Масштабы загрязнения и истощения водных ресурсов в настоящее время приняли угрожающий характер. Остро встала проблема нехватки пресной воды в густонаселенных районах, крупных промышленных центрах, в местах орошаемого земледелия. Отсутствие чистой питьевой воды, загрязнение водоемов являются причиной многих заболеваний человека, губительно сказываются на животном и растительном мире Земли. Во многих местах загрязнение пресных вод переходит из разряда локального в региональный.
Мероприятия по очистке вод являются составной частью рационального использования и охраны водных ресурсов, и представляет собой комплекс мер (технологических, биотехнических, экономических, административных, правовых, международных, просветительских и т.д.), направленных на рациональное использование вод, их сохранение, предупреждение истощения, восстановление природных взаимосвязей, равновесия между деятельностью человека и средой. Важными принципами рационального использования водных ресурсов являются:
- профилактика - предотвращение негативных последствий возможного истощения и загрязнения вод;
- комплексность водоохранных мер - конкретные водоохранные меры должны быть составной частью общей природоохранной программы;
- повсеместность и территориальная дифференцированность охранных мер;
- ориентированность на специфические условия, источники и причины загрязнения;
- научная обоснованность и наличие действенного контроля за эффективностью водоохранных мероприятий.
Все известные методы и средства защиты гидросферы можно объединить в три группы:
I. В первую группу входят мероприятия, направленные на снижение использования и загрязнения вод. Для этого применяют совершенствование технологий производства, внедряют в практику безотходные технологии. В настоящее время совершенствуется ныне действующая оборотная система водоснабжения, или повторное использование воды.
Замкнутые водооборотные циклы предполагают такое использование природных вод, при котором вода закачивается в систему один раз, а потом отработанные воды возвращаются в производственный цикл. Но в процессе водооборотного водоснабжения возможно загрязнение ее биологическими примесями, что приводит к процессам обрастания. С этой целью воды подвергаются биоочистке. Кроме того использованная вода может дополняться природной водой или частично заменяться природными водами из внешней среды из-за потерь в процессе производства.
Применение водооборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление природной воды. Оборотную воду можно использовать и как теплоноситель, и как охлаждающий агент, что повышает эффективность производства. Положительной стороной такого водопотребления является практически полное прекращение образования сточных вод и их попадания в гидросферу.
Для снижения водопотребления на различных предприятиях используют следующие мероприятия:
1) внедрение процессов, не требующих воды;
2) совершенствование процессов и оборудования, способствующих снижению расхода воды;
3) внедрение энерготехнологических агрегатов, использующих тепло химических процессов и не требующих использования воды в качестве теплоносителя;
4) замена воды воздухом в качестве теплоносителя.
II. Во вторую группу входят мероприятия, направленные на защиту гидросферы путем обработки и нейтрализации вредных сбросов специальными системами очистки – т.е очистка сточных вод от вредных примесей.
Выделяют два основных пути очистки сточных вод: разбавление сточных вод и очистка их от загрязнений. Разбавление представляет собой не эффективную меру, которая не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь - очистка сточных вод от загрязнений.
Характер водоочистки зависит от того, какая задача поставлена перед этим процессом. Так, для получения питьевой воды необходима ее очистка не только от механических примесей, но и от микробов и нежелательных растворенных химических соединений, в то время как для получения чистой воды ее нужно освободить от примесей загрязняющих среду обитания, и тех веществ, которые нежелательны в данном производстве. Особые задачи стоят и при очистке промышленных сточных вод — в этом случае необходимо выделить из них вещества, загрязняющие гидросферу, которые являются отходами производства, а также уловить те вещества, которые могут быть использованы в данном производстве, и утилизировать их.
Методы очистки производственных и бытовых вод можно подразделить на следующие группы: механические, физико-химические, химические, биологические и термические (рис.1).
Механическая очистка сточных вод является обязательной составной частью водоочистки и предваряет другие методы очистки. Благодаря ей из вод удаляются нерастворимые примеси, в том числе и те, которые находятся в коллоидном состоянии. Нерастворимые примеси удаляются с помощью решеток, сит, жиро(масло)ловок и т.д. Перед механической очисткой в сточные воды добавляют коагулянты (вещества, вызывающие укрупнение коллоидных частиц) и флокулянты (вещества, способствующие процессам флотации, т. е. выделению частиц из смеси за счет сил отталкивания от растворителя с последующим укрупнением). В качестве флокулянтов используют полиэтиленамин и некоторые другие высокомолекулярные вещества; а как коагулянты — сульфаты алюминия, железа(III) и др. При выделении укрупненных частиц нерастворимых веществ применяют процессы фильтрования (на различных фильтрах и электрофильтрах), отстаивания (в отстойниках) и центрифугирования (на гидроциклонах и центрифугах — здесь используют действие центробежных сил). Механической очисткой удается освободить воду от нерастворенных примесей на 60-95%.
Химическая очистка основана на том, что растворимые примеси вступают в реакции с осадителями или реагентами (окислителями, восстановителями), при этом образуются или нерастворимые вещества (которые потом удаляются механически), или нетоксичные вещества, не приносящие ущерба природе. В качестве осадителей и нейтрализаторов широко применяют известняк, известковое молоко (суспензия гидроксида кальция) и другие щелочи, окисление активным хлором, кислородом или озоном и т. д. Однако необходимо отметить, что окисление хлором хоть и эффективно, но с экологической точки зрения небезопасно из-за образования экологически опасных хлорорганических соединений. При таком способе очистки вода очищается на 25-95%.
Физико-химические методы основаны на физико-химических процессах, ионном обмене, на протекании химических процессов под воздействием физических явлений (электролиз, электрокоагуляция и др.). Наиболее эффективными с экологической точки зрения являются процессы полного удаления примесей из сточных вод (например, полное обессоливание при использовании ионообменных смол, содержащих ионы водорода и гидроксид-ионы (ОН-). При использовании физико-химических методов удаляются стойко-эмульгированные и суспензированные примеси, а также коллоидные и растворенные вещества. Однако эти методы очень дороги и используются в специальных случаях.
Биохимические и биологические методы основаны на том, что некоторые микроорганизмы способны использовать загрязняющие вещества как пищу, усвоив которую они очищают сточные воды от таких примесей (это применяется, как правило, для очистки сточных вод от органических и биологических примесей). Различают аэробные и анаэробные разновидности данных методов. Их реализуют в аэротенках и биофильтрах (аэробные методы), либо в особых отстойниках. В результате применения биохимических методов образуется активный ил, который подвергается определенным методам обработки (обезвоживание, уплотнение, термическая обработка и др.), после чего его утилизируют либо в сельском хозяйстве, либо в строительстве.
Биологическая очистка проводится и другими способами:
1) На полях фильтрации (орошения) с оборудованными картами, магистральными и распределительными каналами – где очистка происходит естественным способом путем фильтрации воды через почвогрунты. Органический фильтрат при этом подвергается бактериальному разложению, воздействию кислорода и солнечных лучей и используется в дальнейшем в качестве удобрения. Применяется также каскад прудов-отстойников, в которых естественным путем происходит самоочищение воды.
2) Применение биофильтров – очистка сточных вод осуществляется фильтрацией через пористые материалы (гравий, щебень, песок и керамзит), поверхность которых покрыта пленкой микроорганизмов. Процесс очистки на биофильтрах происходит интенсивнее, чем на полях фильтрации, благодаря чему сточные воды очищаются от органических и биологических примесей.
Существуют сточные воды, которые нельзя очистить указанными выше методами (их около 3 % от остальных сточных вод). Такие воды подвергают термическому обезвреживанию или закачивают в глубокие горизонты.
III. В третью группу входят мероприятия по нормированию использования водных ресурсов
Рациональное использование поверхностных вод. Поверхностные воды являются основным источником питьевых вод, связующим звеном с подземными водами, в них сосредоточены запасы рыбных ресурсов и т.д. Среди мер по регулированию качества и ресурсов поверхностных вод и их рациональному использованию должны доминировать профилактические меры, предотвращающие попадание загрязняющих веществ в водоемы и реки. Это переход на безотходные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, жестокая очистка сточных вод.
Мероприятия по рациональному использованию и охране вод морей и Мирового океана заключаются в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод. Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане, сохранять мораторий на испытания ядерного оружия под водой. Следует как можно быстрее ликвидировать последствия аварий и катастроф, при которых в океан попадают нефть, нефтепродукты и другие токсичные продукты.
Рациональное использование подземных вод. Подземные воды являются наиболее ценным, а в некоторых районах и единственным, источником питьевого водоснабжения. Поэтому очень важно обеспечить их рациональное использование и охрану от истощения и загрязнения. Мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от истощения и загрязнения подразделяются на профилактические и специальные, общие и конкретные. К профилактическим мероприятиям относятся следующие:
- тщательный выбор места расположения строящегося объекта, при котором антропогенное воздействие на подземные воды будет минимальным;
- соответствующее оборудование зон санитарной охраны (ЗСО) и соблюдение режима хозяйственной деятельности в их пределах;
Создание таких зон регламентируется Положением о порядке проектирования и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения. Водоохранные зоны состоят из трех поясов. Первый пояс водоохранных зон - пояс строгого режима. Он включает территорию водозаборных, водопроводных и водоподводящих сооружений. Границы пояса устанавливаются в виде заграждения на расстоянии не менее 30-50 м от сооружений в зависимости от степени природной защищенности водоносного горизонта. Для береговых водозаборных сооружений в границы первого пояса включается вся территория между рекой и водозаборными сооружениями, но не более 150 м. Здесь запрещаются все виды строительства, и осуществляются планировка и отвод поверхностного стока, строгий контроль состояния воды и охрана территории. Второй и третий пояса водоохранных зон - пояса ограничений. Они предназначены для защиты подземных вод от микробного (второй) и химического (третий пояс) загрязнений. Площади зон определяются из расчета времени, в течение которого патогенные организмы погибают, а химические загрязнители полностью адсорбируются и нейтрализуются. Во втором и третьем поясах запрещены новое строительство, складирование отходов, размещение предприятий промышленности и с/х.
- учет степени защищенности при использовании подземных вод;
- соблюдение режима эксплуатации, который определен нормативными документами и экспертизой Государственной комиссии по запасам (ГКЗ);
- организация и ведение мониторинга подземных вод.
Специальные мероприятия по рациональному использованию и охране подземных вод от загрязнения направлены на изоляцию источников и очагов загрязнения, перехват загрязненных вод. При истощении вод применяют меры искусственного пополнения и увеличения питания подземных вод. Необходимы: утилизация шахтных и дренажных вод, которые в ряде случаев сбрасываются без применения, уменьшение и запрещение использования пресных вод на технические нужды, бережное расходование воды, уменьшение потерь при ее транспортировке и распределении. Минеральные воды должны использоваться только для лечебных целей.
Кроме этого, рациональное использование и охрана поверхностных и подземных вод включают общие (строгое соблюдение законодательных актов, уменьшение промышленных отходов, создание безотходных производств) и специфические меры (многократное использование вод, строительство очистных сооружений, соблюдение правил при разведке подземных вод, строительстве и эксплуатации водозаборов). Важным элементом рационального использования и охраны водных ресурсов планеты является их мониторинг.