

Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями, разделяющимися на группы в зависимости от их биологических и физико-химических свойств. К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся там в молекулярном или ионном состоянии  (это две разные подгруппы). Вторая группа — это те вещества, которые образуют с водой взвеси или коллоидные системы (это также две разные подгруппы). В коллоидном состоянии могут находится минеральные или органические частицы, нерастворимые формы гумуса и отдельные вирусы. Взвесями же являются чаще всего планктон, бактерии и нерастворимые мельчайшие твердые частицы.

Содержание естественных (природных) частиц в поверхностных водах неодинаково. Минимальное содержание солей характерно для наших северных рек, а для южных, питаемых подземными водами, — максимальное, до 1,5 г/л. По виду исходных (природных) солей, превалирующих в воде, реки подразделяют на гидрокарбонатные (Волга, Днепр), сульфатные (Дон, Северский Донец), хлоридные и т. п. Но все же состояние рек определяется в первую очередь антропогенным фактором.

Наибольшее влияние на состояние рек оказывает сельскохозяйственное производство. Применение пестицидов во многих случаях буквально уничтожает биоценоз реки, особенно при работах на землях, непосредственно примыкающих к руслу.

Загрязнение рек промышленными и бытовыми стоками по массе стоит на втором месте, но по вредности зачастую является определяющим. Так, сбросы предприятий электронной и радиопромышленности, использующих хлорорганические растворители и отходы целлюлозно-бумажных комбинатов даже при сравнительно небольшой величине стоков убивают диоксинами все живое в ближайших водоемах.

Особенно следует выделить нефтяное загрязнение водоемов: во-первых, продукты разложения нефти чрезвычайно токсичны, а во-вторых, нефтяная пленка, изолирующая воду от воздуха, приводит к гибели живых организмов в воде.

В последнее время в воде все чаще встречаются вредные элементы (свинец, олово, цинк, медь, ртуть, радиоактивные изотопы), вода имеет кислую среду, в которой не могут жить рыбы.

Основные меры борьбы с загрязнением водоемов включают:

1. Установление прибрежных защитных полос и водоохранных зон в соответствии с Водным кодексом РФ. В прибрежных защитных полосах (шириной 10…50 м от уреза реки) запрещаются любые работы — от распашки земли до выпаса скота, а также применение пестицидов, размещение предприятий и ферм. В водоохранной зоне (до 300 м от уреза воды) запрещается размещать любые объекты, которые могут оказать влияние на состояние реки, не допускается вырубать насаждения и т. п. Зоны устанавливаются на основании тщательных обследований и закрепляются специальным проек- том, учитывающим рельеф местности и уже существующие объекты. Последние ликвидируются, или же надзорные органы устанавливают для них особый режим водопользования. Водоохранная зона обозначается специальными знаками. Работы в ней могут проводиться лишь в особых случаях и по согласованию с государственными органами.
2. Отказ от чрезвычайно ядовитых сельскохозяйственных пестицидов, в первую очередь содержащих хлор.
3. Уменьшение сбросов промышленных предприятий за счет снижения водоемкости производства и применения оборотных (замкнутых, полузамкнутых) систем водоснабжения.
4. Разделение промышленных и хозяйственно-бытовых стоков. Обеспечение их очистки перед сбросами в водоемы.
5. Снижение опасности загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами как за счет повышения надежности танкеров, так и принятия специальных мер организационно-правового характера.

Очистка воды предназначена для доведения всех параметров, характеризующих ее качество, до нормативных показателей. Между очисткой воды для питьевых нужд, очисткой в технологических целях (как из поверхностных водоемов, так и подземных вод) и очисткой сточных вод имеются сущетвенные отличия, причем даже для промышленных стоков, сбрасываемых в водоемы или на грунт и сливаемых в систему канализации, нормативы и требования к очистке различные и постоянно ужесточаются.

Методы очистки воды можно подразделить на механические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка применяется для отделения твердых и взвешенных веществ. Наиболее типичны в методы процеживания, отстаивания, инерционного разделения, фильтрования и нефтеулавливания (как разновидность отстаивания). Все они используются для обработки сточных вод. Для водоподготовки из этой группы наиболее широко применяются методы отстаивания и фильтрования.

Процеживание — первичная стадия очистки сточных вод, когда вода пропускается через специальные металлические решетки с шагом 5…25 мм, установленные наклонно. Они периодически очищаются от осадка с помощью специальных поворотных приспособлений.

Отстаивание — процесс механической очистки, который происходит в специальных емкостях — так называемых отстойниках. По направлению движения воды они бывают горизонтальными, вертикальными, радиальными и комбинированными. Общими принципами для них являются выход очищенной воды в верхней части отстойника и гравитационное осаждение частиц, которые собираются внизу. Разновидностью отстойников являются песколовки, применяющиеся для выделения частиц песка в стоках литейных цехов, и окалины, использующиеся для аналогичных целей в стоках кузнеч-
но-прессовых и прокатных цехов. Как правило, время нахождения воды в песколовках намного меньше, чем в отстойниках, где оно доходит до 1,5 ч (для сточных вод).

Инерционное разделение — процесс очистки, осуществляемый в гидроциклонах, принцип действия которых такой же, как в циклонах для очистки газов. Различают открытые и напорные гидроциклоны, причем первые имеют большую производительность и малые потери напора, но проигрывают в эффективности очистки (особенно от мелких частиц).

Фильтрование — процесс обработки, осуществляемый чаще всего через пористые связанные или несвязанные материалы. Как правило, фильтры очищают воду от тонкодисперсных примесей даже при небольших концентрациях. Фильтроматериалы достаточно разнообразны: кварцевый песок,гравий, антрацит, частички металлов и др. Песчаные фильтры — основные очистители при водоподготовке.

Нефтеулавливание — процесс очистки, проходящий в нефтеловушках, в самом простом исполнении представляющих собой отстойники, в которых выход очищенной воды происходит снизу, а нефтяная пленка собирается сверху.

Физико-химическая очистка обеспечивает отделение как твердых и взвешенных частиц, так и растворенных примесей. Она включает множество разных способов. Дадим краткую характеристику важнейшим из них.

Экстракция — процесс разделения примесей в смеси двух нерастворимых жидкостей (экстрагента и сточной воды). Например, в специальных колонках (пустотелых или заполненных насадками) стоки смешиваются с экстрагентом, отбирающим вредные вещества (так бензолом удаляется фенол).

Флотация — процесс всплывания примесей (чаще всего маслопродуктов) при обволакивании их пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. В некоторых случаях между пузырьками и примесями происходит реакция. Разновидность метода — электрофлотация, при которой вода дополнительно обеззараживается за счет  окислительно-восстановительных процессов у электродов.

Нейтрализация — обработка воды щелочами или кислотами, известью, содой, аммиаком и другими веществами с целью обеспечения заданной величины водородного показателя рН. Самый простой способ нейтрализации сточных вод — смешение кислых и щелочных стоков, если они имеются на предприятии.

Окисление — процесс очистки, применяющийся как при водоподготовке, так и при обработке сточных вод для обеззараживания воды и уничтожения токсичных биологических примесей. Наиболее распространенный способ — хлорирование — чреват появлением диоксинов (особенно при вынужденном повышении дозы хлора летом или в период паводка, т. е. при так называемом гиперхлорировании), поэтому необходимо постепенно переходить на другие способы, например на совмещение озонирования и хлорирования.

Озонирование — дорогой метод, имеющий более кратковременное действие, однако перспективный. В настоящее время проводятся эксперименты по комбинации реагентов с ультрафиолетовой обработкой воды. В любом случае вода, применяемая для питья и содержащая характерный запах хлора, перед употреблением должна как минимум отстаиваться и кипятиться.

Сорбция — метод, обеспечивающий эффективную очистку воды от солей тяжелых металлов, непредельных углеводородов, частичек красящих веществ и т. д. Лучшим сорбентом является активированный уголь, а также различные минералы (шунгит, цеолит и др.), специально обработанные опилки, сажа, частички титана и др.

Коагуляция — обработка воды специальными реагентами с целью удаления нежелательных растворенных примесей. Этот метод широко распространен при водоподготовке. Обработка ведется соединениями алюминия или железа, при этом образуются твердые нерастворимые примеси, отделяемые обычными способами. Для сточных вод широко применяется электрокоагуляция, при которой вблизи электродов образуются ионы (результат анодного растворения материала электродов), реагирующие с примесями. Так отделяют тяжелые металлы, цианы и др.

Ионообменные методы — достаточно эффективные способы очистки от многих растворов и даже тяжелых металлов. Очистка производится синтетической ионообменной смолой и, если ей предшествует механическая очистка, позволяет получить выделенные из воды металлы в виде сравнительно чистых концентрированных солей.

Биологическая очистка возможна как в естественных условиях, так и в искусственных сооружениях. В обоих случаях органические примеси обрабатываются редуцентами (бактериями, простейшими, водорослями и т. п.) и превращаются в минеральные вещества.

В естественных условиях очистка производится на полях фильтрации или орошения (через почву) или в биологических прудах-отстойниках, в которых концентрация загрязнителей снижается до требуемых норм за счет процессов самоочищения, осуществляемых микроорганизмами, водорослями, беспозвоночными, при этом пруды могут быть с поддувом воздуха (искусственной аэрацией).

Большой интерес для очистки воды представляют высшие водные растения (ВВР) — тростник, камыш, ряска и др. Способность к накоплению, утилизации и трансформации многих загрязняющих веществ делает их незаменимыми в общем процессе самоочищения водоемов. В последнее время на
территории РФ получило широкое применение тропическое цветковое растение — эйхорния (водный гиацинт). Эйхорния может применяться там, где в течение не менее двух месяцев температура стоков не опускается ниже 16 °С. Она способна поглощать все лишнее, что загрязняет воду: нефтепродукты, фенолы, сульфаты, фосфаты, хлориды, нитраты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), щелочи, тяжелые металлы.

В качестве искусственных сооружений могут применяться аэротенки, окситенки (с подачей кислорода), метатенки (без доступа воздуха) и биофильтры. В тенках (с подачей воздуха) сточные воды обрабатываются микроорганизмами. Но для нормального функционирования последних необходимы
определенные условия по температуре, рН и отсутствию многих солей. Поэтому тенки чаще всего применяются в тех очистных канализационных системах, куда не поступают промстоки. На промышленных очистных сооружениях, как правило, применяются биофильтры, в которых активная биологическая среда образуется на специальной загрузке (шлаке,  керамзите, гравии и т. п.). Эта биологическая среда (пленка) менее чувствительна к колебаниям параметров среды и сточных вод. Активность биопленки увеличивается при поддуве воздуха, подаваемого обычно противотоком.

Выбор способов очистки и обеззараживания воды зависит от многих параметров и требований. Среди важнейших следует отметить следующие:

• необходимая степень очистки и исходная загрязненность воды;
• потребные расходы и время очистки;
• наличие очистителей и энергии;
• экономические возможности.

При всех методах очистки следует обращать внимание на вопрос утилизации осадка, образующегося при обработке воды (особенно токсичных промстоков). Обычно его обезвоживают и захоранивают на специальных полигонах или обрабатывают в биологических сооружениях. Существуют специальные печи для сжигания токсичных отходов с очень высокой полнотой сгорания (за счет создания взвешенного слоя сгорающего вещества, тангенциальной подачи топлива и др.) и четырехступенчатой очисткой газовых выбросов. Ведутся разработки по сжиганию этого осадка в специально оборудованных металлургических печах с получением сравнительно безвредного строительного материала.